施氮水平对黑龙江省高粱产量及主要农艺性状的影响

李方豪 聂堂哲

(黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

引言

高粱(Sorghum)作为一种常见的农作物,是人们生活中的主粮之一[1]。高粱是世界第5大禾谷类作物,同样属于当前全球第5大粮食作物,具有抗性好、耐逆性强等特点。在我国主要分布于西南、东北和华北3个地区[2],其中,东北、华北主要是粳高粱生产区,种植面积41.6万hm2；西南主产区主要是糯高粱产区[3]。高粱是C4作物,光合作用效率高,生物转化量高,可在较为贫瘠的土地上种植,是一种拥有较高利用价值的粮食作物和能源植物[4]。高粱作为我国基本的粮食作物的同时,也是酿酒工业中的重要原料,因其具有较强的适应性,对栽植环境要求低,广泛在我国各地种植。高粱中含有较多对人体有益的营养元素,近年来市场份额逐渐增大[11]。近年来,在诸多著名酒企的拉动下迅猛发展,种植面积更是逐年增加,占全国种植面积比重从2.5%增加到29.6%[12]。

化肥是粮食的“粮食”,多年的实践表明,提高作物单产的重要措施之一是施用化肥[13]。氮肥是我国主要使用的化肥之一。氮素被称为作物的生命元素,是作物需要的基本物质,增施氮肥能提高作物的产量[7]。大量研究和实践证明,作物维持正常生长应施用适量氮肥,如施用量较低则会影响作物的生长[14]。目前我国是世界上氮肥使用量最大的国家,占世界总氮肥使用量的1/3左右[15]。然而,有资料表明,我国氮肥利用率仅为33%～37%,氮肥损失量高,在较大程度上不但造成浪费,并且污染环境,氮肥过量还会对作物自身的正常生长产生不利影响[7]。高玮等于2019—2020年通过研究不同施氮水平下饲用高粱的干物质量的积累和分配、耗水量和水分利用效率得到了陇东旱塬区饲用高粱的适宜氮肥用量范围为150～160kg·hm-2[8]。高丽敏等采用大田试验研究不同施氮水平对甜高粱生物量、氮素吸收和转移以及氮肥利用率的影响,得到每期氮肥用量244.50kg·hm-2为长江下游地区饲用甜高粱栽种植的适宜施肥量[10]。综上,在粮食生产中如何科学合理施肥、保持适合的氮肥施用强度使得氮肥最大程度发挥积极作用,对于提高粮食生产效益具有深远的积极意义[16]。

影响高粱产量的有关因素繁多,主要包括茎粗、株高、穗长、穗粒数、穗重、穗粒重、出谷率、种植密度等[17]。渠晖等在2a田间试验中,以甜高粱为试验材料,通过测定不同施氮水平下甜高粱的干物质产量、茎叶比、株高、茎粗、鲜干比、叶面积指数和绿叶数7个参数,探究了甜高粱其主要农艺性状和干物质产量的关系以及不同施氮梯度对两者之间关系的影响[9]。现阶段黑龙江省大田试验主要局限于玉米、大豆等大作物,少有涉及高粱等小作物,并且少有人研究氮素对高粱农艺性状的影响。近年来,高梁作为白酒原材料的一种,在我国的种植面积有增加的趋势。本文在人口日益增长带来的巨大粮食需求压力等问题背景下,以“龙杂22号”高粱品种为试验对象,通过测定不同施氮水平下高粱茎叶比、株高、茎粗和产量等参数,明析不同施氮水平对影响高粱产量和主要农艺性状及其相互关系的影响,为氮肥的合理使用和高粱的高产、优质种植技术提供理论依据。本研究成果有助于指导黑龙江省哈尔滨地区的高粱生产,从而给农民带来更高的经济效益。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本次试验时间为2021年5—9月,试验田地点为黑龙江省哈尔滨市香坊区信义村(E126°44′31.60″,N45°44′4.65″),属中温带大陆性季风气候,年平均气温5.6℃,最高月平均气温23.6℃,最低月平均气温-15.8℃,冬长夏短,黑钙土是试验田主要土壤类型。全年降水量423mm,主要集中在6—9月,无霜期天数168d,年均≥10℃的积温为2757.8℃。

