王茜，紀樹仁，沈益新

(南京農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，江蘇 南京210095)

土壤水分和施氮水平對紫花苜蓿苗期生長的互作效應分析

王茜，紀樹仁，沈益新*

(南京農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，江蘇 南京210095)

土壤水分含量對作物施肥效應有重要影響。為了研究長江中下游農(nóng)區(qū)土壤條件下施氮對紫花苜蓿生長的影響，探究土壤水分和施氮水平的互作效應，進行了盆栽半控制試驗。試驗采用兩因素隨機區(qū)組設計，設置了3個土壤水分水平(分別為50%、70%、90%的最大持水量)和4個施氮水平(0、90、180和270 kg/hm2)。結(jié)果表明,在施氮量一定的條件下，適當提高土壤水分含量，紫花苜蓿苗期生長、地上部干物質(zhì)積累及氮素利用率均呈現(xiàn)增加的趨勢。在相同土壤水分水平下，適量施氮可以促進紫花苜蓿生長、地上部干物質(zhì)積累及氮素的利用，但是過多施氮不利于地上部干物質(zhì)積累及氮素利用率的提高。土壤水分和施氮水平具有顯著的互作效應?；貧w分析結(jié)果表明，施氮效應因土壤水分含量升高而顯著增大；適宜的施氮量也因土壤水分含量升高而增大。因此，土壤缺水的地區(qū)或季節(jié)，施肥與灌溉應同步進行；土壤水分含量較高的長江中下游農(nóng)區(qū)，適當增施氮肥有利于紫花苜蓿高產(chǎn)，并提高氮素利用率。

紫花苜蓿；土壤水分；施氮；互作效應；干物質(zhì)積累；氮素利用率

合理的水肥管理對紫花苜蓿產(chǎn)量及水分和氮素利用率的提高至關重要[1]。土壤水分和氮素水平對紫花苜蓿(Medicagosativa)生長的影響是由兩者單因素效應及其互作效應共同決定的[2]。由于單因素實驗操作較簡單且容易控制，導致在現(xiàn)有成果中進行單因素效應研究的工作較多。大量研究表明，在干旱地區(qū)，合理灌溉可以促進紫花苜蓿的生長，顯著提高飼草產(chǎn)量并改善飼草品質(zhì)[3]。合理施氮，尤其在紫花苜蓿苗期和生長旺盛時期施肥，能顯著提高飼草產(chǎn)量[4]。然而土壤水肥在紫花苜蓿生長發(fā)育過程中，既有其各自特殊的作用，又相互聯(lián)系，影響彼此間效應的發(fā)揮。土壤水分供應不協(xié)調(diào)不能充分發(fā)揮氮肥的肥效，氮素供應不足也不利于充分發(fā)揮水分的增產(chǎn)作用。如何實現(xiàn)土壤水分和氮素的高效利用，一直是紫花苜蓿高效栽培技術的研究重點。由于試驗材料、生態(tài)條件和生育期的差異，至今研究結(jié)果未有統(tǒng)一定論[5-8]。

