不同施氮量對苜蓿干物質累積和氮素吸收的影響

單新河,張運龍,王顯國,孫洪仁,劉雷震

(中國農業大學草業科學與技術學院,北京 100193)

近幾年,為促進“糧、經、飼”三元結構協調發展,國家對農業種植結構進行調整,其中飼料作物種植面積有所提高[1]。飼草料作物主要包括苜蓿、燕麥、青貯玉米和多年生黑麥草等[2]。與其他牧草相比,紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界上栽種面積最大的豆科牧草之一[3]。紫花苜蓿蛋白質含量高且適口性好,是一種優質的牧草飼料作物,被稱為“牧草之王”[3]。氮是苜蓿生長所必需的大量營養元素之一[4],氮肥的施用是提高苜蓿產草量的有效措施之一[5]。適量氮肥的施用能提高苜蓿生物量和氮肥利用效率[6]。過量氮肥的施用,使得土壤中無機氮大量累積[7],造成資源浪費和水體污染等一系列環境問題[8]。苜蓿施氮模式和種植管理等因素存在較大差異,在國外的苜蓿生產實踐中,主要依賴根瘤菌固氮,而較少施氮;國內則更多施氮,較少依賴自身固氮[9]。苜蓿作為豆科作物,通過施加氮肥以提高生產性能。因此,探究施氮量對苜蓿生長的影響,可明確苜蓿的最佳施氮量,節約成本,進而實現氮肥高效利用和環境友好。

目前研究發現,植物的生長與氮素吸收受施氮量和生育期的影響[12-14]。在河北開展的試驗表明,與對照相比,在苜蓿初花期,施用160 kg/hm2DT(化學氮肥配施沼液)可顯著增加苜蓿干物質量(增幅達47.54%)和氮素吸收量(增幅為14%～34%)[10]。劉曉靜等[11]在甘肅開展的研究表明,在苜蓿初花期,施氮120 kg/hm2可促進紫花苜蓿結瘤固氮,增加紫花苜蓿營養吸收,提高紫花苜蓿生物量。郝鳳等[12]采用營養液砂培法開展研究發現,與對照相比,在培養40天后收獲,施氮量為110 kg/hm2顯著增加苜蓿株高和地上生物量,增幅分別為58.5%和128%。然而,目前關于氮肥對苜蓿生長發育的影響,因研究地區和實驗條件的差異結果不盡相同,關于施氮量對苜蓿生物量和養分吸收量的研究較多集中初花期,對整個生育期的關注較少,且研究主要在甘肅、青海和呼和浩特市等西北部開展。

科爾沁地區位于內蒙古東部,是我國北方重要的農牧業生產基地。近年來,隨著紫花苜蓿種植、加工業快速發展,科爾沁沙地現已成為國內機械化程度最高、種植面積增長最快、投資力度最大、產業化水平較高的新興苜蓿優勢產區[13],并且于2013年被中國畜牧業協會草業分會命名為“中國草都”[14]。截至2017年,以阿魯科爾沁旗為主的科爾沁沙地現已建成集中連片紫花苜蓿種植基地71 333 hm2,全年可刈割3～4茬,干草產量達700～800 kg/(667m2)[15]?；诖?本試驗在科爾沁沙地開展,通過探究不同施氮量下苜蓿不同生育期內生物量累積和氮素吸收規律,為紫花苜蓿在內蒙古東部的種植提供最佳施氮量技術指導。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年在內蒙古自治區赤峰市天山鎮巖峰農業生物科技有限公司(43°24′43″N、121°21′07″E)開展。該地區位于內蒙古自治區中部,赤峰市東北部。2021年日照時數2 760～3 030 h,極端最高氣溫40.6℃,極端最低氣溫-32.7℃,年均氣溫6℃,≥10℃有效積溫3 080℃,年降水量300 mm左右,無霜期135 d(數據來源:中國氣象網,http://www.cma.gov.cn/)。試驗開始前(0～20 cm土層)土壤堿解氮含量為50.80 mg/kg,速效磷含量為3.04 mg/kg,速效鉀含量為95.51 mg/kg,有機質含量為7.58 g/kg,全氮含量為0.71 g/kg,全磷含量為0.17 g/kg,pH為7.28。

