氮肥与密度互作对单粒精播花生根系形态、植株性状及产量的影响

刘俊华 吴正锋 沈 浦 于天一 郑永美 孙学武 李 林 陈殿绪 王才斌,* 万书波,4,*

氮肥与密度互作对单粒精播花生根系形态、植株性状及产量的影响

刘俊华1,3,**吴正锋2,**沈 浦2于天一2郑永美2孙学武2李 林1陈殿绪2王才斌2,*万书波1,4,*

1湖南农业大学/ 湖南省花生工程技术研究中心, 湖南长沙 410128;2山东省花生研究所/ 国家花生工程技术研究中心, 山东青岛 266100;3滨洲学院生物与环境工程学院, 山东滨州 256600;4山东省农业科学院/ 山东省作物遗传改良与生态生理重点实验室, 山东济南 250100

为明确花生单粒精播适宜的氮肥水平和种植密度, 本研究于2018年和2019年以‘花育22’为供试花生品种, 设置3个氮肥水平(0 kg hm–2, N0; 60 kg hm–2, N1; 120 kg hm–2, N2), 3个种植密度(7.93万株 hm–2, D1; 15.86万株 hm–2, D2; 23.79万株 hm–2, D3), 采用二因素裂区试验设计, 研究氮肥、密度及其互作对单粒精播花生根系形态、植株性状及产量的影响。氮肥对花生根长、根表面积、根体积、根干重的影响不显著, 而密度的影响显著。单株根长、根表面积、根体积及根系干重随密度的增加而降低, D1显著高于D2和D3, D2、D3处理间差异不显著; 单位面积根长、根表面积、根体积及根系干重随密度的增加而增加, D1显著低于D2和D3, D2、D3处理间差异不显著。氮肥和密度互作对2019年收获期单位面积根长、根表面积的影响显著, 与D1相比, N1处理下D3的增幅显著高于N0和N2处理。氮肥及氮肥与密度互作对植株性状的影响存在年度和时期间的差异, 主茎叶片数、侧枝数和主茎第一节间粗随密度增加有降低趋势。氮肥对荚果产量的影响不显著, 荚果产量随密度的增加呈增加的趋势。产量与根体积、根干重、主茎叶片数、主茎高及侧枝长呈显著正相关。综上所述, 在本试验条件下, 花生单粒精播适宜的氮肥(N)水平为60 kg hm-2, 种植密度为18.8万株 hm-2。

氮肥; 密度; 花生; 单粒精播; 根系形态; 植株性状; 产量

花生是我国重要的油料作物, 目前生产用种量大、盲目或过量施肥, 导致花生成本高、经济效益低、环境污染风险大, 因此发展绿色节本增效生产具有重要的意义[1]。花生单粒精播是一项行之有效的节本增效栽培技术, 与传统的双粒播种相比, 单粒精播技术在产量不降低或略有增产的情况下, 节种20%左右, 生产成本大幅度降低, 具有广阔的发展前景[2-3]。

氮肥和密度是影响作物产量的重要栽培措施[4-6]。在一定范围内, 施氮能促进作物光合作用, 提高产量, 但过量施氮导致植株倒伏、肥料利用率降低、环境污染风险加大[7-9]。合理密植可以提高群体叶面积指数, 进而提高作物生物量, 但过高的种植密度容易削弱中下层叶片的光照条件, 造成个体发育差、群体光合能力反而降低[10-13]。适宜的氮肥水平下, 合理密植可改善作物群体质量, 提高作物产量[14-17]。植物根系既是水分和养分吸收的主要器官, 又是多种激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所, 其形态和生理特性与地上部的生长发育、产量和品质形成均有密切的关系[18-22]。氮、磷可促进花生根系生长[23-25], 干旱条件下, 氮肥有利于深层根系生长[26-27]。冯烨等[28]研究表明, 单粒精播可保证花生根系相对较强的生长优势, 协调根冠比, 壮个体, 强群体, 实现花生高产。目前氮肥和密度互作对单粒精播花生根系形态、生长发育的研究鲜有报道。本研究于2018年和2019年采用单粒播种方式, 设置不同的氮肥水平和密度, 研究氮肥、密度及其互作对单粒精播花生根系长度、根表面积、根体积、根干重、植株性状及花生产量的影响, 以期筛选出适宜的氮肥水平和种植密度, 为花生绿色节本增效栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

