氮肥对粳性和糯性糜子干物质积累和产量性状及氮肥利用效率的影响

张 磊 何继红 董孔军 任瑞玉 刘天鹏 杨天育

(甘肃省农业科学院作物研究所，甘肃 兰州 730070)

糜子(PanicummiliaceumL.)是我国干旱地区重要的杂粮作物之一，具有耐瘠薄、耐旱、适应性强和生育期短等优势，是自然灾害频发区的主要救灾作物，常年播种面积约80万公倾，在农业种植业结构调整和产业发展中具有重要作用[1-2]。糜子籽粒中富含蛋白质、膳食纤维、淀粉和多种微量元素，是21世纪新型药食同源的杂粮作物。根据直链淀粉含量，糜子可以分为粳性和糯性，直链淀粉含量介于4.5%～12.7%之间为粳性，低于3.7%为糯性[2]。

随着现代化农业的发展，在提升糜子产量方面的主要农业栽培措施有间作、覆膜、密度、水肥调控等[3-6]。其中，水肥调控是提高作物产量的主要栽培措施之一[7-8]。我国是氮肥消耗大国，施氮肥虽然对作物产量有所提高，但过量盲目施用会造成资源浪费、土壤理化性状恶化以及生态环境遭受破坏，同时也会导致氮素利用效率下降和土壤中元素失衡，从而加剧环境污染[9-11]。因此，氮肥的科学施用对于氮素的高效利用、挖掘干旱农业区耕地潜力以及糜子绿色高效生产具有重要的现实意义。氮肥能够增强作物光合作用，促进源器官(叶片)同化物的生成，提高养分的吸收与转运，延长开花后期籽粒灌浆时间，提升作物单产能力，从而提高作物产量[12-13]。罗世武等[8]研究表明，不同糜子品种的干物质积累对氮肥施加的响应不一致，但均显著提高了糜子的产量。郭晓红等[14]指出，前氮后移不仅可以满足盐碱地水稻对养分的吸收，促进养分积累，还可以提高水稻的穗数和穗粒数，进而显著提高水稻产量。合理配施氮肥不仅可以保证作物产量，还能够有效提高植株氮素的转运率，进而提高氮肥利用率[15]。魏淑丽等[16]和王君杰等[17]研究表明，适宜的减氮增密可以促进作物花后物质积累，增强氮素的合成和积累。

目前，关于施氮量对作物干物质积累以及氮素利用的研究很普遍，但针对西北旱区条件下不同粳糯性糜子的物质积累、产量形成及氮素利用效率对氮肥运筹的响应缺少系统的研究。本试验通过研究不同供氮水平对不同粳糯性糜子的干物质积累、产量和氮素利用效率的影响，旨在揭示不同氮素施用量下不同粳糯性糜子的物质积累与分配、产量形成和氮素利用效率变化规律，进而选择最适宜的氮肥用量，在实践生产中为西北地区种植不同粳糯性糜子提供一定的指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017―2018年在甘肃省白银市会宁县中川乡王河村会宁试验站(35°40′N，105°06′E，海拔1 800.5 m)进行。该地区年均气温8.7℃，年均日照时数2 525.5 h，无霜期132 d。供试土壤为黄绵土，地势平坦，肥力均匀。播种前试验田土壤基本养分含量见表1。

表1 供试田0～20 cm土壤基本化学性质Table 1 Basic physical-chemical properties of experiment field (0 to 20 cm)

1.2 试验材料

供试糜子品种为甘肃省农业科学院作物研究所杂粮研究室选育的粳性品种陇糜13号和糯性品种陇糜14号。

1.3 试验设计

各处理按照当地农业技术推广中心技术人员确立的最佳施肥量施入磷肥和钾肥，全部基施。磷肥选用重过磷酸钙(P2O5，46%)，施入量为P2O570 kg·hm-2；钾肥选用硫酸钾(含K2O 50%)，施入量为K2O 90 kg·hm-2。种植密度为7.50×105株·hm-2，人工条播，播深3 cm。苗期人工除田间杂草。糜子生长期间，所有处理均未进行灌溉。其他管理方式同一般大田。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 干物质积累与分配 于糜子的开花期和成熟期，每小区选取生长一致且具有代表性的10株样品，将样品分为茎秆、叶片、茎鞘和穗，于恒温箱中105℃杀青30 min，而后于80℃烘干至恒重并称重。

