馬海曌，謝呈輝，徐郗陽，馮永忠，黃貴斌，孔德杰，高鵬飛，梅志坤，任廣鑫

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100；3. 寧陜縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，陜西 寧陜 711600；4. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院，寧夏 固原 756000；5. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750002）

植物生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是研究植物器官化學(xué)元素計量特征，探討其與環(huán)境因子、植物個體生長發(fā)育和生態(tài)系統(tǒng)功能等關(guān)系的學(xué)科[1]。作為有機體組成的主要元素，碳（C）、氮（N）、磷（P）是植物生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的主要研究對象[2?4]，揭示作物不同生育時期和不同器官中的C、N、P 化學(xué)計量特征對理解作物發(fā)育、解釋養(yǎng)分分配策略、探討環(huán)境適應(yīng)機制具有重要意義。施N 是改善養(yǎng)分供應(yīng)、提高作物產(chǎn)量的重要栽培措施之一。目前，國內(nèi)外關(guān)于施N 影響植物C、N、P化學(xué)計量特征的研究[3?10]較多，但在生態(tài)系統(tǒng)方面主要集中于自然生態(tài)系統(tǒng)[3?7]，有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[2，8?9]的研究較少；在器官方面的研究主要集中于葉片[6?7，10?12]，繁殖器官[3，9，13]方面的研究相對較少；在時間尺度上，各生長階段的化學(xué)計量特征尚待闡明。

糜子（Panicum miliaceumL.）屬禾本科黍?qū)?，在我國擁有近萬年栽培歷史[14]。在農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略等政策背景下，糜子憑借生育期短、適應(yīng)性強、營養(yǎng)價值高等優(yōu)點，在旱區(qū)農(nóng)業(yè)中的重要性日益凸顯[15?16]。目前，關(guān)于糜子的研究主要集中在種質(zhì)資源利用[17?18]、高產(chǎn)栽培技術(shù)[19?20]、抗逆性評價[21?22]及營養(yǎng)利用[23]等方面，關(guān)于施N 量對C、N、P 化學(xué)計量特征影響的研究尚未見報道。為此，研究不同施N 量下主要生育時期糜子生物量及C、N、P 化學(xué)計量特征，揭示生物量分配與C、N、P 化學(xué)計量特征間的關(guān)系，從新視角解釋施N 量對糜子生長的影響，為糜子高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗在寧夏回族自治區(qū)銀川市西夏區(qū)（38°25′21′′N、106°01′54′′E）進行，該區(qū)屬于引黃灌區(qū)，土壤為淡灰鈣土。0～20 cm 土層pH 值為8.90，含有機碳7.57 g/kg、全氮0.80 g/kg、全磷0.74 g/kg、銨態(tài)氮0.96 mg/kg、硝態(tài)氮4.30 mg/kg、速效磷13.39 mg/kg、速效鉀142.1 mg/kg。

供試糜子品種為寧糜9 號。供試肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、硫酸鉀（含K2O 50%）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4 個施N量：0（N0）、90（N90）、150（N150）、210（N210）kg/hm2。每個處理重復(fù)3 次，小區(qū)面積為15 m2，相鄰小區(qū)以0.5 m 寬壟相隔，區(qū)組間隔1 m。尿素全部基施，同時配施750 kg/hm2過磷酸鈣和140 kg/hm2硫酸鉀。2020 年7 月17 日 播 種，播 量 為22 kg/hm2，行 距 為30 cm。播種后灌出苗水，抽穗前根據(jù)墑情補灌，共灌水898 m3/hm2（田間水表顯示），灌溉方式為滴灌。生育期內(nèi)日均氣溫和降水量見圖1，總降水量116.8 mm。穗基部籽粒進入蠟熟期后（2020年10月14日）收獲。

圖1 糜子生育期內(nèi)日均氣溫和降水量Fig.1 Daily average temperature and rainfall during the growth period of proso millet

