薏苡氮磷钾养分吸收分配及利用特征

李祥栋，戴 燚，潘 虹，陆秀娟，魏心元，石 明，苏 跃

（1贵州黔西南喀斯特区域发展研究院，贵州兴义562400；2贵州省薏苡工程技术研究中心，贵州兴义562400；3贵州农业职业学院，贵阳551400）

0 引言

薏苡为禾本科薏苡属(CoixL.)作物，与高粱、玉米互为近缘物种，同时也是C4作物，有效挖掘薏苡的高产潜力，提高单产并增加总产量对薏苡生产的提质增效具有重要意义。薏苡作为重要的“药（医）食同源”作物之一，其根、茎、叶、籽粒均可入药，薏苡仁具有促进新陈代谢、抗肿瘤、镇痛、利尿、降血糖、防止皮肤粗糙与美容等功效[1-2]。然而长期以来，薏苡这一作物并未被足够重视，基本上处于野生或半野生状态。薏苡籽粒整体单产水平约为2250～4500 kg/hm2，单产水平不高，未能如所预期的那样突破产量瓶颈实现高产或超高产。目前，薏苡的生产也表现出极强的区域性，主产区分布在贵州、云南、广西、福建等地，浙江、湖南、中国台湾、河北、辽宁、山东、安徽等省份仅有零星种植[3]。目前，关于薏苡研究在种质资源[4-7]、化学成分及药理[2,8]等方面多有报道。另外，在不同地区对薏苡栽培模式和优质高效生产[9-10]、栽培因子[11-13]和肥料配比优化[14]、光合生理特征[15-17]等方面也不乏有益探索和总结。氮、磷、钾元素作为薏苡生长发育必不可少的营养元素，任何一种元素缺乏均会引发植株相应的不良反应。赵杨景等[18]初步研究了氮、磷、钾元素对薏苡干物累积及养分含量的影响，并总结了其缺素的主要症状。姜文婷等[19]则以盆栽试验的方式，初步探明了2个薏苡品种的生长及养分吸收特征。马驰宇等[20]采用配方施肥方法确立了贵州兴仁地区的推荐施肥量。郭欣慰等[21]有效分析了航天搭载诱变品种‘太空1号’的产量组成并优化了其氮、磷、钾最佳施肥量。迄今为止，前人有关薏苡N、P、K养分的吸收和利用等方面的研究仅见零星报道，多停留在施肥水平、栽培因子的优化层面。提高作物肥料利用效率是提高作物产量的重要途径之一，而阐明其养分吸收累积规律、分配特征及利用效率等生理机制则是解决问题的关键。本研究有效解析了薏苡在不同生长发育时期氮、磷、钾元素的累积、分配及吸收利用特征，以期为薏苡的科学施肥及高产潜力挖掘提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为4个薏苡品系，均为贵州省薏苡工程技术研究中心自选品系。具体见表1。

表1 供试材料信息

1.2 试验设计

田间试验于2018—2019年在贵州省兴义市木贾试验基地进行，数据以2019年为主，2018年土壤有机质含量62.8 g/kg，速效氮94.2 mg/kg，速效磷20.7 mg/kg，速效钾120.1 mg/kg；2019年土壤有机质含量73.1 g/kg，速效氮101.0 mg/kg，速效磷17.4 mg/kg，速效钾112.3 mg/kg。田间试验采取随机区组试验设计，试验设4个处理，分别对应4个品系，每小区3次重复。小区面积50 m2。采用直播法种植，基肥按施用硫酸钾复合肥(N:P2O5:K2O=15:15:15)600 kg/hm2，拔节期追施尿素（含N量46.3%）和硫酸钾复合肥各150 kg/hm2。4叶期定苗，每窝2株，密度12万株/hm2。施肥、除草等田间管理措施一致。

1.3 试验方法

1.3.1 干物质重测定及测产 选取生长发育一致的植株，挂牌标记，于抽穗期、扬花期和成熟期定期取样，每次5窝，按根、茎、叶和籽粒对植株进行分离。将分离的根、茎、叶、籽粒分别装入纸袋，于105℃杀青30 min，60℃恒温烘干称重。成熟期每小区单打单收，并折合公顷籽粒产量。

