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不同生育期干旱與氮肥施用對花生氮素吸收利用的影響

發布時間:2022-01-21所屬分類:農業論文瀏覽:1617次

摘 要: 摘 要: 為明確不同生育期干旱脅迫與氮肥施用對花生氮素吸收利用的影響, 利用 15N示蹤技術, 研究了不同水分條件下氮肥施用對花生各器官肥料氮吸收利用以及氮肥殘留和損失情況的影響。水分設置為正常供水(WW, 75%~80% 田間持水量)、花針期輕度干旱脅迫(FD, 55%~60%田間持

  摘 要: 為明確不同生育期干旱脅迫與氮肥施用對花生氮素吸收利用的影響, 利用 15N示蹤技術, 研究了不同水分條件下氮肥施用對花生各器官肥料氮吸收利用以及氮肥殘留和損失情況的影響。水分設置為正常供水(WW, 75%~80% 田間持水量)、花針期輕度干旱脅迫(FD, 55%~60%田間持水量)和結莢期輕度干旱脅迫(PD, 55%~60%田間持水量) 3 個條件, 氮肥水平設置為不施氮(LN)、中氮(MN, 90 kg hm–2)、高氮(HN, 180 kg hm–2)。結果表明, 與正常供水條件相比, 不同生育期干旱脅迫均降低了花生產量和植株氮素積累量, 且花針期干旱脅迫的降低幅度大于結莢期干旱脅迫。花生籽仁的氮素積累量占全株氮素積累量的 68.42%~77.67%。與 WWMN 處理相比, FDMN 處理下花生各器官氮肥吸收比例(Ndff, the percentage of N derived from 15N fertilizer)和 15N 積累量顯著提高, 且促進了氮素向籽仁的轉運, PDMN 處理下籽仁 15N 積累量卻顯著降低。花生對 15N 標記氮肥的回收率為 30.20%~38.42%, 殘留率為 37.12%~48.83%, 損失率為 12.75%~32.68%。FDMN 處理下氮肥回收率最高, 損失率最低。表明 90 kg hm–2 的施氮水平促進了干旱脅迫下花生產量的提高和氮素吸收利用, 降低了肥料氮的損失。

不同生育期干旱與氮肥施用對花生氮素吸收利用的影響

  關鍵詞: 花生; 干旱脅迫; 15N; 氮素吸收利用; 產量

  花生(Arachis hypoaea L.)是我國重要的油料作物和經濟作物, 在干旱和半干旱地區具有較大的種植面積。土壤水分和養分虧缺是制約干旱半干旱地區花生生長發育和產量的重要因素。干旱脅迫使作物產生生長延緩、根冠比增加、葉片變薄、葉片光合速率及干物質積累量降低等變化, 從而引起產量和品質的下降[1-3]。干旱脅迫亦會限制作物對養分的吸收利用, 導致氮素和其他養分的缺乏[4]。氮是作物生長發育必需的大量元素, 是植物體內蛋白質、氨基酸和葉綠素等的重要組成, 也是旱地土壤中易缺乏的營養元素[5-6]。氮素與水分互作共同影響作物的生長發育及產量品質形成[7]。研究表明, 只有在干旱不嚴重的情況下, 增施氮肥才能提高小麥產量[8]。干旱脅迫下適宜的施氮量可促進作物根系生長, 緩解干旱脅迫的不良影響, 提高水分利用率[9]。由此表明, 科學合理的水氮管理措施可促進作物光合產物的積累和分配, 對實現作物高產具有重要意義[10]。15N示蹤技術是研究肥料氮在作物體內轉運及分配的重要方法, 利用該技術對花生、大豆、玉米等作物的氮素的吸收、轉運及分配特性進行了研究, 但多是注重于不同氮肥用量對氮肥吸收利用特性的影響[11-13]。

  水分和養分的協調供應才能產生明顯的協調作用, 達到“以水調肥、以肥調水、肥水相濟”的效果。在花生花針期和結莢期易出現階段性干旱, 影響花生植株的養分吸收及生長發育。關于不同生育期干旱脅迫對花生生長發育、生理特性及產量的影響已有報道[14-16], 而有關不同生育期水分脅迫與氮素營養互作的研究報道較少。本研究在土柱栽培基礎上采用15N示蹤技術, 研究花生花針期和結莢期干旱脅迫下氮肥施用對花生氮素吸收利用的影響, 探求花生體內的氮素吸收利用及土壤氮殘留情況, 發揮水分、養分的最大 產效應 増 , 旨在為合理調控水氮利用提供技術支撐。