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生物量和C、N、P 含量 在糜子拔節(jié)期（8 月19 日）、抽穗期（9 月3 日）、灌漿期（9 月18 日）和成熟期（10 月14 日），各小區(qū)挖取長勢一致的10 株糜子，清洗后按根系、莖（包括葉鞘）、葉和穗分開，殺青后80 ℃烘至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量。地上部器官經(jīng)粉碎后過0.25 mm 篩，采取K2Cr2O7-H2SO4氧化法檢測有機碳含量（簡稱C 含量），經(jīng)H2SO4-H2O2消解后用AA3 型連續(xù)流動分析儀檢測全氮、全磷含量（簡稱N、P 含量），并計算其積累量和化學(xué)計量比（質(zhì)量比）。

1.3.2 產(chǎn)量 成熟期，在每個小區(qū)內(nèi)選取長勢均勻且未擾動的1 m2樣方，收獲后脫粒風(fēng)干，稱質(zhì)量，計產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS Statistics 22進行方差分析（單因素方差分析、一般線性模型）、多重比較（最小顯著性差異法）；用Origin 2021 進行回歸分析（普通最小二乘法）和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施N量對糜子生物量積累與分配的影響

2.1.1 地上部生物量 由圖2 可知，拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期各地上部器官生物量和總生物量總體上均隨施N 量增加而先增加后趨于平緩，除成熟期N90 處理葉外，施N 處理均顯著高于不施N處理；N150處理與N210處理無顯著差異，在抽穗期葉和穗以及成熟期莖和葉中均顯著高于N90處理。

圖2 施N量對拔節(jié)期（a）、抽穗期（b）、灌漿期（c）、成熟期（d）糜子地上部生物量的影響Fig.2 Effect of N rate on aboveground biomass of proso millet at jointing stage（a），heading stage（b），filling stage（c）and mature stage（d）

2.1.2 生物量分配 由圖3a可知，糜子根冠比對施N量的響應(yīng)因時期而異。拔節(jié)期所有施N處理和成熟期N210處理均顯著低于不施N處理，抽穗期和灌漿期施N處理與不施N處理無顯著差異。所有時期中各施N處理間均無顯著差異。

如圖3b—e，總體上，隨著生育進程的推進，穗生物量占比逐漸增加，葉生物量占比逐漸降低，莖生物量占比先增加后降低，變化幅度相對較小。各生育時期穗生物量占比隨施N 量增加呈先增后降的趨勢，抽穗期N150 和N210 處理顯著高于N0 和N90 處理，灌漿期N90 和N150 處理顯著高于N0 和N210處理，成熟期N90處理顯著高于其他處理。拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期，施N處理較不施N處理顯著減少葉生物量占比，施N 處理間無顯著差異；成熟期，葉生物量占比隨施N 量增加先降后增，N0 和N210 處理顯著高于N90 處理。隨施N 量增加，拔節(jié)期、灌漿期和成熟期莖生物量占比呈增加趨勢，N210 處理均顯著高于N0 處理；抽穗期莖生物量占比先增后降，N90處理顯著高于其他處理。

圖3 施N量對糜子根冠比（a）及拔節(jié)期（b）、抽穗期（c）、灌漿期（d）、成熟期（e）地上部器官生物量占比的影響Fig.3 Effect of N rate on root-shoot ratio（a）and biomass proportion of proso millet aboveground organs at jointing stage（b），heading stage（c），filling stage（d）and mature stage（e）

2.2 施N量對糜子地上部各器官C、N、P化學(xué)計量特征的影響

2.2.1 C、N、P 含量 由圖4 可知，施N 量對糜子各生育時期地上部器官C 含量無顯著影響，而對N、P含量有極顯著影響；除拔節(jié)期P含量外，器官類型對所有生育時期C、N、P 含量均有極顯著影響；二者互作顯著影響抽穗期N 含量，并對成熟期N、P 含量有極顯著影響。

