高 杰，李青風，汪 燦，張國兵，周棱波，趙 強，張春蘭，邵明波，彭 秋

（貴州省旱糧研究所 / 貴州省農(nóng)業(yè)科學院，貴州貴陽550006）

氮作為植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，在作物生長和產(chǎn)量形成中起著重要作用[1]。過量的氮肥投入既會降低氮肥利用率，同時還會造成環(huán)境污染和作物產(chǎn)量的降低[2]。氮肥運籌管理的目標不僅在于滿足作物生長發(fā)育，同時還要保持土壤生產(chǎn)力的可持續(xù)和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的養(yǎng)分平衡[3–4]。適宜的施氮量配以合理的施肥時期在顯著提高土壤供氮水平的同時促進作物的生長發(fā)育[5]。干物質(zhì)的生產(chǎn)是作物產(chǎn)量形成的基礎[1,6]，花后碳氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)運吸收對作物的籽粒產(chǎn)量影響顯著[6–7]。研究顯示，開花到成熟期間作物的光合能力以及花后干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運能力直接決定了其產(chǎn)量的高低[8–10]。隨著氮肥投入的增加，作物花前各生育時期的干物質(zhì)積累量增加顯著[11]，但花后的轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢[12]，植株的氮肥吸收利用效率表現(xiàn)出降低趨勢[13–14]。氮肥合理的施用量和施肥時期及其分配比例可促進作物對肥料氮的吸收和積累，增加花后的氮積累與氮轉(zhuǎn)運，進而顯著提高作物的籽粒產(chǎn)量[15]。種植密度優(yōu)化是通過群體對光溫水資源利用的最大化以實現(xiàn)改善作物群體微環(huán)境達到增產(chǎn)的過程[16]。種植密度過高和過低都會影響作物產(chǎn)量，柏延文等[17]的研究表明，種植密度的適當增加可顯著提高玉米的光能截獲量，吐絲后干物質(zhì)積累量、轉(zhuǎn)運量及其對籽粒的貢獻率。高密度下，不同類型玉米品種間差異顯著，緊湊型較平展型在冠層光截獲和物質(zhì)積累能力上更具優(yōu)勢。適宜的種植密度不僅可促進作物植株氮素的積累和合理分配，而且可顯著提高其氮肥利用率和產(chǎn)量[18–19]。劉紅江等[20]的研究表明，在常規(guī)施氮水平300 kg/hm2的基礎上減氮20%，增加水稻密度至150×104株/hm2，產(chǎn)量沒有明顯降低，但其氮肥吸收量和氮素利用效率均得到明顯提高，并能保持稻田土壤肥力不減。因此合理控制作物種植密度和氮肥水平，在不同的作物產(chǎn)量調(diào)控中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

前人的研究表明，高粱的氮肥需要量為每生產(chǎn)100 kg 籽粒需純氮 2.51 kg[21]；高杰等[22]的研究表明，貴州糯高粱的氮肥施用量應控制在N 120～240 kg/hm2。在資源危機和環(huán)境問題突出的情況下，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率顯得尤為重要[23]。前人在這方面展開了大量的研究，主要集中在主糧作物上[4,14–15,18,20]，糯高粱的氮肥利用研究只集中在單一水平上[13,22]，關(guān)于糯高粱的干物質(zhì)、氮素積累轉(zhuǎn)運與氮肥吸收利用對密度和氮水平的響應研究鮮見報道。因此，本研究以種植密度和氮肥水平為影響因子，探究貴州糯高粱物質(zhì)生產(chǎn)和氮肥利用對其的響應，明確氮肥和種植密度對糯高粱產(chǎn)量的調(diào)控效應，對該省糯高粱的氮高效栽培具有重要的理論與實踐指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017—2018年在貴州省仁懷市魯班鎮(zhèn)高粱試驗基地進行。供試土壤質(zhì)地為壤土，前茬為油菜。在高粱移栽前，利用直徑5 cm的土鉆，按照五點取樣法采集土樣，測定耕層(0—20 cm)土壤背景值。2017年試驗地土壤有機質(zhì)33.71 g/kg、全氮2.25 g/kg、堿解氮 686 mg/kg、速效磷 67.43 mg/kg、速效鉀 148 mg/kg、pH 7.09；2018 年土壤有機質(zhì) 35.04 g/kg、全氮 2.26 g/kg、堿解氮 677 mg/kg、速效磷63.9 mg/kg、速效鉀 154 mg/kg、pH 7.08。