1.4.2 氮素利用率 将成熟期糜子的干物质粉碎后过10目筛，采用H2SO4-H2O2消煮和凯氏定氮法测定样品氮含量(浓度)[18]。根据公式计算各氮素利用指标：

氮素积累量(nitrogen accumulation，NA)=植株干物质重×植株全氮含量

(1)

氮素利用效率(nitrogen utilization efficiency，NUE)=籽粒产量/地上部氮素积累量

(2)

氮肥农学利用效率(nitrogen agronomic efficiency，NAE)=(施氮区籽粒产量/未施氮区籽粒产量)/氮肥施用量

(3)

氮肥偏生产力(nitrogen partial factor productivity，NPFP)=施氮区籽粒产量/氮肥施用量

(4)

氮肥表观利用率(nitrogen apparent recovery efficiency，NARE)=(氮区地上部氮素积累量-未施氮区地上部氮素积累量)/氮肥施用量×100%

(5)。

1.4.3 产量及产量构成因素 于糜子的成熟期，每小区取10株样品进行考种，测定每株样品的单株粒重、穗长、株高、茎粗和千粒重，计算其平均值。另外，将每小区中糜子的有效穗数全部收回，晒干后测产，根据小区面积折算成公顷产量。

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1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件分析数据和SPSS软件(v19.0，IBM Corporation，USA)进行方差分析(ANOVA)和皮尔逊(Pearson)相关分析，采用LSD法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对粳糯糜子株高的影响

由图1可知，随着施氮水平的逐渐增加，陇糜13号和陇糜14号的株高均呈先增加后降低的趋势，在90 kg N·hm-2条件下(N2)达到最高。2017年，与未施氮处理(CK)相比，陇糜13号N1、N2和N3的株高分别增加3.06%、11.08%和6.70%，陇糜14号N1、N2和N3的株高分别增加1.02%、9.47%和6.17%，可见施用氮肥对陇糜13号株高的促进作用优于陇糜14号。2018年的变化趋势与2017年基本一致。

注：图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters in the figure indicate significant difference at 0.05 level among treatments.The same as following．图1 不同供氮水平对糜子株高的影响Fig.1 Effect of different N fertilizer levels on the plant height in broomcorn millet

2.2 不同施氮量对粳糯糜子干物质积累与分配的影响

由图2可知，随着施氮水平的增加，参试糜子品种的地上部干物质积累量呈单峰曲线变化，2个糜子品种的干物质积累量均于N2达到最高值。2017年，与CK相比，成熟期陇糜13号N1、N2和N3的干物质积累量分别增加13.19%、43.14%和30.16%，且3个施肥处理均显著高于CK(P<0.05)，但在2018年，仅N2和N3的干物质积累量显著高于CK；2017年成熟期陇糜14号N1、N2和N3的干物质积累量分别显著增加7.66%、29.83%和18.29%(P<0.05)，2018年N1成熟期的干物质积累量与CK之间差异不显著(P>0.05)。可知，与陇糜14号相比，施氮对陇糜13号物质形成的促进效果更好。

图2 不同供氮水平对糜子干物质积累的影响Fig.2 Effect of different N fertilizer levels on the dry matter accumulation in broomcorn millet

由表2可知，在不同供氮水平下，参试糜子品种的各器官均对氮肥的施用产生了不同的响应。2017年，陇糜13号在成熟期，与CK相比，N1、N2和N3的茎秆重量分别提高31.81%、61.15%和57.49%，穗重分别增加6.74%、31.24%和19.88%；而陇糜14号在成熟期的茎秆重量分别较CK增加7.46%、42.14%和24.50%，穗重分别增加7.23%、19.58%和16.15%；同时发现，除陇糜14号N2外，施肥处理的糜子穗重均显著高于CK(P<0.05)，且陇糜13号N2与N3的穗重增幅明显高于陇糜14号。2018年，在2个糜子品种的成熟期，施肥处理的穗重均显著高于CK(P<0.05)，但陇糜14号N2与N3之间的穗重差异不显著(P>0.05)。

