,1,2, 马海曌1,2, 许宏伟1,2, 徐郗阳1,2, 阮国兵1,2, 郭峥岩1,2, 宁永培1,2, 冯永忠1,2, 杨改河1,2, 任广鑫,1,2,*Effects of nitrogen rate on growth, grain yield, and nitrogen utilization of multiple cropping proso millet after spring-wheat in Irrigation Area of Ningxia
XIE Cheng-Hui,1,2, MA Hai-Zhao1,2, XU Hong-Wei1,2, XU Xi-Yang1,2, RUAN Guo-Bing1,2, GUO Zheng-Yan1,2, NING Yong-Pei1,2, FENG Yong-Zhong1,2, YANG Gai-He1,2, REN Guang-Xin,1,2,*通讯作者: *任广鑫, E-mail:rengx@nwsuaf.edu.cn
收稿日期:2021-01-19接受日期:2021-04-26网络出版日期:2022-06-09
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Received:2021-01-19Accepted:2021-04-26Published online:2022-06-09
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作者简介 About authors
E-mail:xiechenghui001@163.com
摘要
为明确不同施氮量下糜子生长规律、产量表现以及氮素利用效率, 分析糜子形态特征与产量和氮素利用的关系, 同时确定宁夏引黄灌区麦后复种糜子的适宜施氮量, 本研究于2019年和2020年以宁糜9号为材料, 2019年设0 (N0)、90 (N1)、120 (N2)和150 kg hm -2 (N3)纯氮水平, 2020年增设180 (N4)和210 kg hm -2 (N5)纯氮水平, 以不施氮肥(N0)为对照在宁夏引黄灌区进行大田试验。结果表明, 施氮显著促进糜子各生育时期株高、茎粗、叶面积、根系的生长和干物质的积累, 但当施氮量超过150 kg hm -2时, 除茎粗和叶面积外, 其余各生长指标出现下降趋势; 根冠比随施氮量的增加呈先降低后升高再略微下降趋势, 多数生育时期在N2处理根冠比达最小值, 拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期分别为0.119、0.087、0.054和0.052。施氮显著促进糜子产量、千粒重和穗粒数增加, 并且随施氮量的增加呈先增加后略微下降趋势, N2、N3处理促进效果最佳; N2、N3处理糜子产量分别为2979.41 kg hm -2、3084.67 kg hm -2, 较N0处理分别增产76.22%、83.21%。糜子的氮素收获指数、氮肥表观回收率、农学利用率和偏生产力在N2处理表现较好, 分别为60.23%、61.81%、10.77 kg kg -1、24.83 kg kg -1。进一步分析发现, 糜子产量与各生长指标显著正相关, 各生长指标之间显著正相关, 根系形态特征与氮素积累量显著正相关, 表明施氮可以通过改善糜子根系形态特征来促进氮素吸收, 进一步促进冠层的生长, 从而有利于产量的形成。因此, 适量施氮明显改善糜子生长状况、提高产量, 并且有效平衡产量和氮素利用效率。综合来看, 宁夏引黄灌区麦后复种糜子的合理施氮量为120~150 kg hm -2。
关键词：
Abstract
The objective of this study is to clarify the growth rule, yield, and nitrogen utilization efficiency of proso millet under different nitrogen rates, the relationship between morphological characteristics and grain yield and nitrogen utilization was explored, and the suitable nitrogen rate for multiple cropping proso millet after spring-wheat in Irrigation Area of Ningxia was determined. The field experiments were conducted by single factor randomized block design, with four nitrogen rates [0 (N0), 90 (N1), 120 (N2), and 150 kg hm -2 (N3)] were set in 2019, and six nitrogen rates [180 (N4) and 210 kg hm -2 (N5) were added] in 2020. The results showed that the plant height, stem diameter, leaf area, root morphology, and dry matter accumulation at the key growth stages of proso millet were significantly promoted by nitrogen application, however, nitrogen application rate exceeded 150 kg hm -2, these indexes declined slightly except for the stem diameter and leaf area. With the increase of nitrogen rate, the root-shoot ratio decreased first and then increased and then decreased slightly, and it reached the minimum under N2 treatment at most growth stages. The root-shoot ratio at jointing, heading, grain-filling and maturity stage under N2 treatment were 0.119, 0.087, 0.054, and 0.052, respectively. The grain yield, 1000-grain weight, and grain number per plant were significantly increased by nitrogen application, and with the increase of nitrogen application rate, the yield increased initially then slightly decreased, and achieved the best effect in N2 and N3 treatments. The grain yields of N2 and N3 treatments were 2979.41 kg hm -2 and 3084.67 kg hm -2, respectively, which were 76.22% and 83.21% higher than those of N0 treatment. Nitrogen harvest index (NHI), nitrogen fertilizer apparent recovery rate (NRE), agronomic efficiency (NAE), and partial productivity (NPFP) under N2 treatment were 60.23%, 61.81%, 10.77 kg kg -1, and 24.83 kg kg -1, respectively. Furthermore, grain yield was significantly positively correlated with each growth index, and there was significant positive correlation between each growth index, and the root morphological characteristics were significantly positively correlated with nitrogen accumulation. These results revealed that nitrogen application could improve the root morphological characteristics of proso millet to promote the absorption of nitrogen, and further promote the growth of canopy, which was conductive to yield formation. In view of the growth, grain yield and nitrogen utilization, the reasonable nitrogen rate for multiple cropping proso millet in Irrigation Area of Ningxia was 120-150 kg hm -2.
