不同施氮量對(duì)苜蓿干物質(zhì)累積和氮素吸收的影響

單新河,張運(yùn)龍,王顯國(guó),孫洪仁,劉雷震

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100193)

近幾年,為促進(jìn)“糧、經(jīng)、飼”三元結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)發(fā)展,國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,其中飼料作物種植面積有所提高[1]。飼草料作物主要包括苜蓿、燕麥、青貯玉米和多年生黑麥草等[2]。與其他牧草相比,紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界上栽種面積最大的豆科牧草之一[3]。紫花苜蓿蛋白質(zhì)含量高且適口性好,是一種優(yōu)質(zhì)的牧草飼料作物,被稱(chēng)為“牧草之王”[3]。氮是苜蓿生長(zhǎng)所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一[4],氮肥的施用是提高苜蓿產(chǎn)草量的有效措施之一[5]。適量氮肥的施用能提高苜蓿生物量和氮肥利用效率[6]。過(guò)量氮肥的施用,使得土壤中無(wú)機(jī)氮大量累積[7],造成資源浪費(fèi)和水體污染等一系列環(huán)境問(wèn)題[8]。苜蓿施氮模式和種植管理等因素存在較大差異,在國(guó)外的苜蓿生產(chǎn)實(shí)踐中,主要依賴(lài)根瘤菌固氮,而較少施氮;國(guó)內(nèi)則更多施氮,較少依賴(lài)自身固氮[9]。苜蓿作為豆科作物,通過(guò)施加氮肥以提高生產(chǎn)性能。因此,探究施氮量對(duì)苜蓿生長(zhǎng)的影響,可明確苜蓿的最佳施氮量,節(jié)約成本,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氮肥高效利用和環(huán)境友好。

目前研究發(fā)現(xiàn),植物的生長(zhǎng)與氮素吸收受施氮量和生育期的影響[12-14]。在河北開(kāi)展的試驗(yàn)表明,與對(duì)照相比,在苜蓿初花期,施用160 kg/hm2DT(化學(xué)氮肥配施沼液)可顯著增加苜蓿干物質(zhì)量(增幅達(dá)47.54%)和氮素吸收量(增幅為14%～34%)[10]。劉曉靜等[11]在甘肅開(kāi)展的研究表明,在苜蓿初花期,施氮120 kg/hm2可促進(jìn)紫花苜蓿結(jié)瘤固氮,增加紫花苜蓿營(yíng)養(yǎng)吸收,提高紫花苜蓿生物量。郝鳳等[12]采用營(yíng)養(yǎng)液砂培法開(kāi)展研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照相比,在培養(yǎng)40天后收獲,施氮量為110 kg/hm2顯著增加苜蓿株高和地上生物量,增幅分別為58.5%和128%。然而,目前關(guān)于氮肥對(duì)苜蓿生長(zhǎng)發(fā)育的影響,因研究地區(qū)和實(shí)驗(yàn)條件的差異結(jié)果不盡相同,關(guān)于施氮量對(duì)苜蓿生物量和養(yǎng)分吸收量的研究較多集中初花期,對(duì)整個(gè)生育期的關(guān)注較少,且研究主要在甘肅、青海和呼和浩特市等西北部開(kāi)展。

