施氮水平对甜高粱硝酸盐含量和氮素利用特性的影响

渠晖，陈俊峰，程亮，陆晓燕，沈益新

(南京农业大学动物科技学院，江苏 南京 210095)



施氮水平对甜高粱硝酸盐含量和氮素利用特性的影响

渠晖，陈俊峰，程亮，陆晓燕，沈益新*

(南京农业大学动物科技学院，江苏 南京 210095)

摘要：试验采用完全随机区组设计，分别于2009和2010年在华东农区生态条件下进行田间试验，研究不同施氮水平(0，100，200，300，400，500 kg N/hm2)对大力士甜高粱硝酸盐积累，粗蛋白含量和氮素利用特性的影响。结果表明，随着生育期的推进，植株地上部硝酸盐含量不断降低，相比于叶片，茎秆更有利于硝酸盐的积累。随着施氮水平的提高，粗蛋白生产效率(CPPE)，氮素干物质生产效率(NDMPE)，干物质生产效率(DMPE)和表观回收率(NARR)逐渐下降，说明施氮量越高，氮素利用越低，损失越大。粗蛋白(crude protein，CP)和游离氨基酸(free amino acid，FAA)含量均随施氮量的增加而增加，但FAA的增幅低于CP，施氮量为500 kg N/hm2时，CP的平均增幅为6.11%，FAA的平均增幅为2.99%，说明施氮虽然增加了植株CP含量，但优质蛋白质比例下降。施氮提高了甜高粱硝酸盐含量，施氮量大于400 kg N/hm2时，甜高粱硝酸盐含量大于0.2%，青饲时易导致家畜硝酸盐中毒。综合考虑，大力士甜高粱在华东农区较为适宜的施氮量为200～300 kg N/hm2，既可满足对甜高粱高产优质的需求，提高氮素的利用效率，又可减少氮素流失和对土壤及地下水的污染。

关键词：甜高粱；施氮水平；硝酸盐积累；氮素利用特性

氮素是影响作物生长、发育的重要元素[1]，是作物高产的主要限制因子之一[2]。增施氮肥有利于提高作物的产量[3]，适量氮素的添加还可对土壤侵蚀性有较好的抑制作用，进而减少水土和养分的流失[4]。但过量氮肥的施入会降低氮素利用率，提高农业种植成本，导致土壤退化[5]和地下水污染[6]，对环境造成不利影响[7-8]。提高氮素利用率是世界许多地区实现农业持续发展的重要保证[9]，但研究表明，即使在栽培管理良好的条件下，仍有30%～50%施入的氮肥以不同的方式流失[10]，因此在实际生产过程中，氮肥的施用常常过量。特别对禾本科牧草而言，自身不具备固氮能力，其生长发育过程中所需的氮素主要依靠根系从土壤中吸收[11]，而通常情况下，土壤中可利用的氮素有限，难以满足饲草高产栽培的需要，因此以外界施肥的方式补充氮素成为提高禾本科牧草高产优质的主要方式[12]。这样就容易造成硝酸盐在禾本科牧草植株体中的富集[13]，草食家畜采食硝酸盐含量过高的牧草会发生中毒现象，每年世界各国都有此类中毒事故发生[14]。因此，研究氮肥对禾本科牧草硝酸盐积累与氮肥利用率，对禾本科牧草合理施用氮肥，提高干物质产量和饲草品质，降低硝酸盐积累，减轻氮素对环境造成的污染有重要意义。

