绿豆在我国已有多年的种植历史,主要集中在东北、华北、黄河、淮河流域及长江下游地区[1]。作为豆科作物,绿豆生长发育所需的氮素部分来源于土壤和肥料,与其共生的根瘤菌通过固氮作用为绿豆提供丰富的氮源。氮素作为生命元素,不仅是蛋白质、核酸等生命物质的组成成分,而且作为叶绿素的重要组分与光合作用速率密切相关,从而影响产量。目前的研究表明施用氮肥具有显著的增产效果[2]。但氮肥的过量施用不仅降低氮肥利用率,也带来严重的环境污染问题。据报道,我国的氮肥利用率只有30%~35%,远低于欧美等发达国家50%~70%的平均水平[3,4,5]。绿豆具有生育期短、抗逆性强、适应性广等特点,一直作为养地和填闲救荒作物。随着国内外绿豆需求量的增加,绿豆种植面积逐渐扩大,成为部分地区广大农民增收的重要经济作物。但绿豆的种植方式依然为传统的粗放型种植,施肥量多数还是凭直观经验,没有可靠的理论依据,从而限制了绿豆产量的提高和品质的提升。虽然对绿豆的氮肥施用效果已有一定研究,但主要集中在西北或东北等镰刀弯地区[6,7,8]。安徽省地处亚热带和温带的交接地带,气候温和,雨量充沛,阳光充足,无霜期较长,与西北或东北地区的种植条件和收获方式都有很大区别。安徽省气候条件非常适宜绿豆生长,绿豆产量占全国总产的4%~8%,著名的明光绿豆畅销国内外,并于2016年成功申请地理标志产品。因此,在安徽省地区开展绿豆氮肥效应研究,对充分发挥根瘤菌固氮能力,指导氮肥合理使用,增加经济效益具有重要意义。通过研究不同氮肥施用量对绿豆叶绿素含量、根瘤菌生长发育和产量等的影响,为安徽省地区绿豆增产和提高氮肥利用效率提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验绿豆品种为安徽省地区生产应用面积较大的优良品种皖科绿3号。供试肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）、硫酸钾（含K2O 51%）。
1.2 试验方法
试验于2018年在安徽省农业科学院作物研究所试验基地进行,土壤基础肥力为有机质21.4g/kg,全氮含量0.8g/kg,速效磷为19.7mg/kg,速效钾为141.6mg/kg,土壤pH为6.8,中等肥力水平。试验设置4个氮肥水平,N0（0kg/hm2）、N1（30kg/hm2）、N2（60kg/hm2）、N3（90kg/hm2）,磷肥和钾肥水平分别为40和30kg/hm2。70%氮肥与磷、钾肥混合后基施,其余氮肥开花前期施入,施肥时将纯养分量换算成小区实际肥料用量。试验采用随机区组设计,每个处理3次重复,小区行长7.5m,行距0.45m,小区面积15m2,播种方式为穴播,种植密度为15万株/hm2,6月15日播种。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 叶绿素含量和植株地上部干物质量测定 分别在苗期（7月5日）、始花期（7月22日）、结荚期（8月2日）和成熟期（8月16日）选取各小区中间位置长势均匀的5株,用便携式叶绿素仪SPAD-502 plus测定各植株相同叶位完全展开叶的叶绿素含量。将植株地上部洗净后,80℃烘干至恒重并称重。
1.3.2 根瘤数量、鲜重和干重的测量 在绿豆结荚期取完整根系洗净后,数根瘤数量、称根瘤鲜重,烘干后称量根瘤干重。
1.3.3 农艺性状的测量 分别调查各处理从播种至开花时的天数（the number of days from sowing to flowering,FD）、生育期（growth period,GP）、株高（plant height,PH）、单株分枝数（branches per plant,BP）、单株荚数（pods per plant,PP）、单荚粒数（seeds per pod,SP）和百粒重（100-seed weight,HSW）。为反映大田实际产量,采用两次收获的方式,小区产量为两次收获的总和。
1.4 数据处理
试验数据用Excel 2007和SPSS 22.0统计分析。
2 结果与分析
2.1 氮肥用量对绿豆生物量的影响
植株地上部干物质量是衡量其物质积累能力的一个指标,对最终经济产量有很大影响。由图1可知,4种氮肥条件下地上部干物质量都表现为随植株生长发育而逐渐增加的趋势,不同氮肥用量对绿豆植株生物量影响较大,氮肥施入可增加植株的地上部干物质量。在苗期和始花期,N3条件下地上部干重分别为7.4和10.7g/株,显著高于其他3个氮肥水平处理;结荚期,不施氮肥植株地上部干重为8.1g/株,明显低于施氮肥条件下的植株干物质量;在成熟期,N0水平地上部干重为25.4g/株,N1、N2和N3水平分别为27.6、32.5和41.4g/株,增幅分别为8.7%、28.0%和63.0%。可见,施用氮肥对植株干物质量的增加较为显著。