科爾沁地區(qū)位于內(nèi)蒙古東部,是我國(guó)北方重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地。近年來(lái),隨著紫花苜蓿種植、加工業(yè)快速發(fā)展,科爾沁沙地現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)機(jī)械化程度最高、種植面積增長(zhǎng)最快、投資力度最大、產(chǎn)業(yè)化水平較高的新興苜蓿優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)[13],并且于2013年被中國(guó)畜牧業(yè)協(xié)會(huì)草業(yè)分會(huì)命名為“中國(guó)草都”[14]。截至2017年,以阿魯科爾沁旗為主的科爾沁沙地現(xiàn)已建成集中連片紫花苜蓿種植基地71 333 hm2,全年可刈割3～4茬,干草產(chǎn)量達(dá)700～800 kg/(667m2)[15]?；诖?本試驗(yàn)在科爾沁沙地開(kāi)展,通過(guò)探究不同施氮量下苜蓿不同生育期內(nèi)生物量累積和氮素吸收規(guī)律,為紫花苜蓿在內(nèi)蒙古東部的種植提供最佳施氮量技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021年在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市天山鎮(zhèn)巖峰農(nóng)業(yè)生物科技有限公司(43°24′43″N、121°21′07″E)開(kāi)展。該地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部,赤峰市東北部。2021年日照時(shí)數(shù)2 760～3 030 h,極端最高氣溫40.6℃,極端最低氣溫-32.7℃,年均氣溫6℃,≥10℃有效積溫3 080℃,年降水量300 mm左右,無(wú)霜期135 d(數(shù)據(jù)來(lái)源:中國(guó)氣象網(wǎng),http://www.cma.gov.cn/)。試驗(yàn)開(kāi)始前(0～20 cm土層)土壤堿解氮含量為50.80 mg/kg,速效磷含量為3.04 mg/kg,速效鉀含量為95.51 mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量為7.58 g/kg,全氮含量為0.71 g/kg,全磷含量為0.17 g/kg,pH為7.28。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì),設(shè)置4個(gè)施氮梯度,施氮量分別為0 kg/hm2(N0PK, N0)、22.5 kg/hm2(N1PK, N1)、45 kg/hm2(N2PK, N2)和67.5 kg/hm2(N3PK, N3),每個(gè)處理3次重復(fù)。小區(qū)面積為50 m2(5 m×10 m),小區(qū)間隔1 m,相鄰區(qū)組間隔2 m。播種前進(jìn)行整地和施肥,整地主要包括耕翻、旋地、耱地和鎮(zhèn)壓,肥料在旋地一次性施入土壤。氮肥、磷肥和鉀肥的供肥形態(tài)分別是尿素(N,46%)、過(guò)磷酸鈣(P2O5,16%)和氧化鉀(K2O,50%),具體施肥量見(jiàn)表1。

表1 施肥處理 單位:kg/hm2

試驗(yàn)用紫花苜蓿品種為“騎士T”(“Knights T”),秋眠級(jí)3.9,由北京正道有限公司提供于2021年7月9日采用機(jī)器條播進(jìn)行播種,播種深度2 cm,苜蓿行間距25 cm,每個(gè)小區(qū)播種40行,播種量為20 kg/hm2,各田間管理均按當(dāng)?shù)刈匣ㄜ俎８弋a(chǎn)田進(jìn)行。

1.3 植物樣品采集

2021年分別于紫花苜蓿分枝前期(8月2日)、分枝后期(8月8日)、孕蕾期(8月15日)、現(xiàn)蕾期(8月23日)、初花期(8月31日)和盛花期(10月3日)共采集6次苜蓿植株樣品。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1苜蓿株高測(cè)定

各處理小區(qū)隨機(jī)選取10株,用米尺測(cè)量莖基部到生長(zhǎng)點(diǎn)的距離,并記錄作為株高數(shù)據(jù)。

1.4.2苜蓿干草產(chǎn)量測(cè)定

以樣方法采集地上生物量,所用的樣方面積為1 m×1 m?？刂屏舨绺叨? cm 刈割苜蓿植株,稱(chēng)取鮮重;另取300 g鮮草樣品裝于9號(hào)自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行苜蓿植株含水率測(cè)定,在105℃條件下殺青30 min后,于 65℃烘干至恒重,測(cè)定其干物質(zhì)含量并計(jì)算苜蓿干草產(chǎn)量( kg/hm2)。具體計(jì)算公式如下:

干草產(chǎn)量 = 鮮草產(chǎn)量×(1-含水率)

1.4.3苜蓿全氮測(cè)定

烘干后的植株樣品進(jìn)行粉碎,H2SO4-H2O2消煮、半微量凱氏定氮法測(cè)定植株樣品的全氮含量[16]。

1.4.4氮素農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力的計(jì)算

氮素農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力計(jì)算公式如下[17]:

(1)

(2)

