減氮配施有機肥對苗期谷子生長發育和生理特性的影響

Effects of Nitrogen Reduction Combined with Organic Fertilizer on Growth and Physiological Characteristics of Foxtail Millet at Seedling Stage

Liu Yizhou1，2，Qin Ling2，Yang Yanbing2，Li Feifei2， Zhang Huidi2， Zhang Mengyuan2，Chen Erying2，Guan Yan'an1，2 （1. College of Agriculture， Ludong University， Yantai 2640O4， China; 2. Crop Research Institute， Shandong Academy of Agricultural Sciences/Shandong Engineering Laboratory of Featured Crops， Jinnan 250100，China）

AbstractThe experiment adopted a two-factor randomized block design with nitrogen fertilizer and organic fertilizer as the factors.A total of 1O treatments were set with inorganic nitrogen fertilizer as no nitrogen application （O），conventional nitrogen application （ 150kg/hm² of pure nitrogen， CK）， 15% nitrogen reduction （ 127.5kg/hm² ）and 30% nitrogen reduction （ 105kg/hm² ），and two levels of organic fertilizer at 1 500 kg/hm² and . The effects of diferent nitrogen reduction combined with organic fertilizer application treatments on the growth，development and physiological characteristics of foxtail millet at seedling stage were studied.The results showed that compared with no nitrogen application treatment，each fertilizer treatment improved dry mater accumulation，root length，root surface area as wellas root volume and activities of leaf nitrogen metabolism enzymes and antioxidant enzymes at seedling stage to varying degrees，among which， 15% nitrogen reduction combined with 3000kg/hm² organic fertilizer treatment had the most significant effects.Compared with CK，the dry matter accumulation and roo development of foxtail milet in treatment of （204號 1500kg/hm² organic fertilizer under normal nitrogen fertilization were significantly improved，and the activities of antioxidant enzymes and nitrogen metabolic enzymes at seedling stage were also improved to a certain extent; many indexes at seedling stage of 15% and 30% nitrogen reduction treatments were decreased to varying degrees，but the growth and development offoxtail milet at seedling stage were improved by diffrent degrees under the condition of 15% nitrogen reduction combined with different amounts of organic fertilizer，and the best effect occurred when combined with 3000kg/hm² orgnic fertilizer. Under the condition of 30% nitrogen reduction，there was no significant difference between the treatments combined with different amounts of organic fertilizer and the treatment of only 3000kg/hm² of organic fertilizer. To sum up，under the conditions of this experiment， the treatment of 3000kg/hm² of organic fertilizer combination with 15% nitrogen reduction based on conventional nitrogen application was the optimal fertilization treatment.

KeywordsFoxtail millet；Nitrogen fertilizer；Organic fertilizer； Seedling stage；Root；Physiologicalcharacteristics

谷子（SetariaitalicaL.Beauv）古稱粟，是起源于中國的傳統糧食作物，為雜糧之首，具有抗旱耐瘠薄、水肥高效、適應性強等特點，主要分布在我國北方干旱和半干旱地區，常年種植面積保持在120.0萬＼～150.0萬hm2[1-2] 。

施肥特別是施用氮肥是提高作物產量的重要手段[3]。目前我國是世界上化肥用量最多的國家，氮肥施用量是世界平均水平的2.6倍，但利用效率并不高[4]。氮肥的過量施用不僅降低農產品品質，還會導致土壤酸化，破壞生態環境，阻礙農業的可持續發展[5-7]。因此，如何控制氮肥用量，提高氮肥的利用效率是我國農業可持續發展面臨的重要問題