圖4 施N量對拔節(jié)期（a、e、i）、抽穗期（b、f、j）、灌漿期（c、g、k）、成熟期（d、h、l）糜子各器官C、N、P含量的影響Fig.4 Effect of N rate on C，N and P contents in different organs of proso millet at jointing stage（a，e，i），heading stage（b，f，j），filling stage（c，g，k）and mature stage（d，h，l）

隨施N 量增加，糜子莖和葉N 含量在各生育時期逐漸上升，灌漿期和成熟期莖N 含量的增加不顯著；穗N 含量僅在成熟期呈現(xiàn)上升趨勢。幾乎所有生育時期N150處理各器官N含量均與N210處理無顯著差異。在所有生育時期，總體上施N 處理均較不施N 處理顯著降低莖、葉P含量，各施N 處理間差異不顯著。抽穗期施N 量不影響穗P 含量，灌漿期N90 處理穗P 含量顯著低于N0 處理，成熟期N210處理顯著低于其他處理。

2.2.2 C、N、P 化學(xué)計量比 由圖5 可知，施N 量和器官類型對糜子地上部C∶N、C∶P、N∶P 均有極顯著影響，二者互作顯著影響抽穗期C∶P和灌漿期N∶P，并對抽穗期C∶N、N∶P，灌漿期C∶N，成熟期C∶N、C∶P、N∶P均有極顯著影響。

圖5 施N量對拔節(jié)期（a、e、i）、抽穗期（b、f、j）、灌漿期（c、g、k）、成熟期（d、h、l）糜子各器官C∶N、C∶P和N∶P的影響Fig.5 Effect of N rate on C∶N，C∶P and N∶P in different organs of proso millet at jointing stage（a，e，i），heading stage（b，f，j），filling stage（c，g，k）and mature stage（d，h，l）

隨生育期推進，各器官C∶N 和C∶P 上升，莖增幅最大；N∶P 整體呈下降趨勢。幾乎所有生育時期莖C∶N 均表現(xiàn)為N0>N90>N150、N210，差異顯著；葉C∶N 表現(xiàn)為N0 處理顯著高于N210 處理；各處理穗C∶N無顯著差異。施N處理相比不施N處理總體上顯著提高各生育時期莖、葉C∶P，但施N處理間總體上無顯著差異；穗C∶P 在各處理間無顯著差異。莖和葉N∶P總體上隨施N 量增加而增加，N210處理顯著高于N0 處理；穗N∶P 在抽穗期和灌漿期不受施N 量影響，成熟期隨施N 量增加逐漸增加，N210處理顯著高于其他處理。

2.3 糜子地上部各器官C、N、P含量的相關(guān)性及生物量與N∶P的相關(guān)性

2.3.1 C、N、P 含量的相關(guān)性 由圖6 可知，糜子C、N、P 含量相關(guān)性因器官而異。莖中，C 含量與N、P含量均呈極顯著負向線性相關(guān)，在葉和穗中無顯著相關(guān)性；在莖、葉、穗中，N 含量與P 含量均呈顯著或極顯著正向線性相關(guān)。

圖6 糜子莖（a、b、c）、葉（d、e、f）、穗（g、h、i）C、N、P含量相關(guān)性Fig.6 The relationships among C，N and P contents in stem（a，b，c），leaf（d，e，f）and tassel（g，h，i）of proso millet

2.3.2 生物量與N∶P的相關(guān)性 N∶P與生長速率有關(guān)。由圖7可知，糜子莖、葉生物量與N∶P在所有生育時期均呈顯著或極顯著的正向線性相關(guān)；而穗生物量與N∶P僅在成熟期呈顯著正向線性相關(guān)。

圖7 拔節(jié)期（a、e）、抽穗期（b、f、i）、灌漿期（c、g、j）、成熟期（d、h、k）糜子地上部各器官生物量與N∶P相關(guān)性Fig.7 The relationships between biomass and N∶P of different aboveground organs of proso millet at jointing stage（a，e），heading stage（b，f，i），filling stage（c，g，j）and mature stage（d，h，k）

