水氮互作对胡麻干物质生产和产量的影响

崔红艳,方子森

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃农业大学 农学院,兰州 730070)



水氮互作对胡麻干物质生产和产量的影响

崔红艳,方子森*

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃农业大学 农学院,兰州 730070)

摘要:以‘陇亚杂1号’胡麻为试验材料,设计田间水(主区)、氮(副区)两因子裂区试验,水分设置分茎水(60 mm,W1)、分茎水+开花水(W2,60 mm+40 mm)、分茎水+现蕾水+开花水(W3,60 mm+40 mm+40 mm)3个处理,施纯氮量设置0(N1)、75.0(N2)、112.5(N3)、150.0(N4) kg·hm-2共4个水平,考察水氮互作对胡麻干物质积累与分配以及籽粒产量的影响,探讨不同水氮配合下胡麻的增产机制。结果显示:(1)灌溉量和施氮量对胡麻主要生育时期的干物质积累与分配有显著影响,胡麻籽粒产量的水氮互作效应达到极显著水平,其中水分效应大于氮肥效应。(2)同一施氮量水平下,W2处理明显增加了胡麻成熟期籽粒的干物质分配量和花后干物质同化量对籽粒的贡献率,且籽粒产量显著高于其他处理10.51%～27.99%。(3)灌水量相同条件下,开花后干物质同化量对籽粒的贡献率以N3水平的最高,显著高于其他施氮水平7.90%～42.43%;在W2、W3处理下,施氮水平为N3时胡麻籽粒产量最高,但施氮量过多,籽粒产量反而显著下降7.96%～9.62%。研究表明,水氮协调在胡麻干物质积累和分配中起着关键的作用,而干物质的积累和分配又与籽粒产量密切相关;在本试验条件下,施纯氮量为112.5 kg·hm-2、全生育期在分茎期和开花期灌2次水(60 mm+40 mm)处理为胡麻节水减氮较为适宜的水氮组合。

关键词:胡麻;灌水模式;施氮量;干物质积累;干物质分配;籽粒产量

胡麻(LinumusitatissimumLinn.)又称油用亚麻,具有较强的耐旱、耐寒、耐瘠薄和适应性广等特性,是中国北方干旱半干旱地区的重要油料作物和经济作物[1]。中国胡麻种植面积近70万hm2,主要分布于甘肃、河北、山西、内蒙古、宁夏、新疆等省份,西藏、云南、贵州、广西、山东等地也有零星种植[2]。中国胡麻主产区水资源随年份和季节变化较大,7～9月的降雨量占全年总降雨量的55%,降雨对水分的供应与作物对水分的需求不协调,春旱和伏旱时常发生,致使胡麻籽粒产量低而不稳[3-4]。同时,胡麻是需氮肥较多而不耐高氮的作物,合理的施用氮、磷、钾肥是胡麻优质高产栽培的关键[5-6]。但近年来在胡麻种植方面仍存在施肥不科学问题,普遍存在偏施氮肥的现象,而且当地水资源严重短缺,不合理灌溉制度(主要指灌溉量和灌溉方法)使作物水分利用效率较低,造成水肥资源浪费和环境污染。因此,如何缓解不合理灌溉和过量施肥与资源短缺的矛盾,协调胡麻生长与产量之间的均衡发展,对于实现胡麻高产高效种植具有重要意义。

