南方丘陵区施肥量与2种决明生长性能关系分析

钟珍梅,杨 庆,翁伯琦* ,李春燕

(1.福建省农业科学院农业生态研究所,福建 福州 350013;2.河北省农林科学院粮油作物研究所,河北 石家庄 050035;3.福建省山地草业工程技术研究中心,福建 福州 350003)

绿肥作为我国传统农业的精髓,其在改良土壤,提高土壤肥力等方面发挥着重要的作用。在现代农业发展过程中,绿肥作为一种农业可持续发展的技术被广泛推广应用[1-2],绿肥的研究也成为当前的热点之一。豆科绿肥具有生物固氮功能,其30%～40%以上的氮来自根瘤的固氮作用[3-4],因此豆科绿肥的需肥特性与非豆科绿肥存在明显差异[5]。农业土壤具有显著的区域特性,不同区域不同豆科绿肥的需肥特性也可能存在差异,因此,开展不同区域不同豆科绿肥需肥特性研究,对绿肥的标准化栽培和推广应用具有重要的意义。

氮、磷、钾肥是植物生长最重要的3大营养元素,其是与植物生长密切相关的重要限制因子。氮肥与植物营养生长密接相关,可促进豆科植物生长,增加生物量[6-8],但也有研究发现,随着施氮量的增加可导致豆科植物的生物量下降[9-10]。李强等研究发现,氮添加会降低豆科草本植物根生物量,进而降低生物固氮率[11]。邱才飞等研究认为,花生(Arachishypogaea)根瘤生长量、根瘤大小及产量随着施氮水平的增加呈先增后减的趋势[12]。磷钾肥被认为是和植物生长、品质及生殖密切相关的营养元素,增施磷对大豆(GlycinemaxL)[13]和苕子(ViciasativaL)[14]有增产效果;也有研究认为,中低量磷肥有利于紫花苜蓿(Medicagosativa)和绿豆(Vignaradiata(L.) R.Wilczek)根瘤的形成,但过量施用磷肥会抑制根瘤活力,使豆科绿肥生长不良[15-16]。解亚鑫等研究表明,低磷条件下长脐红豆(OrmosiabalansaeDrake)和猴耳环(Archidendronclypearia(Jack).Nielsen)幼苗的生长速率大于高磷,而荔枝叶红豆(Ormosiasemicastrataf.litchifolia)则相反[9]。有研究表明,适量施用钾肥可以显著提高春箭筈豌豆(Viciasativa)的根系活力,促进根系结瘤并提高固氮率[17]。追施钾肥能提高白三叶(Trifoliumrepens)和紫云英(Astragalussinicus)的产量[18]。高小莉等研究表明,单施P2O5150 kg·hm-2,K2O 100 kg·hm-2和配施P2O5150 kg·hm-2及K2O 50 kg·hm-2均显著提高了春箭筈豌豆的株高、叶面积指数、光合速率、主根长、主根直径、单株根瘤数和单株根瘤鲜重等,且以磷钾肥混施处理效果最佳[19-20]。

圆叶决明(Chamaecristarotundifolia)和羽叶决明(Chamaecrastanictitans)是豆科决明属植物,至20世纪80年代被引进中国后,在我国南方丘陵山地被广泛应用于水土流失治理、地力提升和地表覆盖等[21-22]。目前,关于决明的施肥效益研究大多集中在施氮肥对表观性状、氮素利用等的影响方面[23-24],关于磷钾肥施用效果的研究及3种肥料同时作用对决明生长性能影响的研究鲜见报道。南方丘陵区红壤的异质性可能导致决明在该区域生长时需肥特性与原产地存在差异,因此有必要加强需肥特性的研究。本文通过开展氮、磷、钾3种肥料施用后2种决明产量及农艺性状的变化,并运用回归模型拟合2种决明生物量和农艺性状指标随施肥量的变化规律,旨在为决明在南方丘陵山地的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为种植豆科决明10 a以上的山地红壤。去掉5 cm的表层土后,采集20 cm以上的土壤,带回实验室过 1 cm筛风干备用。供试植物为圆叶决明和羽叶决明。供试肥料为尿素(CH4N2O)、过磷酸钙(Ca(H2PO4)2·H2O)和氯化钾(KCl)。

