施氮量对黑龙江谷子产量及耗水规律的影响

2022-07-04李翔鹏李方豪纪鸿飞聂堂哲

农业与技术 2022年12期

李翔鹏李方豪纪鸿飞聂堂哲

(黑龙江大学水利电力学院，黑龙江哈尔滨 150080)

引言

谷子，被誉为“百谷之长”，在我国已有6000～7000a的栽培史，一直是我国北方的主要作物[1]。20世纪，人们对高产作物需求量过大，导致我国谷子的种植面积急剧减少，人均小米消费量曾不到解放初期的1/10[2]。改革开放以来，人民生活水平稳步提高导致其饮食结构发生了巨大的改变。相较于过去对食品数量的需求，越来越多的人选择了营养健康、安全卫生的消费趋向。可以预见，营养和生态导向型农业将成为我国农业新的发展方向[3]。谷子具有很高的营养价值，包含蛋白质、胡萝卜素、膳食纤维和多种维生素，并兼有保护心血管的保健和药用功能[4]，深受广大消费者的欢迎。据统计，近10a中国谷子种植效益总体呈上升趋势[2]，农民具有强烈的种植意愿。现今我国谷子常年播种面积约133.3万hm2，年总产量约为1000万t[5]，为我国的粮食安全作出重要贡献，也是我国贸易出口的主要杂粮作物。

黑龙江省是我国谷子主产区之一。长期以来,由于谷子耐瘠特点突出,导致在施肥对谷子产量和生长的影响方面研究较少[6]。农民种植经验较少，没有科学合理的种植指导，部分谷子产区由于化肥过量施用，破坏了土壤结构，使耕地质量下降、土地肥力降低[7]。近几年来，不少学者研究当地品种谷子生长对水、肥的响应情况。代小冬[8]提出，谷子生产中，应该在保证产量的基础上提高肥料利用效率。于肖[9]认为，可以通过合理的氮肥施用促进谷子生长的水氮代谢作用，使谷子光合产物增加、谷粒营养成分积累，以提高谷子产量和品质。

于亚军发现[10]，在宁南地区丰水年条件下，高肥水平(N 180kg·hm-2，P2O5162kg·hm-2)可以使谷子产量达到峰值，中肥水平(N 120kg·hm-2，P2O5108kg·hm-2)使谷子水分利用效率达到峰值。施用化肥可明显提高作物产量及水分利用效率。为探究雨养条件下黑龙江省谷子产量及耗水对氮肥的响应情况，本文运用大田试验的方式，分析不同氮肥条件对谷子的干物质积累量、产量及耗水规律的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大田试验于2021年5—9月在黑龙江省哈尔滨市香坊区信义村进行，试验田地处(N45°44′、E126°44′)，其所在地气候类型为中温带大陆性季风气候，全年平均降水量为569.1mm。土壤类型为黑钙土，其养分含量较高，适于多种农作物种植。

1.2 试验设计

全生育期设置4个氮肥施用水平：0kg·hm-2、50kg·hm-2、100kg·hm-2、150kg·hm-2(N1、N2、N3、N4),每个处理重复3次，共12个小区，每小区面积为6.5m×12m=78m2。试验采用随机区组排列。谷子采用单垄种植，垄宽65cm，株距4cm。谷子品种为黑龙江省常用谷种“龙谷25”，试验所用氮肥为含46% N的尿素、含16% P2O5的过磷酸钙、含50% K2O的硫酸钾。各小区施入磷肥593.75kg·hm-2(P2O5：95kg·hm-2)、钾肥110kg·hm-2(K2O：55kg·hm-2)作为底肥，全部一次性施入试验田，氮肥1/3作为底肥施入，余下2/3尿素于谷子拔节期后开沟施入，试验在雨养条件下进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 谷子各时期干物质积累量

于各生育期末，取各小区完整谷子植株，除去浮土，在烘箱中105℃杀青30min后，将谷子叶、茎、鞘、穗等器官分离，烘箱调制65℃累计烘干8h，称量谷子各器官样本重量，进行汇总整理。