Keywords：
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谢呈辉, 马海曌, 许宏伟, 徐郗阳, 阮国兵, 郭峥岩, 宁永培, 冯永忠, 杨改河, 任广鑫. 施氮量对宁夏引黄灌区麦后复种糜子生长、产量及氮素利用的影响. 作物学报, 2021, 48(2): 463-477 DOI:10.3724/SP.J.1006.2022.14010
XIE Cheng-Hui, MA Hai-Zhao, XU Hong-Wei, XU Xi-Yang, RUAN Guo-Bing, GUO Zheng-Yan, NING Yong-Pei, FENG Yong-Zhong, YANG Gai-He, REN Guang-Xin.
作物产量的形成与生长发育密切相关, 而氮素供应被认为是影响植株生长发育的关键因素。氮素供应能够显著促进根系的生长, 提高根系吸收养分的潜力, 从而能够提高养分利用效率[1]; 而氮素对植株地上部生长的影响可直接反映在形态参数和干物质积累的变化, 而株高、茎粗、叶面积等常作为评价作物冠层生长发育的重要参数。近年来, 大量研究表明, 施氮能够明显促进作物根系与冠层的生长发育, 协调作物的地上和地下部生长, 有利于提高经济产量和养分利用效率, 但过量施氮会导致作物生育后期营养生长旺盛, 致使光合同化产物向经济器官分配比例降低, 甚至导致产量降低、品质下降, 肥料利用率降低[2,3,4,5,6], 这不仅增加了无效投入和资源浪费, 更导致了一系列环境问题[7]。总的来看, 施用氮肥是农业生产中满足作物氮素需求的有效手段[8], 而不同作物或同种作物在不同环境条件的适宜施氮量不尽相同。因此, 特定区域、特定作物的氮肥合理施用量亟需确立, 这对充分保障粮食有效供给的同时保证农业的绿色高效可持续发展具有重要意义。
糜子(Panicum miliaceum L.)是我国干旱、半干旱区主要作物之一, 因其生育期短、生长迅速、适应性强, 是理想的复种作物, 在我国北方旱区种植业结构调整和优化中占有重要地位[9,10,11]。对于糜子冠层生长和产量对施氮的响应已有报道[12,13,14,15,16], 研究表明, 氮肥是影响糜子生长和产量的关键因子, 施氮能够改善糜子生长状况、显著提高生育后期干物质积累以及对籽粒的贡献, 从而有利于提高产量; 然而受土壤环境、品种基因型以及气候条件的影响, 不同种植模式和区域条件下糜子适宜施氮量存在差异。而针对施氮量对根系生长的影响以及与产量和氮素利用之间关系, 相关研究主要集中在水稻[17,18,19]、小麦[20,21]、玉米[22]等大宗作物上, 对糜子的研究集中在苗期水培试验上[23,24], 而在田间条件下全生育期的研究鲜有报道。本研究通过分析不同施氮量下糜子关键生育时期冠层和根系的生长规律、产量表现和氮素利用效率, 探讨冠层和根系特征与糜子产量以及氮素利用的关系, 明确适宜施氮量, 为生产上糜子的减肥增产提供技术支持。
宁夏引黃灌区是重要的粮食生产基地, 该区域春小麦对宁夏回族自治区的粮食贡献率在30%以上[25], 而春小麦收获后光热土地资源利用率较低; 同时, 随着气候变暖[26]和春小麦早熟优良品种的选育, 这为该区域构建麦后复种模式提供了客观基础。前人对该区域麦后复种的研究主要在油菜[27,28]、牧草[29], 而刘超[30]对各复种模式进行评价表明, 麦后复种蔬菜和小杂粮的经济效益最好, 宜大面积推广。本研究在不打乱宁夏引黄灌区现有种植制度的情况下, 利用春小麦收获后复种糜子, 并通过田间试验综合分析提出麦后复种糜子的高效施氮量, 旨在充分利用光热土地资源、挖掘农田增产潜力, 为该区域高效复种制度的绿色发展提供理论依据和技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
于2019年7月至10月和2020年7月至10月在宁夏回族自治区银川市西夏区平吉堡农场(106°01′54′′E, 38°25′21′′N)进行大田试验。该区域地处宁夏引黄灌区, 海拔1170 m, 年平均降水180~ 220 mm, 主要集中在7月至9月, 年平均气温8~9℃, 昼夜温差较大。前茬春小麦品种为宁春50, 施氮量为225 kg hm-2纯氮, 为当地常规氮肥施用量; 本试验以春小麦复种的糜子为研究对象, 供试材料为中熟偏早品种宁糜9号, 行距30 cm条播, 播深3~5 cm, 播量22 kg hm-2。试验地土壤为淡灰钙土, 2019年播种前耕层(0~20 cm)土壤pH为8.59, 含有机质13.73 g kg-1、全氮0.63 g kg-1、全磷0.69 g kg-1、铵态氮1.03 mg kg-1、硝态氮4.62 mg kg-1、速效磷10.80 mg kg-1、速效钾143.61 mg kg-1; 2020年播种前耕层(0~20 cm)土壤pH 8.90, 含有机质13.05 g kg-1、全氮0.80 g kg-1、全磷0.74 g kg-1、铵态氮0.96 mg kg-1、硝态氮4.30 mg kg-1、速效磷13.39 mg kg-1、速效钾142.09 mg kg-1。
1.2 试验设计
采用单因素随机区组设计, 2019年设4个施氮处理, 分别为纯氮0 (N0)、90 (N1)、120 (N2)和150 kg hm-2 (N3); 2020年设6个施氮处理, 在2019年基础上增设纯氮180 (N4)和210 kg hm-2 (N5) 2个处理; 各处理配施90 kg hm-2 P2O5和70 kg hm-2 K2O, 肥料在播种前统一基施。施用氮、磷、钾肥分别为化学肥料尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)和硫酸钾(K2O 50%); 小区面积15 m2 (5 m×3 m), 相邻小区之间起垄宽0.5 m, 3次重复, 重复之间留1 m宽过道; 处理之间除施氮量外, 其余田间管理均一致, 按照国家糜子品种区域试验要求进行。糜子2年播种时间均为7月17日, 播种后立即灌水确保出苗, 抽穗前根据土壤墒情适时补灌, 2019年和2020年总灌水量分别为1134 m3 hm-2和898 m3 hm-2(依据田间水表读数计算), 灌溉方式为滴灌。糜子穗基部籽粒进入蜡熟期后收获, 收获时间分别为2019年10月17日和2020年10月14日。糜子生育期内, 2019年和2020年降水量分别为34.3 mm和116.8 mm, 2年试验期内日均气温和降水见图1。