甜高粱(Sorghumbicolor)具有抗逆性强[15]，适应性广[16-17]，生物量大[18]等优良特性，是优质的饲料作物[19]。有关甜高粱对氮素利用的研究已有很多报道。Wortmann等[20]研究认为，甜高粱的需氮量低于玉米(Zeamays)，主要由于甜高粱对氮素的吸收率较低。Almodares和Darany[21]研究发现，氮肥在营养生长阶段对株高，茎粗和干物质产量的影响高于生殖生长阶段对各参数的影响。Smith和Buxton[22]研究甜高粱对不同施氮水平的响应后发现，在北美地区灌溉或非灌溉条件下，施氮对甜高粱的糖产量没有显著影响。不同的高粱品种间由于遗传基础，进化差异和生理代谢的不同，对氮素的吸收利用存在极大差异[23]。与粒用高粱相比，甜高粱茎秆含糖量高，生育后期物质积累速率快，对氮素的吸收较多[20]。氮肥与甜高粱关系的研究多集中在氮素利用和吸收方面，对甜高粱硝酸盐积累和氮肥关系的研究较少，且大多集中在干旱半干旱地区，在高温多雨条件下的研究鲜有报道。因此本试验以极晚熟甜高粱品种大力士为试验材料，研究了在华东农区高温多雨环境下，施氮量对甜高粱氮素利用和硝酸盐含量的影响，以期为甜高粱在该地区的优质高产提供科学的施肥依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验于2009和2010年在江苏省常州春晖乳业有限公司农场(31°51′ N，119°49′ E)进行，该试验地属于北亚热带季风性湿润气候，土壤类型为粘壤土。试验地土壤具体特性及气象条件见表1和图1。

1.2试验材料与设计

试验材料为甜高粱品种大力士(S.bicolorcv. Hunnigreen)，由百绿(北京)国际草业有限公司提供。试验采用完全随机区组设计，共设6个氮肥处理(0，100，200，300，400，500 kg N/hm2)，3次重复，18个小区。小区面积为12 m2(4 m×3 m)，行距30 cm，株距25 cm，每小区种植10行。试验地播前深翻20 cm，并施入腐熟的牛粪75 t/hm2(干物质含量为25%，总氮含量为0.55% DM)作基肥。播种方式为人工播种，每穴播3～4粒，三叶期按设计株距定苗。氮肥以纯氮水平换算成尿素分两次施入，播种时施入1/3尿素，六叶期结合中耕追施余下2/3尿。耕前喷施2.5 L/hm2阿特拉津并配以播后1周喷施2, 4-D用来防除杂草。两年的播种时间和取样收获时间见表1。

1.3试验测定项目和方法

由于大力士甜高粱是极晚熟品种，在长江中下游地区不抽穗，因此按播种后的生长天数进行取样。播种后46～50 d，大力士进入拔节期开始取样，每隔20 d取样，总共取样4次，具体播种及取样时间见表1。将小区一分为二，一半用于中期采样，一半用于收获测产。每次取样时，每小区选取3株长势一致植株，分离茎叶(包括叶鞘)，分别剪碎混匀，各称10 g保存冰盒，带回实验室测定硝酸盐含量。采用水杨酸-浓硫酸法[24]，准确称取2 g待测材料，分别放入3只刻度试管中，加入10 mL去离子水，玻璃泡封口后置于沸水浴中30 min后取出，用自来水冷却。将提取液在6000 r/min下离心15 min，吸取上清液0.1 mL于刻度试管中，加入5%水杨酸-浓硫酸溶液0.4 mL，混匀后置于室温20 min，再缓慢加入9.5 mL 8% NaOH溶液，待冷却至室温后，以空白作对比在410 nm波长下测吸光度。利用标准曲线分别计算茎秆和叶片的硝酸盐含量(以鲜重计)。

每小区另取3株长势一致植株，分离茎叶(包括叶鞘)称鲜重。将样品带回实验室置于105 ℃鼓风干燥箱下杀青30 min，再于65 ℃下烘干至恒重，称重，计算茎叶比，鲜干比。根据茎叶比和鲜干比计算茎秆，叶片和整个植株的硝酸盐含量(以干重计)。最后一次取样时，在测产的一半小区中间,收获长为1.5 m，宽为相邻3行面积上的植株，测定鲜重，根据鲜干比和收获面积计算干物质产量(kg/hm2)。烘干后的植株各部分粉碎均匀混合后过1 mm筛，装入自封袋保存供品质分析。对粉碎后样品进行粗蛋白(crude protein，CP)和全氮含量的测定，全氮含量测定采用凯氏定氮法[24]，粗蛋白含量按照全氮含量×6.25计算。游离氨基酸含量测定采用茚三酮比色法[25]。氮素生产效率评价指标计算如下：