干物质生产是作物产量形成的基础,胡麻籽粒产量形成的过程实际上就是干物质生产与分配的过程。各种农艺措施对作物产量的影响大多与干物质积累特点及其转化效率有关,干物质积累与合理分配是提高作物产量的关键[7]。水分和氮素是影响农业生产和作物生长的两个重要因素,合理灌溉与施氮是作物增产的主要手段[8]。研究表明,水与氮存在明显互作效应,土壤的水分状况会影响作物对养分的吸收和利用,适当增施氮肥可以在一定程度上减小土壤水分不足对产量造成的负效应,达到“以肥补水、以水调肥”的效果[9-11]。王李芳等[12]研究认为,只有在适当灌水、施氮条件下,烤烟干物质积累最快,而且能够实现优质丰产。Mhammod等[13]研究发现,水肥配合施用有利于提高马铃薯的水肥利用率,从而提高马铃薯的产量。土壤水分与氮肥对作物的干物质积累、运转和产量形成等具有协同作用,是优质高产栽培中的主要农艺措施[14]。迄今为止,有关水分和氮素对作物干物质生产和产量的影响已有大量报道[15-17],但水氮互作对胡麻干物质积累、分配以及籽粒产量影响的研究报道较少。本试验研究了水氮互作条件下胡麻干物质积累分配规律的变化及其籽粒产量响应效应,进一步分析了胡麻干物质生产与籽粒产量的关系,为优化当地胡麻生产的灌溉和施肥技术提供科学参考。

1材料和方法

1.1试验地概况

试验于2014年3～8月在甘肃省兰州市榆中县三角城乡(92°13′～108°46′E,32°11′～42°57′N)良种繁育场进行。试验区地处黄土高原丘陵沟壑区,海拔1 875 m,年平均气温7 ℃,年日照时数2 563 h,无霜期146 d,年降雨量382 mm,年蒸发量1 341 mm。试验地为平地,前茬为小麦,常年精耕细作,土质较好,肥力中等。试验地土壤属沙壤土,胡麻播种前试验田0～20 cm土层土壤养分含量为:有机质16.50 g·kg-1,全氮1.12 g·kg-1,全磷0.80 g·kg-1,全钾20.11 g·kg-1,碱解氮59.26 mg·kg-1,速效磷13.11 mg·kg-1,速效钾125.34 mg·kg-1,pH 7.69。

1.2试验设计

试验采用完全裂区设计,主区为灌溉量,设分茎期、现蕾期、开花期3个灌水时期,分茎期灌水60 mm,现蕾期和开花期均灌水40 mm,由此构成3个灌溉量水平:60 mm(W1,分茎水)、100 mm(W2,分茎水+开花水)和140 mm(W3,分茎水+现蕾水+开花水),用水表计算灌水量。副区为施氮量,设4个水平,纯氮施用量分别为:0(N1)、75(N2)、112.5

表1　胡麻水氮互作试验方案

(N3)和150(N4) kg·hm-2。试验共组成12个水肥处理组合(表1),每处理重复3次。小区面积 20 m2(4 m×5 m),播种密度为750万株·hm-2,人工条播,播深3 cm,行距20 cm。为消除小区间的水分和氮素移动,主区之间设2 m人行道,副区之间设1 m人行道。氮肥的2/3作为基施(播种前施用),1/3于现蕾前追施;其他基肥用量为P2O575 kg·hm-2,K2O 53 kg·hm-2。所施肥料为尿素(含N 46.4%)、磷酸二铵(含P2O546%,N 18%)、硫酸钾(含K2O 52%)。供试胡麻品种为‘陇亚杂1号’,3月22日播种,8月7日收获。田间管理同当地大田生产。2014年胡麻生育期间总降雨量为274.6 mm。

1.3测定项目及方法

1.3.1地上部干物质积累量于胡麻幼苗期(4月19日)、分茎期(5月13日)、现蕾期(5月30日)、开花期(6月15日)和成熟期(8月7日),分别在每个小区选取具有代表性且长势基本一致的植株20株(地上部)带回实验室。前3个生育时期留取整株样品,开花期和成熟期将植株分为籽粒、叶片、主茎+分枝+果壳3部分,于105 ℃恒温箱中杀青30 min,而后将温度降至80 ℃烘干6～8 h至恒重,测定干物重(干物质积累量,D)[18]。并依据如下公式计算相关指标:

各生育阶段干物质积累量=阶段末干物质积累量-阶段初干物质积累量[19]

各器官的干物质分配比例(%)=各器官的干物质积累量/植株地上部干物质积累量×100[20]

