氮肥运筹方式对胡麻干物质积累、产量及氮素吸收转运的影响

郭娟娟，董宏伟，崔政军，剡斌，高玉红，高珍妮，吴兵

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；4.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070)

胡麻(LinumusitatissimumL.)，是我国五大油料作物之一，主要分布在我国西北甘肃、内蒙、宁夏、山西、河北等省区，具有较强的耐寒、耐早和耐瘠薄能力[1-2].胡麻籽因富含木酚素、膳食纤维、亚麻胶等功能性营养成分，被广泛应用于药品、保健品、化工添加剂、化妆品、食品等行业[3].已有研究表明，胡麻是一种需氮肥较多的作物[4]，其生长特性及产量对氮肥的响应受气候、品种、氮肥种类及其形态、土壤中氮残留、播种密度和播种时间等综合因素的影响[5].索全义等[6]研究发现，胡麻苗期氮素吸收速度缓慢，枞行期后逐渐增快.崔红艳等[7]研究表明缺乏氮会导致较多的光合产物被胡麻根系有效利用，严重缺氮会抑制整个植株生长发育，使产量降低.胡麻过量施氮后氮素供大于求，导致氮利用效率下降，氮素收获指数亦下降，经济效益随之降低[1,6].

氮素是土壤养分中植物需求量最大的一种矿质营养化学元素，能够显著影响作物的生长发育和产量形成[8].合理充分施用氮肥还可以提高其作物产量、改善作物品质[9].缺氮抑制作物生长，影响作物光合作用，引起产量下降[10].而过量施用农业氮肥，非但不能增加产量，反而会降低氮肥回报率和利用率[11]，直接或间接导致发生病虫害，导致植株严重倒伏，产量和品质明显下降，土壤氮残留持续增加，污染生态环境和水源，增加农业生产成本，以致一系列生产及生态问题[12].因此，对氮素养分进行优化管理、保持氮素养分合理流动和循环是提高作物产量和品质、保障资源可持续利用的有效途径.适量施氮可以达到节本增效的目的，有研究表明，适量氮肥调节后，水稻产量可增加约3.0%～39.0%，氮肥利用率提高17.0%～98.2%[13]，适氮调控亦可使小麦[14-16]和玉米[17]出现不同程度增产.氮肥全部施用有利于生育前期植株氮素保障，而生育中后期由于缺乏氮肥而导致植株生长发育滞后；部分基施+部分追肥较全部基施更有利于植株氮素利用率和产量的增加，但氮肥后移比例过高会显著加重转运贡献率的负效应.研究表明在其他作物上2次分施或3次分施更有利于植株的生长，而底追比例为5∶5、3∶7、4∶6时可以显著增加作物的产量和水氮利用效率[18-21].但在胡麻大多数研究中主要关注氮肥适宜施量以及氮磷肥配施对胡麻干物质、氮素吸收利用、产量形成等生理生化特征的影响，而在作物对精准施肥需求不断提升的背景下，氮肥基施、追施及基施、追施比例对胡麻氮积累、氮转运及其对籽粒产量的影响研究较少.本研究以甘肃中部胡麻生产中适氮总量为基础，通过深入探讨不同氮肥运筹方式(全部基施、基施+追施、基追施比例、施肥时期)对胡麻氮素吸收及利用的影响，试图揭示不同氮肥管理模式对胡麻植株生物量、氮素积累、产量及其构成因子之间的联系，旨在为氮肥优化管理实现胡麻稳产增产和提高氮肥利用率提供理论和实践依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在定西市旱作农业科研推广中心西寨油料试验站进行，试验站位于N 35°48′、E 104°49′，海拔2 050 m，平均日照时数2 453 h，无霜期213.3 d，年平均气温6.3 ℃，极端最高温34.3 ℃，极端最低气温零下27.1 ℃.属黄土高原丘陵沟壑区和干旱半干旱地区.正常年降水量400 mm左右，多集中在秋季，蒸发量高达1 500 mm，是一个干旱、冰雹、霜冻、低温等自然灾害频繁的农业区.试验地为梯田，无灌溉条件，试验地0～30 cm土层土壤基本理化性状如表1所示，试验区2018年4月～8月降水量如图1所示.