山东省花生研究所莱西试验站(36º48'N, 120º 30'E)属于温带季风气候, 土壤为棕壤土。2018年含有机质1.1%、速效氮67.1mg kg-1、速效磷47.8 mg kg-1、速效钾98.6 mg kg-1、交换性钙8.3 cmol kg-1, pH 5.6; 2019年含有机质1.2%、速效氮76.9mg kg-1、速效磷38.4 mg kg-1、速效钾128.0 mg kg-1、交换性钙14.5 cmol kg-1, pH 5.6。

1.2 试验设计

采用直径40 cm、高50 cm硬化PVC无底圆桶, 圆桶埋入土中, 上边露出地表5 cm。试验前所有土壤混匀、过筛。采用二因素裂区设计, 氮肥水平为主区, 种植密度为副区。设0 (N0)、60 (N1)、120 (N2) kg hm-23个氮肥水平, 7.93 (D1)、15.86 (D2)和23.79 (D3)万株hm-23个种植密度, 即每桶单粒、双粒、三粒。共9个处理, 每个处理3次重复, 每个重复3桶。氮肥为尿素, 各处理除氮肥外均施磷肥90 kg hm-2(P2O5), 钾肥120 kg hm-2(K2O), 肥料施入地表0~20 cm土层中, 桶周围保护行施与各处理相同用量的肥料。2018年和2019年分别于5月23日和5月24日催芽足墒播种, 齐苗后间苗, 每桶分别留1、2、3棵长势均匀的花生植株, 按大田花生生产正常管理, 分别于9月18日和9月25日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 地上部植株性状的测定 在花针期(flower-pegging stage, FS)、结荚期(pod setting stage, PS)和收获期(harvest stage, HS), 从各处理选取3桶生长一致的植株, 从子叶节部位将植株分为地上部和地下部。地上部植株测定主茎总叶片数、侧枝数、主茎高、侧枝长和第一节间粗等指标, 荚果烘干称重, 将根系从无底圆桶中取出, 并拣出土层内散落的根系, 将根系用流水冲洗干净, 放入封口袋, 冷冻保存, 以备测定根系形态指标。

1.3.2 根系形态的测定 根系解冻后, 用Epson 7500双面光源扫描仪[爱普生(中国)有限公司]扫描根系, 保存图像, 再用WinRHIZO根系分析系统(Regent公司, 加拿大)分析图像。测定根系形态指标后, 80℃烘干至恒重, 称根干重。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件计算和处理数据,采用SAS 10.0软件进行方差分析, 用LSD法比较处理间在=0.05水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 氮肥和密度对花生根系形态及根干重的影响

2.1.1 根长 由表1可知, 氮肥对根长的影响不显著, 密度对根长具有重要的影响。单位面积根长随密度的增加呈增加的趋势, D2和D3分别比D1增加0.6%~106.2%和2.3%~96.2%, D2、D3显著高于D1 (2018年收获期和2019年结荚期除外), 而D2和D3处理间差异不显著; 单株根长随密度的增加呈降低的趋势, D2和D3分别比D1降低-3.1%~50.3%和34.6%~66.0%, 而D2和D3处理间差异不显著。氮肥和密度互作对2019年收获期单位面积根长的影响显著, 中氮(N1)条件下, D3比D1增加134.0%, 无氮(N0)和高氮(N2)条件下, D3分别比D1增加39.6%和12.1%, 中氮处理的增加幅度显著高于无氮(N0)和高氮(N2)处理。

2.1.2 根表面积 由表2可知, 氮肥对根表面积的影响不显著, 密度对根表面积具有重要的影响, 花生单位面积根表面积随密度的增加而增加, D2单位面积根表面积比D1增加8.6%~94.9%, D3比D1增加11.3%~86.2%, D2、D3显著高于D1 (2018年收获期和2019年结荚期除外), 而D2和D3处理间差异不显著; 单株根表面积随密度的增加呈降低趋势, D2和D3分别比D1降低2.6%~45.7%和37.9%~ 61.1%。氮肥和密度互作对2019年收获期单位面积根表面积的影响显著, 在中氮(N1)条件下, D3比D1增加125.0%, 无氮(N0)和高氮(N2)条件下, D3分别比D1增加35.4%和16.1%, 中氮处理的增幅显著高于无氮(N0)和高氮(N2)处理。

