不同氮肥處理對蕎麥干物質(zhì)積累、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

白文明 張偉麗 侯亞方 夏美娟 宮香偉 王鵬科 高小麗 高金鋒

(旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室/西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

蕎麥(Buckwheat)又名烏麥、花麥或三角麥，屬蓼科(Polygonaceae)蕎麥屬(FagopyrumGaerth)植物。蕎麥營養(yǎng)豐富，氨基酸組成平衡，含有多種對人體有益的營養(yǎng)物質(zhì)[1]，具有控制和治療糖尿病，預(yù)防和治療心血管硬化疾病、高血壓的功效[2]。蕎麥作為健康食品的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮骩3]。蕎麥是陜甘寧黃土高原旱作地區(qū)的重要作物之一，在陜甘寧具有較強的生產(chǎn)優(yōu)勢。陜甘寧栽培著我國面積最大的紅花甜蕎，種植面積在10萬hm2以上，出口日本、韓國、東南亞及西歐等國家和地區(qū)。因此，蕎麥種植對陜甘寧地區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、糧食安全、農(nóng)民增收及農(nóng)業(yè)增效具有不可替代的意義。

施氮是提高作物產(chǎn)量的主要途徑之一。通過施氮可以改變作物對氮素的吸收、積累與分配[4-8]，從而影響作物干物質(zhì)積累[4]、葉面積指數(shù)[9]、葉綠素含量[8]、生育周期[4,10]以及庫源關(guān)系[11]，最終起到改善作物品質(zhì)，提高產(chǎn)量的作用[4-5,11-13]。關(guān)于蕎麥施氮已有較多的研究。有研究表明，施氮改變蕎麥干物質(zhì)積累量及在各器官中的分配比例[14]。一定范圍內(nèi)增加施氮量，蕎麥植株氮吸收及籽粒含氮量顯著增加[15]，生育期縮短，株高、有效分支數(shù)、莖粗和節(jié)間長度增加[16]。郭肖等[17]試驗中施氮顯著的增加了蕎麥的產(chǎn)量；侯迷紅等[15]研究中，施氮量在60 kg/hm2時，蕎麥增產(chǎn)達84%。而Schulte等[18]研究表明施氮對蕎麥產(chǎn)量無明顯提高，反而會加重蕎麥的倒伏狀況；劉迎春等[19]指出一定范圍內(nèi)赤峰地區(qū)施用P和K肥能增加蕎麥產(chǎn)量，而氮肥表現(xiàn)為減產(chǎn)。作物的需氮量不僅與作物的種類有關(guān),還與品種和環(huán)境有關(guān)[20-21]。蕎麥作為陜甘寧地區(qū)主要栽培作物，長期被認為是一種耐瘠薄的作物，傳統(tǒng)栽培中農(nóng)民不重視蕎麥施氮肥，加上黃土高原地區(qū)土壤較為貧瘠，嚴重制約蕎麥的發(fā)展。目前還沒有陜甘寧地區(qū)蕎麥栽培適合施氮量的相關(guān)報道。因此，本研究通過對不同N肥施用量下蕎麥的葉綠素含量、干物質(zhì)動態(tài)積累過程及主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的調(diào)查，探索陜甘寧黃土高原旱作農(nóng)區(qū)蕎麥的最佳需氮量，旨在為陜甘寧黃土高原旱地蕎麥高產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016和2017年在榆林(37°56′26″ N，109°21′46″ E，海拔1 229 m)農(nóng)業(yè)試驗示范中心進行，該試驗地土壤為典型沙壤土、地勢平整、排灌方便、前茬為苗圃，肥力均勻。土壤pH 8.76，含有機質(zhì)23 g/kg、全氮15 g/kg、全磷28 g/kg、全鉀41 g/kg、速效氮19.29 mg/kg、速效磷1.82 mg/kg和速效鉀21.65 mg/kg。

1.2 試驗材料與設(shè)計

試驗材料為甜蕎品種——西農(nóng)9976，由西北農(nóng)林科技大學(xué)選育。肥料采用尿素(純N質(zhì)量分數(shù)≥46.4%)，甘肅劉化(集團)有限責任公司。

