郭麗琢,楊 波,高玉紅,??×x
(1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,蘭州 730070;2省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070;3甘肅省隴南市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站,甘肅 武都 746000)
胡麻即油用亞麻的俗稱,是一種世界性的特色小宗油料作物[1]。90%以上的不飽和脂肪酸含量[2]和高達(dá)45%~65%的α-亞麻酸含量[3],確立了胡麻油在食用油中營養(yǎng)、安全的健康油領(lǐng)軍地位;籽粒富含的木酚素、黃酮、植物甾醇等特色功能性生理活性物質(zhì)[4]的高值化開發(fā)和消費(fèi),受重視程度日益增加[5]。2010—2019年間,國內(nèi)胡麻籽消費(fèi)量保持了年均11.8%的增長率[5]。2010年以來,中國已成為世界第二大胡麻籽進(jìn)口國,2018年以來的貿(mào)易量占世界總量的近1/4[4]。提高國內(nèi)原料供給的產(chǎn)質(zhì),可就近滿足市場需求并帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。中國胡麻的產(chǎn)量低而不穩(wěn),肥料施用的不盡合理是其主因之一。胡麻雖然耐瘠,但單位產(chǎn)量形成吸收的氮素和磷素較禾本科作物高30%~57%和21%[6],氮磷肥施用的增產(chǎn)效果顯著[7],且氮肥對大多數(shù)產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響大于磷肥,隨施氮量及施磷量的增加,產(chǎn)量分別平均可提高28%和21%[8],合理運(yùn)籌氮磷肥對于胡麻種植的節(jié)肥增產(chǎn)至關(guān)重要。氮磷的吸收具有一定的協(xié)同作用[9]。一定的氮肥用量范圍內(nèi),粳稻、雜交棉、水蓼等的磷素積累量隨施氮量的增加而提高[10-12],增施氮肥有利于磷素效應(yīng)的發(fā)揮。磷素積累對氮肥施用的響應(yīng)還因施用時期及比例而有較大差異,水稻氮肥的基肥:蘗肥:穗肥由2:8:0漸變?yōu)?:6:2、2:5:3、2:4:4時,成熟期的吸磷量分別增加了6.4%、16.1%、20.6%,增加穗肥比例顯著促進(jìn)了磷的吸收[13]。胡麻是需氮較多而又不耐高氮的作物[14],產(chǎn)質(zhì)形成對氮肥供給的響應(yīng)敏感性較強(qiáng)[7-8,14],而氮在植物生理代謝中與磷等限制性元素密切耦合[15],但胡麻氮磷肥互作的研究中,多涉及肥料配比的產(chǎn)量效應(yīng),氮肥施用對磷的吸收累積鮮有報道。已有研究初步表明,現(xiàn)蕾前后是胡麻氮素吸收強(qiáng)度較大的階段,氮的累積主要集中在生殖生長階段[16],氮肥基肥追肥結(jié)合并適當(dāng)增加追肥比例,增產(chǎn)效果良好[17-18],但增產(chǎn)的營養(yǎng)基礎(chǔ)并未得以解析。探討氮肥施用及其時期、比例對營養(yǎng)元素吸收的影響,可為發(fā)揮肥料互作效應(yīng)的增產(chǎn)潛力奠定理論基礎(chǔ)及實(shí)踐依據(jù)。本研究通過土培試驗(yàn),分析了施氮量及氮肥的基追比例對胡麻磷素積累的影響,以期探討氮肥運(yùn)籌在調(diào)控胡麻磷素營養(yǎng)方面的潛力,為優(yōu)化增產(chǎn)節(jié)肥的養(yǎng)分管理措施提供理論依據(jù)。
胡麻:‘隴亞雜1號’品種。