有機肥含有多種有機酸、肽類以及氮、磷、鉀等營養元素，能夠為農作物提供全面的營養，并且具有長效肥效，有助于增加和更新土壤有機質，促進土壤微生物的繁殖，改善土壤理化性質和生物活性[8]。有機肥的營養物質釋放緩慢，有機肥替代部分氮肥，有利于作物營養物質的積累，促進作物生長，提高產量，降低硝酸鹽的釋放。王帥等[10]研究表明，生物有機肥替代部分化肥可以有效改善施用高量化肥帶來的相關問題。陳鑫等[11]研究表明，常規施氮配施部分有機肥可以提高玉米產量并且增加籽粒中的淀粉和蛋白質含量。董倩楠等[12研究表明，減少部分氮肥施用量并施加生物有機肥有利于產量和品質的提升。白國瑞[13]研究表明，生物有機肥替代部分氮肥，夏玉米和冬小麥產量均有所提升，并且土壤有機質、硝態氮、有效磷及速效鉀含量也有明顯提升。大量研究表明有機肥替代部分氮肥可以有效提高玉米、水稻、小麥等作物的產量及品質，但在谷子上的相關研究報道較少。谷子苗期作為全生育周期的關鍵階段，其氮肥管理直接影響植株健壯度與產量潛力[14]。本試驗以濟谷22為材料，研究減氮配施有機肥對苗期谷子生長發育及葉片生理生化特性的影響，探索谷子適宜的施肥模式，以期為谷子的綠色生產和可持續發展提供理論依據

1材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2022年6—10月在山東省農業科學院作物研究所濟南試驗基地開展。供試谷子品種為濟谷22，由山東省農業科學院作物研究所選育而成。

試驗所用氮肥為尿素（ N46% ），鉀肥為氯化鉀（ K₂O60% ），磷肥為過磷酸鈣（ ，有機肥采用商品生物有機肥（有機質含量 ≥40% ，N2.0% ， ，有效活菌數 ?2.0 億個 ??/g ），由濰坊市綠旺達生物肥料科技有限公司生產提供。

1.2 試驗設計與方法

試驗采用隨機區組設計，設置氮肥和有機肥兩個因素，以常規施氮（CK）及不施氮肥（ N₀ ）為對照，在常規施氮基礎上分別減 15%.30% ，有機肥用量分為 1500，3000kg/hm² 兩個水平，共組合為10個處理，具體試驗處理施肥量見表1。隨機區組排列，重復3次，小區面積 20m²（4m× 5m ）。種植行距 0.5m ，留苗密度 60 萬株 ?hm² 0除 N₈ （純有機肥）處理外，其他處理磷鉀肥用量一致，施肥量為 P₂O₅ ！ K₂ 0 67.5kg/hm² 。上述所有處理的氮肥 50% 基施， 50% 追施（孕穗初期，幼苗12葉），有機肥與磷鉀肥全部基施。

1.3 測定項目及方法

1.3.1苗期谷子干物質積累和根系形態指標測定于谷子苗期（6片葉，下同）每處理取有代表性植株10株，按地上部和根分樣。用根系掃描儀（WinRHIZO根系分析系統）對處理干凈的根系進行掃描，獲取根系數據后，將地上部及根系放入烘箱 105^°C 殺青 30min ，然后 80^°C 烘干至恒重，稱量各器官樣品干物質重量。

1.3.2谷子葉片生化指標測定 于谷子苗期每處理選有代表性植株5株，取最上部展開葉，立即液氮冷凍，隨后貯藏于 -80^°C 超低溫冰箱保存備用。過氧化氫酶（CAT）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量、硝酸還原酶（NR）活性、谷氨酰胺合成酶（GS）活性均采用蘇州科銘生物技術有限公司生產的試劑盒檢測

1.4 數據處理與分析

采用MicrosoftExcel2019進行數據處理及作圖，采用SPSS19.0軟件對數據進行統計分析，采用單因素方差分析（OneWayANOVA）比較處理間的差異顯著性（ Plt;0.05 ）。

