嚴洪冬，王黎明，焦少杰，姜艷喜，蘇德峰，吳振陽，馬子竣

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院作物資源研究所，黑龍江哈爾濱 150086)

氮素是重要的營養(yǎng)元素，對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)有顯著影響[1]。 氮肥占化肥總用量的60%以上[2]，對糧食增產(chǎn)的貢獻率高達30% ～50%[3]。 我國氮肥的生產(chǎn)量和消費量均居世界首位，占全世界總用量的30%[4-5]，但氮肥利用效率卻遠低于國際平均水平[6]。 氮肥過量施用不僅造成肥料浪費和經(jīng)濟效益下降，還會給生態(tài)環(huán)境造成一系列負面影響[7-9]。 因此，合理施氮，提高作物氮素利用效率，保證低氮肥投入下的糧食和環(huán)境安全是未來可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本保證。

高粱(Sorghum bicolorL. Moench)是我國重要的糧食作物之一，被廣泛應(yīng)用于釀造、飼料、加工和生物質(zhì)能源等領(lǐng)域，具有較強的抗旱、耐澇、耐鹽堿及耐瘠薄等特性[10]。 研究表明，氮肥能夠促進高粱生長，提高產(chǎn)量，并影響籽粒品質(zhì)。 高粱不同生長階段對氮的吸收和積累量不同，幼苗期對氮素的吸收累積較慢，隨著生育期的推進，對氮素的吸收積累速率會隨之加快，通常在花期或灌漿期達到最大[11-12]。 缺乏氮素時高粱植株和籽粒的氮素積累量顯著降低[13]，并影響植株生長和干物質(zhì)積累[14]。 高粱地上部干物質(zhì)積累量是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[15]，氮肥對干物質(zhì)積累的影響最大[16-17]，與不施氮肥相比，施入氮肥能夠顯著提高干物質(zhì)積累量和氮素積累量[18-20]。 同時，氮肥還對籽粒淀粉和單寧含量等品質(zhì)性狀有一定的影響。 適當增加氮肥可提高總淀粉和支鏈淀粉含量[21-22]，但施氮量過高和過低都不利于其積累[23-24]。 施入氮肥還可影響籽粒的單寧含量，隨施氮量增加單寧含量呈下降趨勢[25-26]。

近年來，隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，北方高粱種植區(qū)域的黑龍江、內(nèi)蒙古等春播早熟高粱主產(chǎn)區(qū)不斷北移，適宜機械化種植的矮稈、耐密植、株型緊湊的極早熟高粱品種種植面積逐年擴大。 但目前國內(nèi)外對極早熟高粱的研究主要集中在遺傳育種及栽培技術(shù)等方面，在施肥對干物質(zhì)積累、氮素積累、籽粒的淀粉、單寧及氮、磷、鉀含量等的方面影響缺乏有針對性的研究，且已有研究結(jié)果由于品種、試驗地點及栽培方式等不適合直接應(yīng)用于極早熟品種的生產(chǎn)。 因此，本試驗針對極早熟品種的特征特性及生產(chǎn)特點進行相關(guān)研究，以期明確極早熟高粱產(chǎn)量與效率相協(xié)同的最優(yōu)施氮量，為早熟高粱優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

試驗于2020 年和2021 年分別在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院科技園區(qū)(哈爾濱)和克山分院試驗地(克山)進行。 兩試驗點均位于溫帶季風氣候區(qū)，土壤質(zhì)地均為壤土。 哈爾濱試驗地2020 年前茬作物為大豆、2021 年前茬作物為亞麻；克山試驗地兩年的前茬作物均為玉米。 播種前土壤基礎(chǔ)地力見表1。 供試材料為黑龍江省主栽區(qū)大面積種植的龍雜19、龍雜20 和齊雜722 共3 個極早熟高粱品種。

