施氮量對黑龍江谷子產量及耗水規律的影響

李翔鵬 李方豪 紀鴻飛 聶堂哲

(黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

谷子，被譽為“百谷之長”，在我國已有6000～7000a的栽培史，一直是我國北方的主要作物[1]。20世紀，人們對高產作物需求量過大，導致我國谷子的種植面積急劇減少，人均小米消費量曾不到解放初期的1/10[2]。改革開放以來，人民生活水平穩步提高導致其飲食結構發生了巨大的改變。相較于過去對食品數量的需求，越來越多的人選擇了營養健康、安全衛生的消費趨向?？梢灶A見，營養和生態導向型農業將成為我國農業新的發展方向[3]。谷子具有很高的營養價值，包含蛋白質、胡蘿卜素、膳食纖維和多種維生素，并兼有保護心血管的保健和藥用功能[4]，深受廣大消費者的歡迎。據統計，近10a中國谷子種植效益總體呈上升趨勢[2]，農民具有強烈的種植意愿?，F今我國谷子常年播種面積約133.3萬hm2，年總產量約為1000萬t[5]，為我國的糧食安全作出重要貢獻，也是我國貿易出口的主要雜糧作物。

黑龍江省是我國谷子主產區之一。長期以來,由于谷子耐瘠特點突出,導致在施肥對谷子產量和生長的影響方面研究較少[6]。農民種植經驗較少，沒有科學合理的種植指導，部分谷子產區由于化肥過量施用，破壞了土壤結構，使耕地質量下降、土地肥力降低[7]。近幾年來，不少學者研究當地品種谷子生長對水、肥的響應情況。代小冬[8]提出，谷子生產中，應該在保證產量的基礎上提高肥料利用效率。于肖[9]認為，可以通過合理的氮肥施用促進谷子生長的水氮代謝作用，使谷子光合產物增加、谷粒營養成分積累，以提高谷子產量和品質。

于亞軍發現[10]，在寧南地區豐水年條件下，高肥水平(N 180kg·hm-2，P2O5162kg·hm-2)可以使谷子產量達到峰值，中肥水平(N 120kg·hm-2，P2O5108kg·hm-2)使谷子水分利用效率達到峰值。施用化肥可明顯提高作物產量及水分利用效率。為探究雨養條件下黑龍江省谷子產量及耗水對氮肥的響應情況，本文運用大田試驗的方式，分析不同氮肥條件對谷子的干物質積累量、產量及耗水規律的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大田試驗于2021年5—9月在黑龍江省哈爾濱市香坊區信義村進行，試驗田地處(N45°44′、E126°44′)，其所在地氣候類型為中溫帶大陸性季風氣候，全年平均降水量為569.1mm。土壤類型為黑鈣土，其養分含量較高，適于多種農作物種植。

1.2 試驗設計

全生育期設置4個氮肥施用水平：0kg·hm-2、50kg·hm-2、100kg·hm-2、150kg·hm-2(N1、N2、N3、N4),每個處理重復3次，共12個小區，每小區面積為6.5m×12m=78m2。試驗采用隨機區組排列。谷子采用單壟種植，壟寬65cm，株距4cm。谷子品種為黑龍江省常用谷種“龍谷25”，試驗所用氮肥為含46% N的尿素、含16% P2O5的過磷酸鈣、含50% K2O的硫酸鉀。各小區施入磷肥593.75kg·hm-2(P2O5：95kg·hm-2)、鉀肥110kg·hm-2(K2O：55kg·hm-2)作為底肥，全部一次性施入試驗田，氮肥1/3作為底肥施入，余下2/3尿素于谷子拔節期后開溝施入，試驗在雨養條件下進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 谷子各時期干物質積累量

于各生育期末，取各小區完整谷子植株，除去浮土，在烘箱中105℃殺青30min后，將谷子葉、莖、鞘、穗等器官分離，烘箱調制65℃累計烘干8h，稱量谷子各器官樣本重量，進行匯總整理。

1.3.2 產量及其構成要素

將各小區成熟期谷穗剪下，自然條件下風干、脫粒、稱重，并從各小區中任意選取5根谷穗，測量其穗長、穗徑、穗重、單穗粒重。在脫粒好的谷子中任意數出1000粒谷粒進行稱重，每個小區重復3次，取平均值，記為千粒重。