2 結果與分析

2.1 減氮配施有機肥對苗期谷子干物質積累的 影響

由圖1可知，與 N₀ 相比，各肥料處理均不同程度地提高了苗期谷子地上部和根系干物質積累量，增幅為 3.30%～111.24% 和 3.10%～116.21% ，其中以 N₄ 處理最為顯著，地上部與根系干重分別提高 111.24% 和 116.21% 。與常規施氮（CK）相比， CK+ 有機肥 1500kg/hm² 的 N₁ 處理苗期谷子（地上部和根系）干物質積累量顯著提升，減氮15% 和減氮 30% 的 N₂ 和 N₅ 處理苗期谷子地上部干物質積累量有不同程度降低，但在減氮 15% 條件下并配施不同量有機肥的 N₃，N₄ 處理均不同程度地提高了苗期谷子地上部和根系干物質積累量。減氮 30% 條件下增施不同量有機肥的 N₆，N₇ 處理和僅施有機肥的 N₈ 處理苗期地上部干物質量均顯著低于常規施氮對照

2.2 減氮配施有機肥對苗期谷子根系形態的影響

由圖2和圖3可知，與 N₀ 相比，各肥料處理均不同程度地提高了谷子根系長度、根表面積及根系體積，其中以 N₄ 處理提高幅度最大，根系長度、根表面積和根系體積分別提升 43.52% ！14.06% 和 70.00% 。與CK相比， N₁ 處理促進了苗期谷子根系長度、根表面積和根系體積的增長，其中僅根系體積增長達顯著水平； N₂ 和 N₅ 處理苗期谷子根系長度和根系體積顯著降低，但在減氮15% 條件下配施不同用量有機肥的 N₃?N₄ 處理均不同程度地促進了苗期谷子根系的生長發育；減氮 30% 條件下增施不同用量有機肥的 N₆，N₇ 處理和僅施有機肥的 N₈ 處理苗期根系各項指標與CK差異不顯著

2.3 減氮配施有機肥對苗期谷子葉片氮代謝酶 活性的影響

由圖4可知，與 N₀ 相比，各肥料處理對苗期谷子葉片氮代謝酶活性均有不同程度的提高，且差異均達顯著水平。其中以 ΔN₄ 處理兩種酶活性最高，GS和NR活性分別提升 11.46% 和 5.41% 。常規施氮對照及其他施肥處理間葉片GS和NR活性均無顯著差異

2.4 減氮配施有機肥對苗期谷子葉片丙二醛含量及抗氧化酶活性的影響

由圖5可知，與 N₀ 相比，各肥料處理均不同程度地提高了苗期谷子葉片抗氧化酶活性，其中以 N₄ 處理最為顯著，CAT和SOD活性分別提高34.58% 和 12.09% ，MDA含量降低 9.12% 。與CK相比， N₁ 處理苗期谷子抗氧化酶活性均有不同程度提升，丙二醛含量有所降低；減氮 15% 的 N₂ 和減氮 30% 的 N₅ 處理苗期谷子葉片各抗氧化酶活性有不同程度地降低，丙二醛含量有所增加；但在減氮 15% 條件下配施不同量有機肥的 N₃ 和 N₄ 處理均不同程度地提高了苗期谷子抗氧化酶活性，并使丙二醛含量降低；減氮 30% 條件下增施不同赤# 喬CK N N N NS 羅AN4 N N 1 N用量有機肥的 N₆，N₇ 處理和僅施有機肥處理 N₈ 苗期抗氧化酶活性表現為， N₇，N₈ 處理CAT活性顯著高于CK，SOD 活性與CK差異不顯著， N₆ 處理CAT活性與CK差異不顯著，SOD活性顯著低于CK。

3討論與結論

3.1 不同施肥處理對苗期谷子生長的影響

在農業生產中，作物干物質的積累量是一個重要的關注指標。李鑫[15]研究發現，谷子的干物質積累和氮素息息相關。張彪[16]研究表明，用生物有機肥替代 20% 氮肥時，谷子的干物質積累量高于對照，并隨谷子的發育進程呈增加趨勢。本試驗中，與 ΔN₀ 相比，各肥料處理均不同程度地提高了苗期谷子干物質積累量；與常規施氮（CK）相比，在常規施氮基礎上增施 1500kg/hm² 有機肥的 ΔN₁ 處理苗期谷子干物質積累量顯著提升;減氮15% 的 N₂ 和減氮 30% 的 N₅ 處理苗期谷子地上部干物質積累量有不同程度地降低，但在減氮 15% 條件下配施不同用量有機肥的 N₃，N₄ 處理均不同程度地提高了苗期谷子地上部干物質積累量，說明在減氮條件下增施有機肥，可以有效緩解低氮對谷子生長發育的脅迫作用，從而增加苗期谷子干物質的積累量