1.2 试验设计

试验材料为“龙杂22”,生育期115d。试验小区随机排列,一共设置4个氮肥处理(0kg·hm-2、80kg·hm-2、150kg·hm-2和220kg·hm-2),其他条件各处理均相同,3次重复,共12个小区,行距65cm,株距20cm。各试验小区均施入磷肥(P2O5)75kg·hm-2、钾肥150kg·hm-2作为种肥,施肥时种子与肥保持3～5cm距离,防止烧种。氮肥使用含N46%的尿素,1/3随种肥施入,剩下2/3氮肥在拔节期施入,追肥应在根侧7～10cm,深度8～10cm。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 主要农艺性状

1.3.1 .1 株高

随机选取每个小区中5株高粱,测量植株地面到植株自然最高点之间的高度,求平均值。并将这5株植株做上标记,之后生育期的株高均在这5株选定的植株上测量。

1.3.1 .2 茎粗

随机选取每个小区中5株高粱,用皮尺测量高粱的茎粗。并将这5株植株做上标记,之后生育期的茎粗均在这5株植株上测量。

1.3.1 .3 茎叶比

随机选取每个小区中5株高粱,在烘箱里经过105℃杀青30min后,用65℃的温度持续烘干8h,分离出烘干后的高粱地上部分中的茎和叶,并分别称重,高粱茎叶比计算公式:

茎叶比＝茎的重量/叶的重量

按照播种后的生长天数对高粱进行取样。第1次取样为播种后的45～55d,至高粱进入拔节期后则每隔20d进行1次取样,全生育期一共4次取样。

1.3.2 产量及其构成因子

于高粱生理成熟期进行高粱产量的测定,采用对角线原则从各小区中随机选择3个测点,把以测点为中心的1m2内的所有穗剪下,在自然条件下风干,然后脱粒称重。各小区产量Y(kg·hm-2)计算公式:

式中,W1、W2和W3为1m2内高梁产量,g·m-2。

产量构成因子测定方法见表1。

表1 产量构成因子测定方法

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0进行试验数据处理。

2 结果与分析

2.1 施氮水平对高粱农艺性状的影响

高粱的株高总体上随生育期的推进呈现出先增加后趋于稳定的特点。从图1可以看出,在各生育期内150kg·hm-2和220kg·hm-2处理下的高粱株高均处在较高水平,0kg·hm-2处理下的高粱株高水平均明显低于其他施氮处理。在高粱成熟期,220kg·hm-2处理的作物株高最大,为112.9cm；0kg·hm-2处理的作物株高最小,为109.7cm。施氮量对于作物株高的影响特点表现为在高粱进入拔节期后和进入成熟期前,施氮水平会显著影响作物株高,随着施氮水平的提高,作物的株高也会随着增大；而高粱进入成熟后,施氮水平对高粱株高的增大效果不明显,且施氮水平对作物株高的影响存在阈值,150kg·hm-2和220kg·hm-2处理相比,随着施氮量的提高作物株高未明显增大。

高粱的茎粗增长主要在作物生长发育前期。从图1可以看出,各处理高粱茎粗在第1次取样至第2次取样间增长较快,而在第2次取样后,增长变缓后基本保持稳定,这表明施氮水平对作物茎粗的影响主要在生育前期,作物的茎粗在生长后期对氮并不敏感。80kg·hm-2处理下的作物茎粗水平除第1次取样外的其他各生育期均高于其他处理,而0kg·hm-2处理下的作物茎粗水平在各生育期均明显低于其他施氮处理。在成熟期,80kg·hm-2处理的茎粗最大,为22.6mm；0kg·hm-2处理的茎粗最小,为18.7mm,前者比后者大20%,这说明施氮对高粱茎粗有增大效应。但从150kg·hm-2和220kg·hm-2处理下的作物茎粗可以看出,施氮对高粱茎粗的增大效应并不是线性的,150kg·hm-2处理下的作物茎粗与最大值(80kg·hm-2处理下)接近,而220kg·hm-2处理下的作物茎粗却比最大值小11%。这说明在其他条件相同的前提下,过量的施氮反而会抑制作物茎粗的增长。

图1 施氮水平对不同生育期高粱农艺性状的影响

随着高粱的生长发育,由图1可知,各处理高粱植株的茎叶比在第1次取样和第2次取样之间均较小且无差异,第2次取样后逐渐增大,其中150kg·hm-2处理下茎叶比的增速为所有处理中最大,而0kg·hm-2处理的茎叶比增速表现为所有处理中最小。