营养器官开花前贮藏同化物转运量=开花期干重-成熟期干重[21]

营养器官开花前贮藏同化物转运率(%)=(开花期干重-成熟期干重)/开花期干重×100[21]

开花后同化物输入籽粒量=成熟期籽粒干重-营养器官花前贮藏物质转运量[21]

开花前营养器官贮藏同化物转运量对籽粒产量的贡献率(%)=开花前营养器官贮藏物质转运量/成熟期籽粒干重×100[21]

开花后干物质积累量对籽粒产量的贡献率(%)=开花后同化物输入籽粒量/成熟期籽粒干重×100[21]

1.3.2籽粒产量及其构成因子测定收获时在每个小区中随机取样30株,带回实验室进行考种。分别测定单株有效果数、果粒数、千粒重和单株产量。收获时按小区单打单收,晒干后称取胡麻籽粒重量,测得小区实际产量。

1.4数据分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0统计软件进行数据处理和差异显著性分析。

2结果与分析

2.1水氮处理对胡麻各生育阶段干物质积累量的影响

胡麻地上部干物质总重随发育进程不断增加,且前期增长比较缓慢,现蕾期以后增加迅速,在成熟期达到最大值(表2)。分茎期以前,胡麻干物质积累量受施氮水平的影响较大,随氮肥施用量的增加干物质积累量逐渐增加。分茎期至现蕾期,不同水分条件下,W3处理的干物质积累量最大,比W1、W2处理分别显著增加6.78%和4.96%;从不同施氮水平来看,除W1处理外胡麻的干物质积累量表现为N4>N3>N2>N1,但处理之间差异不显著。现蕾期以后,随着植株生长进程加快,干物质积累量迅速增大,且水分管理和氮肥运筹对干物质积累存在极显著的交互效应(P<0.01)。就开花期至成熟期的干物质积累量而言,随施氮量增加而增大,至N3水平时达到最高,随之下降,N3的干物质积累量分别比N1、N2、N4高出27.32%、13.71%、9.03%;在相同氮肥水平下不同灌水处理间比较,W2处理的干物质积累量最高,显著高于W1、W3处理15.61%、6.23%,这表明水氮能协同促进胡麻植株干物质的积累,且W2处理与N3氮肥运筹措施配合较好,明显提高了现蕾期后的胡麻植株的干物质积累量。

2.2水氮处理对胡麻成熟期干物质在各器官中分配的影响

由表3可以看出,不同水氮处理下胡麻成熟期干物质在各器官中的分配量及比例均表现为:籽粒>主茎+分枝+果壳>叶片,这表明籽粒在干物质的分配上占有绝对优势。各灌水处理间比较,成熟期的单株干重以W2处理最高,分别显著高于W1、W3处理9.10%和2.16%。成熟期籽粒的干物质分配比例以W2处理最大,W1处理次之,两者分别比W3处理显著增加了9.71%和5.62%;叶片的干物质分配比例随灌水量的增加而增大,而主茎+分枝+果壳的干物质分配比例则呈现相反的趋势(W1>W2>W3),且差异显著,这表明W2处理降低了干物质在主茎+分枝+果壳的分配比例,从而增加了籽粒的干物质分配量和分配比例,有利于籽粒产量的提高。同一灌溉水平下不同施氮量处理间比较,成熟期单株干重表现为N3>N4>N2>N1;籽粒和叶片的分配量和分配比例的变化趋势完全一致,均随施氮量增加而先增大后减小,并在N3水平时达到最大;而主茎+分枝+果壳的分配量则随氮肥施用量的增加而持续增大,说明N3水平施氮量对成熟期干物质在籽粒和叶片中的分配有明显的调控效应。方差分析表明,灌水处理和施氮水平对成熟期单株干重以及干物质在各器官中的分配均存在极显著的交互效应(P<0.01)。可见,合理的水氮处理可减少干物质在茎叶等器官中的滞留,促进干物质向籽粒中的分配。

表2　不同水氮处理下胡麻不同生育阶段干物质积累量

注:WiNj 表示水氮处理组合,W1～W3和N1～N4分别表示各水平水分处理和氮肥处理的平均值。同列数据后不同小写字母表示处理间有显著差异(P<0.05)。下同。

Note:WiNj indicates the treatment combination of water and nitrogen,and introduction of treatments W1to W3and N1to N4are the average of different levels of water and nitrogen,respectively.Different letters within same column indicate significant difference among treatments(P<0.05).The same as below.

