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氮磷鉀配施、外源水楊酸和2,4-D丁酯對籽實谷子產量的影響

2024-12-31 00:00:00馮志威楊張俠孟穎超聶萌恩屈非
草地學報 2024年8期
關鍵詞:產量

摘要:為優化雜交谷生產中施肥方案,以‘張雜谷5號’為材料,采用5因素二次通用旋轉組合設計,在大田條件下探討氮、磷、鉀肥、水楊酸和除草劑2,4-D丁酯對谷子[Setaria italica (L.) Beauv.]凈光合速率、葉面積指數、丙二醛及籽實產量的影響。結果顯示,凈光合速率、葉面積指數、丙二醛及籽實產量在5個因素的作用下均呈拋物線狀變化。單因素分析表明氮、磷、鉀和水楊酸濃度對谷子籽實產量均有顯著影響(P<0.05),交互作用顯示氮和水楊酸、氮和2,4-D丁酯、水楊酸和2,4-D丁酯交互作用對產量影響顯著(P<0.05)。‘張雜谷5號’單位面積籽實產量最大的農藝方案為施用氮肥185.6 kg·hm-2,磷肥94.5 kg·hm-2,水楊酸0.64 g·L-1,鉀肥49.3 kg·hm-2,2,4-D丁酯651.9 mL·hm -2,此時谷子籽實產量為6783.18 kg·hm-2。

關鍵詞:谷子;水楊酸;氮;磷;鉀;2,4-D丁酯

中圖分類號:S515""" 文獻標識碼:A"""" 文章編號:1007-0435(2024)08-2670-07

Effects of N,P,K,Exogenous Salicylic acid and 2,4-D butyl ester

Combined Application on Grain millet

FENG Zhi-wei1, YANG Zhang-xia2, MENG Ying-chao1, NIE Meng-en3, QU Wei1*

(1.Shanxi Agricultural University, Taiyuan, Shanxi Province 030031, China; 2. Facility Agricultural Development Center of Chengcheng,

Weinan, Shaanxi Province 715200, China; 3.Center for Agricultural Genetic Resources Research, Shanxi Agricultural University,

Taiyuan, Shanxi Province 030031, China)

Abstract:To investigate the appropriate application of fertilization on foxtail millet production,by using ‘Zhangzagu 5’ as plant material,we conducted experiments based on quadratic general rotary unitized design with three replications. The performance of net photosynthetic rate,leaf area index,Malondialdehyde and yield of ‘Zhangzagu 5’ were investigated,under different levels of nitrogen,phosphate,potassium,2,4-D butyl ester and salicylic acid. The results showed that with the increase of application of the 5 factors,the net photosynthetic rate,leaf area index,as well as the yield of ‘Zhangzagu 5’ showed a trend of parabolic changes. The grain yield was significantly affected by the application levels of nitrogen,phosphate,salicylic acid and potassium (P<0.05),as well as the interaction between nitrogen and salicylic acid,nitrogen and 2,4-D butyl ester,salicylic acid and 2,4-D butyl ester,respectively. In conclusion,the recommended cultivation conditions for ‘Zhangzagu 5’ are 185.6 kg·hm-2nitrogen,94.5 kg·hm-2P2O5,0.64 g·L-1 SA,49.3 kg·hm-2 K2O,651.9 mL·hm-2 2,4-D butyl ester,and the expected grain yield is 6783.18 kg·hm-2.

Key words:Grain millet;Salicylic acid;Nitrogen;Phosphate;Potassium;2,4-D butyl ester

