氮素調控對邊際土地甜高粱生長與微量元素吸收的影響

劉會玲+崔江慧

摘要： 以甜高粱為材料，通過田間試驗研究氮素調控對甜高粱生長及微量元素吸收與積累的影響。結果表明，氮素調控能促進甜高粱的生長，提高干物質積累量。甜高粱干物質在不同器官中的分配比例為莖稈>葉片、穗，莖桿干質量占植株地上部總質量的50%以上。不同品種甜高粱對氮素的響應因品種而異，3個品種的最佳氮素施用量分別為165、158、357 kg/hm2，190111品種、cp090155品種的氮素需求較少；cp115品種的氮素需求較多，增產潛力較大。微量元素含量和吸收量高低依次順序均為Fe>Zn>Mn>Cu。植株不同時期的Fe-Cu、Fe-Mn、Mn-Cu之間含量、吸收量均存在極顯著的線性正相關關系。氮素的施用，對甜高粱微量元素含量的影響因品種而異，表現出上升、下降或先上升后下降等多種趨勢；微量元素吸收量隨氮素施用量的增加呈先上升后下降的變化趨勢。

關鍵詞： 甜高粱；氮素控制；邊際土地；微量元素；干物質積累量；分配

中圖分類號： S143.1；S514.06 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0069-04

甜高粱[Sorghum bicolor（L.）Moench]是普通粒用高粱的一個變種，品種多、分布廣，具有抗逆性強、適應性廣等特點，能夠在易旱、易澇、鹽堿、貧瘠土地上種植，生產潛力大、生物學產量高、糖分含量高，是高效能植物。甜高粱用途廣，可生食或用作糧食、飼料、釀造、生產燃料乙醇，可用于合成樹脂、橡膠、降解塑料，提取紅色素用于化妝品、食品工業，更是優質紙張和建材的綠色原材料[1]。

甜高粱在丘陵、山地等邊際土地生長良好，不與糧食作物爭地，能在生產條件較差的環境下獲得較好的經濟、社會、生態效益[2]。甜高粱對水分需要量較少，生產1 000 g干物質僅耗水320 g，為小麥、大豆耗水量的1/2；甘蔗的1/3，比甜菜少[3]。種植甜高粱比種植玉米、大豆產值可提高20%左右。甜高粱乙醇轉化率高，是一種能替代糧食生產燃料乙醇的重要能源作物。可再生能源發展“十一五”和“十二五”規劃中明確指出，在東北、山東等劣質土地資源豐富的地區，合理開發鹽堿地、荒草地、山坡地等邊際土地，集中種植甜高粱，發展以甜高粱莖稈為主要原料的燃料乙醇。合理種植甜高粱，具有增加植被、綠化荒坡、防風固沙、降低鹽堿等作用，可減少水土流失，有利于水土保持[4]；同時可以減少二氧化碳、二氧化硫等有害氣體排放對環境造成的污染，對減少大氣污染、控制 溫室效應、改善環境具有重大意義[1，3]。

微量元素與人和動物健康密切相關。鐵缺乏可導致缺鐵性貧血；缺銅會影響鐵的吸收，從而引起貧血；缺鋅可導致味覺嗅覺障礙、生長發育障礙、神經精神障礙、傷口愈合不良等，缺鋅病人常伴隨鐵缺乏；錳缺乏可致骨骼畸形、動脈硬化等[5-6]。甜高粱富含多種微量元素，其莖稈汁液是一種營養全面的天然飲料，不僅礦物質和氨基酸、維生素含量豐富，而且容易被人體吸收[7]。甜高粱作為飼料，營養價值高，適口性好，易消化，且種植簡便，生物產量比玉米高出0.5～1.0倍，用甜高粱青貯喂奶牛比喂玉米的產鮮奶量日增產850～1 850 g/頭[1]。甜高粱作為新興的糖料、飼料和能源作物，越來越受到人們重視。目前，甜高粱施肥研究多集中于施肥對產量和糖含量的影響[4，8-12]，邊際土地上施肥對甜高粱微量元素吸收的影響尚未見報道。通過田間試驗，探討氮素調控對甜高粱微量元素吸收、積累的影響，為邊際土地利用和甜高粱生產服務。

1 材料與方法

1.1 材料

供試甜高粱品種有3個，分別為品種1（090111）、品種2（cp090155）、品種3（cp115）。

1.2 試驗設計

試驗于2013年6—10月在河北農業大學三分廠進行，試驗地為撂荒地，沙質壤土，肥力較低，土壤pH 值8.00，有機質含量10.4 g/kg，全氮含量0.59 g/kg，速效磷含量8.0 mg/kg，速效鉀含量83.2 mg/kg。試驗共設4個處理，分別為N0不施氮肥、N1施純氮75 kg/hm2、N2施純氮150 kg/hm2、N3施純氮225 kg/hm2；氮肥40%底施，60%追施拔節期。每個處理重復3次，隨機區組排列。6月25日播種，小區面積 18 m2，行距0.6 m，株距0.2 m。適時間苗、中耕、除草、灌溉、防病、治蟲，10月21日收獲。

