不同水分条件下缓释氮肥对饲用甜高粱生长和水氮利用效率的影响

马仁诗，蒋丛泽，高玮，李中利，沈禹颖，杨宪龙*

（1. 兰州大学草地农业科技学院，兰州大学草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室，甘肃 兰州 730020；2. 甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 庆阳 745004）

水和肥是影响作物生长和产量形成的重要因素，充足的水肥供应是保障农业高效生产的前提［1-2］。严重的土壤水分胁迫抑制作物的生长发育，降低光合性能，造成作物减产［3］。适度减少水分供应对作物光合速率的影响较小，却可以显著降低作物蒸腾耗水，从而提高作物水分利用效率［4］。解婷婷等［5］在甘肃河西走廊绿洲区的研究表明，适度土壤水分亏缺有利于甜高粱（Sorghum bicolor）生产及土壤水资源高效利用，在整个生育期内保持土壤含水量在田间持水量的50%时，甜高粱产量和水分利用效率最高。同时，充足的水分供应可以增强作物对氮素的吸收［6］，提高氮肥有效性及氮素利用效率。

氮素是植物体内蛋白质、叶绿素等的重要组成部分。适量施氮显著增加作物叶绿素含量，提高光合速率，促进植株的生长和光合产物的形成［7-8］。农业生产活动中过量的氮肥施入导致氮肥利用率降低，氮素通过硝化及反硝化作用和氨挥发等形式进入大气，通过淋洗等途径进入水环境，造成潜在的生态环境污染［9］。因此，确定合理的施氮量及施氮模式是提高作物产量、减少氮素损失及环境污染的有效途径［10-11］。尿素因其含氮量高、使用方便，对土壤破坏作用小［12］，目前是我国使用最为普遍的氮肥种类之一。然而，常规尿素具有易吸湿结块、易水解、养分释放快等缺点，且施用后养分释放与作物吸收匹配性差，田间损失大［12］。包膜尿素是在常规肥料颗粒表面包裹有机高分子材料，其膜层具有的空隙结构可以控制养分按一定的速率释放［13］。这类缓释氮肥的施用能在不同程度上降低氨挥发量和氮素淋溶量，减少氮素流失对环境的污染［13-14］。同时，与常规肥料相比，缓释肥可以长效稳定释放养分，实现养分供应与作物养分需求基本同步，从而达到节本高效、生态协同等目标［15］。

饲用甜高粱生物产量大、营养价值丰富，是一种新型高产优质饲料作物。同时饲用甜高粱具有耐盐碱、抗旱、耐贫瘠等特性，在干旱、半干旱以及高盐碱地区具有巨大的生产潜力［16］。近年来，学者们在施用缓释肥提高传统粮食作物氮素利用率及增产效应等方面进行了大量研究［17-18］。然而，针对缓释肥在不同水分条件下对饲用甜高粱的研究较少，甜高粱单株耗水规律及水氮利用效率的报道相对匮乏。鉴于此，本研究通过自动称重式蒸渗仪控制试验，探究不同水分条件下施用缓释氮肥对饲用甜高粱生长、产量以及水氮利用的影响，以期为优化饲用甜高粱水肥调控和高效栽培措施提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2022 年在甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站（35°39′ N，107°51′ E）日光温室中进行。研究区属于典型大陆性季风气候，多年（2002-2021 年）平均气温10.5 ℃，海拔1297 m。年平均降水量586.8 mm，年降水分配不均，主要集中在7-8 月，湿度60.8%。该地区土壤类型为黑垆土，0～20 cm 大田耕层土壤基本理化性状如表1 所示。试验所用温室长7 m，宽5 m。温室采用玻璃顶棚覆盖，透光性好，顶部设有若干通风口，可保证CO2充足供应。温室日常管理依据当地常规进行。

表1 试验土壤基本理化性质Table 1 Physicochemical properties of the soil in the experiment

1.2 试验设计

1.2.2 试验材料 在实验站内选择典型田块采集耕层土壤，风干后，过4 mm 筛。然后，将过筛的土壤填装入蒸渗仪筒体内，填装土壤容重1.26 g·cm-3，填装深度40 cm，填装后在其表面均匀铺撒约2 cm 厚蛭石，以减少土壤蒸发。供试甜高粱品种“大力士”（Hunnigreen）在我国大部分地区无法正常开花，无完整的生育时期［19］。供试肥料采用普通尿素（含N 46%）、聚氨酯包膜尿素（由安徽茂施农业科技股份有限公司生产，含N 45%，初始释放速率＜10%，控释期60 d）、普通过磷酸钙（含P2O516%）及硫酸钾（含K2O 51%）。根据筒体内土壤表面积计算施肥量。试验中，氮肥分两次施入，40%在进行试验处理时（6 月2 日）施入，60%在拔节期（6 月29 日）随灌溉追施。各处理磷肥（P2O5150 kg·hm-2）和钾肥（K2O 180 kg·hm-2）施用量一致，均作为基肥一次性施入。