2.1.3 根体积 由表3可知, 氮肥对单位面积根体积的影响不显著, 对单株根体积的影响不显著(2019年收获期除外)。密度对单位面积根体积具有重要的影响, D2单位面积根体积比D1增加16.7%~92.7%, D3比D1增加18.7%~134.8%, D2、D3显著高于D1 (2018年收获期和2019年结荚期除外), D2和D3处理间差异不显著; 单株根体积随密度的增加呈降低的趋势, D2和D3分别比D1降低5.1%~41.6%和21.7%~58.1%, D2和D3处理间差异不显著。氮肥与密度互作对2018年结荚期单位面积根系体积的影响显著, 无氮(N0)条件下, D2、D3比D1的增幅显著高于低氮(N1)和高氮(N2)处理, 氮肥与密度互作对单株根体积的影响不显著。

2.1.4 根干重 由表4可知, 氮肥对单位面积和单株根干重的影响不显著, 而密度对根干重的影响显著, 随密度的增加单位面积根干重呈增加的趋势, D2和D3的单位面积根干重分别比D1增加-1.5%~66.0%和0.1%~92.8%, D2、D3显著高于D1 (除2018年收获期外); 单株根干重随密度的增加呈降低的趋势, D2和D3分别比D1降低17.0%~50.8%和35.7%~66.6%, D2和D3处理间差异不显著; 氮肥与密度互作对单位面积及单株根干重的影响不显著。

2.2 氮肥和密度对花生植株性状的影响

由表5可知, 氮肥对主茎叶片数的影响不显著, 对侧枝数、主茎高、侧枝长和第一节间粗的影响存在年度和时期间的差异。密度对主茎高、侧枝长(2019年花针期除外)的影响不显著, 对主茎叶片数、侧枝数和第一节间粗具有重要影响, 且存在年际间差异。随密度的增加, 主茎叶片数、侧枝数和第一节间粗呈逐步降低的趋势, 与D1相比, D2和D3主茎叶片数减少0~14.0%和4.9%~15.6%、侧枝数减少16.4%~28.2%和37.3%~44.4%、第一节间粗减少-1.8%~34.5%和4.0%~39.8%; 不同年度比较, 2018年的降幅大于2019年。氮肥与密度互作对2018年花针期主茎高、结荚期的侧枝数和侧枝长及成熟期主茎叶片数的影响显著, 对2019年花针期的侧枝长、收获期的主茎高、侧枝长的影响显著, 2018年成熟期主茎叶片数无氮(N0)条件下, D2、D3比D1的降幅小于低氮(N1)和高氮(N2)处理, 主茎高、侧枝长和侧枝数随氮肥和密度的变化趋势不明显。

表3 氮肥和密度互作对花生根体积的影响

同一列不同小写字母表示在5%水平上差异显著。**表示在1%水平差异显著; *表示在5%水平差异显著; ns代表差异不显著。缩写同表1。

Different lowercase letters in the same column indicate significantly different at the 5% probability level. **: significantly different at the 1% probability level; *: significantly different at the 5% probability level; ns: not significant. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

表4 氮肥和密度互作对花生根干重的影响

同一列不同小写字母表示在5%水平差异显著。**表示在1%水平差异显著; *表示在5%水平差异显著; ns代表差异不显著。缩写同表1。

Different lowercase letters in the same column indicate significantly different at the 5% probability level. **: significantly different at the 1% probability level; *: significantly different at the 5% probability level; ns: not significant. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.3 氮肥和密度对花生荚果产量的影响

由图1可知, 氮肥和种植密度对花生产量具有重要的影响。荚果产量随氮肥水平增加的变化趋势因年份的不同而不同, 2018年随氮肥水平的增加呈逐步降低的趋势, 2019年不同氮肥处理间差异不显著。同一施氮水平, 不同种植密度间比较,荚果产量随密度的增加呈增加的趋势, 2018年D2和D3分别比D1增产16.5%~47.7%和24.6%~41.5%, 2019年D2和D3分别比D1增产41.8%~ 99.9%和29.2%~49.0%。方差分析表明, 种植密度显著影响花生荚果产量, 氮肥、氮肥与密度互作的影响不显著。

图1 氮肥与密度互作对花生荚果产量的影响

标以不同小写字母表示在5%水平差异显著。处理同表1。

Different lowercase letters indicate significantly different at the 5% probability level.Treatments are the same as those given in Table 1.