3.2 不同施肥處理對苗期谷子根系指標的影響

氮素水平顯著影響根系形態，同時根系形態特征也影響氮效率。白瑤[17]研究發現，無氮素供給時小麥根系縮小以減少對營養物質的過多消耗，將更多的物質運送到地上部供其生長，所以總根長和根表面積較施氮處理低，這與本研究結果相似。本研究表明，與 N₀ 相比，各肥料處理均不同程度地提高了谷子根系長度、根表面積及根系體積，其中以 N₄ 處理最為顯著。與CK相比，常規施氮基礎上增施 1500kg/hm² 有機肥的 N₁ 處理苗期谷子根系長度、根表面積和根系體積均有增加，減氮 15% 的 N₂ 和減氮 30% 的 N₅ 處理根系形態指標則有不同程度地降低；在減氮 15% 條件下配施不同用量有機肥的 N₃，N₄ 處理均不同程度地促進了苗期谷子根系生長，這說明在減氮條件下增施有機肥可以改善谷子根系的生長狀況，從而促進谷子的生長發育。

3.3 不同施肥處理對苗期谷子生理特性的影響

氮是作物生長發育和產量形成的重要營養元素，氮素供給的多少對作物影響巨大[18]。硝酸還原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）是氮代謝關鍵酶，其活性大小直接影響氮代謝過程[19-21]。本試驗中，減氮 15% 配施有機肥 3000kg/hm² 處理葉片氮代謝酶活性較CK有所提升但差異不顯著，這和牛佳紅[22]的研究結果類似，即施肥條件不同對谷子酶活性的影響在苗期并不顯著，但隨著谷子發育進程呈增加趨勢。說明減氮配施有機肥不會明顯影響作物苗期氮素營養供給。植株的氮素同化和轉運能力沒有明顯變化，進而保證了苗期谷子生長發育。

SOD、CAT是植物體內最常見的抗氧化酶，其活性大小直接影響著作物清除細胞內活性氧的能力，MDA是細胞膜脂過氧化作用的產物，其含量可以體現出植株的抗逆性[23-24]。本試驗中，與N₀ 相比，各肥料處理均不同程度地提高了苗期谷子葉片抗氧化酶活性。與CK相比，常規施氮基礎上配施 1500kg/hm² 有機肥的 N₁ 處理苗期谷子葉片各抗氧化酶活性均有不同程度提升，丙二醛含量有所降低；減氮 15% 的 N₂ 和減氮 30% 的N₅ 處理谷子葉片抗氧化酶活性有不同程度地降低；丙二醛含量有所增加，但在減氮 15% 條件下配施不同用量有機肥的 N₃ 和 N₄ 處理均不同程度地提高了苗期谷子葉片抗氧化酶活性，并降低了丙二醛含量。這說明減氮配施有機肥通過提高SOD和CAT活性，降低MDA含量，從而提高谷子葉片的抗氧化能力，保證苗期谷子的抗逆性，進而促進苗期谷子的生長發育。

綜上，與常規施氮（CK）相比，常規施氮減量15% 配施有機肥 3000kg/hm² 處理（ N₄ ）顯著增加了苗期谷子干物質積累量，促進了谷子根系的伸長和增粗，保證根系對營養物質的吸收和轉運；明顯提高葉片SOD、CAT活性，顯著降低MDA含量，從而促進谷子的生長發育；在減氮 15% 條件下未顯著降低葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性，保障了苗期谷子對氮素的吸收和轉運能力。本試驗條件下，常規施氮基礎上減量 15% 配施有機肥 3000kg/hm² 為最佳施肥處理

參考文獻：

[1] 李順國，劉斐，劉猛，等.中國谷子種植歷史演變及未來發展方向[J].糧油食品科技，2022，30（4）：60-67，10.

