施氮量对食用向日葵产量及品质的影响

国世佳，段 玉，张 君，安 昊，张润生

（1．内蒙古农业大学农学院，内蒙古 呼和浩特 010018；

2．内蒙古农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，内蒙古 呼和浩特 010031）

向日葵（Helianthus annuus）是重要的油料作物之一，2016年全球向日葵的播种面积约为2 692.3万hm2，总产约为5 005万 t，主要分布在俄罗斯、乌克兰、阿根廷、美国、中国等国家［1］。我国向日葵播种面积为110万hm2（全球∶中国=24∶1）左右，总产约为 270 万 t（全球∶中国 =18∶1）左右［2］。国外以油葵种植为主，食葵面积不足10%。我国向日葵主要是食葵，占总面积的80%以上［3］。内蒙古中西部是我国向日葵的集中产区，年播种面积近40万hm2，其中90%是食用向日葵［4］。向日葵植株高大，生长迅速，吸收养分较多，只有均衡供应养分才能保证向日葵产量和籽实的品质。氮素是向日葵必须的养分三要素之一，每形成100 kg向日葵籽粒约需吸收氮（N）3.8～ 4.9 kg［5-8］。向日葵对氮素养分需求量大而土壤氮素往往最为缺乏，施用氮肥增产效果最好［9］。氮素供应少会限制向日葵产量，氮素供应过多，营养生长过旺，反而会减少产量，降低品质，造成倒伏。氮肥投入过多会导致生产成本增加的同时降低氮肥的利用率，且氮素在土壤中残留累积，提高氮素淋失风险，造成水体富营养化［10-11］。由于氮肥的施用效果受气候条件、水、有机物、淋失和反硝化作用的影响，使其在实践应用中预测用量具有一定的困难性［12］。有大量研究说明氮肥的投入量与产量的关系，而在减施氮肥对食用向日葵品质、产量性状间的相互影响报道较少，本研究综合分析施氮量对向日葵的产量和品质的影响，明确施氮量与品质之间的关系。为此，在内蒙古河套灌区的临河区、乌兰察布市集宁区和呼和浩特市武川县进行了向日葵氮肥不同用量试验，目的是为向日葵合理施用氮肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及试验区概况

本试验于2017年在3个试验区进行，分别是：呼和浩特市武川县（属于阴山北麓；前茬作物为马铃薯，土壤为栗钙土）、巴彦淖尔市临河区（干旱少雨，属于河套灌区；前茬作物为玉米，土壤为灌淤土）、乌兰察布市集宁区（干旱冷凉，属于阴山南麓，采用井水滴灌；前茬作物为马铃薯，土壤为栗钙土）。播种整地前采集0～20 cm耕层土壤样品，各试验点土壤基础性状见表1。

表1 供试土壤基础性状

1.2 试验品种与肥料

供试品种：试验品种全部为食用向日葵：武川县供试品种为“3638”，集宁区供试品种为“SH363”，临河区供试品种为“SH361”。

供试肥料：氮肥用尿素（N 46%）；磷肥用磷酸二铵（N 18%，P2O546%），不施氮肥区用重过磷酸钙（P2O546%）；钾肥用氯化钾（K2O 60%）。

1.3 试验设计

试验设5个处理：在磷钾肥基础上施用氮肥；（1）0 kg/hm2；（2）100 kg/hm2；（3）150 kg/hm2；（4）200 kg/hm2；（5）300 kg/hm2。每个处理重复 3次，随机区组排列。磷钾肥用量为P2O5-K2O= 90-90 kg/hm2。试验小区长 7.5 m，宽 4.8 m，小区面积36 m2。试验采用大小垄覆膜种植，每膜2行，膜上行距 40 cm，膜外行距 80 cm，株距 50 cm，每行16～17株。

1.4 试验管理

磷钾肥全部做基肥一次施用，氮肥30%做基肥，70%做追肥施用。基肥在播种行开沟条深施，深施覆土，覆盖地膜，武川县和集宁区试验点采用滴灌，覆膜时在小行中间安装滴灌管道，每小区安装独立的施肥罐。追肥分别在向日葵的现蕾期—小花形成期—盛花期以总氮肥量的28%-21%-21% 施用。临河区试验点采用黄河水灌溉，追肥在现蕾期进行。武川和集宁于覆膜后在施肥沟旁穴播种子，临河区覆膜后灌水，地能进人时穴播种子。田间管理按当地习惯择优选用。

1.5 样品采集与测定方法

收获时每小区去掉边行全区收获测产。

收获前每小区随机取样3株，测定株高、茎粗、花盘直径、秕粒数、百粒重。分茎秆、叶片和花盘切碎烘干，测定各器官的干物质产量和籽实产量，混匀后取样250 g左右粉碎，分别测定茎秆、叶片、花盘和籽实的氮素养分含量。分别用索氏提取法与凯氏定氮法测定［13］籽实粗脂肪量及粗蛋白含量。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对食用向日葵产量的影响