1.3 取樣與分析測定

7月20日苗期、8月5日拔節期、8月20日孕穗期、9月5日抽穗期、9月25日灌漿期、10月21日收獲期，每個處理分別選取代表性植株3 株，帶回實驗室。分莖稈、葉片（包括葉鞘）、穗裝在紙袋里，105 ℃殺青30 min，然后70 ℃烘干后稱質量。2014年3—5月進行樣品處理和微量元素測定。樣品經粉碎混勻后，于550 ℃干灰化，用1 ∶ 1硝酸溶解后定容至50 mL，過濾，用島津AA-6300測定微量元素含量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003軟件進行數據處理與分析。

2 結果與分析

2.1 氮素對甜高粱干物質積累與分配的影響

從圖1可以看出，3個品種不同時期的植株干物質積累量均表現為施用氮素的處理干物質積累量較N0處理高，表明氮素的施用，促進了甜高粱的生長，提高了各生育時期植株干物質積累量。氮素施用，使品種1收獲期干物質積累量較N0處理提高了15%～18%，品種2提高了6%～24%，品種3提高了23%～43%。不同品種干物質積累量總體趨勢大致相同，干物質累積量均隨生育期的推進而增加；不同品種干物質積累量略有差異，苗期差異不大，拔節期之后，差異逐漸增大；在完全不施肥的情況下，品種1的干物質積累量較大，其次是品種2，品種3較小。收獲期甜高粱干物質在不同器官的分配比例為莖稈>葉片、穗、莖桿干質量占植株地上部總質量的50%以上（圖2）。

品種1、品種2的干物質累積量隨氮素用量的呈增加先上升后下降趨勢，品種3干物質累積量呈持續上升趨勢。對收獲期的甜高粱干物質積累量與氮素施用量進行分析，結果3個品種的植株干物質累積量與氮素施用量之間關系可以用方程進行擬合：品種1，y=-0.001 3x2+0.438 6x+20493；品種2，y=-0.001 3x2+0.419 8x+163.57；品種3，y =-0.000 6x2+0.395 8x+151.37。根據以上方程得出3個品種的最佳氮素施用量，分別為165、158、357 kg/hm2。表明不同甜高粱品種對氮素需求和響應不同。品種2、品種1氮素需求較少，品種3氮素需求較多，氮素增產潛力較大。

2.2 氮素對甜高粱微量元素含量的影響

從圖3可以看出，不同品種甜高粱的微量元素含量，均表現為Fe>Zn>Mn>Cu。綜合分析植株不同時期的微量元素含量發現，Fe-Cu、Fe-Zn、Fe-Mn、Mn-Cu之間存在極顯著的線性正相關關系。氮素施用對甜高粱不同品種微量元素含量影響各不相同。品種1中Fe、Mn、Cu含量隨氮素的施用呈先上升后下降的趨勢，Zn含量隨氮素的用量增加而降低；品種2的Fe、Cu含量隨氮素的增加而上升；品種3的 Zn、Cu含量隨氮素的施用呈現先上升后下降的趨勢，Fe、Mn含量隨氮素的用量增加而降低。

2.3 氮素對甜高粱微量元素吸收的影響

從圖4可以看出，甜高粱微量元素吸收量表現出與其含量相似的趨勢，均為Fe>Zn>Mn>Cu，鐵吸收量較多，其次是鋅、錳，銅最少。氮素施用， 提高了甜高粱對鐵、錳、銅的吸收量，對鋅吸收量的影響因品種而異。綜合分析植株不同時期的微量元素吸收量發現，Fe-Cu、Fe-Mn、Mn-Cu之間存在極顯著的線性正相關。隨著氮素施用量的增加，微量元素吸收量呈先上升后下降的變化趨勢。不同品種的微量元素吸收量不同，品種1在N1水平下吸收量最高，品種3在N2水平下吸收量最高。

3 討論與結論

3.1 甜高粱干物質積累與分配

甜高粱具有較大的遺傳多樣性和變異性，由于地域和種質資源的不同，不同品種的生育期、含糖量和生物量都存在很大差異，籽粒、秸稈產量的變異系數分別為42.1%、505%[13]。本試驗中3個甜高粱的干物質積累量存在差異，收獲期變異系數為9.82%～17.78%之間，說明甜高粱品種存在遺傳差異性。高產型甜高粱品種成熟期物質分配比例為莖稈>葉片>穗，有利于獲得較高的秸稈產量，同時保障葉源量大、葉片光合同化物供應能力較強[14]。本試驗中3個甜高粱收獲期的干物質積累量與分配比例總體表現為莖稈>葉片、穗，莖桿干質量占植株地上部總質量的50%以上，能獲得較高的莖稈生物量。

