氮素運籌對皖草2號和墨西哥玉米吸收Ca、Mg、S的影響

張曉艷，王麗麗，朱建華，董樹亭，劉鋒＊

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學院科技信息工程技術研究中心，山東 濟南250100；2.山東省作物生物學重點實驗室山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山東 泰安271018）

＊礦物質(zhì)微量元素是動物必需的養(yǎng)分之一，具有不可替代的生理生化作用，它是動物體細胞和組織特別是骨骼形成的最主要成分，它能調(diào)節(jié)血液及淋巴滲透壓的恒定，保證細胞獲得營養(yǎng)，維持血液的酸堿平衡等［1］。動物所需的礦物質(zhì)營養(yǎng)是從飼草料中獲得的，飼草中礦質(zhì)元素含量的高低對食草動物的生長有影響。植物體內(nèi)的鈣是根系主動和被動吸收的，缺鈣分生組織的生長變慢，一方面鈣向快速生長的部位輸送，另一方面植物又通過各種機制限制鈣向這些組織轉移。鎂是植物葉綠素的組成成分，缺鎂將影響葉綠素的形成。鎂對動物營養(yǎng)比植物營養(yǎng)更為重要，牛羊喂的牧草如果含鎂量低，可以引起牛、羊的痙攣癥，為了防止動物的缺鎂痙攣癥，飼料必須保證足夠的鎂含量。硫是很多蛋白質(zhì)的重要成分，是一切植物和動物的必需元素，植物吸收的硫，主要是無機硫酸鹽，在體內(nèi)轉化成有機硫化物即含硫氨基酸，通過食物鏈，動物消化含硫蛋白質(zhì)，并將無機硫排出體外。

雜交蘇丹草（Sorghum）和墨西哥玉米（Zeamexicana）是生產(chǎn)上利用的主要禾本科牧草，雜交蘇丹草產(chǎn)量高、品質(zhì)好、抗逆性強、具有較好的適應性，在畜牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)及資源利用與環(huán)境保護上有著廣闊的開發(fā)利用前景［2，3］。墨西哥玉米又名大芻草，是遺傳穩(wěn)定的青飼料類玉米新品種，具有抗病蟲、耐肥水、喜高溫、分蘗和再生能力強，產(chǎn)量高，飼用價值高等優(yōu)點［4］，在我國因物候期不同表現(xiàn)為多年生和一年生。之前對皖草2號和墨西哥玉米的報道多是在形態(tài)學、產(chǎn)量及基本營養(yǎng)品質(zhì)方面［5－7］。氮素運籌對飼用作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響有很多報道［8－12］。對礦質(zhì)元素的研究多注重其對動物的生理作用方面，然而植物性飼料中微量元素含量變化較大，而且影響飼料中礦質(zhì)元素的因素也較多，包括土壤因素、作物因素、人為因素及其他因素等［13］。張淑香等［14］和曾清如等［15］認為，增施氮肥和磷肥會在一定程度上改變土壤中Fe、Zn、Cu、Mn等元素的有效性；程淑貞和解淑云［16］、張睿等［17］報道，增施氮肥可以影響啤酒大麥（Hordeumuhulgare）和小麥（Triticumaestivum）籽粒中Fe、Cu、Zn、Mn等微量元素的含量；伍時照等［18］指出，增施有機肥是提高稻米微量元素含量的有效措施。但關于氮肥對牧草中Ca、Mg、S元素含量的影響少見報道。本研究通過田間試驗，探討了氮肥施用量和施用時期對皖草2號和墨西哥玉米植株中Ca、Mg、S元素含量、積累量、產(chǎn)量的影響，Ca、Mg、S元素含量與牧草生物量的關系，以探明牧草吸收礦質(zhì)營養(yǎng)的規(guī)律以及植株礦質(zhì)元素含量與再生的關系，以期為皖草2號和墨西哥玉米優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2008－2009年在山東泰安中國黃淮海區(qū)域玉米技術創(chuàng)新中心進行，試驗地點位于北緯36°09′，東經(jīng)117°09′，屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，四季分明，光照充足，年日照2 611 h，年平均氣溫12.8℃，無霜期約200 d，年降水量701.6 mm。