1.3.3 水分利用效率、氮肥農學利用率及氮肥偏生產力

在生育期內，用土鉆每4～7d鉆取各小區不同土層土壤樣本(每隔10cm土層即鉆取一次，每小區均鉆取0～60cm土壤)，放入烘箱中烘干，稱量烘干前后的土壤樣本重量，降雨前后加測，利用稱重法計算土壤含水率。利用農田水分平衡方程計算谷子消耗水量。

作物耗水量(ETc，mm)計算公式：

ETc=P+I+ΔW-R-D

(1)

式中，P為降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為土壤水分變化量，mm；R為地表徑流，mm；D為滲漏量，mm。

水分利用效率(WUE，kg·m-3)計算公式：

(2)

式中，Y為試驗小區單位面積產量，kg·hm-2；ETc為單位面積上實際測算的蒸發蒸騰量，mm。

氮肥農學利用效率(AEN,kg·kg-1)計算公式：

(3)

式中，Ya為施氮處理谷子產量，kg·hm-2；Yb為不施氮處理谷子產量，kg·hm-2；Na為施氮量，kg·hm-2。

氮肥偏生產力(PFP,kg·kg-1)計算公式：

(4)

1.4 數據處理

使用SPSS進行數據分析，利用Excel進行數據處理和繪圖工作。

2 結果與分析

2.1 谷子各生育期干物質積累量

谷子各生育期干物質積累量如圖1所示，谷子干物質積累量整體表現為先增加后減小的趨勢，灌漿末期達到峰值，為28.79～31.26g,成熟期的干物質積累量較灌漿期有所減少，減少值為1.02～3.64g。抽穗期到灌漿期的干物質積累增量最大，達到了13.59～14.43g，這是由于谷子營養生長轉為生殖生長的過程中，產生了穗這一器官，且谷穗質量于灌漿期不斷增加。

圖1 谷子干物質積累量

在抽穗期前，谷子干物質積累量從大到小分別為N3>N4>N2>N1；抽穗期追肥后，干物質積累量從大到小分別為N2>N4>N3>N1，最高為31.87g。這是由于在谷子抽穗期前，N3處理的氮肥施量最適合谷子營養生長，氮肥施量過高(N4)會對干物質積累量產生一定的抑制作用；在谷子抽穗期之后，氮肥施量過低(N2)和過高(N4)都不適合谷子的生殖生長，不利于產量的積累。

2.2 谷子產量及構成要素

不同施氮水平谷子產量如圖2所示，施氮處理(N2、N3、N4)產量均高于無氮處理(N1)，施氮量為100kg·hm-2時(N3)谷子的增產效果達到了19.3%,其產量為5913.33kg·hm-2。從表1可以看出，穗長、穗重和單穗粒重均為N3>N4>N2>N1；千粒重為N2>N3>N4>N1；穗徑無明顯規律。N3處理和N1處理谷子穗長存在顯著差異，平均相差1.92cm，其它產量性狀差異不顯著，說明穗長是施氮后產量提高的主要原因，施氮量的增加對谷穗長度有顯著的促進作用。

圖2 不同處理下谷子產量

表1 谷子產量構成要素表

2.3 不同施氮量對谷子耗水強度與耗水模數的影響

耗水強度是指單位面積的植物群體在單位時間內的耗水量，是判斷作物耗水能力的重要指標。從表2中可以看出,各處理谷子的耗水強度規律基本一致：各處理耗水強度峰值出現在拔節期和抽穗期，拔節期耗水強度峰值為3.59mm·d-1，出現在N2；抽穗期耗水強度峰值為3.41mm·d-1，出現在N3。且N2、N3、N4處理的耗水強度在拔節、抽穗期均遠高于N1處理，值為0.25～0.55mm·d-1，說明追施氮肥有利于促進谷子在拔節和抽穗期對水分的吸收利用。

表2 谷子耗水強度

耗水模數表示不同生育期谷子的耗水量占比。從表2可以看出，各處理谷子生育期耗水模數變化規律基本一致：在谷子的生育期內，耗水模數先增加后減少，拔節期達到峰值，此時的耗水模數為32.03%～35.66%，苗期、抽穗期和灌漿期次之，成熟期耗水比重最小，為6.78%～7.04%。這是因為苗期耗水強度低，但苗期的生育期天數長，達到了33d，且降雨充沛，故耗水模數較大；而抽穗和灌漿期降雨較少，但谷子的耗水強度較大。

