施氮對狼尾草在南方貧瘠旱坡地生長、能源品質及氮肥利用率的影響

李韋柳，覃維治，熊軍，韋民政，唐秀樺，閆海鋒

(廣西農業科學院經濟作物研究所，廣西 南寧 530007)

在能源植物開發與利用的過程中，我國鼓勵利用荒山、荒地等邊際土地資源發展生物質原料，在不影響現有糧食和經濟作物種植結構的前提下，利用宜耕邊際性土地資源發展能源作物是解決中國能源危機和環境污染的一條重要途徑，是中國今后很長時期內生物質能源工程的重要發展方向。相對于其他農作物或能源木本植物，能源草具有適應性強，不與糧爭地，生長周期短，干物質產量高，建植和田間管理成本低，能量回報率高，釋放物污染少等突出優勢。因此，利用邊際土地適當開發、推廣種植能源草，既有利于拓展生物質能的給料來源，改善能源結構，又可提高土地的利用率，改良環境質量。狼尾草(Pennisetumalopecuroides)是能源草作物中種植應用最廣的種屬植物之一，其能源品質尤為突出，是理想的木質纖維素類能源作物[1-3]，可通過化學或生物轉化等方法制造乙醇或沼氣[3-7]，也可通過直接燃燒、致密成型燃燒及熱裂解制生物油、生物炭與生物氣等方式利用[2-4,8-9]，在荒山、荒坡地等邊際土地上進行規模化種植與開發利用，可以有效解決生物質能源與糧爭地及原料單一等問題，開發應用前景非常廣闊。因此，針對邊際土地類型和生境條件制定栽培管理措施，建立配套栽培管理技術，并對產量潛力和生物質品質特性進行系統評價，是狼尾草規模化種植與進一步開發利用的前提。

目前國內外關于氮素營養對狼尾草的研究較多，但大多將狼尾草作為飼用草多次刈割、生長期較短條件下的研究，且對狼尾草品質的研究主要集中在飼用營養品質(粗纖維、粗蛋白、硝酸鹽和草酸鹽等)方面[10-18]。在強調狼尾草作為能源植物開發，合理施用氮肥的研究方面，已有研究表明，施用氮肥對狼尾草株高、莖粗、分蘗數和產量等農藝性狀有促進作用[19-21]，且不同程度改善狼尾草能源品質，具體表現為糖類含量[20]、纖維含量[21-22]和C/N[22]增加，但過多增施氮無益于狼尾草產量和能源品質的改善。然而，狼尾草產量和能源品質的施氮量拐點受土壤條件、農藝措施和生育期的影響較大，研究結果難以確定不同基因型或能源利用目的的施氮量拐點。基于此，本研究在貧瘠旱坡地這一典型邊際土地開展能源型雜交狼尾草為期250 d的氮肥效應試驗，通過分析其生長特性、葉片相對葉綠素含量(SPAD值)、生物質產量、能源品質和氮肥利用效率等指標，探討其作為能源植物在南方貧瘠旱坡地生長對氮素的響應、明確最佳施氮量，為雜交狼尾草在華南地區邊際土地上作為能源植物的規模化種植與開發利用提供肥料效應方面的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

供試材料為狼尾草屬能源草新品系桂能草1號(Pennisetumglaucum×P.purpureum)[23]，試驗地點安排在廣西南寧市邕寧區那樓鎮旱坡地，之前未被人為耕作過，為典型的南方低山丘陵地帶，位于東經108°67′，北緯22°60′。屬南亞熱帶季風性氣候，日照充足，雨量充沛，冬暖夏熱，年平均氣溫為21.8 ℃，無霜期346 d，試驗地土壤為壤土，土質疏松，土壤pH為4.95，全氮、全磷、全鉀、有機質含量分別為0.032%、0.012%、0.785%、8.36 g·kg-1，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為29 mg·kg-1、19 mg·kg-1、42 mg·kg-1。于2014年4月8日按0.80 m×0.25 m設置株行距進行莖稈栽植，試驗設計為氮肥單因素試驗，共設4個處理，分別為N0：全生育期不施氮；N1：112.5 kg N·hm-2；N2：225 kg N·hm-2；N3：337.5 kg N·hm-2。每個處理設3個重復，共12個小區，每小區50 m2，采用隨機區組田間排列。肥源為尿素(N：46.4%)、硫酸鉀(K2O：50%)、鈣鎂磷肥(P2O5：12%；CaO：40%；MgO：8%)、固定磷肥(P2O5：112.5 kg·hm-2)和鉀肥(K2O：225 kg·hm-2)以基肥的形式在種植時一次性施完，氮肥1/2用量以基肥的形式施用，1/2用量在植后30 d以追肥的形式施用。