相对荚果产量定义为每年度各处理荚果产量与最大荚果产量的比值。由图2可知, 氮肥与相对荚果产量的关系可用=-0.000012+ 0.0012+ 0.681二次方程模拟, 最佳施氮量为60.0 kg hm-2; 密度与相对荚果产量的关系可用=-0.00212+ 0.0788+ 0.0361二次方程模拟, 最佳种植密度为18.8万株 hm-2。

2.4 荚果产量与根系性状、植株性状的相关性分析

由图3可知, 荚果产量与根干重、根体积呈极显著正相关, 根干重每增加1 g, 荚果产量增加16.2 g, 根体积每增加1 cm3, 荚果产量增加3.56 g; 荚果产量与根长、根表面积无显著相关关系。荚果产量与主茎叶片数呈显著正相关, 与主茎高、侧枝长呈极显著相关, 主茎叶片数每增加1片, 荚果产量增加4.9 g, 主茎高和侧枝长每增加1 cm, 荚果产量每桶分别增加2.6 g和2.1 g; 荚果产量与侧枝数和第一节间粗相关性不大。

图2 氮肥与密度互作对花生相对荚果产量的影响

**表示在1%水平显著相关。**indicate significant correlation at the 1% probability level.

图3 荚果产量与根系性状、植株性状的相关关系

圆圈和三角形分别表示根系性状、地上部植株性状与荚果产量的关系。*,**分别表示在5%和1%水平上显著相关。

Circle and trianglemean the relationship between root, traits, plant characteristics of overground and pod yield, respectively.*,**indicate significant correlation at the 5% and 1% probability levels, respectively.

3 讨论

根系是固定植株并从土壤中吸收和运输水分养分的重要器官, 遗传因素、施肥、种植密度等均可影响根系的形态建成[29-31]。研究表明, 增施氮肥, 根质量、根表面积、根长、根体积均显著增加[32-33]。Wu等[30]研究表明, 增施氮肥, 玉米根干重降低, 但根长增加。茄子总根长、总根干质量和产量随施氮量的增加先上升后下降[34]。本研究结果表明, 与对照相比, 增施氮肥对花生根干重、根表面积、根长、根体积的影响不显著。这可能由于土壤供氮水平较高, 增施的肥料氮不足以引起根系性状的显著变化, 今后将在此试验基础上开展长期定位氮肥试验, 进一步明确花生根系生长发育对氮肥的响应特征。密度对作物根系结构和生长发育具有重要的影响, 石德扬等[35]研究表明, 单株根系生物量、根长、根系表面积、根系活性吸收面积均随种植密度的增加而降低。梁慧敏等[36]研究表明, 单株根风干重与密度呈直线负相关, 群体根风干重与其呈曲线回归。本研究发现, 单株根长、根表面积、根体积及根系干重随密度的增加而降低, D1显著高于D2和D3, D2、D3处理间差异不显著; 单位面积根长、根表面积、根体积及根系干重随密度的增加而增加, D1显著低于D2和D3; 氮肥和密度互作对2019年收获期单位面积根长、根表面积的影响显著, 随密度增加, N1处理根长、根表面积的增加幅度显著高于N0和N2处理。

作物的根部特征与地上部分性状具有显著的相关性[37], 氮肥和密度对作物植株性状和生长发育具有重要的影响。研究表明, 增加密度, 作物单株分蘖数和地上部干重降低, 而单位面积分蘖数、叶片数和叶面积增加[38-39]。左青松等[17]研究表明, 根颈粗和冠层高度随密度的增加而降低。赵长星等[12]研究表明, 在一定的范围内, 随密度的增加, 花生主茎高、侧枝长呈增加的趋势。本研究表明, 氮肥对主茎叶片数的影响不显著, 对侧枝数、主茎高、侧枝长和第一节间粗的影响存在年度和时期间的差异。密度对主茎高、侧枝长(2019年花针期除外)的影响不显著, 对主茎叶片数、侧枝数和第一节间粗具有重要的影响, 且存在年际间差异。主茎叶片数、侧枝数和第一节间粗随密度的增加呈逐步降低的趋势,合理密植有利于减少无效分枝, 增加有效枝数。修俊杰[40]也证实, 花生分枝数、叶片数随密度的增加呈减少趋势。

本研究表明, 氮肥对花生荚果产量的影响不显著, 在一定范围内, 减施氮肥, 荚果产量不会降低, 这可能与土壤肥力水平较高能够充分满足花生生长发育需求有关, 今后将进一步从花生的氮素需求、土壤氮的供应做深入的研究, 可为花生氮肥减施提供理论依据; 荚果产量随密度的增加呈增加的趋势, 但D2和D3差异不显著, 通过一元二次方程模拟得出, 适宜的单粒精播种植密度为18.8万株 hm-2, 而王才斌等[41]研究表明, 花生单粒精播适宜的密度为21~24万株hm-2, 原因可能是本研究采用催芽足墒播种和间苗措施, 提高了花生的出苗和齐苗率。本研究中荚果产量与根体积、根干重呈极显著正相关, 与主茎叶片数呈显著正相关, 与主茎高、侧枝长呈极显著相关。因此, 在一定范围内, 增加单位面积根干重和根体积、促进地上植株的生长发育是花生增产的重要途径。

