施氮量对3 个极早熟高粱品种干物质积累及籽粒品质的影响

严洪冬，王黎明，焦少杰，姜艳喜，苏德峰，吴振阳，马子竣

(黑龙江省农业科学院作物资源研究所，黑龙江哈尔滨 150086)

氮素是重要的营养元素，对作物生长发育、产量和品质有显著影响[1]。 氮肥占化肥总用量的60%以上[2]，对粮食增产的贡献率高达30% ～50%[3]。 我国氮肥的生产量和消费量均居世界首位，占全世界总用量的30%[4-5]，但氮肥利用效率却远低于国际平均水平[6]。 氮肥过量施用不仅造成肥料浪费和经济效益下降，还会给生态环境造成一系列负面影响[7-9]。 因此，合理施氮，提高作物氮素利用效率，保证低氮肥投入下的粮食和环境安全是未来可持续农业发展的根本保证。

高粱(Sorghum bicolorL. Moench)是我国重要的粮食作物之一，被广泛应用于酿造、饲料、加工和生物质能源等领域，具有较强的抗旱、耐涝、耐盐碱及耐瘠薄等特性[10]。 研究表明，氮肥能够促进高粱生长，提高产量，并影响籽粒品质。 高粱不同生长阶段对氮的吸收和积累量不同，幼苗期对氮素的吸收累积较慢，随着生育期的推进，对氮素的吸收积累速率会随之加快，通常在花期或灌浆期达到最大[11-12]。 缺乏氮素时高粱植株和籽粒的氮素积累量显著降低[13]，并影响植株生长和干物质积累[14]。 高粱地上部干物质积累量是产量形成的基础[15]，氮肥对干物质积累的影响最大[16-17]，与不施氮肥相比，施入氮肥能够显著提高干物质积累量和氮素积累量[18-20]。 同时，氮肥还对籽粒淀粉和单宁含量等品质性状有一定的影响。 适当增加氮肥可提高总淀粉和支链淀粉含量[21-22]，但施氮量过高和过低都不利于其积累[23-24]。 施入氮肥还可影响籽粒的单宁含量，随施氮量增加单宁含量呈下降趋势[25-26]。

近年来，随着种植业结构调整，北方高粱种植区域的黑龙江、内蒙古等春播早熟高粱主产区不断北移，适宜机械化种植的矮秆、耐密植、株型紧凑的极早熟高粱品种种植面积逐年扩大。 但目前国内外对极早熟高粱的研究主要集中在遗传育种及栽培技术等方面，在施肥对干物质积累、氮素积累、籽粒的淀粉、单宁及氮、磷、钾含量等的方面影响缺乏有针对性的研究，且已有研究结果由于品种、试验地点及栽培方式等不适合直接应用于极早熟品种的生产。 因此，本试验针对极早熟品种的特征特性及生产特点进行相关研究，以期明确极早熟高粱产量与效率相协同的最优施氮量，为早熟高粱优质高产高效生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

试验于2020 年和2021 年分别在黑龙江省农业科学院科技园区(哈尔滨)和克山分院试验地(克山)进行。 两试验点均位于温带季风气候区，土壤质地均为壤土。 哈尔滨试验地2020 年前茬作物为大豆、2021 年前茬作物为亚麻；克山试验地两年的前茬作物均为玉米。 播种前土壤基础地力见表1。 供试材料为黑龙江省主栽区大面积种植的龙杂19、龙杂20 和齐杂722 共3 个极早熟高粱品种。

1.2 试验设计及方法

试验采用裂区设计，以氮肥水平为主因素，品种为副因素。 对3 个品种分别施入纯氮0、60、120、180、240、300 kg/hm2共6 个氮肥水平，分别用N0、N60、N120、N180、N240、N300 表示。 随机区组排列，重复3 次，小区面积26 m2。 每小区种植8 行，行长5 m，垄距0.65 m。 种植密度为30万株/hm2。 各处理施用等量磷肥(重过磷酸钙，P2O545%)75 kg/hm2以及钾肥(硫酸钾，K2O 50%)30 kg/hm2。 氮肥为尿素(N 46%)，所有肥料作为基肥一次性施入。 其它田间管理与高粱生产田相同。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 地上部干物质积累量的测定 分别于高粱五叶期、拔节期、开花期和成熟期随机取样测定。 其中五叶期取样20 株，其他时期取样5 株。样品经105 ℃杀青30 min、80 ℃烘干至恒重后，称干重，即为植株干物质积累量。