1.2 測定項目與方法

1.2.1株高、莖粗和SPAD調查 2014年，分別于種植后50 d(5月28日)、100 d(7月17日)、150 d(9月5日)、200 d(10月25日)和250 d(12月13日)每個小區隨機選取5叢并篩選出最壯植株測量株高(從地面至最高舌葉處的高度)、莖粗(離地面5 cm 處的最大直徑)，分別取平均值作為該小區的株高和莖粗。同時測定葉片SPAD值，利用日本美能達公司生產的葉綠素測定儀(SPAD-502)測定葉片的SPAD值，測定部位為代表性分蘗頂端倒數第3片葉，每片葉子在中部以葉脈作為對稱軸分別讀取兩側6個數據，同時注意避開葉脈部位，求平均值為該葉片的SPAD值，每個小區隨機選取10株進行測定。

1.2.2有效莖數、生物質產量調查 在收獲期(12月13日)每個小區隨機選取5.0 m×1.6 m樣方作為觀測點，統計分蘗數，計算單位面積的有效莖數，取平均值作為該小區的單位面積的有效莖數(條·hm-2)，并取狼尾草地上部莖葉，稱鮮重后粉碎，于烘箱內105 ℃下殺青15 min后在80 ℃下烘干至恒重，稱重，計算干草產量(kg·hm-2)和干物質含量(%)。

1.2.3纖維素含量、半纖維素含量、木質素含量、灰分含量、熱值的測定 每小區取狼尾草采收烘干后的混合樣品進行粉碎過篩(1 mm)，纖維素、木質素參照GB/T 20805-2006《飼料中酸性洗滌木質素(ADL)的測定》[24]，半纖維素參照GB/T 5009.88-2008《食品中膳食纖維的測定》[25]和GB/T 6434-2006《飼料中粗纖維的含量測定 過濾法》[26]，灰分參照GB/T 6438-2007《飼料中粗灰分的測定方法》[27]，發熱量參照GB/T 213-2008《煤的發熱量測定方法》[28]分別進行測定。

1.2.4生物質折算方式 生物質材料作為可再生能源，其不論以何種方式加以利用，均以單位面積所產出的生物質產量與熱值相結合進行分析才是具有實際意義的，因此本研究依據以下計算方式計算上述材料折合標準煤產量：

折合標準煤產量=(干物質產量×熱值)/標準煤熱值。式中，標準煤熱值為29.26 MJ·kg-1[29]。

1.2.5氮素含量測定 將烘干粉碎過篩后的狼尾草植株樣品按凱氏定氮法進行消煮[10]，后用KJELTEC2400/2460型凱氏定氮儀測定。以上述測定為基礎，計算狼尾草氮素吸收與利用效率，其評價指標參照黃秀聲等[13]和江立庚等[30]的方法進行，即：

植株總氮素積累量[total N accumulation (TNA)， kg·hm-2]=植株氮含量×植株干物質積累量

氮素回收效率[N recovery efficiency (NRE)]=(施氮區氮素吸收量-無氮區氮素吸收量)/施氮量×100%

氮肥農學利用率[N agronomy efficiency (NAE)， kg·kg-1]=(施氮區產量-對照區產量)/施氮量

氮肥生理效率[N physiological efficiency (NPE)， kg·kg-1N]=(施氮區產量-對照區產量)/(施氮區吸氮量-對照區吸氮量)