  1 材料與方法

  1.1 試驗材料

  花生品種花育25號, 為抗旱高產大花生品種, 生育期129 d左右。以15N標記尿素(豐度10.19 atom%, 上海化工研究院)為氮素肥料。

  1.2 試驗設計

  試驗在山東省花生研究所萊西試驗站防雨棚內進行, 試驗為不同水分條件和氮肥施用量 2 個因素。設置 3 個水分條件和 3 個氮肥水平, 水分條件分別為全生育期正常供水(WW, 控制土壤含水量為田間持水量的 75%~80%), 花針期輕度干旱脅迫(FD, 播種后 35 d 開始控制土壤含水量為田間持水量的 55%~60%)和結莢期輕度干旱脅迫(PD, 播種后 60 d 開始控制土壤含水量為田間持水量的 55%~60%), 每個生育期干旱脅迫時間為 20 d; 氮肥水平分別為不施氮(LN)、中氮(MN, 90 kg hm–2)、高氮(HN, 180 kg hm–2)。供試土壤為輕壤土, 中等供氮水平, 含有機質 9.4 g kg–1、堿解氮 56.7 mg kg–1、速效磷 28.3 mg kg–1、速效鉀 138.0 mg kg–1。試驗所施用氮肥為 15N 示蹤尿素, 同時配合施用高產田要求的過磷酸鈣 (450 kg hm–2)和硫酸鉀(300 kg hm–2), 肥料均以基肥方式施入, 其他田間管理同一般高產田。2014 年采用直徑為 20 cm, 高 26 cm 的培養盆進行盆栽試驗, 每盆定植 2 株花生, 每 3 d 采用稱重法計算灌水量, 3 次重復收獲時進行產量測定。2015 年利用直徑 40 cm、高 100 cm 的可拆卸 PVC 圓柱桶進行土柱栽培試驗, 對不同處理下花生產量及氮素吸收利用特性進行測定。每 5 d 利用 TRIME-PICO-IPH TDR 剖面土壤水分測量系統以 20 cm 為一層測定土柱內的土壤體積含水量以計算灌水量。每個土柱內定植 2 株花生, 隨機排列, 重復 6 次, 其中 3 次重復供產量測定。

  1.3 取樣與測定

  1.3.1 樣品采集 盆栽試驗取樣后通過風干稱重法測定花生產量。參照張智猛等[17]采集土柱試驗中花生各器官, 同時以 20 cm 為一層進行土壤樣品的采集。植株樣品烘干后各器官樣品粉碎過 0.25 mm 篩后用于全氮含量及 15N 豐度的測定。土壤樣品風干后研磨, 過 0.15 mm 篩后用于測定全氮含量及 15N 豐度。

  1.3.2 樣品測定 利用凱氏定氮法測定全氮含量; 由河北省農林科學院遺傳生理研究所測定(同位素比率質譜儀, 美國熱電公司) 15N 豐度。

  1.4 計算方法

  15N 原子百分比 = 樣品或 15N 標記肥料的 15N 豐度 - 15N 自然豐度;

  Ndff (the percentage of N derived from 15N fertilizer)=樣品的 15N 原子百分比/標記肥料的 15N 原子百分比×100%;

  氮素積累量 = 干物質量×氮素含量;

  肥料氮積累量 = 氮素積累量×Ndff;

  植株器官 15N 積累量 = 該器官的氮素積累量× 該器官的 15N 原子百分比;

  肥料氮回收率 = 施氮區花生吸收肥料氮總量/ 肥料全氮量×100。

  2 結果與分析

  2.1 不同生育期干旱與氮肥施用對花生產量的影響

  2 年試驗下不同水氮處理對花生產量的影響趨勢相同(圖 1)。不同生育期水分條件和氮肥水平對花生產量均呈顯著效應, 而水氮互作對花生莢果產量年際間均無顯著差異。WWMN 處理下花生產量最高, 2014 年和 2015 年較最低產量 FDLN 處理分別高 42.44%和 61.15%。與正常供水條件相比, 不同生育期干旱脅迫均降低花生產量。3 個氮肥水平平均而言, 花針期干旱脅迫下 2 年分別降低 17.33%和 33.41%, 結莢期干旱脅迫降低 9.76%和 12.21%。表明, 花針期干旱脅迫對花生產量的影響大于結莢期干旱脅迫。與不施氮肥水平相比, 施用氮肥增加不同水分條件下花生的產量, 但僅 2015 年 FDMN 與 FDLN 處理間達顯著差異水平。