試驗(yàn)一:探討氮肥用量對磷素積累的影響,通過土培試驗(yàn)于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室進(jìn)行。共4個處理,N0:0 gN/kg土;N1:0.1 g N/kg土,全做基肥;N2a:0.2 g N/kg土,全做基肥;N2b:0.2 g N/kg土,2/3基肥+1/3現(xiàn)蕾追肥。氮肥為尿素;各處理均施0.2 g P2O5/kg土及0.2 g K2O/kg土,肥料品種分別為過磷酸鈣和硫酸鉀,均全部做基肥。
過2 mm篩的土壤4.8 kg,與基肥充分混勻后裝入內(nèi)徑23 cm、高17.5 cm的盆缽中。裝盆后灌足水分,待水分含量下降至適宜水平時進(jìn)行播種,出苗后定苗至30株/盆。培養(yǎng)期間,控制土壤水分含量為田間持水量的75%~80%,定期調(diào)換盆缽的位置。于盛花期和成熟期采樣,各處理每次采樣時均重復(fù)6次,各處理均種植12盆,共計48盆。
試驗(yàn)二:探討氮肥的施用時期、比例對磷素積累的影響,通過土培試驗(yàn)于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室進(jìn)行。共6個處理,F(xiàn)0:不施氮肥;F1:0.2 g N/kg土,全做基肥;F2:0.2 g N/kg土,2/3基肥+1/3現(xiàn)蕾追肥;F3:0.2 g N/kg土,1/2基肥+1/2現(xiàn)蕾追肥;F4:0.2 g N/kg土,1/6基肥+5/6樅形追肥;F5:0.2 g N/kg土,1/6基肥+1/3樅形追肥+1/2現(xiàn)蕾追肥。氮肥為尿素;各處理均施0.2 g P2O5/kg土及0.15 g K2O/kg土,肥料品種分別為過磷酸鈣和硫酸鉀,均全部做基肥。
過篩、裝盆、播種及管理方法同試驗(yàn)一,但盆缽為32 cm×24 cm(內(nèi)徑×高),裝土量13 kg,定苗量46株/盆。于樅形、現(xiàn)蕾、青果和成熟期采樣(注:采樣當(dāng)期若有追肥,追肥于樣品采集后進(jìn)行),各處理每次采樣時均重復(fù)6次,各處理均種植24盆,共計144盆。
干物質(zhì):烘干法。
籽粒產(chǎn)量:成熟期收獲計產(chǎn)。
全磷:H2SO4-H2O2消煮,釩鉬黃比色法測定[19]。
沙集站發(fā)電裝機(jī)容量2 000 kW,共裝設(shè)5臺立式機(jī)組,單機(jī)流量10 m3/s,設(shè)計水頭9.5 m,電站兩側(cè)布置設(shè)計流量為200 m3/s的節(jié)制閘,全部工程按Ⅰ級水工建筑物設(shè)計,抗震標(biāo)準(zhǔn)按9度地震烈度設(shè)防。沙集站站身為堤身式塊基型結(jié)構(gòu),出水流道采用肘形管道,進(jìn)出水流道采用平直管,快速門斷流,進(jìn)水流道進(jìn)口設(shè)置檢修閘門。該站設(shè)計水位組合:上游21.5 m,下游12.0 m。
磷素吸收及利用參數(shù)[20]:磷素吸收效率、磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率、磷素籽粒生產(chǎn)效率和磷肥偏生產(chǎn)力。
采用Microsoft Excel 2003、SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。
2.1.1 氮肥用量對胡麻磷素積累的影響 施氮顯著增加了植株體內(nèi)的磷素積累量(圖1),N0、N1及N23個氮肥水平間,各器官及整株的磷素積累量均呈現(xiàn)隨施氮量的增加而增加的趨勢(圖2),但整株的增幅,N2a較N1的盛花期和成熟期分別為3.57%和7.53%,N1較N0的盛花期和成熟期分別為25.37%和24.83%,前者顯著小于后者,表明等劑量的氮肥在同樣的基肥施用方式下,對磷素積累量的促進(jìn)作用具有報酬遞減現(xiàn)象。
圖1 不同施氮水平下胡麻的磷素積累量
圖2 施氮后胡麻磷素積累量的增幅
