李翔鵬 李方豪 紀(jì)鴻飛 聶堂哲

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

谷子，被譽(yù)為“百谷之長(zhǎng)”，在我國(guó)已有6000～7000a的栽培史，一直是我國(guó)北方的主要作物[1]。20世紀(jì)，人們對(duì)高產(chǎn)作物需求量過(guò)大，導(dǎo)致我國(guó)谷子的種植面積急劇減少，人均小米消費(fèi)量曾不到解放初期的1/10[2]。改革開放以來(lái)，人民生活水平穩(wěn)步提高導(dǎo)致其飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的改變。相較于過(guò)去對(duì)食品數(shù)量的需求，越來(lái)越多的人選擇了營(yíng)養(yǎng)健康、安全衛(wèi)生的消費(fèi)趨向。可以預(yù)見，營(yíng)養(yǎng)和生態(tài)導(dǎo)向型農(nóng)業(yè)將成為我國(guó)農(nóng)業(yè)新的發(fā)展方向[3]。谷子具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，包含蛋白質(zhì)、胡蘿卜素、膳食纖維和多種維生素，并兼有保護(hù)心血管的保健和藥用功能[4]，深受廣大消費(fèi)者的歡迎。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10a中國(guó)谷子種植效益總體呈上升趨勢(shì)[2]，農(nóng)民具有強(qiáng)烈的種植意愿。現(xiàn)今我國(guó)谷子常年播種面積約133.3萬(wàn)hm2，年總產(chǎn)量約為1000萬(wàn)t[5]，為我國(guó)的糧食安全作出重要貢獻(xiàn)，也是我國(guó)貿(mào)易出口的主要雜糧作物。

黑龍江省是我國(guó)谷子主產(chǎn)區(qū)之一。長(zhǎng)期以來(lái),由于谷子耐瘠特點(diǎn)突出,導(dǎo)致在施肥對(duì)谷子產(chǎn)量和生長(zhǎng)的影響方面研究較少[6]。農(nóng)民種植經(jīng)驗(yàn)較少，沒(méi)有科學(xué)合理的種植指導(dǎo)，部分谷子產(chǎn)區(qū)由于化肥過(guò)量施用，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，使耕地質(zhì)量下降、土地肥力降低[7]。近幾年來(lái)，不少學(xué)者研究當(dāng)?shù)仄贩N谷子生長(zhǎng)對(duì)水、肥的響應(yīng)情況。代小冬[8]提出，谷子生產(chǎn)中，應(yīng)該在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上提高肥料利用效率。于肖[9]認(rèn)為，可以通過(guò)合理的氮肥施用促進(jìn)谷子生長(zhǎng)的水氮代謝作用，使谷子光合產(chǎn)物增加、谷粒營(yíng)養(yǎng)成分積累，以提高谷子產(chǎn)量和品質(zhì)。

于亞軍發(fā)現(xiàn)[10]，在寧南地區(qū)豐水年條件下，高肥水平(N 180kg·hm-2，P2O5162kg·hm-2)可以使谷子產(chǎn)量達(dá)到峰值，中肥水平(N 120kg·hm-2，P2O5108kg·hm-2)使谷子水分利用效率達(dá)到峰值。施用化肥可明顯提高作物產(chǎn)量及水分利用效率。為探究雨養(yǎng)條件下黑龍江省谷子產(chǎn)量及耗水對(duì)氮肥的響應(yīng)情況，本文運(yùn)用大田試驗(yàn)的方式，分析不同氮肥條件對(duì)谷子的干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量及耗水規(guī)律的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大田試驗(yàn)于2021年5—9月在黑龍江省哈爾濱市香坊區(qū)信義村進(jìn)行，試驗(yàn)田地處(N45°44′、E126°44′)，其所在地氣候類型為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均降水量為569.1mm。土壤類型為黑鈣土，其養(yǎng)分含量較高，適于多種農(nóng)作物種植。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