表1 试验地土壤基本理化性状

E：上旬；M：中旬；L：下旬.E：The first ten days of a month；M:The middle ten days of a month；L：The last ten days of a month.图1 2018年4月～8月试验区降水量Figure 1 Precipitations in the experimental area from April to August in 2018

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，以氮肥全部基施(N1)为主对照，不施氮肥(N0)为副对照.氮肥选用尿素(纯N:46%).各施氮处理施用量均为150 kg/hm2.共设4个不同氮肥运筹处理，如表1所示，3次重复，共18小区，小区面积12 m2(3 m×4 m)，小区间隔30 cm，区组间隔50 cm，四周设1 m的保护行.供试胡麻品种为‘陇亚10号’，由甘肃省农业科学院胡麻育种室提供；种植密度为750万株/hm2，人工条播，播深3 cm，行距20 cm.其他管理方式同一般大田操作.2018年4月3日播种，8月17日收获，生育期136 d.

1.3 样品采集与项目测定

1.3.1 样品采集与处理 分别于胡麻各典型生育时期：苗期(5月20日)、现蕾期(6月17日)、盛花期(6月30日)、青果期(7月20日)和成熟期(8月19日)，以50%植株达到时期生育性状为标准，在各小区随机取样20株，带回实验室备测.

1.3.2 植株干物质测定 将各时期植株样品按器官(茎、叶、蕾、果、籽粒)分开，于105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干24 h至恒质量，以万分之一电子天平称质量，并以FZ102型样品粉碎机分器官粉碎并留样.

表2 试验氮肥运筹处理表及施用量

1.3.3 植株氮素测定 各时期植株样品称干质量后粉碎，过0.5 mm筛，采用 H2SO4-H2O2消煮、凯氏定氮法测定样品含氮量(浓度).

1.3.4 考种及测产 收获前于各小区随机取样15株，带回实验室考种.按小区单打单收，晒干后称量胡麻籽粒质量，测得小区实际产量.

1.3.5 计算方法[23-24]

植株吸收的总氮量(kg/hm2)=植株干物质质量×植株全氮含量

营养器官氮素转移量(kg/hm2)=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量

氮素转移效率(%)=(营养器官氮素转移量/开花期营养器官氮素积累量)×100%

氮素贡献率(%)=(营养器官氮素转移量/成熟期籽粒中氮素积累量)×100%

氮肥农学利用率(kg/kg)=(施氮区产量-未施氮区产量)/施氮量

氮肥生理利用率(%)=(施氮区产量-未施氮区产量)/(施氮区作物收获时地上部的氮素积累量-未施氮区作物收获时地上部的氮素积累量)×100%

氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮区产量/施氮量

1.4 数据处理与统计

采用Excel 2007进行数据计算整理，SPSS 16.0进行显著性分析和方差分析，OriginPro 9.0制作图表.

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对胡麻不同生育时期干物质积累量的影响

由图2可知，不同处理下胡麻植株干物质积累量随生育进程推进呈上升趋势，在成熟期达到最大值，同一生育时期不同运筹处理地上部干物质积累量因施肥量不同而有差异，N0处理干物质积累量均为最低.苗期各处理干物质积累量从高到低依次为：N5>N2>N3>N4>N1>N0，N2与N5处理间差异不显著，但显著高于其他处理，N5较N1干物质积累量增加26.1%，较 N3、N4、N0分别增加了20.4%、23.4%和49.3%，并与N0处理差异达到极显著水平(P<0.01，下同).现蕾期N1处理干物质积累量显著高于其他处理，较N0高20.2%，较其他处理分别高18.6%、3.8%、2.9%和7.0%(P<0.05，下同).从盛花期开始至成熟期，N4、N5处理具有较高的干物质积累量，氮肥全部基施促进了胡麻生育前期干物质积累，而基施+追施利于胡麻生长后期干物质积累.盛花期N5处理干物质积累量最高，较N0、N1、N2、N3、N4处理分别高39.0%、11.6%、23.6%、16.8%和9.2%.青果期N4、N5处理间无显著差异，N4显著高于其他处理，较N0高13.2%，较N3、N2、N1分别高4.2%、10.2%和10.5%.成熟期干物质积累量N5处理分别较N0、N1、N2、N3、N4显著高出16.3%、5.0%、16.1%、4.1%、1.6%.可见，施肥总量既定的条件下，氮肥运筹方式(全部基施、部分基施、部分追施)显著影响胡麻地上部干物质积累量，氮肥全部基施后营养器官生长旺盛，不利于胡麻生殖生长阶段干物质积累，而N4、N5处理从盛花期开始具有较高的干物质积累量，表明了氮肥基施+现蕾期追施或基施+分茎期追施+现蕾期追施既保证生育前期必需养分，也能促进后期养分持续供应，有利于协调胡麻整个生育期内的光合同化物积累.