2.4 糜子成熟期各器官生物量和C、N、P分配及生產(chǎn)力對施N量的響應(yīng)

2.4.1 成熟期各器官生物量和C、N、P 分配對施N量的響應(yīng) 由圖8 可知，不同器官成熟期生物量和C、N、P分配對施N量的響應(yīng)趨勢不同。隨施N量增加，莖生物量和C、N積累量占比呈線性增加，P積累量占比呈開口向上的拋物線變化，除C 積累量外回歸方程均達顯著或極顯著水平。葉生物量和C、N、P 積累量占比均隨施N 量增加呈開口向上的拋物線關(guān)系，回歸方程均達顯著或極顯著水平。穗生物量和C、N、P 積累量占比變化趨勢與葉相反，回歸方程均達極顯著水平。

圖8 成熟期糜子莖（a，b，c，d）、葉（e，f，g，h）、穗（i，j，k，l）生物量與C、N、P積累量占比對施N量的響應(yīng)Fig.8 Responses of biomass and C，N，P accumulation proportion of stem（a，b，c，d），leaf（e，f，g，h）and tassel（i，j，k，l）of proso millet to N rate at mature stage

2.4.2 生產(chǎn)力對施N 量的響應(yīng) 由圖9 可知，糜子產(chǎn)量和地上部生物量因施N 量增加而顯著提高，N90、N150、N210 產(chǎn)量分別較N0 處理提高58.3%、76.3%、72.9%，地上部生物量分別提高60.8%、112.3%、118.2%，N210 處理與N150 處理無顯著差異。N90 處理顯著提高收獲指數(shù)。回歸分析表明，產(chǎn)量和收獲指數(shù)均與施N 量呈極顯著拋物線關(guān)系；地上部生物量與施N 量呈極顯著線性關(guān)系，施N 量分別解釋89.6%、77.5%、76.4%的變異。根據(jù)擬合方程，施N 172.8 kg/hm2時產(chǎn)量達峰值，為3 164.5 kg/hm2；施N 80.9 kg/hm2時 收 獲 指 數(shù) 達 峰 值，為36.2%。

圖9 糜子生產(chǎn)力對施N量的響應(yīng)Fig.9 Responses of productivity of proso millet to N rate

3 結(jié)論與討論

3.1 施N量對糜子各器官生物量分配、產(chǎn)量的影響

植物生物量的積累和分配與其生長和產(chǎn)量形成密切相關(guān)，并因環(huán)境而異[24]。充足的養(yǎng)分促使植物由地下競爭轉(zhuǎn)入光競爭[25?26]，地上部對同化物的競爭能力增強[7，27]以促進莖葉生長。本研究發(fā)現(xiàn)，施N 降低拔節(jié)期糜子根冠比，提高了各時期糜子地上部各器官和總生物量的積累，這與前人研究結(jié)果相似[28?29]。拔節(jié)期到灌漿期，穗和葉生物量占比互為消長，莖生物量占比先上升后穩(wěn)定。隨施N 量增加，葉和穗生物量占比呈反向的拋物線變化，莖生物量占比線性增加。高N 不利于養(yǎng)分向生殖器官分配；適量施N 在灌漿期促進莖、成熟期促進葉向穗轉(zhuǎn)運同化物。施N 172.8 kg/hm2時，產(chǎn)量最高，為3 164.5 kg/hm2。

3.2 施N量對糜子C、N、P分配的影響

養(yǎng)分元素含量與化學(xué)計量比能夠有效反映養(yǎng)分的吸收與存儲，植物體可根據(jù)外界環(huán)境的變化調(diào)整自身養(yǎng)分元素計量特征以適應(yīng)環(huán)境[5]。C 屬于結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，并不直接參與代謝，而是主要作為植物骨架[30]，其含量較N 和P 更穩(wěn)定[9]。本研究發(fā)現(xiàn)，施N量不改變糜子各器官C含量，這與前人[2]研究結(jié)果相符。