1.2 试验设计

试验在福建省农业科学院农业生态研究所网室内进行,栽培用盆为规格25(h)×25 (φ)的塑料盆。本试验设置15个处理,氮、磷和钾肥分别为5个处理,每处理6重复,氮肥施用水平如表1所示,2种豆科绿肥,共180盆。将处理后的1 010 kg土与肥料混合均匀,装盆,静置2周后开始试验。圆叶决明和羽叶决明的种子进行80℃热水浸泡预处理3 min,再用清水反复冲洗干净,晾干后与细沙混合均匀后撒播,覆3 cm土,待出苗长至3片真叶后间苗,每盆留大小一致的幼苗5株。试验期间进行常规的水分管理和病虫害防治工作。

1.3 测定项目

试验结束后,采集2种决明绿肥植株地上部分和地下部分,洗净后晾干。用常规方法测量结荚数(X1)、结瘤数(X2)、株高(X3)、根长(X4)、根干重(X5)和生物量(Y)。

1.4 数据处理

用SPSS19.0对数据进行方差分析和回归分析,采用Microsoft Excel 2007进行数据汇总和制表,数据差异显著水平P<0.05。2种决明生物量与农艺性状的通径分析在SPSS19.0软件中采用逐步线性回归方法完成。直接通径系数和相关系数由软件计算所得,间接通径系数和决策系数计算公式如下：

间接通径系数Xij=Rij×Pjy

(1)

式中Rij为i和j的相关系数,Pjy为j对y的直接通径系数;

(2)

式中Riy为i和y的相关系数,Piy为i对y的直接通径系数。

2 结果与分析

2.1 双因素方差分析

施肥量和2种豆科决明品种间农艺性状的双因素差异性分析结果如表2所示。N,P,K施肥量、品种之间及施肥量和品种2因素的交互作用之间生物量和结瘤数的差异性均达显著水平。施氮量、品种之间结荚数、根长和根干重的差异性也达到显著水平,2因素的交互作用之间根长差异也显著。施磷量、品种间及2因素的交互作用之间结荚数、株高和根干重的差异显著。施钾量、品种间及2因素的交互作用之间株高和根干重的差异显著,品种之间结荚数和根长差异显著。

表2 施肥量和2种豆科决明品种间农艺性状的双因素方差Table 2 Two-factor ANOVA results of agronomic traits between fertilizer application and variety on two Chamaecrista spp

2.2 施肥对2种决明生物量及农艺性状的影响

施氮肥对2种决明生物量及农艺性状的影响如表3所示。对圆叶决明而言,N0处理根长最大,显著高于N1,N2和N3的根长;N1处理生物量和结瘤数最大,显著高于N0处理;N2处理圆叶决明的株高最大,显著高于N0,N3和N4处理,但生物量和结瘤数较N1显著降低;N3处理的根长和根干重较N0显著降低,N4处理的根干重较N0显著降低,N3和N4处理的生物量、根干重和结瘤数也较N1显著降低;其中N4处理的生物量、结荚数和结瘤数最低。对羽叶决明而言,N0处理的生物量和结瘤数最大,显著高于N4处理;N1处理的株高最大,显著高于N3和N4处理,与N0差异不显著;N2处理结荚数最大,前者显著高于N4处理,但与N0差异均不显著;N3处理株高和根长最小,N4处理的生物量、根干重、结荚数和结瘤数最小。

