灌溉次数和施氮量对甜高粱生产性能及光合特性的影响

倪 旺，梁丹妮，时兴伟，王 斌，王腾飞，李满有，冯 琴，兰 剑*

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏草牧业工程技术研究中心，宁夏 银川 750021；3.彭阳县畜牧技术推广服务中心，宁夏 固原 756500)

甜高粱(Sorghumdochna)具有适应性强、耐盐碱、光能利用率高等特点，被认为是最具开发潜力的饲草作物[1]，在西北干旱、半干旱地区广泛种植。又因质地柔软、适口性好、营养价值高等特点，甜高粱可作为家畜日粮主要饲料[2]。近年来，随着我国畜牧业的迅速发展，饲草料匮乏现状日益凸显，限制了草畜产业进一步发展[3]。为满足畜牧业健康、可持续发展，大面积推广种植甜高粱对于缓解饲草短缺，提高牧草供给能力具有重要保障作用。

水分和养分是影响甜高粱优质高产的关键因素，合理的水肥调控能够促进饲草高效生产，提高饲草产量和水肥利用效率，改善饲草光合特性和营养品质[4-5]。目前，学者关于灌水和施肥量对作物生产性能、营养价值、水肥利用效率和光合特性等已做了大量研究[6-7]，并探明适宜不同作物推广应用的水肥管理措施。例如，Reddy等[9]研究发现，当灌溉频率为5 天·次-1时，花生豆荚产量最高，达到3 293 kg·hm-2。陈冬冬等[8]研究发现，每次灌溉量为600 m3·hm-2下，随灌溉次数增加降低了紫花苜蓿(MedicagosativaL.)种子产量，其中灌溉2次，施磷酸二铵360 kg·hm-2时，为最佳水肥调控组合。Qiu等[10]研究表明，随着灌溉次数和每个生长季灌溉水量的增加，蒸散量显著增加，但小麦水分利用效率普遍下降，籽粒产量没有增加。郭彦军等[11]指出，高粱干草产量在高氮200 kg·hm-2下较低氮100 kg·hm-2提高了17%，较不施肥提高了29%，同时高氮肥下饲草品质最优。也有研究发现[12]，随着氮、磷复合肥施用量的增加，高粱产量、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均呈先增大后减小的变化趋势，胞间CO2浓度则呈先减小后增加趋势，当施肥量为225 kg·hm-2时高粱综合表现最好。在灌溉总量确定时，合理灌溉次数对作物产量、品质、光合特性、水肥利用效率等生长特性有促进作用[13-14]。目前，关于灌溉次数和施肥量配施如何影响甜高粱生长状况的研究较少，尤其关于宁夏干旱区。宁夏引黄灌区位于黄河上游下河沿，已有2 000多年的灌溉历史，享有“塞上江南”的美誉，是宁夏主要的饲草生产供应区，在该地区进行甜高粱种植可以起到事半功倍的作用[15]。因此，本试验在宁夏引黄灌区进行灌溉次数和施肥量调控对甜高粱产量、品质、光合特性、水肥利用效率等生长特性的研究，以期筛选出甜高粱提产增质的最佳水肥调控组合，为宁夏引黄灌区甜高粱水肥效应研究提供管理方案和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏农垦茂盛草业有限公司试验基地(38°33′ N，106°03′ E、海拔1 110.4 m)，该区域属典型的温带大陆性气候，四季分明，气候干燥，昼夜温差大。年平均气温8～9℃，日照充足，年日照时数达2 800～3 100 h，年平均降水量为180～210 mm，且主要集中在7～9月，年均相对湿度65%～70%，无霜期为190 d左右。土壤类型为黄绵土，土壤(0～40 cm),pH值8.1，有机质6.25 g·kg-1，速效钾、氮、磷分别为128.93,51.21,18.72 mg·kg-1(图1)。

图1 2017年试验区不同月份降水量和气温

1.2 试验材料

供试甜高粱品种为‘海牛’(Monster)，种子净度98%，发芽率92%，田间出苗率85%，其种子由华丰草业有限公司提供。

1.3 试验设计

试验于2017年5月3日播种，采用二因素裂区试验设计，主区为灌水次数，副区为施肥梯度。设置3个灌溉次数(W1：全生育期灌溉1次，平均株高为50 cm时；W2：全生育期灌溉2次，第1次灌溉时间同W1处理，平均株高为90 cm时；W3：全生育期灌溉3次，第1，2次灌溉同W2处理，平均株高为150 cm时)，每次灌溉量均为1 050 m3·hm-2，灌溉方式为大水漫灌，各处理均装有水表用于控制灌溉量。尿素(N≥46%)施肥4个梯度(F0：不施肥，F1：300 kg·hm-2，F2：450 kg·hm-2，F3：600 kg·hm-2)，同时在每个小区内均施入磷酸二铵(P2O5≥48%，N≥18%)100 kg·hm-2，全生育期施1次，且在拔节后期统一施入。共12个处理，3个重复，总计36个小区。小区面积42 m2(6 m×7 m)，小区间隔1 m，在间隔中间筑有宽0.5 m×高0.45 m田埂当保护行。甜高粱播种量为30 kg·hm-2，条播，行距50 cm，播深3～4 cm，播完覆土镇压。前茬作物为甜高粱。生育期内适时人工除草。

