倪 旺，梁丹妮，時興偉，王 斌，王騰飛，李滿有，馮 琴，蘭 劍*

(1.寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏草牧業(yè)工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021；3.彭陽縣畜牧技術(shù)推廣服務中心，寧夏 固原 756500)

甜高粱(Sorghumdochna)具有適應性強、耐鹽堿、光能利用率高等特點，被認為是最具開發(fā)潛力的飼草作物[1]，在西北干旱、半干旱地區(qū)廣泛種植。又因質(zhì)地柔軟、適口性好、營養(yǎng)價值高等特點，甜高粱可作為家畜日糧主要飼料[2]。近年來，隨著我國畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，飼草料匱乏現(xiàn)狀日益凸顯，限制了草畜產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展[3]。為滿足畜牧業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展，大面積推廣種植甜高粱對于緩解飼草短缺，提高牧草供給能力具有重要保障作用。

水分和養(yǎng)分是影響甜高粱優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，合理的水肥調(diào)控能夠促進飼草高效生產(chǎn)，提高飼草產(chǎn)量和水肥利用效率，改善飼草光合特性和營養(yǎng)品質(zhì)[4-5]。目前，學者關(guān)于灌水和施肥量對作物生產(chǎn)性能、營養(yǎng)價值、水肥利用效率和光合特性等已做了大量研究[6-7]，并探明適宜不同作物推廣應用的水肥管理措施。例如，Reddy等[9]研究發(fā)現(xiàn)，當灌溉頻率為5 天·次-1時，花生豆莢產(chǎn)量最高，達到3 293 kg·hm-2。陳冬冬等[8]研究發(fā)現(xiàn)，每次灌溉量為600 m3·hm-2下，隨灌溉次數(shù)增加降低了紫花苜蓿(MedicagosativaL.)種子產(chǎn)量，其中灌溉2次，施磷酸二銨360 kg·hm-2時，為最佳水肥調(diào)控組合。Qiu等[10]研究表明，隨著灌溉次數(shù)和每個生長季灌溉水量的增加，蒸散量顯著增加，但小麥水分利用效率普遍下降，籽粒產(chǎn)量沒有增加。郭彥軍等[11]指出，高粱干草產(chǎn)量在高氮200 kg·hm-2下較低氮100 kg·hm-2提高了17%，較不施肥提高了29%，同時高氮肥下飼草品質(zhì)最優(yōu)。也有研究發(fā)現(xiàn)[12]，隨著氮、磷復合肥施用量的增加，高粱產(chǎn)量、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均呈先增大后減小的變化趨勢，胞間CO2濃度則呈先減小后增加趨勢，當施肥量為225 kg·hm-2時高粱綜合表現(xiàn)最好。在灌溉總量確定時，合理灌溉次數(shù)對作物產(chǎn)量、品質(zhì)、光合特性、水肥利用效率等生長特性有促進作用[13-14]。目前，關(guān)于灌溉次數(shù)和施肥量配施如何影響甜高粱生長狀況的研究較少，尤其關(guān)于寧夏干旱區(qū)。寧夏引黃灌區(qū)位于黃河上游下河沿，已有2 000多年的灌溉歷史，享有“塞上江南”的美譽，是寧夏主要的飼草生產(chǎn)供應區(qū)，在該地區(qū)進行甜高粱種植可以起到事半功倍的作用[15]。因此，本試驗在寧夏引黃灌區(qū)進行灌溉次數(shù)和施肥量調(diào)控對甜高粱產(chǎn)量、品質(zhì)、光合特性、水肥利用效率等生長特性的研究，以期篩選出甜高粱提產(chǎn)增質(zhì)的最佳水肥調(diào)控組合，為寧夏引黃灌區(qū)甜高粱水肥效應研究提供管理方案和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于寧夏農(nóng)墾茂盛草業(yè)有限公司試驗基地(38°33′ N，106°03′ E、海拔1 110.4 m)，該區(qū)域?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂颍募痉置?，氣候干燥，晝夜溫差大。年平均氣?～9℃，日照充足，年日照時數(shù)達2 800～3 100 h，年平均降水量為180～210 mm，且主要集中在7～9月，年均相對濕度65%～70%，無霜期為190 d左右。土壤類型為黃綿土，土壤(0～40 cm),pH值8.1，有機質(zhì)6.25 g·kg-1，速效鉀、氮、磷分別為128.93,51.21,18.72 mg·kg-1(圖1)。