氮素（N）是向日葵生长发育和籽粒产量形成的最重要的营养元素，是影响向日葵种植盈利能力的主要化肥成本［5，15-16］。向日葵施用氮肥均有显著的产量增加，产量增加平均为509.8～942.4kg/hm2，增产幅度13.4%～24.7%。在施氮量200 kg/hm2时的产量最高，为 942.4 kg/hm2，平均增产24.7%，其结果与2008～2010年在河套进行的油葵肥效试验相近［5］。

表2 向日葵施用氮肥的增产效果

氮肥用量（x）与籽粒产量（y）有较好的二次多项式相关关系，可以用二次多项式进行回归模拟。不同氮肥用量对向日葵产量的影响见表3，由回归方程求偏导数并令其为零算出获得最高产量的施氮量（N），武川县、集宁区和临河区的最高产量施氮量分别为194、182.8和189.7 kg/hm2，产量达到最高，分别为 5 972. 7、4 744. 1 和 4 805. 2 kg/hm2。当边际产量等于边际成本时，可以计算出经济最佳施肥量。武川县、集宁区和临河区的经济最佳施氮量分别为 157.4、148.5 和 154.3 kg/hm2，此时产量分别为 5 929. 1、4 714. 1 和 4 774. 2 kg/hm2。

表3 氮肥用量对向日葵籽粒产量的影响

2.2 不同施氮量对向日葵产量性状的影响

株高、茎粗、盘径和百粒重是影响向日葵生长较大的性状指标，分析表明（表4），向日葵的百粒重与籽实产量呈极显著正相关，其相关系数达到0.858；向日葵花盘直径与向日葵籽实产量也达极显著正相关，相关系数达0.658；株高与向日葵籽实产量呈显著正相关，相关系数达到0.516，茎粗主要通过盘径影响产量，茎粗与盘径有较显著的相关关系（r=0.593）。由此认为：百粒重是向日葵产量的主要因素，其次是盘径。在食用向日葵生长期间通过施用氮肥来增加百粒重和花盘直径提高向日葵产量，为丰产打下基础。

表4 不同氮素用量对向日葵产量性状的影响

2.3 不同施氮量对茎秆、叶片和花盘产量的影响

由表5看出，施用氮肥显著提高向日葵营养器官茎秆、叶片和花盘的产量，施氮量与各器官的产量之间基本是抛物线型关系，即随着施氮量的增加向日葵茎秆、叶片和花盘表现为增加，达到最高峰后开始下降，最高峰出现在施氮量150～200 kg/hm2。

表5 不同氮素用量对向日葵产量的影响

从收获时平均各器官干物质分配比例来看，籽实的干物质分配比例（即经济系数）最高，占0.354～0.372之间，不施氮和施氮量200 kg/hm2的经济系数相对较高；茎秆干物质占总重比例仅次于籽实，占比0.344～0.372，以施氮量150 kg/hm2的占比较高；收获时叶片的干物质量占植株总干物质量的0.145～0.166，随着施氮的增加而增加；空花盘干物质分配量最低，为0.121～0.136。

2.4 不同施氮量对向日葵各器官氮浓度的影响

不同施氮处理茎秆、叶片、花盘和籽实的全氮含量有一定差异，总的趋势是，随着施氮量的增加植株的全氮含量也相应增加。从表6可以看出：植株各器官全氮含量：籽实＞空盘＞叶＞茎。

各地区由于气候、土壤和品种等的差异，器官中的氮素含量有所差异，临河试验点的茎、叶和籽实的含氮量高于武川和集宁的茎、叶和籽实的含氮量，而空花盘的含氮量武川试验点略高于其他2个试验点。总的趋势是随着施氮量的增加各器官的氮素含量也相应增加。

表6 施用氮肥对向日葵各器官全氮含量的影响

2.5 施氮量对向日葵氮素吸收利用的影响

收获时茎、叶和花盘积累的氮素大量向籽实转移，收获时氮素积累量：籽实＞茎秆＞空盘＞叶片（图1），由于产量的差异氮素积累量各处理均表现为：临河＞集宁＞武川。随着施氮量增加，植株吸氮量呈抛物线增加，施氮量200 kg/hm2的吸收量最高，与不施氮肥处理有显著性差异。各试验区均以施氮量200 kg/hm2时氮素积累量最大，营养状况最好，与产量结果保持一致。说明作物吸氮主要依赖于氮肥投入，而过多的增施氮肥反而会降低吸氮量。

图1 不同氮肥用量对器官氮素吸收量的影响

从表7中可以看出，随着施氮量的增加氮素肥料利用率降低，施氮量100 kg/hm2的氮肥利用率平均为38.8%；施氮量200 kg/hm2的利用率平均为32.1%；施氮量300 kg/hm2的利用率平均为16.2%。从高产和高效来看，施氮量150 kg/hm2是比较适宜的施肥量，此时的氮肥利用率为34.7%。

