春箭筈豌豆生產(chǎn)性能和品質(zhì)對氮、磷、鉀肥響應(yīng)的研究進(jìn)展

高小莉，張志新，黃椏鋒，牛學(xué)禮，南志標(biāo)

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 /蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020）

春箭筈豌豆(Vicia sativa)為豆科野豌豆屬一年生草本植物，是重要的牧草和綠肥兼用作物，其產(chǎn)量高、品質(zhì)好[1-2]，具有耐寒、耐旱、耐堿和耐瘠等特性，并在改土肥田和改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用[3-5]。生產(chǎn)實(shí)踐中，適量氮(N)、磷(P)、鉀(K)肥的施用不僅可以有效增加春箭筈豌豆產(chǎn)量、改善牧草品質(zhì)、提高抗旱抗寒等抗逆性，還可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)、提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)[6-13]。

近年來，關(guān)于春箭筈豌豆施肥的研究頗多，并在科學(xué)施肥理論與方法方面取得了一定進(jìn)展，但尚缺乏對其系統(tǒng)的歸納和總結(jié)。本文對有關(guān)春箭筈豌豆對氮、磷、鉀肥單施和配施的響應(yīng)研究進(jìn)行綜述，并提出當(dāng)前研究存在的問題和今后的發(fā)展方向，以期為春箭筈豌豆的生產(chǎn)提供支持。

1 化肥單施對春箭筈豌豆的影響

1.1 氮肥對春箭筈豌豆的影響

氮是構(gòu)成植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、葉綠素、核酸和激素的主要元素[14]，合理施用氮肥是增大葉面積指數(shù)、提高光合效率、促進(jìn)碳同化，最終提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)的有效措施[15]。研究發(fā)現(xiàn)，氮肥對春箭筈豌豆生物量和牧草品質(zhì)等方面具有顯著影響。當(dāng)施N量為20～46 kg·hm-2時(shí)，春箭筈豌豆的干草產(chǎn)量提高31.4%～98.1%[16-19]；韓建國等[20]也發(fā)現(xiàn)，與不施肥相比，高水平施N量(100 kg·hm-2)可以使春箭筈豌豆的草產(chǎn)量提高20.5%，而中等水平施N量(60 kg·hm-2)下產(chǎn)量可提高13.2%，同時(shí)高水平施N量還可以提高植株的粗蛋白含量，并降低中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的含量。施N肥對箭筈豌豆產(chǎn)量的提高與其呼吸強(qiáng)度降低相關(guān)[21-22]。有研究表明，對春箭筈豌豆單播地施用N 60 kg·hm-2，可以使春箭筈豌豆呼吸強(qiáng)度降低24.5%～69.5%[23]。

植物體內(nèi)的氮、磷、鉀素一般集中分布在生命活動旺盛的部分，例如分生組織、新芽新葉和繁殖器官等，所以養(yǎng)分供應(yīng)是否充足首先會對植物氮、磷、鉀素營養(yǎng)造成影響，進(jìn)而影響植物的代謝和繁殖狀況[14]。氮肥可以提高一年生豆科牧草的養(yǎng)分吸收利用效率[24]。Saruhan等[16]通過在大田的研究證實(shí)，施用氮肥對植株的養(yǎng)分有促進(jìn)作用，其中施N量為20 kg·hm-2使春箭筈豌豆植株養(yǎng)分含量提高1.6%～12.3%，種子中的養(yǎng)分含量提高0.2%～1.5%。

然而，在不同作物生產(chǎn)系統(tǒng)中施N對其產(chǎn)量的增益效果各異。其中，有學(xué)者認(rèn)為對豆科牧草增施氮肥并不經(jīng)濟(jì)[25]。在春箭筈豌豆與禾本科作物間作系統(tǒng)中，氮肥增施會抑制春箭筈豌豆固氮酶活性，使根瘤數(shù)降低，進(jìn)而抑制植株的固氮作用，最終導(dǎo)致豆禾間作系統(tǒng)的間作優(yōu)勢降低，從而減弱施N的增產(chǎn)效果[25-27]。張小明[18]研究發(fā)現(xiàn)，增施氮肥較對照不施氮相比，春箭筈豌豆生物固氮量和生物固氮百分率分別降低22.2%～49.2%和22.5%～51.8%，施氮雖然促進(jìn)了喜氮作物燕麥(Avena sativa)的生長，但是抑制了間作系統(tǒng)中春箭筈豌豆的生長(表1)。在豆科牧草單播系統(tǒng)中，氮肥對其產(chǎn)量的增加效果進(jìn)一步降低，甚至消失。Hojjati等[28]的研究表明，對人工建植的豆科牧草增施氮肥并未提高其牧草產(chǎn)量。

