施氮量对糜子生物量及碳、氮、磷化学计量特征的影响

马海曌，谢呈辉，徐郗阳，冯永忠，黄贵斌，孔德杰，高鹏飞，梅志坤，任广鑫

（1. 西北农林科技大学 农学院，陕西 杨凌 712100；2. 陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100；3. 宁陕县农业技术推广站，陕西 宁陕 711600；4. 宁夏农林科学院固原分院，宁夏 固原 756000；5. 宁夏农林科学院 农业生物技术研究中心，宁夏 银川 750002）

植物生态化学计量学是研究植物器官化学元素计量特征，探讨其与环境因子、植物个体生长发育和生态系统功能等关系的学科[1]。作为有机体组成的主要元素，碳（C）、氮（N）、磷（P）是植物生态化学计量学的主要研究对象[2‑4]，揭示作物不同生育时期和不同器官中的C、N、P 化学计量特征对理解作物发育、解释养分分配策略、探讨环境适应机制具有重要意义。施N 是改善养分供应、提高作物产量的重要栽培措施之一。目前，国内外关于施N 影响植物C、N、P化学计量特征的研究[3‑10]较多，但在生态系统方面主要集中于自然生态系统[3‑7]，有关农田生态系统[2，8‑9]的研究较少；在器官方面的研究主要集中于叶片[6‑7，10‑12]，繁殖器官[3，9，13]方面的研究相对较少；在时间尺度上，各生长阶段的化学计量特征尚待阐明。

糜子（Panicum miliaceumL.）属禾本科黍属，在我国拥有近万年栽培历史[14]。在农业供给侧结构性改革、乡村振兴战略等政策背景下，糜子凭借生育期短、适应性强、营养价值高等优点，在旱区农业中的重要性日益凸显[15‑16]。目前，关于糜子的研究主要集中在种质资源利用[17‑18]、高产栽培技术[19‑20]、抗逆性评价[21‑22]及营养利用[23]等方面，关于施N 量对C、N、P 化学计量特征影响的研究尚未见报道。为此，研究不同施N 量下主要生育时期糜子生物量及C、N、P 化学计量特征，揭示生物量分配与C、N、P 化学计量特征间的关系，从新视角解释施N 量对糜子生长的影响，为糜子高产栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验在宁夏回族自治区银川市西夏区（38°25′21′′N、106°01′54′′E）进行，该区属于引黄灌区，土壤为淡灰钙土。0～20 cm 土层pH 值为8.90，含有机碳7.57 g/kg、全氮0.80 g/kg、全磷0.74 g/kg、铵态氮0.96 mg/kg、硝态氮4.30 mg/kg、速效磷13.39 mg/kg、速效钾142.1 mg/kg。

供试糜子品种为宁糜9 号。供试肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）、硫酸钾（含K2O 50%）。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，设置4 个施N量：0（N0）、90（N90）、150（N150）、210（N210）kg/hm2。每个处理重复3 次，小区面积为15 m2，相邻小区以0.5 m 宽垄相隔，区组间隔1 m。尿素全部基施，同时配施750 kg/hm2过磷酸钙和140 kg/hm2硫酸钾。2020 年7 月17 日 播 种，播 量 为22 kg/hm2，行 距 为30 cm。播种后灌出苗水，抽穗前根据墒情补灌，共灌水898 m3/hm2（田间水表显示），灌溉方式为滴灌。生育期内日均气温和降水量见图1，总降水量116.8 mm。穗基部籽粒进入蜡熟期后（2020年10月14日）收获。

图1 糜子生育期内日均气温和降水量Fig.1 Daily average temperature and rainfall during the growth period of proso millet

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生物量和C、N、P 含量 在糜子拔节期（8 月19 日）、抽穗期（9 月3 日）、灌浆期（9 月18 日）和成熟期（10 月14 日），各小区挖取长势一致的10 株糜子，清洗后按根系、茎（包括叶鞘）、叶和穗分开，杀青后80 ℃烘至恒质量，称干质量。地上部器官经粉碎后过0.25 mm 筛，采取K2Cr2O7-H2SO4氧化法检测有机碳含量（简称C 含量），经H2SO4-H2O2消解后用AA3 型连续流动分析仪检测全氮、全磷含量（简称N、P 含量），并计算其积累量和化学计量比（质量比）。