試驗采用大田小區(qū)種植，單因素隨機區(qū)組設(shè)計，重復(fù)4次，小區(qū)面積2 m×5 m=10 m2，行距33 cm，株距5 cm。設(shè)對照、低氮、中氮和高氮4個處理，2016年施氮水平為：0 (N0)、45 (N45)、135 (N135)和225 kg/hm2(N225)；2017年施氮水平為：0 (N0)、90 (N90)、180 (N180)和270 kg/hm2(N270)；分別在播種前、初花期和盛花期分3次施入氮肥，每次施入量為總量的1/3。除施肥量不同外，其他田間管理一致。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素對蕎麥主要農(nóng)藝性狀的影響

表1可以看出，施氮對蕎麥主要農(nóng)藝性狀影響顯著。株高在各處理間表現(xiàn)為中氮>高氮>低氮>對照處理，2016年除N0與N45處理間不顯著，其他處理間均表現(xiàn)為顯著；2017年N180和N270處理顯著高于N0和N90處理。因此，增施氮肥顯著增加蕎麥的株高。隨施氮量的增加，蕎麥一級分枝、二級分枝和單株花簇數(shù)隨施氮量的增加表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，2016年隨施氮量增加而增加，2017年增加施氮量后N270處理下降。一級分枝數(shù)在2016年除N225顯著高于N0外，其他處理間均不顯著，2017年表現(xiàn)為N180和N270顯著高于N0和N90；蕎麥二級分枝數(shù)2年均表現(xiàn)為中氮和高氮處理顯著高于對照與低氮處理，中氮和高氮處理間差異顯著；單株花簇數(shù)2016年各處理間差異均顯著，2017年N180顯著高于N0和N90，N270顯著高于N0，說明施氮顯著增加蕎麥單株花簇數(shù)。主莖節(jié)數(shù)2016為N135和N225高于N0和N45；2017年表現(xiàn)為隨施氮量增而減少的趨勢，N0顯著高于N270。兩年趨勢幾乎相反，但用株高與主莖節(jié)數(shù)的比值計算平均節(jié)間長度，則兩年趨勢一致，都為中氮處理>高氮處理>低氮處理>對照。

表1 不同施氮量對蕎麥主要農(nóng)藝性狀的影響Table 1 Effect of different nitrogen application rate on agronomic traits of buckwheat

2.2 施氮水平對蕎麥產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

從表2可知，施氮可顯著提高蕎麥的產(chǎn)量。2016年N45、N135和N225處理分別比對照增產(chǎn)9.53%、20.00%和24.50%；2017年N90、N180和N270分別比對照增產(chǎn)27.78%、38.11%和40.00%，除中氮和高氮產(chǎn)量差異不顯著，其他處理間蕎麥產(chǎn)量差異均顯著。2016蕎麥的單株粒數(shù)隨施氮量增加而增加，表現(xiàn)為N225>N135>N45>N0，除N0與N45處理間不顯著，其他處理間都有顯著差異；2017年單株粒數(shù)N180>N270>N90>N0，N180與N0和N90處理間差異顯著，N270與N0處理間差異顯著。2年千粒重施氮處理均顯著高于對照，不同的是2016年各施氮處理間無顯著差異，而2017年N180處理的千粒重顯著高于對照，但低于N90和N270處理，這可能與2017年N180單株粒數(shù)較其他處理高有關(guān)。

表2 不同施氮量對蕎麥產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響Table 2 Effect of different nitrogen rates on the yield of buckwheat and agronomic traits

2.3 蕎麥葉片SPAD值對氮素的響應(yīng)

由圖1可知，蕎麥葉片SPAD值隨施氮量的增加先增加后減少。SPAD值在盛花期2年結(jié)果一致，表現(xiàn)為中氮處理>低氮處理>高氮處理>對照，低氮和中氮處理差異不顯著，其他處理間均有顯著差異；成熟期蕎麥葉片SPAD值整體低于盛花期，2016年表現(xiàn)為N135處理顯著高于其他處理，N45與N225處理間顯著高于N0處理，N45與N225處理差異不顯著；2017年表現(xiàn)為各施氮處理顯著高于對照，N90和N180處理顯著高于N270，N90與N180處理間差異不顯著。