施用氮肥的农学效率平均为1.70～ 5.59 kg/kg，随着施氮量的增加农学效率降低，施氮量150 kg/hm2的氮素农学效率平均为5.38 kg/kg。通过比对不同地区的农学效率进行分析，以武川试验点的综合表现较好，与武川的土壤肥力较低有关，施氮的农学效率较高，属于肥料施用高效区，临河试验点和集宁试验点由于土壤肥力相对较高，施肥肥效较差。

表7 施用氮肥对向日葵氮素吸收利用的影响

随着氮肥用量的增加每百千克籽实吸收氮量也增加，说明生产百千克向日葵籽实吸收N量（吸氮系数）也与氮肥用量相关，施氮量150 kg/hm2时吸氮系数为 4.45 ～ 4.65 kg/kg，平均为 4.57 kg/kg，过量施氮肥会增加百千克籽实吸氮量，并不能达到很好的增产效果，会造成氮肥的浪费。

2.6 施氮量对籽实粗脂肪和粗蛋白含量的影响

向日葵籽实品质的好坏主要表现在粗脂肪和粗蛋白含量的多少。从图2可以看出，各施氮肥处理的籽粒粗脂肪含量和粗蛋白含量均存在显著性差异（P＜0.05）。粗蛋白含量与粗脂肪含量呈负相关关系（粗蛋白含量高，粗脂肪含量反而较低）。随着施氮量的增加，籽粒粗蛋白含量也增加，施氮量与粗蛋白含量之间呈直线正相关关系，其回归方程为y=0.005 2 x+17.686，R2=0.985 2*，由此方程可以计算出在经济最佳施氮量150 kg/hm2时的粗蛋白含量为18.5%。随着施氮量的增加，籽粒粗脂肪含量有下降趋势，呈直线负相关关系，其回归方程为y=-0.009 8 x+28.055，R2=0.986 9*，由此方程可以计算出在经济最佳施氮量150 kg/hm2时的粗脂肪含量为26.6%。

图2 氮素用量与籽粒粗蛋白和粗脂肪的相关关系

3 结论与讨论

氮肥用量与向日葵产量呈一元二次抛物线相关，氮肥用量（x）与籽粒产量（y）可用二次多项式进行回归模拟，经济最佳施氮量应为148.5 ～ 157.4 kg/hm2，与安玉麟等［17］、闫礼等［18］试验结果基本一致。本试验中以武川试验点（有机质含量最低，表1）的综合表现较为突出，增产效果最明显，属于氮肥施用高效区。各个试验点的产量数据基本持衡，这可能是由于保持了田间持水量的一致（保证相同的灌水量），促进了氮肥的吸收，改善了当季土壤贫瘠的缺点，改进了地力环境，所需元素通过水分大量进入植株，使试验点籽实产量的差异减少。因此，综合产量与氮素吸收量、经济效益来看，施氮量以150 kg/hm2最佳。

向日葵生育期可分为营养生长与生殖生长，分别找出限制其生长阶段的指标及其指标之间的转化机理，能够使向日葵在施用氮肥乃至其他肥料时更好的达到增产的效果。禹庆奎等［19］表示，株高、茎粗与产量的关系密切，本文研究发现，株高是营养生长期间与高产密切相关的生育指标，百粒重和盘径是生殖生长期间与高产密切相关的经济性状指标。在相同条件下株高增加，表示向日葵生长旺盛，可保证后期籽粒灌浆能力，增加百粒重。

植株各器官氮浓度：籽实＞空盘＞叶＞茎，随着施氮量增加植株各器官的氮浓度也相应增加，但不同施氮量间无显著性差异，说明施氮肥对植株氮浓度的影响较低。氮素吸收量：籽实＞茎＞空盘＞叶；形成籽粒时，氮素开始大量由营养器官向籽实转移，施氮处理与不施氮处理有显著性差异。徐苗等［20］认为，籽粒形成期氮素从茎、叶中大量向籽粒中转移积累，籽实中氮素的含量远高于其他部分。这与本试验的研究结果一致。

各个试验点均表现为随着施肥量的增加肥料利用率和农学效率降低，符合报酬递减规律，说明向日葵吸收的氮素主要依赖于人工氮肥的投入，过多的氮肥投入会降低氮肥利用率。在经济最佳施氮量情况下，内蒙古中西部施用氮肥的利用率平均为34.7%，氮肥的农学效率为5.38 kg/kg，每生产 100 kg向日葵籽实吸收氮素为 4.57 kg。

随着施氮量的增加，籽粒粗蛋白含量也增加，籽粒粗脂肪含量有下降趋势，施氮量与粗蛋白含量之间呈直线正相关关系，施氮量与粗脂肪含量呈直线负相关关系，在经济最佳施氮量150 kg/hm2时的粗蛋白含量为18.5%，粗脂肪含量为26.6%，与于海峰［21］的研究相一致。王燕飞等［22］研究表明，籽粒蛋白受气候因素影响较大，这应是向日葵籽粒建成期时的外界环境因素导致的。在今后试验中需加以监测气候指标，如积温、降雨量、空气相对湿度等。