图1
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图1糜子生育期内日均气温和降水量(2019-2020)
Fig. 1Daily average temperature and rainfall during the growing period of proso millet in 2019 and 2020
1.3 测定项目及方法
1.3.1 形态指标 在糜子拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期(图1中黑色箭头标识的时间节点), 每小区随机选取3株长势一致、具有代表性的糜子整株连根挖出; 用清水冲洗掉根系泥土后用数字化扫描仪(ScanMaker i800 plus, China)扫描获得完整根系图片, 然后用专业根系分析系统(万深LA-S植物根系分析系统, 中国)定量分析根系形态特征; 同时, 用刻度尺测量其株高、数显游标卡尺测量茎粗, 并测量每片叶子的长度和最大宽度用于计算叶面积, 即单株叶面积为每片叶长度、最大宽度和校正系数0.68[31]乘积的累计值。1.3.2 干物质与氮素积累 在糜子拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期, 每个小区内随机选取10株长势一致、具有代表性的糜子整株连根挖出, 将植株按不同器官分别置于105℃烘箱杀青30 min, 再在80℃下烘干至恒重, 用天平称量各器官干重, 并将其粉碎过筛, 经H2SO4-H2O2消解后采用连续流动分析仪(AA3, SEAL Analytical, Germany)测定全氮含量。氮素利用相关参数计算方法[32,33]如下:
氮素收获指数(NHI, %) = [籽粒氮素积累量(kg hm-2)/植株氮素积累量(kg hm-2)]×100
氮肥表观回收率(NRE, %) = [(施氮区植株地上部氮素积累量-不施氮区植株地上部氮素积累量) (kg hm-2)/施氮量(kg hm-2)]×100
氮肥农学利用率(NAE, kg kg-1) = (施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)(kg hm-2)/施氮量(kg hm-2)
氮肥偏生产力(NPFP, kg kg-1) = 籽粒产量(kg hm-2)/施氮量(kg hm-2)
1.3.3 产量及其构成因素 成熟期在每个小区内选取长势一致的3株糜子测定穗长、单株穗粒数, 同时在每个小区选取长势均匀的1 m2样方统计株数、穗数, 并将该样方内所有穗剪下脱粒风干称重, 测定产量和千粒重。
1.4 数据处理
用Microsoft Excel 2016整理试验数据; 用IBM SPSS Statistics 22进行方差分析和相关性分析, 采用SPSS中一般线性模型进行多因素方差分析, 施氮和年份作为固定因子, 生育时期作为协变量; 采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较; 用Origin 2020进行回归分析并绘制图表。2 结果与分析
2.1 施氮量对麦后复种糜子地上部形态特征的影响
由图2可知, 随着生育时期的推进, 各处理糜子的株高和茎粗均呈现逐渐增加趋势, 成熟期达到最大值; 而叶面积生长动态表现为先增加后降低的趋势, 在抽穗期达到最大值后逐渐降低。方差分析结果表明, 株高和茎粗受到施氮和年份显著影响, 叶面积受到施氮的影响显著。2019年, 糜子的株高、茎粗和叶面积均随施氮量的增加逐渐增加, 在N3处理达到最大值; 几乎所有生育时期, 株高和叶面积表现为N1、N2、N3处理显著高于N0, N1处理显著低于N3处理, 而N2、N3处理间无显著差异。然而, 所有生育时期糜子茎粗均表现为N1、N2、N3处理显著高于N0, 而N1、N2、N3处理间无显著差异。与N0相比, N1、N2、N3处理各生育时期糜子株高平均增加31.49%、51.10%、56.07%, 茎粗平均增加21.07%、28.97%、30.99%, 叶面积平均增加52.49%、79.91%、85.52% (图2-A, C, E)。
图2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图2不同施氮处理对糜子各生育时期株高、茎粗和叶面积的影响(2019-2020)
图中数据为9次重复的平均值±标准误。柱上不同小写字母表示同一生育时期不同施氮处理间差异显著(P < 0.05)。N: 施氮; Y: 年份; N×Y: 施氮与年份互作。**表示在0.01水平上差异显著, ns表示差异不显著(P > 0.05)。N0、N1、N2、N3、N4和N5分别代表施氮量0、90、120、150、180和210 kg hm-2。
Fig. 2Effects of different N treatments on plant height, stem diameter, and leaf area at different growth stages of proso millet in 2019 and 2020
The values were means ± standard errors of nine repetitions. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among different N treatments at the same growth stage at P < 0.05. N: N treatment; Y: year; N × Y: the interaction between N treatment and year. **: P < 0.01; ns: P > 0.05. N0, N1, N2, N3, N4, and N5 represents nitrogen rate of 0, 90, 120, 150, 180, and 210 kg hm-2, respectively.