1.2 試驗設計

供試材料為皖草2號（雜交蘇丹草的一種）和墨西哥玉米。均按照生產(chǎn)上的適宜密度種植，分別為皖草2號30.0萬株／hm2［19］和墨西哥玉米40 005株／hm2［4］。采用大田小區(qū)栽培，小區(qū)面積18 m2，3次重復，隨機排列。氮肥處理見表1。土壤基礎肥力：有機質(zhì)含量為1.64%，全氮含量為 0.069%，堿解氮為 103.44 mg／kg，速 效 磷 為 35.61 mg／kg，速 效 鉀 為 61.09 mg／kg。從6月10日到10月10日，2種牧草各收獲3次，每次留茬25 cm。N3和N4處理刈割后當天澆水、施肥。樣品稱鮮重后于105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，粉碎后過40 mm篩，供室內(nèi)分析備用。

1.3 礦質(zhì)元素的測定方法

準確稱取植株樣品0.400 0 g左右，每個樣品稱取3份，分別置于不同消化管中，加入混合酸（VHNO3∶VHClO4＝4∶1）5.00 m L，搖勻放置過夜，于次日在消煮爐上低溫分解，消煮過程中加入2～3滴H2O2，待溶液中棕色煙霧消盡，消煮至溶液清亮為止，冷卻后用去離子水定容至25 m L，搖勻后待測Ca、Mg、S含量。在測定前配制標準曲線溶液，標準溶液酸的濃度與消煮液酸的濃度相同，然后按空白、標樣和待測樣品順序直接利用ICPS－7500等離子體發(fā)射光譜儀測定。礦質(zhì)元素含量計算如下式：

其中，X為樣品中養(yǎng)分含量（mg／g）；D為樣品測定值（m L／L）；B為空白值（m L／L）；m為樣品質(zhì)量（g）。

1.4 統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2000進行數(shù)據(jù)處理；用SPSS統(tǒng)計軟件進行方差分析及多重比較（P＝0.05）。

2 結果與分析

2.1 氮素對植株礦質(zhì)元素含量的影響

皖草2號Ca、Mg含量高于墨西哥玉米，而S含量低于后者，平均低0.414 mg／g，兩者Ca和S含量差異達到顯著水平（表2）。皖草2號全株Ca、Mg和S含量N1處理最高，分別為11.135，2.172和2.030 mg／g，對照Ca含量最低，為9.569 mg／g，一次性基施低氮處理顯著高于施氮量高的處理，分次施肥處理施氮量對其Ca、Mg、S礦質(zhì)元素含量影響差異不顯著。墨西哥玉米N1處理Ca、Mg、S含量最高，一次性施肥處理施氮量對Ca、Mg含量影響差異不顯著。兩者葉片中Ca和S含量高于莖，莖Mg含量高于葉片。

2.2 不同收獲期植株礦質(zhì)元素含量變化

皖草2號頭茬草Ca、Mg、S元素含量高于第3次收獲草，且莖Ca和Mg元素含量高于葉片，S含量低于葉片（表3）。墨西哥玉米植株Ca含量隨收獲次數(shù)增加而升高，Mg和S元素含量在第2次收獲時最高，頭茬草最低，Ca和S葉片含量高于莖。皖草2號頭茬草3種礦質(zhì)元素含量均高于墨西哥玉米，墨西哥玉米再生草的Mg和S元素含量高于皖草2號。

2.3 氮素對單株礦質(zhì)元素累積的影響

墨西哥玉米單株Ca、Mg、S的累積量顯著高于皖草2號，且葉片累積量高于莖，在墨西哥玉米上表現(xiàn)更加顯著（圖1）。兩者一次性低施氮量處理單株Ca、Mg、S累積量較高。皖草2號N4處理3種礦質(zhì)元素累積量高于N3處理，而墨西哥玉米分次施肥處理2種施氮水平差異不顯著。總之，皖草2號N4處理各礦質(zhì)營養(yǎng)累積量最高，墨西哥玉米N1處理最高。墨西哥玉米礦質(zhì)元素累積量高于皖草2號是由于其單株生物量較大的原因。