  2.2 不同生育期干旱與氮肥施用對花生不同器官的氮素積累量的影響

  由表 1 可知, 各處理籽仁氮素積累量均最大, 占全株氮素積累量的 68.42%~77.67%, 是氮素積累的主要器官, 葉片次之。在各水氮處理中, FDMN 處理下根系和果殼中氮素積累量最高, 分別是最低積累量 FDLN 處理下的 2.13 倍和 1.98 倍。籽仁和全株氮素積累量以 WWMN 處理最高, FDMN 處理最低。與 WWLN 相比, WWMN 處理顯著增加了氮素在籽仁中的積累, 而 WWHN 處理降低了除根系外其他器官的氮素積累量。

  同一氮肥水平下, 與正常供水條件相比, 花針期干旱脅迫下花生籽仁及全株氮素積累量均降低。 LN 水平下分別降低 40.76%和 37.10%; MN 水平下分別降低 33.05%和 25.42%; HN 水平下分別降低 30.95 和 26.39%。PDLN 處理下葉片、莖、根、果殼、籽仁及全株氮素積累量分別較 WWLN 處理降低 18.07%、6.18%、11.42%、21.54%、22.17%和 20.38%。由此可知, 花針期干旱脅迫下籽仁及全株氮素積累量的降低幅度大于結莢期干旱脅迫, 表明花針期干旱脅迫下不施氮肥使氮素向生殖器官的轉運減少。雙因素方差分析表明, 土壤水分條件對葉片、莖、籽仁及全株的氮素積累量具有顯著或極顯著效應, 氮肥對除莖和果殼的氮素積累量外的其他指標呈極顯著效應, 水氮對各器官及全株氮素積累量均具有顯著交互效應。

  2.3 不同生育期干旱與氮肥施用對花生各器官 Ndff 差異的影響

  花生全株的 Ndff 為 13.29%~43.78% (表 2), 說明花生吸收的氮素 50%以上來源于土壤和根瘤固氮。雙因素方差分析表明, 水分、氮肥對各器官及全株 Ndff 均具有極顯著效應, 水氮互作處理對除根系外的其他器官的 Ndff 呈顯著或極顯著效應。 FDHN 處理下各器官及全株 Ndff 最大, 而 WWMN 處理最小, 表明正常供水條件促進了花生根瘤固氮和土壤氮的吸收利用。同一水分條件下, 花生各器官及全株 Ndff 隨施氮量的增加而顯著增加, 但增加幅度不同。除葉片和根系中 Ndff 外, 同一氮肥條件下正常供水和結莢期干旱脅迫各器官和整株 Ndff 間無顯著差異。同一氮肥水平下花針期干旱脅迫增加各器官和全株 Ndff, MN 水平下葉、莖、根、殼、籽仁及全株較正常供水條件分別增加 71.89% 、 42.51%、28.75%、38.29%、60.17%和 61.25%; HN 水平下分別增加 11.01%、10.96%、18.64%、36.26%、 48.08%和 38.37%。

  2.4 不同生育期干旱與氮肥施用對花生各器官 15N 積累量的影響

  除根系外, 各器官 15N 積累量隨施氮量的增加而增加, 籽仁中的增加幅度最大, HN 水平為 MN 水平的 2 倍以上(表 3)。FDHN 處理下葉片、籽仁及全株 15N 積累量最高, PDMN 處理下最低。MN 水平下, 與正常供水條件相比, 花針期干旱脅迫增加各器官及全株 15N 積累量, 而結莢期干旱脅迫僅增加根系中 15N 積累量。與 WWMN 處理相比, FDMN 處理下葉片、莖、根系、果殼、籽仁及全株 15N 積累量增加幅度分別為 11.11%、26.71%、93.82%、65.00%和 5.74%; PDMN 處理下籽仁中 15N 積累量降低幅度最大, 為 12.21%。與 WWHN 處理相比, FDHN 處理僅增加葉片和籽仁中的 15N 積累量, 而 PDHN 處理降低籽仁中 15N 積累量。雙因素方差分析表明, 水分對葉片、根系、籽仁及全株 15N 積累量具有顯著效應, 氮肥對各器官及全株 15N 積累量具有顯著或極顯著效應, 水氮互作對莖、根系及果殼 15N 積累量呈顯著或極顯著效應。