由此可見，增施氮肥雖能有效增加春箭筈豌豆地上生物量和粗蛋白等含量，起到提高牧草產(chǎn)量和品質(zhì)的效果，但同時(shí)也導(dǎo)致生物固氮量、固氮酶活性和根瘤數(shù)的降低，從而使豆科牧草自身固氮能力下降，影響植株后期根瘤的發(fā)展。因此，從經(jīng)濟(jì)效益與可持續(xù)生產(chǎn)利用角度考慮，對春箭筈豌豆草地可不施氮肥。

1.2 磷肥對春箭筈豌豆的影響

磷是植物體內(nèi)磷脂、核酸、輔酶和ATP的重要組成元素，與碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)、蛋白質(zhì)合成和氮代謝有密切相關(guān)，對植物光合作用及產(chǎn)量形成具有重要作用[29-30]。施用磷肥可以提高豆科植物根瘤內(nèi)的血紅蛋白含量，進(jìn)而促進(jìn)其根系生長、增加結(jié)瘤數(shù)并增強(qiáng)其固氮活性，達(dá)到以磷促氮的作用[31]。

研究表明，磷肥對春箭筈豌豆株高、生物量和種子產(chǎn)量有顯著影響。春箭筈豌豆接種根瘤菌并施用P2O5105 kg·hm-2后，成熟期的干草產(chǎn)量較對照未施肥增加了64.5%[32]；施用P2O5100 kg·hm-2，春箭筈豌豆株高和地上生物量分別較未施肥增加了6.5%和148.2%[33]；Christos等[34]的研究同樣證實(shí)，施用磷肥可以顯著提高春箭筈豌豆的種子產(chǎn)量和干草產(chǎn)量。

表 1 氮肥對春箭筈豌豆的影響Table 1 Effects of nitrogen fertilizer on Vicia sativa

施用適量磷肥對春箭筈豌豆產(chǎn)量構(gòu)成因素也有顯著影響[35]。據(jù)報(bào)道，當(dāng)施用P2O5105 kg·hm-2時(shí)，春箭筈豌豆的有效分枝數(shù)、單株結(jié)莢數(shù)、單莢粒數(shù)和千粒重較不施肥分別增加31.5%、110.3%、32.7%和4.7%[32]。另外，磷肥在促進(jìn)根系發(fā)育、增加主根直徑和根重、加強(qiáng)春箭筈豌豆對養(yǎng)分積累和儲藏方面也具有重要作用[34,36-37]。Fernández等[33]指出，施用磷肥P2O5100 kg·hm-2，春箭筈豌豆根系體積和根干重較對照分別提高了19.6%和52.1%；且同時(shí)施用磷肥并接種根瘤菌可以明顯提高春箭筈豌豆的根瘤總數(shù)和根瘤鮮重[32]。這可能是因?yàn)槎箍浦参镌谑┯昧?、鉀肥后，蛋白質(zhì)的合成速度加快，使根瘤內(nèi)的血紅蛋白含量增加，進(jìn)而增強(qiáng)其固氮酶的活性與結(jié)瘤率，同時(shí)促進(jìn)植株根系生長[32]。此外，根瘤菌存在多種解磷機(jī)制，可促進(jìn)豆科植物利用土壤中的難溶性磷元素，對其根瘤總數(shù)和鮮重也有重要影響[38]。

另外，合理施用磷肥還可以改善牧草品質(zhì)[34,39]。韓桂軍等[38]研究發(fā)現(xiàn)，施用磷肥P2O5150～225 kg·hm-2使春箭筈豌豆可溶性糖含量達(dá)到10.4%～10.6%，粗脂肪含量達(dá)到1.4%～1.6%，但對春箭筈豌豆粗蛋白含量影響不明顯；Yolcu[40]也發(fā)現(xiàn)，施用磷肥可以提高春箭筈豌豆葉片數(shù)量和粗蛋白含量，降低葉干重、ADF和NDF含量。梅麗[41]的研究也證實(shí)了春箭筈豌豆草地在施用適量磷肥后，牧草品質(zhì)明顯提高。

有研究表明，施磷可調(diào)節(jié)春箭筈豌豆的生理過程。植物缺磷時(shí)，衰老組織中的磷素會向幼嫩組織轉(zhuǎn)移，進(jìn)而引發(fā)老葉提前脫落，春箭筈豌豆主要通過提高酸性磷酸酶活性和增大質(zhì)子釋放量來響應(yīng)低磷脅迫[42]；陸景陵[43]研究發(fā)現(xiàn)，通過合理增施磷肥可以提高植物光合作用，延緩植株衰老進(jìn)程；磷對豆科牧草生物學(xué)產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和營養(yǎng)質(zhì)量都有重要影響，植物成熟后，莖葉中的磷會向種子進(jìn)行轉(zhuǎn)移，所以前期適當(dāng)施用磷肥可以通過增花增莢來提高牧草種子產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，磷肥對調(diào)節(jié)春箭筈豌豆呼吸作用也有顯著影響。施用P2O569 kg·hm-2后，春箭筈豌豆呼吸作用增強(qiáng)6.3%，二氧化碳交換量降低52.8%，總生產(chǎn)力提高26.1%[44-47](表 2)。