谷子[Setaria italica (L.) Beauv.]是禾本科狗尾草屬一年生草本植物,具有深厚的農耕底蘊,營養均衡且豐富,可糧飼兼用。不僅如此,谷子對生長環境中水分的要求較少,能夠抗旱耐瘠,適合旱作生態農業綠色發展需求[1-3]。研究表明,‘張雜谷’系列谷子由于具備禾谷之首的飼草價值和廣泛的生態適應性,使其在有效擴大飼草種植面積,增加優質飼草量中發揮了重大作用[4]。在我國,谷子種植地多為北方干旱、半干旱的丘陵山區,土壤瘠薄現象普遍存在[5],通過合理施肥不僅能夠很好的促進谷子植株的營養吸收及光合作用,還能提高谷子干物質積累及產量形成[6]。氮、磷、鉀是谷子生長營養積累過程中的三大必需元素,科學配施這三種肥料對于實現高產出率、高效率及優質產品至關重要[7]。但是,現在農業生產中,農民多施用氮肥或氮磷肥,而對鉀肥的施用量較少甚至沒有,這就引起了土壤中鉀元素被大量消耗,進而造成了氮、磷、鉀元素含量的不平衡。土壤中氮、磷、鉀含量的失衡直接影響植株體內干物質積累和分配,造成谷物品質下降、產量降低[8]。

谷田雜草種類繁多,人工除草費時費工,使用化學除草是既解決谷田草害又能實現輕簡栽培的有效途徑。2,4-D丁酯是苯氧羧酸類激素型除草劑,主要通過打破雜草內源激素的平衡來達到除草的目的[9]。但是,除草劑對谷子的生長也有一定的影響,除草劑使用不當會對谷子植株產生藥害,抑制植株生長最終影響產量[10]。水楊酸(Salicylic acid,SA)是一種植物中的酚類激素和重要信號分子,能夠影響植株光合作用和活性氧代謝,在調控植物生長發育和抵御逆境中扮演著重要的角色[11-12]。研究證實外施SA能夠有效提高鹽脅迫下水稻產量,以及提高干旱脅迫下多年生黑麥草的抗氧化酶活性[13-14]。除草劑脅迫下,通過對植株外施SA不僅可以提高谷子幼苗的抗氧化能力,還能對植株葉片細胞內的光合色素起到保護作用,以此來緩解除草劑對幼苗的傷害[15]。

目前關于雜交谷籽實高產栽培技術研究多限于單因素試驗,對肥料配施、除草劑和外源激素的綜合考慮未見報道。本研究選擇氮、磷、鉀、2,4-D丁酯和外源SA 5個因素,采用5因素5水平二次通用旋轉組合設計方法,旨在探索籽實谷子‘張雜谷5號’氮磷鉀配施、除草劑2,4-D丁酯和外源SA最佳組合,以期為‘張雜谷5號’的高產高效栽培及大面積推廣提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地與材料

于2021年和2022年,在山西農業大學東陽試驗基地(37°33′21″N,112°40′2″E)開展田間試驗。2021年進行氮肥、磷肥、鉀肥、外源SA和2,4-D丁酯的最佳水平組合的篩選,2022年將對前一年的最優組合及零水平組合進行驗證試驗,兩年試驗在山西農業大學東陽試驗基地不同地塊進行,前茬作物均為玉米。試驗地土壤為黃土質石灰性灰褐土,地勢平坦,肥力均勻。該地0~20 cm耕作層土壤肥力情況:含有機質18.5 g·kg-1、堿解氮79 mg·kg-1、全氮0.91 g·kg-1、速效磷19 mg·kg-1、全磷0.67 g·kg-1、速效鉀104 mg·kg-1、全鉀25.8 g·kg-1,pH值為 8.3。2021年生育期內日均氣溫22.4℃,總降水量310.8 mm。選擇張家口市農業科學院選育的‘張雜谷5號’為供試材料。選擇尿素(含氮46%)作為氮肥,硫酸鉀(含K2O 50%)作為鉀肥,過磷酸鈣(含P2O516%)作為磷肥,藥劑為SA、72% 2,4-D丁酯(乳油)。

1.2 試驗方法

以二次通用旋轉組合設計進行試驗,共設計了5個因素,包括氮肥(x1)、磷肥(x2)、SA(x3)、鉀肥(x4)和除草劑2,4-D丁酯(x5),每個因素各5個水平(-2至2的標準編碼表示不同的濃度水平;具體數值見表1)。小區面積為3 m×6 m,各試驗小區隨機排列,并在試驗區周圍設保護行,每個處理重復3次。磷、鉀肥做底肥,氮肥一半做底肥、另一半在拔節孕穗期追施。播種前統一進行了灌水與旋耕作業。2021年5月27日播種,行距40 cm。3~5葉期根據設計密度統一間苗、定苗。6葉期先進行SA處理,用0.8型手持式噴霧器在谷子植株葉片正反面均勻噴施,直至植株葉片保持濕潤且無水珠滴落,3 d后再噴施除草劑2,4-D丁酯。前一年的最優組合及零水平組合被選擇來進行第二年的驗證試驗,小區面積仍為3 m×6 m,每個處理重復3次。