1.3.2 N、P、K含量的测定 将称重后的干物质粉碎，分别检测不同植株部位中N、P、K养分元素的含量。凯氏定氮法测量全N，钒钼黄法紫外分光光度计测定全P，火焰光度计法测定全K。

1.3.3 计算 计算公式分别见式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)。

1.4 统计与分析

Excel 2003进行数据计算和作图，SPSS 19.0进行方差分析。

植株氮（磷、钾）元素吸收量(kg/hm2)=该时期植株全部生物量×含氮（磷、钾）率=根干重×含氮（磷、钾）率+茎鞘干重×含氮（磷、钾）率+叶片干重×含氮（磷、钾）率+籽粒干重×含氮（磷、钾）率……………………………………………………………………………………………………………… (1)

地上部分氮（磷、钾）元素吸收量(kg/hm2)=该时期植株地上部分生物量×含氮（磷、钾）率=茎鞘干重×含氮（磷、钾）率+叶片干重×含氮（磷、钾）率+籽粒干重×含氮（磷、钾）率……………………………………………………………………………………………………………… (2)

2 结果与分析

2.1 薏苡产量及生物量

4个薏苡品系在2018—2019产量变化基本一致，两年平均每公顷籽粒产量为1969.2～3109.1 kg，其大小顺序均表现为‘薏珠4号’＞‘薏珠2号’＞‘薏珠1号’＞‘薏珠3号’，‘薏珠4号’与其他3个品系差异显著，其余3个品系之间差异不显著（图1）。2年平均每公顷地上部分生物量干重在18.4～22.6 t之间，平均每公顷全株生物量干重为20.5～24.7 t，其大小顺序均为为‘薏珠2号’＞‘薏珠3号’＞‘薏珠1号’＞‘薏珠4号’，而且4个品系间生物量差异不显著（图2）。

图1 4个薏苡品系籽粒产量

图2 4个薏苡品系干物质重量

2.2 薏苡N、P、K元素的累积与分配特征

4个薏苡品系在不同生育时期N素积累和分配比例均有变化（表2）。抽穗期整个植株N素积累量为1.079～1.414 g/株，根、茎鞘和叶片部位N素积累所占的比例分别7.88%～8.64%、43.37%～44.84%、46.59%～48.75%、地上部分积累量占整株累积量的91.36%～91.12%；扬花期整个植株N素积累量为1.202～1.564g/株，根、茎鞘、叶片和籽粒部位N素积累量所占的比例分别11.89%～14.56%、32.08%～61.23%、21.38%～51.92%、2.91%～5.69%、地上部分占整株生物量的85.44%～88.11%；成熟期整个植株N素积累量为1.300～1.655g/株，根、茎鞘、叶片和籽粒部位N素积累量所占的比例分别7.98%～12.54% 、21.77% ～37.08% 、15.53% ～21.83% 、30.85%～48.01%，地上部分占整株生物量的87.46%～91.96%。从抽穗期期至成熟期，整株和地上部分N素的累积量均有增加，茎鞘、叶片和地上部分N素所占比例则基本上呈现出下降态势，籽粒中的氮素积累则大幅度增加；根中N素所占比例在扬花期较高，成熟后则有所下降。成熟期籽粒中N素所占比例均高于其他部位。

不同薏苡品系在不同生育时期P素积累和分配比例见表3。抽穗期整个植株P素积累量为0.162～0.227g/株，根、茎鞘和叶片部位P素积累所占的比例分别9.79%～18.06%、44.44%～57.58%、29.07%～37.65%、地上部分积累量占整株累积量的81.94%～90.21%；扬花期整个植株P素积累量为0.296～0.465 g/株，根、茎鞘、叶片和籽粒部位P素积累量所占的比例分别11.40%～26.01%、38.18%～72.69%、10.37%～20.95%、2.88%～15.20%、地上部分占整株生物量的74.32%～88.82%；成熟期整个植株P素积累量为0.410～0.660 g/株，根、茎鞘、叶片和籽粒部位P素积累量所占的比例分别8.39%～11.22%、42.52%～60.24%、4.39%～7.66%、21.71%～41.42%，地上部分占整株生物量的88.54%～91.61%。从抽穗期期至成熟期，整株和地上部分P素的累积量均有增加，茎鞘、叶片和地上部分P素所占比例则基本上呈现出下降态势，籽粒中的氮素积累则大幅度增加；根中P素所占比例在扬花期较高，成熟后则有所下降。抽穗期至成熟期茎鞘中P素所占比例均高于其他部位。