和N2a相比,N2b的整株磷素積累量,盛花期和成熟期分別增加了12.64%和31.00%,表明等量的氮肥,采用基肥+追肥的兩次施用方式,較全部作為基肥施用,顯著改善了植株的磷素營養(yǎng)狀況,且其改善效果隨著生育時期的推進(jìn)而增加。
可見,施氮改善了胡麻的磷素營養(yǎng)狀況,氮磷的吸收具有協(xié)助作用,一定范圍內(nèi)氮肥用量的增加提高了氮磷之間的協(xié)助作用,等劑量的氮肥作基肥一次施用且基肥量較高時,協(xié)助吸收效果降低。
2.1.2 氮肥施用時期對胡麻磷素積累的影響 等量氮肥的施用時期及其分配比例影響胡麻的磷素積累量(表1)。
表1 不同氮肥施用時期下胡麻的磷素積累量 mg/株
樅形期的磷素積累量,F(xiàn)1最低,顯著低于其他4個施肥的處理F2、F3、F4、F5,甚至低于不施肥的F0;F2和F3之間呈現(xiàn)前者小于后者的趨勢,且F2的葉比F3顯著降低9.43%;表明氮肥的基肥比例高于2/3不利于器官及整株的磷素積累,100%基肥下的抑制吸收更為突出,其根、莖、葉及整株比基追肥結(jié)合分別降低了9.10%~22.10%、28.47%~34.89%、17.89%~52.17%和14.17%~32.60%,亦比不施氮肥降低了17.89%、26.11%、29.17%和23.30%。F0時的器官及整株的磷素積累量呈現(xiàn)高于F1、F2、F3的趨勢,除了莖稈之間與后三者無顯著差異外,根系、葉片及整株分別顯著高于后三者10.89%~21.79%、8.31%~41.18%和 9.35%~30.38%;F4、F5、F0的器官及整株間均無顯著差異;表明不施基肥氮肥較1/6的基肥氮肥并未顯著降低植株的磷素累積量,且較1/2的基肥顯著提高了磷素的積累量。綜上,樅形期植株的磷素積累量隨氮肥基肥用量的增加而降低,不施氮肥基肥時最有利于樅形之前磷素的吸收。
現(xiàn)蕾期,F(xiàn)1與F4的氮肥已經(jīng)100%施入,而F3與F5的氮肥均已施入50%。此期,器官及整株的磷素積累量均呈現(xiàn) F5>F4>F3>F2>F1>F0的趨勢。F0除與 F1的根系間差異不顯著之外,其與F1、F2、F3、F4、F5的器官間差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05),整株磷素積累量比上述5個處理依次降低了8.43%、16.23%、27.99%、39.92%和44.90%,是否施用氮肥對現(xiàn)蕾期磷素累積的影響一反樅形期的結(jié)果,施用氮肥顯著提高了此期植株體內(nèi)的磷素吸收量,但其提高效果隨氮肥施用量的增加呈現(xiàn)報酬遞減效應(yīng),且氮肥100%作為基肥依然較基肥追肥配合不利于改善現(xiàn)蕾期的磷素營養(yǎng)狀況?,F(xiàn)蕾期的磷素積累量,根、莖、葉、花蕾及整株,F(xiàn)4比F1提高了68.75%、43.45%、45.62%、47.60%和52.42%(P<0.05),F(xiàn)5比F3提高了 49.00%、13.80%、19.78%、33.42%和30.70%(P<0.05),表明等劑量的氮肥分基肥和樅形期追肥配合施用時,基肥占比越高,氮磷之間的協(xié)助吸收作用越小。
現(xiàn)蕾期的樣品采集之后,所有施用氮肥的處理,其施氮量均已100%入土。青果期和成熟期的磷素積累量,施用氮肥與不施氮肥兩類處理之間、F4與F1之間,其關(guān)系均保持現(xiàn)蕾期的趨勢,整株的磷素積累量,施肥較不施肥分別提高了20.18%~73.82%和9.96%~44.09%,F(xiàn)4較F1分別提高了27.31%和18.40%,其間的差異均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)而逐漸縮小?,F(xiàn)蕾期追施氮肥的3個處理F2、F3和F5,器官的磷素累積量呈現(xiàn)F5>F3、F3>F2的趨勢;整株的磷素累積量,青果期和成熟期,F(xiàn)5較 F3分別提高了 13.18%(P<0.05)和 18.31%(P<0.05),F(xiàn)3較 F2分別提高了 27.79%(P<0.05)和5.84%。