1.2.3 试验设计 采用双因素随机区组试验方案，试验设置3 个土壤含水量水平：灌溉维持土壤含水量位于田间持水量（field capacity，FC）的30%～50%（I1）、50%～70%（I2）、70%～90%（I3）；同时，设置3 种施氮模式：常规尿素施N 200 kg·hm-2（U200）、包膜尿素施N 160 kg·hm-2（CU160）、包膜尿素施N 120 kg·hm-2（CU120），交互组合。试验共9 个处理组合，每个处理组合重复4 次，采用36 个蒸渗仪设备（图1）。2022 年5 月8 日，每个蒸渗仪内播种3 粒甜高粱种子，5 月17 日基本出苗，6 月2 日（3～5 叶期）间苗后每个蒸渗仪内保留一株壮苗，然后进行试验处理。灌水时间统一为每天18：00-20：30，采用人工洒水壶浇灌，灌水量通过灌水时土壤体积含水量与目标土壤含水量的差值及计划湿润土层厚度（40 cm）进行计算。8 月11 日，齐土壤表面刈割收获，取样测定相关指标。其他除杂草和病虫害防治等措施各处理均保持一致。

图1 自动称重式蒸渗仪Fig.1 Auto-weighed lysimeters

1.3 试验指标和测定方法

1.3.1 农艺性状 株高：采用直尺（精度1 mm）测量植株基部至植株顶端的自然高度。茎粗：采用游标卡尺（精度0.1 mm）测量主茎干基部第一节间最宽处直径，然后在植株测量位旋转90°测量2 次取平均值。单株总叶面积：采用直尺（精度1 mm）测量饲用甜高粱植株所有完全展开叶长和叶片最宽处长度，公式为叶面积=叶长×叶宽×0.75。株高、茎粗、单株总叶面积均于6 月2 日开始测量，每次测量间隔7～10 d，收获期数据于8 月11 日测定。

1.3.2 地上部鲜质量与干质量 齐土壤表面刈割后带回实验室立即进行茎、叶分离，并采用天平（精度0.01 g）称量不同部位（茎、叶）鲜质量。将样品在105 ℃烘箱中杀青30 min，然后在75 ℃下烘干48 h 至恒重，称量干质量。

1.3.3 茎叶比 通过称量的茎、叶干质量计算，公式为：茎叶比=茎干质量（g）/叶干质量（g）。

1.3.4 日蒸腾速率和累积蒸腾耗水量 数据采集装置可以自动获取整点蒸渗仪筒体总重量。因此，日蒸腾速率（g·d-1）=当日零点蒸渗仪筒体总重量（g）+当日灌溉量（g）-当日24 点蒸渗仪筒体总重量（g）。累积蒸腾耗水量（kg）为饲用甜高粱试验期内每日蒸腾量总和。

1.3.5 水氮利用效率 通过收获期测定的饲用甜高粱地上部茎和叶干质量之和与饲用甜高粱生育期累积蒸腾耗水量计算干物质水分利用效率，公式为：干物质水分利用效率（water use efficiency，WUE，g·kg-1）=整株干物质量（g）/耗水量（kg）。

通过收获期测定的饲用甜高粱地上部茎和叶干质量之和与施氮量计算干物质水分利用效率，公式为：氮肥偏生产力（nitrogen partial-factor productivity，NPFP，kg·kg-1）=施氮区作物产量（kg）/施氮量（kg）。

油田“代储代销”主要以易于集中，更新周期相对短、易损易耗配件为主，如泵配、链条、井控闸阀、油泵、气控原件、钢丝绳、水龙带、井口井下工具及部分钻（修）井配件、化工助剂等。由于代储代销涉及到商品买卖和仓储保管两方面的法律关系，因此对代储代销协议内容的约定，除了要遵循买卖合同的有关要求外，还需注意仓储保管方面的权利义务设定，避免以下情形的发生：可能存在质量不合格的物资被我方代储代销，给我方造成损失；代储物资在代储期间发生质量降低、毁损灭失等风险，供应商向我方主张赔偿责任；未能代销出去或代储代销期间超过安全使用期的物资，供应商处置不及时给油田造成人力、物力损失。

