硅肥和纳米土墒材料配施对苦荞倒伏的影响

陶建波， 伍浩天， 王艺钢， 张瑞丰，雷蕾， 方小梅， 易泽林

西南大学 农学与生物科技学院，重庆 400715

苦荞(FagopyrumtataricumL. Gaertn)又名鞑靼荞麦, 籽粒较小, 种皮较厚, 略带苦味[1]． 苦荞抗逆性和适应性极强, 能够生长在高寒、 高海拔、 低温、 低肥地区, 是我国高寒山区重要的经济作物和粮食作物[2-3]． 苦荞虽是小杂粮作物, 但经济价值和营养价值都极高[4]． 耐贫瘠、 适应性强、 生育期短, 这些特点使苦荞成为提高复种指数、 抗灾救灾的重要作物, 在调节农时与作物布局中起到重要的作用[5-6]． 中国是苦荞的起源中心, 荞麦资源丰富． 在实际生产中, 由于收获损失较大, 我国苦荞的平均产量仅能达到1 200～1 500 kg/hm2, 严重制约苦荞生产的发展[6]．

作物生产中的倒伏是影响作物产量和质量的主要因素之一[7]． 倒伏导致作物茎秆运输组织受损, 同时茎伤引起的茎秆内含物外泄会破坏植物体内部的稳定性, 降低作物对病虫害的抗性, 造成虫害及多种病害[8]． 硅存在于所有植物的地下部器官组织中, 硅的沉积可以保护植物免受多种生物和非生物胁迫[9]． Jaleel等[10]对长春花的研究发现, 随着植株硅含量的升高, 叶片中角质层、 栅栏层和海绵层厚度均显著增加, 韧皮部分子直径显著增加． 适当施用硅肥能够缩短茎秆基部一、 二节间长度, 增加茎粗, 改善茎结构, 提高抗倒伏能力[11-12]． 研究表明, 硅素与其他营养元素之间存在着协同作用, 硅素的吸收会抑制植株对其他养分的吸收, 但这种抑制并不会导致其他养分在植株内浓度的下降, 反而会表现出更高的积累量[13-14]． 纳米土墒生态修复材料作为全天然的有机无机复合新兴材料, 含有经特殊工艺处理的复合硅酸盐成分, 具有硅酸胶结特性, 可以作为结构基质从本质上改善土壤团粒结构, 提高土壤的蓄水保墒能力, 增产效应显著[15-16]． Juhtery等[17]研究显示, 纳米增效肥料可以使小麦增产10%以上; 水稻中的试验表明, 施用纳米土墒材料可以代替一部分化肥的施用, 在降低成本、 提高品质与效益的同时还能有效恢复地力, 减轻环境污染[18]． 目前我国苦荞生产中面临的最大难题, 是苦荞在生长过程中极易发生倒伏． 前人研究表明, 茎秆强度和苦荞的抗倒伏能力存在密切联系, 而施用硅肥和纳米土墒材料可以显著改善植株的各项农艺性状指标, 提高茎秆强度[11-12, 18], 是提高苦荞抗倒伏能力的常见栽培措施． 然而, 对纳米土墒材料及其与硅肥的合理配施在荞麦种植中的施用效果鲜见报道． 本试验通过测定不同水平的纳米土墒材料和硅肥处理组合下苦荞的抗倒伏能力和产量等指标, 探索硅肥和纳米土墒材料的最佳配施方案, 以期为我国苦荞生产的高产高效提供理论依据．

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种为酉荞1号, 由重庆市荞麦产业体系创新团队提供, 发芽率可达80%以上． 硅肥为含SiO250%的水溶性有机硅, 纳米土墒材料由成都正光生态科技有限公司提供．

1.2 试验设计

试验于2019年8月-2019年11月和2020年8月-2020年11月在西南大学合川农场(106°7′51″E, 30°0′16.4″N)进行, 试验地土壤为沙壤土, 地力均匀, 具体养分概况见表1． 试验采用随机区组试验设计, 硅肥设置4个水平, 0(A1)、 30 kg/hm2(A2)、 60 kg/hm2(A3)和90 kg/hm2(A4); 纳米土墒材料设置3个水平, 0(B1)、 75 kg/hm2(B2)以及 150 kg/hm2(B3)． 试验共12个处理, 3次重复． 分别于2019年8月26日, 2020年8月25日人工条播, 基本苗90万株/hm2, 小区面积6.67m2(行长4 m, 行距 33 cm, 种植5行, 区组间隔50 cm), 播种行与区组走向垂直, 肥料一次性施入作为种肥, 其它田间管理同常规．