1.3.2 植株N、P、K 积累量的测定 将烘干后的样品粉碎，过100 目筛，四分法取样。 采用半微量凯氏定氮法测定N 含量，用钼锑抗比色法测定P含量，用火焰光度计法测定K 含量。

1.3.3 籽粒品质测定 于高粱完熟期取样测定籽粒淀粉和单宁含量。 其中，总淀粉含量采用旋光法测定[27]，单宁含量采用比色法测定[28]。 籽粒N、P、K 含量测定方法同1.3.2。

1.4 数据处理与分析

分别按照两个环境，进行两个年份的联合方差分析。 单个环境两年裂区设计方差分析的线性模型如下:

其中xmijk为第m 年第i 次重复第j 种施肥处理下第k 个品种的观测值；μ 为总体均值；Ym 为第m年的年份效应，可视为随机效应；Ri(m)为第m 年第i 次重复的区组效应；Nj为第j 种施肥效应；YNmj为第m 年与第j 种施肥的互作效应；δ(m)ij为主区误差效应；Vk为第k 个品种的效应；YVmk为第m 年与第k 个品种的互作效应；NVjk为第j 种施肥与第k 个品种的互作效应；YNVmjk为第m 年第j 种施肥与第k 个品种的互作效应；εmijk为误差效应。

试验数据采用Microsoft Excel 2019 进行整理和作图，应用SAS 9.2 统计软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 施氮量对不同品种高粱植株干物质积累的影响

由图1A 看出，与不施氮处理(N0)相比，五叶期各施氮处理高粱干物质积累量均增加。 在哈尔滨试验点，龙杂19 所有处理的干物质积累均无显著差异；龙杂20 的N120 ～N300 处理干物质积累量较高，与N0 差异显著；而齐杂722 分别在N120、N240 处理时干物质积累量显著高于N0。在克山试验点，3 个品种的所有施氮处理干物质积累量均显著高于N0。 因此，施氮量为120 ～240 kg/hm2时3 个高粱品种五叶期可达较高干物质积累量。

由图1B 看出，在哈尔滨试验点，拔节期龙杂19 和龙杂20 各施氮处理的干物质积累量均高于N0，龙杂19 仅在N180 处理时干物质积累量与N0 差异达显著水平，其它施氮处理与N0 无显著差异；龙杂20 仅在N300 处理时干物质积累量显著高于N0，其它施氮处理与N0 无显著差异；齐杂722 各施氮处理与N0 均无显著差异。 在克山试验点，3 个品种各施氮处理干物质积累量均显著高于N0，龙杂19 干物质积累量最大，其次为齐杂722，龙杂20 最低。 施氮量为120～180 kg/hm2时3个高粱品种拔节期可获得较高的干物质积累量。

开花期3 个品种各施氮处理的干物质积累量均高于N0(图1C)。 在哈尔滨试验点，龙杂19 干物质积累量在N180 ～N240 处理时较高且与N0差异显著；龙杂20 干物质积累量在N60～N240 处理时较高且与N0 差异显著；齐杂722 在N180 ～N300 处理时干物质积累量较高，与N0 差异显著。 在克山试验点，龙杂19 在N120 ～N300 处理时干物质积累量较高，与N0 差异显著；龙杂20在N180 ～N300 处理时干物质积累量较高，施氮处理与N0 处理差异显著。 而齐杂722 在N120 ～N300 处理时干物质积累量达到较高值，显著高于N0。 因此，施氮量为120 ～240 kg/hm2时，3 个高粱品种开花期即可获得较高的干物质积累量。

成熟期各处理干物质积累量随施氮量增加总体呈增加趋势(图1D)。 3 个品种干物质积累量均以N0 处理最低，N300 处理最高。 在克山试验点，龙杂19、齐杂722 的N180 ～N300 处理及龙杂20 的N300 处理干物质积累量较高，且显著高于其它处理。 在哈尔滨试验点，龙杂19 的N300 处理干物质积累量显著高于其它处理，龙杂20、齐杂722 的N240、N300 处理干物质积累量较高。综上，氮肥用量为300 kg/hm2时，3 个品种高粱成熟期均可获得较高的干物质积累量。