全生育期設(shè)置4個(gè)氮肥施用水平：0kg·hm-2、50kg·hm-2、100kg·hm-2、150kg·hm-2(N1、N2、N3、N4),每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積為6.5m×12m=78m2。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列。谷子采用單壟種植，壟寬65cm，株距4cm。谷子品種為黑龍江省常用谷種“龍谷25”，試驗(yàn)所用氮肥為含46% N的尿素、含16% P2O5的過(guò)磷酸鈣、含50% K2O的硫酸鉀。各小區(qū)施入磷肥593.75kg·hm-2(P2O5：95kg·hm-2)、鉀肥110kg·hm-2(K2O：55kg·hm-2)作為底肥，全部一次性施入試驗(yàn)田，氮肥1/3作為底肥施入，余下2/3尿素于谷子拔節(jié)期后開溝施入，試驗(yàn)在雨養(yǎng)條件下進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 谷子各時(shí)期干物質(zhì)積累量

于各生育期末，取各小區(qū)完整谷子植株，除去浮土，在烘箱中105℃殺青30min后，將谷子葉、莖、鞘、穗等器官分離，烘箱調(diào)制65℃累計(jì)烘干8h，稱量谷子各器官樣本重量，進(jìn)行匯總整理。

1.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

將各小區(qū)成熟期谷穗剪下，自然條件下風(fēng)干、脫粒、稱重，并從各小區(qū)中任意選取5根谷穗，測(cè)量其穗長(zhǎng)、穗徑、穗重、單穗粒重。在脫粒好的谷子中任意數(shù)出1000粒谷粒進(jìn)行稱重，每個(gè)小區(qū)重復(fù)3次，取平均值，記為千粒重。

1.3.3 水分利用效率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率及氮肥偏生產(chǎn)力

在生育期內(nèi)，用土鉆每4～7d鉆取各小區(qū)不同土層土壤樣本(每隔10cm土層即鉆取一次，每小區(qū)均鉆取0～60cm土壤)，放入烘箱中烘干，稱量烘干前后的土壤樣本重量，降雨前后加測(cè)，利用稱重法計(jì)算土壤含水率。利用農(nóng)田水分平衡方程計(jì)算谷子消耗水量。

作物耗水量(ETc，mm)計(jì)算公式：

ETc=P+I+ΔW-R-D

(1)

式中，P為降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔW為土壤水分變化量，mm；R為地表徑流，mm；D為滲漏量，mm。

水分利用效率(WUE，kg·m-3)計(jì)算公式：

(2)

式中，Y為試驗(yàn)小區(qū)單位面積產(chǎn)量，kg·hm-2；ETc為單位面積上實(shí)際測(cè)算的蒸發(fā)蒸騰量，mm。

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(AEN,kg·kg-1)計(jì)算公式：

(3)

式中，Ya為施氮處理谷子產(chǎn)量，kg·hm-2；Yb為不施氮處理谷子產(chǎn)量，kg·hm-2；Na為施氮量，kg·hm-2。

氮肥偏生產(chǎn)力(PFP,kg·kg-1)計(jì)算公式：

(4)

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖工作。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷子各生育期干物質(zhì)積累量

谷子各生育期干物質(zhì)積累量如圖1所示，谷子干物質(zhì)積累量整體表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，灌漿末期達(dá)到峰值，為28.79～31.26g,成熟期的干物質(zhì)積累量較灌漿期有所減少，減少值為1.02～3.64g。抽穗期到灌漿期的干物質(zhì)積累增量最大，達(dá)到了13.59～14.43g，這是由于谷子營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為生殖生長(zhǎng)的過(guò)程中，產(chǎn)生了穗這一器官，且谷穗質(zhì)量于灌漿期不斷增加。

圖1 谷子干物質(zhì)積累量

在抽穗期前，谷子干物質(zhì)積累量從大到小分別為N3>N4>N2>N1；抽穗期追肥后，干物質(zhì)積累量從大到小分別為N2>N4>N3>N1，最高為31.87g。這是由于在谷子抽穗期前，N3處理的氮肥施量最適合谷子營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，氮肥施量過(guò)高(N4)會(huì)對(duì)干物質(zhì)積累量產(chǎn)生一定的抑制作用；在谷子抽穗期之后，氮肥施量過(guò)低(N2)和過(guò)高(N4)都不適合谷子的生殖生長(zhǎng)，不利于產(chǎn)量的積累。