(a)N0，不施氮；N45，施氮量45 kg/hm2；N135，施氮量135 kg/hm2；N225，施氮量225 kg/hm2。下同。N0, No nitrogen application; N45, Nitrogen application rate，45 kg/hm2; N135, Nitrogen application rate: 135 kg/hm2; N225,Nitrogen application rate: 225 kg/hm2. The same below.(b)N0，不施氮；N90，施氮量90 kg/hm2；N180，施氮量180 kg/hm2；N270，施氮量270 kg/hm2。下同。N0, No nitrogen application; N90, Nitrogen application rate: 90 kg/hm2; N135, Nitrogen application rate: 135 kg/hm2; N225, Nitrogen application rate: 225 kg/hm2. The same below.圖1 2016年(a)和2017年(b)不同施氮處理下蕎麥主莖第8葉SPAD值Fig.1 SPAD value of the 8th leaf of main stem of buckwheat with different nitrogen treatments in 2016 (a)and 2017(b)

2.4 不同施氮對蕎麥干物質(zhì)積累變化的影響

2.4.1施氮量對蕎麥根干物質(zhì)積累的影響

由圖2可知，蕎麥根的干物質(zhì)從苗期到初花期快速積累，初花期到收獲前勻速增加，收獲前達到最大。蕎麥根的干物質(zhì)總積累量與施氮量成正相關(guān)，2016年N45、N135和N225處理分別比對照增加93.1%、108.4%和115.8%。2017年N90、N180和N270處理分別比對照增加了59.8%、89.%和98.4%。2016年各處理苗期蕎麥根的干物質(zhì)積累為N45>N0>N135>N225，初花期為N45>N135>N0>N225，盛花期為N45>N135>N225>N0；2017年苗期為N90>N180>N270>N0，初花期為N180>N270>N90>N0。盛花期為N270>N180>N90>N0。成熟期和收獲前兩年趨勢一致，均表現(xiàn)為N270>N180>N90>N0，表明施氮量增加促進了蕎麥根系的生長。

2.4.2施氮量對蕎麥莖干物質(zhì)積累的影響

由圖3可知，蕎麥莖的干物質(zhì)積累從苗期到成熟期勻速增加，在成熟期達到最高，收獲前小幅下降。各施氮處理蕎麥莖的最大干物質(zhì)積累量顯著高于對照，2016年N45、N135和N225分別比N0提高31.9%、50.3%和79.7%，2017年N90、N180和N270分別比N0提高40.6%、92.6%和81.0%。2016年蕎麥各處理莖干物質(zhì)積累量苗期為N45>N0>N1355>N225，初花期為N135>N225>N45>N0，盛花期到成熟期都為N225>N135>N45>N0，2017年蕎麥各處理莖干物質(zhì)積累量苗期為N180>N90>N0>N270，初花期到成熟期為N180>N270>N90>N0，收獲前為N270>N180>N90>N0。

圖2 2016年(a)和2017年(b)不同氮肥處理下蕎麥根干物質(zhì)積累Fig.2 Buckwheat root dry matter accumulation under different nitrogen treatments in 2016 (a) and 2017 (b)

2.4.3施氮量對蕎麥葉干物質(zhì)積累的影響

由圖4可知，各施氮處理蕎麥葉的干物質(zhì)積累曲線與對照不同，各施氮處理均在苗期到盛花期增加，盛花期至收獲前下降，在盛花期達到最高；對照在苗期到成熟期增加，成熟期后開始下降，在成熟期達到最大值。蕎麥葉的最大干物質(zhì)積累量與施氮量成正相關(guān)，2016年N45、N135和N225分別比N0提高36.1%、67.7%和101.4%；2017年N90、N180和N270分別比N0提高122.2%、164.3%、224.7%。2016年苗期N45>N135>N225>N0，初花期到收獲前都為N225>N135>N45>N0；2017年苗期為N90>N180>N270>N0，初花期為N180>N270>N90>N0，盛花期為N270>N180>N90>N0，成熟期為N180>N270>N90>N0，收獲前為N270>N180>N90>N0。