本研究發(fā)現(xiàn)，器官類型和施N 量極顯著影響器官N 含量；糜子在各個時期和施N 量下總體上均能通過調(diào)整莖、葉N 含量保障穗N 含量相對穩(wěn)定以維持生殖功能，這與前人[10，31]研究結(jié)果相似。相比不施N處理，少量施N（N90）可提高葉拔節(jié)期的N含量以保障同化作用，而成熟期N 積累量占比接近低谷；適量（N150）和過量施N（N210）提高成熟期葉N積累量占比，不利于N 的生殖輸出，但可提高可溶性蛋白含量，延緩葉衰老[32]，提高光合能力[33]，最終實現(xiàn)增產(chǎn)?？傮w上，大多時期過量施N 相比適量施N 并不能提高糜子地上部器官N 含量，這可能是因為細胞N 含量較高，糜子減少對NO-3的吸收[34]，各器官N含量不再增加，直到成熟期N含量整體下降，糜子恢復(fù)NO-3吸收，葉N含量顯著提高。

P與細胞分裂有關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)，細胞分裂最旺盛的器官穗P 含量高于其他器官；拔節(jié)期株高迅速增長[35]，此時莖的P 含量高于其他時期。葉P 含量對施N 量的反應(yīng)因植物類型[36]和營養(yǎng)限制條件[10]而異，本研究中糜子表現(xiàn)負效應(yīng)，可能暗示糜子處于N限制；另外，施N 提高土壤P 有效性[11]，但仍不能滿足植物需求，且增加的生物量造成稀釋效應(yīng)，使P含量降低[12，37]。本研究發(fā)現(xiàn)，糜子通過降低莖、葉P 含量穩(wěn)定穗的供應(yīng)；隨著施N量增加，成熟期P積累量占比在穗中呈開口向下的拋物線變化，在莖和葉中先降低后增加，過量施N降低穗P含量。

3.3 施N量對糜子C、N、P化學(xué)計量特征的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，各器官（尤其是莖和葉）快速生長時C∶N 較低，成熟期增高，負責(zé)機械支撐的莖C∶N增幅最大；N 促進營養(yǎng)器官生長，各時期莖和葉C∶N均因施N 量增加而降低，暗示糜子C∶N 可能與組織成熟和木質(zhì)化有關(guān)；另外，重吸收現(xiàn)象可將N 由衰老組織轉(zhuǎn)移到新組織中[38]，使組織的N 含量因發(fā)育程度而異。

植物N∶P 與生長速率有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，隨生育期推進，營養(yǎng)器官N∶P 整體呈下降趨勢，且所有生育時期糜子莖和葉N∶P、成熟期穗N∶P 與生物量呈顯著正向線性相關(guān)，與生長速率假說代表的傳統(tǒng)觀點相反，這可能是因為N 限制下生長速率和N∶P呈正相關(guān)關(guān)系[39]。生長速率的核心基礎(chǔ)在于細胞快速分裂需要大量核酸（P 庫）和蛋白質(zhì)（N 庫）。缺N導(dǎo)致缺少酶和氨基酸，限制核糖體和蛋白質(zhì)合成。施N 為合成酶和氨基酸提供原料，生長速率提高的同時N∶P升高。N∶P與生物量的關(guān)系不適用于不同器官間，因為各器官在各時期的養(yǎng)分儲存能力不同，而儲存的N、P 不用于生長代謝，導(dǎo)致N∶P 對生物量的作用強度因時期和器官而異。

施N 對營養(yǎng)器官C∶P 產(chǎn)生正效應(yīng)，對穗C∶P 無顯著影響，與安卓等[40]的研究結(jié)果相近。地上部器官C、N、P 化學(xué)計量比對施N 量的響應(yīng)說明糜子能通過調(diào)整莖和葉化學(xué)計量特征維持穗養(yǎng)分含量和組成，保障穗活躍的代謝水平[41]。

綜上，施N 量能通過調(diào)控C、N、P 化學(xué)計量特征改變生物量分配策略，進而影響糜子產(chǎn)量。