2.2 谷子產(chǎn)量及構(gòu)成要素

不同施氮水平谷子產(chǎn)量如圖2所示，施氮處理(N2、N3、N4)產(chǎn)量均高于無(wú)氮處理(N1)，施氮量為100kg·hm-2時(shí)(N3)谷子的增產(chǎn)效果達(dá)到了19.3%,其產(chǎn)量為5913.33kg·hm-2。從表1可以看出，穗長(zhǎng)、穗重和單穗粒重均為N3>N4>N2>N1；千粒重為N2>N3>N4>N1；穗徑無(wú)明顯規(guī)律。N3處理和N1處理谷子穗長(zhǎng)存在顯著差異，平均相差1.92cm，其它產(chǎn)量性狀差異不顯著，說(shuō)明穗長(zhǎng)是施氮后產(chǎn)量提高的主要原因，施氮量的增加對(duì)谷穗長(zhǎng)度有顯著的促進(jìn)作用。

圖2 不同處理下谷子產(chǎn)量

表1 谷子產(chǎn)量構(gòu)成要素表

2.3 不同施氮量對(duì)谷子耗水強(qiáng)度與耗水模數(shù)的影響

耗水強(qiáng)度是指單位面積的植物群體在單位時(shí)間內(nèi)的耗水量，是判斷作物耗水能力的重要指標(biāo)。從表2中可以看出,各處理谷子的耗水強(qiáng)度規(guī)律基本一致：各處理耗水強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在拔節(jié)期和抽穗期，拔節(jié)期耗水強(qiáng)度峰值為3.59mm·d-1，出現(xiàn)在N2；抽穗期耗水強(qiáng)度峰值為3.41mm·d-1，出現(xiàn)在N3。且N2、N3、N4處理的耗水強(qiáng)度在拔節(jié)、抽穗期均遠(yuǎn)高于N1處理，值為0.25～0.55mm·d-1，說(shuō)明追施氮肥有利于促進(jìn)谷子在拔節(jié)和抽穗期對(duì)水分的吸收利用。

表2 谷子耗水強(qiáng)度

耗水模數(shù)表示不同生育期谷子的耗水量占比。從表2可以看出，各處理谷子生育期耗水模數(shù)變化規(guī)律基本一致：在谷子的生育期內(nèi)，耗水模數(shù)先增加后減少，拔節(jié)期達(dá)到峰值，此時(shí)的耗水模數(shù)為32.03%～35.66%，苗期、抽穗期和灌漿期次之，成熟期耗水比重最小，為6.78%～7.04%。這是因?yàn)槊缙诤乃畯?qiáng)度低，但苗期的生育期天數(shù)長(zhǎng)，達(dá)到了33d，且降雨充沛，故耗水模數(shù)較大；而抽穗和灌漿期降雨較少，但谷子的耗水強(qiáng)度較大。

表3 谷子耗水模數(shù)

2.4 水分利用效率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率及偏生產(chǎn)力分析

表4 水、氮利用率

氮肥的農(nóng)學(xué)利用率表示單位面積施氮量所生產(chǎn)的谷子干物質(zhì)總量，氮肥的偏生產(chǎn)力表示單位面積施氮量所生產(chǎn)的谷子產(chǎn)量，其是判斷谷子氮肥利用程度的2種指標(biāo)，在試驗(yàn)中，兩指標(biāo)均為N2>N3>N4，N2處理氮肥農(nóng)學(xué)利用率為N3、N4處理的1.82倍和2.79倍，偏生產(chǎn)力是N3、N4處理的1.97倍和2.97倍。水分利用效率指的是作物單位耗水量所生產(chǎn)的籽粒質(zhì)量，施氮處理均高于無(wú)氮處理小區(qū)，說(shuō)明施加氮肥可以明顯提高谷子的水分利用效率，與前人的研究結(jié)論一致[10]。隨著施氮量的增加水分利用效率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，N3處理的水分利用效率最高，為2.26kg·m-3。