式中:AE(Agronomic efficiency)為氮素農(nóng)學(xué)利用效率,PFP(Partial factor productivity)為偏生產(chǎn)力,單位為%;Y1為施氮肥區(qū)作物生物量,單位為 kg/hm2;Y0為不施氮肥區(qū)作物生物量,單位為kg/hm2;F為肥料氮肥投入量,單位為 kg/hm2。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2010 錄入和整合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(SE)表示,運(yùn)用R 4.0.2統(tǒng)計(jì)軟件中的單因素方差分析(One-way ANOVA)和P<0.05水平下的Least significant difference(LSD)檢驗(yàn)。利用羅基斯特方程模擬苜蓿生物量累積和氮素吸收規(guī)律。運(yùn)用R 4.0.2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖,用到的軟件包包括ggplot2、magrittr、ggpubr、agricolae、Rmisc和ggalt。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)苜蓿株高和生物量的影響

不同生長(zhǎng)時(shí)期各施氮處理間苜蓿株高表現(xiàn)不同(圖1)。苜蓿分枝前期到孕蕾期,各施氮處理苜蓿株高差異不顯著(P>0.05)?，F(xiàn)蕾期施氮處理(N3)下的苜蓿株高顯著高于不施氮處理(N0)(P<0.05)。初花期施氮處理(N2、N3)下苜蓿的株高顯著高于不施氮處理(N0)(P<0.05),分別提高了14.46%和13.73%。盛花期施氮處理(N2、N3)下苜蓿的株高顯著高于不施氮處理(N0)(P<0.05),在施氮量為45 kg/hm2(N2)時(shí)苜蓿的株高達(dá)到最大值(48.3 cm),且顯著高于N0處理,提高了11.55%。

注:數(shù)據(jù)柱形標(biāo)注不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。下同圖1 不同生育期內(nèi)不同施氮量的苜蓿株高

在一定施氮范圍內(nèi),不同水平的施氮量可有效增加苜蓿生物量(圖2),分枝期各施氮處理苜蓿生物量差異不顯著(P>0.05)。孕蕾期施氮量45 kg/hm2(N2)時(shí)的苜蓿生物量達(dá)到最大值(1 122.26 kg/hm2),顯著高于N0和N1處理(P<0.05),分別提高了61.32%和52.49%?，F(xiàn)蕾期到盛花期,各施氮處理較N0苜蓿生物量均有增加的趨勢(shì)。

圖2 不同生育期內(nèi)不同施氮量處理的苜蓿生物量

2.2 不同施氮量對(duì)苜蓿氮素含量和氮素吸收量的影響

不同施氮量對(duì)苜蓿各生育時(shí)期氮素含量均有顯著影響,分枝前期到初花期苜蓿氮素含量隨著施氮量的增加呈逐漸升高的趨勢(shì)(圖 3)。分枝前期施氮量67.5 kg/hm2(N3)下苜蓿氮素含量達(dá)最大值(39.21 g/kg),顯著高于其它處理25.00%～39.29%(N2除外)(P<0.05)。孕蕾期到初花期,施氮量67.5 kg/hm2(N3)下的苜蓿氮素含量顯著高于其它處理80.95%～123.81%(P<0.05)。到盛花期,施氮量45 kg/hm2(N2)下的苜蓿氮素含量最高,為39.46 g/kg,顯著高于N0處理26.71%(P<0.05)。

圖3 不同生育期內(nèi)不同施氮量處理的苜蓿氮素含量

各生育時(shí)期苜蓿氮素吸收量對(duì)施氮量的影響與氮素含量的響應(yīng)類(lèi)似(圖4)。苜蓿在分枝前期、孕蕾期和盛花期,氮素吸收量隨著施氮量的增加先增加后降低,施氮處理N2(45 kg/hm2)處達(dá)到最大值,分別為11.37 kg/hm2、46.68 kg/hm2和179.73 kg/hm2。各施氮處理在現(xiàn)蕾期顯著提高氮素吸收量;苜蓿初花期,N3處理較N0顯著提高氮素吸收量116.47%(P<0.05)。

