增磷减氮配合保水剂可提高多年生西北羊茅种子产量

2019-12-13石正海刘文辉张永超刘凯强魏小星

植物营养与肥料学报 2019年11期

石正海，刘文辉，张永超，刘凯强，魏小星，秦燕

（青海大学畜牧兽医科学院/青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室，青海西宁 810016）

西北羊茅 (Festuca kryloviana Reverd.) 是禾本科羊茅属优良牧草，具有返青早、青绿期长、退化慢、利用年限长，以及根系发达、固土保水能力强等特性。羊茅属牧草是高寒地区家畜育肥抓膘的“酥油草”[1]，其中西北羊茅草质柔软、适口性好、产量高。目前有关西北羊茅的研究多集中在引种试验[2]、生产性能评价[3-4]和抗逆性评价[1,5]等方面。多年的生产实践表明，西北羊茅种子生产在第二、第三年达到最大值，此后逐年下降[3]，且种子产量在年际间存在极不稳定的现象，严重影响了西北羊茅种子生产和进一步推广利用。

水肥管理是提高植物种子产量的有效措施[6-8]。氮、磷是植物完成生活史的两种必需元素。对老芒麦[9-11]、多花黑麦草[12]和高羊茅[13-14]等的研究表明，氮肥、磷肥通过提升生殖枝数、小穗数及籽粒千粒重等产量性状，进而促进种子产量的形成。合理施肥不仅可提高牧草种子产量，还可保持较高的肥料利用效率[15-17]，而过量施肥则会降低干物质向植株籽粒的转运量，进而减小千粒重[6,18]。保水剂添加有利于干旱地区植物增产[19-20]。高寒地区牧草种子生产均为旱作，在无灌溉措施的条件下，通过施用保水剂能否有效改善牧草生长，目前还未见相关报道。为此，本研究以生长第三年的西北羊茅为材料，通过配施保水剂、氮肥和磷肥，探讨施肥和保水剂在提高西北羊茅种子产量和产量性状方面的作用，分析各施肥措施下的肥料利用效率，明确西北羊茅种子生产的氮、磷肥施用量，为高寒地区西北羊茅种子生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设在青海省海北州西海镇多年生牧草种质资源圃，位于36°59.36′ N、100°52.848′ E，海拔3156 m，气候寒冷，无绝对无霜期 (全年任何时候都可能出现霜期)，年平均气温 0.5℃，年降水量 369.1 mm，并多集中在7、8、9 三个月。年蒸发量1400 mm，年日照时数2980 h，年平均无霜期93 天左右。土壤为栗钙土，试验前土壤pH 值8.43、有机质32.48 g/kg、全氮 (N) 1.56 g/kg、碱解氮88.8 mg/kg、全磷 (P) 1.39 g/kg、速效磷2.2 mg/kg，旱作。

1.2 试验设计与测定指标

西北羊茅种子田于2015 年建植，播量22.5 kg/hm2，行距30 cm。2017 年进行试验时，羊茅草已生长三年。供试保水剂水平为0 和30 kg/hm2(记为PM0和PM30)；氮肥水平为0 和60 kg/hm2(记为N0和N60)；磷肥水平为0、60、75 和90 kg/hm2(记为P0、P60、P75和P90)，共计16 个处理组合，完全随机区组设计，小区面积15 m2(3 m × 5 m)，3 次重复。试验选用肥料为尿素 (N 46%)、过磷酸钙 (P2O512%)，保水剂为抗旱宝 (吉林省汇泉农业科技有限公司生产)。肥料和保水剂于每年的5 月中旬羊茅草返青期，于行间开沟一次性施入，开沟深度10 cm。

于羊茅种子完熟期 (8 月中旬)，各小区选择有代表性的1 m 样段 (0.3 m2)，齐地刈割后带回实验室，统计生殖枝数，收集所有生殖枝上种子，晾晒脱粒，待含水量降到13%左右，用自动数粒仪统计单位面积籽粒数、种子产量、千粒重。各小区选取10 个花序，统计花序长、小穗数、小穗粒数、单序籽粒数、单序籽粒重等产量性状。