施磷肥对2种决明生物量和农艺性状的影响如表3所示。对圆叶决明而言,P1处理圆叶决明生物量、根干重、结荚数、结瘤数最大,较P0显著增加;P2处理的株高最大,显著高于其它处理,但生物量、根干重、结荚数和结瘤数的值降低,显著低于P1处理;P3处理的生物量和农艺性状指标值继续降低,但与P0差异不显著,显著低于P1;P4处理的生物量和农艺性状指标值最低,与P0差异不显著,显著低于P1。对羽叶决明而言,P0处理羽叶决明生物量、根长、结荚数最大,2者均显著高于P3和P4处理,和P1及P2处理之间差异不显著;P1处理的生物量和农艺性状指标值与P0差异均不显著;P2处理羽叶决明的根干重和结瘤数最大,显著高于P0;P3处理的生物量和农艺性状指标值降低,其中生物量显著低于P0,结荚数显著低于P0、P1和P2,结瘤数显著低于P2,但根干重显著高于P0;P4处理的结荚数和结瘤数最低,结荚数显著低于P0,P1和P2,结瘤数显著低于P2,生物量也显著低于P0。

施钾肥对2种决明生物量和农艺性状的影响如表3所示。对圆叶决明而言,K1处理圆叶决明的生物量最大,显著高于其它处理;施钾肥增加圆叶决明的株高,且K2,K3处理与K0达到显著水平;施钾肥对圆叶决明的根长、根重无显著影响,提高了圆叶决明的结荚数,且K1～K3处理的结荚数与K0达显著水平;低钾处理提高了圆叶决明的结瘤数,其中K2和K3处理的结瘤数与对照K0达显著水平。对羽叶决明而言,K3处理羽叶决明的生物量最大,显著高于K0处理,与K1、K2和K4处理之间差异不显著;施钾肥对羽叶决明的株高、根长无显著影响;提高了羽叶决明的根干重,且K2和K3处理圆叶决明的根干重与K0之间达显著水平;施钾肥对羽叶决明的结荚数无显著影响,提高了羽叶决明的结数,其中K1～K3处理的结瘤数与K0达显著水平。

2.3 施肥量与2种决明生物量及农艺性状的回归分析

生物量、结荚数和结瘤数分别反应了植物的生长效率、生殖性能和固氮能力。2种决明绿肥生物量、结荚数和结瘤数随肥料施用量变化的回归模型如图1所示。氮肥施用量与圆叶决明的生物量和结瘤数可用3次方程拟合(R2=0.759,0.931;P=0.001,0.002<0.05),与结荚数可用二次方程拟合(R2=0.992;P=0.002<0.05)。氮肥施用量与羽叶决明结荚数可用2次方程拟合(R2=0.872;P=0.009<0.05),与生物量、结瘤数可用线性模型拟合(R2=0.924,0.817;P=0.001,0.000<0.05),表现为负线性相关。磷肥施用量与圆叶决明的生物量、结荚数和结瘤数均可用3次方程拟合(R2=0.974,0.982,0.987;P=0.006,0.006,0.0029<0.05)。磷肥施用量与羽叶决明结荚数可用3次方程拟合(R2=0.729;P=0.032<0.05),与生物量可用2次函数模型拟合(R2=0.839;P=0.003<0.05),与结瘤数的拟合方程无统计学意义(R2=0.546,P=0.931>0.05)。钾肥施用量与圆叶决明的生物量和结瘤数均可用3次方程拟合(R2=0.760,0.999;P=0.049,0.041<0.05),与结荚数的3次拟合方程R2=0.578,P=0.765>0.05,无统计学意义。钾肥施用量与羽叶决明生物量和结瘤数可用3次方程拟合(R2=0.794,0.926;P=0.021,0.046<0.05),与结荚数的拟合模型无统计学意义(R2=0.161;P=0.971>0.05)。

图1 施肥量与2种豆科决明生物量、结荚数和结瘤数的回归分析Fig.1 Regression analysis of fertilizer application with biomass,pod number and nodule number of twoChamaecrista spp.注：图中y分别为表格中对应的指标,x为施肥量,图A,C,E为圆叶决明,图B,D,F为羽叶决明Note：y is the corresponding index in the figure,and x is the fertilizer application,fig A,C,E indicates C. rotundifolia,fig B,D,F indicates C. nictitans