圖1 2017年試驗區(qū)不同月份降水量和氣溫

1.2 試驗材料

供試甜高粱品種為‘海牛’(Monster)，種子凈度98%，發(fā)芽率92%，田間出苗率85%，其種子由華豐草業(yè)有限公司提供。

1.3 試驗設計

試驗于2017年5月3日播種，采用二因素裂區(qū)試驗設計，主區(qū)為灌水次數(shù)，副區(qū)為施肥梯度。設置3個灌溉次數(shù)(W1：全生育期灌溉1次，平均株高為50 cm時；W2：全生育期灌溉2次，第1次灌溉時間同W1處理，平均株高為90 cm時；W3：全生育期灌溉3次，第1，2次灌溉同W2處理，平均株高為150 cm時)，每次灌溉量均為1 050 m3·hm-2，灌溉方式為大水漫灌，各處理均裝有水表用于控制灌溉量。尿素(N≥46%)施肥4個梯度(F0：不施肥，F(xiàn)1：300 kg·hm-2，F(xiàn)2：450 kg·hm-2，F(xiàn)3：600 kg·hm-2)，同時在每個小區(qū)內(nèi)均施入磷酸二銨(P2O5≥48%，N≥18%)100 kg·hm-2，全生育期施1次，且在拔節(jié)后期統(tǒng)一施入。共12個處理，3個重復，總計36個小區(qū)。小區(qū)面積42 m2(6 m×7 m)，小區(qū)間隔1 m，在間隔中間筑有寬0.5 m×高0.45 m田埂當保護行。甜高粱播種量為30 kg·hm-2，條播，行距50 cm，播深3～4 cm，播完覆土鎮(zhèn)壓。前茬作物為甜高粱。生育期內(nèi)適時人工除草。

1.4 測定指標和方法

1.4.1生物量 在甜高粱抽穗期，每個小區(qū)隨機選取3個2 m×2 m的樣方，人工刈割測量鮮草產(chǎn)量，刈割留茬高度為5～6 cm；另取1 kg鮮草在自然條件下陰干，稱干草重量，3次重復，通過鮮干比計算每公頃干草產(chǎn)量。

1.4.2營養(yǎng)成分 在每個小區(qū)內(nèi)隨機取整株甜高粱鮮草樣品500 g，剪至4～5 cm，于烘箱中105℃下殺青30 min，65℃烘48 h至恒重后，粉碎草樣，過0.45 mm篩，參照《飼料及飼料添加劑質(zhì)量檢測方法與品質(zhì)管理》[16]測定粗蛋白(Crude protein，CP)、中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗滌纖維含量(Acid detergent fiber，ADF)。利用ADF和NDF計算相對飼喂價值(Relative feeding value，RFV)。

RFV=(88.9-0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29

1.4.3灌溉水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力

IWUE=Y/W

式中IWUE為灌溉水分利用效率(Irrigation water use efficiency，IWUE)，單位kg·m-3；Y為總產(chǎn)量，單位kg·hm-2；W為累計灌溉量，單位m3。

肥料偏生產(chǎn)力(Partial factor productivity of fertilizer，PFP，kg·kg-1)=總產(chǎn)量/總施肥量。

1.4.4光合特性 在甜高粱抽穗期，利用Li-6400便攜式光合系統(tǒng)分析儀測定并記錄早晨9∶00～11∶00自然光照條件下高粱旗葉處凈光合速率(Photosynthetic rate，Pn)、胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)、氣孔導度(Stomatal conductance，Gs)和蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)，每小區(qū)6次重復。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 25.0統(tǒng)計軟件進行方差分析(ANOVA)、多重比較(Duncan)和主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，用Origin 2019b軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱干草產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量的影響