表3　不同水氮处理下胡麻成熟期干物质在不同器官中的分配

2.3水氮处理对胡麻开花后干物质积累和转运的影响

由表4可知,不同水氮处理下,W2N3处理开花后干物质积累量和同化物对籽粒的贡献率均达到最高。随着灌水量的增加,营养器官开花前贮藏同化物转运量逐渐减少,而营养器官开花前贮藏同化物转运率和开花前贮藏同化物对籽粒贡献率的变化趋势一致,呈现出先降后升的趋势,开花后干物质积累量和同化量对籽粒的贡献率均以W2处理的最高,分别比W1处理增加22.76%、22.46%,比W3处理增加5.98%、6.43%,且差异达到显著水平。同一灌溉水平下不同施氮量处理间比较,营养器官开花前贮藏同化物转运量和转运率随施氮量的增加呈先降后升的变化趋势;在W1处理下,开花前贮藏同化物对籽粒贡献率以N2处理的最高,而在W2、W3处理下,N1处理的显著高于其他施氮水平17.61%～63.39%;开花后干物质积累量和同化量对籽粒的贡献率均以N3处理的最高,在W1、W3处理下显著高于其他施氮水平6.32%～47.83%和8.39%～42.43%,在W2处理下,N3的开花后干物质积累量与N4处理之间无显著差异,但开花后干物质同化量对籽粒的贡献率较N4处理显著增加7.90%。不同灌水处理和施氮水平对胡麻开花后营养器官干物质再分配量和开花后积累量影响的差异均达到极显著水平,且表现出极显著的交互效应(P<0.01)。这说明W2N3处理能显著提高胡麻开花后干物质的积累能力,促进花后同化物向籽粒的转运,为胡麻高产奠定基础。

2.4水氮处理对胡麻籽粒产量及其构成因子的影响

不同水氮处理对胡麻籽粒产量构成因子有较大的影响,其中W2N3处理的影响最为明显(表5)。不同灌水处理间比较,胡麻的单株有效果数、果粒数和千粒重以及单株产量均表现为W2>W3>W1,且达到显著差异水平。同一灌溉水平下不同施氮量处理间比较,胡麻的单株有效果数和果粒数表现为N3>N4>N2>N1;胡麻的千粒重在W1处理下随施氮量的增加而逐渐增加但处理间差异不显著,而在W2、W3处理下以N3水平的最大,施用过多氮肥时会使千粒重不同程度的下降,降幅达2.29%～11.83%,尤其是在W3处理下达到显著水平(P<0.05);单株产量随氮肥施用量的增大而先增后降,并以N3水平的最大,且N4在W3处理下比N3显著降低39.17%。

表4　不同水氮处理下胡麻开花后营养器官干物质再分配量和开花后积累量

注:DMTAA.营养器官开花前贮藏同化物转运量;DMTRA.营养器官开花前贮藏同化物转运率;CDMTAATG.开花前贮藏同化物对籽粒贡献率;DMAAA.开花后干物质积累量;CDMAAATG.开花后干物质同化量对籽粒的贡献率。

Note:DMTAA.Dry matter translocation amount after anthesis;DMTRA.Dry matter translocation ratio after anthesis;CDMTAATG.Contribution of dry matter translocation amount to grains after anthesis;DMAAA.Dry matter accumulation amount after anthesis;CDMAAATG.Contribution of dry matter assimilation amount to grains after anthesis.