参照赵亚南等[21]的方法，计算各处理下肥料偏生产力 (kg/kg) 和肥料农学效率 (kg/kg)，即，磷肥偏生产力 = 施磷处理产量/施磷量，磷肥农学效率 = (施磷区产量 - 不施磷区产量)/施磷量。

1.3 数据处理

采用Excel 2013 进行数据整理，用Origin 2018 软件作图。采用SPSS 19.0 对数据进行方差分析、相关性分析和通径分析。各处理间差异显著性采用Duncan 法在0.05 水平上进行比较，相关性分析采用Pearson 相关系数进行比较。

2 结果与分析

2.1 氮磷肥和保水剂对西北羊茅种子产量的影响

氮、磷和保水剂不同施用量对种子产量影响的方差分析结果表明 (表1)，单独施用保水剂对种子产量的影响不显著，磷肥和保水剂间的交互作用对种子产量的影响也未达显著水平 (P ＞ 0.05)，氮肥、氮肥与磷肥以及氮肥、磷肥和保水剂三者的交互作用对种子产量的影响均达极显著水平 (P ＜ 0.01)，其中以氮肥对其的影响最大。

各处理下西北羊茅的种子产量见图1。氮肥添加显著降低了西北羊茅种子产量，N60水平下较不施氮肥种子产量下降16%～48%，与保水剂配施降低效果更显著。不施氮肥时施用保水剂有利于种子产量形成。随着施磷量增加，西北羊茅种子产量显著增加 (P ＜ 0.01)，除施N60PM30情况下施磷肥及N0PM0情况下增施磷肥对提高种子产量无显著影响 (P ＞0.05) 外，其余情况下增施磷肥均显著提高了西北羊茅种子产量，且均以75～90 kg/hm2的施磷量下种子产量达到最高，磷肥对种子产量贡献提升28%～49%。以N0PM30P90组合处理西北羊茅种子产量最高，达到560 kg/hm2；以单独施氮量60 kg/hm2时产量最低，仅为260 kg/hm2。总体看，本研究条件下，施氮抑制了西北羊茅种子形成，保水剂和磷肥配施对种子生产具有一定的促进作用。

表 1 不同处理羊茅草种子产量及产量性状的方差分析 (F 值)Table 1 Variance analysis of seed yield and yield traits under different treatments (F value)

图 1 氮肥、磷肥和保水剂配施对西北羊茅种子产量的影响Fig. 1 Effect of nitrogen fertilizer, phosphorus fertilizer and super absorbent polymers on yield of F. kryloviana seed

2.2 氮磷肥和保水剂对西北羊茅种子产量性状的影响

从表1 可以看出，除氮肥、磷肥和保水剂以及三者的交互作用对花序长和小穗粒数无显著影响 (P ＞0.05) 外，氮肥和磷肥对其余产量性状的影响达极显著水平 (P ＜ 0.01)，且氮肥、磷肥的交互作用对单序籽粒数、单序籽粒重和单位面积籽粒数的影响，氮肥和保水剂交互作用对生殖枝数、单序籽粒数和单位面积籽粒数的影响，磷肥和保水剂交互作用以及氮肥、磷肥和保水剂三者的交互作用对千粒重、单序籽粒重的影响均达显著 (P ＜ 0.05) 或极显著 (P ＜0.01) 水平。

对各产量性状进一步分析发现 (表1，图2)，N60处理降低西北羊茅的单序籽粒数、单序籽粒重、千粒重、生殖枝数幅度为12%～18%，单位面积籽粒数的降低幅度甚至达到50%。保水剂虽对小穗数、千粒重和生殖枝数影响不显著 (P ＞ 0.05)，但显著 (P ＜ 0.01) 增加单序籽粒重，最大增幅达29%。N60与PM30交互显著 (P ＜ 0.05) 降低了单序籽粒数、生殖枝数和单位面积籽粒数，其中生殖枝数的平均降低幅度为24%，单位面积籽粒数平均降幅达34%。与种子产量表现类似，N0PM30组合处理情况下各产量性状的形成效果较优。