不同小写字母表示胡麻同一生育时期不同处理下存在显著性差异(P<0.05).Different lowercase letters indicate that there is a significant difference in the different treatments of flax in the same growth period (P<0.05).图2 氮肥运筹处理后胡麻单株干物质积累量差异Figure 2 Difference in dry matter accumulation under nitrogen fertilizer management

2.2 氮肥运筹对胡麻各生育时期氮素积累量的影响

由图3可知，胡麻植株氮素积累量随生育进程逐渐增加，在成熟期达到最高.在整个胡麻生育期，各时期处理植株氮素积累量均显著高于N0.苗期含氮量由高到低依次为：N5>N4>N2>N3>N1>N0，N5较N0、N1、N3分别显著高出119.4%、77.5%、50.2%.青果期N4处理下氮素积累量达到最高，与除N5其他处理均达到差异显著，变幅为16.9%～73.9%.盛花期、青果期和成熟期均为N5处理下氮素积累量最高，较同时期较低的处理N0、N2分别显著高出78.5%、68.2%和53.5%、45.1%和52.3%、26.9%.植株氮素积累量增加最快的时期是现蕾期到盛花期，与氮素吸收强度最大时期相一致.苗期在50～150 kg/hm2基肥施量范围内和成熟期在基肥施50 kg/hm2的基础上现蕾期追施50～100 kg/hm2范围内均随着施氮量的增加植株积累量呈下降趋势，且处理两两均差异显著.可见，施肥总量既定的条件下，氮肥全部基施虽有利于生育前期的氮素积累，但后期积累量增加缓慢，而不同生育时期N4、N5处理较高的氮素积累量及N5处理全时期最高的总积累量均表明，基肥50 kg/hm2+现蕾期追施50～100 kg/hm2有效协调了胡麻营养生长和生殖生长阶段的氮素需求，统筹源库运转效应明显.

图3 氮肥运筹处理下植株氮素积累量Figure 3 Nitrogen accumulation in plants under nitrogen fertilizer treatment

2.3 氮肥运筹对胡麻氮素转运及氮肥利用率的影响

由表3可知，N5处理获得最高营养器官氮素转移量和氮素贡献率，分别高出其他处理13.1%～95.6%和11.1%～59.3%.且与N3处理未达到显著差异，营养器官氮素转移量和氮素贡献率施氮处理分别显著高出不施氮处理16.9%～95.6%和12.8%～59.3%.氮肥转移效率由高到低依次为N3>N4>N5>N2>N1>N0，N3处理与其他处理均达到显著差异，较其他处理的变幅分别为9.5%～17.9%.可见由N3、N5处理下的优势效应表明，基肥50～75 kg/hm2+现蕾期追肥50～100 kg/hm2范围内可提高胡麻对养分的吸收利用，更有利于肥料氮素向籽粒中转运，促进营养器官转移量，提高氮素转移效率和氮素贡献率，为植株的产量和品质做贡献；由表4可知，氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均为N5处理下最高，与其他处理差异显著，较N3、N4处理分别高出220.4%、130.2%和10.7%、8.6%.氮肥生理利用率N2分别显著高出N3、N4处理96.3%、88.3%，除N1外与其他处理均达到显著差异，运筹方式利用效率无明显规律.可见，氮肥运筹后，基肥或基肥+分茎期追肥在100～150 kg/hm2施量范围内，胡麻氮肥农学利用率和偏生产力随施量的增加呈上升趋势.