2.4 PCA分析

将不同施肥量下2种豆科决明生物量、结荚数、结瘤数、株高、根长和根干重等指标进行主成份分析(Principal component analysis,PCA),结果如图2所示。左图Pc1解释了不同处理圆叶决明综合性状表现80.70%的差异,Pc2解释10.16%的差异,2者对圆叶决明综合性状表现差异的贡献率达90.86%;右图Pc1解释了不同处理羽叶决明综合性状表现65.32%的差异,Pc2解释20.76%的差异,2者对羽叶决明综合性状表现差异的贡献率达86.08%。圆叶决明的综合生长指标均位于PCA图的右侧,而N1,K2,P3,P1,K1和K3也位于右侧,表明这几个处理的综合农艺性状较好。其余处理位于象限图的左侧,且P4,N4,P0和K0处理综合性状的相似度较高,N0,N3,K4和P2处理的相似度较高。羽叶决明的综合性状指标均位于象限图的左侧,N0,N1,N2,P1,P2,K0,K1,K2和K3也位于左侧,表明这些处理的综合农艺性状较佳,其中N0,N1,N2,P2,K1,K2和K3的综合性状表现相似度高。

图2 2种豆科植物生物量与农艺性状指标的PCA图Fig.2 Principal Component Analysis (PCA) of two Chamaecrista spp between Biomass and agronomic traits注：样品的相关性越强,样品之间距离越近,指标相关性越强,指标之间的夹角越小Note：The more similar in the relationship of samplings,the closer between their distances.The more similar in the relationship of indexes,the smaller between the angles

2.5 2种决明生物量与农艺性状的通径分析

对不同施肥模式下2种绿肥的生物量和农艺性状进行通径分析,结果如表4,5和6所示。经过逐步回归分析,圆叶决明和羽叶决明的回归方程R2分别为0.796和0.317,P=0.013和0.049<0.05,表明回归方程具有统计学意义,回归模型成立(表4)。与圆叶决明生物量具有线性关系的农艺性状有4个,分别为X1,X2,X4和X5(P=0.007,0.000,0.013,0.000<0.05),回归方程为Y=61.16+0.121X1+0.209X2-1.669X4+6.351X5。与羽叶决明生物量具有线性关系的农艺性状有2个,分别为X1和X4(P=0.000,0.049<0.05),回归模型为Y=110.38+0.151X1-2.02X4。

表4 逐步回归模型和系数汇总Table 4 Summary of stepwise regression model and coefficient

决策系数为正表明该自变量增进因变量,反之则抑制因变量,且决策系数越大,效应越强。结瘤数与圆叶决明生物量线性关系最强,决策系数为0.480,其次为根重,结荚数第3,根长与生物量的关系为负效应(表5)。羽叶决明生物量与结荚数的线性关系为正,决策系数为0.245,与根长的关系为负,决策系数为-0.016(表6)。

表5 圆叶决明生物量与农艺性状的通径系数和决策系数Table 5 Path coefficient and decision coefficient of biomass and agronomic traits of C. rotundifolia

表6 羽叶决明生物量与农艺性状的通径系数和决策系数Table 6 Path coefficient and decision coefficient of biomass and agronomic traits of C. nictitans