1.3.2 产量及其构成要素

将各小区成熟期谷穗剪下，自然条件下风干、脱粒、称重，并从各小区中任意选取5根谷穗，测量其穗长、穗径、穗重、单穗粒重。在脱粒好的谷子中任意数出1000粒谷粒进行称重，每个小区重复3次，取平均值，记为千粒重。

1.3.3 水分利用效率、氮肥农学利用率及氮肥偏生产力

在生育期内，用土钻每4～7d钻取各小区不同土层土壤样本(每隔10cm土层即钻取一次，每小区均钻取0～60cm土壤)，放入烘箱中烘干，称量烘干前后的土壤样本重量，降雨前后加测，利用称重法计算土壤含水率。利用农田水分平衡方程计算谷子消耗水量。

作物耗水量(ETc，mm)计算公式：

ETc=P+I+ΔW-R-D

(1)

式中，P为降雨量，mm；I为灌水量，mm；ΔW为土壤水分变化量，mm；R为地表径流，mm；D为渗漏量，mm。

水分利用效率(WUE，kg·m-3)计算公式：

(2)

式中，Y为试验小区单位面积产量，kg·hm-2；ETc为单位面积上实际测算的蒸发蒸腾量，mm。

氮肥农学利用效率(AEN,kg·kg-1)计算公式：

(3)

式中，Ya为施氮处理谷子产量，kg·hm-2；Yb为不施氮处理谷子产量，kg·hm-2；Na为施氮量，kg·hm-2。

氮肥偏生产力(PFP,kg·kg-1)计算公式：

(4)

1.4 数据处理

使用SPSS进行数据分析，利用Excel进行数据处理和绘图工作。

2 结果与分析

2.1 谷子各生育期干物质积累量

谷子各生育期干物质积累量如图1所示，谷子干物质积累量整体表现为先增加后减小的趋势，灌浆末期达到峰值，为28.79～31.26g,成熟期的干物质积累量较灌浆期有所减少，减少值为1.02～3.64g。抽穗期到灌浆期的干物质积累增量最大，达到了13.59～14.43g，这是由于谷子营养生长转为生殖生长的过程中，产生了穗这一器官，且谷穗质量于灌浆期不断增加。

图1 谷子干物质积累量

在抽穗期前，谷子干物质积累量从大到小分别为N3>N4>N2>N1；抽穗期追肥后，干物质积累量从大到小分别为N2>N4>N3>N1，最高为31.87g。这是由于在谷子抽穗期前，N3处理的氮肥施量最适合谷子营养生长，氮肥施量过高(N4)会对干物质积累量产生一定的抑制作用；在谷子抽穗期之后，氮肥施量过低(N2)和过高(N4)都不适合谷子的生殖生长，不利于产量的积累。

2.2 谷子产量及构成要素

不同施氮水平谷子产量如图2所示，施氮处理(N2、N3、N4)产量均高于无氮处理(N1)，施氮量为100kg·hm-2时(N3)谷子的增产效果达到了19.3%,其产量为5913.33kg·hm-2。从表1可以看出，穗长、穗重和单穗粒重均为N3>N4>N2>N1；千粒重为N2>N3>N4>N1；穗径无明显规律。N3处理和N1处理谷子穗长存在显著差异，平均相差1.92cm，其它产量性状差异不显著，说明穗长是施氮后产量提高的主要原因，施氮量的增加对谷穗长度有显著的促进作用。

图2 不同处理下谷子产量

表1 谷子产量构成要素表

2.3 不同施氮量对谷子耗水强度与耗水模数的影响

耗水强度是指单位面积的植物群体在单位时间内的耗水量，是判断作物耗水能力的重要指标。从表2中可以看出,各处理谷子的耗水强度规律基本一致：各处理耗水强度峰值出现在拔节期和抽穗期，拔节期耗水强度峰值为3.59mm·d-1，出现在N2；抽穗期耗水强度峰值为3.41mm·d-1，出现在N3。且N2、N3、N4处理的耗水强度在拔节、抽穗期均远高于N1处理，值为0.25～0.55mm·d-1，说明追施氮肥有利于促进谷子在拔节和抽穗期对水分的吸收利用。