科研工作者在土壤水分和施氮水平對作物生長和產(chǎn)量的影響方面已做了大量工作。丁紅等[9]研究表明，在干旱脅迫下，增施氮肥可以改善花生根系的生長，提高花生產(chǎn)量。石珊珊等[10]研究表明，灌水對小麥籽粒產(chǎn)量的影響大于氮肥，增施氮肥可以明顯彌補水分虧缺造成的影響。紫花苜蓿與其他作物一樣，水氮對其生長具有互補作用。尹輝[11]研究表明，在節(jié)水20%灌溉時，適量施氮有利于提高紫花苜蓿干草產(chǎn)量，并提高水分利用率。馮萌等[12]研究表明，適宜的水氮互作可提高河西走廊紫花苜蓿的地上地下生物量比值和水分利用率。但是，我國目前能查詢到的有關紫花苜蓿水氮互作的研究報道較少，且主要集中于干旱半干旱地區(qū)。近年來，我國南方農(nóng)區(qū)種植紫花苜蓿逐年增多。在南方氣候濕潤，土壤水分含量高的農(nóng)田生態(tài)條件下，土壤水分和施氮水平互作對紫花苜蓿生長具有怎樣的影響？至今尚未見報道。本研究以適合我國南方種植的非秋眠級紫花苜蓿品種為試驗材料，盆栽分析了土壤水分和施氮水平對其苗期生長，及對水分和氮素利用率的效應，旨在明確長江中下游農(nóng)區(qū)農(nóng)田土壤條件下施肥對紫花苜蓿生長的影響，為該地區(qū)紫花苜蓿的高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)和實驗支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用上口徑22 cm、下口徑18 cm、高24 cm的聚乙烯花盆進行。每盆裝過0.5 cm篩的干土與河沙混合物(2∶1,V∶V)7 kg。供試的混合土壤含有機質(zhì)17.6 g/kg，全氮1.01 g/kg，速效磷6.68 mg/kg，速效鉀78.60 mg/kg；pH值為6.61。供試紫花苜蓿品種為“賽迪7”(Sadie 7)，由百綠國際草業(yè)公司提供。該品種秋眠級為7，是長江中下游農(nóng)區(qū)推廣種植的主要高產(chǎn)品種之一。施用肥料為尿素(含N 46%)。

1.2 試驗設計

試驗于2015年和2016年9月在南京農(nóng)業(yè)大學牌樓試驗基地溫室(不加溫)內(nèi)進行。于9月11日播種，齊苗后每盆定苗20株。試驗采用隨機區(qū)組設計，設土壤水分含量和施氮量2個因素。土壤水分含量設3個水平：W1(保持土壤水分含量為最大持水量的50%)、W2(保持土壤水分含量為最大持水量的70%)、W3(保持土壤水分含量為最大持水量的90%)；施氮量設4個水平(以純氮計)：N0(CK，不施氮)、N1(90 kg/hm2)、N2(180 kg/hm2)、N3(270 kg/hm2)。每個處理3次重復。待小苗第一片真葉完全展開后進行水分和氮肥處理。采用稱重法控制水分。

1.3 測定項目與方法

1.3.1生長性狀的測定 取樣前每盆取長勢一致的10株植株測量分枝數(shù)。收割這10株地上部分，分離莖葉。采用圖像像素法[13]計算單株葉面積。置105 ℃鼓風干燥箱殺青30 min，再于65 ℃下烘干至恒重，稱重。同時在每盆內(nèi)取5株植株測量株高(拉直植株，測量從根部到最高處的垂直高度)。

1.3.2葉片光合氮素利用率和水分利用率的測定與計算 使用LI-6400便攜式光合儀(LI-COR，Lincoln，美國)，在晴朗無云的上午8:30-11:30，測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)等光合生理參數(shù)。用凱氏定氮法測定葉片N含量。光合氮素利用率(PNUE)為凈光合速率與葉片氮素含量的比值，即：PNUE=Pn/N[14]。葉片水分利用率(WUE)用公式：WUE=Pn/Tr計算[15]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

以每盆植株的平均值作為統(tǒng)計分析的觀測值，采用IBM 公司(Chicago，美國)的SPSS 22.0版分析軟件進行兩因素方差分析和相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地上部生長

土壤水分和施氮水平對紫花苜蓿的株高、一次分枝數(shù)、單株葉面積及地上部干重均有極顯著影響(P<0.001)，且土壤水分和施氮水平兩因素間存在顯著的互作效應(P<0.05)(表1)。兩年試驗的趨勢基本一致。

當施氮量一定時，提高土壤水分含量(不超過土壤最大持水量的90%)可以促進紫花苜蓿苗期地上部生長。W3水平與W1水平相比，施氮水平N0、N1、N2、N3的地上部干重分別增加了73.26%，88.76%，143.75%和171.92%(2015)。表明在相同施氮量下，提高土壤水分含量對紫花苜蓿的地上部生長有促進作用。