1.2 試驗設計

本試驗采用單因素完全隨機設計,設置4個施氮梯度,施氮量分別為0 kg/hm2(N0PK, N0)、22.5 kg/hm2(N1PK, N1)、45 kg/hm2(N2PK, N2)和67.5 kg/hm2(N3PK, N3),每個處理3次重復。小區面積為50 m2(5 m×10 m),小區間隔1 m,相鄰區組間隔2 m。播種前進行整地和施肥,整地主要包括耕翻、旋地、耱地和鎮壓,肥料在旋地一次性施入土壤。氮肥、磷肥和鉀肥的供肥形態分別是尿素(N,46%)、過磷酸鈣(P2O5,16%)和氧化鉀(K2O,50%),具體施肥量見表1。

表1 施肥處理 單位:kg/hm2

試驗用紫花苜蓿品種為“騎士T”(“Knights T”),秋眠級3.9,由北京正道有限公司提供于2021年7月9日采用機器條播進行播種,播種深度2 cm,苜蓿行間距25 cm,每個小區播種40行,播種量為20 kg/hm2,各田間管理均按當地紫花苜蓿高產田進行。

1.3 植物樣品采集

2021年分別于紫花苜蓿分枝前期(8月2日)、分枝后期(8月8日)、孕蕾期(8月15日)、現蕾期(8月23日)、初花期(8月31日)和盛花期(10月3日)共采集6次苜蓿植株樣品。

1.4 測定指標及方法

1.4.1苜蓿株高測定

各處理小區隨機選取10株,用米尺測量莖基部到生長點的距離,并記錄作為株高數據。

1.4.2苜蓿干草產量測定

以樣方法采集地上生物量,所用的樣方面積為1 m×1 m?？刂屏舨绺叨? cm 刈割苜蓿植株,稱取鮮重;另取300 g鮮草樣品裝于9號自封袋帶回實驗室進行苜蓿植株含水率測定,在105℃條件下殺青30 min后,于 65℃烘干至恒重,測定其干物質含量并計算苜蓿干草產量( kg/hm2)。具體計算公式如下:

干草產量 = 鮮草產量×(1-含水率)

1.4.3苜蓿全氮測定

烘干后的植株樣品進行粉碎,H2SO4-H2O2消煮、半微量凱氏定氮法測定植株樣品的全氮含量[16]。

1.4.4氮素農學利用率和偏生產力的計算

氮素農學利用率和偏生產力計算公式如下[17]:

(1)

(2)

式中:AE(Agronomic efficiency)為氮素農學利用效率,PFP(Partial factor productivity)為偏生產力,單位為%;Y1為施氮肥區作物生物量,單位為 kg/hm2;Y0為不施氮肥區作物生物量,單位為kg/hm2;F為肥料氮肥投入量,單位為 kg/hm2。

1.5 數據處理與統計分析

采用Microsoft Excel 2010 錄入和整合試驗數據。所有的試驗數據均以平均值±標準誤(SE)表示,運用R 4.0.2統計軟件中的單因素方差分析(One-way ANOVA)和P<0.05水平下的Least significant difference(LSD)檢驗。利用羅基斯特方程模擬苜蓿生物量累積和氮素吸收規律。運用R 4.0.2進行統計分析和作圖,用到的軟件包包括ggplot2、magrittr、ggpubr、agricolae、Rmisc和ggalt。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對苜蓿株高和生物量的影響

不同生長時期各施氮處理間苜蓿株高表現不同(圖1)。苜蓿分枝前期到孕蕾期,各施氮處理苜蓿株高差異不顯著(P>0.05)?，F蕾期施氮處理(N3)下的苜蓿株高顯著高于不施氮處理(N0)(P<0.05)。初花期施氮處理(N2、N3)下苜蓿的株高顯著高于不施氮處理(N0)(P<0.05),分別提高了14.46%和13.73%。盛花期施氮處理(N2、N3)下苜蓿的株高顯著高于不施氮處理(N0)(P<0.05),在施氮量為45 kg/hm2(N2)時苜蓿的株高達到最大值(48.3 cm),且顯著高于N0處理,提高了11.55%。

注:數據柱形標注不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同圖1 不同生育期內不同施氮量的苜蓿株高

在一定施氮范圍內,不同水平的施氮量可有效增加苜蓿生物量(圖2),分枝期各施氮處理苜蓿生物量差異不顯著(P>0.05)。孕蕾期施氮量45 kg/hm2(N2)時的苜蓿生物量達到最大值(1 122.26 kg/hm2),顯著高于N0和N1處理(P<0.05),分別提高了61.32%和52.49%?，F蕾期到盛花期,各施氮處理較N0苜蓿生物量均有增加的趨勢。