表1 试验地土壤养分概况

1.3 测定项目及方法

根据乔春贵[19]的方法统计倒伏率、 倒伏级别; 宋波等[20]的方法计算倒伏指数; 参考佘恒志等[21]的方法测量株高、 茎秆重心高度、 基部第二节节间直径和长度、 节间充实度等; 参照戴伟民等[22]的方法进行茎秆硅含量测定; 参照陈晓光等[23]、 张文博等[24]的方法, 进行木质素、 纤维素、 半纤维素含量的测定．

1.4 数据分析

两年试验结果差异无统计学意义(p>0.05), 用其平均值进行统计分析． 用 Excel 2019进行数据整理及作图, 用DPS 7.05和SPSS 25.0进行数据统计分析, 用一般线性模型进行分析, 用LSD法检测显著性, 利用R语言进行相关性分析和作图．

2 结果与分析

2.1 不同处理对苦荞倒伏习性和产量的影响

2.1.1 倒伏习性

由表2看出, 未使用硅肥和纳米土熵材料处理的苦荞, 发生倒伏的时期最早, 两年均在盛花期就出现倒伏, 同时该处理的倒伏级别和倒伏率也在所有处理组合中最高． 随着硅肥施用量的增加, A2-A3处理的荞麦倒伏时期呈现出后移的趋势, 倒伏指数和倒伏率下降, 到A4水平, 荞麦的倒伏时期提前, 倒伏指数和倒伏率上升, 但与前一水平处理相比差异无统计学意义． 在硅肥水平一定时, 苦荞的倒伏时期也先随着纳米土熵材料用量的不断增加而推迟, 在B2处理水平下达到最晚(成熟期), 后随着纳米土墒材料用量的增加有所提前, 且倒伏级别及倒伏率也随着纳米土墒材料用量的不断增加先减少后增加, 并在硅肥水平为60 kg/hm2, 纳米土墒材料施加量为75 kg/hm2时倒伏级别降至最低, 同时倒伏率也达到了所有处理组合的最低值, 为11.57%(两年均值)． 因此, 纳米土墒材料和硅肥配施能够使倒伏时期后移, 倒伏级别降低, 倒伏率下降．

表2 不同纳米硅肥配施下苦荞倒伏表现和产量变化

2.1.2 产量

硅肥和纳米土墒材料配施对苦荞产量有显著影响． 随着硅肥用量增加, 苦荞产量呈现先增加后减少的趋势, 在A3(60 kg/hm2)达到最大值． 在硅肥水平一定时, 产量也随着纳米土熵材料用量增加呈现先增加后减少的趋势, 在B2(75 kg/hm2)达到最大值(表2)． 在A3B2处理苦荞产量最高, 相比于单独施最适硅肥处理(A3B1)和单独施最适纳米土墒材料(A1B2)处理分别提高了47.1%, 18.4%, 较对照A1B1提高了109.82%(两年均值, 下同)．

2.2 不同处理对苦荞茎秆抗折力和倒伏指标的影响

2.2.1 茎秆抗折力

苦荞茎秆抗折力从盛花期到成熟期呈递增趋势(表3), 成熟期达到最大． 两种肥料单独施用情况下, 随着施用量的增加各个时期苦荞茎秆抗折力呈先增后减的趋势, 分别在A3、 B2达到最大, 并且配施硅肥和纳米土墒材料能显著提高茎秆抗折力, 在A3B2处理达到最大, 相较于A3B1和A1B2处理, 在盛花期分别提高了52.8%, 29.7%, 在灌浆期分别提高了46.4%, 23.0%, 在成熟期分别提高了17.6%, 19.4%． 表明单独施用硅肥或者纳米土墒材料可以提高苦荞茎秆抗折力, 提高茎秆强度, 并且配施硅肥与纳米土墒材料提高的幅度更为明显．

表3 不同处理对苦荞茎秆抗折力和倒伏指数的影响

2.2.2 倒伏指数

从表3可以看出, 单施肥料情况下, 随硅肥施用量的增加, 不同时期苦荞的倒伏指数逐渐降低; 随纳米土墒材料施用量的增加, 倒伏指数呈先减后增趋势． 与A1B1相比, 配施硅肥与纳米土墒材料均能显著降低倒伏指数, A3B2处理对降低倒伏指数的效果最佳, 各个时期分别降低了58.7%, 36.3%, 42.7%． 说明相较于单独施用硅肥或者纳米土墒材料, 两种肥料配施对倒伏指数的降低效果更为显著, 且更为稳定．