2020年, 各生育时期糜子株高随施氮量的增加表现为先增高后略微下降趋势, N2处理最高, 而茎粗和叶面积变化趋势与2019年一致, 随施氮量的增加逐渐增加, 在N5处理达到最大值。在所有生育时期, 株高、茎粗和叶面积均表现为N2、N3、N4和N5显著高于N0处理; 同时, N2、N3和N4的株高无显著差异, N2、N3、N4和N5的茎粗和叶面积无显著差异。多数生育时期, N1、N5处理株高显著低于N2处理, N1处理茎粗显著低于N5处理, N1处理叶面积显著低于N4、N5处理。与N0相比, N1、N2、N3、N4、N5处理各生育时期糜子株高平均增加43.61%、62.85%、60.46%、54.08%、49.04%, 茎粗平均增加13.89%、22.87%、25.09%、25.15%、27.49%, 叶面积平均增加52.49%、79.91%、85.52%、86.42%、98.23% (图2-B, D, F)。
2年结果表明, 施氮显著促进糜子关键生育时期株高、茎粗和叶面积的生长; 随着施氮量的增加, 株高先增加后略微下降, N2、N3促进效果最佳; 茎粗和叶面积随施氮量逐渐增加, 但当施氮量超过90 kg hm-2时, 各处理无显著差异。
2.2 施氮量对麦后复种糜子根系形态的影响
由图3可知, 糜子的单株总根长和总根表面积随生育进程的推进表现为先增大后逐渐减小的动态趋势; 总根体积表现为随生育时期的推进先逐渐增加, 抽穗后基本保持稳定的趋势; 而根平均直径随生育进程逐渐增加, 成熟期达到最大值。方差分析表明, 施氮和年份显著影响糜子的单株总根长、总根表面积、总根体积以及根平均直径的变化。2019年, 各生育时期糜子总根长、总根表面积、总根体积和根平均直径均随施氮量的增加而增大, N3处理达到最大值。在所有生育时期, N1、N2、N3处理的总根长和总根体积显著大于N0处理, N2、N3处理的总根表面积显著大于N0处理, 但N2、N3处理间无显著差异。而根平均直径各时期均表现为N1、N2、N3处理间无显著差异, 拔节期和成熟期N2、N3显著大于N0处理。与N0相比, N1、N2、N3处理各生育时期糜子总根长平均增加21.13%、35.20%、41.31%, 总根表面积平均增加37.44%、54.73%、62.12%, 总根体积平均增加73.12%、109.74%、130.56%, 根平均直径平均增加5.91%、9.55%、10.71% (图3-A, C, E, G)。
图3
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图3不同施氮处理对糜子各生育时期总根长、总根表面积、总根体积和根平均直径的影响(2019-2020)
图中数据为9次重复的平均值±标准误。柱上不同小写字母表示同一生育时期不同施氮处理间差异显著(P < 0.05)。**表示在0.01水平上差异显著, ns表示差异不显著(P > 0.05)。处理和缩写同
Fig. 3Effect of different N treatments on total root length, total root surface, total root volume, and root average diameter at different growth stages of proso millet in 2019 and 2020
The values were means ± standard errors of nine repetitions. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among different N treatments at the same growth stage at P < 0.05. **: P < 0.01; ns: P > 0.05. Treatments and abbreviations are the same as those given in
2020年, 各生育时期总根长、总根表面积、总根体积和根平均直径随施氮量的增加基本呈现出先增加后略微降低的趋势, 多数生育时期各指标最大值出现在N3处理。在几乎所有生育时期, N2、N3、N4、N5处理总根长和根平均直径显著大于N0处理, N1、N2、N3、N4、N5处理总根表面积和总根体积显著大于N0处理, 而各指标在N2、N3、N4、N5处理间无显著差异。与N0相比, N1、N2、N3、N4、N5处理各生育时期糜子总根长平均增加29.67%、43.89%、48.27%、44.46%、40.48%, 总根表面积平均增加42.28%、63.86%、66.25%、64.44%、59.96%, 总根体积平均增加84.05%、129.93%、139.61%、135.20%、122.94%, 根平均直径平均增加7.64%、12.31%、14.56%、14.92%、15.47% (图3-B, D, F, H)。
综合2年结果, 施氮显著促进糜子关键生育时期单株总根长、总根表面积、总根体积和根系平均直径的增加; 各指标随着施氮量的增加基本呈先增加后略微下降趋势, N3促进效果最佳; 但当施氮量超过90 kg hm-2时, 各处理无显著差异。
2.3 施氮量对麦后复种糜子干物质积累与分配的影响
2.3.1 不同施氮量下糜子根系和地上部干物质积累量变化 由图4可知, 随着生育时期的推进, 各处理糜子根系和地上部干物质积累量逐渐增加, 成熟期达到最大值。同样, 根干物质积累量和地上部干物质积累量也均受到施氮和年份的显著影响。在2019年, 糜子单株根干物质积累量和地上部干物质积累量均随施氮量的增加而增加。除拔节期外, 其余生育时期根干物质积累量N2、N3显著高于N0、N1处理, N2、N3处理间无显著差异; 地上部干物质积累量N2、N3显著高于N0处理, N2、N3处理间无显著差异。在抽穗期和成熟期, N1处理根干物质积累量显著高于N0处理; 在灌浆期和成熟期, N1处理地上部干物质积累量显著低于N2、N3处理。与N0相比, N1、N2、N3处理各生育时期糜子根干物质积累量平均增加35.04%、63.38%、79.02%, 地上部干物质积累量平均增加54.25%、108.42%、113.01% (图4-A, C)。
