水氮耦合对盐碱地柳枝稷生物质产量、品质及水肥利用的影响

常雯雯，刘吉利*，吴 娜，何海锋

（1.宁夏大学生态环境学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏旱区资源评价与环境调控重点实验室，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

柳枝稷（Panicum virgatum），禾本科（Grmineae）黍属植物，起源于北美，具有适应性强、分布范围广、产量高、环境友好等特点［1］。早在1978年美国能源部发现，多年生纤维素类草本植物是最具有潜力的能源植物，柳枝稷因适应性强、水氮利用效率高被列为重点能源植物研究对象［2-3］，同时，柳枝稷还具有一定的耐盐碱性，被认为是最具有开发利用前景的能源植物之一［4］。我国西部干旱半干旱地区面积广袤，盐碱地资源丰富，利用盐碱地种植能源植物，是既不与粮争地又获取生物质原料的重要途径，但内陆盐碱地区大多干旱少雨、土壤养分贫瘠，如何调控水肥资源，提高作物产量是盐碱地能源作物生产中要解决的关键问题。

水分和养分是影响植物生长的两个重要因素［5］，其影响是由两者单因素及互作效应共同决定的。当配置不合理时，则会形成拮抗效应［6］，降低水肥利用效率，影响植物生长和养分吸收，甚至影响作物产量和品质［7］。目前，国内外学者在柳枝稷水肥调控方面已展开了相关研究。Ameen等［8-9］研究表明，较低的施氮量能够提高柳枝稷产量和氮肥利用效率，但高氮肥输入不仅不能显著提高生物产量，反而会破坏土壤氮平衡，不利于产量优化。施氮对柳枝稷产量的作用效果受降水量影响，Springer［10］研究表明，生长季降水量减少55%可导致施氮肥处理柳枝稷的平均生物产量减少15%。水肥管理也会影响柳枝稷的生物质品质，水分降低时，柳枝稷纤维素、半纤维素含量降低［11］；纤维素、木质素均受施氮量的显著影响，其含量随着施氮量的增加而降低［12］。在研究作物最佳水肥管理模式方面，严富来等［13］采用多元回归分析方法得出灌水量与有效降雨量之和为506～576 mm，施氮量为230～335 kg·hm-2时，春玉米产量、水分利用效率等表现最优；刘东阳等［14］通过方差分析发现节水灌溉下施氮量为675 kg·hm-2时，番茄产量以及水氮利用率最高。Chen等［15］运用荟萃模型分析方法证明灌水量、温度和氮肥对柳枝稷产量变化的贡献是相等的。目前，对柳枝稷的研究多关注于水分、氮肥或水氮耦合对柳枝稷的增产效应，但是在盐碱地条件下水肥管理对柳枝稷产量、品质和水肥利用特性的报道较少。为此，本研究结合西北盐碱地能源作物生产实际，通过田间试验，探讨了水氮耦合对盐碱地柳枝稷产量、品质及水肥利用效率的调控效应，以期为盐碱地柳枝稷高产优质高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年4～11月在宁夏大学西大滩盐碱地改良综合试验站进行，试验站位于宁夏平罗前进农场（38°50′ N，106°24′ E，海拔1150 m）。研究区域属典型的干旱大陆性气候，年气温-20.5～33.8℃，年均气温9.5℃，≥10℃积温为3350℃；年均降水量为205 mm，年蒸发量1875 mm。此地区常年日照充足，干旱少雨，昼夜温差较大，降水不足和蒸发量大等是造成该地区盐碱化土壤形成的重要气候因素。本试验地块为典型的龟裂碱土，表层土壤pH为8.66，全盐含量为1.94 g·kg-1，有机质含量为11.64 g·kg-1，碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为8.92、7.69和174.65 mg·kg-1。试验期间的月平均气温和降水量见图1。

1.2 试验材料与设计

供试柳枝稷品种为‘Cave-in-rock’，设置灌水定额和氮肥施用量2个变量因子，灌水定额水平分别为：低水750 m3·hm-2（W1）、中水1500 m3·hm-2（W2）、高 水3000 m3·hm-2（W3）；施氮量分别为：无氮（F0）、低氮N 60 kg·hm-2（F1）、中 氮N 120 kg·hm-2（F2）、高 氮N 240 kg·hm-2（F3），试验采用随机区组设计，每个处理重复3次。