2.3 不同处理对苦荞茎秆形态特征的影响

2.3.1 不同处理对株高、 重心高、 第二节间长的影响

株高、 重心高、 第二节间长从盛花期到成熟期逐渐增加(表4)． 各生育时期, 施用硅肥可以降低株高、 重心高、 第二节间长, 随硅肥施用量的增加, 苦荞株高、 重心高、 第二节间长先减后增, 在A3达到最低值． 随纳米土墒材料施用量的增加, 株高、 重心高、 第二节间长整体呈先减后增, 综合表现B2处理低于B3处理, 而不施用纳米土墒材料的处理最高． 综合来看, 在相同生育期内, A3B2处理株高、 重心高、 第二节间长最低, 均显著低于对照A1B1处理, 与对照相比, 盛花期分别降低了25.91%, 22.37%, 2.31%, 灌浆期分别降低了23.81%, 10.54%, 29.40%, 成熟期分别降低了16.93%, 8.43%, 19.59%． 说明硅肥和纳米土墒材料适当单施或者两者配施可以降低苦荞株高, 提高基部茎秆重量占苦荞总体鲜重比例, 降低重心高度, 缩短基部第二节间的长度, 起到类似缩节的功效, 从而降低倒伏的发生, 且配施硅肥与纳米土墒材料提升效果优于单施, 但硅肥或纳米土墒材料施用过量, 其株高、 重心高、 第二节间长反而增加．

表4 不同处理对株高、 重心高、 第二节间长的影响

2.3.2 不同处理对第二节间直径、 茎壁厚度、 节间充实度的影响

从表5可以看出, 第二节间直径、 茎壁厚度从盛花期到成熟期逐渐增加, 而节间充实度无明显规律． 各生育期, 第二节间直径、 茎壁厚度随施硅肥量增加整体呈先增后减, A3处理最适, 随纳米土墒材料施用量增加先增后减, 在B2处理达到最大． 节间充实度在盛花期和灌浆期随纳米土墒材料施用量呈先增后减, 在成熟期随纳米土墒材料施用量增加而增加, 整体在B2达到最大; 增施硅肥也会引起苦荞茎秆节间充实度上升, 总体来看, A3处理效果最佳． 3个时期中A3B2处理下苦荞茎壁厚度、 节间充实度都能达到最大值, 且均显著高于对照A1B1处理; 第二节间直径在A3B2处理下整体也有着较好的优化． 说明硅肥和纳米土墒材料适当单施或者两者配施可以提高苦荞基部第二节间的直径, 提升其节间充实度, 有效增加其茎壁厚度, 从而增强基部茎秆的机械强度, 且配施硅肥与纳米土墒材料的提升效果优于单施．

表5 不同处理对第二节间直径、茎壁厚度、节间充实度的影响

2.4 不同处理对苦荞茎秆生理生化特征的影响

2.4.1 茎秆硅含量

从图1a可以看出, 苦荞茎秆中硅元素含量随生育期推进而增加, 在成熟期达到最大值． 单独施用下, 各生育时期中茎秆硅含量随施硅量的增加呈先增加后降低的趋势, 在A3处理达到最大, 并显著高于A1; 茎秆中硅含量随着纳米土墒材料施用量增加先增加后减少, 在B2达到最大值, 并显著高于B1． 配施硅肥和纳米土墒材料可以显著提高茎秆中硅含量且优于单施硅肥(A3B1)和纳米土墒材料(A1B2), 在A3B2处理达到最大值, 相较于A1B1处理, 盛花期提高120.28%, 灌浆期提高69.18%, 成熟期提高27.25%． 说明合理配施硅肥和纳米土墒材料可以有效增加苦荞茎秆中的硅含量, 从而增加茎秆机械强度, 减少倒伏的发生, 并且两者配施的效果要优于单施, 但当硅肥或纳米土墒材料过量, 其硅含量反而降低．

不同小写字母表示处理间在各个时期差异有统计学意义(p<0.05)．图1 不同处理对苦荞茎秆生理生化特征的影响

2.4.2 木质素含量

木质素含量从盛花期到成熟期逐渐增加(图1b)． 相同生育时期, 木质素含量随着施硅肥量增加而增加; 而随着纳米土墒材料的施用量增加先增加后减少, 在B2达到最大值且显著高于B1． 配施硅肥和纳米土墒材料能显著提高茎秆中木质素含量, 在A3B2处理达到最大值, 在各个时期均显著高于其他处理, 与A1B1相比, 盛花期提高103.85%, 灌浆期提高56.76%, 成熟期提高30.00%． 说明硅肥和纳米土墒材料适当单施或者两者配施可以增加木质素含量, 从而提高茎秆木质化程度, 提高苦荞植株茎秆的机械强度, 降低倒伏现象的发生, 且配施硅肥与纳米土墒材料对木质素的积累要优于单施．

