李方豪 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

高粱(Sorghum)作為一種常見(jiàn)的農(nóng)作物,是人們生活中的主糧之一[1]。高粱是世界第5大禾谷類作物,同樣屬于當(dāng)前全球第5大糧食作物,具有抗性好、耐逆性強(qiáng)等特點(diǎn)。在我國(guó)主要分布于西南、東北和華北3個(gè)地區(qū)[2],其中,東北、華北主要是粳高粱生產(chǎn)區(qū),種植面積41.6萬(wàn)hm2；西南主產(chǎn)區(qū)主要是糯高粱產(chǎn)區(qū)[3]。高粱是C4作物,光合作用效率高,生物轉(zhuǎn)化量高,可在較為貧瘠的土地上種植,是一種擁有較高利用價(jià)值的糧食作物和能源植物[4]。高粱作為我國(guó)基本的糧食作物的同時(shí),也是釀酒工業(yè)中的重要原料,因其具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,對(duì)栽植環(huán)境要求低,廣泛在我國(guó)各地種植。高粱中含有較多對(duì)人體有益的營(yíng)養(yǎng)元素,近年來(lái)市場(chǎng)份額逐漸增大[11]。近年來(lái),在諸多著名酒企的拉動(dòng)下迅猛發(fā)展,種植面積更是逐年增加,占全國(guó)種植面積比重從2.5%增加到29.6%[12]。

化肥是糧食的“糧食”,多年的實(shí)踐表明,提高作物單產(chǎn)的重要措施之一是施用化肥[13]。氮肥是我國(guó)主要使用的化肥之一。氮素被稱為作物的生命元素,是作物需要的基本物質(zhì),增施氮肥能提高作物的產(chǎn)量[7]。大量研究和實(shí)踐證明,作物維持正常生長(zhǎng)應(yīng)施用適量氮肥,如施用量較低則會(huì)影響作物的生長(zhǎng)[14]。目前我國(guó)是世界上氮肥使用量最大的國(guó)家,占世界總氮肥使用量的1/3左右[15]。然而,有資料表明,我國(guó)氮肥利用率僅為33%～37%,氮肥損失量高,在較大程度上不但造成浪費(fèi),并且污染環(huán)境,氮肥過(guò)量還會(huì)對(duì)作物自身的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響[7]。高瑋等于2019—2020年通過(guò)研究不同施氮水平下飼用高粱的干物質(zhì)量的積累和分配、耗水量和水分利用效率得到了隴東旱塬區(qū)飼用高粱的適宜氮肥用量范圍為150～160kg·hm-2[8]。高麗敏等采用大田試驗(yàn)研究不同施氮水平對(duì)甜高粱生物量、氮素吸收和轉(zhuǎn)移以及氮肥利用率的影響,得到每期氮肥用量244.50kg·hm-2為長(zhǎng)江下游地區(qū)飼用甜高粱栽種植的適宜施肥量[10]。綜上,在糧食生產(chǎn)中如何科學(xué)合理施肥、保持適合的氮肥施用強(qiáng)度使得氮肥最大程度發(fā)揮積極作用,對(duì)于提高糧食生產(chǎn)效益具有深遠(yuǎn)的積極意義[16]。