1.3.2 产量 成熟期，在每个小区内选取长势均匀且未扰动的1 m2样方，收获后脱粒风干，称质量，计产。

1.4 数据分析

用SPSS Statistics 22进行方差分析（单因素方差分析、一般线性模型）、多重比较（最小显著性差异法）；用Origin 2021 进行回归分析（普通最小二乘法）和制图。

2 结果与分析

2.1 施N量对糜子生物量积累与分配的影响

2.1.1 地上部生物量 由图2 可知，拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期各地上部器官生物量和总生物量总体上均随施N 量增加而先增加后趋于平缓，除成熟期N90 处理叶外，施N 处理均显著高于不施N处理；N150处理与N210处理无显著差异，在抽穗期叶和穗以及成熟期茎和叶中均显著高于N90处理。

图2 施N量对拔节期（a）、抽穗期（b）、灌浆期（c）、成熟期（d）糜子地上部生物量的影响Fig.2 Effect of N rate on aboveground biomass of proso millet at jointing stage（a），heading stage（b），filling stage（c）and mature stage（d）

2.1.2 生物量分配 由图3a可知，糜子根冠比对施N量的响应因时期而异。拔节期所有施N处理和成熟期N210处理均显著低于不施N处理，抽穗期和灌浆期施N处理与不施N处理无显著差异。所有时期中各施N处理间均无显著差异。

如图3b—e，总体上，随着生育进程的推进，穗生物量占比逐渐增加，叶生物量占比逐渐降低，茎生物量占比先增加后降低，变化幅度相对较小。各生育时期穗生物量占比随施N 量增加呈先增后降的趋势，抽穗期N150 和N210 处理显著高于N0 和N90 处理，灌浆期N90 和N150 处理显著高于N0 和N210处理，成熟期N90处理显著高于其他处理。拔节期、抽穗期和灌浆期，施N处理较不施N处理显著减少叶生物量占比，施N 处理间无显著差异；成熟期，叶生物量占比随施N 量增加先降后增，N0 和N210 处理显著高于N90 处理。随施N 量增加，拔节期、灌浆期和成熟期茎生物量占比呈增加趋势，N210 处理均显著高于N0 处理；抽穗期茎生物量占比先增后降，N90处理显著高于其他处理。

图3 施N量对糜子根冠比（a）及拔节期（b）、抽穗期（c）、灌浆期（d）、成熟期（e）地上部器官生物量占比的影响Fig.3 Effect of N rate on root-shoot ratio（a）and biomass proportion of proso millet aboveground organs at jointing stage（b），heading stage（c），filling stage（d）and mature stage（e）

2.2 施N量对糜子地上部各器官C、N、P化学计量特征的影响

2.2.1 C、N、P 含量 由图4 可知，施N 量对糜子各生育时期地上部器官C 含量无显著影响，而对N、P含量有极显著影响；除拔节期P含量外，器官类型对所有生育时期C、N、P 含量均有极显著影响；二者互作显著影响抽穗期N 含量，并对成熟期N、P 含量有极显著影响。

图4 施N量对拔节期（a、e、i）、抽穗期（b、f、j）、灌浆期（c、g、k）、成熟期（d、h、l）糜子各器官C、N、P含量的影响Fig.4 Effect of N rate on C，N and P contents in different organs of proso millet at jointing stage（a，e，i），heading stage（b，f，j），filling stage（c，g，k）and mature stage（d，h，l）

随施N 量增加，糜子茎和叶N 含量在各生育时期逐渐上升，灌浆期和成熟期茎N 含量的增加不显著；穗N 含量仅在成熟期呈现上升趋势。几乎所有生育时期N150处理各器官N含量均与N210处理无显著差异。在所有生育时期，总体上施N 处理均较不施N 处理显著降低茎、叶P含量，各施N 处理间差异不显著。抽穗期施N 量不影响穗P 含量，灌浆期N90 处理穗P 含量显著低于N0 处理，成熟期N210处理显著低于其他处理。

2.2.2 C、N、P 化学计量比 由图5 可知，施N 量和器官类型对糜子地上部C∶N、C∶P、N∶P 均有极显著影响，二者互作显著影响抽穗期C∶P和灌浆期N∶P，并对抽穗期C∶N、N∶P，灌浆期C∶N，成熟期C∶N、C∶P、N∶P均有极显著影响。

图5 施N量对拔节期（a、e、i）、抽穗期（b、f、j）、灌浆期（c、g、k）、成熟期（d、h、l）糜子各器官C∶N、C∶P和N∶P的影响Fig.5 Effect of N rate on C∶N，C∶P and N∶P in different organs of proso millet at jointing stage（a，e，i），heading stage（b，f，j），filling stage（c，g，k）and mature stage（d，h，l）