2.4.3 半纤维素含量

随生育期推进, 苦荞茎秆中半纤维素含量逐渐增高(图1c)． 相同生育时期, 半纤维素随施硅量的增加而增加, 但在盛花期变化趋势不明显; 随纳米土墒材料的施用量增加先增后减, 在B2达到最大值． 配施硅肥和纳米土墒材料能显著提高茎秆中半纤维素含量, 在A3B2处理达到最大值, 在各个时期均显著高于其他处理, 与A1B1相比, 盛花期提高33.51%, 灌浆期提高37.53%, 成熟期提高31.09%． 说明硅肥和纳米土墒材料适当单施或者两者配施有利于苦荞茎秆半纤维素的积累, 从而提高茎秆的韧性, 且配施硅肥与纳米土墒材料的提升效果优于单施, 但纳米土墒材料过量会降低茎秆中半纤维素含量．

2.4.4 纤维素含量

纤维素从盛花期到成熟期逐渐增加(图1d)． 各生育时期, 纤维素含量随施硅量增加先增后减, 在A3达到最大值; 随纳米土墒材料的施用量增加先增后减, 在B2达到最大值． 相同生育时期, A1B1的纤维素含量均低于其他处理; A3B2处理均显著高于其他处理． 说明硅肥和纳米土墒材料适当单施或者两者配施有利于苦荞茎秆中纤维素的积累, 从而增强茎秆韧性, 降低倒伏的发生, 且配施硅肥与纳米土墒材料的提升效果优于单施, 但硅肥或纳米土墒材料过量会降低茎秆中纤维素含量．

2.5 苦荞茎秆特性与抗倒伏能力的关系

由图2可知, 苦荞茎秆抗折力与苦荞第二节间长、 株高、 重心高度、 倒伏指数和倒伏率呈极显著负相关, 与节间充实度、 茎壁厚度、 茎秆中硅素、 木质素、 纤维素和半纤维素含量呈极显著正相关; 倒伏指数与株高、 重心高度和茎秆基部第二节间长以及倒伏率呈极显著正相关, 与茎壁厚、 节间充实度以及茎秆生理生化指标呈极显著负相关; 倒伏率与株高、 第二节间长、 重心高呈极显著正相关, 与茎壁厚、 节间充实度以及茎秆生理生化指标呈极显著负相关． 说明茎秆各项农艺和生理生化指标可以显著影响苦荞植株的抗倒伏能力, 通过配施硅肥与纳米土墒材料来优化各项指标可以显著提高茎秆强度, 降低倒伏率．

图中色块与数字对称, *, **, ***分别表示在p<0.05, p<0.01, p<0.001水平差异有统计学意义．图2 苦荞茎秆特性与抗倒伏能力的相关性分析

3 讨论

3.1 硅肥与纳米土墒材料配施优化苦荞倒伏习性提高产量

随着栽培技术的不断提升, 苦荞的产量水平也在不断的提高, 但在提高产量的过程中总会面临一个难以解决的问题——植株倒伏． 倒伏会破坏作物空间排布, 扰乱群体正常的通光通风, 影响作物产量． 倒伏不仅会导致荞麦产量和品质的下降, 同时也会使得机械化和规模化的收割难以实现． 前人在甜荞[25]和苦荞[26]中研究发现, 倒伏率与产量呈显著负相关, 随倒伏率上升产量和品质显著下降． 倒伏发生的越早, 对产量的影响就越大． 任高峰等[27]研究发现, 油菜发生倒伏的时期不同, 对产量造成的损失差异较大． 倒伏愈早, 产量损失则愈严重: 在油菜初花期发生倒伏, 产量会减少67.3%; 盛花期发生倒伏, 产量损失达46.4%; 在开花后期和成熟前期, 减产则达到显著水平, 而在成熟后期倒伏减产才不显著． 本试验研究发现, 硅肥与纳米土墒材料配施, 可以在提高产量的同时显著降低苦荞倒伏率及倒伏级别, 并延后倒伏发生时期, 与前人研究结果一致．