试验柳枝稷采用育苗移栽方式种植，于2016年3月在温室内育苗，5月4日移栽至试验大田，行距60 cm，株距35 cm，每小区长8 m，宽5 m，面积40 m2，移栽前每公顷施N 60 kg、P2O550 kg和K2O 50 kg，适量灌水保证建植成功。种植第2年，柳枝稷返青后每公顷施N 120 kg，按当地旱作物进行灌溉管理。种植第3年开始水肥耦合试验处理。各处理氮肥均于返青期时一次性施用，所施氮肥为尿素（N 46.4%）；灌水根据设计定额于返青期、拔节期、开花期和成熟期分4次等量浇灌，其他管理措施相同。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水率和盐分测定

分别于返青前（4月5日）和收获时（10月26日）测定土壤含水率和盐分，测量深度为0～100 cm，按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm分层测定。土壤含水率用时域反射仪（TDR）测定，土壤盐分采用电导法测定。

1.3.2 生物质产量测定

收获前，分别在每小区随机选取1 m2样方，设置3个重复，置于105℃鼓风干燥箱中杀青30 min，随后设置80℃烘干至恒重，天平称量得到干物质量后，计算每公顷地上部生物质产量。

1.3.3 品质测定

将烘干的柳枝稷进行粉碎，供柳枝稷品质测定。粗灰分采用直接灰化法测定，热值采用XRY-1C型氧弹式热量计测定［16］，纤维素、半纤维素和木质素含量采用ANKOMA200i型半自动纤维分析仪进行测定，植株氮含量采用凯式定氮法测定［17］。

1.4 数据处理与统计分析

式中，ETc为作物耗水量，mm；I为灌水量，mm；P为降水量，mm；ΔS为0～100 cm土层土体贮水量的变化，mm；R为地表径流量，mm；D为深层渗漏量，mm。在本试验中，由于不产生地表径流，而且设计的单次灌水量较小，不足以形成深层渗漏，所以R和D忽略不计。

水分利用效率（WUE）（kg·m-3）=作物产量/作物耗水量

氮肥偏生产力（PFPN）（kg·kg-1）=施氮区作物产量/施氮量

氮肥农学效率（ANUE）（kg·kg-1）=（施氮区作物产量-不施氮区作物产量）/施氮量

氮素利用效率（NUE）（kg·kg-1）=作物产量/吸氮量

采用SPSS 20.0软件进行方差分析，用Excel 2010软件进行数据统计和作图。采用模糊相似优先比法［18］对所选12个水氮处理的柳枝稷产量、品质和水肥利用效率进行综合评价和分析。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对盐碱地柳枝稷生物质产量的影响

在盐碱地条件下，水氮耦合对柳枝稷产量有显著影响（图2A）。低水、中水条件下柳枝稷产量随施氮量的增加呈上升趋势，高水处理下产量随施氮量的增加先上升后降低，且变幅较大。低水、中水、高水条件下，柳枝稷获得最高生物质产量的施氮量分别为240、240和120 kg·hm-2，较不施氮处理的产量提高12.59%、19.48%、34.14%，但是高水条件下，施氮量为240 kg·hm-2处理的柳枝稷产量比不施肥处理仅提高了8.74%，说明适宜的水氮管理才能充分发挥水氮耦合效应，从而提高柳枝稷产量。

灌水和施氮均对柳枝稷产量影响显著（图2B）。柳枝稷产量随施氮量的增加呈先升高后降低趋势，其中，中氮处理下柳枝稷产量最高，较不施氮和高氮处理的产量分别高19.96%、8.89%，表明盐碱地条件下适量施氮有利于柳枝稷获得高产。柳枝稷产量随灌水量的增加而提高，低水和中水处理差异不显著，高水处理的柳枝稷产量较低水、中水处理分别增加了1.09、0.856 t·hm-2，说明在盐碱地条件下，维持较高的灌水量是获得柳枝稷高产的重要保障。

2.2 不同水氮处理对盐碱地柳枝稷生物质品质的影响

2.2.1 灰分、热值

牧草中灰分的组成主要为矿物质和盐类，是反映植物品质的重要指标之一。图3A、3B表明，施用氮肥能够显著降低盐碱地柳枝稷生物质中灰分含量，中氮处理的灰分含量最低。低水、中水、高水条件下，中氮处理的柳枝稷灰分含量分别较不施氮处理降低47.69%、13.83%、28.52%。低水和中水条件下柳枝稷灰分含量在各施氮处理间差异显著，而高水条件下柳枝稷灰分含量在施氮处理间差异不显著。盐碱地条件下，增加灌水量能够在一定程度上降低柳枝稷生物质中灰分含量，但处理间差异不显著（图3B）。