F3和F2的氮肥施用均為基肥加現(xiàn)蕾期追肥,但F3的基肥比例小于 F2、追肥比例大于 F2;F5和 F3的現(xiàn)蕾期追肥比例均占1/2,但F5的基肥比例小于F3,F(xiàn)5為樅形期追肥占比為1/3的3次施肥。以上結(jié)果表明,現(xiàn)蕾期追施氮肥對于改善植株的磷素營養(yǎng)狀況較為重要,且其占比1/2左右時可有效協(xié)助磷素的吸收;基肥氮占比≤1/2有利于改善植株的磷素營養(yǎng)狀況,占比越低,效果越大。
施用氮肥亦顯著提高了籽粒中的磷素積累量,較不施肥提高6.86%~29.34%;籽粒中的磷素積累量呈現(xiàn)F5>F4及 F3>F2、F1的趨勢,表明現(xiàn)蕾期追施氮肥且占比1/2左右、基肥比例≤1/2亦利于磷素在籽粒中的積累。
2.2.1 氮肥用量對胡麻磷素吸收及利用的影響 氮肥用量影響磷素的吸收及利用效率(表2)。N1、N2a較N0,磷素吸收效率提高了28.86%~30.29%,磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率降低了9.05%~10.14%,磷肥偏生產(chǎn)力提高了10.00%~30.00%;而N1和N2a間的磷素吸收效率和磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率無顯著差異;磷素籽粒生產(chǎn)效率,N1和N0間無顯著差異,而N2a較N0降低了15.52%。以上結(jié)果表明,一定范圍內(nèi),施用氮肥可協(xié)同促進(jìn)磷素的吸收,提高植株體內(nèi)的磷素積累量,但進(jìn)一步提高施氮量,協(xié)同效果無顯著增加;施氮后的磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率及磷素籽粒生產(chǎn)效率均呈降低趨勢,這是由于雖然施氮均增加了植株磷素積累量(圖1)、干物質(zhì)積累量和籽粒產(chǎn)量(表2),但其增加不夠同步,后二者的增幅顯著小于前者所致;一定范圍內(nèi),施氮導(dǎo)致的磷肥偏生產(chǎn)力增加呈現(xiàn)報酬遞減效應(yīng)。
表2 不同施氮水平下胡麻的干物質(zhì)積累及磷素吸收利用
2.2.2 氮肥施用時期對胡麻磷素吸收及利用的影響 從表3可以看出,F(xiàn)0的磷素吸收效率、磷肥偏生產(chǎn)力顯著小于其他5個處理,而磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率及磷素籽粒生產(chǎn)效率則相反,這再次表明了施氮協(xié)同提高了磷素吸收效率及磷肥偏生產(chǎn)力,施氮后的干物質(zhì)積累量及籽粒產(chǎn)量的增加與磷素積累量的增加不同步。
等量氮肥的施用時期及比例影響植株的磷素吸收及利用(表3)。F1、F2、F3、F4、F5的磷素吸收效率呈遞增趨勢,F(xiàn)3較 F1、F4較F3、F5較 F4分別增加了 10.76%、6.99%、10.58%(P<0.05),表明氮肥中基肥比例的降低及追肥比例的增加,包括等量追肥時追施次數(shù)的增加,均可促進(jìn)施入的磷肥的吸收作用。與F1相比,F(xiàn)2、F3、F4、F5的磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率及磷素籽粒生產(chǎn)效率均呈降低趨勢,分別以F5和F4的降幅最高,分別達(dá)7.43%(P<0.05)和21.92%(P<0.05),F(xiàn)5的磷素籽粒生產(chǎn)效率亦比F3降低7.37%;而磷肥的偏生產(chǎn)力,F(xiàn)5較F3、F4分別高9.59%和23.02%。雖然F5的整株干物質(zhì)積累量、籽粒產(chǎn)量及植株磷積累量均最高(表3、表1),且這種既改善植株磷素營養(yǎng)又促生的氮肥運(yùn)籌方式,磷肥的偏生產(chǎn)力最高,即單位施磷量能夠形成的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高,但其卻是植株體內(nèi)磷素生產(chǎn)效率較低的氮肥施用分配方式。