4 结论

氮肥对花生根系性状、根干重及产量的影响不显著, 对植株性状的影响存在年度和时期间的差异, 而密度对花生根系性状、根干重、植株性状及产量的影响显著。单位面积根长、根表面积、根体积、根干重和荚果产量随密度的增加而增加, 但增加到一定程度后不再增加; 而单株根长、根表面积、根体积、根干重、主茎叶片数、侧枝数、第一节间粗随密度的增加而降低。综合考虑产量和效益, 花生单粒精播适宜的氮肥(N)水平为60 kg hm-2, 种植密度为18.8万株 hm-2。

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Effects of nitrogen and density interaction on root morphology, plant characteristic and pod yield under single seed precision sowing in peanut

LIU Jun-Hua1,3,**, WU Zheng-Feng2,**, SHEN Pu2, YU Tian-Yi2, ZHENG Yong-Mei2, SUN Xue-Wu2, LI Lin1,CHEN Dian-Xu2, WANG Cai-Bin2,*,and WAN Shu-Bo1,4,*

1Hunan Agriculture University / Hunan Peanut Engineering Technology Research Center, Changsha 410128, Hunan, China;2Shandong Peanut Research Institute / National Peanut Engineering Technology Research Center, Qingdao 266100, Shandong, China;3College of Biology and Environment Engineering, Binzhou University, Binzhou 256600, Shandong, China;4Shandong Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Genetic Improvement and Ecological Physiology of Shandong Province, Jinan 250100, Shandong, China

In order to determine the suitable nitrogen level and planting density for single seed precision sowing of peanut, field comparison experiments were conducted using Huayu 22 with three nitrogen levels at 0 (N0), 60 (N1), 120 (N2) kg hm–2and three planting densities at 79,300 (D1), 158,600 (D2), and 237,900 (D3) plants hm–2in 2018 and 2019. The effects of nitrogen, density and their interaction on root morphology, plant characteristics and yields of single seed precision sowing peanut were studied by the split plot design for two factors. Nitrogen fertilizer had no significant effect on root length, root surface area, root volume and root dry weight, whereas significant on density. Root length, root surface area, root volume and dry weight per plant decreased with the increase of density, D1 was significantly higher than D2 and D3, but there was no significant difference between D2 and D3 treatments. And root length, root surface area, root volume and dry weight of unit area increased with the increase of density, D1 was significantly lower than D2 and D3, and there was no significant difference between D2 and D3 treatments. The interaction of nitrogen and density had a significant effect on the root length and surface area of unit area in the harvest stage in 2019. Compared with D1, the increase range of D3 in N1 treatment was significantly higher than that of N0 and N2. As to plant characteristics, nitrogen fertilizer and the interaction of nitrogen fertilizer and density were different between years and periods, and with the increase of density, the number of leaves of main stem, the number of lateral branches and the first internode thickness of main stem decreased. The effects of nitrogen fertilizer on pod yield was not significant, whereas pod yield increased with the increase of density. Pod yields were positively correlated with root volume, root dry weight, leaves of main stem, height of main stem and length of lateral branches. In conclusion, considering the yield and benefit comprehensively, the suitable nitrogen fertilizer (N) level is 60 kg hm–2and the planting density is 188,000 plants hm–2.

nitrogen; plant density; peanut; single seed sowing;root morphology; plant characteristic; pod yield

10.3724/SP.J.1006.2020.04058

本研究由国家重点研发计划项目(2018YFD1000906), 山东省自然科学基金项目(ZR2016CM07), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-13)和山东省重大科技创新工程项目(2019JZZY010702)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFD1000906), the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2016CM07), the China Agriculture Research System (CARS-13), and the Major Scientific and Technological Innovation Projects in Shandong Province (2019JZZY010702).

万书波, E-mail: wanshubo2016@163.com, Tel: 0531-66658127; 王才斌, E-mail: caibinw@126.com, Tel: 0532-87632130

**同等贡献(Contributed equally to this work)

刘俊华, E-mail: liujh516@163.com, Tel: 0543-3190096

2020-03-04;

2020-06-02;

2020-06-30.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200630.1330.004.html