2.2 施氮水平对高梁产量及其构成因子的影响

图2为不同施氮水平下高粱的产量情况,所有处理中产量最大的是150kg·hm-2处理,其产量为7120kg·hm-2,0kg·hm-2处理下高梁产量最小,其产量为5496.7kg·hm-2。0kg·hm-2处理产量都低于施氮处理,与未增施氮肥的处理相比,施加氮肥可以显著提高高粱的产量,当其他条件相同时,施氮处理可以增产7.8%～33.9%。然而施氮对产量的提升同样存在阈值,在阈值前,当施氮量的增大,高粱产量也随着提高,但是当施氮量达到某一阈值以后,施加氮肥不再提高产量反而会造成减产,此试验中150kg·hm-2处理和220kg·hm-2处理相比,施氮量增加了46.7%,高粱产量却减小了13.9%。

图2 施氮水平对高粱产量的影响

表2为不同施氮水平下各处理高粱产量构成因子。从高粱的穗长来看,各处理间差异性并不显著,80kg·hm-2和150kg·hm-2处理下高粱穗长略大于其他处理；从高粱的穗粗来看,各处理间差异性显著,其中穗粗最大为150kg·hm-2处理,最小为80kg·hm-2处理。0kg·hm-2和220kg·hm-2处理穗粗较为接近。从高粱的千粒重来看,各处理间较为接近,差异性也不显著。从高梁的每穗粒数和每穗粒重来看,各处理间差异性显著,最大均为为150kg·hm-2处理,最小均为0kg·hm-2处理。

表2 施氮水平对高粱产量构成因子的影响

3 讨论

氮素是影响作物生长发育最重要的因素之一。此次试验中研究了施氮量对高粱主要农艺性状和产量的影响。作物生长量的基本标志之一是株高[5],本试验中150kg·hm-2和220kg·hm-2处理下高粱株高均表现较好,施氮会显著提高高粱的株高水平。茎是植株主要支撑器官,植株的株型、抗倒伏性能等受茎的高度、粗度和节间长短影响,从而影响高产和稳产[5]。本试验中80kg·hm-2和150kg·hm-2处理下高粱茎粗均表现较好,0kg·hm-2处理下高粱茎粗水平较低,施氮会显著提高高粱的茎粗水平。并且氮素对高粱茎粗的影响主要在第1次取样后和第2次取样前之间,这一时期高粱正处于拔节期。这是由于高粱进入拔节期后,植株开始迅速生长,对水肥的需求也随之增大,此时茎对于氮素较为敏感。茎叶比是评估高粱品质的重要指标,能反映干物质在高粱各器官中的积累分配情况[6]。本试验中,茎叶比最大为150kg·hm-2处理,总体上施氮处理的高粱茎叶比均比0kg·hm-2处理下的高粱茎叶比大,由此可见施氮会影响高粱的茎叶比。

高丽敏[10]等通过试验得到长江下游地区种植饲用甜高粱适宜氮肥用量为244.50kg·hm-2。通过本试验可得,施加氮肥可显著提高高粱产量,高粱产量最大为150kg·hm-2处理,但施氮对高粱产量的提高存在阈值。适当的氮肥使用量可以增强根系活力以及提高对养分的吸收能力,而过量施用氮肥,反而会降低植株对氮素的吸收能力。这或许是由于过量的氮肥抑制了的植株根系生长,根系长度的降低和与氮肥接触面积的减小造成了根系对养分吸收的不足并最终导致氮素含量的降低[9]。穗粗、穗长、千粒重等是影响高粱产量的最有效因子[18]。本试验中,高粱穗长和千粒重对氮素并不敏感,不同施氮水平下各处理差异性不显著。而高粱处理的每穗粒数差异性较大,150kg·hm-2处理比0kg·hm-2处理的高粱粒数水平提高了约30%。这或许可以得到高粱每穗粒数是影响高粱产量的关键因素,施加氮肥可以提高高粱每穗粒数,进而提高高粱每穗粒重,从而提高高粱的产量。

4 结论

氮素对高粱的生长发育起着至关重要的作用,适当施氮有利于增加高粱的产量。本试验结果表明,施加氮肥会影响高粱株高、茎粗、茎叶比等农艺性状,从而影响高粱的产量。综合考虑,黑龙江省哈尔滨市种植“龙杂22号”高粱推荐氮肥施用量为150kg·hm-2。过量的氮肥施用量不仅没有持续地增加高粱的产量,反而可能会造成减产。