图1　试验地月平均气温和月平均降雨量(2009年，2010年)Fig.1　Mean monthly temperature and precipitation of experimental location (2009, 2010)

氮素积累总量(total nitrogen accumulation，TNA)：单位面积植株氮素积累量的总和。具体计算方法为：干物质产量×植株总氮含量，单位：kg/hm2。

粗蛋白生产效率(crude protein production efficiency，CPPE)：单位面积植株粗蛋白产量与施氮量之比。具体计算方法为：(粗蛋白含量×干物质产量)/对应施氮量，单位：kg/kg DM。

氮素干物质生产效率(nitrogen dry matter production efficiency，NDMPE)：单位面积植株干物质积累量与单位面积植株氮素积累总量之比。具体计算方法为：干物质产量/对应处理的氮素积累总量，单位：kg/kg DM。

干物质生产效率(dry matter production efficiency，DMPE)：单位面积植株干物质积累量与单位面积施氮量之比。具体算法为：干物质产量/对应施氮量，单位：kg/kg DM。

氮素农艺效率(nitrogen agronomy efficiency，NAE)：施氮区与不施氮区植株产量之差与施氮量之比。具体计算方法为：(施氮处理的干物质产量-不施氮处理的干物质产量)/对应施氮量，单位：kg/kg DM。

氮素表观回收率(nitrogen apparent recovery rate，NARR)：单位面积植株收获的总氮量与施氮量之比。具体计算方法为：(氮素积累总量/对应施氮量)×100%。

氮素回收率(nitrogen recovery efficiency，NRE)：施氮与不施氮区植株氮素积累量之差占施氮量的百分比。具体计算方法为：(施氮处理的氮素积累总量-不施氮处理的氮素积累总量)/对应施氮量×100%。

1.4数据统计

利用Microsoft Excel 2007处理基础数据及作图，采用SAS 9.1统计软件包中SATA模块的ANOVA程序进行单因素方差分析，不同参数的平均值采用Fisher’s LSD法进行多重比较(P<0.05)。

2结果与分析

2.1施氮水平对甜高粱氮素吸收与利用效率的影响

两年的试验结果显示(表2)，氮素积累总量(TNA)总体上随施氮量的增加而增加，但当施氮量高于300 kg N/hm2时，TNA开始出现小幅下降。2009年，400 kg N/hm2施氮处理下的TNA与300和500 kg N/hm2处理间无显著(P>0.05)差异。2010年，400与300 kg N/hm2处理下的TNA差异不显著，但显著(P<0.05)高于500 kg N/hm2处理。当施氮量低于300 kg N/hm2时，不同施氮处理间差异均达显著水平。2010年试验各施氮处理的TNA均高于2009年对应处理的氮素积累总量。

粗蛋白生产效率(CPPE)，氮素干物质生产效率(NDMPE)和干物质生产效率(DMPE)均随施氮量的增加而下降，且两年试验中CPPE和DMPE的不同施氮处理间，均存在显著(P<0.05)差异。2009年，NDMPE随施氮量呈分段式下降，100和200 kg N/hm2处理下的NDMPE无显著(P>0.05)差异，但显著高于其他施氮处理；300和400 kg N/hm2处理下的NDMPE无显著差异，但显著高于500 kg N/hm2处理。2010年，100 kg N/hm2处理下的NDMPE显著高于其他处理，施氮量≥300 kg N/hm2时，各处理间的NDMPE无显著差异。

氮素农艺效率(NAE)和氮素回收率(NRE)随施氮量的变化趋势与TNA一致，均在300 kg N/hm2处理下达到最大值。2009年，NAE的最大值为19.37 kg/kg，与200 kg N/hm2处理下的NAE无显著(P>0.05)差异，但显著(P<0.05)高于其他施氮处理；NRE的最大值为39.24%，与100和200 kg N/hm2差异不显著，但显著高于400和500 kg N/hm2处理。2010年，NAE的最大值为28.42 kg/kg，当施氮量≤300 kg N/hm2时，不同施氮处理间的NAE无显著差异；NRE的最大值为47.10%，与200 kg N/hm2处理无显著差异，但显著高于其他施氮处理。两年试验中，氮素的表观回收率(NARR)均随施氮量的增加而降低，且不同施氮处理间均有显著差异。