圖2 不同生育期內不同施氮量處理的苜蓿生物量

2.2 不同施氮量對苜蓿氮素含量和氮素吸收量的影響

不同施氮量對苜蓿各生育時期氮素含量均有顯著影響,分枝前期到初花期苜蓿氮素含量隨著施氮量的增加呈逐漸升高的趨勢(圖 3)。分枝前期施氮量67.5 kg/hm2(N3)下苜蓿氮素含量達最大值(39.21 g/kg),顯著高于其它處理25.00%～39.29%(N2除外)(P<0.05)。孕蕾期到初花期,施氮量67.5 kg/hm2(N3)下的苜蓿氮素含量顯著高于其它處理80.95%～123.81%(P<0.05)。到盛花期,施氮量45 kg/hm2(N2)下的苜蓿氮素含量最高,為39.46 g/kg,顯著高于N0處理26.71%(P<0.05)。

圖3 不同生育期內不同施氮量處理的苜蓿氮素含量

各生育時期苜蓿氮素吸收量對施氮量的影響與氮素含量的響應類似(圖4)。苜蓿在分枝前期、孕蕾期和盛花期,氮素吸收量隨著施氮量的增加先增加后降低,施氮處理N2(45 kg/hm2)處達到最大值,分別為11.37 kg/hm2、46.68 kg/hm2和179.73 kg/hm2。各施氮處理在現蕾期顯著提高氮素吸收量;苜蓿初花期,N3處理較N0顯著提高氮素吸收量116.47%(P<0.05)。

圖4 不同生育期內不同施氮量處理的苜蓿氮素吸收量

2.3 不同施氮量對生物量累積增長速率和氮素吸收增長速率動態變化的影響

整個生育時期,各施氮處理苜蓿生物量累積逐漸增加,高于不施氮處理(N0)(圖5)。生物量累積的最大值出現在盛花期,整體表現為N2(4 622.67 kg/hm2)>N3(4 536.89 kg/hm2)>N1(4 123.11 kg/hm2)>N0(3 344.89 kg/hm2)。施氮量為45 kg/hm2(N2)時的生物量累積增長速率逐漸增加,到盛花期達到最高(156.26 kg/hm2/d),其余施氮處理生物量累積增長速率先增加后降低,在9月18日(播種后70 d)達到最大值。

圖5 不同施氮量處理下苜蓿地上生物量和氮吸收累積量及其增長速率

各施氮處理氮素吸收累積逐漸增加,高于不施氮處理(N0)(見圖5),到盛花期達最大值,整體表現為N3(123.44 kg/hm2/d)>N2(108.55 kg/hm2/d)>N1(87.84 kg/hm2/d)>N0(74.03 kg/hm2/d)。各施氮處理苜蓿氮素吸收累積增長速率先增加后降低,高于不施氮處理(N0)(見圖5)。施氮量為45 kg/hm2(N2)時的氮素吸收累積增長速率在9月23日(播種后75 d)達到最大值,為2.44 kg/hm2/d;其它施氮處理(N0、N1、N3)均在9月13日(播種后65 d)達到最大值。

2.4 不同施氮量對苜蓿氮素利用效率和偏生產力的影響

苜蓿氮素利用效率和偏生產力受取樣時期和施肥量的影響(見表2)。不同施氮處理對氮素利用率的影響僅出現在分枝前期,N1較N3顯著提高氮素利用率473.53%(P<0.05)。

表2 不同施氮量的紫花苜蓿氮素利用率和偏生產力 單位:%

隨著生育期增加,各施氮處理偏生產力不斷增加;各生育時期,施氮量為22.5 kg/hm2(N1)處理偏生產力具有最大值,各施氮處理偏生產力從高到低的排序為N1 >N2 >N3。