表3 氮肥运筹后氮素转移变化

表4 氮肥运筹处理下氮肥利用率的变化

2.4 氮肥运筹对胡麻产量因子及产量的影响

由表5可知，氮肥运筹方式主要影响胡麻果粒数和千粒质量，分枝数、蒴果数处理间无显著差异.施氮果粒数和千粒质量的N4和N5均未达到显著差异，N4处理果粒数最多，较N3、N2、N1和N0分别高19.3%、19.8%、17.6%和37.2%，千粒质量N5处理下达到最高，分别较N0、N1、N2、N3显著高出17.5%、12.3%、10.5%和7.8%.各氮肥运筹方式处理较不施肥处理(N0)籽粒产量增加4.6%～15.1%，产量依次为：N5>N1>N2>N4>N3>N0，未表现出随基追比变化相应的规律性趋势，但N5较N4、N3、N2和N1产量分别显著高出8.6%、10.6%、5.2%和5.7%.可见，氮肥运筹方式对胡麻产量构成因子的影响主要体现在果粒数和千粒质量，进而影响胡麻籽粒产量.

表5 氮肥运筹方式对胡麻籽粒产量及产量构成因子的影响

3 讨论

3.1 氮肥运筹对胡麻不同生育时期干物质积累量的影响

作物生物量的生产与累积是作物产量形成的物质基础，增加干物质生产是提高作物产量最直接有效的方式之一[13].氮肥直接或间接影响营养器官和生殖器官之间库源关系[25]，适量增施氮肥可以促进花后干物质累积以及营养器官贮存干物质向籽粒转运，虽未改变胡麻干物质积累量的总体趋势，但明显促进了干物质积累进程.从而提高籽粒产量[26-27].本研究表明，氮肥运筹方式(全部基施、氮肥部分基施、部分追施)显著影响胡麻地上部干物质积累量，氮肥全部基施(N1)利于现蕾期之前营养器官生长，但对胡麻生殖生长阶段干物质积累效应减弱，而现蕾期追施(N4)、分茎期和现蕾期分别追施(N5)从盛花期开始具有较高的干物质积累量.现蕾期～青果期干物质积累量增加较快，青果期N4处理较N0高13.2%，较N3、N2、N1分别高4.2%、10.2%和10.5%.可见，随着胡麻生育进程的推进，现蕾期后干物质积累量增加引起氮素需量上升[28]，该时期追施部分氮肥，可促进青果期叶片和花果干物质分配比率保持一定的优势，为增加干物质积累创造了条件[27].

3.2 氮肥运筹方式对胡麻氮素积累和转运的影响

氮素养分的吸收、同化与转运直接或间接地影响作物的生长发育[29]，因此植物对氮素的吸收量是反映其生长的重要指标之一[30].作物产量与氮素吸收利用密切相关，提高植株含氮量是作物产量提高的重要基础[31].本研究表明， N4、N5处理在整个生育时期具有较高的氮素积累量，表明基肥50 kg/hm2+现蕾期追施50～100 kg/hm2可以促进胡麻整个生育期内的氮素积累量.可见，部分基施+部分追肥较全部基施更有利于植株含氮量和氮素积累量的增加，快速生长期和盛花期是氮素积累的两大高峰期，而开花期是整个生育时期平均吸收氮素的最高时期[22,32].此时，持续的氮素供应能够缓解由于生育中后期植株氮素需求增加及氮素淋溶等造成的养分不足.施基肥(50 kg/hm)、分茎期(50 kg/hm)追肥和现蕾期(50 kg/hm)追肥的处理下，2次追肥时间满足了胡麻氮素吸收高峰需求，所以植株含氮量和植株氮素积累量在成熟期时均表现为N5处理下最高.研究表明，植株后期籽粒的营养元素主要依靠营养器官物质转运[33]，植株氮素吸收量及营养器官转移量增加，营养器官氮素对籽粒氮素积累的贡献率增加[34]，营养器官氮素转移量N5、N3处理下较高，这可能是由于开花前氮素积累的主要营养器官是叶片，在现蕾期追肥，提高了叶片中氮素积累量和氮素向籽粒的转移[35].在提高肥料氮素转运方面，氮肥运筹方式由于全部基施，且基施+现蕾期追肥可以提高肥料氮素转运率及转运贡献率，有利于增加肥料氮素在果粒中的分配，为植株的产量和品质做贡献.