[2] 禾璐，楊陽，王宇坤，等.谷子功能基因發掘現狀及展望[J].山西農業大學學報（自然科學版），2022，42（4）：1-10.

[3] YangSH，PengSZ，Xu JZ，etal.Effects ofwater savingir-rigation and controlled release nitrogen fertilizer managementsonnitrogen losses from paddy fields[J]. Paddy amp; Water Envi-ronment，2015，13（1）：71-80.養與肥料學報，2023，29（1）：1-7.

［5］巨曉棠，張福鎖.關于氮肥利用率的思考[J].生態環境，2003，12（2） ：192-197.

［6］于飛，施衛明.近10年中國大陸主要糧食作物氮肥利用率分析[J].土壤學報，2015，52（6）：1311-1324.

［7］蔡祖聰，顏曉元，朱兆良.立足于解決高投入條件下的氮污染問題[J].植物營養與肥料學報，2014，20（1）：1-6.

[8］楊莉.土壤肥料的科學施用及推廣分析［J].種子科技，2023，41（18） ：112-114.

[9］謝鈞宇，張慧芳，羅云琪，等．連續7年施有機肥和化肥提高復墾土壤上玉米產量的驅動因子［J/OL].農業工程學報：1-11[2024-02-19]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2047.S.20240126.1904.036.html.

［10］王帥，楊靖民，王呈玉.生物有機無機復混肥肥料效應［J].吉林農業大學學報，2021，43（4）：447-455.

[11］陳鑫，張杰，劉燕燕，等.氮磷鉀配施生物有機肥對旱作農業區玉米產量和品質的影響[J]．山東農業大學學報（自然科學版），2021，52（6） ：903-910.

[12］董倩楠，劉艷芳，程麗萍，等.不同施肥條件對谷子β-胡蘿卜素和葉黃素含量的影響[J]．核農學報，2018，32（5）：1003-1008.

［13］白國瑞.生物有機肥配合深松對農田土壤肥力和作物產量的影響[J].基層農技推廣，2023，11（9）：46-48.

[14］蘇法，張亮亮.不同氮素濃度對苗期谷子生長發育的影響[J].園藝與種苗，2023，43（4）：64-67.

［15］李鑫.施氮量對間作谷子生長發育的影響研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2023.

[16］張彪.氮肥部分替代對土壤特性、氮素利用及谷子產量和品質的影響[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2023.

[17］白瑤.根系特征對小麥氮效率的影響[D].楊凌：西北農林科技大學，2021.

[18］周旭，何曉蕾，曹亮，等.苗期不同程度水分脅迫及復水處理對大豆抗氧化特性及產量的影響[J].作物雜志，2023（6） ：135-142.

［19］郭煒，于洪久，張楠，等.平衡施肥對春玉米產量及肥料利用效率的影響[J].黑龍江農業科學，2021（1）：31-33.

［20］張偉彬.不同比例化肥與有機肥配施對土壤碳組分及微生物碳代謝的影響[J].江蘇農業科學，2022，50（15）：188-195.

[21］閆麗娟，李廣，祁小平，等.化學氮肥配施有機肥對隴中旱作春小麥氮素利用效率和土壤養分含量的影響［J].土壤通報，2023，54（6） ：1361-1371.

［22］牛佳紅.施氮和抽穗后旱脅迫對谷子生長發育及水肥利用效率的影響[D].濟南：山東師范大學，2023.

[23］劉佳辰，張盼盼，高立城，等.磷石膏和有機肥對鹽堿地糜子葉片抗氧化系統的影響［J]．陜西農業科學，2018，64（12） ：1-5，13.

［24］馬福林，馬玉花.干旱脅迫對植物的影響及植物的響應機制[J].寧夏大學學報（自然科學版），2022，43（4）：391-399.