  2.5 不同生育期干旱與氮肥施用對花生肥料氮在土壤中的殘留及空間分布的影響

  由表 4 可知, 不同水分條件下隨著施氮量的增加, 土體中的總 15N 殘留量均顯著增加。各土層土壤中的殘留 15N 量總體表現為隨土壤深度增加而明顯下降, 0~40 cm 土層中殘留量最大, 其殘留量占總殘留量的 76.90%~92.19%。MN 條件下 15N 總殘留量大小為花針期干旱脅迫>正常供水>結莢期干旱脅迫, 而 HN 條件下為結莢期干旱脅迫>花針期干旱脅迫> 正常供水。與 WWMN 處理相比, FDMN 處理顯著增加 20~40 cm 和 40~60 cm 土層中 15N 殘留量, 分別是 WWMN 處理的 2.56 倍和 2.27 倍。與 WWHN 處理相比, FDHN 和 PDHN 處理均顯著增加 60~80 cm 和 80~100 cm 土層中的 15N 殘留量, 其中 PDHN 處理下 60~80 cm 土層增加幅度最大, 為 WWHN 處理的 3.26 倍。雙因素方差分析表明, 水分及水氮互作對除 0~20 cm 土層 15N 殘留量及總殘留量無顯著效應外, 對其他土層 15N 殘留量均呈極顯著效應, 氮肥對所有土層及總殘留量均呈極顯著效應。

  2.6 不同生育期干旱與氮肥施用對肥料氮損失的影響

  土壤肥料氮的殘留量和損失量均隨施肥量的增加而增加(表 5)。MN 水平下花針期干旱脅迫損失量最小, 結莢期干旱脅迫損失量最大, 而 HN水平下正常供水損失量最大。花生全生育期內肥料氮的損失率為 12.75%~32.68%。PDMN 處理下肥料氮的損失率最高, 為損失率最低 FDMN 處理的 2.56 倍。正常供水和結莢期干旱脅迫下肥料氮的損失率隨施氮量的增加而降低, 而花針期干旱脅迫呈相反趨勢。 FDHN 處理和 PDHN 處理下的氮肥損失率分別較 WWHN 處理降低 14.31%和 12.26%。

  正常供水和結莢期干旱脅迫下氮肥施用量對肥料氮回收率無顯著差異, 而花針期干旱脅迫 MN 水平顯著高于 HN 水平。FDMN 處理下肥料氮的回收率最高, PDMN 處理下最低。與 WWMN 處理相比, FDMN 處理下的肥料氮的回收率提高了 15.13%。表明水分對肥料氮回收率及損失率影響顯著, 氮肥對 15N 損失量呈極顯著效應, 水分和氮肥互作處理對肥料損失率影響亦顯著。

  3 討論

  3.1 產量

  干旱是影響花生產量形成的重要因素之一, 全國常年因干旱引起的減產率達 20%以上[18]。不同生育期干旱脅迫對花生產量的影響不同, 有研究表明結莢期是花生水分脅迫最敏感時期, 其次為花針期和飽果期[19], 而張俊等[15]和程曦等[20]研究表明花針期干旱對莢果產量影響最大, 結莢期次之。在水分虧缺條件下適量施用氮肥可減輕干旱脅迫對作物生長發育的影響, 促進產量提高[21-22]; 而過量施用氮肥使作物葉片光合系統得不到充分的補償效應, 影響其產量的形成[23-24]。本研究表明, 與正常供水條件相比, 不同生育期干旱脅迫均降低了花生產量, 花針期干旱脅迫降低 17.44%~33.38%, 結莢期干旱脅迫降低 9.64%~11.68%。由此表明, 花針期干旱脅迫的影響大于結莢期, 與張俊等[15]和程曦等[20]在花生中的研究相一致。開花下針為花生花生莢果形成的基礎因素, 花針期干旱抑制了花生開花和下針, 減少了有效果針數量, 從而減少了花生單株莢果數, 而結莢期干旱脅對花生莢果膨大影響較大。單株莢果數對產量的影響較大, 因此花針期干旱脅迫對產量的影響大于結莢期干旱脅迫。與不施氮肥相比, 施用氮肥均促進不同水分條件下花生產量的提高, 但 MN 水平下的增加幅度大于 HN 水平。由此表明, 過量施用氮肥對產量無顯著效應, 造成肥料冗余。雙因素方差分析表明水分條件和氮肥水平對產量具有顯著效應, 而水氮互作對產量無顯著影響, 表明土壤水分和氮肥適宜條件下才能具有耦合效應, 干旱脅迫和過量施氮均影響水氮交互作用效果。