1.4 测定指标和方法

1.4.1生物量 在甜高粱抽穗期，每个小区随机选取3个2 m×2 m的样方，人工刈割测量鲜草产量，刈割留茬高度为5～6 cm；另取1 kg鲜草在自然条件下阴干，称干草重量，3次重复，通过鲜干比计算每公顷干草产量。

1.4.2营养成分 在每个小区内随机取整株甜高粱鲜草样品500 g，剪至4～5 cm，于烘箱中105℃下杀青30 min，65℃烘48 h至恒重后，粉碎草样，过0.45 mm筛，参照《饲料及饲料添加剂质量检测方法与品质管理》[16]测定粗蛋白(Crude protein，CP)、中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗涤纤维含量(Acid detergent fiber，ADF)。利用ADF和NDF计算相对饲喂价值(Relative feeding value，RFV)。

RFV=(88.9-0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29

1.4.3灌溉水分利用效率和肥料偏生产力

IWUE=Y/W

式中IWUE为灌溉水分利用效率(Irrigation water use efficiency，IWUE)，单位kg·m-3；Y为总产量，单位kg·hm-2；W为累计灌溉量，单位m3。

肥料偏生产力(Partial factor productivity of fertilizer，PFP，kg·kg-1)=总产量/总施肥量。

1.4.4光合特性 在甜高粱抽穗期，利用Li-6400便携式光合系统分析仪测定并记录早晨9∶00～11∶00自然光照条件下高粱旗叶处净光合速率(Photosynthetic rate，Pn)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration，Ci)、气孔导度(Stomatal conductance，Gs)和蒸腾速率(Transpiration rate，Tr)，每小区6次重复。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2010软件整理数据，采用SPSS 25.0统计软件进行方差分析(ANOVA)、多重比较(Duncan)和主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，用Origin 2019b软件制图。

2 结果与分析

2.1 灌溉次数和施肥量对甜高粱干草产量和粗蛋白产量的影响

表1可知，干草产量和粗蛋白产量随灌溉次数的增加均呈先降低再增加趋势，在W1条件下，其干草产量和粗蛋白产量最高，分别为22 272.77和1 510.62 kg·hm-2。此外，不同灌水次数下，甜高粱干草产量由高到低的顺序为W1>W3>W2。随着施肥量的增加，干草产量和粗蛋白产量均呈先增加后降低趋势，在F2条件下，其干草产量和粗蛋白产量达到最高并分别为23 330.22和1 600.05 kg·hm-2，显著高于其他施肥处理(P<0.05)。

如图2所示，灌溉次数和施肥量对甜高粱干草产量、粗蛋白产量均有显著影响(P<0.05)，在同一灌溉次数下，随施肥量增加，干草产量和粗蛋白产量呈先增加后降低趋势。干草产量和粗蛋白产量最高的处理均为W1F1处理，分别为27 110.54和1 802.85 kg·hm-2，显著高于除W1F2处理外的其他处理(P<0.05)。

图2 灌溉次数和施肥量对甜高粱干草产量和粗蛋白产量的影响

2.2 灌溉次数和施肥量对甜高粱粗蛋白含量和相对饲喂价值的影响

表1可知，粗蛋白含量随灌溉次数的增加呈先降低后增加趋势，随施肥量的增加呈先增加后降低趋势，在W1和F1条件下达到最大，其含量分别为6.75%和6.94%。相对饲喂价值随灌溉次数和施肥量的增加呈降低趋势，在W1，F0条件下达到最高，分别为129.00,130.67。

表1 灌溉次数和施肥量对甜高粱干草产量、粗蛋白含量、粗蛋白产量及相对饲喂价值的互作

图3所示，灌溉次数和施肥量对甜高粱粗蛋白含量、相对饲喂价值均有显著影响(P<0.05)。在W1条件下，粗蛋白含量随施肥量的增加呈增高趋势，而在W2和W3条件下粗蛋白含量随施肥量的增加呈先增加后降低趋势，其中在W2F1处理下甜高粱粗蛋白含量最高，为7.32%，W2F0处理最低，仅为5.87%，二者差异显著。相对饲喂价值最高的是W1F0处理，达157.33，显著高于其他处理(P<0.05)，W3F3处理最低，与W1F0处理相差59.33。