1.3 鉀肥對春箭筈豌豆的影響

鉀對保證植物生命活動正常進(jìn)行至關(guān)重要，是植物代謝過程中必需的大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素之一，對促進(jìn)糖類運(yùn)輸、脂肪類物質(zhì)合成和蛋白質(zhì)代謝以及提高植物光合作用具有重要影響[48-50]。但與氮、磷不同，鉀素在植物體內(nèi)主要是以K+、可溶性鹽類或吸附在原生質(zhì)表面作為營養(yǎng)，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)陰陽離子平衡、細(xì)胞滲透壓和氣孔開閉，進(jìn)而增強(qiáng)作物抗寒、抗旱以及抗倒伏的能力[51]。

在春箭筈豌豆草地中施用200～673 kg·hm-2鉀肥對提高牧草產(chǎn)量和品質(zhì)有明顯作用[48]。當(dāng)K2O施用量為100 kg·hm-2時(shí)，春箭筈豌豆初花期干草產(chǎn)量、粗蛋白含量、可溶性糖含量和粗脂肪含量較不施肥分別增加12.2%、2.0%、29.6%和34.5%[38]。Yücel等[49]的研究發(fā)現(xiàn)，春箭筈豌豆缺鉀會導(dǎo)致葉緣出現(xiàn)白斑或枯焦，嚴(yán)重時(shí)會使葉片死亡，降低其品質(zhì)。這可能是因?yàn)橹仓耆扁浐?，葉片中可溶性非蛋白氮不斷累積，使氨基酸不能迅速合成蛋白，導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量降低。Negere和Mariam[50]同樣證實(shí)，與對照不施鉀肥對比，高水平鉀肥施用量(673 kg·hm-2)處理下箭筈碗豆可溶性糖含量降低39%，蛋白質(zhì)含量增加20%，說明春箭筈豌豆缺鉀時(shí)其光合組織中碳水化合物會出現(xiàn)積累現(xiàn)象。

表 2 磷肥對春箭筈豌豆的影響Table 2 Effects of phosphorus fertilizer on Vicia sativa

有研究表明，適量施用鉀肥還可以顯著提高春箭筈豌豆的根系活力，促進(jìn)根系結(jié)瘤并提高固氮率[52]。Grewal和Williams[53]試驗(yàn)證明，每年給豆科牧草施用673 kg·hm-2鉀肥，可以顯著提高植株的結(jié)瘤數(shù)、根瘤質(zhì)量和固氮率，而且隨著鉀肥施用量的增加，植物體內(nèi)氮素含量也呈上升趨勢。

由此可見，對春箭筈豌豆施用適量鉀肥，可以通過提高根系活力、根瘤質(zhì)量和粗蛋白、粗脂肪、可溶性糖等含量，進(jìn)而顯著增加產(chǎn)量并改善牧草品質(zhì)。但是，目前關(guān)于春箭筈豌豆施鉀肥試驗(yàn)相對較少，需加強(qiáng)鉀肥增產(chǎn)方面的研究。

2 肥料配施對春箭筈豌豆的影響

根據(jù)“生態(tài)平衡施肥”理論，施肥應(yīng)綜合考慮作物產(chǎn)量品質(zhì)、土壤肥力、投入成本和環(huán)境問題等因素，為保證作物獲取均衡的營養(yǎng)，選擇最適的施肥種類、施肥量和施肥方式，將氮、磷、鉀肥按比例配合施入，是一種較優(yōu)的施肥模式[54]。