图1
图1
不同氮肥用量对地上部干物质积累的影响
不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著,下同
Fig.1
The effects of different nitrogen application on shoot dry matter accumulation
Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level between treatments, the same below
2.2 氮肥用量对叶绿素含量的影响
4种氮肥处理条件下,叶片中叶绿素含量均随着生育进程的推进表现出单峰曲线变化,结荚期为最大值,至成熟期减少（图2）。氮肥用量对叶绿素含量的影响总体表现为高氮处理高于低氮处理。在苗期和始花期,N0条件下,植株叶片表现出淡绿色的缺氮表型,SPAD值分别为37.6和39.5,而施氮处理SPAD值都在40以上。主要是由于这2个时期绿豆根瘤固氮能力不足,需要从土壤中吸收氮素来满足生长要求,所以在这2个时期叶绿素含量表现为随施氮量的增加而增加。在结荚期,随着绿豆根瘤菌的生长发育,固定的氮素逐渐能满足植物体所需,4种氮肥条件下叶片SPAD值均在46左右,各处理间叶绿素含量无明显差异。在成熟期,各处理间叶绿素含量也无显著性差异。本试验条件下,就叶绿素含量来说,N2水平的氮肥施用量可满足绿豆各生育时期对氮素的需求,继续增大施氮量对叶绿素含量的增加不明显。
图2
图2
不同氮肥用量条件下绿豆叶绿素含量的动态变化
Fig.2
Dynamics change of chlorophyll content under different nitrogen application
2.3 氮肥用量对绿豆结瘤的影响
图3
图3
不同施肥水平对绿豆结瘤的影响
Fig.3
The effects of different nitrogen application on mung bean nodulation
2.4 氮肥用量对产量构成要素和氮肥利用效率的影响
本试验中,氮肥用量对生育期性状、单荚粒数和百粒重无显著性影响,对株高、单株分枝数、单株荚数和产量的影响较大（表1）。增加氮肥的用量可促进植株生长,在N3水平下株高为64.7cm,单株分枝数为2.6个/株,均为最大值。但单株荚数随着施氮量的增加表现为先增加后减小的趋势,在N2水平下单株结荚数最多,为26.9个/株,而N3条件下减少为24.2个/株,表明施氮肥过多会抑制绿豆结荚。随着施氮量的增加,产量和氮肥农学利用率也表现出先增加后减少的趋势,在N2水平下达最大值,分别为2 402.0kg/hm2和7.6kg/kg。氮肥偏生产力随着氮肥水平的升高显著下降,在N1水平下最高,为77.9kg/kg。
表1 不同氮肥水平对农艺性状和氮肥利用效率的影响
Table 1
| 处理 Treatment | 播种至开花 时的天数(d) FD | 生育期 (d) GP | 株高 (cm) PH | 单株 分枝数 BP | 单株 荚数 PP | 单荚 粒数 SP | 百粒重 (g) HSW | 产量 (kg/hm2) Yield | 氮肥农学利 用率(kg/kg) AEN | 氮肥偏生 产力(kg/kg) PFPN |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N0 | 41.5a | 62.0a | 56.8c | 1.8b | 21.8b | 10.2a | 6.2a | 2 168.9b | - | - |
| N1 | 42.0a | 63.0a | 61.0b | 2.0b | 25.2a | 10.5a | 6.2a | 2 335.4ab | 5.3b | 77.9a |
| N2 | 42.0a | 63.3a | 61.5b | 2.2ab | 26.9a | 10.3a | 6.3a | 2 402.0a | 7.6a | 40.0b |
| N3 | 42.3a | 64.0a | 64.7a | 2.6a | 24.2ab | 10.6a | 6.3a | 2 233.3b | 1.9c | 24.8c |
Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level between treatments
注：不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著