3.2 硅肥与纳米土墒材料配施优化苦荞茎秆特性提高抗倒伏性能

作物群体获得高产的一个重要思路, 是提高单株作物的生物量[28]; 但单株生物量积累增加后会导致其基部茎秆承受的作用力变大, 从而更易发生倒伏现象[29]． 所以, 高产与抗倒伏间往往存在显著的负相关性． 前人大量的研究结果表明, 植株的形态指标, 如株高、 重心高度、 茎秆抗折力等可以有效反应植株的抗倒伏性能[29-30]． 苦荞倒伏主要是由于基部节间伸长变细、 茎秆强度变弱所致． 要在保持苦荞单株产量提升的同时降低倒伏率, 最有效的途径就是提高茎秆的机械强度, 促使基部茎秆在弯曲力矩增大的同时仍能保持挺拔． 在水稻的研究中发现, 在生长期施用硅肥, 可以增加水稻茎秆中硅的含量, 大量形成角质硅层的双细胞结构, 这种结构增强了细胞的厚度, 增加了茎秆强度, 从而降低倒伏的发生[31]． 本试验研究表明, 茎长、 茎粗和茎壁厚度等茎秆形态特性与苦荞倒伏率间存在显著联系; 木质素、 纤维素和半纤维素是作物细胞结构中细胞壁的主要成分, 其对增强细胞壁强度有着重要作用[32]． 木质素、 纤维素和半纤维素的含量越高, 则植株茎秆的机械强度就越大, 作物的抗倒伏能力也越大[29]． 前人在小麦[33-34]、 玉米[35]的研究中发现纤维素、 半纤维素和木质素含量与作物的倒伏存在显著相关, 含量较高的处理抗倒伏性能较好． 佘恒志等[21]认为施硅肥能提高甜荞茎秆中硅含量, 增加茎秆基部第二节间直径、 抗折力、 木质素含量, 促进甜荞植株抗倒伏能力增加． 前人研究发现硅肥和纳米土墒材料可以改善水稻群体结构, 增强茎秆机械强度, 使植株挺拔, 显著降低倒伏指数[11, 18]． 本试验研究表明, 硅肥与纳米土墒材料配施可以显著增加苦荞茎秆的茎壁厚度和直径, 促进茎秆中硅素、 木质素、 纤维素等结构性物质的积累, 显著增加细胞壁强度, 从而增强茎秆强度, 提高苦荞的抗倒伏性能, 降低倒伏发生, 这与前人研究一致．

3.3 纳米土墒材料促进苦荞对硅的吸收利用

硅存在于所有植物的地下部器官组织中, 硅的沉积可以保护植物免受多种生物和非生物胁迫[9, 36]． 硅的积累可以有效提高植物对倒伏、 辐射、 干旱、 冻结等物理胁迫的抵抗力, 并且对高盐、 重金属等环境胁迫也有一定的抗性[37-40]． 冷一欣等[41]的研究结果显示, 高分子肥料增效剂可以与肥料养分中的离子结合起到养分富集效应, 同时可以通过调节酶活性改善土壤理化性质, 减少肥料造成的土壤板结等负面影响, 在降低成本、 提高品质与效益的同时还能有效回复地力, 减轻环境污染． 纳米材料处理可以增强种子的活力, 提高植株体内各种酶的活性和对水分和肥料吸收, 促进植株新陈代谢, 进一步提高植株的抗逆性能力, 从而达到改善品质和增产的效果[42-43]． 李贵莲等[44]研究发现, 纳米材料可以显著增加生菜对氮、 磷、 钾、 锌、 钙等元素的吸收积累． 另外, 纳米材料能促进燕麦苗中的苯丙氨酸氨裂解酶基因PAL和硅转运蛋白基因Lsi1的表达, 导致硅元素和木质素含量增加[45]． 本试验发现, 相对于单施硅肥, 在保持施硅量不变的前提下, 用纳米土墒材料可以显著提高苦荞植株对硅的吸收利用能力, 进而优化各项生理生化与形态指标, 提高植株抗倒伏能力, 降低倒伏现象的发生, 这与前人在燕麦中的研究一致[45]．

4 结论

适量施用硅肥可以显著改良苦荞植株形态, 增加茎秆内结构性物质的积累, 提高茎秆机械强度, 而适量施用纳米土墒材料代替部分硅肥可以增加苦荞对硅等养分的吸收积累, 提高茎秆充实度, 降低倒伏率并提高产量; 两种肥料配施可以在有效降低苦荞倒伏的同时显著提高产量． 在本试验条件下, 配施60 kg/hm2硅肥与75 kg/hm2纳米土墒材料能够有效优化苦荞的茎秆结构, 降低倒伏的发生, 提高苦荞产量． 研究结果为苦荞的抗倒伏栽培提供了理论依据和技术参考．