表3 不同氮肥施用時期下胡麻的干物質(zhì)積累及磷素吸收利用
磷素參與作物的碳氮代謝和能量代謝[21],是調(diào)控作物生長及其生產(chǎn)力的關(guān)鍵養(yǎng)分因子[22],改善作物的磷素營養(yǎng)在高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中舉足輕重。而磷又是眾多陸生生態(tài)系統(tǒng)中有效性最低的營養(yǎng)元素[21,23],故常成為限制作物生長的營養(yǎng)元素[24],提高土壤及肥料磷的有效性具有重大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效應(yīng),發(fā)揮養(yǎng)分吸收間的協(xié)助作用是提高環(huán)境磷素有效性的重要舉措[9]。
氮通常能促進(jìn)磷的吸收,因?yàn)榈x與磷代謝相互聯(lián)系、相互促進(jìn)[25],即氮磷在植物體內(nèi)具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系[15],故生產(chǎn)上氮磷肥配合通常具有正交互作用。與不施氮肥相比,施氮可顯著提高水稻、小麥、玉米、棉花等作物植株磷素的吸收量[10-11,26-27];隨施氮量的逐步增加,磷素累積量呈現(xiàn)先顯著提升、之后基本穩(wěn)定不再顯著增加的趨勢[10-11,26-27];且增施氮肥對水稻磷吸收的協(xié)同效應(yīng)具有隨生育進(jìn)程的推進(jìn)減弱的趨勢[10]。當(dāng)?shù)视昧窟^高時,氮磷比例失調(diào),影響?zhàn)B分的平衡吸收,磷素積累甚至降低[10]。在磷肥用量120 kg P2O5/hm2的基礎(chǔ)上增施180 kg N/hm2的氮肥后,胡麻成熟期植株的磷素積累量增加了16.27%[28]。本研究也證實(shí),一定范圍內(nèi)增施氮肥有利于促進(jìn)胡麻植株的磷素累積。
磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率和磷素籽粒生產(chǎn)效率對氮肥用量的響應(yīng)因作物而異。0~1.12 mmol/株的氮水平范圍內(nèi),楓香的磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率呈現(xiàn)隨氮素供應(yīng)的增加而增加的變化趨勢,但因種源而表現(xiàn)不盡一致[29];0~300 kg N/hm2的施氮范圍內(nèi),雜交棉的磷素籽粒生產(chǎn)效率亦隨氮肥用量的增加而略有提高[11];而0~337.5 kg N/hm2的范圍內(nèi),水稻的磷素籽粒生產(chǎn)效率隨施氮量的增加呈降低趨勢,只是300~337.5 kg N/hm2之間的差異不顯著[10]。本研究結(jié)果表明,0~0.2 g N/kg土的施氮水平間,胡麻的磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率和磷素籽粒生產(chǎn)效率均呈隨施氮量的增加而降低的趨勢。作物的磷素生產(chǎn)效率對氮肥用量響應(yīng)的種間差異,與種質(zhì)的干物質(zhì)積累、干物質(zhì)在籽粒中的分配及磷素積累對氮肥用量的響應(yīng)不盡同步密切相關(guān)。