1.2 試驗設(shè)計及方法

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，以氮肥水平為主因素，品種為副因素。 對3 個品種分別施入純氮0、60、120、180、240、300 kg/hm2共6 個氮肥水平，分別用N0、N60、N120、N180、N240、N300 表示。 隨機區(qū)組排列，重復3 次，小區(qū)面積26 m2。 每小區(qū)種植8 行，行長5 m，壟距0.65 m。 種植密度為30萬株/hm2。 各處理施用等量磷肥(重過磷酸鈣，P2O545%)75 kg/hm2以及鉀肥(硫酸鉀，K2O 50%)30 kg/hm2。 氮肥為尿素(N 46%)，所有肥料作為基肥一次性施入。 其它田間管理與高粱生產(chǎn)田相同。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 地上部干物質(zhì)積累量的測定 分別于高粱五葉期、拔節(jié)期、開花期和成熟期隨機取樣測定。 其中五葉期取樣20 株，其他時期取樣5 株。樣品經(jīng)105 ℃殺青30 min、80 ℃烘干至恒重后，稱干重，即為植株干物質(zhì)積累量。

1.3.2 植株N、P、K 積累量的測定 將烘干后的樣品粉碎，過100 目篩，四分法取樣。 采用半微量凱氏定氮法測定N 含量，用鉬銻抗比色法測定P含量，用火焰光度計法測定K 含量。

1.3.3 籽粒品質(zhì)測定 于高粱完熟期取樣測定籽粒淀粉和單寧含量。 其中，總淀粉含量采用旋光法測定[27]，單寧含量采用比色法測定[28]。 籽粒N、P、K 含量測定方法同1.3.2。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

分別按照兩個環(huán)境，進行兩個年份的聯(lián)合方差分析。 單個環(huán)境兩年裂區(qū)設(shè)計方差分析的線性模型如下:

其中xmijk為第m 年第i 次重復第j 種施肥處理下第k 個品種的觀測值；μ 為總體均值；Ym 為第m年的年份效應(yīng)，可視為隨機效應(yīng)；Ri(m)為第m 年第i 次重復的區(qū)組效應(yīng)；Nj為第j 種施肥效應(yīng)；YNmj為第m 年與第j 種施肥的互作效應(yīng)；δ(m)ij為主區(qū)誤差效應(yīng)；Vk為第k 個品種的效應(yīng)；YVmk為第m 年與第k 個品種的互作效應(yīng)；NVjk為第j 種施肥與第k 個品種的互作效應(yīng)；YNVmjk為第m 年第j 種施肥與第k 個品種的互作效應(yīng)；εmijk為誤差效應(yīng)。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019 進行整理和作圖，應(yīng)用SAS 9.2 統(tǒng)計軟件進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對不同品種高粱植株干物質(zhì)積累的影響

由圖1A 看出，與不施氮處理(N0)相比，五葉期各施氮處理高粱干物質(zhì)積累量均增加。 在哈爾濱試驗點，龍雜19 所有處理的干物質(zhì)積累均無顯著差異；龍雜20 的N120 ～N300 處理干物質(zhì)積累量較高，與N0 差異顯著；而齊雜722 分別在N120、N240 處理時干物質(zhì)積累量顯著高于N0。在克山試驗點，3 個品種的所有施氮處理干物質(zhì)積累量均顯著高于N0。 因此，施氮量為120 ～240 kg/hm2時3 個高粱品種五葉期可達較高干物質(zhì)積累量。

由圖1B 看出，在哈爾濱試驗點，拔節(jié)期龍雜19 和龍雜20 各施氮處理的干物質(zhì)積累量均高于N0，龍雜19 僅在N180 處理時干物質(zhì)積累量與N0 差異達顯著水平，其它施氮處理與N0 無顯著差異；龍雜20 僅在N300 處理時干物質(zhì)積累量顯著高于N0，其它施氮處理與N0 無顯著差異；齊雜722 各施氮處理與N0 均無顯著差異。 在克山試驗點，3 個品種各施氮處理干物質(zhì)積累量均顯著高于N0，龍雜19 干物質(zhì)積累量最大，其次為齊雜722，龍雜20 最低。 施氮量為120～180 kg/hm2時3個高粱品種拔節(jié)期可獲得較高的干物質(zhì)積累量。