从出苗到成熟，随生长量的增加，高粱各生长阶段的干物质积累量也呈不断增长趋势(表2)。其中，出苗期-五叶期干物质积累量最少，平均只占总生物量的2.49%。 开花至成熟阶段干物质积累量最高，达到总生物量的54.02%，且各处理均达到总生物量的50%以上。 各阶段干物质积累量表现为开花期-成熟期＞拔节期-开花期＞五叶期-拔节期＞出苗期-五叶期。

表2 高粱不同生长阶段各施氮处理的干物质累积量

2.2 施氮量对植株氮素积累的影响

五叶期3 个高粱品种各施氮处理的氮素积累量较不施氮处理(N0)均有增加(图2A)。 在哈尔滨试验点，龙杂20 的N120 ～N300 处理氮素积累量较高，显著高于N0 处理；齐杂722 的N120 ～N240 处理氮素积累量较高。 而龙杂19 在哈尔滨试验点及3 个品种在克山试验点所有施氮处理的氮素积累量差异均不显著。 因此，施氮量为60 ～120 kg/hm2时，3 个高粱品种五叶期氮素积累量较高。

拔节期高粱的氮素积累为施氮处理均高于不施氮处理(图2B)。 在哈尔滨试验点，龙杂19 的N120 ～N300 处理氮素积累量较高；龙杂20 的N60、N180 ～N300 处理氮素积累量较高；而齐杂722 所有处理差异均不显著。 在克山试验点，3 个品种高粱的N180 ～N300 处理氮素积累量较高。因此，施氮量为120 ～240 kg/hm2时，3 个高粱品种拔节期可获得较高的氮素积累量。

开花期各施氮处理的高粱氮素积累量均高于不施氮处理(图2C)。 在哈尔滨试验点，龙杂19的N180～N300 处理氮素积累量较高；龙杂20 的N60～N300 处理及齐杂722 的N120 ～N300 处理氮素积累量均较高，与N0 差异达显著水平。 在克山试验点，龙杂19、龙杂20 的N240 处理氮素积累量均达到最高；齐杂722 在N120 ～N300 处理时达到较高积累量。 因此，施氮量为240 kg/hm2时，3个高粱品种开花期可获得较高的氮素积累量。

成熟期3 个品种的氮素积累量表现较为一致，均随施氮量的增加而增加(图2D)。 所有品种的氮素积累量最高值均出现在N300 处理。 在哈尔滨试验点，龙杂19 的N240、N300 处理氮素积累量显著高于其它处理；龙杂20 的N180～N300处理氮素积累量较高；齐杂722 的N120～N300 处理氮素积累量较高，显著高于其它处理。 在克山试验点，龙杂19、龙杂20 的N180～N300 处理氮素积累量较高，均显著高于其它处理；齐杂722 的N240、N300 处理氮素积累量较高，且两处理差异不显著。 因此，施氮量为240 kg/hm2时，3 个高粱品种成熟期即可获得较高的氮素积累量。

由表3 看出，随着生长量的增加，高粱氮素积累量表现为出苗期到开花期逐渐增加，开花期到成熟期又下降的趋势。 其中，出苗期-五叶期平均氮素积累量仅占氮素总量的7.38%，拔节期-开花期氮素积累量达到最高，占氮素总量的42.20%。而开花期-成熟期氮素积累量开始下降，为氮素总量的27.94%。 各阶段氮素积累速率为拔节期-开花期＞开花期-成熟期＞五叶期-拔节期＞出苗期-五叶期。

表3 高粱不同生长阶段各处理的氮素积累量

2.3 施氮量对籽粒淀粉含量的影响

由图3 看出，高粱籽粒淀粉含量随施氮量的增加呈降低趋势。 0 ～120 kg/hm2范围内随施氮量的增加籽粒淀粉含量不同程度降低，说明在这个区间内，为提高籽粒淀粉含量含量，可以减少氮肥用量。 N180～N300 处理，各处理间淀粉含量差异不显著，说明在此范围内，增加施氮量对籽粒淀粉含量无显著影响，其中，淀粉含量降低最多的为龙杂19，哈尔滨试验点，处理间淀粉含量范围为71.01%～77.46%，变幅为9.08%；降幅最小的为齐杂722，克山试验点，各处理淀粉含量范围为73.79%～75.74%，变幅为2.64%。