充足的氮素供應(yīng)能增加植物對磷素的吸收和利用,可能是由于氮增加了磷從共質(zhì)體向木質(zhì)部的轉(zhuǎn)運(yùn)[30-32],也和氮素形態(tài)引起的植物生理生化反應(yīng)增強(qiáng)了磷的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)[26,33-35],SMITH等[33-34]用(NH4)2SO4預(yù)處理增加了玉米根系對磷的最大吸收速率而增強(qiáng)了對磷的吸收,水稻NH4+營養(yǎng)較NO3-營養(yǎng)增強(qiáng)了植株對磷的吸收及磷由根系向地上部的運(yùn)轉(zhuǎn)[35]。總之,適宜施氮可促進(jìn)植物對磷的積累。
不同作物的磷素積累及利用對等量氮肥的時期及比例分配的響應(yīng)不同。稻田土壤水分高增加了氮肥表面施用的氨揮發(fā)及徑流損失的風(fēng)險,使得225 kgN/hm2的氮肥,40%基肥+30%分蘗肥+30%穗肥的習(xí)慣施肥方式較多種根區(qū)一次施用的條施和穴施方式,植株磷素積累量由無顯著差異到降幅高達(dá)32.93%,磷素籽粒生產(chǎn)效率亦由無顯著差異到降幅達(dá)13.28%[36];而同為基追結(jié)合的習(xí)慣施肥方式,適宜降低氮素基蘗肥比例而增加穗肥比例,利于水稻拔節(jié)至齊穗期、齊穗至成熟期的磷素階段吸收量與總吸收量的增加[13]。玉米生產(chǎn)上,126 kg N/hm2的氮肥,1/3基肥+2/3大喇叭口期追肥和全部作為基肥施用兩種方式間,植株磷素積累量無顯著差異[26];而180 kg N/hm2的氮肥,分2次追肥(2/5基施+3/5于拔節(jié)期和抽雄期分2次追施)和3次追肥(2/5基施+3/5于拔節(jié)期、抽雄期和抽雄后15天分3次追施)較一次性全部基施,磷素積累量增加了4.2%~10.7%;而2次追肥和3次追肥間無顯著差異[37]。馬鈴薯180 kg N/hm2的氮肥,基肥:塊莖形成初期追肥:塊莖形成末期追肥分別為3:2:0、1:1:0、1:2:0、1:0:1、1:0:2和1:1:1 6種分配方式間,1:0:1的塊莖磷積累量較3:2:0和1:1:1分別提高了18.8%、38.8%,分配比例提高了9.4%、20.6%[38]。本研究也表明,氮肥的基肥和追肥結(jié)合較全部作為基肥有利于提高胡麻植株的磷素積累量;等量氮肥基肥和追肥結(jié)合施用時,施用時期及比例顯著影響磷素的積累量及磷素利用效率。
可見,旱作作物上,施氮時基肥和追肥的適宜結(jié)合利于促進(jìn)磷素的吸收,而適宜的時期及比例的確定依賴于作物本身的養(yǎng)分吸收、累積規(guī)律及環(huán)境養(yǎng)分的供給狀況。隨著施氮水平的增加甚至過量施用[39],中國大田作物的供氮能力普遍增強(qiáng)[40],氮肥施用上總量控制、基肥比例適當(dāng)下調(diào)并分次追肥成為許多作物進(jìn)一步改善營養(yǎng)狀況和增產(chǎn)的有效途徑[40]。胡麻現(xiàn)蕾前后氮素吸收強(qiáng)度較大,氮素累積主要集中在生殖生長階段[16]。適當(dāng)降低基肥的比例,加強(qiáng)盛花前的追肥,特別是現(xiàn)蕾期追肥占比1/2左右,是胡麻較為合理的氮肥運(yùn)籌方式,不僅利于改善胡麻的氮素營養(yǎng)狀況[16],而且利于促進(jìn)磷素的吸收和累積。
一定的氮肥用量范圍內(nèi),胡麻植株的磷素積累量隨施氮量的增加而增加;等量氮肥的基肥追肥結(jié)合施用較全部作為基肥有利于促進(jìn)磷素的吸收;降低氮肥的基肥比例至≤1/3,加強(qiáng)開花前的追肥,特別是現(xiàn)蕾期追肥占比1/2左右,利于促進(jìn)胡麻的磷素吸收和累積;胡麻的磷素干物質(zhì)生產(chǎn)效率及磷素籽粒生產(chǎn)效率并未隨磷素積累量同步增加。