1.3 測定項目與方法

凈光合速率(Net photosynthesis rate,Pn):灌漿中期,于晴朗無風的上午9—11時,選取完全展開生長狀態一致的旗葉,采用LI-6400光合儀(美國,LI-COR)測定旗葉Pn。在每個小區中選取10株生長狀況一致的植株進行測定,重復3次。

葉面積指數(Leaf area index,LAI):在灌漿中期,隨機選取每個小區中生長狀況一致的單莖,用人工測量法測定LAI。測量谷子倒二葉的長度和最大寬度,計算公式為:A葉面積=L葉長×b葉寬×0.75[16]。

丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量:在灌漿中期,每小區隨機取3片新鮮旗葉,采用硫代巴比妥酸法對葉片的MDA含量進行測定。

籽實產量測定:谷子籽粒成熟后,取各試驗組中部3 m×3 m區域內,生長狀況良好且一致的谷子植株進行收割。之后,對自然風干后的谷穗進行脫粒及稱重,并對每公頃的產值進行計算及統計,脫粒后種子含水量在13%左右。

1.4 統計分析

試驗設計方案以及結果見表2,通過SAS 9.0對所得數據進行回歸分析,建立5因素與光合指標、MDA和產量之間的五元二次回歸方程。通過軟件Lingo,對構建的數據模型用迭代逐次逼近的方法算得極大值。將5因素中的4個假設為零,進行降維分析,將不為零因素設為確定變量,并以此來構建偏回歸模型,并在此模型的基礎上,繪出單因素變化趨勢圖。之后,再將5因素中的3個假設為零,繪制出剩余2個因子互作效應的等高線圖,分析它們之間的相互作用。

2 結果與分析

2.1 氮、磷、鉀、SA及2,4-D丁酯施用量對谷子Pn的影響

通過回歸分析建立5因素與旗葉Pn的回歸方程為:y=27.348+0.983x1+0.533x2- 0.575x3-0.792x4-0.125x5-0.872x12-0.485x22-0.660x32-0.535x42-1.035x52+0.175x1x2+0.713x1x3-0.338x1x4-0.538x1x5-0.25x2x3+0.275x2x4-0.025x2x5+0.338x3x4+0.663x3x5+0.138x4x5,方程的決定系數為0.931,F檢驗P值為0.000 8,而失擬項檢驗不顯著,表明該數學模型的預測值能夠與實際值相符合。使用迭代逐次逼近法求得,在農藝方案為:x1=0.713,x2=0.562,x3=-0.723,x4=-1.120,x5=-0.558,即施用氮肥187.2 kg·hm-2,磷肥92.2 kg·hm-2,鉀肥33.0 kg·hm-2,SA 0.5 g·L-1,2,4-D丁酯644.2 mL·hm-2,此時的Pn達到最大,為28.53 μmol·m-2·s-1。

分析Pn在單因素下的影響,氮(P=0.0004)、磷(P=0.0208)、鉀(P=0.0019)和SA(P=0.0141)對Pn有顯著作用,且各單因素的作用大小分別為氮gt;鉀gt;SAgt;磷。如圖1所示,在試驗設計水平范圍內,Pn在5個因素下的變化呈現為拋物線狀,即隨著氮、磷、鉀、SA、2,4-D丁酯用量的增加,Pn先快速上升,之后再緩慢降低。

分析交互作用對Pn的影響,發現氮和SA(P=0.0133)、氮和2,4-D丁酯(P=0.0491)、SA和2,4-D丁酯(P=0.0194)之間交互作用對Pn影響顯著。圖2a顯示,將磷、鉀、2,4-D丁酯固定在零水平,當氮處于低或高水平的情況下,谷子的Pn隨著SA含量的增加,呈現出先上升后下降的變化。同時,當SA處于低或高水平的情況下,谷子的Pn隨著氮含量的逐漸增加,同樣呈現出先上升后下降的變化。從圖2b和2c可以看出,當磷、SA、鉀3因素和氮、磷、鉀3因素分別固定在零水平時,谷子的Pn隨著其余2因素的同步上升,均呈現出先上升后下降的變化。