3 讨论

豆科植物通过生物固氮作用将大气中的氮转化为有机氮固定于植株体内,对植物氮积累和产量影响显著[25]。本研究发现不同施氮量之间圆叶决明的生物量、结荚数、结瘤数、株高、根长和根干重等指标差异均显著,圆叶决明的生物量、结荚数和结瘤数随着施氮量的增加呈先增后降的变化趋势,在施氮肥36 kg·hm-2时达到最大值,表明在施等量磷钾肥模式下,一定量的氮肥对圆叶决明的生长、生殖和固氮能力有促进作用,但随着施氮量增加则表现为抑制作用,这与李强等[11-12,23]的研究结论一致。而施氮量与羽叶决明的生物量和结瘤数表现为负线性模关系,与圆叶决明品种间差异明显。郑永美等研究表明,根瘤菌结瘤数量与根瘤固氮积累量、供氮比例均呈正相关,根瘤数量能反应豆科植物的固氮水平[26]。羽叶决明的根瘤菌数量显著多于圆叶决明(表2),这可能是导致羽叶决明对氮肥依赖性弱于圆叶决明的原因。磷是植物体内能量传递和转化的重要元素,可促进豆科植物根瘤形成,直接影响根瘤的固氮能力[26-27],磷肥被认为可以提高大豆的固氮能力,具有显著的增产作用[19-20],能提高紫花苜蓿的产量[29]。本研究发现,在施足量氮肥和钾肥模式下,一定量的磷肥对圆叶决明的生长、生殖和固氮能力有促进作用,当磷肥施用量达96.00 kg·hm-2时,圆叶决明的生物量、结荚数和结瘤数达到最大值(图2),随着施磷量增加则表现为抑制作用。磷肥施用量与羽叶决明生物量可用2次函数模型拟合,低磷处理和缺磷处理相比,羽叶决明的生物量没有明显变化,但当施磷超过一定量时,羽叶决明的生长被抑制。赵伯善等研究发现豆科对磷敏感仅发生在缺氮土壤上[30],本研究缺磷的处理,氮和钾肥是充足的,因此这可能是导致增加一定量磷肥对羽叶决明促进作用不明显的原因。于洋等研究也认为施磷肥对于大豆产量构成因素影响没有一定规律性[13],本研究也发现,施磷肥条件下2种绿肥之间在生物量、结荚数、结瘤数、株高和根干重等方面种间差异明显(表1),但施磷水平对羽叶决明结瘤数的影响不能用回归模型拟合,表明磷肥施用量和结瘤数之间的关系复杂,需要进一步细化施磷水量以摸清磷肥对羽叶决明的影响规律。钾素在植物体内在植物体内的作用主要有调节植物体内阴阳离子平衡、细胞渗透压和气孔开闭,进而增强作物的抗性[31]。施用适量钾肥,可提高箭筈豌豆根系活力、根瘤质量和粗蛋白、粗脂肪、可溶性糖等含量,进而显著增加产量并改善牧草品质[19]。本研究发现,在施足量氮肥和磷肥模式下,一定量的钾肥对圆叶决明的生长、生殖和固氮能力有促进作用,当钾肥施用量达60.00 kg·hm-2时,圆叶决明的生物量、结荚数和结瘤数达到最大值(图3)。钾肥对羽叶决明生长的影响同样表现出低促高抑的效应,K1～K3处理之间均表现较高的生产能效,即高生物量、结瘤数,表明羽叶决明对钾有更高的耐受性。

圆叶决明的和羽叶决明是豆科决明属的2种绿肥,3种施肥模式下羽叶决明的结瘤数显著高于圆叶决明(表3),这是品种间差异造成的,此外品种间的差异还在体现在生物量和结荚数等方面。董春华等研究认为,羽叶决明较圆叶决明更能适应在干旱贫瘠的红壤中生长及培肥[32]。本研究的结果表明,与圆叶决明相比,羽叶决明对氮素需求更少,在其它2种肥料充足条件下,不施P和K肥对其生物量和农艺性状指标会有小幅度降低,但综合表现强于圆叶决明,对高磷和高钾的耐受性也更强。

4 结论

本研究结果表明,低量N,P,K处理后2种决明的综合性状表现均佳,随着施肥量增加,生物量和主要农艺性状指标降低,羽叶决明综合性状优于圆叶决明。生物量与圆叶决明、羽叶决明农艺性状的回归方程分别为Y=61.16+0.121X1+0.209X2-1.669X4+6.351X5和Y=110.38+0.151X1-2.02X4,决策系数从大到小的顺序分别为“结瘤数>根干重>结荚数>根长”和“结荚数>根长”。在本试验条件下,圆叶决明施肥处理以N1(36 kg·hm-2)、P1(96 kg·hm-2)和K1(60 kg·hm-2)较为理想;羽叶决明施肥处理以N0(0 kg·hm-2)、P1(96 kg·hm-2)和K1(60 kg·hm-2)较为理想。