2.4.4施氮量對蕎麥子粒干物質(zhì)積累的影響

由圖5可知，蕎麥籽粒的干物質(zhì)積累從盛花期開始，在盛花期到成熟期快速積累，這個階段籽粒的干物質(zhì)積累占總量的80%～95%，收獲前達到最大值。蕎麥籽粒的最大干物質(zhì)積累量與施氮量成正相關(guān)。2016年盛花期和兩年的成熟期和收獲前都表現(xiàn)為N225>N135>N45>N0。而2017年盛花期蕎麥種子干物質(zhì)積累為N180顯著高于其他處理，由于此時蕎麥籽粒剛剛開始灌漿，N180處理的籽粒數(shù)量較多。

圖3 2016(a)和2017年(b)不同氮肥處理下蕎麥莖干物質(zhì)積累Fig.3 Buckwheat stems dry matter accumulation under different nitrogen treatments in 2016(a) and 2017 (b)

3 討 論

適量施氮能提高作物產(chǎn)量，過多或過少施用氮肥會導(dǎo)致氮肥利用率和增產(chǎn)效果降低[22]，本試驗中各氮肥處理對蕎麥產(chǎn)量均有顯著提高，當施氮量為135～180 kg/hm2達到高產(chǎn)，繼續(xù)增加氮肥產(chǎn)量增加不顯著。前人研究認為內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市[15]、日本[23]和寧夏回族自治區(qū)固原[24]蕎麥高產(chǎn)推薦施氮量分別為30～60、40和120 kg/hm2。本研究得出究蕎麥高產(chǎn)施氮量為135～180 kg/hm2，高于內(nèi)蒙古自治區(qū)與日本地區(qū)，與同為黃土高原的寧夏回族自治區(qū)接近，表明黃土高原地區(qū)蕎麥種植需要較多的氮肥。本試驗中各施氮處理顯著增加蕎麥千粒重、株高、分枝數(shù)和花簇數(shù)，與Inamullah等[25]和陳磊慶等[26]的研究結(jié)果一致。陳磊慶等[26]研究得出不同施氮量下，各處理千粒重同對照相比均有不同程度的增加，但各處理間差異均不顯著，本試驗中2017年N180處理蕎麥的千粒重高于N0但低于N90和N270處理。這可能是2017年N180處理的單株粒數(shù)較其他處理高的原因。施氮提高植株生產(chǎn)的營養(yǎng)物質(zhì)和籽粒數(shù)量，同時每一顆籽粒分配的營養(yǎng)物質(zhì)減少。在大豆主要農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性分析，分枝數(shù)與百粒重呈極顯著負相關(guān)[27]。單個花序的種子數(shù)量和單株種子數(shù)量與種子產(chǎn)量呈正相關(guān)，與千粒重相反，過多的結(jié)實分散植株對籽粒營養(yǎng)的供應(yīng)[28]。本試驗中2年主莖節(jié)數(shù)隨施氮量的規(guī)律不同，但平均節(jié)間長度都表現(xiàn)為中氮處理高于其他處理。肥水適宜的條件加快節(jié)間生長速度。張衛(wèi)中等[29]研究認為施肥提高蕎麥節(jié)間長度；唐超等[16]研究也表明施肥對甜蕎麥節(jié)間長度有顯著影響，且N、P和K肥單因子作用時，節(jié)間長度最大觀測值都出現(xiàn)在中等肥力水平，隨著 N、P和K水平的提高，節(jié)間長度均為先增加后減少。而主莖節(jié)數(shù)兩年規(guī)律不一致可能是因為蕎麥是無限生長植物，植株具有可塑性。隨施氮量的增加，蕎麥分枝數(shù)增加，使得分枝與主莖的生長產(chǎn)生競爭關(guān)系。關(guān)于氮肥對蕎麥主莖節(jié)數(shù)和節(jié)間長度的影響及節(jié)數(shù)、節(jié)間長度和株高的關(guān)系還需要進一步研究。