施氮對紫花苜蓿苗期地上部生長有明顯的促進作用，但不同土壤水分水平下，地上部生長對施氮量的響應有顯著差異。在W1水平下，N1的各性狀高于其他施氮水平，2016年差異更為顯著(P<0.05)。與不施氮的對照相比，2015年N1的株高、一次分枝數(shù)、單株葉面積及地上部干重增幅分別為17.84%，5.42%，0.11%和3.89%，2016年N1的增幅分別為16.48%，10.53%，9.05%和30.54%。在W2水平下，N1的株高、一次分枝數(shù)、單株葉面積及地上部干重達到所有施氮水平的最大值，與不施氮的對照相比，2015年N1的株高、一次分枝數(shù)、單株葉面積及地上部干重增幅分別為5.55%，22.22%，23.83%和16.96%，2016年N1的增幅分別為8.39%，21.66%，26.13%和28.06%。在W3水平下，N2的株高、一次分枝數(shù)、單株葉面積及地上部干重達到所有施氮水平的最大值，與不施氮的對照相比，地上部干重增幅為36.25%(2015)和19.39%(2016)。

為了分析增施氮肥對不同土壤水分水平下紫花苜蓿地上部生長的影響，我們對W1、W2、W3水平下植株地上部干重測定值進行了數(shù)學模擬，建立了不同土壤水分水平下地上部干重(y)和施氮量(x)之間的回歸模型y=ax3+bx2+cx+d，并利用回歸模型計算了各土壤水分水平下獲得最高地上部干重所需的最優(yōu)施氮量(圖1)。從擬合曲線可以看出，在不同土壤水分水平下，紫花苜蓿的生長對施氮量的響應有顯著差異。兩年試驗結(jié)果顯示，隨著土壤水分含量的提高，地上部干重最大值對應的施氮量逐漸增大。在W1、W2、W3水平下，地上部最大干重對應的施氮量分別為90.70，113.79，188.07 kg/hm2(2015)及81.26，106.35，179.24 kg/hm2(2016)。試驗結(jié)果和擬合結(jié)果均表明，隨著土壤水分含量提高，氮肥效應增大。

2.2 水分和氮素利用率

兩年試驗中，土壤水分和施氮水平對苗期葉片的水分利用率(WUE)均有極顯著影響(P<0.001)，且土壤水分和施氮水平兩因素間存在顯著的互作效應(P<0.05)(表2)。在施氮水平一定時，W2水平的WUE均高于W1、W3水平。在不施氮水平N0下，W1、W3水平的WUE比W2水平分別降低了2.86%和21.62%(2015)，2016年分別降低了3.77%和7.55%。在N1水平下，W1、W3水平的WUE比W2水平分別降低了5.13%和22.09%(2015)，2016年分別降低了2.39%和7.69%。說明在不施氮或者施氮量一定的條件下，土壤水分含量的適當提高(不超過土壤最大持水量的70%)有利于水分的高效利用；土壤水分含量過高，WUE降低。

適當施氮可促進WUE的提高，但不同土壤水分水平下水分利用對施氮的響應規(guī)律不同。在W1水平下，N1的WUE高于N0，增幅為1.05%(2015)和3.08%(2016)，但繼續(xù)增施氮肥則WUE降低；在W2水平下，N1的WUE高于其他施氮水平，與不施氮的對照相比，增幅為3.47%(2015)和1.62%(2016)；在W3水平下，N2的WUE達到所有施氮水平的最大值，與不施氮的對照相比，增幅為3.13%(2015)和2.33%(2016)。兩年WUE均以W2N1處理最高。說明土壤水分含量較低時，適量施氮提高WUE；過量施氮和提高土壤水分含量(超過土壤最大持水量的70%)并不利于水分的高效利用。

表1 土壤水分和施氮水平對苗期地上部生長的影響Table 1 Effects of soil moisture and nitrogen levels on shoot growth of alfalfa seedlings

W：水分處理；N：施氮處理；W×N：水氮互作。NS表示無顯著性差異，*顯著水平為P<0.05，**顯著水平為P<0.01，***顯著水平為P<0.001。同列不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

W: Water treatment; N: Nitrogen treatment; W×N: Water-nitrogen interaction. NS: Non-significant; *significant at the 0.05 level of probability; ** significant at the 0.01 level of probability; *** significant at the 0.001 level of probability. Different letters in the same column indicate a significant difference among treatments(P<0.05). The same below.