氮肥偏生產力[N partial factor productivity (NPFP)， kg·kg-1]=施氮區產量/施氮量

1.3 數據處理與統計分析

采用Excel 2013 和DPS 12.01 軟件進行數據初步整理、統計分析，采用Duncan 新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 施氮對狼尾草縱向生長的影響

如圖1所示，不同生育時期隨著施氮量的增加，狼尾草株高增加且顯著高于N0處理(P<0.05)。隨生長時間的推移，不同氮肥施用量處理間的狼尾草株高差異不盡相同，具體表現為：種植后50 d時，除N0外，其他各處理間差異不顯著;100～150 d時，N2=N3>N1>N0;200～250 d時，N3>N1=N2>N0，說明在狼尾草生長中前期，施氮能顯著促進狼尾草的縱向生長，但此階段狼尾草生長發育對氮的需求量有限，繼續提高氮素水平，對株高的促進作用表現出飽和趨勢，但隨生育期推進，施氮量少的處理逐步表現出生長后勁不足，狼尾草株高增加程度逐步變弱。

圖1 不同施氮水平對狼尾草株高的影響Fig.1 Effects of different nitrogen fertilizer levels on plant height of Pennisetum

2.2 施氮對狼尾草橫向生長的影響

如圖2所示，不同生長時期施用氮肥處理的莖粗顯著高于N0處理(P<0.05)。隨生長時間的推移，莖粗呈不斷增粗的趨勢，不同氮肥施用量處理間的差異不盡相同，具體表現為：種植后100 d時，除N0顯著小于其他處理外，其他各處理間差異不顯著，到150 d時，N3與N1的差異達到顯著水平，N3與N2，N2與N1之間差異均不顯著，種植200 d后，表現為N3>N1=N2>N0，說明在狼尾草生長中前期，施氮能顯著促進狼尾草的橫向生長，但此階段狼尾草生長發育對氮的需求量有限，繼續提高氮素水平，對莖粗的促進作用表現出飽和趨勢，但隨生育期推進，施氮量少的處理狼尾草莖徑變粗的程度變弱。

2.3 施氮對狼尾草相對葉綠素含量的影響

SPAD值是葉綠素含量的直接反映，如圖3所示，在不同生長時期，施氮處理的狼尾草第3葉相對葉綠素含量顯著高于不施氮N0處理(P<0.05)，且隨施氮量的增加而提高，其中N3的第3葉相對葉綠素含量在各個時期均處于最高水平；從整個生育期葉片相對葉綠素的變化來看，移栽后100 d內，SPAD值一直保持增加的趨勢，施氮處理的從移栽后100～150 d內，開始下降，并在150～200 d間的下降速度最快，而N0到150 d后才開始迅速下降，其下降速度較施氮處理無顯著差異；種植后250 d時，狼尾草進入老化階段，葉片相對葉綠素含量達到最低，各處理間差異值變小。由此可見，在生長季節施用氮肥能夠顯著提高狼尾草的葉綠素含量，促進光合作用，但對狼尾草的正常衰老影響不大。

圖2 不同施氮水平對狼尾草莖粗的影響Fig.2 Effects of different nitrogen fertilizer levels on stalk diameter of Pennisetum

圖3 不同施氮水平對狼尾草SPAD值的影響Fig.3 Effects of different nitrogen fertilization levels on SPAD value of Pennisetum

以上的分析說明，缺氮嚴重影響狼尾草的橫、縱向生長及葉綠素的合成，施用氮肥明顯提高狼尾草的株高、莖粗和葉綠素含量，因此，只有前期適量施氮，后期足量施氮，才滿足狼尾草的橫、縱向快速持續生長，且促進葉片的葉綠素合成。