圖4 2016年(a)和2017年(b)不同氮肥處理下蕎麥葉干物質(zhì)積累Fig.4 Dry matter accumulation of buckwheat leaves under different nitrogen treatments in 2016 (a) and 2017 (b)

圖5 2016 (a)和2017年 (b)不同氮肥處理下蕎麥籽粒干物質(zhì)積累Fig.5 Dry matter accumulation of buckwheat grains under different nitrogen treatments in 2016 (a) and 2017 (b)

N元素是葉綠素的重要組成元素。施氮能提高作物葉片葉綠素含量[30-31]，延緩葉綠素含量降低，延緩葉片衰老[8]；過量氮肥反而使葉大而薄，容易干枯，壽命反而縮短[32]。本試驗中低氮和中氮處理顯著提高蕎麥葉片的SPAD值，而高氮處理下的蕎麥葉片SPAD值較低氮和中氮處理顯著降低，這與董瑞等[33]在小麥中的研究結(jié)果一致。麥類作物的產(chǎn)量主要來自于灌漿期的冠層葉，特別是旗葉[34]。蕎麥花序是無限花序，高氮條件下蕎麥的分枝多，新的分枝和葉片生長迅速，導(dǎo)致高氮處理蕎麥主莖葉片早衰，營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到新的葉片。因此主莖葉片SPAD與蕎麥整體葉片葉綠素含量偏差較大，關(guān)于氮肥對蕎麥葉綠素含量的影響需近一步研究。

施氮顯著提高了蕎麥干物質(zhì)的積累量，以2017年為例N90、N180和N270處理的總干物質(zhì)積累量分別比對照提高50.54%、65.12%和81.65%。候迷紅等[14]關(guān)于不同氮肥對蕎麥干物質(zhì)積累量的研究表明，隨施氮量的增加，蕎麥干物質(zhì)積累量先增加后減少。本試驗中高氮對蕎麥各器官最大干物質(zhì)積累量未表現(xiàn)出明顯抑制作用，而在蕎麥生長前期，特別是苗期和初花期，蕎麥各器官的干物質(zhì)積累均有隨施氮量的增加先增加后減少的趨勢，表現(xiàn)出高氮抑制蕎麥的干物質(zhì)積累速率。彭玉等[35]研究認為，緩/控釋氮肥相較于尿素全部底施和傳統(tǒng)的尿素常規(guī)運籌，氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用率顯著提高。朱寶貴[36]認為氮肥分兩次深追相較與氮肥一次深追，玉米氮肥利用率顯著提高。嚴奉君等[37]研究表明小麥秸稈覆蓋與基肥∶蘗肥∶穗肥以3∶3∶4的質(zhì)量比配合的水稻的產(chǎn)量最高，為最優(yōu)組合。本試驗中蕎麥籽粒的干物質(zhì)積累從盛花期開始，主要集中在盛花期到成熟期的20 d左右，占總量的80%～95%。蕎麥干物質(zhì)積累有2個高峰期，一是在出苗40 d前后，一是在出苗60 d以后[38]，即盛花期分枝生長旺盛的時期和成熟期籽粒灌漿高峰期。因此底肥一次施用不利于蕎麥對氮的吸收和利用，應(yīng)注重蕎麥生長高峰期氮素的提供。

氮肥顯著提高蕎麥單株粒數(shù)、千粒重及蕎麥產(chǎn)量，施氮量在135～180 kg/hm2時達到高產(chǎn)。蕎麥一級分枝數(shù)、二級分枝數(shù)、花簇數(shù)及葉片SPAD值均隨施氮量呈先增加后降低的趨勢。施氮量蕎麥干物質(zhì)積累速率在各個時期的影響不同，最快積累速率所需氮肥量隨蕎麥的生長而增加。