2.2施氮水平对甜高粱植株地上部含氮化合物的影响

粗蛋白(CP)含量随施氮量的增加而增加(表3)。2009年，500 kg N/hm2处理下的CP含量最高，为65.24 g/kg DM，显著(P<0.05)高于其他施氮处理。2010年，CP也在500 kg N/hm2处理下达最高值(71.19 g/kg DM)，但与300和400 kg N/hm2处理无显著(P>0.05)差异。两年试验中，游离氨基酸(FAA)均随施氮量的增加而增大，但不同施氮水平间的差异随施氮量的增加而减小。2009年，当施氮量≥300 kg N/hm2时，不同施氮处理间无显著差异；2010年，当施氮量≥200 kg N/hm2时，不同施氮处理间无显著差异。2009年试验中，当施氮量从300 kg N/hm2增加到500 kg N/hm2时，CP增加了8.13%，而FAA只增加了3.68%；2010年，相同条件下，CP增加了4.09%，而FAA只增加了2.29%，说明当施氮量≥300 kg N/hm2时，CP增加的部分只有很少的比例来自于氨基酸，多数以其他氮素形式存在。

两年试验中，干物质产量随施氮量呈先增加后降低的变化趋势，均在300 kg N/hm2处理下达最大值，且显著(P<0.05)高于其他氮肥处理。粗蛋白产量与干物质产量有很好的一致性，均在300 kg N/hm2处理下达到最大值，但由于400 kg N/hm2处理下的CP含量高于300 kg N/hm2处理，而在干物质产量方面，仅次于300 kg N/hm2处理，所以300和400 kg N/hm2处理间的粗蛋白产量无显著(P>0.05)差异，两者均显著高于其他施氮处理。

表2　施氮水平对甜高粱氮素吸收与利用效率的影响Table 2　Effect of nitrogen fertilizer rate on nitrogen uptake and utilization efficiency in sweet sorghum

TNA： Total nitrogen accumulation；CPPE： Crude protein production efficiency；NDMPE： Nitrogen dry matter production efficiency；DMPE： Dry matter production efficiency；NAE： Nitrogen agronomy efficiency；NARR： Nitrogen apparent recovery rate；NRE：Nitrogen recovery efficiency. 同列数据后不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。Different letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 level among different treatments, the same below.

表3　施氮水平对甜高粱含氮化合物含量的影响Table 3　Effect of nitrogen fertilizer rate on the content of nitrogen compounds in sweet sorghum

CP：粗蛋白 Crude protein；FAA：游离氨基酸 Free amino acid；DM：干物质 Dry matter.

2.3施氮水平对甜高粱植株地上部硝酸盐含量的影响

施氮量对甜高粱植株地上部硝酸盐含量有明显的影响(表4)。硝酸盐含量随施氮量的增加而增加，不同施氮处理间硝酸盐含量差异显著(P<0.05)。在生长前期，硝酸盐含量较高，两年的最高值分别为0.486% DM和0.367% DM。随着生育期的推进，硝酸盐含量逐渐下降，在最后一次收获时，500 kg N/hm2处理下甜高粱的硝酸盐含量分别为0.213% DM和0.174% DM。两年的变化趋势一致。图2进一步表明，不同生长时期，叶片和茎秆的硝酸盐含量均随着施氮量的增加而增大，但是均随着甜高粱的生长发育而下降，且叶片硝酸盐含量的降幅大于茎秆。两年试验中，第一次取样时，200和300 kg N/hm2处理下，茎秆的硝酸盐含量无显著(P>0.05)差异，第二次取样时，两施氮处理下叶片的硝酸盐含量无显著差异，这表明适量的氮肥对处于生长旺盛阶段的甜高粱硝酸盐含量无显著(P>0.05)影响。

表4　施氮水平对甜高粱不同生长时期植株地上部硝酸盐含量的影响Table 4　Effect of nitrogen fertilizer rate on nitrate content in shoot of sweet sorghum at different growth stage　% DM

图2　不同施氮量对甜高粱植株硝酸盐含量的影响Fig.2　Effect of nitrogen fertilizer rate on the nitrate content of leaf and stem of sweet sorghum　不同字母表示差异显著(P<0.05)。Different letters mean significant differences at P<0.05.