表1可知，干草產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量隨灌溉次數(shù)的增加均呈先降低再增加趨勢，在W1條件下，其干草產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量最高，分別為22 272.77和1 510.62 kg·hm-2。此外，不同灌水次數(shù)下，甜高粱干草產(chǎn)量由高到低的順序為W1>W3>W2。隨著施肥量的增加，干草產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量均呈先增加后降低趨勢，在F2條件下，其干草產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量達到最高并分別為23 330.22和1 600.05 kg·hm-2，顯著高于其他施肥處理(P<0.05)。

如圖2所示，灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱干草產(chǎn)量、粗蛋白產(chǎn)量均有顯著影響(P<0.05)，在同一灌溉次數(shù)下，隨施肥量增加，干草產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量呈先增加后降低趨勢。干草產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量最高的處理均為W1F1處理，分別為27 110.54和1 802.85 kg·hm-2，顯著高于除W1F2處理外的其他處理(P<0.05)。

圖2 灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱干草產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量的影響

2.2 灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱粗蛋白含量和相對飼喂價值的影響

表1可知，粗蛋白含量隨灌溉次數(shù)的增加呈先降低后增加趨勢，隨施肥量的增加呈先增加后降低趨勢，在W1和F1條件下達到最大，其含量分別為6.75%和6.94%。相對飼喂價值隨灌溉次數(shù)和施肥量的增加呈降低趨勢，在W1，F(xiàn)0條件下達到最高，分別為129.00,130.67。

表1 灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱干草產(chǎn)量、粗蛋白含量、粗蛋白產(chǎn)量及相對飼喂價值的互作

圖3所示，灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱粗蛋白含量、相對飼喂價值均有顯著影響(P<0.05)。在W1條件下，粗蛋白含量隨施肥量的增加呈增高趨勢，而在W2和W3條件下粗蛋白含量隨施肥量的增加呈先增加后降低趨勢，其中在W2F1處理下甜高粱粗蛋白含量最高，為7.32%，W2F0處理最低，僅為5.87%，二者差異顯著。相對飼喂價值最高的是W1F0處理，達157.33，顯著高于其他處理(P<0.05)，W3F3處理最低，與W1F0處理相差59.33。

圖3 灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱粗蛋白含量和相對飼喂價值的影響

2.3 灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱灌溉水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的影響

表4所示，灌溉次數(shù)對灌溉水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力均有顯著影響(P<0.05)。隨著灌溉次數(shù)的增加，灌溉水分利用效率顯著降低，肥料偏生產(chǎn)力呈先降低后增加趨勢，均在W1條件下達到最大，分別為21.21 kg·m-3,93.05 kg·kg-1。施肥量對灌溉水分利用效率影響顯著(P<0.05)，對肥料偏生產(chǎn)力有極顯著影響(P<0.01)。隨著施肥量的增加，灌溉水分利用效率呈先增加后降低趨勢，肥料偏生產(chǎn)力顯著降低(P<0.05)，且均在F1條件下達到最大，分別為14.07 kg·m-3,145.37 kg·kg-1。

圖4可知，在同一灌溉次數(shù)下，隨著施肥量的增加，灌溉水分利用效率均呈先增高后減小趨勢，W1、W2條件下，灌溉水分利用效率表現(xiàn)為：F1>F2>F3>F0。在W3條件下，灌溉水分利用效率表現(xiàn)為：F2>F3>F1>F0。各灌溉次數(shù)下，肥料偏生產(chǎn)力隨施肥量的增加顯著下降，均在F1條件下最高，分別為172.67 kg·kg-1、130.45 kg·kg-1和132.99 kg·kg-1。在灌溉次數(shù)和施肥交互作用下，灌溉水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力均在W1F1處理效果最佳。

表2 灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱灌溉水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力的互作

2.3 灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱光合特性的影響

表3可知，在同一灌溉次數(shù)下，凈光合速率隨施肥量增加呈先增加后降低再增加趨勢，凈光合速率在W1F3處理下達到峰值，為29.14 μmol·m-2·s-1，并顯著高于其他處理(P<0.05)。在W1條件下胞間CO2濃度無顯著差異(P>0.05)，W1F0的胞間CO2濃度最大，達到544.63 μmol·mol-1，最小的是W2F1處理，與W1F0相差244.34 μmol·mol-1；Gs值較高的處理有2個，分別是W3F1,W3F3，均為0.82 mol·m-2·s-1，顯著高于其他處理，其中W1F2最低，僅有0.30 mol·m-2·s-1；W1條件下Tr值整體低于W2和W3。W3F1處理Tr有最大值，為5.07 mmol·m-2·s-1，W1F2處理的Tr值最小，為1.32 mmol·m-2·s-1。