2020年, 几乎所有生育时期, 糜子根干物质积累量和地上部干物质积累量表现为随施氮量的增加先增加后略微下降趋势。除拔节期外, 其余各时期根干物质积累量和地上部干物质积累量N1、N2、N3、N4、N5显著高于N0处理, 而N2、N3、N4、N5处理间无显著差异。在抽穗期和成熟期, N1处理根干物质积累量显著低于N2、N3、N4处理; 在成熟期, N1处理地上部干物质积累量显著低于N2、N3、N4、N5处理。与N0相比, N1、N2、N3、N4、N5处理各生育时期糜子根干物质积累量平均增加54.84%、88.56%、96.95%、98.81%、93.46%, 地上部干物质积累量平均增加70.43%、120.98%、106.00%、104.78%、114.19% (图4-B, D)。
2年结果表明, 施氮显著促进除拔节期外其余各生育时期糜子根系和地上部干物质的积累, 促进效果在N2、N3处理表现较好; 而当施氮量超过90 kg hm-2时, 各处理无显著差异。
2.3.2 不同施氮量下糜子根冠比变化 根冠比反映了植株生长发育以及根系与地上部的协调性, 也是衡量作物对环境因素(如养分供应)响应的重要指标。随着生育时期的推进, 各处理根冠比基本表现为逐渐降低的趋势(图4-E, F); 拔节期对施氮量的响应最为敏感, 与根和地上部干物质积累量(图4-A~D)正好相反。2019年, 各生育时期根冠比随施氮量的增加呈现先降低后升高的趋势, 在N2处理出现最小值; 除抽穗期外, 其余时期N2处理根冠比显著小于N0; 在拔节期, 各处理间差异显著, 表现为N0>N1>N3>N2。2020年, 根冠比随施氮量的增加呈现先降低后升高再略微降低的“波浪形”趋势; 与2019年结果相似, 除成熟期外其余时期根冠比均在N2处理出现最小值; 各时期均呈现N3、N4、N5处理之间无显著差异的规律; 在拔节期, 各处理根冠比大小表现为N0>N1、N3、N4、N5>N2。综合2年结果, 糜子拔节期根冠比对施氮量的响应最为敏感, 多数生育时期根冠比在N2处理达最小值。
图4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图4不同施氮处理对糜子各生育时期干物质积累与根冠比的影响(2019-2020)
图中数据为3次重复的平均值±标准误。柱上不同小写字母表示同一生育时期不同施氮处理间差异显著(P < 0.05)。*和**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著, ns表示差异不显著。处理和缩写同
Fig. 4Effect of different N treatments on dry matter accumulation and root-shoot ratio at different growth stages of proso millet in 2019 and 2020
The values were means ± standard errors of three repetitions. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among different N treatments at the same growth stage at P < 0.05. * and ** denote significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels respectively, ns denotes no significant difference. Treatments and abbreviations are the same as those given in
2.4 施氮量对麦后复种糜子产量及其构成因素的影响
2.4.1 施氮量对糜子产量及其构成因素的影响由表1可知, 糜子产量受到施氮和年份的影响显著。2019年, 产量随施氮量的增加而增加, N2、N3处理显著高于N0处理; N1、N2、N3较N0处理分别增产44.71%、70.88%、90.09%。2020年, 产量随施氮量的增加呈先增加后略微下降趋势, N2处理达到最大值, 并且显著高于N0、N1处理; 与N0相比, N1、N2、N3、N4、N5处理分别增产58.32%、81.56%、76.32%、72.27%、72.87%。2年结果表明, 施氮显著促进糜子产量的提升, N2、N3处理增产效果较好。
Table 1
表1
表1不同施氮处理对糜子产量及其构成因素的影响(2019-2020)
Table 1
| 年份 Year | 施氮量 N treatment | 产量 Grain yield (kg hm-2) | 千粒重 1000-grain weight (g) | 穗粒数 Grain number (No. per plant) |
|---|---|---|---|---|
| 2019 | N0 | 1584.81±243.51 b | 7.7005±0.0670 c | 395.11±45.35 b |
| N1 | 2293.33±82.21 ab | 7.7431±0.0453 bc | 516.33±65.76 ab | |
| N2 | 2708.15±209.31 a | 7.9327±0.0650 a | 609.00±53.68 a | |
| N3 | 3012.59±323.21 a | 7.9124±0.0447 ab | 638.78±68.11 a | |
| 2020 | N0 | 1790.37±147.43 c | 7.3548±0.0933 b | 156.78±37.31 b |
| N1 | 2834.48±100.69 b | 7.6680±0.0662 a | 266.89±47.59 ab | |
| N2 | 3250.67±73.71 a | 7.7605±0.1116 a | 329.44±31.85 a | |
| N3 | 3156.74±129.61 ab | 7.7532±0.0706 a | 385.67±66.17 a | |
| N4 | 3084.26±124.88 ab | 7.7191±0.0427 a | 338.44±26.45 a | |
| N5 | 3094.93±85.29 ab | 7.5624±0.1074 ab | 309.56±31.49 a | |
| 方差分析 ANOVA | ||||
| 施氮 N treatment (N) | 17.62** | 5.08** | 5.43** | |