表3 薏苡P元素积累及其分配

由表4可知，抽穗期整个植株K素积累量为2.107～2.967 g/株，根、茎鞘和叶片部位K素积累所占的比例分别7.89%～14.43%、69.44%～75.78%、14.68%～20.97%、地上部分积累量占整株累积量的85.57%～92.11%；扬花期整个植株K素积累量为2.187～3.650g/株，根、茎鞘、叶片和籽粒部位K素积累量所占的比例分别13.62% ～16.25% 、60.38% ～76.08% 、8.19%～18.87% 、2.11%～4.98%、地上部分占整株生物量的83.75%～86.38%，根中K素积累量及分配比例比抽穗期略有增加，茎鞘、叶片和地上部分积累量与抽穗期相比基本一致。成熟期整个植株K素积累量为2.353～2.942 g/株，根、茎鞘、叶片和籽粒部位K素积累量所占的比例分别9.72%～16.02%、65.43%～77.19%、3.15%～6.62%、6.41%～11.93%，地上部分占整株生物量的83.98%～90.24%，此时根、叶片中K素累积量及分配比例比扬花期均有所下降，籽粒中K元素迅速增加，植株地上部分的累积也略有增加。从抽穗期期至成熟期，茎鞘中K素积累量及分配比例均高于其他部位。

表4 薏苡K元素积累及其分配

综上所述，从薏苡抽穗、扬花至籽粒成熟，整个植株其对N、P、K元素的吸收和累积均有增加；但是随着扬花结束，根、茎鞘、叶片中的N、P、K元素累积量及分配比例均有所下降，并驱动养分向籽粒转移。从元素的分配比例来看，N元素在抽穗至扬花期主要分布在茎鞘和叶片，至完全成熟籽粒中N素积累及分配高于其他部位，而P、K元素则主要分配在茎鞘部位。在成熟期，薏苡整个植株及地上部分对3种元素的累积顺序为K＞N＞P，而薏苡籽粒N素积累量最大，K素次之，P素最少。

2.3 薏苡N、P、K元素需求及吸收比例

在成熟期，4个薏苡品系植株总N吸收量为155.97～198.56 kg/hm2，平均183.93 kg/hm2；总P吸收量为49.15～79.19 kg/hm2，平均62.57 kg/hm2；总K吸收量282.40～353.00 kg/hm2，平均320.56 kg/hm2，植株总N、P、K元素的平均吸收比例为N:P:K=2.94:1:5.12，不同品系间差异不显著。植株地上部分对N元素的吸收量为136.46～175.73 kg/hm2，平均165.51 kg/hm2；P元素吸收量为43.62～72.26 kg/hm2，平均56.71 kg/hm2；K元素吸收量为251.12～318.64 kg/hm2，平均280.19 kg/hm2，地上部分对N、P、K元素的平均吸收比例为N:P:K=2.92:1:4.94，而且不同品系之间差异也不显著（表5）。

表5 薏苡成熟期N、P、K元素的吸收

2.4 薏苡N、P、K元素生产效率、收获指数及利用

薏苡N、P、K元素生产效率分别为19.5～26.2 kg/kg、58.4～86.2 kg/kg、9.6～17.2 kg/kg，元素收获指数分别为37.1%～52.5%、24.3%～46.0%、8.5%～12.3%，而且不同品系之间差异均不显著。每100 kg籽粒养分需求量常作为作物养分需求和高产栽培定量指标，薏苡对N、P、K元素的每100 kg籽粒养分需求量分别为5.6～7.3 kg，1.7～2.4 kg，8.0～15.0 kg，而且不同品系之间差异不显著（表6）。

表6 N、P、K元素生产效率、收获指数及吸收利用

3 讨论

3.1 薏苡N、P、K肥料配比与产量关系

养分吸收是生物量积累的基础，也是作物产量形成的基础。已有研究表明，氮、磷、钾等无机肥配伍施用或无机肥与有机肥配伍施用，在分蘖初期和分蘖末期均能明显提高薏苡叶片叶绿素含量，有利于叶片全氮、全磷、全钾等养分的积累，能促进薏苡的生长发育和提高薏苡的生物产量[14]。马驰宇等[20]研究则提出，最佳氮、磷、钾施肥量分别为N 246.75 kg/hm2、P2O5142.95 kg/hm2、K2O 217.35 kg/hm2可作为兴仁地区薏苡高产优质的推荐施肥。郭欣慰等[21]认为薏苡品系‘太空I号’施用氮肥225 kg/hm2、磷肥750 kg/hm2、钾肥300 kg为最佳施肥配方，在北京地区的单产可达4200 kg/hm2以上。本研究表明，4个薏苡品系植株总N、总P、总K的平均吸收量分别为183.93 kg/hm2、62.57 kg/hm2、平均320.56 kg/hm2，植株总N、P、K元素的吸收比例平均为N:P:K=2.94:1:5.12；植株地上部分对N元素的吸收量平均为165.51 kg/hm2、56.71 kg/hm2、280.19 kg/hm2，地上部分对N、P、K元素的吸收比例平均为N:P:K=2.92:1:4.94，说明薏苡对K元素的吸收量最大，其次为N元素，P元素最少，在配方施肥中可根据其吸收比例调整施肥用量，以达到高效生产的目的。