2.4 施氮對狼尾草收獲期主要農藝性狀和產量的影響

如圖1、圖2和表1所示，在本試驗施氮范圍內，氮肥能顯著提高狼尾草收獲期的株高、莖粗和單位面積有效莖數，而且施氮量越高，效果越顯著，同時氮肥也能顯著提高鮮、干草產量，且施氮量越高，鮮、干草產量也越高，只是施氮量到達一定水平后隨氮肥施用量的增加，鮮、干草產量提高程度變小。隨施氮量的增加，株高和莖粗逐步增高和增粗，但N1與N2間差異不顯著；N1～N3的株高較N0分別提高了21.13%、27.84%和49.48%，莖粗較N0分別增粗了21.58%、25.46%和44.01%；單位面積有效莖數隨施氮量的增加逐步提高，且各處理間差異顯著，N1～N3較N0分別增加了42.37%、59.32%和89.83%；鮮草產量和干草產量均隨施氮量的增加而提高，但N2與N3間差異不顯著，鮮草產量N1～N3較N0分別增加了174.74%、353.22%和390.88%，干草產量N1～N3較N0分別增加了166.82%、300.93%和336.15%。

表1 不同施氮水平對狼尾草收獲期(12月13日)主要農藝性狀和產量的影響Table 1 Effects of different nitrogen fertilizer levels on the morpho-agronomic traits and yield of Pennisetum in harvest time (13th, December)

注：同列數據后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平，下同。

Note：Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level， the same below.

2.5 施氮對狼尾草生物質能源品質的影響

如表2所示，隨著施氮量的增加，狼尾草干物質含量、木質素含量和灰分含量逐步降低，而纖維素含量、半纖維素含量、氮含量、熱值和折合標準煤產量均增加。干物質含量和灰分均隨著施氮量的增加而逐步降低，但N2與N3間差異不顯著，N1～N3較N0干物質含量分別降低了2.70%、11.41%和11.11%，灰分含量分別降低了14.35%、30.24%和31.29%；木質素含量各處理間差異顯著，N1～N3比N0分別降低了11.40%、22.22%和27.19%；纖維素含量、氮含量和折合標準煤產量各施氮處理與N0的差異均達顯著水平，N1～N3較N0，纖維素含量分別增加了5.07%、11.06%和8.53%，氮含量分別增加了19.61%、35.94%和39.22%，折合標準煤產量分別增加了167.71%、313.39%和343.38%；半纖維素含量只有N3與N1間的差異達顯著水平，N3比N1增加了16.13%；熱值N1與N0差異不顯著，其他處理間差異均達顯著，并以N2的最高，N2、N3分別比N1增加3.01%、1.66%。

表2 不同施氮水平對狼尾草生物質組成成分及折合標準煤產量的影響Table 2 Effects of different nitrogen fertilizer levels on chemical properties and standard coal equivalent of Pennisetum

2.6 施氮對狼尾草氮肥利用效率的影響

如表3所示，不同施氮水平顯著影響狼尾草總氮累積量、氮素回收效率、農學利用率、生理效率及偏生產力(P<0.05)。隨施氮量的增加狼尾草植株總氮積累量逐步增加，N1～N3較N0分別增加了219.18%、454.00%和498.36%，但N3較N2的增加量不顯著；氮素回收效率和氮肥農學利用率N3顯著低于N1和N2，N1與N2間差異不顯著,其中氮素回收效率N3較N1和N2分別降低了22.90%和23.63%，而氮肥農學利用率N3較N1和N2分別降低了32.83%和25.53%；氮肥生理效率各處理間差異不顯著，而氮肥偏生產力隨著施氮量的增加逐步減少并達顯著水平。

表3 不同施氮水平對狼尾草氮肥利用效率的影響Table 3 Effects of different nitrogen fertilizer levels on N-utilization efficiency of Pennisetum