| 年份 Year (Y) | 8.81** | 12.49** | 52.82** | |
| 施氮×年份 N×Y | 0.78ns | 1.14ns | 0.06ns | |
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同样, 施氮和年份也显著影响千粒重和单株穗粒数(表1)。2年的结果均呈现出千粒重随施氮量的增加先增加后略微下降的趋势, 在N2处理达到最大值; N2、N3处理显著大于N0处理, 且N2、N3处理间无显著差异。对于穗粒数, 2年的变化趋势去产量一致, N2、N3处理显著高于N0处理, N2、N3处理间无显著差异; 2019年, N1、N2、N3较N0处理穗粒数分别增加30.68%、54.13%、61.67%; 2020年, N1、N2、N3、N4、N5较N0处理分别增加70.23%、110.13%、146.00%、115.88%、97.45%。
2.4.2 糜子产量及其构成因素与施氮量的关系
将产量、千粒重和单株穗粒数对施氮量的响应进行回归分析(图5)发现, 糜子产量、千粒重和穗粒数与施氮量之间呈现显著“抛物线”关系(P<0.01), 且产量、千粒重和穗粒数变异的86.7%、50.2%和23.2%可以用施氮量来解释; 从回归线表达式发现, 当施氮量为160.13 kg hm-2时, 产量达到最大值3189.21 kg hm-2; 当施氮量为129.25 kg hm-2时, 千粒重达到最大值7.7484 g; 当施氮量为162.42 kg hm-2时, 穗粒数最大值达到每株345.90个。表明, 2020年糜子产量、千粒重和穗粒数的最佳施氮量之间略有差异, 但都低于180 kg hm-2 (N4处理)。
图5
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图5糜子产量、千粒重和穗粒数与施氮量的回归分析(2020)
图中散点为实测数据, 实线为回归线。**表示回归模型在0.01水平上显著。
Fig. 5Regression analysis of the responses of grain yield and its components to N rate in 2020
In the figures, the scatter points are measured values, the solid lines are regression lines. ** denotes that the regression is significantly difference at the 0.01 probability level.
2.5 麦后复种糜子各生长指标与产量的相关性
对2年糜子各生长特征指标与产量进行回归分析(图6)发现, 产量与各生长特征指标之间均存在显著正相关关系(P<0.01); 根据相关系数R2可以看出, 株高、根干物质积累量、总根表面积和叶面积与产量的拟合优度较高, 对产量变异的解释超过60%。这表明产量与生长状况密切联系, 并且产量随生长状况的改善能够明显增加。图6
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图6糜子各生长指标与产量的回归分析(2019-2020)
图中产量为实测数值; 各生长指标为同一小区4个生育时期的平均值; 实线为回归线(n = 30)。**表示回归模型在0.01水平上显著。
Fig. 6Regression analysis of the responses of grain yield to different growth parameters in 2019 and 2020
In the figures, the grain yield is measured values, each growth parameter is the average of four growth stages in the same plot, the solid lines are regression lines (n = 30). ** denotes that the regression is significantly difference at the 0.01 probability level.
2.6 施氮量对麦后复种糜子氮素吸收与利用的影响
2.6.1 不同施氮量下糜子地上部氮素积累量变化方差分析表明(图7), 糜子地上部氮素积累量受施氮和年份的影响显著; 其积累量表现为随生育时期的推进逐渐增加, 成熟期达到最大值; 在多数生育时期呈现随施氮量的增加先增加后略微下降趋势。由图7可知, 2019年, 所有时期地上部氮素积累量N2、N3处理显著高于N0, N2、N3处理间无显著差异; 在灌浆期和成熟期, N1处理显著高于N0、而显著低于N2、N3处理; 与N0相比, N1、N2、N3处理各生育时期糜子地上部氮素积累量平均增加51.93%、134.18%、129.21%。2020年与2019年结果一致, 各生育时期均为N2、N3处理显著高于N0, 而N2、N3处理间无显著差异; 除拔节期外其余时期N1处理显著高于N0、而显著低于N3、N5处理; N1、N2、N3、N4、N5较N0处理各生育时期地上部氮素积累量平均增加92.88%、172.93%、177.42%、151.42%、179.06%。2年结果表明, 施氮显著促进糜子各生育时期地上部氮素积累量, N2、N3处理促进效果较好。
图7
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图7不同施氮处理对糜子各生育时期地上部氮素积累量的影响(2019-2020)
图中数据为3次重复的平均值±标准误。柱上不同小写字母表示同一生育时期不同施氮处理间差异显著(P < 0.05)。**分别表示在0.01水平上显著差异, ns表示差异不显著。处理和缩写同
Fig. 7Effect of different N treatments on N accumulation in aboveground at different growth stages of proso millet in 2019 and 2020