開花期3 個品種各施氮處理的干物質(zhì)積累量均高于N0(圖1C)。 在哈爾濱試驗點，龍雜19 干物質(zhì)積累量在N180 ～N240 處理時較高且與N0差異顯著；龍雜20 干物質(zhì)積累量在N60～N240 處理時較高且與N0 差異顯著；齊雜722 在N180 ～N300 處理時干物質(zhì)積累量較高，與N0 差異顯著。 在克山試驗點，龍雜19 在N120 ～N300 處理時干物質(zhì)積累量較高，與N0 差異顯著；龍雜20在N180 ～N300 處理時干物質(zhì)積累量較高，施氮處理與N0 處理差異顯著。 而齊雜722 在N120 ～N300 處理時干物質(zhì)積累量達到較高值，顯著高于N0。 因此，施氮量為120 ～240 kg/hm2時，3 個高粱品種開花期即可獲得較高的干物質(zhì)積累量。

成熟期各處理干物質(zhì)積累量隨施氮量增加總體呈增加趨勢(圖1D)。 3 個品種干物質(zhì)積累量均以N0 處理最低，N300 處理最高。 在克山試驗點，龍雜19、齊雜722 的N180 ～N300 處理及龍雜20 的N300 處理干物質(zhì)積累量較高，且顯著高于其它處理。 在哈爾濱試驗點，龍雜19 的N300 處理干物質(zhì)積累量顯著高于其它處理，龍雜20、齊雜722 的N240、N300 處理干物質(zhì)積累量較高。綜上，氮肥用量為300 kg/hm2時，3 個品種高粱成熟期均可獲得較高的干物質(zhì)積累量。

從出苗到成熟，隨生長量的增加，高粱各生長階段的干物質(zhì)積累量也呈不斷增長趨勢(表2)。其中，出苗期-五葉期干物質(zhì)積累量最少，平均只占總生物量的2.49%。 開花至成熟階段干物質(zhì)積累量最高，達到總生物量的54.02%，且各處理均達到總生物量的50%以上。 各階段干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為開花期-成熟期＞拔節(jié)期-開花期＞五葉期-拔節(jié)期＞出苗期-五葉期。

表2 高粱不同生長階段各施氮處理的干物質(zhì)累積量

2.2 施氮量對植株氮素積累的影響

五葉期3 個高粱品種各施氮處理的氮素積累量較不施氮處理(N0)均有增加(圖2A)。 在哈爾濱試驗點，龍雜20 的N120 ～N300 處理氮素積累量較高，顯著高于N0 處理；齊雜722 的N120 ～N240 處理氮素積累量較高。 而龍雜19 在哈爾濱試驗點及3 個品種在克山試驗點所有施氮處理的氮素積累量差異均不顯著。 因此，施氮量為60 ～120 kg/hm2時，3 個高粱品種五葉期氮素積累量較高。

拔節(jié)期高粱的氮素積累為施氮處理均高于不施氮處理(圖2B)。 在哈爾濱試驗點，龍雜19 的N120 ～N300 處理氮素積累量較高；龍雜20 的N60、N180 ～N300 處理氮素積累量較高；而齊雜722 所有處理差異均不顯著。 在克山試驗點，3 個品種高粱的N180 ～N300 處理氮素積累量較高。因此，施氮量為120 ～240 kg/hm2時，3 個高粱品種拔節(jié)期可獲得較高的氮素積累量。