表5　不同水氮处理下胡麻籽粒产量构成因子

另外,胡麻籽粒产量以W2N3处理最高,为最佳的水氮耦合方式,显著促进高产形成。各灌水处理的籽粒产量以W2最高,分别显著高于W1、W3处理27.99%、10.51%。同一灌溉水平下不同施氮量处理间而言,籽粒产量在W1处理下表现为N4>N3>N2>N1,但N3与N4处理间差异不显著;在W2、W3处理下,籽粒产量随氮肥施用量的增大而呈先升后降的变化趋势,并在N3水平达到最高,N4水平比N3水平显著降低7.96%～9.62%。方差分析表明,胡麻的籽粒产量及其构成因子的水氮互作效应均达到极显著水平,即水氮的协同配合与胡麻籽粒产量的增加有着紧密的联系。

3讨论

农作物干物质的积累、分配、运转对产量形成的影响已受到人们广泛重视[22-23]。干物质和养分积累是作物器官分化、产量形成的前提,养分吸收是干物质形成和累积的基础,干物质积累越多,籽粒产量也就越高[24]。因此,提高干物质的生产能力是增加胡麻籽粒产量的根本途径。本试验结果表明,不同施氮水平对胡麻生育前期干物质积累的影响较小,这可能由于不灌水使胡麻生育前期受水分胁迫的影响限制了氮肥效应的发挥,而在分茎后,随着植株生长进程加快,增加灌水对各施氮处理胡麻干物质积累有明显的促进作用,且水分管理和氮肥运筹对干物质积累存在极显著的交互效应,这表明水肥结合能满足胡麻生长发育需求,从而提高了胡麻植株的干物质积累量,这与谢志良等[25]在棉花上的研究结果一致。张均华等[26]研究认为,作物开花前合成的同化物约3%～30%转运到籽粒,但不同作物类型、不同生长环境条件下同化物转运量有很大差异。何军等[27]指出,节灌模式下施肥量的增加可以起到以肥补水的作用,促进了水稻根、茎部分干物质向籽粒的分配。本研究中,在相同施氮水平下,W2处理较大地提高了胡麻成熟期籽粒干物质的分配量和分配比例以及花后干物质同化量对籽粒的贡献率;同一灌溉水平下不同施氮量处理间比较,籽粒干物质的分配量和分配比例均随施氮量增加而增大,至N3水平时达到最大,随后下降,而开花后干物质同化量对籽粒的贡献率以N3水平的最高,显著高于其他施氮水平7.90%～42.43%。可见,合理的水氮处理可减少干物质在茎叶等器官中的滞留,促进花后同化物向籽粒的转运,为胡麻高产奠定基础。

有研究报道,水氮互作在对农作物籽粒产量的调控中存在互补效应,增加施氮量可补偿因灌水不足导致的籽粒产量降低[28-29]。但Shaaban[30]指出,水分效应在灌水与氮肥对籽粒的影响中起主导作用,而氮肥对灌水的补偿效应甚微。本研究结果表明不同灌水模式下施氮量对胡麻籽粒产量的影响比较明显,施氮量和灌水量对胡麻籽粒产量产生调控与互补效应,且水分效应大于氮肥效应,施氮量对灌溉量有补偿效应。在W1处理下,施氮量的增加可极显著提高胡麻籽粒产量,但施氮量过高时增产效果不明显;在W2、W3处理下,施氮水平为N3时胡麻籽粒产量达到最大,继续增加施氮量,籽粒产量却不升反降,降幅达7.96%～9.62%。随着施氮水平的提高,灌溉量引起的胡麻籽粒产量差异并不一致,以W2处理的最高,显著高于其他处理10.51%～27.99%。本试验条件下水氮配比为W2N3的处理籽粒产量最高,较其他处理显著增产7.96%～83.35%。可见,在胡麻生产管理中,盲目增加灌水量或者增施氮肥,并不能得到理想的籽粒产量,而合理的水氮搭配促进了胡麻植株对土壤水氮的有效利用,不仅能保证胡麻籽粒产量增加,还可减少资源浪费。