The values were means ± standard errors of three repetitions. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among different N treatments at the same growth stage at P < 0.05. **: P < 0.01; ns: P > 0.05. Treatments and abbreviations are the same as those given in
2.6.2 不同施氮量下糜子氮素利用效率变化 由表2可知, 糜子的氮素收获指数受施氮显著影响。2019年, 各处理间无显著差异, 平均为61.92%; 而2020年, 随施氮量的升高逐渐降低, N5处理降到最小值、显著小于其他处理; N1处理的氮素收获指数最大, 但与N0、N2处理间无显著差异。
Table 2
表2
表2不同施氮量对糜子氮素利用的影响(2019-2020)
Table 2
| 年份 Year | 施氮量 N treatment | 氮素收获指数 NHI (%) | 氮肥表观回收率 NRE (%) | 氮肥农学利用率 NAE (kg kg-1) | 氮肥偏生产力 NPFP (kg kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 2019 | N0 | 60.27±1.09 a | — | — | — |
| N1 | 62.46±1.34 a | 38.11±12.50 a | 7.87±0.91 a | 25.48±0.91 a | |
| N2 | 60.45±1.93 a | 60.00±1.96 a | 9.36±1.75 a | 22.57±1.75 a | |
| N3 | 64.51±0.81 a | 50.15±5.23 a | 9.52±2.15 a | 20.08±2.15 a | |
| 2020 | N0 | 62.07±1.46 ab | — | — | — |
| N1 | 64.49±1.52 a | 42.01±8.27 b | 11.60±1.12 a | 31.49±1.12 a | |
| N2 | 60.02±0.20 abc | 63.62±3.87 a | 12.17±0.61 a | 27.09±0.61 b | |
| N3 | 59.42±0.95 bc | 49.63±4.85 ab | 9.11±0.86 b | 21.04±0.86 c | |
| N4 | 56.66±2.65 c | 41.42±5.40 b | 7.19±0.69 bc | 17.13±0.69 d | |
| N5 | 50.89±0.75 d | 43.62±6.17 b | 6.21±0.41 c | 14.74±0.41 d | |
| 方差分析 ANOVA | |||||
| 施氮 N treatment (N) | 10.59** | 3.20* | 4.23* | 34.74** | |
| 年份 Year (Y) | 0.17ns | 0.18ns | 4.33ns | 15.24** | |
| 施氮×年份 N×Y | 2.68ns | 0.07ns | 1.63ns | 2.33ns | |
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氮肥利用效率的变化规律与氮素收获指数一致(表2), 施氮量对2019年的影响差异不显著, 各施氮处理氮肥表观回收率、农学利用率和偏生产力平均值分别为49.42%、8.92 kg kg-1和22.71 kg kg-1。2020年, 氮肥表观回收率随施氮量的增加呈先增加后降低趋势, N2处理达最大值, 较N1、N4、N5显著提高, 分别提高51.42%、53.60%、45.86%; 同样, 氮肥农学利用率也在N2处理处达最大值, 并且显著高于N3、N4、N5处理, 分别提高33.59%、69.29%、95.89%; 而氮肥偏生产力随施氮量的增加显著降低, 与N1相比, N2、N3、N4、N5处理氮肥偏生产力分别降低13.99%、33.18%、45.59%、53.20%。
2.7 糜子地上部氮素积累与根系形态特征相关性
由表3可知, 多数生育时期, 糜子地上部氮素积累量与总根长、总根表面积、总根体积、根平均直径和根干物质积累量显著正相关(P<0.01), 这表明, 糜子的氮素吸收量与根系生长状况联系密切, 且地上部氮素积累量会随着根系生长状况的改善而相应增加。Table 3
表3
表3各生育时期糜子地上部氮素积累量与根系形态、干物质积累量的相关性(2019-2020)
Table 3
| 地上部氮素积累量 N accumulation of above-ground part | ||||
|---|---|---|---|---|
| 拔节期 Jointing | 抽穗期 Heading | 灌浆期 Grain-filling | 成熟期 Maturity | |
| 总根长 Total root length | 0.671** | 0.694** | 0.701** | 0.720** |
| 总根表面积 Total root surface | 0.730** | 0.747** | 0.707** | 0.278ns |
| 总根体积 Total root volume | 0.745** | 0.563** | 0.661** | 0.286ns |
| 根平均直径 Root average diameter | 0.640** | 0.352ns | 0.499** | 0.319ns |
| 根干物质 Root dry matter | 0.712** | 0.904** | 0.791** | 0.550** |
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3 讨论
3.1 施氮量对糜子生长的影响