圖1 紫花苜蓿苗期地上部干重對施氮量及土壤水分含量的反應曲線Fig.1 Response curve of shoot dry weight of alfalfa seedlings under different nitrogen and soil moisture levels ↓指示施氮的最大效應值。↓indicates the maximum nitrogen fertilizer effects.

兩年試驗中，土壤水分和施氮水平對苗期葉片光合氮素利用率(PNUE)均有極顯著影響(P<0.001)，且土壤水分和施氮水平兩因素間存在顯著的互作效應(P<0.05)(表2)。在施氮水平一定時，W3水平的PNUE均顯著高于W1水平(P<0.05)。說明提高土壤水分含量(不超過土壤最大持水量的90%)可以促進氮素的高效利用。在W1、W2水平下，施氮90 kg/hm2(N1)時PNUE達到所有施氮水平的最大值，在此基礎上，繼續(xù)施氮反而會導致PNUE降低；在W3水平下，N1、N2的PNUE高于N0，增幅分別為4.04%和5.26%(2015)，2016年增幅分別為1.64%和2.13%。兩年試驗中，均在W3N2處理獲得最大的PNUE。

2.3 地上部干重、水分和氮素利用率的回歸分析

經(jīng)多元線性回歸分析可知(表3)，2015年土壤水分水平對地上部干重、WUE和PNUE的貢獻率分別為93.6%，76.1%，89.5%；施氮水平對地上部干重、WUE和PNUE的貢獻率分別為10.5%，4.1%，27.9%；2016年土壤水分水平對地上部干重、WUE和PNUE的貢獻率分別為91.9%，54.4%，64.4%；施氮水平對地上部干重、WUE和PNUE的貢獻率分別為19.5%，30.6%，20.3%。兩年試驗均表明，土壤水分和施氮水平對地上部干重、WUE和PNUE呈正向互作效應。決定紫花苜蓿地上部干重、WUE和PNUE的因子主要為土壤水分水平。

表2 土壤水分和施氮水平對紫花苜蓿苗期水分和氮素利用率的影響Table 2 Effects of soil moisture and nitrogen levels on water and nitrogen use efficiency of alfalfa seedlings

WUE： Water use efficiency； PNUE： Photosynthesis nitrogen use efficiency. 下同The same below.

3 討論

大量研究表明，灌水和施氮都能顯著增加紫花苜蓿產(chǎn)量[16-17]。本試驗結(jié)果表明，在施氮量一定的條件下，適當提高土壤水分含量(土壤最大持水量的70%～90%)， 紫花苜蓿苗期生長及地上部干物質(zhì)積累增加， 并可提高紫花苜蓿的水分利用率。地上部干重與土壤水分含量及施氮量的回歸分析結(jié)果(表3)表明，決定紫花苜蓿地上部干物質(zhì)積累的因子主要為土壤水分水平。紫花苜蓿是一種耗水極強的作物，合成干物質(zhì)需要蒸騰消耗相當多的土壤水分[18]。在不施氮水平或施氮水平較低的條件下，適當提高土壤水分含量，可以促進紫花苜蓿苗期的生長及地上部干物質(zhì)積累。因此，土壤水分含量較低時，適當灌溉是促進紫花苜蓿生長及干物質(zhì)積累的首要措施。

表3 土壤水分和施氮水平對紫花苜蓿苗期地上部干重、水分和氮素利用率的影響Table 3 Effects of soil moisture and nitrogen levels on shoot dry weight, water and nitrogen use efficiency of alfalfa seedlings

在相同土壤水分水平下，適量施氮也可以促進紫花苜蓿生長及地上部干物質(zhì)積累，但是過多施氮則肥效反而降低。在一定的土壤水分條件下，適量施氮可以增加氣孔導度，增大單株葉面積，提高光合速率[19]，積累更多的光合產(chǎn)物；但施氮過多，土壤溶質(zhì)勢有所提升，從而降低作物的蒸騰量及氣孔導度[20]，降低光合速率[21]。所以，適量施氮是紫花苜蓿高產(chǎn)栽培的重要措施。