1.2 試驗材料與設計

本試驗采用茅臺專用釀酒高粱品種‘紅纓子’，以密度為主區(qū)、施氮量為副區(qū)的裂區(qū)試驗設計，小區(qū)行長5 m，行距60 cm，一窩雙株留苗，8行區(qū)，小區(qū)面積24 m2，3次重復。移栽密度分別為低(9×104株/hm2)、中 (11.25×104株/hm2)、高 (13.5×104株/hm2) 3個水平，分別用DL、DM、DH表示。追施氮量(以純 N 計)設置 0 (不施氮)、120 (低氮)、240 (中氮)、360 (高氮) kg/hm2，分別用 N0、NL、NM、NH表示。各處理磷肥為 P2O575 kg/hm2、鉀肥為 K2O 75 kg/hm2，磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥12%)、鉀肥為氯化鉀(K2O≥60%)，全部做基施，于高粱移栽前撒施。試驗所用氮肥為尿素(N≥46%)，按照拔節(jié)∶抽穗∶開花=3∶5∶2分3次施用。全生育期無灌溉，其他田間管理措施保持一致。

1.3 樣品采集與分析

開花期，在每小區(qū)選取長勢一致的植株5株，將地上部分為莖、葉、鞘、穗4部分樣品；成熟期取5株分為莖、葉、鞘、穗和籽粒5部分，置于105℃鼓風干燥箱殺青30 min，再于65℃烘干至恒重，稱取干物質(zhì)量。將稱重后的植株各部分粉碎，過1 mm篩，利用凱氏定氮法測定各器官全氮含量。成熟期每小區(qū)收取中間4行，考種并測產(chǎn)(按照14%含水量折算)。

1.4 計算公式

參照相關(guān)文獻[22, 24–25]計算如下參數(shù)：

干物質(zhì)積累總量(TMDA，kg/hm2)=成熟期單株干物質(zhì)重(kg/plant)×種植密度(株/hm2)；

氮素積累總量(TNA，kg/hm2)=單位面積干物質(zhì)積累總量×植株氮含量；

花后干物質(zhì)(氮素)轉(zhuǎn)運量(ADMA、ANA，kg/hm2)=成熟期干物質(zhì)(氮素)積累總量–開花期干物質(zhì)(氮素)積累總量；

干物質(zhì)(氮素)轉(zhuǎn)運量(DMTA、NTA，kg/hm2)=開花期各營養(yǎng)器官干物質(zhì)(氮素)積累量–成熟期各營養(yǎng)器官干物質(zhì)(氮素)積累量之和；

干物質(zhì)(氮素)轉(zhuǎn)運率(DMTR、NTR，%)=營養(yǎng)器官干物質(zhì)(氮素)轉(zhuǎn)運量/開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)(氮素)積累量×100；

干物質(zhì)(氮素)轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率(DMTCP、NTCP，%)=干物質(zhì)(氮素)轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒干物質(zhì) (氮素)積累量×100；

氮素表觀回收率(NARR，kg/kg)=氮素積累總量/施氮量；

氮肥農(nóng)學利用率(NAE，kg/kg )=(施氮區(qū)產(chǎn)量–不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量；

氮素吸收利用率(NRE，%)=(施氮區(qū)氮素積累量–不施氮區(qū)氮素積累量)/施氮量×100；

氮素偏生產(chǎn)力(PFP，kg/kg)=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；

氮素生理利用率(NPE，kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量–不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)氮素積累量–不施氮區(qū)氮素積累量)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用 Microsoft Excel 2010 整理數(shù)據(jù)，利用 SPSS 19.0進行方差分析，采用Origin Pro 9.8作圖，通過Duncan 新復極差法進行差異顯著性檢驗(P<0.05為差異顯著)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度和氮肥水平下糯高粱產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