影響高粱產(chǎn)量的有關(guān)因素繁多,主要包括莖粗、株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、穗重、穗粒重、出谷率、種植密度等[17]。渠暉等在2a田間試驗(yàn)中,以甜高粱為試驗(yàn)材料,通過(guò)測(cè)定不同施氮水平下甜高粱的干物質(zhì)產(chǎn)量、莖葉比、株高、莖粗、鮮干比、葉面積指數(shù)和綠葉數(shù)7個(gè)參數(shù),探究了甜高粱其主要農(nóng)藝性狀和干物質(zhì)產(chǎn)量的關(guān)系以及不同施氮梯度對(duì)兩者之間關(guān)系的影響[9]?，F(xiàn)階段黑龍江省大田試驗(yàn)主要局限于玉米、大豆等大作物,少有涉及高粱等小作物,并且少有人研究氮素對(duì)高粱農(nóng)藝性狀的影響。近年來(lái),高梁作為白酒原材料的一種,在我國(guó)的種植面積有增加的趨勢(shì)。本文在人口日益增長(zhǎng)帶來(lái)的巨大糧食需求壓力等問(wèn)題背景下,以“龍雜22號(hào)”高粱品種為試驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)測(cè)定不同施氮水平下高粱莖葉比、株高、莖粗和產(chǎn)量等參數(shù),明析不同施氮水平對(duì)影響高粱產(chǎn)量和主要農(nóng)藝性狀及其相互關(guān)系的影響,為氮肥的合理使用和高粱的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)種植技術(shù)提供理論依據(jù)。本研究成果有助于指導(dǎo)黑龍江省哈爾濱地區(qū)的高粱生產(chǎn),從而給農(nóng)民帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本次試驗(yàn)時(shí)間為2021年5—9月,試驗(yàn)田地點(diǎn)為黑龍江省哈爾濱市香坊區(qū)信義村(E126°44′31.60″,N45°44′4.65″),屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫5.6℃,最高月平均氣溫23.6℃,最低月平均氣溫-15.8℃,冬長(zhǎng)夏短,黑鈣土是試驗(yàn)田主要土壤類型。全年降水量423mm,主要集中在6—9月,無(wú)霜期天數(shù)168d,年均≥10℃的積溫為2757.8℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為“龍雜22”,生育期115d。試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列,一共設(shè)置4個(gè)氮肥處理(0kg·hm-2、80kg·hm-2、150kg·hm-2和220kg·hm-2),其他條件各處理均相同,3次重復(fù),共12個(gè)小區(qū),行距65cm,株距20cm。各試驗(yàn)小區(qū)均施入磷肥(P2O5)75kg·hm-2、鉀肥150kg·hm-2作為種肥,施肥時(shí)種子與肥保持3～5cm距離,防止燒種。氮肥使用含N46%的尿素,1/3隨種肥施入,剩下2/3氮肥在拔節(jié)期施入,追肥應(yīng)在根側(cè)7～10cm,深度8～10cm。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 主要農(nóng)藝性狀

1.3.1 .1 株高

隨機(jī)選取每個(gè)小區(qū)中5株高粱,測(cè)量植株地面到植株自然最高點(diǎn)之間的高度,求平均值。并將這5株植株做上標(biāo)記,之后生育期的株高均在這5株選定的植株上測(cè)量。

1.3.1 .2 莖粗

隨機(jī)選取每個(gè)小區(qū)中5株高粱,用皮尺測(cè)量高粱的莖粗。并將這5株植株做上標(biāo)記,之后生育期的莖粗均在這5株植株上測(cè)量。

1.3.1 .3 莖葉比

隨機(jī)選取每個(gè)小區(qū)中5株高粱,在烘箱里經(jīng)過(guò)105℃殺青30min后,用65℃的溫度持續(xù)烘干8h,分離出烘干后的高粱地上部分中的莖和葉,并分別稱重,高粱莖葉比計(jì)算公式:

莖葉比＝莖的重量/葉的重量

按照播種后的生長(zhǎng)天數(shù)對(duì)高粱進(jìn)行取樣。第1次取樣為播種后的45～55d,至高粱進(jìn)入拔節(jié)期后則每隔20d進(jìn)行1次取樣,全生育期一共4次取樣。

1.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因子

于高粱生理成熟期進(jìn)行高粱產(chǎn)量的測(cè)定,采用對(duì)角線原則從各小區(qū)中隨機(jī)選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn),把以測(cè)點(diǎn)為中心的1m2內(nèi)的所有穗剪下,在自然條件下風(fēng)干,然后脫粒稱重。各小區(qū)產(chǎn)量Y(kg·hm-2)計(jì)算公式:

式中,W1、W2和W3為1m2內(nèi)高梁產(chǎn)量,g·m-2。

產(chǎn)量構(gòu)成因子測(cè)定方法見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)量構(gòu)成因子測(cè)定方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮水平對(duì)高粱農(nóng)藝性狀的影響