施氮必須與灌水相匹配，才能使肥效最大化[22]。本試驗結(jié)果表明，土壤水分和施氮水平對紫花苜蓿生長及地上部干物質(zhì)積累有顯著的互作效應。土壤水分含量較低時，施氮效應較?。浑S著土壤水分含量的提高，相同施氮量的肥料效應顯著放大。這可能與土壤水分含量高促進作物的根系發(fā)育，增加養(yǎng)分吸收量和加快養(yǎng)分運輸[23-24]，促進氮素的吸收及PNUE升高(表2)有關。本試驗結(jié)果還表明，當土壤水分含量逐漸提高時，地上部干物質(zhì)積累量最大值對應的施氮量逐漸增大(圖1)。這一結(jié)果在番茄、燕麥、大豆等作物上也有類似的結(jié)論[25-27]?？梢?，充足的土壤水分有利于肥效的充分發(fā)揮，適宜的施肥量因土壤水分含量而有差異。土壤缺水的地區(qū)或季節(jié)，施肥與灌溉應同步進行；土壤水分含量較高的長江中下游農(nóng)區(qū)，適當增施氮肥有利于紫花苜蓿高產(chǎn)，并提高氮素利用率。

4 結(jié)論

適當提高土壤水分含量(不超過土壤最大持水量的90%)和適量施氮都能促進紫花苜蓿生長及地上部干物質(zhì)積累，且土壤水分和施氮水平具有顯著的互作效應。施氮效應因土壤水分含量升高而顯著增大；適宜的施氮量也因土壤水分含量升高而增大。因此，土壤缺水的地區(qū)或季節(jié)，施肥與灌溉應同步進行；土壤水分含量較高的長江中下游農(nóng)區(qū)，適當增施氮肥有利于紫花苜蓿高產(chǎn)，并提高氮素利用率。

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Interactiveeffectsofsoilmoistureandnitrogenapplicationrateonseedlinggrowthofalfalfa

WANG Qian, JI Shu-Ren, SHEN Yi-Xin*

CollegeofPratacultureScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China

Soil moisture significantly affects crop response to fertilizer application. This study investigated the effect of nitrogen application on the growth of alfalfa (Medicagosativa) in the middle and lower reaches of the Yangtze River and evaluated the interaction between soil moisture and nitrogen application rate effects with a semi-controlled pot experiment conducted in Nanjing. The experiment included three soil moisture levels (50%, 70% and 90% of maximum water holding capacity) and four nitrogen application rates (0, 90, 180, 270 kg/ha). Dry matter accumulation and nitrogen use efficiency increased with increasing soil moisture level. Under the same soil moisture level, dry matter accumulation and nitrogen use efficiency increased with appropriate N application rates, but decreased with excess nitrogen application. The interaction effect between soil moisture and nitrogen application rate was statistically significant. The effect of fertilizer nitrogen was significantly enhanced at higher soil moisture levels. With increased soil moisture, the effect of nitrogen application at moderate rates was also enhanced. Therefore, when soil moisture level is lower, nitrogen application should be carried out with irrigation. In the middle and lower reaches of the Yangtze River where there is high soil moisture, more nitrogen application could increase forage yield and nitrogen use efficiency of alfalfa.

alfalfa; soil moisture; nitrogen application; interaction effects; dry matter accumulation; nitrogen use efficiency

10.11686/cyxb2017079http//cyxb.lzu.edu.cn

王茜, 紀樹仁, 沈益新. 土壤水分和施氮水平對紫花苜蓿苗期生長的互作效應分析. 草業(yè)學報, 2017, 26(12): 48-55.

WANG Qian, JI Shu-Ren, SHEN Yi-Xin. Interactive effects of soil moisture and nitrogen application rate on seedling growth of alfalfa. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(12): 48-55.

2017-03-02；改回日期：2017-04-10

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201403048)資助。

王茜(1992-)，女，山西忻州人，在讀碩士。E-mail：15996275501@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail：yxshen@njau.edu.cn