施氮水平對黑龍江省高粱產量及主要農藝性狀的影響

李方豪 聶堂哲

(黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

高粱(Sorghum)作為一種常見的農作物,是人們生活中的主糧之一[1]。高粱是世界第5大禾谷類作物,同樣屬于當前全球第5大糧食作物,具有抗性好、耐逆性強等特點。在我國主要分布于西南、東北和華北3個地區[2],其中,東北、華北主要是粳高粱生產區,種植面積41.6萬hm2；西南主產區主要是糯高粱產區[3]。高粱是C4作物,光合作用效率高,生物轉化量高,可在較為貧瘠的土地上種植,是一種擁有較高利用價值的糧食作物和能源植物[4]。高粱作為我國基本的糧食作物的同時,也是釀酒工業中的重要原料,因其具有較強的適應性,對栽植環境要求低,廣泛在我國各地種植。高粱中含有較多對人體有益的營養元素,近年來市場份額逐漸增大[11]。近年來,在諸多著名酒企的拉動下迅猛發展,種植面積更是逐年增加,占全國種植面積比重從2.5%增加到29.6%[12]。

化肥是糧食的“糧食”,多年的實踐表明,提高作物單產的重要措施之一是施用化肥[13]。氮肥是我國主要使用的化肥之一。氮素被稱為作物的生命元素,是作物需要的基本物質,增施氮肥能提高作物的產量[7]。大量研究和實踐證明,作物維持正常生長應施用適量氮肥,如施用量較低則會影響作物的生長[14]。目前我國是世界上氮肥使用量最大的國家,占世界總氮肥使用量的1/3左右[15]。然而,有資料表明,我國氮肥利用率僅為33%～37%,氮肥損失量高,在較大程度上不但造成浪費,并且污染環境,氮肥過量還會對作物自身的正常生長產生不利影響[7]。高瑋等于2019—2020年通過研究不同施氮水平下飼用高粱的干物質量的積累和分配、耗水量和水分利用效率得到了隴東旱塬區飼用高粱的適宜氮肥用量范圍為150～160kg·hm-2[8]。高麗敏等采用大田試驗研究不同施氮水平對甜高粱生物量、氮素吸收和轉移以及氮肥利用率的影響,得到每期氮肥用量244.50kg·hm-2為長江下游地區飼用甜高粱栽種植的適宜施肥量[10]。綜上,在糧食生產中如何科學合理施肥、保持適合的氮肥施用強度使得氮肥最大程度發揮積極作用,對于提高糧食生產效益具有深遠的積極意義[16]。

影響高粱產量的有關因素繁多,主要包括莖粗、株高、穗長、穗粒數、穗重、穗粒重、出谷率、種植密度等[17]。渠暉等在2a田間試驗中,以甜高粱為試驗材料,通過測定不同施氮水平下甜高粱的干物質產量、莖葉比、株高、莖粗、鮮干比、葉面積指數和綠葉數7個參數,探究了甜高粱其主要農藝性狀和干物質產量的關系以及不同施氮梯度對兩者之間關系的影響[9]。現階段黑龍江省大田試驗主要局限于玉米、大豆等大作物,少有涉及高粱等小作物,并且少有人研究氮素對高粱農藝性狀的影響。近年來,高梁作為白酒原材料的一種,在我國的種植面積有增加的趨勢。本文在人口日益增長帶來的巨大糧食需求壓力等問題背景下,以“龍雜22號”高粱品種為試驗對象,通過測定不同施氮水平下高粱莖葉比、株高、莖粗和產量等參數,明析不同施氮水平對影響高粱產量和主要農藝性狀及其相互關系的影響,為氮肥的合理使用和高粱的高產、優質種植技術提供理論依據。本研究成果有助于指導黑龍江省哈爾濱地區的高粱生產,從而給農民帶來更高的經濟效益。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本次試驗時間為2021年5—9月,試驗田地點為黑龍江省哈爾濱市香坊區信義村(E126°44′31.60″,N45°44′4.65″),屬中溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫5.6℃,最高月平均氣溫23.6℃,最低月平均氣溫-15.8℃,冬長夏短,黑鈣土是試驗田主要土壤類型。全年降水量423mm,主要集中在6—9月,無霜期天數168d,年均≥10℃的積溫為2757.8℃。