在盐碱条件下，不同水氮处理对柳枝稷热值影响显著（图4）。各灌水量处理下，柳枝稷生物质热值随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，中氮处理的柳枝稷热值均最高，说明增施氮肥能提高柳枝稷热值，但施氮量超过120 kg·hm-2时施肥对热值的增效有所降低。水分对柳枝稷热值有显著影响，随着灌水量增加，盐碱地柳枝稷生物质的热值呈降低趋势（图4B）。

2.2.2 木质素和纤维素

在盐碱地条件下，水氮耦合处理对柳枝稷木质素和纤维素含量影响显著（表1）。柳枝稷木质素、纤维素和半纤维素含量均随施氮量增加呈现先升高后降低的趋势。低水、中水、高水条件下柳枝稷纤维素含量均在中氮处理时达到最高，分别较不施氮处理增加25.73%、6.27%、10.98%，而高氮处理的纤维素含量则比不施氮处理有所降低。柳枝稷半纤维素含量分别在低水中氮、中水中氮和高水低氮处理时达到最高；中低水条件下柳枝稷木质素含量分别在低氮处理时达到最高，说明少量施用氮肥在一定程度上可以提高柳枝稷生物质中半纤维素和木质素的含量，施氮量过高则降低了木质素和半纤维素含量。随着灌水量增加，施用氮肥处理柳枝稷木质素含量总体上呈降低的趋势，表明增加灌水有利于降低盐碱地柳枝稷生物质中木质素含量。

表1 不同水氮处理对柳枝稷生物质木质素和纤维素含量的影响 （%）

2.3 不同水氮处理对盐碱地柳枝稷水肥利用特性的影响

2.3.1 水分利用特性

盐碱地条件下，施氮量对盐碱地柳枝稷耗水量无显著影响，而灌水量对柳枝稷耗水量影响显著（图5）。柳枝稷耗水量随灌水量的增加而提高，高水处理柳枝稷的耗水量分别比低水和中水处理增加31.70%～33.39%、20.31%～22.81%，说明盐碱地条件下，灌水量是影响柳枝稷耗水量的主要因素，增加灌水能够促进柳枝稷的生长和水分的吸收，有效补充柳枝稷对土壤水分的消耗，有利于土壤蓄水，但低水处理下会过度消耗土壤储水，造成土壤水分亏缺，不利于柳枝稷的生长和土壤脱盐。可见，不同的水分投入会影响下季度柳枝稷的水分管理和生长状况。

水氮处理对盐碱地柳枝稷水分利用效率影响显著（图6）。低水和中水处理中，柳枝稷水分利用效率随施氮量的增加而提高，在高氮处理时其水分利用效率达到最大，分别比不施氮处理提高了10.12%和15.26%；高水处理中，柳枝稷水分利用效率随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，并于中氮处理时达到最高，比不施氮处理提高了24.66%，表明增施氮肥能够促进盐碱地柳枝稷对水分的高效利用。柳枝稷水分利用效率随灌水量的增加显著降低，中水和高水处理的水分利用效率分别比低水处理下降12.12%和24.24%，表明大量灌水不利于柳枝稷水分高效利用。

2.3.2 氮肥利用特性

在盐碱条件下，不同水氮处理对柳枝稷氮肥利用效率有显著影响（表2）。盐碱地不同灌水量条件下，柳枝稷的氮肥偏生产力均随着施氮量的增加而显著降低，高肥处理的氮肥偏生产力比低肥处理降低了73.69%；增加灌水量能够显著提高氮肥偏生产力，尤其以高水低肥处理的氮肥偏生产力最高。低水处理条件下，柳枝稷氮肥农学效率随着施氮量的增加呈降低趋势；中高水处理条件下，氮肥农学效率随施氮量的增加先升高后降低，均在中氮水平下达到最高，产生明显的水肥耦合效应。可见，盐碱地条件下增加柳枝稷灌水量可以有效发挥氮肥的效应，显著提高氮肥偏生产力和氮肥农学效率，但是过量施肥则不利于氮肥的高效利用。与不施氮处理相比，施用氮肥在一定程度上降低了柳枝稷的氮素利用效率，增加灌水量和施氮量能够促进柳枝稷对氮素的吸收利用，高水中肥处理的氮素利用效率比低水低肥处理提高了63.02%，说明合理的水肥调控措施能有效提升柳枝稷氮素利用效率。