随施磷量的增加，西北羊茅的小穗数未显著 (P ＞0.05) 增加；生殖枝数、单序籽粒数、单位面积籽粒数、单序籽粒重及千粒重均增加，其中单序籽粒重增加幅度最大。较不施磷肥处理，各产量性状在施磷量75～90 kg/hm2水平下均具有较大值，在P75水平小穗数 (22 个/序)、单序籽粒数 (90 粒/序) 和单序籽粒重 (0.048 g/序) 最大；千粒重 (0.520 g)、生殖枝数 (1203 枝/m2) 和单位面积籽粒数 (102932 粒/m2) 在P90水平最大。磷肥主要通过增加单序籽粒重、单序籽粒数和生殖枝数进而提高千粒重和单位面积籽粒数。施氮量60 kg/hm2、保水剂30 kg/hm2和磷肥配施不利于种子产量性状形成。

2.3 氮磷肥和保水剂处理下种子产量与产量性状间的相关和通径分析

由表2 可知，种子产量与单序籽粒重、小穗数、单序籽粒数、生殖枝数及千粒重呈极显著 (P ＜0.01) 正相关，其中与生殖枝数相关系数高达0.822。单序籽粒重、小穗数与其余各性状 (除小穗粒数) 间存在极显著 (P ＜ 0.01) 正相关关系，而小穗数与小穗粒数间存在极显著 (P ＜ 0.01) 负相关；花序长与单序籽粒数和单位面积籽粒数，单序籽粒数与小穗数、生殖枝数、千粒重、单位面积籽粒数，单位面积籽粒数与生殖枝数、千粒重之间均存在显著 (P ＜ 0.05)或极显著 (P ＜ 0.01) 正相关关系。氮磷肥和保水剂添加下西北羊茅种子产量构成性状间存在相互促进或抑制作用，施肥处理不仅直接增加某几个性状，同时也间接对某些性状起作用，从而提高种子产量。

通过通径分析，进一步分析不同施肥和保水剂处理下种子产量性状对产量形成的影响大小(表3)。由表3 可知，生殖枝数 (0.637) 对种子产量的直接效应最大，其次为单序籽粒重 (0.518)。单序籽粒数、千粒重对种子产量的直接作用较低，但其通过与其他性状间较大的间接作用，从而维持与种子产量较强相关性。小穗数、花序长、小穗粒数对种子产量的通径系数为负值，分别为-0.059、-0.038、-0.073，但都通过与单序籽粒重和生殖枝数保持较大通径系数进而影响种子产量。单位面积籽粒数虽对种子产量的直接效应为-0.108，但间接效应高达0.955，其中与单序籽粒重、生殖枝数的直接作用分别达到0.334 和0.524。表明单序籽粒重、生殖枝数是施肥对种子产量提升的两个关键性状。

图 2 氮肥、磷肥和保水剂配施西北羊茅产量性状Fig. 2 Effect of nitrogen fertilizer, phosphorus fertilizer and super absorbent polymers on F. kryloviana yield traits

2.4 氮肥和保水剂对磷肥利用效率的影响

由图3 可得，氮肥极显著影响磷肥偏生产力 (P ＜0.01)，添加氮肥后磷肥偏生产力降低，不施氮肥下的磷肥偏生产力平均是N60处理的1.5 倍；保水剂对磷肥偏生产力的影响不显著 (P ＞ 0.05)。不同施磷量间磷肥偏生产力差异显著 (P ＜ 0.05)，磷肥偏生产力在施磷量60 kg/hm2时最高，在施磷量90 kg/hm2时最低。在施磷量60 kg/hm2时，磷肥偏生产力最高为N0PM0P60组合达8.46 kg/kg；在施磷量达75 kg/hm2后，磷肥偏生产力最高为不施氮肥及施保水剂30 kg/hm2处理，超过6.22 kg/kg。磷肥偏生产力最低组合为N60PM30P90，仅3.37 kg/kg。