3 討論

黑龍江省干旱發(fā)生較為頻繁[11]，省內(nèi)谷子生產(chǎn)又多以雨養(yǎng)為主，通過(guò)改變施氮量的方式可有效調(diào)節(jié)旱區(qū)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和水分利用情況[12]。張艾英研究認(rèn)為,適宜的施氮量有助于谷子的生長(zhǎng)發(fā)育，但過(guò)多施入氮肥不利于谷子葉片的光合作用，反而會(huì)降低谷子群體的生物積累量[13]。本試驗(yàn)中N2處理谷子的干物質(zhì)積累量達(dá)到峰值，但隨著施氮量的提高，N3、N4處理的干物質(zhì)積累量降低，與前人研究結(jié)果一致。施氮量過(guò)多和不足都會(huì)延長(zhǎng)谷子營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間，使生殖生長(zhǎng)受到影響，致使晚熟、結(jié)實(shí)率降低[14]，從而出現(xiàn)N1、N2、N4產(chǎn)量低的現(xiàn)象，本試驗(yàn)表明當(dāng)?shù)适┯昧繛?00kg·hm-2(N3)時(shí)的谷子增產(chǎn)效果最佳。薛盈文[15]認(rèn)為，施氮過(guò)多會(huì)使?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)旺，導(dǎo)致谷子的千粒重降低，進(jìn)而影響谷子產(chǎn)量。但在本試驗(yàn)中，N3、N4處理的千粒重雖然較N1、N2處理低，但其差異并不顯著，這是由于千粒重受品種特性影響明顯，對(duì)環(huán)境變化不敏感[14]。本試驗(yàn)中穗長(zhǎng)對(duì)谷子產(chǎn)量影響更大，直接體現(xiàn)在與產(chǎn)量的聯(lián)動(dòng)。高曉麗[16]在對(duì)晉北谷子的耗水規(guī)律中發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期與抽穗期耗水模數(shù)相仿，趨于最大；而抽穗期耗水強(qiáng)度最大，拔節(jié)期次之。本試驗(yàn)中N1、N2、N4的抽穗期耗水強(qiáng)度低于拔節(jié)時(shí)期，只有N3抽穗期的耗水強(qiáng)度大于拔節(jié)期，這是因?yàn)檫m宜的施氮量可以提高土壤水分的有效性[17]，利于谷子抽穗期的生殖生長(zhǎng)，故N3處理的穗長(zhǎng)顯著高于其他處理。連延浩[12]通過(guò)研究溝壟集雨種植谷子發(fā)現(xiàn)在中量施肥水平下可使水分利用效率最大。本試驗(yàn)中100kg·hm-2(N3)處理的水分利用效率最高，試驗(yàn)結(jié)果與前人研究一致。在本試驗(yàn)中N2處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力最高，這是因?yàn)殡S著施氮施用量的成倍增加，產(chǎn)量在達(dá)到一定程度后的幅度變小，故N2的氮肥利用效果最好，對(duì)減少環(huán)境污染具有重要的意義。

4 結(jié)論

生育期內(nèi)谷子干物質(zhì)積累量總體呈先增加后減少的趨勢(shì)，于灌漿期達(dá)到峰值，氮肥施加量為50kg·hm-2(N2)的谷子干物質(zhì)積累量最高，為31.87g。

氮肥施加量為100kg·hm-2(N3)的谷子增產(chǎn)效果最佳，其產(chǎn)量為5913.33kg·hm-2。從谷子產(chǎn)量構(gòu)成要素分析，隨著氮肥施用，谷穗長(zhǎng)度而增長(zhǎng)是產(chǎn)量增加的主要原因。

谷子拔節(jié)期耗水模數(shù)最大，抽穗期N2、N3、N4耗水強(qiáng)度較N1處理高0.25～0.55mm·d-1，追施氮肥有利于促進(jìn)谷子在拔節(jié)和抽穗期對(duì)水分的吸收利用。

適當(dāng)?shù)牡适┯脮?huì)對(duì)谷子生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，過(guò)量的氮肥會(huì)抑制谷子的生殖生長(zhǎng)。氮肥施加量為50kg·hm-2(N2)時(shí)其農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力最高，100kg·hm-2(N3)水分利用效率最高。