高粱的株高總體上隨生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。從圖1可以看出,在各生育期內(nèi)150kg·hm-2和220kg·hm-2處理下的高粱株高均處在較高水平,0kg·hm-2處理下的高粱株高水平均明顯低于其他施氮處理。在高粱成熟期,220kg·hm-2處理的作物株高最大,為112.9cm；0kg·hm-2處理的作物株高最小,為109.7cm。施氮量對(duì)于作物株高的影響特點(diǎn)表現(xiàn)為在高粱進(jìn)入拔節(jié)期后和進(jìn)入成熟期前,施氮水平會(huì)顯著影響作物株高,隨著施氮水平的提高,作物的株高也會(huì)隨著增大；而高粱進(jìn)入成熟后,施氮水平對(duì)高粱株高的增大效果不明顯,且施氮水平對(duì)作物株高的影響存在閾值,150kg·hm-2和220kg·hm-2處理相比,隨著施氮量的提高作物株高未明顯增大。

高粱的莖粗增長(zhǎng)主要在作物生長(zhǎng)發(fā)育前期。從圖1可以看出,各處理高粱莖粗在第1次取樣至第2次取樣間增長(zhǎng)較快,而在第2次取樣后,增長(zhǎng)變緩后基本保持穩(wěn)定,這表明施氮水平對(duì)作物莖粗的影響主要在生育前期,作物的莖粗在生長(zhǎng)后期對(duì)氮并不敏感。80kg·hm-2處理下的作物莖粗水平除第1次取樣外的其他各生育期均高于其他處理,而0kg·hm-2處理下的作物莖粗水平在各生育期均明顯低于其他施氮處理。在成熟期,80kg·hm-2處理的莖粗最大,為22.6mm；0kg·hm-2處理的莖粗最小,為18.7mm,前者比后者大20%,這說(shuō)明施氮對(duì)高粱莖粗有增大效應(yīng)。但從150kg·hm-2和220kg·hm-2處理下的作物莖粗可以看出,施氮對(duì)高粱莖粗的增大效應(yīng)并不是線性的,150kg·hm-2處理下的作物莖粗與最大值(80kg·hm-2處理下)接近,而220kg·hm-2處理下的作物莖粗卻比最大值小11%。這說(shuō)明在其他條件相同的前提下,過(guò)量的施氮反而會(huì)抑制作物莖粗的增長(zhǎng)。

圖1 施氮水平對(duì)不同生育期高粱農(nóng)藝性狀的影響

隨著高粱的生長(zhǎng)發(fā)育,由圖1可知,各處理高粱植株的莖葉比在第1次取樣和第2次取樣之間均較小且無(wú)差異,第2次取樣后逐漸增大,其中150kg·hm-2處理下莖葉比的增速為所有處理中最大,而0kg·hm-2處理的莖葉比增速表現(xiàn)為所有處理中最小。

2.2 施氮水平對(duì)高梁產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

圖2為不同施氮水平下高粱的產(chǎn)量情況,所有處理中產(chǎn)量最大的是150kg·hm-2處理,其產(chǎn)量為7120kg·hm-2,0kg·hm-2處理下高梁產(chǎn)量最小,其產(chǎn)量為5496.7kg·hm-2。0kg·hm-2處理產(chǎn)量都低于施氮處理,與未增施氮肥的處理相比,施加氮肥可以顯著提高高粱的產(chǎn)量,當(dāng)其他條件相同時(shí),施氮處理可以增產(chǎn)7.8%～33.9%。然而施氮對(duì)產(chǎn)量的提升同樣存在閾值,在閾值前,當(dāng)施氮量的增大,高粱產(chǎn)量也隨著提高,但是當(dāng)施氮量達(dá)到某一閾值以后,施加氮肥不再提高產(chǎn)量反而會(huì)造成減產(chǎn),此試驗(yàn)中150kg·hm-2處理和220kg·hm-2處理相比,施氮量增加了46.7%,高粱產(chǎn)量卻減小了13.9%。

圖2 施氮水平對(duì)高粱產(chǎn)量的影響

表2為不同施氮水平下各處理高粱產(chǎn)量構(gòu)成因子。從高粱的穗長(zhǎng)來(lái)看,各處理間差異性并不顯著,80kg·hm-2和150kg·hm-2處理下高粱穗長(zhǎng)略大于其他處理；從高粱的穗粗來(lái)看,各處理間差異性顯著,其中穗粗最大為150kg·hm-2處理,最小為80kg·hm-2處理。0kg·hm-2和220kg·hm-2處理穗粗較為接近。從高粱的千粒重來(lái)看,各處理間較為接近,差異性也不顯著。從高梁的每穗粒數(shù)和每穗粒重來(lái)看,各處理間差異性顯著,最大均為為150kg·hm-2處理,最小均為0kg·hm-2處理。