从磷肥农学效率来看 (图3)，施氮60 kg/hm2显著降低磷肥的农学效率 (P ＜ 0.01)，较不施氮肥处理平均降低47%；保水剂对磷肥农学效率的影响未达显著水平 (P ＞ 0.05)。单独施磷时，磷肥农学效率在各施磷量间差异不显著 (P ＞ 0.05)，但在氮肥和保水剂添加后，变化规律不一致；其中在N60PM30情况下磷肥农学效率在各磷肥梯度下差异不显著 (P ＞0.05)，磷肥农学效率最低为N60PM30P60组合，仅0.22 kg/kg；在N0PM30和N60PM0情况下，P75与P90水平磷肥农学效率差异不显著 (P ＞ 0.05)，均大于1.42kg/kg；但显著高于P60水平 (P ＜ 0.05)。可见，对建植三年的西北羊茅，磷肥与N60或PM30配施均不利于维持高水平的磷肥农学效率，且少量或过量磷肥也不利于维持磷肥偏生产力与磷肥农学效率间的平衡。

表 2 羊茅种子产量与产量性状间相关关系Table 2 Correlation between yield of seed and yield traits of F. kryloviana

表 3 西北羊茅种子产量与产量性状间通径分析Table 3 Path analysis between seed yield and yield traits of F. kryloviana

3 讨论

3.1 氮磷肥和保水剂对西北羊茅种子产量及产量性状的影响

氮肥添加是提高植物种子生产的有效措施，但过量施氮不利于种子产量的提高。在老芒麦施肥研究中发现，施氮量过高甚至引起产量下降[10,22]；徐荣等[23]对高羊茅的研究表明，施氮量高于60 kg/hm2时种子产量呈下降趋势。植物种子产量对氮肥添加的响应存在一个阈值，产量与施氮量呈开口向下的“抛物线”关系[24]。本研究的结果为施N 60 kg/hm2显著降低了西北羊茅种子产量。千粒重是种子发育成熟的重要标志，其值越大发育越完全；无芒隐子草的千粒重对氮肥响应不显著[25]，高羊茅千粒重在不同氮肥梯度表现不一致[11,13]，而多花黑麦草在抽穗期施用高氮肥用量后千粒重显著降低[12]，老芒麦在施用氮肥量60 kg/hm2时千粒重最大，而后降低[11]。生殖枝数是影响种子产量的关键因素[26]。高氮肥用量时无芒隐子草生殖枝数减少[25]；高羊茅生殖枝数在达到一定值后随氮肥进一步添加而减小，在苇状羊茅上也有类似规律[14,27-28]。韩云华等[28]研究发现超过氮肥阈值后，苇状羊茅多项种子产量性状指标明显减少，本研究在施N 60 kg/hm2时，西北羊茅的单序籽粒重、千粒重、生殖枝数和单位面积籽粒数均极显著降低，可见西北羊茅种子生产的氮肥阈值可能小于60 kg/hm2。本研究仅探讨了不施氮肥和施氮 60 kg/hm2水平对西北羊茅种子产量和产量性状的影响，而对不同施氮水平下西北羊茅种子产量和产量性状的影响未进行研究和讨论，这有待下一步进行研究。

图 3 不同处理西北羊茅种子生产的磷肥利用效率Fig. 3 Utilization efficiency of phosphorus fertilizer in F. kryloviana seeds production affected by fertilizer and super absorbent polymer treatments