圖4 不同生育期內(nèi)不同施氮量處理的苜蓿氮素吸收量

2.3 不同施氮量對(duì)生物量累積增長(zhǎng)速率和氮素吸收增長(zhǎng)速率動(dòng)態(tài)變化的影響

整個(gè)生育時(shí)期,各施氮處理苜蓿生物量累積逐漸增加,高于不施氮處理(N0)(圖5)。生物量累積的最大值出現(xiàn)在盛花期,整體表現(xiàn)為N2(4 622.67 kg/hm2)>N3(4 536.89 kg/hm2)>N1(4 123.11 kg/hm2)>N0(3 344.89 kg/hm2)。施氮量為45 kg/hm2(N2)時(shí)的生物量累積增長(zhǎng)速率逐漸增加,到盛花期達(dá)到最高(156.26 kg/hm2/d),其余施氮處理生物量累積增長(zhǎng)速率先增加后降低,在9月18日(播種后70 d)達(dá)到最大值。

圖5 不同施氮量處理下苜蓿地上生物量和氮吸收累積量及其增長(zhǎng)速率

各施氮處理氮素吸收累積逐漸增加,高于不施氮處理(N0)(見(jiàn)圖5),到盛花期達(dá)最大值,整體表現(xiàn)為N3(123.44 kg/hm2/d)>N2(108.55 kg/hm2/d)>N1(87.84 kg/hm2/d)>N0(74.03 kg/hm2/d)。各施氮處理苜蓿氮素吸收累積增長(zhǎng)速率先增加后降低,高于不施氮處理(N0)(見(jiàn)圖5)。施氮量為45 kg/hm2(N2)時(shí)的氮素吸收累積增長(zhǎng)速率在9月23日(播種后75 d)達(dá)到最大值,為2.44 kg/hm2/d;其它施氮處理(N0、N1、N3)均在9月13日(播種后65 d)達(dá)到最大值。

2.4 不同施氮量對(duì)苜蓿氮素利用效率和偏生產(chǎn)力的影響

苜蓿氮素利用效率和偏生產(chǎn)力受取樣時(shí)期和施肥量的影響(見(jiàn)表2)。不同施氮處理對(duì)氮素利用率的影響僅出現(xiàn)在分枝前期,N1較N3顯著提高氮素利用率473.53%(P<0.05)。

表2 不同施氮量的紫花苜蓿氮素利用率和偏生產(chǎn)力 單位:%

隨著生育期增加,各施氮處理偏生產(chǎn)力不斷增加;各生育時(shí)期,施氮量為22.5 kg/hm2(N1)處理偏生產(chǎn)力具有最大值,各施氮處理偏生產(chǎn)力從高到低的排序?yàn)镹1 >N2 >N3。

3 討論

本研究表明,苜蓿分枝期到孕蕾期,各施氮處理苜蓿株高差異不顯著(P>0.05);初花期到盛花期,施氮處理(N2、N3)下的苜蓿株高顯著高于不施氮處理(N0)(圖1)。王德勝等[18]研究表明,隨施氮量增加苜蓿株高不斷升高,其中T2(37.5 kg/hm2)和T3(75 kg/hm2)處理的效果顯著(P<0.05)。萬(wàn)里強(qiáng)等[19]研究表明,在初花期N30處理(30 kg/hm2)、N60(60 kg/hm2)和N90(90 kg/hm2)苜蓿株高較不施氮(N0)分別增加了17.06%,25.00%, 21.40%,這與本研究結(jié)果一致。一方面可能是氮素的投入主要促進(jìn)根系生長(zhǎng),光合作用所產(chǎn)生的大部分碳水化合物用于根系的生長(zhǎng),而發(fā)達(dá)的根系生長(zhǎng)是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的重要基礎(chǔ)[20]。另一方面苜蓿生育前期根瘤菌的固氮能力較弱,不能滿足其生長(zhǎng)需求, 施氮促進(jìn)了苜蓿的生長(zhǎng)[19]。