植株地上部的生长发育受到土壤氮素供应水平的调控, 蒋耿民等[34]在关中夏玉米上的研究发现, 施氮显著提高夏玉米株高、叶面积和地上部干物质量, 但当施氮量较高时, 3项生长指标的增长速度减缓。本研究表明, 施氮显著增加了糜子关键生育时期的株高、茎粗、叶面积和地上部干物质积累量, 这与前人[14,16,35]的研究结果一致; 但施氮量超过150 kg hm-2后, 各生长指标未表现出明显的改善, 施氮量为180 kg hm-2和210 kg hm-2时部分指标甚至出现略微下降的趋势, 这与前人在糜子[15,36]上的研究结果基本吻合; 说明施氮量超过150 kg hm-2时氮肥对糜子冠层生长的促进作用不再随施氮量的增加而增加。作物生长发育所需的养分主要来源于根系从土壤中的吸收, 其受到根系形态特征如根长、根表面积、根体积等的明显影响, 而生长发育正常的根系是保证作物高产的基础[37]。Chen等[4]对棉花的研究表明, 总根长、总根表面积、总根体积和根干物质均随施氮量的增加先增加后减少, 并且与地上部干物质量显著正相关。本研究发现, 糜子关键生育时期的总根长、总根表面积、总根体积、根平均直径以及根干物质积累量均受到施氮的显著促进作用; 然而, 当施氮量超过150 kg hm-2时, 各指标均未表现出明显增加, 甚至个别出现略微下降的趋势; 类似结果也在水稻[17]研究中被报道。同时, 本研究发现糜子根系特征对施氮量的响应规律与地上部一致, 这可能是由于地下部生长与地上部生长的相关性导致。说明, 适量施氮可以改善糜子根系形态和干物质的积累, 促进根系的生长, 并且根系的生长与冠层的生长具有一致性。
本研究中糜子根冠比随生育进程逐渐降低(图4-E, F), 对施氮量的响应呈现“波浪形”趋势, 且多数生育时期根冠比最小值出现在施氮量为120 kg hm-2时。分析原因, 植株地上部向根系提供碳水化合物维持根系生理活动, 而根系吸收土壤养分和水分供地上部生长; 可能是缺氮使地上部生长受到抑制, 大量的光合产物被分配到根系, 相对促进根系的生长以获取更多氮素[23], 从而有较大根冠比; 当氮素供应过量时, 植株地上部生长旺盛, 同时也有较大的根系(图3和图4-A, B), 这可能是较中氮供应根冠比略微增大的原因; 然而, Passioura[38]发现产生单位根系干物质的能量是地上部的2倍; 说明较高的根冠比会增加光合产物的无效消耗, 这对作物产量的形成有不利影响, 这也在本研究中得到印证(表1); 因此, 施氮量为120 kg hm-2时可以较好地协调糜子地下与地上部的生长、调节光合产物调配。
本研究还发现, 糜子产量与各生长参数显著正相关(图6), 这与前人对小麦[20,21]、水稻[17,18]、棉花[4]和糜子[15,39-40]的研究结果相似, 表明作物生长的优劣直接影响产量的高低, 这进一步印证了可以通过施用适量氮肥来改善糜子根系和冠层生长, 从而促进产量及其构成因素的形成。
此外, 本研究方差分析结果可以看出, 糜子的生长状况也受到年份的显著影响, 可能主要是由于2年试验周期内降雨量和土壤肥力水平的差异导致, 同样, 在产量及构成因素等方面也出现类似结果(表1)。因此今后的研究将侧重于多年多点的氮肥试验, 进一步总结宁夏引黄灌区复种糜子的生长发育与产量构成对施氮量的响应规律。
3.2 施氮量对糜子产量的影响
前人对小麦[41]、水稻[42,43]、玉米[3,44]等作物的研究发现, 籽粒产量及其相关性状对施氮量的响应符合一元二次方程或线性加平台方程。本研究发现, 糜子产量及其构成因素对施氮量的响应符合一元二次方程(图5), 并且通过模型估算, 得出施氮量为129.25~162.42 kg hm-2时, 产量及其构成因素最佳, 这与周瑜等[14]在黄土高原的研究结果类似; 可见, 施氮量对糜子产量及其构成因素的影响符合报酬递减规律。本研究中施氮量为120 kg hm-2和150 kg hm-2时的产量及其相关性状表现较好, 可作为该区域复种糜子推荐施氮量。3.3 施氮量对糜子氮素吸收与利用的影响
氮素积累量、氮素收获指数和氮肥利用效率是综合评价作物氮素吸收与利用的重要指标[32,45]。本研究中, 施氮显著促进了糜子对氮素的吸收, 多数生育时期地上部氮素积累量随施氮量的增加先增加后略微下降, 这可能是由于施氮量低于120 kg hm-2时不能有效满足糜子对氮素的吸收, 而当施氮过量时, 糜子的氮素吸收能力不再增加, 甚至出现略微下降; 严富来等[46]在玉米的研究中也得到类似结果, 这可能也是施氮量超过120 kg hm-2时的氮肥表观回收率逐渐下降的主要原因。此外, 多数时期糜子地上部氮素积累量与根系特征显著正相关(表3), 这与前人在玉米[22]、水稻[47]上的研究结果一致。因此, 适量施氮可以通过改善糜子根系形态和干物质积累来促进氮素的吸收, 从而促进地上部的生长。本研究中, 糜子在施氮量为90 kg hm-2时, 氮素收获指数高于其他施氮处理, 施氮量为120 kg hm-2时氮肥表观回收率、农学利用率和偏生产力显著高于180 kg hm-2和210 kg hm-2; 而施氮量为90 kg hm-2的氮肥表观回收率显著低于120 kg hm-2, 可能是由于施氮量为90 kg hm-2对成熟期地上部氮素积累量的相对增加量较小, 类似的结果在水稻[48]中被报道, 同时也与前人在糜子[16,35]上的研究结果基本一致。然而, 氮素利用效率并非越高越好, 而是在维持较高产量等目标下[49], 较高的利用效率才有意义; 正如本研究结果所示, 最高的氮素利用效率并不对应最高的产量(表1和表2)。较低的施氮量难以达到产量目标, 较高的施氮量难以获得较高的氮肥利用效率, 因此, 合理的施氮量对于平衡产量和氮素利用效率尤为关键。本研究条件下施氮量为120 kg hm-2时, 糜子有较高的产量与氮素利用效率。
4 结论
施氮显著促进了糜子各生育时期的株高、茎粗、叶面积的生长, 改善了各时期根系形态特征, 促进了干物质和氮素的积累, 最终提高了产量; 然而, 当施氮量超过150 kg hm-2时, 氮肥对糜子生长和产量的促进作用不再增加, 甚至出现下降趋势, 而氮素利用效率明显降低。此外, 糜子产量与生长、根系形态特征与氮素吸收利用联系紧密, 施氮可以通过改善生长状况来促进产量形成和氮素吸收利用。综合考虑, 推荐宁夏引黄灌区麦后复种糜子的施氮量为120~150 kg hm-2。参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子
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[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 3]
[本文引用: 3]
[本文引用: 3]
[本文引用: 3]
[本文引用: 3]
[本文引用: 3]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