随生育期推进，各器官C∶N 和C∶P 上升，茎增幅最大；N∶P 整体呈下降趋势。几乎所有生育时期茎C∶N 均表现为N0>N90>N150、N210，差异显著；叶C∶N 表现为N0 处理显著高于N210 处理；各处理穗C∶N无显著差异。施N处理相比不施N处理总体上显著提高各生育时期茎、叶C∶P，但施N处理间总体上无显著差异；穗C∶P 在各处理间无显著差异。茎和叶N∶P总体上随施N 量增加而增加，N210处理显著高于N0 处理；穗N∶P 在抽穗期和灌浆期不受施N 量影响，成熟期随施N 量增加逐渐增加，N210处理显著高于其他处理。

2.3 糜子地上部各器官C、N、P含量的相关性及生物量与N∶P的相关性

2.3.1 C、N、P 含量的相关性 由图6 可知，糜子C、N、P 含量相关性因器官而异。茎中，C 含量与N、P含量均呈极显著负向线性相关，在叶和穗中无显著相关性；在茎、叶、穗中，N 含量与P 含量均呈显著或极显著正向线性相关。

图6 糜子茎（a、b、c）、叶（d、e、f）、穗（g、h、i）C、N、P含量相关性Fig.6 The relationships among C，N and P contents in stem（a，b，c），leaf（d，e，f）and tassel（g，h，i）of proso millet

2.3.2 生物量与N∶P的相关性 N∶P与生长速率有关。由图7可知，糜子茎、叶生物量与N∶P在所有生育时期均呈显著或极显著的正向线性相关；而穗生物量与N∶P仅在成熟期呈显著正向线性相关。

图7 拔节期（a、e）、抽穗期（b、f、i）、灌浆期（c、g、j）、成熟期（d、h、k）糜子地上部各器官生物量与N∶P相关性Fig.7 The relationships between biomass and N∶P of different aboveground organs of proso millet at jointing stage（a，e），heading stage（b，f，i），filling stage（c，g，j）and mature stage（d，h，k）

2.4 糜子成熟期各器官生物量和C、N、P分配及生产力对施N量的响应

2.4.1 成熟期各器官生物量和C、N、P 分配对施N量的响应 由图8 可知，不同器官成熟期生物量和C、N、P分配对施N量的响应趋势不同。随施N量增加，茎生物量和C、N积累量占比呈线性增加，P积累量占比呈开口向上的抛物线变化，除C 积累量外回归方程均达显著或极显著水平。叶生物量和C、N、P 积累量占比均随施N 量增加呈开口向上的抛物线关系，回归方程均达显著或极显著水平。穗生物量和C、N、P 积累量占比变化趋势与叶相反，回归方程均达极显著水平。

图8 成熟期糜子茎（a，b，c，d）、叶（e，f，g，h）、穗（i，j，k，l）生物量与C、N、P积累量占比对施N量的响应Fig.8 Responses of biomass and C，N，P accumulation proportion of stem（a，b，c，d），leaf（e，f，g，h）and tassel（i，j，k，l）of proso millet to N rate at mature stage

2.4.2 生产力对施N 量的响应 由图9 可知，糜子产量和地上部生物量因施N 量增加而显著提高，N90、N150、N210 产量分别较N0 处理提高58.3%、76.3%、72.9%，地上部生物量分别提高60.8%、112.3%、118.2%，N210 处理与N150 处理无显著差异。N90 处理显著提高收获指数。回归分析表明，产量和收获指数均与施N 量呈极显著抛物线关系；地上部生物量与施N 量呈极显著线性关系，施N 量分别解释89.6%、77.5%、76.4%的变异。根据拟合方程，施N 172.8 kg/hm2时产量达峰值，为3 164.5 kg/hm2；施N 80.9 kg/hm2时 收 获 指 数 达 峰 值，为36.2%。