表3 灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱光合特性的影響

2.4 灌溉次數(shù)和施肥量互作下甜高粱變量間的相關(guān)性分析

為探明甜高粱變量間的相關(guān)關(guān)系，對甜高粱8個變量進行相關(guān)性分析(圖5)。結(jié)果表明，干草產(chǎn)量與粗蛋白產(chǎn)量、干草產(chǎn)量與肥料偏生產(chǎn)力、粗蛋白產(chǎn)量與肥料偏生產(chǎn)力、胞間CO2濃度與肥料偏生產(chǎn)力、氣孔導度與蒸騰速率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；氣孔導度與胞間CO2濃度、氣孔導度與蒸騰速率、氣孔導度與灌溉水分利用效率、蒸騰速率與灌溉水分利用效率呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。

圖5 甜高粱8個指標間的相關(guān)性

2.5 不同處理甜高粱的主成分分析(PCA)

主成分分析法在牧草栽培以及選育方面已經(jīng)成為主要綜合評價方法之一。對甜高粱不同處理5個指標進行主成分分析(表4)，根據(jù)特征值大于1的原則，可提取2個主要成分，貢獻率分別為52.795%、20.919%，解釋了總體信息的73.714%。

表4 各因子特征值和累計貢獻率

根據(jù)王斌等[17]的方法，將原始數(shù)據(jù)標準化后導入SPSS代入模型，可得出公因子F1和F2，帶入F=(52.795F1+20.919F2)/73.714計算，得出不同處理甜高粱的綜合得分(表5)。

表5 灌溉次數(shù)、施肥量綜合排名及得分

3 討論

3.1 灌水次數(shù)與施氮肥對甜高粱生產(chǎn)性能和光合特性的影響

牧草產(chǎn)量是反映飼草作物生產(chǎn)能力的重要指標。田間水肥管理能夠協(xié)調(diào)灌水和施肥關(guān)系并達到高產(chǎn)的目標[18]。已有研究表明，灌水和施肥存在閾值，在一定閾值范圍內(nèi)增加灌水次數(shù)增產(chǎn)效果明顯，超過閾值范圍增產(chǎn)效果下降[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌水次數(shù)的增加，甜高粱產(chǎn)量呈先降低后增加趨勢，說明在甜高粱種植中，合理的灌水措施能激發(fā)植株生產(chǎn)潛力。高麗敏等[20]指出，甜高粱地上部產(chǎn)量在施氮200 kg·hm-2下較施氮100 kg·hm-2提高了51.87%，較不施氮提高了135.06%。本研究表明，施肥能顯著提高甜高粱干草產(chǎn)量，且隨著施肥量的增加，干草產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢，與前人研究結(jié)果吻合，這可能是因為施入適量肥料可全面增加甜高粱根際土壤速效養(yǎng)分含量，改善根際土壤性質(zhì)，增強根系吸收養(yǎng)分的能力[21-22]，加快甜高粱再生速度，促進其生長，進而提高草地產(chǎn)量。

光合產(chǎn)物是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，作物通過凈光合速率和蒸騰速率等光合特性來增加光合產(chǎn)物累積量從而實現(xiàn)高產(chǎn)[23-24]。景立權(quán)等[25]研究表明，隨施氮量的增加，超高產(chǎn)夏玉米葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)呈逐漸上升趨勢，當施氮量超過一定閾值后逐漸下降，過量施氮不利于葉片光合性能的提升，這與本研究結(jié)果相吻合。施氮量為300 kg·hm-2顯著促進甜高粱旗葉凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率的增加，而胞間二氧化碳濃度變化趨勢則相反，低氮甚至不施氮反而促進胞間CO2濃度的提升，這與朱曉軍等[26]研究結(jié)果一致。