3.3 氮肥运筹对胡麻产量及氮肥利用率的影响

合理的施用氮肥是实现作物高产的重要途径之一[23].不同研究表明胡麻籽粒产量的提高可通过每果粒数、单株果数和单株产量来实现[22-23].本研究中，不同氮肥运筹方式下胡麻果粒数、千粒质量和产量施氮处理均高于不施氮肥(N0)处理，果粒数和千粒重分别为N4和N5处理下达到最高，二者间差异不显著，较N3、N2、N1和N0的变幅分别为17.6%～37.2%和7.8%～17.5%.施肥处理较不施肥处理(N0)籽粒产量高5.1%～16.2%，基肥+现蕾期施肥处理中，N4、N5较不施肥产量分别高出7.0%、14.7%，可见，不同氮肥运筹通过调节植株的“库”容量，影响果粒数和千粒重等产量构成因素进而影响产量[36]，因此，在总氮量不变前提下，适当增加生育中期的追施氮肥比例，对有效调控群体发展、优化群体结构、实现产量突破有重要作用[37].亦有研究表明底肥和追肥比例的改变对小麦产量并无太大影响，但减少基肥用量增加追肥用量的处理与氮肥全部基施处理相比氮肥的吸收利用效率明显提高[38].石玉等[39]认为调整底肥追肥比例，选择合适的时期追肥可以调整氮素的去向，提升氮肥的利用率.氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥生理利用率等反映了作物对氮素的吸收、利用效果[40].本研究中，氮肥运筹方式显著影响胡麻植株氮肥农学利用率和氮肥偏生产力，基肥或基肥+分茎期追肥在100～150 kg/hm2施量范围内随着施肥量的增加呈上升趋势，而在N5处理下的氮肥利用率均高于N1、N2处理.所以在施氮量相同时，减少前期的氮肥施入，增加生育后期的施入，可以有效提高氮素的利用效率[41].此结果与陈祥[42]、魏建林等[43]的研究一致.由此可见，在胡麻生产过程中，适宜氮肥的合理运筹，既有利于保证胡麻不同生长阶段的发育需求，亦对当前胡麻生产提质增效具有重要实际意义.

4 结论

综上所述，在施氮肥总量(150 kg/hm2)既定的条件下，氮肥经不同生育期运筹后，基肥50～75 kg/hm2+现蕾期追肥50～100 kg/hm2范围内施氮量对胡麻植株的生长发育具有良好促进作用，追肥期与胡麻氮素吸收高峰期的一致性，协调了同化物积累和植株氮素积累，保证了植株营养生长和生殖生长阶段的养分需求，有利于开花及花后氮素积累量的转运积累，提高了胡麻氮素农学利用率和偏生产力，是兼顾产量和氮素利用率及资源环境保护利用的氮肥运筹模式.具体在本研究中，施基肥(50 kg/hm2)、分茎期(50 kg/hm2)和现蕾期(50 kg/hm2)追肥的处理为较优氮肥运筹方式.但在施氮肥总量一定的条件下，基肥+分茎期追肥+现蕾期追肥的最优量比例仍有待进一步研究.

致谢：非常感谢国家自然科学基金项目(31760363)；现代农业产业技术体系项目(CARS-14-1-16)；甘肃农业大学盛彤笙科技创新基金项目(GSAU-STS-1608)对本课题的资助.