1.4 数据统计

采用Excel 2010 和SPSS 26 软件进行数据处理与统计分析。采用随机区组双因素方差分析进行处理间整体差异显著性检验，并采用Duncan 法进行多重比较（α=0.05）。采用Origin 2021 软件绘图。图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同处理对饲用甜高粱的株高、茎粗和单株总叶面积的影响

不同处理下饲用甜高粱株高、茎粗、单株总叶面积变化趋势大致相同，前期生长快速，后期生长缓慢并趋于平缓。从出苗后第17 天到第71 天是株高增长的快速阶段，第71 天的株高占收获时的82.7%～94.1%。I1灌溉量下，第71 天的茎粗占收获时茎粗的97.5%～99.3%；I2、I3灌溉量下，第53 天的茎粗占收获时茎粗的81.0%～96.3%，可见I1灌溉条件下茎粗生长滞后。从出苗后30 d 到出苗后73 d 是单株总叶面积增长的快速阶段，第73 天的单株总叶面积占收获时的80.7%～94.6%（图2a，c，e）。

图2 不同处理下饲用甜高粱株高（a）、茎粗（c）、单株总叶面积（e）动态及收获期株高（b）、茎粗（d）、单株总叶面积（f）Fig. 2 Dynamics in plant height（a），stem diameter （c），total leaf area per plant（e） and plant height（b），stem diameter（d），total leaf area per plant （f） at harvest of forage sweet sorghum under different treatments

方差分析结果表明，灌溉量对收获期饲用甜高粱株高、茎粗、单株总叶面积均具有显著影响（P＜0.05），施氮模式对以上3 个指标均无显著影响（P＞0.05），而灌溉量及施氮模式的交互作用仅对单株总叶面积具有显著影响（P＜0.05）。在相同施氮模式下，随着灌溉量的增加，株高、茎粗、单株总叶面积均增大。I2、I3灌溉量下株高平均值分别提高了9.5%、15.4%，茎粗平均值较I1灌溉量分别提高了2.4%、27.6%，单株总叶面积平均值分别提高了32.0%、76.0%。CU160、CU120施氮模式下株高、茎粗、单株总叶面积平均值均高于U200（图2b，d，f），说明采用包膜尿素减施氮素的方式促进甜高粱植株的生长。

2.2 不同处理对甜高粱收获期单株鲜质量、干质量及茎叶比的影响

方差分析结果表明（表2），灌溉量、施氮模式及两者交互作用对收获期饲用甜高粱茎、叶、地上部整株的鲜质量及干质量均具有显著影响（P＜0.05）。在相同施氮模式下，随着灌溉量的增加，甜高粱茎、叶、地上部整株的鲜质量及干质量均显著增大。I2、I3灌溉量下整株鲜质量平均值较I1灌溉量分别显著提高了61.7%、187.4%，整株干质量平均值分别显著提高了55.7%、129.8%。平均值显示，CU160、CU120施氮模式下茎、叶、地上部整株的鲜质量及干质量均高于U200。与U200相比，CU160施氮模式下整株鲜质量平均值显著提高了13.9%，整株干质量平均值显著提高了22.8%。说明采用包膜尿素减施氮素的方式促进了甜高粱植株的产量形成。

表2 不同处理下饲用甜高粱地上部鲜质量、干质量与茎叶比Table 2 Aboveground fresh weight，dry weight and stem-leaf ratio of forage sweet sorghum under different treatments

灌溉量及其与施氮模式的交互作用对收获期饲用甜高粱茎叶比均具有显著影响（P＜0.05），而施氮模式对甜高粱茎叶比无显著影响（P＞0.05）。CU120、CU160施氮模式下，随灌溉量的增加，茎叶比增大；U200施氮模式下茎叶比则在I2灌溉量下最大。I2、I3灌溉量下茎叶比平均值较I1灌溉量分别显著提高了40.0%、60.0%（表2），由此表明增加灌溉量显著促进甜高粱茎秆干物质量积累。