1.2 試驗設計

試驗材料為“龍雜22”,生育期115d。試驗小區隨機排列,一共設置4個氮肥處理(0kg·hm-2、80kg·hm-2、150kg·hm-2和220kg·hm-2),其他條件各處理均相同,3次重復,共12個小區,行距65cm,株距20cm。各試驗小區均施入磷肥(P2O5)75kg·hm-2、鉀肥150kg·hm-2作為種肥,施肥時種子與肥保持3～5cm距離,防止燒種。氮肥使用含N46%的尿素,1/3隨種肥施入,剩下2/3氮肥在拔節期施入,追肥應在根側7～10cm,深度8～10cm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 主要農藝性狀

1.3.1 .1 株高

隨機選取每個小區中5株高粱,測量植株地面到植株自然最高點之間的高度,求平均值。并將這5株植株做上標記,之后生育期的株高均在這5株選定的植株上測量。

1.3.1 .2 莖粗

隨機選取每個小區中5株高粱,用皮尺測量高粱的莖粗。并將這5株植株做上標記,之后生育期的莖粗均在這5株植株上測量。

1.3.1 .3 莖葉比

隨機選取每個小區中5株高粱,在烘箱里經過105℃殺青30min后,用65℃的溫度持續烘干8h,分離出烘干后的高粱地上部分中的莖和葉,并分別稱重,高粱莖葉比計算公式:

莖葉比＝莖的重量/葉的重量

按照播種后的生長天數對高粱進行取樣。第1次取樣為播種后的45～55d,至高粱進入拔節期后則每隔20d進行1次取樣,全生育期一共4次取樣。

1.3.2 產量及其構成因子

于高粱生理成熟期進行高粱產量的測定,采用對角線原則從各小區中隨機選擇3個測點,把以測點為中心的1m2內的所有穗剪下,在自然條件下風干,然后脫粒稱重。各小區產量Y(kg·hm-2)計算公式:

式中,W1、W2和W3為1m2內高梁產量,g·m-2。

產量構成因子測定方法見表1。

表1 產量構成因子測定方法

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進行試驗數據處理。

2 結果與分析

2.1 施氮水平對高粱農藝性狀的影響

高粱的株高總體上隨生育期的推進呈現出先增加后趨于穩定的特點。從圖1可以看出,在各生育期內150kg·hm-2和220kg·hm-2處理下的高粱株高均處在較高水平,0kg·hm-2處理下的高粱株高水平均明顯低于其他施氮處理。在高粱成熟期,220kg·hm-2處理的作物株高最大,為112.9cm；0kg·hm-2處理的作物株高最小,為109.7cm。施氮量對于作物株高的影響特點表現為在高粱進入拔節期后和進入成熟期前,施氮水平會顯著影響作物株高,隨著施氮水平的提高,作物的株高也會隨著增大；而高粱進入成熟后,施氮水平對高粱株高的增大效果不明顯,且施氮水平對作物株高的影響存在閾值,150kg·hm-2和220kg·hm-2處理相比,隨著施氮量的提高作物株高未明顯增大。

高粱的莖粗增長主要在作物生長發育前期。從圖1可以看出,各處理高粱莖粗在第1次取樣至第2次取樣間增長較快,而在第2次取樣后,增長變緩后基本保持穩定,這表明施氮水平對作物莖粗的影響主要在生育前期,作物的莖粗在生長后期對氮并不敏感。80kg·hm-2處理下的作物莖粗水平除第1次取樣外的其他各生育期均高于其他處理,而0kg·hm-2處理下的作物莖粗水平在各生育期均明顯低于其他施氮處理。在成熟期,80kg·hm-2處理的莖粗最大,為22.6mm；0kg·hm-2處理的莖粗最小,為18.7mm,前者比后者大20%,這說明施氮對高粱莖粗有增大效應。但從150kg·hm-2和220kg·hm-2處理下的作物莖粗可以看出,施氮對高粱莖粗的增大效應并不是線性的,150kg·hm-2處理下的作物莖粗與最大值(80kg·hm-2處理下)接近,而220kg·hm-2處理下的作物莖粗卻比最大值小11%。這說明在其他條件相同的前提下,過量的施氮反而會抑制作物莖粗的增長。

圖1 施氮水平對不同生育期高粱農藝性狀的影響

隨著高粱的生長發育,由圖1可知,各處理高粱植株的莖葉比在第1次取樣和第2次取樣之間均較小且無差異,第2次取樣后逐漸增大,其中150kg·hm-2處理下莖葉比的增速為所有處理中最大,而0kg·hm-2處理的莖葉比增速表現為所有處理中最小。