表2 糜子各器官干物质积累对不同供氮水平的响应Table 2 Response of dry matter accumulation in different organs of broomcorn millet to different N fertilizer levels /(g/株)

2.3 对粳糯糜子产量及其构成因素的影响

由表3可知，随着施肥量的逐渐增加，2个糜子品种的产量均呈先增加后降低趋势。2017和2018年，陇糜13号和陇糜14号N1的穗长和茎粗均较CK增加，且2018年陇糜14号N1的茎粗显著高于CK；N2和N3的穗长和茎粗均不同程度高于CK，但是品种与处理之间的交互作用对穗长和茎粗无显著影响。2017年，与CK相比，陇糜13号和陇糜14号N1的千粒重分别增加2.59%和1.41%，2018年千粒重分别增加3.06%和2.34%，但处理之间差异不显著(P>0.05)。除了2018年的陇糜14号，2个糜子品种N2和N3的千粒重均显著高于CK(P<0.05)。对于产量而言，2017和2018年，陇糜13号N2的产量分别较CK显著增加23.98%和16.91%；与CK相比，陇糜14号N2的产量分别显著增加19.06%和15.16%，且N2与N3之间差异不显著(P>0.05)，由此可知，施加氮肥对陇糜13号的产量及其构成因素的提升效果优于陇糜14号，且在相同施氮水平下，陇糜13号的产量高于陇糜14号。方差分析显示，不同年际、品种和处理对产量及其构成因素的影响均达到极显著水平(P<0.01)。

2.4 不同施氮量对粳糯糜子氮素利用效率的影响

由表4可知，随着施氮量的不断增加，2017和2018年2个糜子品种的氮素积累量均呈先增加后降低趋势，在N2达到峰值。2017年，陇糜13号N2的氮素积累量较CK增加149.20%；陇糜14号N2的氮素积累量较CK增加61.20%，且均显著高于CK(P<0.05)。两年数据显示，随着施氮量的增加，陇糜13号和陇糜14号的氮肥农学利用效率和氮肥表观利用率呈单峰曲线变化，均在N2达到峰值。同时，2个糜子品种的氮肥偏生产力均随着施氮量的增加呈逐渐降低趋势。在N2水平下，2个糜子品种的氮素利用效率均低于CK。方差分析显示，年际对氮素积累量、氮素利用效率和氮肥农学利用效率无显著影响(P>0.05)，而除了氮素利用效率以外，品种对其余指标有极显著影响(P<0.01)。

表4 不同供氮水平对糜子氮素利用效率的影响Table 4 Effect of different N fertilizer levels on the nitrogen utilization efficiency in broomcorn millet

2.5 粳糯糜子产量与农艺性状、产量构成因素、氮素利用率的相关性

由表5、表6可知，产量与千粒重、单株粒重、穗长、株高、茎粗、干物质积累量均呈极显著正相关(P<0.01)，其中与千粒重的相关性最高，达到0.865。同时，产量与氮素积累量、氮肥农学利用效率呈极显著正相关，与氮肥表观利用率呈显著正相关(P<0.05)，而与氮素利用效率呈极显著负相关(P<0.01)。

表5 产量与农学性状及产量构成因素的相关性分析Table 5 Correlation analysis of yield with agronomic characters and yield components

表6 产量与氮素利用效率的相关性分析Table 6 Correlation analysis of yield with nitrogen use efficiency