2.2 谷子LAI對氮、磷、SA、鉀及2,4-D丁酯施用量的響應

5個因素與LAI之間的回歸方程為y2=6.074+0.182x1+0.091x2-0.1x3-0.14x4-0.161x5-0.224x12-0.147x22-0.184x32-0.2221x42-0.118x52+0.014x1x2+0.1x1x3-0.079x1x4-0.068x1x5-0.101x2x3+0.046x2x4+0.041x2x5+0.044x3x4+0.175x3x5+0.026x4x5,方程的決定系數為0.874,F檢驗P值為0.0134,而失擬項檢驗不顯著,表明該數學模型的預測值與實際值比較符合。在農藝方案為:x1=0.522,x2=0.390,x3=-1.079,x4=-0.569,x5=-1.628,即施用氮肥174.0 kg·hm-2,磷肥86.1 kg·hm-2,SA 0.4 g·L-1,鉀肥53.7 kg·hm-2,2,4-D丁酯489.1 mL·hm-2,此時‘張雜谷5號’的LAI達到最大,為6.36。

分析單因素對LAI的作用,氮(P=0.0136)、鉀(P=0.0459)、2,4-D丁酯(P=0.0251)對LAI有顯著影響,且各單因素的作用大小分別為氮gt;2,4-D丁酯gt;鉀。從圖1b可以看出,在各因素試驗設計水平內,5因素對LAI的影響都呈現拋物線狀,即隨著各因素水平的增加,LAI形成先上升后降低的變化。

分析交互作用對LAI的影響,可以看出SA和2,4-D丁酯(P=0.0423)之間交互作用對LAI影響顯著。如圖3所示,當氮、磷、鉀固定在零水平,SA處于不同水平時,谷子的LAI在2,4-D丁酯用量的不斷增加下,形成先增加后減少的變化;在2,4-D丁酯處于低或高水平時,谷子的LAI在SA用量不斷增加的情況下,形成先增加后降低的變化。

2.3 谷子MDA對氮、磷、SA、鉀及2,4-D丁酯施用量的響應

5個因素與葉綠素含量之間的回歸方程為y3= 6.496+0.235x1+0.525x2-0.027x3-0.12x4-0.076x5+0.234x12+0.337x22+0.224x32+0.198x42+0.240x52+0.109x1x2+0.203x1x3-0.034x1x4- 0.108x1x5-0.036x2x3+0.223x2x4-0.111x2x5-0.041x3x4+0.305x3x5+0.049x4x5,方程決定系數為0.915,F檢驗P值為0.0022,而失擬項檢驗不顯著,可以得出數學模型的預測值與實際值比較符合。因此,在農藝方案為:x1=-1.389,x2=-0.395,x3=1.659,x4=0.754,x5=-1.373,即施用氮肥42.2 kg·hm-2,磷肥57.8 kg·hm-2,SA 1.5 g·L-1,鉀肥103.3 kg·hm-2,2,4-D丁酯562.7 mL·hm-2,此時‘張雜谷5號’的MDA含量最小,為6.29 μmol·g-1 FW。

分析單因素對MDA含量的作用,氮(P=0.0048)、磷(P=0.0448)對MDA含量有顯著影響,且作用大小為氮gt;磷。如圖1c所示,在各因素試驗設計水平內,MDA含量在5因素的作用下都呈拋物線狀變化,即隨著各個單因素水平的增加,MDA含量的變化趨勢為先減小后增加。