表2 不同水氮处理对柳枝稷氮素利用效率的影响

2.4 不同水氮处理对盐碱地柳枝稷土壤盐分含量的影响

表3为各处理在返青期和成熟期0～100 cm土壤的盐分含量变化。通过对比返青期和成熟期不同水氮处理的土壤盐分可以看出，水氮处理对盐碱地柳枝稷土壤盐分影响显著，成熟期不同处理的土壤盐分较返青期均有所降低，0～60 cm土层变化尤为显著，说明灌水和施氮肥能降低柳枝稷土壤盐分含量，尤其是表层土盐分。在成熟期的表层土（0～20 cm），柳枝稷土壤盐分随着施氮量的增加呈先降低后上升的趋势，并于中氮处理时达到最低，比不施氮处理分别降低了21.48%、38.44%。柳枝稷土壤盐分随灌水量的增加而逐渐降低，20 cm土层的盐分变化最为显著，返青期高水处理20 cm土层的盐分含量比低水处理下降了34.34%，说明增加灌水量对降低土壤表层盐分含量有显著影响。高水中氮条件下的盐分含量低于其他处理，这可能是生物质产量高于其他处理的原因之一。

表3 不同水氮处理对柳枝稷土壤盐分的影响

2.5 盐碱地柳枝稷产量、品质及水肥利用效率综合评价

在评价柳枝稷产量、品质及水肥利用效率时，单项指标难以准确反映柳枝稷的真实表现，应采用多目标综合评价的方法对其进行综合分析。模糊相似优先比法是能综合评估作物生长状况的有效方法［19］。本研究根据模糊相似优先比的原则，以12个水氮处理的柳枝稷产量、品质及水肥利用效率作为待测样本，其最优值组成“理想样本”，在此基础上，通过模糊相似优先比分析得到12个水氮处理待测样本与“理想样本”各变量的相似程度和优先比值，其计算得到的序号值之和，即为该水氮处理的综合表现与“理想样本”相似程度的综合反映，其数值越小，表示综合属性越优良［20］。由表4可知，各水氮处理与“理想样本”的相似程度和排名依次为：W3F2＞W3F1＞W2F2＞W1F2＞W2F3＞W3F3＞W3F0＞W2F0＞W1F3＞W2F1＞W1F1＞W1F0。在相似优先比排序中，F2即中氮处理均位居前列，相似优先比值均小于50，其中，W3F2序号值最小，柳枝稷产量最高，同时具有较高的纤维素、半纤维素含量和氮素利用效率，说明其综合表现优良；W1F0、W1F1的序号值大于60，相似程度小，其产量、纤维素含量、热值以及氮素利用效率均较低，综合表现较差；其他水氮处理表现为中等水平。

表4 不同水氮处理对理想处理柳枝稷产量和品质变量的相似程度

3 讨论

宁夏银北盐碱地土壤较贫瘠、气候干旱，土壤养分和水分是限制植物生长的主要环境因素［21］。研究表明，当水分与养分发生变化时，植物的生物质积累、水肥吸收利用等均有不同的响应［22-23］，适宜的水分可提高氮肥利用效率，而氮素供应充足可充分发挥灌水的增产作用［24］，只有水分与养分互相协调才能发挥互作协同效应［25］。