图3 灌溉次数和施肥量对甜高粱粗蛋白含量和相对饲喂价值的影响

2.3 灌溉次数和施肥量对甜高粱灌溉水分利用效率和肥料偏生产力的影响

表4所示，灌溉次数对灌溉水分利用效率和肥料偏生产力均有显著影响(P<0.05)。随着灌溉次数的增加，灌溉水分利用效率显著降低，肥料偏生产力呈先降低后增加趋势，均在W1条件下达到最大，分别为21.21 kg·m-3,93.05 kg·kg-1。施肥量对灌溉水分利用效率影响显著(P<0.05)，对肥料偏生产力有极显著影响(P<0.01)。随着施肥量的增加，灌溉水分利用效率呈先增加后降低趋势，肥料偏生产力显著降低(P<0.05)，且均在F1条件下达到最大，分别为14.07 kg·m-3,145.37 kg·kg-1。

图4可知，在同一灌溉次数下，随着施肥量的增加，灌溉水分利用效率均呈先增高后减小趋势，W1、W2条件下，灌溉水分利用效率表现为：F1>F2>F3>F0。在W3条件下，灌溉水分利用效率表现为：F2>F3>F1>F0。各灌溉次数下，肥料偏生产力随施肥量的增加显著下降，均在F1条件下最高，分别为172.67 kg·kg-1、130.45 kg·kg-1和132.99 kg·kg-1。在灌溉次数和施肥交互作用下，灌溉水分利用效率和肥料偏生产力均在W1F1处理效果最佳。

表2 灌溉次数和施肥量对甜高粱灌溉水分利用效率和肥料偏生产力的互作

2.3 灌溉次数和施肥量对甜高粱光合特性的影响

表3可知，在同一灌溉次数下，净光合速率随施肥量增加呈先增加后降低再增加趋势，净光合速率在W1F3处理下达到峰值，为29.14 μmol·m-2·s-1，并显著高于其他处理(P<0.05)。在W1条件下胞间CO2浓度无显著差异(P>0.05)，W1F0的胞间CO2浓度最大，达到544.63 μmol·mol-1，最小的是W2F1处理，与W1F0相差244.34 μmol·mol-1；Gs值较高的处理有2个，分别是W3F1,W3F3，均为0.82 mol·m-2·s-1，显著高于其他处理，其中W1F2最低，仅有0.30 mol·m-2·s-1；W1条件下Tr值整体低于W2和W3。W3F1处理Tr有最大值，为5.07 mmol·m-2·s-1，W1F2处理的Tr值最小，为1.32 mmol·m-2·s-1。

表3 灌溉次数和施肥量对甜高粱光合特性的影响

2.4 灌溉次数和施肥量互作下甜高粱变量间的相关性分析

为探明甜高粱变量间的相关关系，对甜高粱8个变量进行相关性分析(图5)。结果表明，干草产量与粗蛋白产量、干草产量与肥料偏生产力、粗蛋白产量与肥料偏生产力、胞间CO2浓度与肥料偏生产力、气孔导度与蒸腾速率呈极显著正相关(P<0.01)；气孔导度与胞间CO2浓度、气孔导度与蒸腾速率、气孔导度与灌溉水分利用效率、蒸腾速率与灌溉水分利用效率呈极显著负相关(P<0.01)。

图5 甜高粱8个指标间的相关性

2.5 不同处理甜高粱的主成分分析(PCA)

主成分分析法在牧草栽培以及选育方面已经成为主要综合评价方法之一。对甜高粱不同处理5个指标进行主成分分析(表4)，根据特征值大于1的原则，可提取2个主要成分，贡献率分别为52.795%、20.919%，解释了总体信息的73.714%。

表4 各因子特征值和累计贡献率

根据王斌等[17]的方法，将原始数据标准化后导入SPSS代入模型，可得出公因子F1和F2，带入F=(52.795F1+20.919F2)/73.714计算，得出不同处理甜高粱的综合得分(表5)。

表5 灌溉次数、施肥量综合排名及得分

3 讨论

3.1 灌水次数与施氮肥对甜高粱生产性能和光合特性的影响

牧草产量是反映饲草作物生产能力的重要指标。田间水肥管理能够协调灌水和施肥关系并达到高产的目标[18]。已有研究表明，灌水和施肥存在阈值，在一定阈值范围内增加灌水次数增产效果明显，超过阈值范围增产效果下降[19]。本研究发现，随着灌水次数的增加，甜高粱产量呈先降低后增加趋势，说明在甜高粱种植中，合理的灌水措施能激发植株生产潜力。高丽敏等[20]指出，甜高粱地上部产量在施氮200 kg·hm-2下较施氮100 kg·hm-2提高了51.87%，较不施氮提高了135.06%。本研究表明，施肥能显著提高甜高粱干草产量，且随着施肥量的增加，干草产量呈先增加后降低的趋势，与前人研究结果吻合，这可能是因为施入适量肥料可全面增加甜高粱根际土壤速效养分含量，改善根际土壤性质，增强根系吸收养分的能力[21-22]，加快甜高粱再生速度，促进其生长，进而提高草地产量。