3.2 N、P、K养分吸收利用与作物产量形成

作物籽粒产量取决于光合生产能力和光合产物的运转和分配，而氮、磷、钾养分的吸收和分配直接或间接影响物质生产和产量形成。明确作物品种产量差异与产量构成、氮磷钾吸收利用的关系，确定高产精确定量施肥参数并进一步优化养分管理和栽培措施，也是缩小产量差、提高单产的关键要素。目前，相对高效的肥料转化利用效率在水稻、玉米、小麦等作物的高产栽培中体现较为明显。于林惠等[22]研究表明，机插粳稻产量提高源自抽穗后氮素积累量和比例上升，磷钾吸收量增加，但比例却有下降的趋势，成熟期氮收获指数在0.51～0.61之间，磷收获指数在0.75左右，钾收获指数接近0.20。高产机插粳稻百千克籽粒需氮量为2.0～2.1 kg/hm2。景立权等[23]研究发现，增大玉米灌浆期植株氮积累量及叶片氮转移速率，促使成熟期籽粒氮磷较大积累量，利于超高产玉米群体的形成。程乙等[24]则发现，在当前黄淮海区域现代玉米品种籽粒产量为大约8.91 t/hm2的产量水平下，生产100 kg籽粒的N素、P素和K素平均需求量分别为1.95 kg、0.97 kg和1.89 kg，氮磷钾需求量随产量的提高而增加，但每生产100 kg籽粒产量的氮素、磷素和钾素需求量随着产量升高而下降。黄宁等[25]则研究发现，在中国主要麦区地上部生物量和收获指数仍是高产的关键，同时提高地上部养分吸收利用和养分收获指数，才能提高生理效率，降低养分需求量，实现小麦高产优质。本研究表明，薏苡作为C4作物已经具备相当高的生物产量，4个品系地上部分生物量干重在18.4～22.6 t/hm2之间，平均每公顷全株生物量干重为20.5～24.7 t/hm2，但是籽粒产量却相对较低仅为1969.2～3109.1 kg，籽粒干物质分配比例不高；另外，薏苡N、P、K元素籽粒生产效率分别为19.5～26.2 kg/kg、58.4～86.2 kg/kg、9.6～17.2 kg/kg，N、P、K元素收获指数分别为37.1%～52.5%、24.3%～46.0%、8.5%～12.3%；每100 kg籽粒薏苡对N、P、K养分需求量分别为5.6～7.3 kg、1.7～2.4 kg、8.0～15.0 kg。薏苡与水稻、玉米和小麦作物相比，其籽粒N、P、K元素生产效率、元素收获指数均较为低下，每100 kg籽粒元素需求量也更高，进一步揭示出薏苡籽粒对肥料（N、P、K元素）的转化利用及分配效率不高，这也是其生物产量巨大而籽粒产量不高的重要原因之一。

4 结论

从薏苡抽穗、扬花至籽粒成熟，整个植株其对N、P、K元素的吸收和积累量均有增加。成熟期籽粒中N素积累及分配均高于其他部位，而P、K元素则主要分配在茎鞘部位。薏苡植株总N、P、K的吸收量平均为183.93 kg/hm2、62.57 kg/hm2和 320.56 kg/hm2，平均吸收比例为N:P:K=2.94:1:5.12。薏苡每100 kg籽粒对N、P、K养分需求量分别为5.6～7.3 kg、1.7～2.4 kg、8.0～15.0 kg。薏苡整体生物量产出较高，全株总生物量干重为20.5～24.7 t/hm2，地上部分生物产量18.4～22.6 t/hm2之间，但籽粒对N、P、K吸收分配效率较低，通过有效优化N、P、K肥料的吸收利用效率的方式提升薏苡产量仍然具有很大空间。