2.2 施氮水平對高梁產量及其構成因子的影響

圖2為不同施氮水平下高粱的產量情況,所有處理中產量最大的是150kg·hm-2處理,其產量為7120kg·hm-2,0kg·hm-2處理下高梁產量最小,其產量為5496.7kg·hm-2。0kg·hm-2處理產量都低于施氮處理,與未增施氮肥的處理相比,施加氮肥可以顯著提高高粱的產量,當其他條件相同時,施氮處理可以增產7.8%～33.9%。然而施氮對產量的提升同樣存在閾值,在閾值前,當施氮量的增大,高粱產量也隨著提高,但是當施氮量達到某一閾值以后,施加氮肥不再提高產量反而會造成減產,此試驗中150kg·hm-2處理和220kg·hm-2處理相比,施氮量增加了46.7%,高粱產量卻減小了13.9%。

圖2 施氮水平對高粱產量的影響

表2為不同施氮水平下各處理高粱產量構成因子。從高粱的穗長來看,各處理間差異性并不顯著,80kg·hm-2和150kg·hm-2處理下高粱穗長略大于其他處理；從高粱的穗粗來看,各處理間差異性顯著,其中穗粗最大為150kg·hm-2處理,最小為80kg·hm-2處理。0kg·hm-2和220kg·hm-2處理穗粗較為接近。從高粱的千粒重來看,各處理間較為接近,差異性也不顯著。從高梁的每穗粒數和每穗粒重來看,各處理間差異性顯著,最大均為為150kg·hm-2處理,最小均為0kg·hm-2處理。

表2 施氮水平對高粱產量構成因子的影響

3 討論

氮素是影響作物生長發育最重要的因素之一。此次試驗中研究了施氮量對高粱主要農藝性狀和產量的影響。作物生長量的基本標志之一是株高[5],本試驗中150kg·hm-2和220kg·hm-2處理下高粱株高均表現較好,施氮會顯著提高高粱的株高水平。莖是植株主要支撐器官,植株的株型、抗倒伏性能等受莖的高度、粗度和節間長短影響,從而影響高產和穩產[5]。本試驗中80kg·hm-2和150kg·hm-2處理下高粱莖粗均表現較好,0kg·hm-2處理下高粱莖粗水平較低,施氮會顯著提高高粱的莖粗水平。并且氮素對高粱莖粗的影響主要在第1次取樣后和第2次取樣前之間,這一時期高粱正處于拔節期。這是由于高粱進入拔節期后,植株開始迅速生長,對水肥的需求也隨之增大,此時莖對于氮素較為敏感。莖葉比是評估高粱品質的重要指標,能反映干物質在高粱各器官中的積累分配情況[6]。本試驗中,莖葉比最大為150kg·hm-2處理,總體上施氮處理的高粱莖葉比均比0kg·hm-2處理下的高粱莖葉比大,由此可見施氮會影響高粱的莖葉比。

高麗敏[10]等通過試驗得到長江下游地區種植飼用甜高粱適宜氮肥用量為244.50kg·hm-2。通過本試驗可得,施加氮肥可顯著提高高粱產量,高粱產量最大為150kg·hm-2處理,但施氮對高粱產量的提高存在閾值。適當的氮肥使用量可以增強根系活力以及提高對養分的吸收能力,而過量施用氮肥,反而會降低植株對氮素的吸收能力。這或許是由于過量的氮肥抑制了的植株根系生長,根系長度的降低和與氮肥接觸面積的減小造成了根系對養分吸收的不足并最終導致氮素含量的降低[9]。穗粗、穗長、千粒重等是影響高粱產量的最有效因子[18]。本試驗中,高粱穗長和千粒重對氮素并不敏感,不同施氮水平下各處理差異性不顯著。而高粱處理的每穗粒數差異性較大,150kg·hm-2處理比0kg·hm-2處理的高粱粒數水平提高了約30%。這或許可以得到高粱每穗粒數是影響高粱產量的關鍵因素,施加氮肥可以提高高粱每穗粒數,進而提高高粱每穗粒重,從而提高高粱的產量。

4 結論

氮素對高粱的生長發育起著至關重要的作用,適當施氮有利于增加高粱的產量。本試驗結果表明,施加氮肥會影響高粱株高、莖粗、莖葉比等農藝性狀,從而影響高粱的產量。綜合考慮,黑龍江省哈爾濱市種植“龍雜22號”高粱推薦氮肥施用量為150kg·hm-2。過量的氮肥施用量不僅沒有持續地增加高粱的產量,反而可能會造成減產。