統(tǒng)計分析結(jié)果(表1)顯示，密度和施氮水平對糯高粱的產(chǎn)量、單位面積有效穗數(shù)、穗長、千粒重都具有極顯著影響，不同密度間穗粒數(shù)差異顯著，不同氮水平間穗粒數(shù)差異不顯著。糯高粱的產(chǎn)量在DM處理下達到最大，為4805 kg/hm2；DM、DH處理較DL處理增產(chǎn)主要是因為單位面積有效穗數(shù)的增加，分別增加24.93%和51.13%；同一密度下，氮肥追施可顯著增加糯高粱的產(chǎn)量，這是單位面積有效穗數(shù)、千粒重、穗長增加共同作用的結(jié)果，各參數(shù)均在DMNM處理下達到最大；施氮處理在相同氮水平下，DM和DH之間的產(chǎn)量沒有顯著差異，但在N0處理下DM和DH間的產(chǎn)量差異顯著，可能是施氮會促進高粱單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)的自我調(diào)節(jié)，以獲得更高的產(chǎn)量。

表1 不同種植密度和氮肥水平下糯高粱的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 1 Yield and its components of glutinous sorghum under different planting densities and nitrogen levels

2.2 不同種植密度和氮肥水平下糯高粱干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運及對籽粒的貢獻

表2顯示，種植密度和氮素水平及其互作對糯高粱的干物質(zhì)積累總量、轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率及對籽粒的貢獻率均有極顯著影響。隨著種植密度的增加，糯高粱的干物質(zhì)積累總量、轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率和對籽粒的貢獻率隨之增加，以DH最高，且密度處理間的增幅均達到顯著水平；花后干物質(zhì)積累量在DM時即下降顯著，DM與DH間差異不顯著。糯高粱的干物質(zhì)積累總量、花后干物質(zhì)積累量、轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率、對籽粒的貢獻率均在NM處理下達到最大，分別較N0顯著增加了18.66%、20.52%、32.33%、12.10%和8.18%；NH處理各指標相對于NM的下降幅度除干物質(zhì)運轉(zhuǎn)對籽粒的貢獻率外，均達到了顯著水平(P<0.05)。糯高粱的干物質(zhì)積累總量、轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率都在DHNM組合處理下達到最大，分別為 14314 kg/hm2、1792 kg/hm2和 15.19%，對籽粒的貢獻率在DMNM組合處理下達到最大(為33.42%)，與DHNM處理差異不顯著?；ê蟾晌镔|(zhì)積累量在DLNM組合處理下達到最大。

表2 不同種植密度和氮肥水平下糯高粱干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運及對籽粒的貢獻率Table 2 Dry matter accumulation, transportation and contribution rate to waxy sorghum grain under different planting densities and nitrogen levels

2.3 不同種植密度和氮肥水平下糯高粱的氮素積累轉(zhuǎn)運及對籽粒的貢獻

種植密度和氮肥水平對糯高粱的氮素積累總量、轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率、對籽粒的貢獻率的影響顯著(表3)。隨著種植密度的增加，糯高粱的氮素積累總量、轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率、對籽粒的貢獻率增加，DM和DH處理間無顯著差異，但與DL處理差異顯著，較其分別增加10.37%、27.68%、9.05%、17.29%和9.53%、30.86%、12.34%、19.04%；花后氮素同化量顯著降低，分別較DL處理下降5.74%和7.20%。施氮條件下，糯高粱的氮素積累總量、花后同化量、氮素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率、對籽粒的貢獻率顯著增加，NM和NH處理間除花后同化量外其余參數(shù)無顯著差異；其中NM處理分別較N0增加42.93%、22.46%、71.81%、10.15%、23.28%，較NL增加7.14%、5.38%、13.94%、3.48%和7.61%；說明增施適量氮肥可以顯著提高糯高粱花后的轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運效率和氮素同化力，以滿足灌漿期的氮肥營養(yǎng)。