表2 施氮水平對(duì)高粱產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

3 討論

氮素是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的因素之一。此次試驗(yàn)中研究了施氮量對(duì)高粱主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響。作物生長(zhǎng)量的基本標(biāo)志之一是株高[5],本試驗(yàn)中150kg·hm-2和220kg·hm-2處理下高粱株高均表現(xiàn)較好,施氮會(huì)顯著提高高粱的株高水平。莖是植株主要支撐器官,植株的株型、抗倒伏性能等受莖的高度、粗度和節(jié)間長(zhǎng)短影響,從而影響高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[5]。本試驗(yàn)中80kg·hm-2和150kg·hm-2處理下高粱莖粗均表現(xiàn)較好,0kg·hm-2處理下高粱莖粗水平較低,施氮會(huì)顯著提高高粱的莖粗水平。并且氮素對(duì)高粱莖粗的影響主要在第1次取樣后和第2次取樣前之間,這一時(shí)期高粱正處于拔節(jié)期。這是由于高粱進(jìn)入拔節(jié)期后,植株開始迅速生長(zhǎng),對(duì)水肥的需求也隨之增大,此時(shí)莖對(duì)于氮素較為敏感。莖葉比是評(píng)估高粱品質(zhì)的重要指標(biāo),能反映干物質(zhì)在高粱各器官中的積累分配情況[6]。本試驗(yàn)中,莖葉比最大為150kg·hm-2處理,總體上施氮處理的高粱莖葉比均比0kg·hm-2處理下的高粱莖葉比大,由此可見(jiàn)施氮會(huì)影響高粱的莖葉比。

高麗敏[10]等通過(guò)試驗(yàn)得到長(zhǎng)江下游地區(qū)種植飼用甜高粱適宜氮肥用量為244.50kg·hm-2。通過(guò)本試驗(yàn)可得,施加氮肥可顯著提高高粱產(chǎn)量,高粱產(chǎn)量最大為150kg·hm-2處理,但施氮對(duì)高粱產(chǎn)量的提高存在閾值。適當(dāng)?shù)牡适褂昧靠梢栽鰪?qiáng)根系活力以及提高對(duì)養(yǎng)分的吸收能力,而過(guò)量施用氮肥,反而會(huì)降低植株對(duì)氮素的吸收能力。這或許是由于過(guò)量的氮肥抑制了的植株根系生長(zhǎng),根系長(zhǎng)度的降低和與氮肥接觸面積的減小造成了根系對(duì)養(yǎng)分吸收的不足并最終導(dǎo)致氮素含量的降低[9]。穗粗、穗長(zhǎng)、千粒重等是影響高粱產(chǎn)量的最有效因子[18]。本試驗(yàn)中,高粱穗長(zhǎng)和千粒重對(duì)氮素并不敏感,不同施氮水平下各處理差異性不顯著。而高粱處理的每穗粒數(shù)差異性較大,150kg·hm-2處理比0kg·hm-2處理的高粱粒數(shù)水平提高了約30%。這或許可以得到高粱每穗粒數(shù)是影響高粱產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,施加氮肥可以提高高粱每穗粒數(shù),進(jìn)而提高高粱每穗粒重,從而提高高粱的產(chǎn)量。

4 結(jié)論

氮素對(duì)高粱的生長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用,適當(dāng)施氮有利于增加高粱的產(chǎn)量。本試驗(yàn)結(jié)果表明,施加氮肥會(huì)影響高粱株高、莖粗、莖葉比等農(nóng)藝性狀,從而影響高粱的產(chǎn)量。綜合考慮,黑龍江省哈爾濱市種植“龍雜22號(hào)”高粱推薦氮肥施用量為150kg·hm-2。過(guò)量的氮肥施用量不僅沒(méi)有持續(xù)地增加高粱的產(chǎn)量,反而可能會(huì)造成減產(chǎn)。