3.1 水氮处理对柳枝稷产量与品质的影响

彭世彰等［26］研究表明，作物产量在一定范围内与灌水量成正比，适量增加灌水有利于增产，本研究结果与王力等［27］研究结论相似。关于柳枝稷对氮肥的响应，国内外学者做了很多研究，普遍认为增施氮肥可显著提高地上部生物量，且柳枝稷对氮肥的响应要比水分敏感［28］。有研究表明，柳枝稷生物质产量在施氮量为120 kg·hm-2达到最高，继续施氮其产量反而会降低［29］，这主要与柳枝稷的氮吸收能力有关，过量施氮可能会导致其叶片衰老加快，引起净光合能力下降，最终使得产量下降［30］。盐碱化程度对柳枝稷产量也有显著影响，刘吉利等［31］研究表明，随着盐碱程度加重，柳枝稷的株高和产量会显著降低。在本研究中，柳枝稷生物质产量最高时的施氮量为120 kg·hm-2，当施氮为240 kg·hm-2时生物质产量下降，表明过量施氮会对柳枝稷生长产生抑制作用，其原因在于增施氮肥会显著增加柳枝稷的耗水量，这与刘吉利等［29］的研究结果相似；此外，通过对比土壤盐分含量可知，在高水条件下高施氮量会增加柳枝稷的耗水能力和表层土壤盐分含量，加重盐碱化，从而发生减产效应，这也是低中水处理条件下氮肥没有出现拐点，而在高水处理下氮肥出现拐点的重要原因。但已有研究中关于氮肥施用量对柳枝稷产量的影响，存在不一致的研究结果，如Ma等［32］发现在美国南部地区柳枝稷产量随施氮量增加不断提高，氮肥施用200 kg·hm-2时产量仍在增加，在河北邯郸施氮量为225 kg·hm-2时，柳枝稷产量最高［33］，这可能与土壤性质和外界环境因素有关［34］，由此可知，不同地区施肥效果差异较大，灌水量和施氮量应依据实际情况而定。在本研究中，柳枝稷纤维素含量随灌水和施氮量的增加呈先上升后下降趋势，因为在逆境胁迫下，参与纤维素合成及碳源分配的蔗糖合酶活性受到抑制，导致纤维素含量降低［35］，粗灰分、木质素含量随灌水和施氮的增加均呈下降趋势，这与朱毅等［11］的研究结果一致。对于能源作物而言，灰分、木质素含量越少其品质则越好［12］，因此，在盐碱地条件下适当增加灌水和施氮量有利于能源作物柳枝稷的生长和生物质品质的提升。

3.2 水氮处理对柳枝稷水肥利用效率的影响

水氮供应对植物水肥利用效率的研究较多，在对向日葵和橙子的研究中发现，过多的氮素和水分投入会增加氮损耗，并且降低产量［36-37］。在柳枝稷的研究中发现，施氮能显著提高柳枝稷对氮素的吸收，因此，在一定范围内施氮会增加柳枝稷耗水量，提高生物质产量和氮素利用效率［29］，但过量施氮则会降低生物质产量和氮素利用效率［38］。在本研究中，氮肥投入120 kg·hm-2时柳枝稷的生物质产量、氮素利用效率最高，当施用240 kg·hm-2时反而显著下降，这与前人研究结果一致。诸多研究表明，适度的亏水灌溉能够提高水分利用效率［39］，本研究发现，灌水量为750 m3·hm-2的柳枝稷水分利用效率显著高于灌水为3000 m3·hm-2的水分利用效率，进一步验证了前人的研究结论。段文学等［40］认为，施氮可以起到调节水分利用效率的作用，在同一灌溉水平下，增施氮肥能提高水分利用效率，原因在于施肥能促进根系发育，提高根系吸水能力，改善植物光合能力［41］，但水分利用效率不会随着施氮量的增加而无限提高［37］，这与本研究的结果相符，可见，盐碱地柳枝稷种植只有在合理的水肥调控下才能达到高效的水肥利用。

此外，在本研究中发现，柳枝稷的耗水量远大于灌溉量时，会出现土壤供水能力不足且持续下降的现象，从而引发深层土壤干旱，造成柳枝稷阶段性生长停滞。由于雨热同期激发性生长的绝对水分需求，雨季的有效降水会在柳枝稷的高强度利用下被即时消耗，但土壤储水难以补充，因此该地区的降水很难到达土壤深层，即使经过休闲期，在下一个季节来临前，深层土壤干旱状况鲜有改善，进而形成正向反馈，引发土壤干层等生态环境问题，这与杨新国等［42］的研究结果一致，因此，在宁夏银北盐碱灌区，开展柳枝稷种植时应进行科学的水肥调控，在保护生态的同时获得较高的生物质产量和水肥利用效率，促进可持续生产。

4 结论

水氮处理对盐碱地柳枝稷的生物质产量、品质及其水肥利用效率影响显著，充足的灌水和适宜的氮肥施用量能够较好发挥水氮耦合效应，获得较高的生物质产量和水肥利用效率，同时保持了较高的木质纤维素含量和较低的灰分含量，形成了良好的生物质品质；过量施用氮肥反而会造成产量、纤维素、半纤维素含量以及氮肥利用效率的下降。综合评价表明，高水中氮（3000 m3·hm-2、N 120 kg·hm-2）处理有利于盐碱地柳枝稷高产优质和水肥高效利用，是宁夏银北盐碱地区柳枝稷生物质生产的最适水氮管理措施。