表2 氮素對皖草2號和墨西哥玉米礦質(zhì)元素含量的影響Table 2 Effects of nitrogen on contents of mineral elements in Wancao 2 and Z.mexicana mg／g

表3 不同收獲期植株礦質(zhì)元素含量的變化Table 3 Variation of mineral elements in plants at different harvesting stages mg／g

2.4 氮素對植株礦質(zhì)元素產(chǎn)量的影響

皖草2號Ca、Mg、S各礦質(zhì)元素產(chǎn)量顯著高于墨西哥玉米，葉片礦質(zhì)元素產(chǎn)量高于莖，墨西哥玉米這種差異表現(xiàn)更為突出，是由于其葉片占全株的干重比例較大（圖2）。皖草2號分次施肥處理各礦質(zhì)元素產(chǎn)量高于一次性施肥處理，且分次施肥處理施氮量增加礦質(zhì)元素產(chǎn)量顯著升高，一次性施肥處理與之相反。墨西哥玉米氮肥處理各礦質(zhì)元素產(chǎn)量均高于對照，一次性施肥處理施氮量增加產(chǎn)量降低，分次施肥處理施氮量對礦質(zhì)元素產(chǎn)量影響差異不顯著。這種差異的原因是由于干物質(zhì)產(chǎn)量和植株體內(nèi)礦物質(zhì)含量共同作用的結果。

圖1 氮素對鈣、鎂、硫元素積累量的影響Fig.1 Effects of nitrogen on accumulation of calcium，magnesium and sulfur

圖2 氮素對鈣、鎂、硫元素產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of nitrogen on output of calcium，magnesium and sulfur

2.5 再生草礦質(zhì)元素累積速率

墨西哥玉米各礦質(zhì)元素的累積速率均高于皖草2號，且Ca的累積速率最大（圖3）。兩者再生草Ca、Mg、S礦質(zhì)元素累積速率均是逐漸下降的，Ca的下降速率最大，Mg和S下降速率較平緩。皖草2號Mg和S累積速率基本一致，墨西哥玉米S的累積速率高于Mg元素。

2.6 礦質(zhì)元素含量與生物量的關系

為探討礦質(zhì)元素含量與生物量之間的關系，以鈣元素含量（X1）、鎂元素含量（X2）、硫元素含量（X3）為自變量，以單株生物量為因變量進行逐步回歸分析，得到回歸方程：

皖草2號植株Ca含量對單株生物量影響最大，決策系數(shù)為0.936 9，其次為S，Mg元素含量影響最小（表4）。墨西哥玉米3種礦質(zhì)元素對生物量的作用順序為S＞Mg＞Ca，決策系數(shù)分別為8.996 6，3.024 6和0.015 2。皖草2號和墨西哥玉米3種礦質(zhì)元素含量對其生物量的影響均為正效應，不同礦質(zhì)元素與牧草生物量相關程度的大小是由于基因型不同還是受氮素調(diào)控的影響有待于進一步深入研究。

圖3 2種飼用作物再生草Ca、Mg、S累積速率比較Fig.3 Comparison on accumulation rate of calcium，magnesium and sulfur in regenerated grass of Wancao 2 and Z.mexicana

表4 植株礦質(zhì)元素含量與單株生物量通徑分析Table 4 Path analysis of mineral element content to biomass of single plant

2.7 礦質(zhì)元素間的相關系數(shù)

皖草2號Mg含量與S和Ca含量的相關性達到極顯著或顯著水平，相關系數(shù)分別為0.961 6和0.900 8（表5）；墨西哥玉米各元素含量間相關性不顯著。2種牧草3種礦質(zhì)元素累積量間的相關性均達到極顯著水平。

表5 礦質(zhì)元素含量、累積量的相關系數(shù)Table 5 Correlation coefficients of contents and accumulations between mineral elements