3讨论

随着施氮量的增加，植株氮素积累总量增加，而粗蛋白生产效率、氮素干物质生产效率、干物质生产效率和表观回收率却逐渐下降，说明适量的施氮可以提高甜高粱的产量和品质，但是过量施肥导致甜高粱粗蛋白和干物质产量的增幅变小，氮肥利用效率降低[26-27]。2009年试验中，施氮量为100 kg N/hm2时，甜高粱的氮素表观回收率与氮素回收率的差值为186%，说明植株处于缺氮状态；当施氮量为200和300 kg N/hm2时，两者的差值分别为93.2%和61.8%，表明施入氮肥只有7.8%和38.2%留在了土壤中。当施氮量为400和500 kg N/hm2时，氮素表观回收率和氮素回收率的差值分别为46.6%和37.2%，说明施入的氮肥中有53.4%和62.8%留在了土壤中，而这些留在土壤中的氮肥，只有少部分可以被下茬作物吸收利用，大部分极有可能淋溶到地下，造成土壤和地下水体的硝酸盐污染[28]。2010年试验结果与2009年相似，只是在200 kg N/hm2处理下，甜高粱稍处于缺氮状态。这表明，从氮肥利用的角度而言，当施氮量为200～300 kg N/hm2时，既能满足甜高粱生长的需要，又有适当盈余可以增加土壤肥力。

粗蛋白含量，粗蛋白产量和氨基酸含量是衡量牧草营养价值的重要参数[29-30]。本试验中，粗蛋白和游离氨基酸含量均随施氮量的增加而增大，在500 kg N/hm2处理下达到最大值，但随着施氮量的增加，游离氨基酸的增幅减小，粗蛋白生产效率逐渐降低，说明过多的施氮量并没有增加优质蛋白的含量。粗蛋白产量由于受到干物质产量的影响，并没有随施氮量的增加而增大，而是在300 kg N/hm2处理下达到最大值，之后有所下降，这一点与氮素农艺效率和干物质产量的变化相一致。

氮素对植株地上部硝酸盐含量有明显的促进作用，过高的施氮量容易造成硝酸盐在植株体内富集，家畜食用时会引起中毒现象[31]。美国研究者通过研究硝酸盐含量与家畜健康的关系，提出了牧草潜在硝酸盐毒性的一般准则：以饲用作物干物质中硝酸盐含量计算，0～0.25%设定为安全，0.25%～0.50%设定为警戒，0.50%～1.50%设定为危险，超过1.50%设定为有毒[32]。研究表明，当高粱硝酸盐含量超过0.20%时，就会引起反刍动物硝酸盐中毒[33]。本试验中，甜高粱地上部硝酸盐含量随生育期的推进不断降低，这是因为随着干物质的不断积累，在作物生育后期，硝态氮含量会被稀释[34]。整体上2009年试验结果要高于2010年，这可能由于2009年生长季的总降水量大于2010年所致。Abayomi等[35]研究了甘蔗(Saccharumofficinarum)叶片在干旱胁迫下对不同施氮水平的响应后发现，硝酸还原酶活性随干旱胁迫程度的增大而降低，当干旱胁迫进一步加大，在较高施氮水平下，硝酸还原酶活性消失。本试验结果表明，甜高粱植株地上部硝酸盐含量随施氮量的增加而增加，虽然均低于0.5%的警戒线，但当施氮量为500 kg N/hm2时，硝酸盐含量均高于0.20%(2010年最后一次取样除外)，青饲时家畜中毒风险大幅增加。施氮量低于400 kg N/hm2时，播种70 d后饲喂较为安全。