在作物生長期，合理的水肥協(xié)調(diào)能提高植株的水肥利用效率。胡偉等[27]關(guān)于水氮供應對牧草生產(chǎn)性能及水氮利用效率的研究表明，肥料偏生產(chǎn)力隨施肥量的增加呈先增大后減小趨勢，而水分利用效率隨灌水量的增加呈先減小后增大的變化規(guī)律。邢英英等[18]指出，隨著灌水量的減少，施肥量的增加，植株水分利用效率會逐漸增大，反之，植株肥料偏生產(chǎn)力呈增大趨勢。本試驗結(jié)果表明，增加灌水和施肥量，甜高粱灌溉水分利用效率呈先增大后減小的變化趨勢，肥料偏生產(chǎn)力隨灌水量的增加先增大后減小再增大，隨氮肥的增加呈先增大后減小趨勢，與前人研究結(jié)果存在差異[27]，這可能與不同地區(qū)的土壤和氣候條件有關(guān)。同時，本試驗也驗證了以水促肥，以肥調(diào)水這句古諺語的合理性，在一定水肥供應范圍內(nèi)，灌溉能有效地提高作物對氮素的吸收、轉(zhuǎn)化和利用，而適當增施氮肥可在一定程度上減小土壤水分不足對作物生長發(fā)育造成的負效應[28-29]，尤其在灌溉一次，施尿素量為300 kg·hm-2時水肥利用效率最優(yōu)。

3.2 灌水次數(shù)和施肥量對甜高粱營養(yǎng)品質(zhì)的影響

牧草粗蛋白含量和相對飼喂價值是評價其營養(yǎng)價值的重要指標。本研究表明，隨著灌溉次數(shù)的增加，甜高粱粗蛋白含量無顯著差異，與余曉雄等[30]的研究結(jié)果存在差異。主要原因是前者研究了燕麥與箭筈豌豆混播飼草粗蛋白含量與灌水量關(guān)系，在一定程度上改變了單一作物自身粗蛋白含量的變化趨勢；同時，不同牧草自身的生理特性具有差異性[31]，即使在同一灌溉處理下也會表現(xiàn)出不同效果。

科學合理的施肥量能夠提高飼草粗蛋白含量，降低粗纖維含量，改善牧草品質(zhì)，為家畜提供優(yōu)質(zhì)飼草，增加采食量，提高消化率。周懷平等[32]研究表明氮肥、磷肥和鉀肥配合施用能顯著提高甜高粱粗蛋白含量，改善牧草營養(yǎng)品質(zhì)。王佳等[33]研究發(fā)現(xiàn)，施肥較不施肥顯著提高了青貯玉米的粗蛋白含量。在本試驗中，甜高粱粗蛋白含量隨著施氮量的增加呈先增加后降低的變化趨勢，與閆慧穎等[34]研究結(jié)果一致，其主要原因是施氮肥能夠明顯提高植株含氮量，增加各種氨基酸含量[35]，從而提高粗蛋白含量。相對飼喂價值是對中性和酸性洗滌纖維含量的綜合反饋，其值越高，牧草飼用價值越好。魏正業(yè)等[36]研究發(fā)現(xiàn)施氮肥處理下牧草相對飼喂價值顯著高于不施肥。本研究發(fā)現(xiàn)不施肥處理下甜高粱相對飼喂價值最高，可能是施肥促進了甜高粱木質(zhì)部形成，導致中性和酸性洗滌纖維含量升高，致使相對飼喂價值降低。因此，對于灌溉次數(shù)和施肥量對甜高粱品質(zhì)的影響仍需進一步研究。

4 結(jié)論

灌溉次數(shù)和施氮肥對甜高粱生產(chǎn)性能、營養(yǎng)價值、光合特性及水肥利用效率均有顯著影響(P<0.05)，在相同灌溉次數(shù)下，隨著施肥量的增加，甜高粱干草產(chǎn)量和灌溉水分利用效率均呈先增加后降低趨勢，而肥料偏生產(chǎn)力呈降低趨勢。經(jīng)主成分分析得出，在灌溉次數(shù)1次(1 050 m3·hm-2)，施肥量為300 kg·hm-2時甜高粱綜合表現(xiàn)最好，適宜在寧夏引黃灌區(qū)推廣應用。