图3 不同氮肥处理的籽粒淀粉含量

2.4 氮肥处理对籽粒单宁含量的影响

由图4 看出，与不施氮处理相比，3 个品种均表现为施氮处理的籽粒单宁含量显著降低，且随施氮量的增加呈下降趋势。 其中，龙杂19 单宁含量降幅最大，克山点单宁含量变化范围为0.96%～1.40%，变幅为45.83%；龙杂20 单宁含量降幅最小，哈尔滨试验点单宁含量变化范围为0.96%～1.17%，变幅为21.88%。

图4 不同氮肥处理的籽粒单宁含量

2.5 氮肥处理对籽粒氮磷钾含量的影响

龙杂19、龙杂20(除在克山点为N300 处理)、齐杂722 品种的籽粒含氮量随施氮量增加先上升后降低，至N240 处理达到最大值(图5A)，N180、N240、N300 处理间差异不显著。 籽粒含氮量上升幅度最大的为龙杂19，在克山点的氮含量为9.70～17.45 g/kg，变幅为79.90%；上升幅度最小为龙杂20，籽粒含氮量在哈尔滨点为12.76～17.42 g/kg，变幅为36.52%。

图5 不同氮肥处理的籽粒氮磷钾含量

氮肥不同用量处理的籽粒含磷量变化不大(图5B)。 除龙杂20 外，施氮处理的籽粒含磷量均高于不施氮处理。 其中，在哈尔滨试验点，龙杂19 和齐杂722 不施氮肥处理的籽粒含磷量显著低于N180、N240 和N300 处理。 龙杂20 所有处理间籽粒含磷量差异均不显著。 说明施用氮肥对籽粒磷含量影响甚微。 施氮肥后，各品种在哈尔滨点的籽粒含磷量略高于克山点。

籽粒含钾量在各施氮处理间差异均不显著(图5C)，只有龙杂19 的N0 与N300 处理间籽粒含钾量差异达到显著水平，其余所有处理与不施氮肥处理差异均不显著。 说明施氮量对籽粒含钾量影响不大。 克山试验点籽粒含钾量略高于哈尔滨试验点。

3 讨论与结论

本试验结果表明，施用氮肥可有效提高高粱干物质和氮素的积累量。 干物质积累量因品种而略有不同，五叶期、拔节期施氮处理间干物质积累基本无显著差异，开花期和成熟期处理间出现显著差异，成熟期干物质积累随施氮量的增加而增加，这与徐庆全[20]、胡文河[29]等的研究结果一致。 但也有研究认为成熟期干物质和氮素积累量随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势[19，25]。出现这种结果可能是试验品种的差异所导致。 本试验所用极早熟高粱为株高1 m 左右的耐密植品种，种植密度为中晚熟品种的2 ～3 倍，依靠群体产量获得高产，与大多数研究的中晚熟、稀植大穗型品种的特征特性差异很大，因此，干物质积累和氮素积累在不同施氮水平上有差异。 本研究还发现，生长初期由于生长缓慢，植株的干物质和氮素积累较少，随着生育期的推进，生长速率加快，干物质和氮素积累量均明显提高。 其中，氮素积累量在拔节至开花期最高，而干物质积累量为开花至成熟期最高。 同时，生长前期只需少量氮肥就可获得较高的干物质和氮素积累量，而生长后期则需要较多氮肥。 因此，极早熟高粱的生产种植可少量施入尿素作底肥，在拔节前再追施较多尿素以满足生长后期对氮素的需要，进而达到较高的干物质积累量。

以往研究表明，施氮肥会影响籽粒品质[25-26]。 本研究发现，籽粒淀粉和单宁含量随氮肥施入量的增加而呈减少的趋势。 施少量氮肥籽粒淀粉含量即下降，但施氮量达到180 kg/hm2以上淀粉含量趋于稳定。 同时，所有施氮处理的籽粒单宁含量均显著低于不施氮处理，当施氮量达到240 kg/hm2以上单宁含量趋于稳定。 由于极早熟高粱几乎全部用于酿酒，需要较高的淀粉含量以及一定的单宁含量，因此，为保证籽粒的酿造品质，应适当控制施用氮肥。 另外，施氮肥增加籽粒含氮量，但对籽粒磷钾含量影响很小。

综上，施用氮肥可显著增加极早熟高粱的干物质积累量和氮素积累量。 其中，开花至成熟期的干物质积累量最多，拔节至开花期的氮素积累量最多。 籽粒淀粉和单宁含量随施氮量增加而降低。 籽粒含氮量随施氮量的增加而增加，但对籽粒含磷钾量影响较小。