表2 谷子耗水强度

耗水模数表示不同生育期谷子的耗水量占比。从表2可以看出，各处理谷子生育期耗水模数变化规律基本一致：在谷子的生育期内，耗水模数先增加后减少，拔节期达到峰值，此时的耗水模数为32.03%～35.66%，苗期、抽穗期和灌浆期次之，成熟期耗水比重最小，为6.78%～7.04%。这是因为苗期耗水强度低，但苗期的生育期天数长，达到了33d，且降雨充沛，故耗水模数较大；而抽穗和灌浆期降雨较少，但谷子的耗水强度较大。

表3 谷子耗水模数

2.4 水分利用效率、氮肥农学利用率及偏生产力分析

表4 水、氮利用率

氮肥的农学利用率表示单位面积施氮量所生产的谷子干物质总量，氮肥的偏生产力表示单位面积施氮量所生产的谷子产量，其是判断谷子氮肥利用程度的2种指标，在试验中，两指标均为N2>N3>N4，N2处理氮肥农学利用率为N3、N4处理的1.82倍和2.79倍，偏生产力是N3、N4处理的1.97倍和2.97倍。水分利用效率指的是作物单位耗水量所生产的籽粒质量，施氮处理均高于无氮处理小区，说明施加氮肥可以明显提高谷子的水分利用效率，与前人的研究结论一致[10]。随着施氮量的增加水分利用效率呈现先增加后减少的趋势，N3处理的水分利用效率最高，为2.26kg·m-3。

3 讨论

黑龙江省干旱发生较为频繁[11]，省内谷子生产又多以雨养为主，通过改变施氮量的方式可有效调节旱区作物的生长发育和水分利用情况[12]。张艾英研究认为,适宜的施氮量有助于谷子的生长发育，但过多施入氮肥不利于谷子叶片的光合作用，反而会降低谷子群体的生物积累量[13]。本试验中N2处理谷子的干物质积累量达到峰值，但随着施氮量的提高，N3、N4处理的干物质积累量降低，与前人研究结果一致。施氮量过多和不足都会延长谷子营养生长时间，使生殖生长受到影响，致使晚熟、结实率降低[14]，从而出现N1、N2、N4产量低的现象，本试验表明当氮肥施用量为100kg·hm-2(N3)时的谷子增产效果最佳。薛盈文[15]认为，施氮过多会使营养生长过旺，导致谷子的千粒重降低，进而影响谷子产量。但在本试验中，N3、N4处理的千粒重虽然较N1、N2处理低，但其差异并不显著，这是由于千粒重受品种特性影响明显，对环境变化不敏感[14]。本试验中穗长对谷子产量影响更大，直接体现在与产量的联动。高晓丽[16]在对晋北谷子的耗水规律中发现，拔节期与抽穗期耗水模数相仿，趋于最大；而抽穗期耗水强度最大，拔节期次之。本试验中N1、N2、N4的抽穗期耗水强度低于拔节时期，只有N3抽穗期的耗水强度大于拔节期，这是因为适宜的施氮量可以提高土壤水分的有效性[17]，利于谷子抽穗期的生殖生长，故N3处理的穗长显著高于其他处理。连延浩[12]通过研究沟垄集雨种植谷子发现在中量施肥水平下可使水分利用效率最大。本试验中100kg·hm-2(N3)处理的水分利用效率最高，试验结果与前人研究一致。在本试验中N2处理的氮肥农学利用率和偏生产力最高，这是因为随着施氮施用量的成倍增加，产量在达到一定程度后的幅度变小，故N2的氮肥利用效果最好，对减少环境污染具有重要的意义。