3 結論與討論

動物體內(nèi)必需的礦物質(zhì)元素分為常量元素和微量元素，通常把存在于動物體內(nèi)大于50 mg／kg的元素稱為常量元素。Ca、Mg、S就是常量元素中的3種。礦質(zhì)元素在細胞體內(nèi)都具有一種或多種催化功能，如鈣是骨骼的主要成分；鎂在催化、電化學及結構等方面都具有重要作用，硫為合成結構蛋白所必需。文建成等［20］研究認為，糙米鐵、鋅礦質(zhì)元素含量明顯受基因型、環(huán)境及二者互作的影響，研究發(fā)現(xiàn)在增施氮肥條件下，雜交粳稻滇雜31比常規(guī)粳稻南34攝取更多鐵、鋅礦質(zhì)元素，可能是由于雜交稻能忍耐較高的肥力條件、生長勢強和根系發(fā)達，促進了礦質(zhì)元素的攝取。王春枝等［21］研究認為，紅富士蘋果不同施肥處理對葉片中的礦質(zhì)元素含量都有促進增加的作用，葉片中氮、磷、鉀、鐵、錳、銅6種元素的含量明顯高于不施肥處理。其中，以施用氮磷鉀肥處理的葉片6種元素的含量最高，且氮肥對葉片中氮、鐵、錳、銅含量的影響最大。

多數(shù)礦物質(zhì)元素是隨食物鏈進入動物體內(nèi)的，對于食草動物來說，草料中礦質(zhì)元素含量的高低對其生長發(fā)育有直接或間接的關系。因此，本研究進行了氮肥對皖草2號和墨西哥玉米植株礦質(zhì)元素含量、積累量以及產(chǎn)量影響的研究。結果表明，皖草2號和墨西哥玉米N1處理（底施300 kg／hm2）Ca、Mg和S含量最高，說明氮素運籌對此2種牧草從土壤中吸收Ca、Mg和S礦質(zhì)元素有一定的影響，施氮量高反而降低了植株中Ca、Mg和S三種礦質(zhì)營養(yǎng)的含量，具體原因還有待于進一步對植株進行Ca、Mg和S元素吸收的機理進行探討。皖草2號頭茬草3種礦質(zhì)元素含量均高于墨西哥玉米，說明皖草2號頭茬草的礦質(zhì)營養(yǎng)價值高于墨西哥玉米，由于墨西哥玉米單株生物量較大，因而其Ca、Mg、S積累量顯著高于皖草2號。皖草2號Ca、Mg、S礦質(zhì)元素產(chǎn)量顯著高于墨西哥玉米，葉片礦質(zhì)元素產(chǎn)量高于莖，墨西哥玉米這種差異表現(xiàn)更為突出，是由于其葉片干物質(zhì)占全株比例較大的原因。墨西哥玉米氮肥處理各礦質(zhì)元素產(chǎn)量均高于對照，這種差異的產(chǎn)生是干物質(zhì)產(chǎn)量和植株體內(nèi)礦物質(zhì)含量共同作用的結果。通過對2種牧草Ca、Mg、S礦質(zhì)元素含量與生物量進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)皖草2號植株Ca含量與單株生物量關系最大，其次為S；墨西哥玉米3種礦質(zhì)元素與生物量的作用順序為S＞Mg＞Ca，3種礦質(zhì)元素與2種牧草單株生物量的相關性均為正相關，即隨著礦質(zhì)元素含量的升高，單株生物量增加。說明不同作物由于基因型差異，對各種礦質(zhì)元素吸收能力不同，且由于生物量的大小，表現(xiàn)出各礦質(zhì)元素含量的差異，至于施氮量對礦質(zhì)元素吸收的影響機理還有待于進一步探討。盡管目前對作物礦質(zhì)營養(yǎng)元素的高效吸收和向植株各器官運輸?shù)纳頇C制還缺乏深入了解，但從農(nóng)業(yè)栽培技術措施上促進作物礦質(zhì)元素的有效吸收和積累值得研究。

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