干物質(zhì)是衡量植物有機(jī)物積累、營(yíng)養(yǎng)成分多寡的一個(gè)重要指標(biāo)[6],受自然環(huán)境條件、栽培手段、管理措施等多種因素的影響[21],其中氮肥的施用是提高苜蓿生物量的有效措施之一。研究發(fā)現(xiàn)施用氮肥可以獲得較高的苜蓿產(chǎn)量,增產(chǎn)約12.4%～22.5%[22]。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)苜蓿生長(zhǎng)前期,各施氮處理可以提高苜蓿生物量,到生長(zhǎng)后期,苜蓿生物量均達(dá)到最高,且施氮處理(N2、N3)生物量差異不顯著,說(shuō)明N2(45 kg/hm2)處理可滿足現(xiàn)有的生物量水平。王茜等[23]在長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)開(kāi)展施氮對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),適量施氮可以促進(jìn)苜蓿生長(zhǎng)和地上部干物質(zhì)積累,過(guò)多施氮不利于地上部干物質(zhì)積累,這與本研究結(jié)果一致。本研究表明不同生育時(shí)期施氮量處理苜蓿生物量累積不斷增加,均在苜蓿盛花期達(dá)到最大值,且N2處理的生物量累積最大。胡偉等[24]研究也證實(shí)了紫花苜蓿產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加,當(dāng)施氮量增加到一定值時(shí),繼續(xù)施用氮肥并未顯著提高苜蓿產(chǎn)量。在苜蓿生產(chǎn)中,人們往往增加氮肥用量來(lái)提高產(chǎn)量,但由于過(guò)多施用氮肥往往不利于地上干物質(zhì)積累,這是由于氮肥用量的增加會(huì)增加氨態(tài)氮的損失并降低對(duì)氮的消耗[25],進(jìn)而導(dǎo)致高氮水平下苜蓿生物量降低。本研究發(fā)現(xiàn)施用氮肥可增加苜蓿生物量累積,N3(67.5 kg/hm2)和N1(22.5 kg/hm2)處理在生長(zhǎng)后期苜蓿生物量增長(zhǎng)速率有明顯下降的趨勢(shì),而N2(45 kg/hm2)在整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期苜蓿生物量增長(zhǎng)速率不斷增加。N2處理下苜蓿延遲刈割可獲得較高生物量,施氮量對(duì)苜蓿最佳刈割時(shí)期的影響有待研究。

氮素積累可直接影響紫花苜蓿營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累和粗蛋白的含量。本研究發(fā)現(xiàn)苜蓿各生育期施氮處理苜蓿氮素含量顯著高于不施氮處理,表現(xiàn)為分枝期到初花期N3(67.5 kg/hm2)處理氮素含量均高于其它處理,到盛花期N2(45 kg/hm2)處理高于其它處理。韓思訓(xùn)等[10]在河北試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用氮肥可以增加苜蓿氮素累積量,王靜等[26]的研究也發(fā)現(xiàn),紫花苜蓿的氮積累量在不同生育時(shí)期內(nèi)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),這與本研究結(jié)果相符。主要因?yàn)樽匣ㄜ俎８蛋l(fā)達(dá),加大根瘤菌侵染的機(jī)會(huì),使其根系形成較多的根瘤,進(jìn)一步增加氮素積累[24],此外,由于過(guò)多的氮素脅迫,會(huì)導(dǎo)致植物生理功能的衰退,進(jìn)而影響植株內(nèi)氮素的轉(zhuǎn)運(yùn),并且過(guò)高的氮環(huán)境還會(huì)對(duì)其結(jié)瘤固氮以及氮素的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生抑制作用,最終導(dǎo)致植株體內(nèi)氮積累量有所減少[26,27]。本研究發(fā)現(xiàn)各施氮處理在苜蓿生長(zhǎng)前期可增加苜蓿氮素吸收量,苜蓿生長(zhǎng)后期氮素吸收量有下降趨勢(shì),且N2處理氮素吸收量達(dá)到最大,這與王靜等[26]研究結(jié)果相符,主要是因?yàn)樵谲俎ＩL(zhǎng)后期本身可以固氮,使得氮素吸收速率有所降低。

4 結(jié)論

與其他施氮處理相比,N2處理趨于增加苜蓿生物量和氮素吸收增長(zhǎng)速率、降低氮素利用效率,實(shí)現(xiàn)氮素累積和氮素利用效率的協(xié)同提高。因此,在科爾沁沙地苜蓿生產(chǎn)中,推薦施用45 kg/hm2作為最佳施氮量利于“減肥增效”的實(shí)現(xiàn)。然而,本研究是在單個(gè)地點(diǎn)且僅在苜蓿建植當(dāng)年開(kāi)展,缺乏區(qū)域尺度和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),減量施用氮肥能否保持苜蓿高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)性生產(chǎn),還有待進(jìn)一步研究。