表3 谷子耗水模數

2.4 水分利用效率、氮肥農學利用率及偏生產力分析

表4 水、氮利用率

氮肥的農學利用率表示單位面積施氮量所生產的谷子干物質總量，氮肥的偏生產力表示單位面積施氮量所生產的谷子產量，其是判斷谷子氮肥利用程度的2種指標，在試驗中，兩指標均為N2>N3>N4，N2處理氮肥農學利用率為N3、N4處理的1.82倍和2.79倍，偏生產力是N3、N4處理的1.97倍和2.97倍。水分利用效率指的是作物單位耗水量所生產的籽粒質量，施氮處理均高于無氮處理小區，說明施加氮肥可以明顯提高谷子的水分利用效率，與前人的研究結論一致[10]。隨著施氮量的增加水分利用效率呈現先增加后減少的趨勢，N3處理的水分利用效率最高，為2.26kg·m-3。

3 討論

黑龍江省干旱發生較為頻繁[11]，省內谷子生產又多以雨養為主，通過改變施氮量的方式可有效調節旱區作物的生長發育和水分利用情況[12]。張艾英研究認為,適宜的施氮量有助于谷子的生長發育，但過多施入氮肥不利于谷子葉片的光合作用，反而會降低谷子群體的生物積累量[13]。本試驗中N2處理谷子的干物質積累量達到峰值，但隨著施氮量的提高，N3、N4處理的干物質積累量降低，與前人研究結果一致。施氮量過多和不足都會延長谷子營養生長時間，使生殖生長受到影響，致使晚熟、結實率降低[14]，從而出現N1、N2、N4產量低的現象，本試驗表明當氮肥施用量為100kg·hm-2(N3)時的谷子增產效果最佳。薛盈文[15]認為，施氮過多會使營養生長過旺，導致谷子的千粒重降低，進而影響谷子產量。但在本試驗中，N3、N4處理的千粒重雖然較N1、N2處理低，但其差異并不顯著，這是由于千粒重受品種特性影響明顯，對環境變化不敏感[14]。本試驗中穗長對谷子產量影響更大，直接體現在與產量的聯動。高曉麗[16]在對晉北谷子的耗水規律中發現，拔節期與抽穗期耗水模數相仿，趨于最大；而抽穗期耗水強度最大，拔節期次之。本試驗中N1、N2、N4的抽穗期耗水強度低于拔節時期，只有N3抽穗期的耗水強度大于拔節期，這是因為適宜的施氮量可以提高土壤水分的有效性[17]，利于谷子抽穗期的生殖生長，故N3處理的穗長顯著高于其他處理。連延浩[12]通過研究溝壟集雨種植谷子發現在中量施肥水平下可使水分利用效率最大。本試驗中100kg·hm-2(N3)處理的水分利用效率最高，試驗結果與前人研究一致。在本試驗中N2處理的氮肥農學利用率和偏生產力最高，這是因為隨著施氮施用量的成倍增加，產量在達到一定程度后的幅度變小，故N2的氮肥利用效果最好，對減少環境污染具有重要的意義。

4 結論

生育期內谷子干物質積累量總體呈先增加后減少的趨勢，于灌漿期達到峰值，氮肥施加量為50kg·hm-2(N2)的谷子干物質積累量最高，為31.87g。

氮肥施加量為100kg·hm-2(N3)的谷子增產效果最佳，其產量為5913.33kg·hm-2。從谷子產量構成要素分析，隨著氮肥施用，谷穗長度而增長是產量增加的主要原因。

谷子拔節期耗水模數最大，抽穗期N2、N3、N4耗水強度較N1處理高0.25～0.55mm·d-1，追施氮肥有利于促進谷子在拔節和抽穗期對水分的吸收利用。

適當的氮肥施用會對谷子生長起促進作用，過量的氮肥會抑制谷子的生殖生長。氮肥施加量為50kg·hm-2(N2)時其農學利用率和偏生產力最高，100kg·hm-2(N3)水分利用效率最高。