3.2 氮素調控與甜高粱生長

氮是限制植物生長和產量形成的首要因素，氮肥對甜高粱草產量和效益影響最大[15]。遼寧撫順污灌區試驗表明，氮磷鉀三要素中，氮對提高甜高粱總糖和生物量作用最大[16]。江蘇大豐市金海農場鹽堿地試驗結果顯示，限制甜高粱產量的肥料因子依次是氮肥、磷肥、鉀肥[17]。施肥對甜高粱的產量產生顯著影響，施氮肥顯著提高甜高粱葉、莖及總干物質、穗質量、穗長[18]。但是在肥力良好的土壤上，甜高粱施用氮肥產量效益和氮素利用效率低，增產效果不顯著，不建議施用氮肥，這是甜高粱節肥的優良特性，有利于減少能源作物生產投入[12]。

氮肥適量才能提高甜高粱產量，過量反而會降低產量。本試驗設定了4個氮素水平，N2為指導最佳施肥量，N3為過量施肥水平。眾多研究表明[9，12，15，17-18]，將氮素指導最佳施肥量確定為150 kg/hm2。本試驗中3個品種的最佳氮素施用量分別為165、158、357 kg/hm2；其中品種1、品種2最佳用量非常接近試驗中指導最佳施肥量，品種3最佳用量則超出了試驗用量最高水平。說明不同品種甜高粱對氮素的響應不同，在氮素利用方面存在較大差異。生產氮肥要消耗大量能源，而且肥料施用后，容易通過氨揮發和硝態氮淋失等途徑損失，肥料利用率低、浪費嚴重，甚至會有負面的環境效應。目前，許多學者都在進行肥料減施增效研究。生產中應根據不同甜高粱品種進行肥效試驗，確定適宜用量進行合理氮素調控，以免盲目施肥造成肥料浪費或施肥不足不能完全發揮作物的增產潛力，實現以適宜投入獲得較高的產出。因此，在節約資源、保護環境前提下，不同品種甜高粱氮素調控的適宜范圍還有待于進一步研究。

3.3 氮素調控與甜高粱微量元素含量

微量元素含量受作物自身遺傳性狀控制和人為栽培措施的影響，因植物種類、植株部位、成熟狀況、土壤條件等因素而異[19-20]。大多數植物的含鐵量在100～300 mg/kg（干質量），含銅量在5～25 mg/kg，含鋅量為25～150 mg/kg，微量元素含量順序大致為Fe>Zn>Cu[21]。水稻糙米、小麥籽粒微量元素含量趨勢均為Fe>Mn>Zn>Cu[22-23]；中國不同產區大豆Fe、Zn、Mn、Cu含量地區間差異較大，含量高低順序依次為 Fe>Zn>Mn>Cu[24]。水稻糙米微量元素含量Zn-Mn、Fe-Cu、Zn-Cu間呈極顯著正相關[22]。大豆Zn-Cu含量存在極顯著正相關[24]。本試驗中，甜高粱微量元素含量趨勢為Fe>Zn>Mn>Cu，不同時期Fe-Cu、Fe-Zn、Fe-Mn、Mn-Cu間含量也表現出極顯著正相關關系。

施用氮肥，影響作物的微量元素含量；小麥籽粒銅含量提高，鐵含量降低[23]。菜用大豆籽粒中的Mn、Fe含量，稻米中Fe、Zn、Cu、Mn含量均隨著施氮量增加先上升后下降[25-26]；本試驗中，氮素用量對甜高粱微量元素影響各不相同，有的元素含量隨氮素用量增加呈現上升或先上升后下降的趨勢，有元素含量隨氮素的用量增加而降低。

3.4 氮素調控與甜高粱微量元素吸收

干旱條件下表施尿素，在N用量為150～270 kg/hm2范圍內，隨氮素用量增加，耕層有效鐵含量降低，銅、鋅、錳含量提高，在一定程度上改變了土壤中Fe、Mn、Cu、Zn等元素的有效性，從而影響作物對微量元素的吸收[27]。施用N肥，小麥籽粒Fe、Mn、Cu、Zn吸收量顯著增加[23]；菜用大豆籽粒的Mn、Fe吸收量隨施氮量的增加先上升再下降[26]。在本試驗中，甜高粱微量元素吸收量隨著氮素施用量的增加呈現先上升后下降的趨勢；不同品種的微量元素吸收量為Fe>Zn>Mn>Cu，與微量元素含量趨勢一致。

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