開花期各施氮處理的高粱氮素積累量均高于不施氮處理(圖2C)。 在哈爾濱試驗點，龍雜19的N180～N300 處理氮素積累量較高；龍雜20 的N60～N300 處理及齊雜722 的N120 ～N300 處理氮素積累量均較高，與N0 差異達顯著水平。 在克山試驗點，龍雜19、龍雜20 的N240 處理氮素積累量均達到最高；齊雜722 在N120 ～N300 處理時達到較高積累量。 因此，施氮量為240 kg/hm2時，3個高粱品種開花期可獲得較高的氮素積累量。

成熟期3 個品種的氮素積累量表現(xiàn)較為一致，均隨施氮量的增加而增加(圖2D)。 所有品種的氮素積累量最高值均出現(xiàn)在N300 處理。 在哈爾濱試驗點，龍雜19 的N240、N300 處理氮素積累量顯著高于其它處理；龍雜20 的N180～N300處理氮素積累量較高；齊雜722 的N120～N300 處理氮素積累量較高，顯著高于其它處理。 在克山試驗點，龍雜19、龍雜20 的N180～N300 處理氮素積累量較高，均顯著高于其它處理；齊雜722 的N240、N300 處理氮素積累量較高，且兩處理差異不顯著。 因此，施氮量為240 kg/hm2時，3 個高粱品種成熟期即可獲得較高的氮素積累量。

由表3 看出，隨著生長量的增加，高粱氮素積累量表現(xiàn)為出苗期到開花期逐漸增加，開花期到成熟期又下降的趨勢。 其中，出苗期-五葉期平均氮素積累量僅占氮素總量的7.38%，拔節(jié)期-開花期氮素積累量達到最高，占氮素總量的42.20%。而開花期-成熟期氮素積累量開始下降，為氮素總量的27.94%。 各階段氮素積累速率為拔節(jié)期-開花期＞開花期-成熟期＞五葉期-拔節(jié)期＞出苗期-五葉期。

表3 高粱不同生長階段各處理的氮素積累量

2.3 施氮量對籽粒淀粉含量的影響

由圖3 看出，高粱籽粒淀粉含量隨施氮量的增加呈降低趨勢。 0 ～120 kg/hm2范圍內(nèi)隨施氮量的增加籽粒淀粉含量不同程度降低，說明在這個區(qū)間內(nèi)，為提高籽粒淀粉含量含量，可以減少氮肥用量。 N180～N300 處理，各處理間淀粉含量差異不顯著，說明在此范圍內(nèi)，增加施氮量對籽粒淀粉含量無顯著影響，其中，淀粉含量降低最多的為龍雜19，哈爾濱試驗點，處理間淀粉含量范圍為71.01%～77.46%，變幅為9.08%；降幅最小的為齊雜722，克山試驗點，各處理淀粉含量范圍為73.79%～75.74%，變幅為2.64%。

圖3 不同氮肥處理的籽粒淀粉含量

2.4 氮肥處理對籽粒單寧含量的影響

由圖4 看出，與不施氮處理相比，3 個品種均表現(xiàn)為施氮處理的籽粒單寧含量顯著降低，且隨施氮量的增加呈下降趨勢。 其中，龍雜19 單寧含量降幅最大，克山點單寧含量變化范圍為0.96%～1.40%，變幅為45.83%；龍雜20 單寧含量降幅最小，哈爾濱試驗點單寧含量變化范圍為0.96%～1.17%，變幅為21.88%。

圖4 不同氮肥處理的籽粒單寧含量

2.5 氮肥處理對籽粒氮磷鉀含量的影響

龍雜19、龍雜20(除在克山點為N300 處理)、齊雜722 品種的籽粒含氮量隨施氮量增加先上升后降低，至N240 處理達到最大值(圖5A)，N180、N240、N300 處理間差異不顯著。 籽粒含氮量上升幅度最大的為龍雜19，在克山點的氮含量為9.70～17.45 g/kg，變幅為79.90%；上升幅度最小為龍雜20，籽粒含氮量在哈爾濱點為12.76～17.42 g/kg，變幅為36.52%。