综上所述,灌溉量和施氮量对胡麻主要生育期的干物质积累与分配及籽粒产量有显著影响,胡麻籽粒产量的水氮互作效应达到极显著水平,其中水分效应大于氮肥效应。在相同施氮水平下,适宜灌水处理(W2)明显提高了胡麻成熟期籽粒干物质的分配量和分配比例以及花后干物质同化量对籽粒的贡献率,且籽粒产量显著高于其他处理10.51%～27.99%。同一灌溉水平下不同施氮量处理间比较,开花后干物质同化量对籽粒的贡献率以N3水平的最高,显著高于其他施氮水平7.90%～42.43%,在灌水量较适宜和较高条件下(W2、W3),施氮水平为N3时胡麻籽粒产量达到最高,继续增加施氮量,籽粒产量反而显著下降,降幅达7.96%～9.62%。水氮协调在胡麻干物质积累和分配中起着关键的作物,而干物质的积累和分配又与籽粒产量及其构成因子密切相关。从产量效应、资源利用和环境等综合效应方面考虑,在当地地域气候条件下,施氮量为112.5 kg·hm-2、全生育期在分茎期和开花期灌两次水为胡麻节水减氮较为适宜的水氮组合。

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(编辑:裴阿卫)

Effect of Nitrogen and Irrigation Interaction on Dry Matter Production and Grain Yield of Oil Flax under Different Irrigation Modes

CUI Hongyan,FANG Zisen*

(Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science,College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract:In order to investigate the production mechanism of oil flax under different coordination with water-nitrogenous fertilizer,we used ‘Longyaza 1’ to as material to elucidate the effects of nitrogen and irrigation interaction on dry matter accumulation,distribution and grain yield of oil flax.The split plot design was employed with main plot of water(W1,irrigation amount was 60 mm at stem stage;W2,irrigated at stem and flowering stage,and irrigation amount was 60 mm and 40 mm;W3,irrigated at stem,squaring and flowering stage,and irrigation amount was 60 mm,40 mm and 40 mm),sub-plot of nitrogen fertilizer(N1,0 kg·hm-2;N2,75.0 kg·hm-2;N3,112.5 kg·hm-2;N4,150.0 kg·hm-2).The results showed that:(1)the irrigation amount and N application rate has a significant effect on dry matter accumulation and distribution,and there was extremely significant interactive effect between irrigation and nitrogen rate on grain yield,moreover,irrigation rate played a more important role than nitrogen rate.(2)Compared with other treatments,dry matter distribution in grains at maturity stage and contribution of dry matter accumulation amount after anthesis to grains under the same N application levels were markedly raised and grain yield was significantly increased by 10.51%-27.99% in W2.(3)The contribution of dry matter accumulation amount after anthesis to grains at N3levels under the same irrigation conditionswas significantly increased by 7.90%-42.43%;at the W2and W3irrigation level,the grain yield of N3treatment was the largest,but over-fertilization of nitrogen caused significantly reduction of yield with a drop of 7.96%-9.62%.Therefore,water and nitrogen coordination played a key role in dry matter accumulation and distribution,which was closely related to the grain yield;the nitrogen rate of 112.5 kg·hm-2,irrigation amount of 60 mm and 40 mm at stem and flowering stage in the whole growth period was optimal combination of irrigation and nitrogen for the higher grain yield of oil flax under the conditions of this experiment.

Key words:oil flax;irrigation amount;nitrogen fertilizer rate;dry matter accumulation;dry matter distribution;grain yield

中图分类号:Q945.79

文献标志码:A

作者简介:崔红艳(1989-),女,在读硕士研究生,主要从事作物作物栽培学与耕作学研究。E-mail:cuihongyan1989@163.com*通信作者:方子森(1958-),男,教授,主要从事大田作物和中草药栽培研究。E-mail:fangzs@gsau.edu.cn

基金项目:现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-17-GW-9)

收稿日期:2015-10-16;修改稿收到日期:2015-12-27

文章编号:1000-4025(2016)01-0156-09

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.01.0156