图9 糜子生产力对施N量的响应Fig.9 Responses of productivity of proso millet to N rate

3 结论与讨论

3.1 施N量对糜子各器官生物量分配、产量的影响

植物生物量的积累和分配与其生长和产量形成密切相关，并因环境而异[24]。充足的养分促使植物由地下竞争转入光竞争[25‑26]，地上部对同化物的竞争能力增强[7，27]以促进茎叶生长。本研究发现，施N 降低拔节期糜子根冠比，提高了各时期糜子地上部各器官和总生物量的积累，这与前人研究结果相似[28‑29]。拔节期到灌浆期，穗和叶生物量占比互为消长，茎生物量占比先上升后稳定。随施N 量增加，叶和穗生物量占比呈反向的抛物线变化，茎生物量占比线性增加。高N 不利于养分向生殖器官分配；适量施N 在灌浆期促进茎、成熟期促进叶向穗转运同化物。施N 172.8 kg/hm2时，产量最高，为3 164.5 kg/hm2。

3.2 施N量对糜子C、N、P分配的影响

养分元素含量与化学计量比能够有效反映养分的吸收与存储，植物体可根据外界环境的变化调整自身养分元素计量特征以适应环境[5]。C 属于结构性物质，并不直接参与代谢，而是主要作为植物骨架[30]，其含量较N 和P 更稳定[9]。本研究发现，施N量不改变糜子各器官C含量，这与前人[2]研究结果相符。

本研究发现，器官类型和施N 量极显著影响器官N 含量；糜子在各个时期和施N 量下总体上均能通过调整茎、叶N 含量保障穗N 含量相对稳定以维持生殖功能，这与前人[10，31]研究结果相似。相比不施N处理，少量施N（N90）可提高叶拔节期的N含量以保障同化作用，而成熟期N 积累量占比接近低谷；适量（N150）和过量施N（N210）提高成熟期叶N积累量占比，不利于N 的生殖输出，但可提高可溶性蛋白含量，延缓叶衰老[32]，提高光合能力[33]，最终实现增产。总体上，大多时期过量施N 相比适量施N 并不能提高糜子地上部器官N 含量，这可能是因为细胞N 含量较高，糜子减少对NO-3的吸收[34]，各器官N含量不再增加，直到成熟期N含量整体下降，糜子恢复NO-3吸收，叶N含量显著提高。

P与细胞分裂有关，本研究发现，细胞分裂最旺盛的器官穗P 含量高于其他器官；拔节期株高迅速增长[35]，此时茎的P 含量高于其他时期。叶P 含量对施N 量的反应因植物类型[36]和营养限制条件[10]而异，本研究中糜子表现负效应，可能暗示糜子处于N限制；另外，施N 提高土壤P 有效性[11]，但仍不能满足植物需求，且增加的生物量造成稀释效应，使P含量降低[12，37]。本研究发现，糜子通过降低茎、叶P 含量稳定穗的供应；随着施N量增加，成熟期P积累量占比在穗中呈开口向下的抛物线变化，在茎和叶中先降低后增加，过量施N降低穗P含量。

3.3 施N量对糜子C、N、P化学计量特征的影响

本研究发现，各器官（尤其是茎和叶）快速生长时C∶N 较低，成熟期增高，负责机械支撑的茎C∶N增幅最大；N 促进营养器官生长，各时期茎和叶C∶N均因施N 量增加而降低，暗示糜子C∶N 可能与组织成熟和木质化有关；另外，重吸收现象可将N 由衰老组织转移到新组织中[38]，使组织的N 含量因发育程度而异。

植物N∶P 与生长速率有关。本研究发现，随生育期推进，营养器官N∶P 整体呈下降趋势，且所有生育时期糜子茎和叶N∶P、成熟期穗N∶P 与生物量呈显著正向线性相关，与生长速率假说代表的传统观点相反，这可能是因为N 限制下生长速率和N∶P呈正相关关系[39]。生长速率的核心基础在于细胞快速分裂需要大量核酸（P 库）和蛋白质（N 库）。缺N导致缺少酶和氨基酸，限制核糖体和蛋白质合成。施N 为合成酶和氨基酸提供原料，生长速率提高的同时N∶P升高。N∶P与生物量的关系不适用于不同器官间，因为各器官在各时期的养分储存能力不同，而储存的N、P 不用于生长代谢，导致N∶P 对生物量的作用强度因时期和器官而异。

施N 对营养器官C∶P 产生正效应，对穗C∶P 无显著影响，与安卓等[40]的研究结果相近。地上部器官C、N、P 化学计量比对施N 量的响应说明糜子能通过调整茎和叶化学计量特征维持穗养分含量和组成，保障穗活跃的代谢水平[41]。

综上，施N 量能通过调控C、N、P 化学计量特征改变生物量分配策略，进而影响糜子产量。