圖5 不同氮肥處理的籽粒氮磷鉀含量

氮肥不同用量處理的籽粒含磷量變化不大(圖5B)。 除龍雜20 外，施氮處理的籽粒含磷量均高于不施氮處理。 其中，在哈爾濱試驗點，龍雜19 和齊雜722 不施氮肥處理的籽粒含磷量顯著低于N180、N240 和N300 處理。 龍雜20 所有處理間籽粒含磷量差異均不顯著。 說明施用氮肥對籽粒磷含量影響甚微。 施氮肥后，各品種在哈爾濱點的籽粒含磷量略高于克山點。

籽粒含鉀量在各施氮處理間差異均不顯著(圖5C)，只有龍雜19 的N0 與N300 處理間籽粒含鉀量差異達到顯著水平，其余所有處理與不施氮肥處理差異均不顯著。 說明施氮量對籽粒含鉀量影響不大。 克山試驗點籽粒含鉀量略高于哈爾濱試驗點。

3 討論與結(jié)論

本試驗結(jié)果表明，施用氮肥可有效提高高粱干物質(zhì)和氮素的積累量。 干物質(zhì)積累量因品種而略有不同，五葉期、拔節(jié)期施氮處理間干物質(zhì)積累基本無顯著差異，開花期和成熟期處理間出現(xiàn)顯著差異，成熟期干物質(zhì)積累隨施氮量的增加而增加，這與徐慶全[20]、胡文河[29]等的研究結(jié)果一致。 但也有研究認為成熟期干物質(zhì)和氮素積累量隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢[19，25]。出現(xiàn)這種結(jié)果可能是試驗品種的差異所導致。 本試驗所用極早熟高粱為株高1 m 左右的耐密植品種，種植密度為中晚熟品種的2 ～3 倍，依靠群體產(chǎn)量獲得高產(chǎn)，與大多數(shù)研究的中晚熟、稀植大穗型品種的特征特性差異很大，因此，干物質(zhì)積累和氮素積累在不同施氮水平上有差異。 本研究還發(fā)現(xiàn)，生長初期由于生長緩慢，植株的干物質(zhì)和氮素積累較少，隨著生育期的推進，生長速率加快，干物質(zhì)和氮素積累量均明顯提高。 其中，氮素積累量在拔節(jié)至開花期最高，而干物質(zhì)積累量為開花至成熟期最高。 同時，生長前期只需少量氮肥就可獲得較高的干物質(zhì)和氮素積累量，而生長后期則需要較多氮肥。 因此，極早熟高粱的生產(chǎn)種植可少量施入尿素作底肥，在拔節(jié)前再追施較多尿素以滿足生長后期對氮素的需要，進而達到較高的干物質(zhì)積累量。

以往研究表明，施氮肥會影響籽粒品質(zhì)[25-26]。 本研究發(fā)現(xiàn)，籽粒淀粉和單寧含量隨氮肥施入量的增加而呈減少的趨勢。 施少量氮肥籽粒淀粉含量即下降，但施氮量達到180 kg/hm2以上淀粉含量趨于穩(wěn)定。 同時，所有施氮處理的籽粒單寧含量均顯著低于不施氮處理，當施氮量達到240 kg/hm2以上單寧含量趨于穩(wěn)定。 由于極早熟高粱幾乎全部用于釀酒，需要較高的淀粉含量以及一定的單寧含量，因此，為保證籽粒的釀造品質(zhì)，應(yīng)適當控制施用氮肥。 另外，施氮肥增加籽粒含氮量，但對籽粒磷鉀含量影響很小。

綜上，施用氮肥可顯著增加極早熟高粱的干物質(zhì)積累量和氮素積累量。 其中，開花至成熟期的干物質(zhì)積累量最多，拔節(jié)至開花期的氮素積累量最多。 籽粒淀粉和單寧含量隨施氮量增加而降低。 籽粒含氮量隨施氮量的增加而增加，但對籽粒含磷鉀量影響較小。