表3 不同種植密度和氮肥水平下糯高粱氮素積累轉(zhuǎn)運及對籽粒的貢獻率Table 3 N accumulation, translocation and contribution to glutinous sorghum grain under different planting densities and nitrogen levels

2.4 不同種植密度和氮肥水平下糯高粱的氮肥吸收利用

表4顯示，種植密度和氮肥水平及其互作對糯高粱的氮肥吸收利用有顯著的影響。提高密度可顯著提高氮肥利用率(NRE)、表觀回收率(NARR)、農(nóng)學效率(NAE)、偏生產(chǎn)力(PFP)及氮素生理效率(NPE)，除PFP外其余指標DM與DH差異不顯著。而糯高粱的NRE、NARR、NAE、PFP及NPE均隨施氮水平的增加而遞減，NL處理下各指標均顯著高于NM和NH。說明提高貴州糯高粱的種植密度，減少氮肥的投入是提高氮肥吸收利用效率的有效措施。

表4 不同種植密度和氮肥水平下糯高粱的氮肥利用率Table 4 N use efficiency of glutinous sorghum under different planting densities and nitrogen levels

2.5 種植密度、施氮水平與糯高粱產(chǎn)量之間的關(guān)系

通過二項回歸分析，建立種植密度(D)、施氮水平(N)與產(chǎn)量(Y)之間的回歸方程：Y=2169.72D+7.14N–94.52D2–0.016N2+0.059DN–8198.737，R2=0.9747 (圖1)。由方程可知種植密度和施氮水平與產(chǎn)量之間均呈單峰曲線，一定范圍內(nèi)隨氮肥、密度的增加產(chǎn)量增加，而進一步增加氮肥、密度糯高粱的產(chǎn)量下降。利用求偏導數(shù)法，計算得出最高產(chǎn)量為7720.92 kg/hm2，最佳種植密度和施氮量分別為11.53×104株/hm2和 234.29 kg/hm2。

圖1 種植密度與施氮水平互作下糯高粱產(chǎn)量效應模型Fig. 1 Model of waxy sorghum yield response to nitrogen-density interaction

3 討論

3.1 糯高粱產(chǎn)量對種植密度和施氮水平的響應

種植密度和氮肥水平是作物高產(chǎn)栽培首要的影響因素，對作物的產(chǎn)量有顯著的影響。大部分研究表明，隨著施氮量的增加，作物的產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，氮肥過量使作物產(chǎn)量降低，符合報酬遞減的定律[22,26]。適宜的施氮量是充分考慮產(chǎn)量和效益的基礎上做出的判斷，也是在產(chǎn)量不降低的情況下盡量利用最少的氮肥投入使產(chǎn)出最大化。徐新朋等[25]的研究表明，雙季稻的氮肥使用量應控制在180 kg/hm2，呂鵬等[26]提出超高產(chǎn)夏玉米在綜合考慮產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的情況下，施氮量應控制在240～360 kg/hm2。本研究表明，增加氮肥投入可顯著的增加糯高粱的產(chǎn)量，在中度氮肥水平下(NM)達到最大，但與NL處理差異不顯著，說明本研究區(qū)域糯高粱的氮肥投入量在240 kg/hm2基礎上可以適度降低，與根據(jù)曲線擬合產(chǎn)量達到最大時的施氮量為234.29 kg/hm2基本吻合。密度是協(xié)調(diào)改善作物群體結(jié)構(gòu)以更好利用光溫水肥資源的重要措施，適宜的種植密度可以顯著提高作物產(chǎn)量。柏延文等[17]對不同株型玉米冠層光能截獲和產(chǎn)量的研究表明，密度增加致使葉面積指數(shù)、葉向值增加，促成了緊湊型玉米品種光能截獲量的增加，進而使產(chǎn)量增加。本研究表明，糯高粱的適宜密度為11.53×104株/hm2，此時產(chǎn)量達到最大7720.92 kg/hm2，隨著密度的進一步增加，產(chǎn)量降低。說明貴州糯高粱的種植密度不宜過高，再加上披散型品種的限制，在株高較高的情況下，應充分考慮土壤類型、栽培模式以及施氮水平的基礎上確定區(qū)域栽培密度。