光合产物是产量形成的基础，作物通过净光合速率和蒸腾速率等光合特性来增加光合产物累积量从而实现高产[23-24]。景立权等[25]研究表明，随施氮量的增加，超高产夏玉米叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)呈逐渐上升趋势，当施氮量超过一定阈值后逐渐下降，过量施氮不利于叶片光合性能的提升，这与本研究结果相吻合。施氮量为300 kg·hm-2显著促进甜高粱旗叶净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的增加，而胞间二氧化碳浓度变化趋势则相反，低氮甚至不施氮反而促进胞间CO2浓度的提升，这与朱晓军等[26]研究结果一致。

在作物生长期，合理的水肥协调能提高植株的水肥利用效率。胡伟等[27]关于水氮供应对牧草生产性能及水氮利用效率的研究表明，肥料偏生产力随施肥量的增加呈先增大后减小趋势，而水分利用效率随灌水量的增加呈先减小后增大的变化规律。邢英英等[18]指出，随着灌水量的减少，施肥量的增加，植株水分利用效率会逐渐增大，反之，植株肥料偏生产力呈增大趋势。本试验结果表明，增加灌水和施肥量，甜高粱灌溉水分利用效率呈先增大后减小的变化趋势，肥料偏生产力随灌水量的增加先增大后减小再增大，随氮肥的增加呈先增大后减小趋势，与前人研究结果存在差异[27]，这可能与不同地区的土壤和气候条件有关。同时，本试验也验证了以水促肥，以肥调水这句古谚语的合理性，在一定水肥供应范围内，灌溉能有效地提高作物对氮素的吸收、转化和利用，而适当增施氮肥可在一定程度上减小土壤水分不足对作物生长发育造成的负效应[28-29]，尤其在灌溉一次，施尿素量为300 kg·hm-2时水肥利用效率最优。

3.2 灌水次数和施肥量对甜高粱营养品质的影响

牧草粗蛋白含量和相对饲喂价值是评价其营养价值的重要指标。本研究表明，随着灌溉次数的增加，甜高粱粗蛋白含量无显著差异，与余晓雄等[30]的研究结果存在差异。主要原因是前者研究了燕麦与箭筈豌豆混播饲草粗蛋白含量与灌水量关系，在一定程度上改变了单一作物自身粗蛋白含量的变化趋势；同时，不同牧草自身的生理特性具有差异性[31]，即使在同一灌溉处理下也会表现出不同效果。

科学合理的施肥量能够提高饲草粗蛋白含量，降低粗纤维含量，改善牧草品质，为家畜提供优质饲草，增加采食量，提高消化率。周怀平等[32]研究表明氮肥、磷肥和钾肥配合施用能显著提高甜高粱粗蛋白含量，改善牧草营养品质。王佳等[33]研究发现，施肥较不施肥显著提高了青贮玉米的粗蛋白含量。在本试验中，甜高粱粗蛋白含量随着施氮量的增加呈先增加后降低的变化趋势，与闫慧颖等[34]研究结果一致，其主要原因是施氮肥能够明显提高植株含氮量，增加各种氨基酸含量[35]，从而提高粗蛋白含量。相对饲喂价值是对中性和酸性洗涤纤维含量的综合反馈，其值越高，牧草饲用价值越好。魏正业等[36]研究发现施氮肥处理下牧草相对饲喂价值显著高于不施肥。本研究发现不施肥处理下甜高粱相对饲喂价值最高，可能是施肥促进了甜高粱木质部形成，导致中性和酸性洗涤纤维含量升高，致使相对饲喂价值降低。因此，对于灌溉次数和施肥量对甜高粱品质的影响仍需进一步研究。

4 结论

灌溉次数和施氮肥对甜高粱生产性能、营养价值、光合特性及水肥利用效率均有显著影响(P<0.05)，在相同灌溉次数下，随着施肥量的增加，甜高粱干草产量和灌溉水分利用效率均呈先增加后降低趋势，而肥料偏生产力呈降低趋势。经主成分分析得出，在灌溉次数1次(1 050 m3·hm-2)，施肥量为300 kg·hm-2时甜高粱综合表现最好，适宜在宁夏引黄灌区推广应用。