2.3 不同处理对耗水动态及累积耗水量的影响

饲用甜高粱日蒸腾速率与温室内气温、20 cm 处土壤温度均呈现较好的一致性（图3）。监测期内不同处理下饲用甜高粱平均日蒸腾速率为998.6 g·d-1（103.0～3333.7 g·d-1），其中苗期（出苗后30 d 内）和拔节期（出苗后30 d 至收获期）饲用甜高粱平均日蒸腾速率分别为534.5 g·d-1（157.5～1020.0 g·d-1）和1119.0 g·d-1（103.0～3333.7 g·d-1），表明，甜高粱苗期平均日蒸腾速率明显低于拔节期。这是由于甜高粱苗期植株相对矮小，且生长缓慢，耗水量少。而甜高粱植株拔节后进入快速生长阶段，特别是出苗60 d 以后，随着气温的增加，饲用甜高粱植株蒸腾耗水量不断增加。随着灌溉量的增加，饲用甜高粱日蒸腾速率明显增加。I1、I2、I3灌溉量下，饲用甜高粱日蒸腾速率的变幅分别为103.0～1661.5 g·d-1、166.3～2174.0 g·d-1、240.7～3333.7 g·d-1，平均值分别为643.0、1007.9、1345.0 g·d-1。U200、CU160、CU120施氮模式下，饲用甜高粱日蒸腾速率的变幅分别为146.0～3333.7 g·d-1、113.3～2861.0 g·d-1、103.0～3156.0 g·d-1，平均值分别为986.5、987.4、1022.0 g·d-1。

图3 监测期内不同处理下饲用甜高粱单株日蒸腾速率Fig. 3 Daily transpiration rate of forage sweet sorghum on individual scale under different treatments during the monitoring period

方差分析结果表明，灌溉量对饲用甜高粱累积耗水量具有显著影响（P＜0.05），而施氮模式及二者交互作用对累积耗水量均无显著影响（P＞0.05）。在相同的施氮模式下，随着灌溉量的增大，单株累积耗水量显著增大。I2、I3灌溉量下累积耗水量平均值较I1灌溉量分别显著提高了52.1%、108.4%（图4）。

图4 不同处理下饲用甜高粱累积耗水量Fig. 4 Cumulative water consumption rate of forage sweet sorghum under different treatments

2.4 不同处理对甜高粱干物质水分利用效率的影响

方差分析结果表明，灌溉量、施氮模式与两者的交互作用对饲用甜高粱干物质水分利用效率均具有显著影响（P＜0.05）。I3灌溉量下干物质水分利用效率平均值较I1灌溉量提高了11.3%。CU160施氮模式下干物质水分利用效率平均值较U200提高了22.4%。所有处理中，I3CU160下干物质水分利用效率最高（4.0 g·kg-1），I3U200最小（2.6 g·kg-1，图5）。

图5 不同处理下饲用甜高粱干物质水分利用效率Fig. 5 Dry matter water use efficiency of forage sweet sorghum under different treatments

2.5 不同处理对甜高粱氮肥偏生产力的影响

方差分析结果表明，灌溉量、施氮模式与两者的交互作用对饲用甜高粱氮肥偏生产力具有显著影响（P＜0.05）。在相同的施氮模式下，随着灌水量的增加，甜高粱氮肥偏生产力显著增大。I2、I3灌溉量下氮肥偏生产力平均值较I1灌溉量分别显著提高了51.9%、128.3%。同一灌溉量下，CU120、CU160施氮模式下氮肥偏生产力均显著大于U200。CU160、CU120施氮模式下氮肥偏生产力平均值较U200分别提高了53.5%、80.0%。所有处理中，I3CU160下氮肥偏生产力最高（69.1 kg·kg-1），I1U200最小（17.8 kg·kg-1，图6）。

图6 不同处理下饲用甜高粱氮肥偏生产力Fig. 6 Partial-factor productivity of forage sweet sorghum under different treatments

3 讨论

3.1 水氮条件对甜高粱生长与产量的影响

适宜的水肥条件能够增强作物对水分和养分的吸收能力［20］，从而促进作物生长，提高产量［21］。本试验中，饲用甜高粱的株高、茎粗、单株总叶面积、单株鲜重及干重均随灌溉量的增加而显著增大。从茎粗的生长动态来看，I1灌溉量下，出苗71 d 前是茎粗增长的快速阶段，I2、I3灌溉量下，出苗53 d 前是茎粗增长的快速阶段，表明灌溉量减少导致茎粗生长滞后。相关研究表明，水分的有效性影响土壤的物理、化学过程和微生物、植物的生理过程［22］。养分在土壤中运移的速度和距离与土壤含水量密切相关。当土壤含水量处于田间持水量范围内时，肥料养分释放增强［23］，溶解的养分数量增多，离子扩散和质流增强。同时，适宜的水分供应影响着作物根系的活力，促进作物对养分的吸收与利用［22］。因此，灌溉不足导致土壤含水量降低，将严重影响作物生长发育过程。此外，本试验I3灌溉量下，不同施氮模式间甜高粱单株鲜重差异显著，而I1灌溉量下，不同施氮模式间单株鲜重差异不显著。由此说明在一定范围内氮肥的增产效应随土壤含水量的增加而提高。这是由于合理的水分管理可以提高养分有效性，增加土壤或肥料中养分的转化和利用效率［23-24］。