3 討論

3.1 施氮對狼尾草農藝性狀和產量的影響

前人研究均認為施氮可促進狼尾草生長發育，提高生物質產量，施氮量超過一定水平后其促進作用不明顯，但施氮量拐點的結論卻不盡相同，Oliveira等[22]研究認為施用氮肥對6種基因型象草(Pennisetumpurpureum)生育期為410 d的株高、莖粗、葉寬、分蘗數和產量等施氮量的拐點存在基因型差異，而Antonio等[19]研究表明，當年施氮量超過100 kg N·hm-2后，增施氮肥對3種能源型狼尾草生育期為365 d的干草產量、干物質含量、株高、分蘗數、莖粗和葉寬等農藝性狀的促進作用均不明顯；程攀[20]研究認為，隨著施氮水平的提高，生育期為80 d的狼尾草生物量均呈現先增加后降低的趨勢，當施氮水平為150 kg N·hm-2時，生物量和分蘗數均達到最大值；黃勤樓等[12,31]研究認為氮肥對雜交狼尾草的分蘗數、株高和干草產量具有顯著的促進作用，但在每茬生育期不超過100 d條件下，不同施氮水平間差異不顯著。本研究對株高和莖粗的跟蹤調查顯示，在本試驗施氮范圍內，施用氮肥能促進狼尾草橫、縱向生長，缺氮嚴重影響其正常生長發育，隨施氮量的增加其促進作用越明顯，尤其到生長中后期，為維持狼尾草的持續、快速生長，需及時補充氮肥；研究對收獲期(250 d)狼尾草農藝性狀的調查顯示，氮肥能顯著提高狼尾草的株高、莖粗和單位面積有效莖數，而且施氮量越高，效果越顯著，同時氮肥也能顯著提高鮮、干草產量，且施氮量越高，鮮、干草產量也越高，只是施氮量到達N2(225 kg N·hm-2)后，隨氮肥施用量的增加，鮮、干草產量提高幅度變小，這與前人[12,20,22,31]對狼尾草進行氮肥的研究結論較為一致，但不同種植地力條件和生育期直接影響狼尾草產量的施氮量拐點，本試驗條件下，狼尾草產量的施氮量拐點在112.5～225.0 kg N·hm-2，這與前人[12,19,20,22]得出的結論存在一定差異。

3.2 施氮對狼尾草葉綠素含量的影響

黃勤樓等[12,31]研究表明SPAD值可用于診斷或適時控制雜交狼尾草的氮素營養水平，其SPAD值隨著施氮水平的提高而提高，同時隨著狼尾草的生長而逐漸降低，而劉小飛等[16]研究表明，在生長旺期，施氮能顯著增加狼尾草葉片葉綠素含量，但繼續提高氮素水平，有飽和趨勢，且葉綠素含量的峰值出現在施肥后20～30 d內，到生長后期，氮肥用量不足或過量均加速了葉綠素含量下降的進程，使葉片提早衰老。本研究表明，在生長旺期，施氮能顯著增加狼尾草葉片相對葉綠素含量，但施氮量達到一定水平后，增加效果不顯著，且在氮肥全部施用后20～70 d(移栽后50～100 d)隨著狼尾草的快速生長，相對葉綠素含量一直保持增加的趨勢，與前人[12,16,31]的研究結果存在一定差異，可能是不同狼尾草基因型和生長環境共同作用的結果。