磷肥促进种子的形成和发育，关于种子生产对施磷量的响应在多种禾本科植物上有相关研究。张锦华等[29]对旱作老芒麦的研究表明，施磷量64 kg/hm2时种子产量最高；而赵利等[11]发现在施磷量90 kg/hm2时老芒麦种子产量最高，而本研究发现施磷量75～90 kg/hm2时西北羊茅种子产量均有较高值，达到560 kg/hm2。这可能与研究区域土壤肥力状况和作物本身的需肥特性不同有关。小穗数和小穗粒数是影响种子产量的主要性状之一，房丽宁等[30]在高羊茅，蒋文兰等[31]在多年生黑麦草和高羊茅，张锦华等[29]在老芒麦施磷研究中均提出，施磷显著提高了牧草的小穗数和小穗粒数，而本研究发现，施磷对西北羊茅小穗数和小穗粒数的形成无显著影响，这与于晓娜等[22]对老芒麦施磷研究结果一致。同时，本研究发现，施磷显著提高生殖枝数、千粒重，这与赵利等[11]、王明亚等[9]的研究结果一致，而与于晓娜等[22]的研究不一致。不同牧草由于施肥量的不同、施肥时间和施肥方式的不同，以及土壤肥力和牧草需肥特性的不同，研究的结果会存在差异；不同区域、不同年份温度及降雨的差异以及不同地区栽培管理方式下施肥对不同牧草影响目前研究仍然比较少，还需进行深入细致的研究。

保水剂主要为干旱地区植物生长发育提供适宜的水分条件。在玉米[32]、小麦[33]等作物上的研究表明，保水剂添加量45～60 kg/hm2显著提升产量；本试验保水剂添加量30 kg/hm2对西北羊茅产量无显著影响，而与氮肥、氮磷肥配施后影响显著。这可能是由于玉米、小麦为一年生作物，保水剂施用当年根系处于发育阶段，而西北羊茅为多年生牧草，本研究在其生长的第三年进行施肥研究，根系发育完全，因此造成研究结果不一致。刘学生等[32]发现保水剂能有效提升玉米百粒重和小穗粒数；马力等[34]在对燕麦的研究中发现保水剂能促进小穗数增加；杨永辉等[33]在小麦的研究中也得出相似观点。本研究中，对产量性状分析发现保水剂主要影响单序籽粒重和单序籽粒数。

3.2 氮磷肥和保水剂对西北羊茅种子产量与产量性状间相关关系的影响

通过对施肥后西北羊茅种子产量性状间的相关性分析表明，种子产量与生殖枝数间相关系数达0.822，且前人的研究表明，生殖枝数受氮肥、磷肥添加的极显著影响，这与本研究结果一致[35-36]。种子产量与花序长、小穗粒数间不存在显著相关关系，而小穗粒数与单序籽粒数具有显著正相关性。梁国玲等[4]对未施肥的西北羊茅研究也发现小穗粒数与产量无显著相关；本研究发现小穗粒数不随施肥量的增加而发生改变，这可能与品种自身特性有关。另外本研究发现小穗数与小穗粒数成显著负相关关系，这可能为西北羊茅的一种调控方式；探寻通过提高小穗粒数进而提高西北羊茅种子产量的栽培措施，将会大幅度提高西北羊茅种子产量。通径分析表明，施肥和保水剂添加后西北羊茅单序籽粒重、生殖枝数对种子产量的直接作用最大；且花序长、小穗数、小穗粒数、单序籽粒数、千粒重均与单序籽粒重、生殖枝数表现出较强的直接作用；结合相关性分析可将这两个性状作为西北羊茅种子生产对施肥的响应依据。

3.3 氮肥、保水剂对磷肥偏生产力和农学效率的影响

肥料偏生产力和农学效率是反映施肥对植物增产效应的适宜评价指标[21]。本研究发现，磷肥偏生产力随施磷量和施氮量增加而降低，这与在玉米方面的研究结果一致[37]。磷肥农学效率在本研究中无统一的规律，仅在有氮肥或保水剂添加时随施磷量增加呈上升趋势。氮肥添加显著降低各磷肥梯度偏生产力和农学效率，且磷肥利用效率显著低于大宗作物[21,37-38]，这可能是西北羊茅由于长期进化已适应贫瘠环境，因而对氮肥、磷肥需求阈值较低引起。本研究保水剂对磷肥偏生产力和农学效率均无显著影响，是添加量还是施入方式的影响有待进一步研究。