3 討論

本研究表明,苜蓿分枝期到孕蕾期,各施氮處理苜蓿株高差異不顯著(P>0.05);初花期到盛花期,施氮處理(N2、N3)下的苜蓿株高顯著高于不施氮處理(N0)(圖1)。王德勝等[18]研究表明,隨施氮量增加苜蓿株高不斷升高,其中T2(37.5 kg/hm2)和T3(75 kg/hm2)處理的效果顯著(P<0.05)。萬里強等[19]研究表明,在初花期N30處理(30 kg/hm2)、N60(60 kg/hm2)和N90(90 kg/hm2)苜蓿株高較不施氮(N0)分別增加了17.06%,25.00%, 21.40%,這與本研究結果一致。一方面可能是氮素的投入主要促進根系生長,光合作用所產生的大部分碳水化合物用于根系的生長,而發達的根系生長是營養生長的重要基礎[20]。另一方面苜蓿生育前期根瘤菌的固氮能力較弱,不能滿足其生長需求, 施氮促進了苜蓿的生長[19]。

干物質是衡量植物有機物積累、營養成分多寡的一個重要指標[6],受自然環境條件、栽培手段、管理措施等多種因素的影響[21],其中氮肥的施用是提高苜蓿生物量的有效措施之一。研究發現施用氮肥可以獲得較高的苜蓿產量,增產約12.4%～22.5%[22]。本研究結果也發現苜蓿生長前期,各施氮處理可以提高苜蓿生物量,到生長后期,苜蓿生物量均達到最高,且施氮處理(N2、N3)生物量差異不顯著,說明N2(45 kg/hm2)處理可滿足現有的生物量水平。王茜等[23]在長江中下游農區開展施氮對紫花苜蓿生長試驗發現,適量施氮可以促進苜蓿生長和地上部干物質積累,過多施氮不利于地上部干物質積累,這與本研究結果一致。本研究表明不同生育時期施氮量處理苜蓿生物量累積不斷增加,均在苜蓿盛花期達到最大值,且N2處理的生物量累積最大。胡偉等[24]研究也證實了紫花苜蓿產量隨施氮量的增加而增加,當施氮量增加到一定值時,繼續施用氮肥并未顯著提高苜蓿產量。在苜蓿生產中,人們往往增加氮肥用量來提高產量,但由于過多施用氮肥往往不利于地上干物質積累,這是由于氮肥用量的增加會增加氨態氮的損失并降低對氮的消耗[25],進而導致高氮水平下苜蓿生物量降低。本研究發現施用氮肥可增加苜蓿生物量累積,N3(67.5 kg/hm2)和N1(22.5 kg/hm2)處理在生長后期苜蓿生物量增長速率有明顯下降的趨勢,而N2(45 kg/hm2)在整個生長時期苜蓿生物量增長速率不斷增加。N2處理下苜蓿延遲刈割可獲得較高生物量,施氮量對苜蓿最佳刈割時期的影響有待研究。

氮素積累可直接影響紫花苜蓿營養物質積累和粗蛋白的含量。本研究發現苜蓿各生育期施氮處理苜蓿氮素含量顯著高于不施氮處理,表現為分枝期到初花期N3(67.5 kg/hm2)處理氮素含量均高于其它處理,到盛花期N2(45 kg/hm2)處理高于其它處理。韓思訓等[10]在河北試驗發現施用氮肥可以增加苜蓿氮素累積量,王靜等[26]的研究也發現,紫花苜蓿的氮積累量在不同生育時期內呈現先上升后下降的趨勢,這與本研究結果相符。主要因為紫花苜蓿根系發達,加大根瘤菌侵染的機會,使其根系形成較多的根瘤,進一步增加氮素積累[24],此外,由于過多的氮素脅迫,會導致植物生理功能的衰退,進而影響植株內氮素的轉運,并且過高的氮環境還會對其結瘤固氮以及氮素的轉化產生抑制作用,最終導致植株體內氮積累量有所減少[26,27]。本研究發現各施氮處理在苜蓿生長前期可增加苜蓿氮素吸收量,苜蓿生長后期氮素吸收量有下降趨勢,且N2處理氮素吸收量達到最大,這與王靜等[26]研究結果相符,主要是因為在苜蓿生長后期本身可以固氮,使得氮素吸收速率有所降低。

4 結論

與其他施氮處理相比,N2處理趨于增加苜蓿生物量和氮素吸收增長速率、降低氮素利用效率,實現氮素累積和氮素利用效率的協同提高。因此,在科爾沁沙地苜蓿生產中,推薦施用45 kg/hm2作為最佳施氮量利于“減肥增效”的實現。然而,本研究是在單個地點且僅在苜蓿建植當年開展,缺乏區域尺度和長期監測數據,減量施用氮肥能否保持苜蓿高產、穩產和可持續性生產,還有待進一步研究。