3.3 施氮對狼尾草生物質能源品質的影響

狼尾草屬植物能源化利用是以收獲其營養體作為原料來源，因此，無論何種利用方式，單位土地面積干物質產量越大，能夠轉化的能源就越多，而利用途徑不同，對能源草的成分指標要求也有所區別。近年來大量研究表明，提高原料中纖維素、半纖維素含量、降低木質素含量可顯著提高木質纖維素的乙醇轉化效率[7,32-36]，從纖維素乙醇生產利用角度出發，理想的能源草應有較高的纖維素含量和半纖維素含量及較低的木質素含量；如果采用發酵產氣方式利用，能源草纖維素、半纖維素的轉化率依賴多糖與木質素含量的比值，木質素含量越低，沼氣產率則越高[3,8]；木質素、纖維素、半纖維素總含量決定著植物熱值的高低，如果采用直接燃燒、致密成型燃燒及熱裂解制生物炭、生物氣等利用方式，則要求理想的能源草應有較高的木質素、纖維素、半纖維素含量和熱值，而水分和灰分含量則越低越好[37]；而熱裂解制油，除要求高纖維素、半纖維素和熱值外，還需要低木質素、水分和灰分含量，因為生物質中高水平的灰分含量會導致有機物產量低，產出大量反應水，導致油的熱值下降，從而影響生物油的質量和產率，而木質素會在熱解油中產生高分子量混合物導致其質量下降[38-40]。Rilner等[21]研究認為施用氮肥可增加象草C/N和纖維含量；Oliveira等[22]研究認為氮肥對纖維素和半纖維素影響顯著而對灰分和木質素含量的影響不顯著；程攀[20]研究認為氮肥對狼尾草全株、莖和葉纖維素、木質素和灰分含量均產生抑制作用，而對半纖維素有促進作用。而本試驗研究結果表明，施用氮肥可增加纖維素含量、半纖維素含量、熱值和折合標準煤產量而降低干物質含量、木質素含量和灰分含量，無論是何種利用方式，總體上看施氮改善了狼尾草的能源利用品質，提高了其生物質利用效率，但氮肥持續過多施用會降低收獲期的干物質含量和熱值，從而對折合標準煤產量的提高作用不顯著。因此，為獲得理想的能源草，在實際生產中也要控制好氮肥的施用量。

3.4 施氮對狼尾草氮肥利用效率的影響

黃秀聲等[13]研究發現，在南方典型未被人為耕作過的山地紅壤土種植狼尾草，隨著施用沼液中氮素水平的提高，植物氮素利用效率也越低，氮損失率也越大。而本研究在綜合分析5個氮肥利用效率指標的結果表明，狼尾草在南方貧瘠旱坡地種植，在一定施氮量范圍內(N1與N2)，植株總氮積累量逐步增加，氮肥回收效率、氮肥農學利用率和氮肥生理效率處理間差異不顯著，說明氮肥利用效率并未隨施氮量的增加而顯著降低，只有超過一定量時，氮肥的損失率才會增大。分析其原因發現，黃秀聲等[13]選擇的試驗地0～70 cm土層全氮含量達0.08%～0.09%，而本試驗地耕層土壤全氮含量為0.032%，速效氮含量僅為29 mg·kg-1，可能是本試驗地土壤中可供狼尾草吸收的氮素遠低于其正常生長發育所需的氮素量，但達到N2施氮水平后，隨著施氮量的繼續增加，狼尾草吸氮量增加的幅度變小，同時氮的回收率隨著施氮量的增加而降低，損失率和損失量增加，還對環境造成污染。

4 結論

通過在貧瘠旱坡地這一典型邊際土地進行能源型狼尾草氮肥效應試驗的結果表明，施用氮肥可促進狼尾草橫、縱向生長，從而能顯著提高收獲期狼尾草的株高、莖粗和單位面積有效莖數，而且施氮量越高，效果越顯著，同時也能顯著提高葉片葉綠素含量和鮮、干草產量，只是隨著氮素水平的繼續提高，有飽和趨勢；施用氮肥還可明顯改善狼尾草的能源利用品質，表現為狼尾草纖維素含量、半纖維素含量、熱值和折合標準煤產量明顯增加，而干物質、木質素和灰分含量顯著降低，但過多施用氮肥會降低收獲期的干物質含量和熱值，且對折合標準煤產量的增加作用不明顯，最終影響到狼尾草的能源利用品質；此外，在一定施氮量范圍內，狼尾草氮肥利用效率并未隨施氮量的增加而顯著降低，只有超過一定量時，氮肥的損失率才會增大。因此，本研究綜合考慮認為，能源型狼尾草在南方貧瘠旱坡地進行種植，為獲得理想的生物質能源材料需及時補充氮素營養，但氮肥施用量不宜超過225 kg N·hm-2。

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