氮肥管理是调控作物生长的关键之一，合理的施氮量及施氮模式是维持作物稳产、增产的重要栽培措施。本试验中，不同灌溉量下，采用包膜尿素施N 160 kg·hm-2时，甜高粱的单株鲜重、干重均高于采用包膜尿素施N 120 kg·hm-2，表明增加施氮量能提高饲用甜高粱植株的产量。这与高玮等［11］的试验结果一致。相关研究表明，施氮促进作物根系发育，扩大作物觅取水分和养分的土壤空间［25］。同时，本试验中，采用包膜尿素施N 160 kg·hm-2的单株鲜重、干重显著高于常规尿素施N 200 kg·hm-2。这表明施用缓释氮肥较施用常规尿素能够显著提高作物产量。这与郭金金等［26］的试验结果一致。由于常规尿素养分释放期短，释放速率快，导致作物生育前期氮素大量浪费，而作物生育后期氮素供给缺乏，从而对产量造成不利影响［23］。而包膜缓释尿素具有养分释放周期长、肥效持久等特点，可以保证作物生育后期土壤中依然有充足的养分供应，使得氮肥的效应延长［18］。

3.2 水氮条件对甜高粱耗水与水氮利用效率的影响

蒸腾作用是引起水分和可溶性养分向根部迁移和吸收的动力之一［21］。当蒸腾作用增强时，作物根部吸收的水分增加，同时更多的养分通过质流到达根系表面，因此作物对水分和养分的吸收增强［24］。本试验中，随着灌溉量的增加，饲用甜高粱累积耗水量显著增大。这是由于灌溉促进作物叶面积增加，提高光合作用和蒸腾作用，造成耗水增多［25］。本试验发现，不同处理下饲用甜高粱单株日蒸腾速率曲线波动与温度的变化趋势相似，这是因为温度的升高会导致叶内蒸气压的增加，从而促进蒸腾作用［27］。本试验中，随着灌水量的增加，甜高粱干物质水分利用效率及氮肥偏生产力均增大。研究表明，灌溉具有显著的调肥作用，充足的水分供应可以促进作物的氮吸收［6］，提高氮肥有效性及水氮利用效率［28］。

本试验中，CU160施氮模式下的甜高粱干物质水分利用效率显著高于CU120施氮模式。这是因为，CU160施氮模式下，施氮量的增加显著提高了甜高粱整株干重，然而作物耗水量却没有明显增加（合理施肥增加土壤持水能力所致［29］），因此干物质水分利用效率大幅提高。此外，合理施氮一方面促进作物根部的生长，从而提高作物对土壤水分吸收和运输的能力；另一方面，合理施氮提高了植株对土壤水分的利用能力，使水分蒸发损失的机会减少［30］。本试验中，CU160施氮模式的氮肥偏生产力显著低于CU120施氮模式，表明适当减少施氮量能够提高氮肥利用效率，这与张美微等［31］的研究结果一致。此外，本研究发现，CU160施氮模式下干物质水分利用效率及氮肥偏生产力均显著大于U200，表明采用缓释肥减少施氮量可以提高水氮利用效率。相关研究表明，常规尿素施入土壤后很快释放出大量氮素，并以较快的速度形成很高的氨分压，导致初期以大量氨挥发的形式损失。而缓释包膜尿素的包膜材料具有一定疏水性，可有效减缓膜内氮素溶出，大大增加了氮素的释放期，显著降低了氨挥发及其他途径（硝态氮淋洗、硝化-反硝化气态损失等）的损失量，从而提高氮素利用效率［23］。由于缓释肥能持续稳定地释放养分，保证饲用甜高粱生长后期充足的养分供应，从而促进作物后期的干物质合成，提高水分利用效率［32］。

4 结论

增加灌溉量有利于饲用甜高粱株高、茎粗的生长以及单株总叶面积的增加，提高了干物质产量，促进了干物质量向茎秆的分配，同时提高了单株耗水量和水氮利用效率。施用缓释氮肥较普通尿素能显著提高饲用甜高粱干物质产量及水氮利用效率。灌溉维持土壤水分位于田间持水量的50%～70%，并采用包膜尿素施氮（纯N）160 kg·hm-2（较常规用量减少20%），是促进饲用甜高粱生长、干物质积累和水氮利用效率提升的适宜栽培模式。