3 结论与讨论
本研究中,施氮可促进绿豆地上部生物量的增加,主要是由于株高的增加和单株分枝数的增多,较高的生物量是提高经济产量的基本保证。邢宝龙等[6]的研究结果也表明增施氮肥有助于增加绿豆分枝数,但氮肥的过量施用会表现出抑制效果。该结论与本研究结果相偏离,可能是由于本试验中最高氮肥施用量未达到抑制效果产生时的阈值。氮素是叶绿素的重要组成部分,氮素的营养水平与叶绿素含量密切相关,故在生产实践和研究工作中,常用叶绿素含量来衡量植物的营养状况[10]。增施氮肥可提高叶绿素含量,同时可延长作物光合作用持续时间,从而提高产量[11]。尤其在绿豆生育前期,根瘤尚未发育完全,固氮量不能满足自身生长的需求,需要从外界环境中吸收氮素。所以在生育前期外施氮肥提高土壤中的氮素含量,有利于绿豆保持较高的叶绿素含量,对提高叶片光合作用具有重要意义。本研究结果表明,对于叶绿素含量这个指标,60kg/hm2氮肥施用量可满足绿豆各时期对氮素的需求。前人研究表明,豆科作物如大豆、花生和蚕豆根瘤的生长发育易受外源氮素水平的影响,氮肥过量施用对根瘤的形成具有抑制作用[12,13,14]。而适量增施氮肥可提高根瘤的数量、鲜重和干重,原因可能是适度的氮肥用量促进了根系的生长发育,为根瘤提供更大的生长空间。本研究中,N1氮肥水平下,根瘤数量、鲜重和干重均高于其他处理,但该条件下产量未达最大值,表明根瘤的生长发育状况与最终产量并非简单的线性关系。进一步分析发现,虽然N0与N2、N3条件下根瘤数量上无显著性差异,但在N0氮肥水平下,单个根瘤体积和质量增大,根瘤的鲜重比N2和N3水平下分别增加39.4%和91.1%,干重分别增加24.8%和73.5%。由此可见,外界高水平的氮素对绿豆根瘤生长的抑制作用主要表现为抑制体积的增大。
百粒重和单荚粒数是重要的产量构成要素,本研究发现施氮量对这2个性状的影响较小,表明这2个性状主要由遗传因素决定,受外界环境的影响较小。单株荚数、产量和氮肥农学利用率随施氮量的增加都表现出抛物线状变化趋势,与邢宝龙等[6]和陈剑等[15]的研究结果一致。在施氮肥60kg/hm2条件下,植株单株荚数最多,产量最高,较N0水平增产10.7%。但该条件与邢宝龙等[6]和陈剑等[15]研究得出的150kg/hm2的最佳氮肥水平差异较大,表明绿豆的氮肥施用量需因地制宜。氮肥过量施用使植株茎、叶干物质量在生育后期积累过多,而干物质向荚的分配率低,结荚较少,造成减产,该结果也表明氮肥效应主要通过调控单株荚数影响最终产量。过高的氮肥用量也使植株营养生长过旺,贪青晚熟,本试验中施氮处理与N0相比,生育期延迟1~2d。氮肥的偏生产力可反映单位施肥量的作物产量。从试验结果可以看出,随着施氮量的增加氮肥的偏生产力显著下降,在30kg/hm2氮肥水平下氮肥偏生产力最大,主要是由于该条件下施用较少的氮肥可以显著提高产量,而继续增施氮肥无法大幅度提高产量。氮肥偏生产力表明了氮肥施用量与产量的关系,氮肥农学利用率更能说明氮肥的增产效应及氮肥的利用率[16]。因此,就产量和氮肥农学利用率而言,60kg/hm2的氮肥用量为皖科绿3号在安徽省地区的最佳氮素水平。由于不同地区气候条件与土壤坏境差异较大,且品种间结瘤能力和氮肥利用率也不相同,因此需系统、科学研究绿豆氮肥施用量,平衡好绿豆自身固氮水平、氮肥用量和最终经济产量三者之间的关系,提高绿豆结瘤固氮能力的同时,确定最适宜的氮肥用量,从而获得较高的产量,提高经济效益。
参考文献
氮肥施用方式对耐盐冬小麦干物质积累和氮素吸收利用的影响
硅虽然不是植物生长发育必需的矿质营养元素，但是硅在减轻植物多种生物和非生物胁迫，以及提高植物对病菌的抵抗能力等方面起到重要作用。施硅可以显著的抑制水稻稻瘟病、纹枯病、白枯病、胡麻叶斑病，小麦、黄瓜、番茄等植物白粉病，以及作物根腐病、锈病等多种病害的发生。关于硅调节植物抗病性的机理，首先提出了 机械或物理屏障假设，认为施硅促进了细胞硅化作用的增强，细胞壁角质-硅双层以及表皮细胞乳突的形成，对病菌的入侵起到了物理防御作用。但随着研究的深入，发现物理屏障并非唯一机制，而后提出了硅积极参与了生物化学防御过程，发现硅可以诱导感病植物产生酚醛类抗毒素物质，提高感病植物中病程相关蛋白酶的活性。因此，推断认为硅在植物对病菌的抵抗能力中起着积极的诱导调节作用。随着现代分子技术的发展，从基因组、转录组水平对其防御机制进行了阐明。研究认为硅通过主动的上调感病植物防卫基因及病程相关蛋白基因的表达，以应对病菌侵染。但是硅在调节植物胁迫信号转导方面的机制还需要深入的研究。
Enhanced nitrogen deposition over China
DOI:10.1038/nature11917 [本文引用: 1]