在甜高粱生长发育前期，叶片中的硝酸盐含量大于茎秆，因为在这一阶段植株生长旺盛，而叶面积指数较小，叶片吸收的硝态氮不能及时还原。随着植株的不断生长，叶片对硝态氮的还原能力增强，叶片的硝酸盐含量出现下降，茎秆的含量也出现下降，但是降幅要小于叶片，因为茎秆属于输导器官，对硝态氮的还原能力弱于叶片，此外硝态氮积累的主要场所是细胞的液泡[36]，导管和薄壁组织是构成茎秆的主要部分，而薄壁细胞的液泡大于叶肉组织中的液泡，因此茎秆更有利于硝态氮的积累。

4小结

华东农区生态条件下，甜高粱对氮素的吸收和利用随着施氮量的增加而增加，在施氮量为200～300 kg N/hm2时，既可满足植株生长所需，又可以减少氮素流失。施氮对甜高粱粗蛋白和游离氨基酸含量有促进作用，但当施氮量大于400 kg N/hm2时，氨基酸增幅降低，粗蛋白中优质蛋白质的比例下降。施氮量低于400 kg N/hm2时，播种后70 d的甜高粱用于青饲，不会导致家畜硝酸盐中毒。综上所述，大力士甜高粱在华东农区较为适宜的施氮量为200～300 kg N/hm2，既可满足对甜高粱高产优质的需求，提高氮素的利用效率，又可最大限度地减少氮素流失和对土壤及地下水的污染。

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DOI：10.11686/cyxb2015411

*收稿日期：2015-09-07；改回日期：2015-12-10

基金项目：国家科技支撑计划南方优质饲草高效生产加工利用关键技术研究与集成示范项目(2011BAD17B03)资助。

作者简介：渠晖(1984-)，男，内蒙古乌兰察布人，在读博士。E-mail: qhyulin@hotmail.com *通信作者Corresponding author. E-mail: yxshen@njau.edu.cn

* 1Effects of nitrogen fertilizer on nitrate accumulation and nitrogen use characteristics in sweet sorghum

QU Hui， CHEN Jun-Feng， CHENG Liang， LU Xiao-Yan， SHEN Yi-Xin*

CollegeofAnimalScienceandTechnology,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China

Abstract:A field experiment was conducted to evaluate nitrate accumulation, crude protein (CP) content and nitrogen use efficiency of sweet sorghum (Sorghum bicolor cv. Hunnigreen) under different nitrogen fertilizer rates (0, 100, 200, 300, 400, 500 kg N/ha) in 2009 and 2010 in eastern China. The experiment was laid out in randomized complete block design with three replicates. Nitrate content of shoot decreased with plant growth and nitrate accumulation was higher in stems than leaves. The crude protein production efficiency (CPPE), nitrogen dry matter production efficiency (NDMPE), dry matter production efficiency (DMPE) and nitrogen apparent recovery rate (NARR) decreased with increasing rate of nitrogen fertilizer, indicating that the higher rates of nitrogen decreased nitrogen use efficiency and increased nitrogen losses. Crude protein (CP) and free amino acid (FAA) content increased with increasing rates of nitrogen. However, the increase of FAA was much less than that of CP. Mean CP content was 6.11%, while FAA content was 2.99% when nitrogen was applied at 500 kg N/ha, indicating that the application N increased the CP content, but decreased the proportion of high quality protein. Nitrate content of sweet sorghum increased with increasing rates of nitrogen, however, it was not above toxic levels, 0.2% of DM (dry matter), until application rates were above 400 kg N/ha. The most appropriate rate of nitrogen for sweet sorghum in eastern China was 200-300 kg N/ha; these rates increased the yield and quality of sweet sorghum, improved nitrogen use efficiency and also reduce nitrogen losses and nitrate contamination in soils and groundwater.

Key words:sweet sorghum; nitrogen rate; nitrate accumulation; nitrogen use characteristic

http://cyxb.lzu.edu.cn

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