3.2 糯高粱干物質(zhì)、氮素積累轉(zhuǎn)運對種植密度和施氮水平的響應

作物產(chǎn)量形成以干物質(zhì)生產(chǎn)為基礎，其積累與分配對作物增產(chǎn)至關(guān)重要[6]，而氮素和密度是影響干物質(zhì)積累的重要因素[27]。姜麗娜等[12]的研究表明，適量增施氮肥可顯著提高小麥群體的干物質(zhì)和氮素積累量，同時對植株營養(yǎng)器官的物質(zhì)轉(zhuǎn)運有促進作用，提高小麥花前貯藏的干物質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率以及物質(zhì)轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻。柏延文等[17]的研究表明，西北春玉米的花后干物質(zhì)積累量、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量及其對籽粒的貢獻率隨密度的增加呈先升高后降低的趨勢。在高密度下，緊湊型玉米品種花后干物質(zhì)積累量、花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和干物質(zhì)轉(zhuǎn)移對籽粒的貢獻高于平展型品種。本研究中，糯高粱群體干物質(zhì)積累總量、轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，與產(chǎn)量的變化趨勢一致，說明干物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)運共同促成了產(chǎn)量的增加。氮素積累總量、轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率在施氮處理下較不施氮處理下顯著增加，中高氮素水平間差異不顯著，但與低氮水平差異顯著，這表明一定范圍內(nèi)氮素用量增加可提高糯高粱的氮素積累和轉(zhuǎn)運能力，但隨著施氮量的進一步增加，這種能力不再增加。隨著種植密度的增加，糯高粱的干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運增加顯著，氮素積累與轉(zhuǎn)運在中高密度下開始顯著增加；但花后干物質(zhì)積累、氮素同化量同步降低，可能是因為密度的增加，導致植株花后的碳氮代謝失調(diào)引起的早衰，限制了花后的干物質(zhì)積累和氮素的同化[28]。

3.3 糯高粱氮肥吸收利用對種植密度和施氮水平的響應

氮肥和密度是影響作物產(chǎn)量的主要栽培措施，科學合理的種植密度和氮肥施用量可以改善作物群體質(zhì)量，增強光合效率，提高氮肥利用率[29]。氮肥吸收利用是衡量施肥合理性的重要指標，張瑞棟等[30]的研究表明，釀造高粱的氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量的增加下降顯著，氮肥農(nóng)學利用率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而且在高密度處理下顯著高于低密度處理，在密度為 13.53×104株/hm2，施氮量為 150 kg/hm2時，氮肥的農(nóng)學利用率達到最大。本研究結(jié)果顯示，糯高粱的氮肥吸收利用率、表觀回收率、農(nóng)學效率及氮素生理效率呈現(xiàn)中高密度間沒有顯著差異但顯著高于低密度(DL)處理，隨著供氮水平的提高，糯高粱的氮肥吸收利用率、表觀回收率、農(nóng)學效率、偏生產(chǎn)力及氮素生理效率遞減，表現(xiàn)為NL>NM>NH，且NL和NM處理間的產(chǎn)量沒有顯著差異，說明糯高粱的氮肥投入可以適當減少。DMNL組合處理與DHNL組合處理的氮肥吸收利用率、氮肥農(nóng)學利用率、氮素生理利用率沒有顯著差異(表4)，且產(chǎn)量水平相當(表1)，這表明糯高粱的密度應控制在中高密度水平，但高密度條件下倒伏的風險增加，不宜通過增加密度來達到增產(chǎn)的目的。

4 結(jié)論

合理的種植密度和供氮水平，可以協(xié)調(diào)糯高粱植株個體和群體之間的矛盾，增加群體干物質(zhì)和氮素積累轉(zhuǎn)運量，過高的氮肥投入和種植密度，導致產(chǎn)量降低。充分考慮產(chǎn)量和氮肥利用率協(xié)同提高，在本試驗條件下，施氮量為234 kg/hm2，密度控制在 11.53×104株/hm2較為適宜。