  3.2 氮素吸收利用特性

  土壤水分狀況顯著影響作物體內氮素的吸收轉運特性。研究表明, 與正常供水條件相比, 同一氮素水平下干旱脅迫降低了小麥植株氮素積累量[25], 且適度減少灌水量可促進葉片中干物質向籽粒轉移, 有效提高氮素轉運量[26]。適量的灌水條件增加了辣椒的氮素吸收量, 且葉片中的全氮量最高[27]。土壤干旱條件下, 增施適量氮肥對小麥、棉花等作物干物質量及氮素積累量具有顯著促進作用[28-29], 但過量施氮不利于氮素向生殖器官的轉運[30]。本研究結果表明, 花生籽仁氮素積累量占全株氮素積累量的 68.42%~77.67%, 是氮素積累主要器官。與正常供水條件相比, 花針期和結莢期干旱脅迫均降低了花生植株氮素積累量。與 LN 水平相比, MN 水平促進了干旱脅迫下氮素向籽仁的轉運。干旱脅迫降低了花生干物質積累量, 這可能是植株氮素積累量降低的主要原因, 而干旱脅迫下 MN 水平促進了同化物向生殖器官的轉運, 因此提高了干旱脅迫下籽仁中的氮素積累量。花生全株的 Ndff 低于 50%, 說明花生吸收的氮素 50%以上來源于土壤和根瘤固氮, 與鄭永美等[31]研究結果一致。花針期時根瘤固氮能力增強, 但此期干旱脅迫對根瘤固氮酶活性具有抑制作用。本研究表明花針期干旱脅迫下 Ndff 大于正常供水和結莢期干旱脅迫條件, 表明花針期干旱脅迫條件下因根瘤固氮量受到抑制, 肥料氮的吸收加大。與 WWMN 處理相比, FDMN 處理提高了花生各器官 Ndff 和 15N 積累量, 而 PDMN 處理下籽仁 15N 積累量顯著降低。表明花針期干旱脅迫下適量施用氮肥促進了肥料氮的吸收利用和向籽仁的轉運。

  3.3 花生生長季的氮肥損失途徑

  前人研究表明, 施入農田的氮肥除 35%的氮素養分被作物吸收, 其余通過氨揮發(11%)、淋洗 (2%)、反硝化(34%)、徑流沖刷(5%)及其他途徑(13%) 而損失[32]。玉米生長季施用的氮肥 80%左右殘留在 0~40 cm 土層中, 80 cm 以下土層僅占總殘留量 10% 以下[33-34]。本研究條件下, 花生生長季肥料氮的回收率在 30.20%~38.42%。各土層 15N 的殘留量隨土層加深而明顯下降, 且 15N 殘留量隨施氮量的增加而顯著增加, 總 15N 殘留率為 37.12%~48.83%。花生全生育期內肥料氮的損失率為 12.75%~32.68%, 但其中肥料氮的氨揮發和反硝化引起的氣態損失, 由于技術限定未能明確。同一氮肥水平下, 花針期干旱脅迫條件下的肥料氮回收率均高于正常供水和結莢期干旱脅迫條件。花生具有根瘤固氮作用, 水分和氮肥是影響其固氮能力的重要因素。花針期干旱脅迫和氮肥施用可能抑制了花生根瘤固氮活性, 促進了肥料氮的吸收利用, 因此提高了氮肥回收率。今后將深入研究根瘤性狀與肥料氮吸收利用間的相關關系, 以闡明不同干旱脅迫時期花生對不同來源氮素的吸收利用特性。

  4 結論

  不同生育期干旱脅迫均降低了花生產量和氮素積累量, 且花針期干旱脅迫的降低幅度大于結莢期干旱脅迫。與其他氮肥水平相比, 同一水分條件下 MN 水平增加了花生產量和氮素積累量。與 WWMN 處理相比, FDMN 處理下花生各器官 Ndff 和 15N 積累量顯著提高, 且促進了氮素向籽仁的轉運, 而 PDMN 處理降低了籽仁 15N 積累量。花生生長季各土層 15N 的殘留量隨施氮量的增加而增加, 且花針期干旱脅迫降低了肥料氮的損失率。綜合花生產量和氮肥吸收特性, 表明 90 kg hm–2 的施氮水平促進干旱脅迫下的花生產量和氮素吸收利用, 降低肥氮的損失, 是適宜的施氮水平。 ——論文作者:丁 紅 徐 揚 張冠初 秦斐斐 戴良香* 張智猛*

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