3 讨论

3.1 不同供氮水平对粳糯糜子干物质积累及产量的影响

一般情况下，作物各营养器官的输出能力、同化物质的积累和转运被认为是作物产量形成的关键因素，其受温度、光照、水分和养分等各种因素的综合影响[19]。同时，干物质的积累程度也决定了作物产量的高低。在农业生态系统中，合理的肥力管理能够有效调控作物的物质积累与转运，是高产形成的关键举措，其中氮肥是最主要的营养限制元素[20]。张磊等[21]研究表明，当施氮量达到210 kg·hm-2时，可显著促进玉米各器官的干物质积累，也增加了玉米花后各器官同化物向籽粒的转运量、转运率以及对籽粒的贡献率。也有研究学者认为，适当的水肥耦合模式可改善作物叶片的生理特性，有利于提高叶片中光合作用和1,5-二磷酸核酮糖(ribulose-1,5-bisphosphate,RuBP)羧化酶活性，延缓生育后期叶片的衰老速度，进而增加作物干物质积累速率，最终提高作物籽粒“库”对同化物的竞争能力[22-23]。本研究结果表明，不同施肥量处理均不同程度地提高了糜子地上部各器官的干物质积累量，这与薛轲尹等[24]对小麦的研究结果一致；且进一步研究表明，90 kg·hm-2处理不同程度地促进了糜子茎秆、叶片、茎鞘和穗的干物质积累，说明适当的供氮水平可以改善糜子的生长情况，提高各器官中同化物向籽粒“库”的转运。同时，与陇糜14号相比，氮肥施加处理优化了陇糜13号的物质转运能力，提高了其干物质积累量。产量与穗粒数、单位面积穗数和穗重等各因素紧密相关。本研究结果显示，施用氮肥可以改善粳性和糯性糜子的株高、穗长和茎粗等农艺性状，也提高了糜子的穗粒数、粒重和千粒重等产量构成因素。由相关性分析可知，糜子的干物质积累、农艺性状和产量构成因素均与产量达到显著或极显著正相关水平。两品种之间相比，氮肥用量为90 kg·hm-2情况下，提升陇糜13号株高、干物质积累及产量的效果更佳，可见与糯性糜子相比，适当的氮肥施用量可以促进粳性糜子的地上部生物量，进而提高产量，这与前人在小麦[25]和谷子[26]等作物上的研究结果相似，说明合理的施氮量有利于保证“流”的畅通和协调源库比例，增强籽粒“库”的饱满度，进而促进作物产量的提高。

3.2 不同供氮水平对粳糯糜子氮素利用率的影响

氮素积累对作物籽粒形成至关重要。在作物的营养生长期合理应用氮肥可以增加生育后期籽粒中同化物和氮素含量，不仅可以提高作物对氮素的利用，也可为后期产量的提高奠定基础。王斌等[27]对藜麦的研究表明，施用氮肥能够促进藜麦植株中氮素积累，但是较低的氮肥用量对氮素积累的作用效果不明显。崔俊讲等[28]研究了不同氮肥施用量对小麦的影响，认为随着施氮量的增加，小麦的氮素积累量呈单峰曲线变化，在施氮量为240 kg·hm-2时达到最高值。本研究与前人的研究结果基本一致，在90 kg·hm-2施氮量条件下，不同粳糯性糜子的氮素积累量提升效果最显著，且两年数据表明粳性糜子陇糜13号在中氮水平下的氮素积累量显著高于糯性糜子陇糜14号(P<0.05)。另外，本研究结果表明，不同粳糯性糜子的氮肥偏生产力随着施氮量的增加呈降低趋势，这与刘鹏等[29]的研究结果一致；且与施氮量为135 kg·hm-2相比，合理施氮量(90 kg·hm-2)处理的氮肥农学利用效率和氮肥表观利用率均有所增加，表明过量的施用氮肥不仅不利于获得高产，其作物的氮素利用效率也明显降低，还会不同程度地影响作物品质，并对环境造成严重的威胁[30-31]。因此合理的利用氮肥可以充分促进糜子对氮素的吸收与利用，发挥糜子供氮和库容潜力，形成良好的源库平衡，提高糜子产量，提高氮素利用率，最终实现不同粳糯性糜子的优质、高效和高产以及环境友好的目标[32]。

4 结论

合理施用氮肥可以促进不同粳糯性糜子开花期和成熟期地上部干物质积累与转运，提高糜子产量和氮素积累及利用水平。随着氮肥施用量的增加，两个糜子品种的氮肥偏生产力呈降低趋势，而氮素利用效率呈先降低后增加趋势；90 kg·hm-2施氮量与不施氮相比可以显著提高粳糯性糜子的氮肥农学利用效率和氮肥表观利用率。同时，施加氮肥对粳性糜子陇糜13号的调控效应优于糯性糜子陇糜14号。综合分析可知，本研究条件下甘肃省会宁地区糜子的推荐氮肥施用量为90 kg·hm-2，对西北地区种植不同粳糯性糜子具有生产指导意义。