分析交互作用對MDA含量的影響,可以看出氮和SA(P=0.0318)、SA和2,4-D丁酯(P=0.0033)、磷和鉀(P=0.0184)之間交互作用對MDA含量均有顯著作用。圖4a顯示,當固定在零水平的因素為磷、鉀、2,4-D丁酯時,MDA含量的變化在氮和SA用量同步增加的情況下,先減少后增加。當氮和SA二者之一處于低或高水平時,MDA的含量隨著另一因素施用量的不斷增加,呈現先降低后增加的變化。如圖4b-c所示,分別將氮、磷、鉀和氮、SA、2,4-D丁酯固定在零水平,分析其余兩因素用量變化對MDA含量的作用。兩因素之一處于低或高水平的情況下,MDA含量隨著不斷另一因素施用量增加,均呈現出先降低后增加的變化。

2.4 谷子籽實產量對氮、磷、SA、鉀及2,4-D丁酯施用量的響應

通過回歸分析,建立5因素與張雜谷5號產量的回歸方程:y4=6586.93+193.75x1+104.17x2-103.33x3-184.17x4-53.75x5-192.56x12-111.93x22-143.81x32-185.06x42-233.18x52+50.00x1x2+156.88x1x3-66.88x1x4-120.63x1x5-46.88x2x3+31.88x2x4-9.38x2x5+48.75x3x4+120.00x3x5+48.75x4x5,方程決定系數R2為0.931。F檢驗P值為0.0008,達到極顯著,失擬項檢驗不顯著,表明數學模型的預測值與實際值相比較符合。迭代逐次逼近求得,在農藝方案為:x1=0.690,x2=0.626,x3=-0.402,x4=-0.685,x5=-0.481,即施用氮肥185.6 kg·hm-2,磷肥94.5 kg·hm-2,SA 0.64 g·L-1,鉀肥49.3 kg·hm-2,2,4-D丁酯651.9 mL·hm-2,此時,‘張雜谷5號’籽實產量達到最大值,為6783.18 kg·hm-2。

單因素作用分析顯示,氮(P=0.0009)、磷(P=0.0367)、SA(P=0.0380)、鉀(P=0.0013)對產量有顯著影響,且各單因素的作用大小分別為氮gt;鉀gt;磷gt;SA。交互作用分析可以看出氮和SA (P=0.0136)、氮和2,4-D丁酯(P=0.0463)、SA和2,4-D丁酯(P=0.0473)之間交互作用對產量影響顯著。圖5顯示,當其他因素固定在零水平時,谷子產量分別隨著氮和SA、氮和2,4-D丁酯,SA和2,4-D丁酯用量的增加,形成先增加后減少的變化。

2.5 張雜谷5號最適栽培條件的驗證

為進一步對2021年篩選的最佳水平組合進行驗證,取 2021 年使‘張雜谷5號’籽實產量達到最大值的優化因素,即在氮肥185.6 kg·hm-2,磷肥94.5 kg·hm-2,SA 0.64 g·L-1,鉀肥49.3 kg·hm-2,2,4-D丁酯651.9 mL·hm-2,其他栽培措施一致的條件下,2022年對張雜谷5號進行收獲,統計得到平均產量為6179.41 kg·hm-2。較零水平組合而言,最佳水平組合增產5.87%,這一結果對產量模型的實用性進行了驗證。

3 討論

3.1 氮、磷、鉀肥對籽實谷子光合和產量的影響

施肥是提高作物產量的最有效途徑,合理施肥通過提高植物抗氧化酶活性、光合速率、養分利用效率,降低膜脂過氧化產物,促進花后同化產物的積累和轉運,進而提高作物產量[17]。然而施肥和作物產量之間并不是簡單的呈正比例增加或減少,不合理的施用不僅會使作物產量和品質下降,還會引起環境污染、造成資源浪費[18]。盡管有關氮、磷、鉀肥對作物產量影響的報道眾多且結果各異——這可能受到作物類型、生態因子、土壤、施肥方式等多種因素綜合作用;但合理的氮、磷、鉀比例搭配已被證實能提高植株對肥料的利用率并最終達到增產目的。Xing等[19]研究表明,氮磷鉀合理配施能有效提高谷子產量和品質,基于模糊綜合評判,在14個肥料組合處理中,N160P90K150處理即氮160 kg·hm-2、P2O5 90 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2時綜合效果最好。Ahmad等[20]研究發現,與對照組相比,中量氮、磷、鉀處理(60-30-30 kg·hm-2)谷子葉面積、莖粗和干生物量達到最大。本研究可以看出,不同的氮、磷、鉀肥組合處理對谷子增產存在明顯的差異,只有在合適的比例下谷子產量才能達到最大值。此外,研究發現氮肥對谷子增產效應最大,其次為鉀肥,磷肥最弱。這與張鵬飛等[21]研究結果相似,他們同樣認為氮、磷、鉀的合理配施有利于提高谷子的產量,并且氮肥用量對谷子的產量影響最大,其次為磷肥、鉀肥。