我国农田氮肥施用现状、问题及趋势
DOI:10.11674/zwyf.2014.0401
Magsci
[本文引用: 1]
<p>氮素在作物产量和品质形成中起着关键作用。本文综述了什么是合理施氮，包括施氮量、 施氮方法和时期，也包括与有机肥和秸秆还田措施的配合等。指出我国农田氮肥施用的主要问题是施肥过程和施肥后的严重损失。依据农户调查所获得的田块尺度施氮量，与田间试验合理施氮量对比分析表明，过量施氮田块占总调查田块的大约33%。依据区域尺度单位播种面积平均施氮量，与作物平均推荐施氮量对比分析表明，全国过量施氮面积占播种面积20%、 合理面积占70%、 不足面积占10%。总体而言，过量施氮现象还相当普遍，特别是在蔬菜和果树等经济作物上。本文提出了一种估算国家尺度氮肥需求量的方法，可估算出全国合理需氮量范围，称之为氮肥需求量估算法。用三种不同方法估算的我国19802010年间的氮肥需求量与实际氮肥使用量比较表明，如仍然依照现在的粗放施肥习惯，应该为现在的实际氮肥使用量，5年平均为N 27.9×10<sup>6</sup> t 左右，正好处于合理需氮量范围的中线。在改善施肥技术基础上，我国2006~2010年间5年氮肥平均使用量应该在N 19.6×10<sup>6</sup> t 左右；用五种方法预测的我国未来氮肥需求量表明，如果改善施肥技术，我国2020、 2030、 2050年合理氮肥需求量分别为N 21.0×10<sup>6</sup> t、 21.7×10<sup>6</sup> t、 23.1×10<sup>6</sup> t；如施肥技术得不到实质性改善，依然粗放施氮，则氮肥需求量应处于合理使用量范围的中线，分别为N 30.4×10<sup>6</sup> t、 31.4×10<sup>6</sup> t、 33.4×10<sup>6</sup> t。进一步分析了我国粮食产量和氮肥施用量与美国和西欧的差异，我国农田有机肥和碳投入对增加土壤有机碳氮库的重要性。</p>
氮肥用量和密度对双季稻产量及氮肥利用率的影响
DOI:10.11674/zwyf.2015.0324
Magsci
[本文引用: 2]
<p>【目的】 高量化肥投入不仅不能使作物产量进一步增加,相反还会造成肥料资源的浪费并威胁到生态环境安全,同时导致肥料吸收利用率、农学效率等不断降低。为了明确氮肥用量和移栽密度的相互作用,在田间试验条件下研究了不同氮肥用量和移栽密度组合对江西双季稻产量、产量构成要素及氮肥利用率的影响,以期为双季稻的高产高效栽培技术提供理论基础。【方法】 采用裂区试验设计,以氮肥施用量为主区,密度为副区,设4个施氮水平(N 0、135、180和225 kg/hm<sup>2</sup>,以N0、N135、N180和N225表示)和4种移栽密度(21×10<sup>4</sup>、27×10<sup>4</sup>、33×10<sup>4</sup>、39×10<sup>4</sup> hole/hm<sup>2</sup>,以D21、D27、D33和D39表示)组合,在水稻成熟期对产量以及产量构成要素进行测定,并分析其吸氮量和氮肥利用率、氮收获指数等指标。【结果】 施氮水平和移栽密度对水稻产量具有显著影响;增加移栽密度有助于提高单位面积水稻的有效穗数、稻谷产量和地上部吸氮量;在高施氮量下,水稻氮素积累总量增加,而氮素吸收利用率(REN)、氮素偏生产力(PFPN)、氮素生理利用率(PEN)、氮素内在养分效率(IEN)和氮素收获指数(NHI)降低;氮素农学效率(AEN)则是先升高后降低,而产量并未增加。与其它处理组合相比,施氮量为180 kg/hm<sup>2</sup> 和39×10<sup>4 </sup>hole/hm<sup>2</sup>密度的组合产量最高,早稻和晚稻分别为9823.0和11354.7 kg/hm<sup>2</sup>,此时早稻和晚稻的氮素吸收率分别为42.4%和47.5%。当施氮量超过180 kg/hm<sup>2</sup>时产量则不再增加,但产量随着移栽密度的增加而显著增加。【结论】 合理氮肥用量和移栽密度可以显著增加水稻单位面积的有效穗数和氮累积量,进而增加水稻产量和氮肥利用率,建议在江西双季稻栽培中采用施氮量为N 180 kg/hm<sup>2</sup>,栽培密度39×10<sup>4</sup> hole/hm<sup>2</sup>的组合。</p>
Nitrogen dynamics and the physiological basis of stay-green in sorghum
DOI:10.2135/cropsci2000.4051295x URL [本文引用: 1]