研究表明，氮、磷、鉀肥配施對春箭筈豌豆草產(chǎn)量和種子產(chǎn)量有顯著影響(表3)。楊文才等[55]在西藏河谷農(nóng)區(qū)的研究表明，在配施氮肥N 140 kg·hm-2和磷肥 P2O560 kg·hm-2處理下，春箭筈豌豆株高、鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量較不施肥分別增加23.4%、225.6%和177.3%，較單施氮肥分別增加11.4%、146.9%和95.7%，較單施磷肥分別增加7.1%、198.4%和107.9%。韓桂軍等[38]也發(fā)現(xiàn)，配施磷肥 P2O5150 kg·hm-2和鉀肥 K2O 50 kg·hm-2處理下，春箭筈豌豆干草產(chǎn)量較不施肥增加26.6%，較單施磷肥增加15.1%，較單施鉀肥增加22.9%。Yolcu[40]研究得出，施用氮肥N 30 kg·hm-2和磷肥P2O5100 kg·hm-2后，春箭筈豌豆株高、地上生物量和莖干重比不施肥的對照分別增加17.7%、69.4%和10.5%。然而，張宏亮等[56]研究發(fā)現(xiàn)，磷鉀肥混施 (P2O530 kg·hm-2和 K2O 30 kg·hm-2)與單施磷肥 (P2O530 kg·hm-2)或單施鉀肥 (K2O 30 kg·hm-2)對箭筈豌豆植株密度、株高、分枝數(shù)和草產(chǎn)量的影響差異不顯著，這可能與該試驗(yàn)地的土壤基況中氮、磷、鉀含量水平較高，或該試驗(yàn)中施肥量較低有關(guān)。

氮、磷、鉀肥配施還可以改善牧草品質(zhì)。配施氮肥和磷肥處理下，春箭筈豌豆粗蛋白含量和植株含P量較不施肥分別增加51.5%和69.7%，較單施氮肥分別增加11.1%和24.4%，較單施磷肥分別增加38.6%和55.6%；粗脂肪、酸性洗滌纖維(ADF)和中性洗滌纖維(NDF)較不施肥降低了3.5%～18.6%，較單施氮肥降低了2.0%～4.6%，較單施磷肥降低了4.0%～34.2%[55]。毛祝新[57]在甘肅省夏河縣的研究也表明，磷、鉀肥配施處理下，春箭筈豌豆粗蛋白和可溶性糖含量比不施肥和單施磷、鉀肥均有所提高，雖然粗脂肪含量比不施肥提高6.9%，但是比單施磷、鉀肥降低了1.6%～4.0%，這說明在一定范圍內(nèi)，鉀肥單施對春箭筈豌豆粗脂肪的影響較大。

表 3 肥料配施對春箭筈豌豆的影響Table 3 Effects of fertilizer application on Vicia sativa

另外，化肥與有機(jī)肥配施對春箭筈豌豆的生物量也有重要影響，且對其產(chǎn)量的影響由不同構(gòu)件生物量變化所決定。張雁平[58]研究得出，與單施化肥處理相比，有機(jī)肥(75 m3·hm-2)與化肥(N 75 kg·hm-2和P2O5103.5 kg·hm-2)配施下箭筈豌豆株高增加8.9%，箭筈豌豆和燕麥混播的鮮草產(chǎn)量提高19.1%。劉文輝等[59]研究單施化肥、單施有機(jī)肥、化肥和有機(jī)肥混施對春箭筈豌豆花期生物量構(gòu)件分配比例的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，化肥和有機(jī)肥配施(尿素37.5 kg·hm-2+磷酸二銨75 kg·hm-2+有機(jī)肥750 kg·hm-2)處理對春箭筈豌豆地上生物量(莖、葉、花)分配比例(84.9%)的影響最明顯，而不施肥(17.1%)和單施有機(jī)肥1500 kg·hm-2(16.0%)對地下生物量的影響效果最明顯。

目前，國內(nèi)外關(guān)于肥料配施對春箭筈豌豆影響的研究主要集中在氮和磷肥、磷鉀肥配施兩方面，較少涉及氮、磷、鉀3種肥料合理配施的研究，且大部分試驗(yàn)最終僅以提高草產(chǎn)量為目的來確定最佳施肥方案。因此，在以后的研究中需進(jìn)一步探討在多因素條件下春箭筈豌豆的最佳施肥模式。

3 問題與展望

隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，肥料對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響越來越大。施肥是提高作物產(chǎn)量和改良土壤肥力的重要措施，但是不合理地施用化肥導(dǎo)致土壤酸化和土壤板結(jié)等多種問題，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力衰退并引起嚴(yán)重的環(huán)境問題[60-64]。

氮、磷、鉀肥單施或配施對提高春箭筈豌豆的產(chǎn)量、牧草品質(zhì)和固氮量都有作用，但目前的研究主要集中在施肥對產(chǎn)量和品質(zhì)性狀產(chǎn)生積極或消極的影響，關(guān)于這3種元素引起植株各種表型發(fā)生改變的生理生化機(jī)制尚不清楚，改善牧草品質(zhì)的具體原因仍需進(jìn)一步探索。另外，新的氮、磷、鉀施肥方案或者不同生產(chǎn)系統(tǒng)下施肥量確定需綜合考慮，從而促進(jìn)春箭筈豌豆根系發(fā)育、降低呼吸強(qiáng)度、改善各項(xiàng)生產(chǎn)要素，建立箭筈豌豆科學(xué)合理的施肥方法。