植物光合產物的積累由多種營養因子共同決定,大量元素氮、磷、鉀是植物生長發育必不可少的營養因子,它們之間的交互作用不僅提高了植株的光合產量,還對農田合理高效施肥具有重要意義。前人研究表明[22],氮、磷、鉀元素之間存在交互作用,在一定條件下,與它們各自效應和相比,兩個或多個養分元素的結合生理效應將會降低或升高。本研究分析了單因素對產量的作用,結果表明氮、磷、鉀對產量有顯著影響,且各單因素的作用大小分別為氮肥gt;鉀肥gt;磷肥。也有研究表明氮磷鉀之間的協同作用是由于硝態氮離子、磷酸根離子與鉀離子所帶電荷相反,硝態氮離子、磷酸根離子的主動吸收能促進鉀離子的吸收[23]。因此,氮、磷、鉀協調施肥可提高谷子養分利用效率,促進其籽實產量增加。研究還發現,過量施肥會引發谷子產量降低,增加了種植成本,不利于農民收益最大化[24]。2022年對當地農民常規種植習慣進行調查,在畝施40 kg復合肥(氮∶磷∶鉀為27∶16∶8)基礎上,谷田畝產約為402.5 kg,本試驗篩選的最佳水平組合較農民常規施肥增產2.35%,在促進谷子增產增收中具有一定的推廣價值。

3.2 外施SA對籽實谷子氮磷鉀虧缺和2,4-D丁酯藥害的緩解作用

本研究表明,‘張雜谷5號’的Pn、LAI、產量和MDA均受SA的影響,且效果顯著。并且,隨著SA用量的增加,除MDA含量先降低后上升外,其余三者均呈現出先上升后降低的趨勢;施加SA在氮磷鉀虧缺條件下,依然可以提高谷子產量;同時,SA還可以消除高濃度2,4-D丁酯對產量的不良影響,從而使谷子產量增加。康書瑜等[25]研究表明適宜濃度SA可以提高藜麥抗氧化酶活性,降低MDA含量,增強其對干旱脅迫的耐受性。徐楠等[26]研究表明適宜濃度的SA對苜蓿光合速率的提高,抗氧化酶活性的增強,細胞膜脂過氧化程度的降低以及保障植株正常發育方面具有促進作用。陳錦芬等[27]研究表明,與對照組相比,SA處理可降低煙草葉片相對電導率及MDA含量,提高其抗氧化酶及苯丙氨酸解氨酶活性,增加可溶性糖、可溶性蛋白和總酚含量,對減緩低溫對煙草葉片的傷害具有很好的緩解作用。說明可以通過噴灑適宜濃度的SA來提高谷子的光合作用,降低MDA含量,減緩植株衰老,從而使谷子產量增加。本研究分析了籽實谷子光合特性和籽實產量對氮磷肥配施、2,4-D丁酯和外源SA的響應,下一步將對雜交谷子的飼草生產性能和營養品質的最佳配施進行研究。

4 結論

綜上所述,氮磷鉀協調配施可提高谷子葉面積、Pn,降低MDA含量,增加其產量。施加外源激素SA不僅可以提高氮、磷、鉀利用效率,同時可以緩解除草劑對谷子產生的藥害作用。根據迭代逐次逼近求得,在農藝方案為施用氮肥185.6 kg·hm-2,磷肥94.5 kg·hm-2,SA 0.64 g·L-1,鉀肥49.3 kg·hm-2,2,4-D丁酯651.9 mL·hm-2,此時張雜谷5號單位面積產量最大,為6783.18 kg·hm-2。

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(責任編輯 付 宸)

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