氮素對紫花苜蓿種子產量與氮累積動態變化的影響

陳玲玲，任偉，毛培勝，烏仁圖雅，王勝男，梁慶偉

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氮素對紫花苜蓿種子產量與氮累積動態變化的影響

陳玲玲1,2，任偉3，毛培勝1*，烏仁圖雅2，王勝男2，梁慶偉2

(1.中國農業大學草業科學系,草業科學北京市重點實驗室，北京 100193；2.赤峰市農牧科學研究院，內蒙古 赤峰 024031；3.吉林省農業科學院畜牧科學分院，吉林 公主嶺136100)

為研究紫花苜蓿種子生產過程中氮素吸收、分配及利用規律，探索合理的施氮肥措施，通過田間試驗研究了不同氮素處理(0，45，90 和135 kg N/hm2)對敖漢苜蓿和公農1號苜蓿氮素累積量、生殖器官氮素累積量及氮素分配率的動態變化以及種子產量、質量及氮素收獲指數的影響。結果表明，兩個紫花苜蓿品種的種子產量和氮素收獲指數都隨著施氮量的增加而降低，但是結莢率、單株粒重、千粒重和種子質量卻隨著施氮量的增加而提高。兩個苜蓿品種的氮素累積量及氮素分配率的動態變化表現不一致。根據兩個苜蓿品種需氮規律可得出，在返青期一次性施氮肥不能滿足紫花苜蓿的需氮規律。其合理的施肥措施是：敖漢苜蓿在現蕾期追施45 kg N/hm2，開花期不施，結莢期補施90 kg N/hm2；公農1號苜蓿在現蕾期不施肥，開花期追施45 kg N/hm2，結莢期補施45 kg N/hm2。研究結果初步確定了赤峰地區苜蓿種子生產田的需氮肥規律及適宜施氮量，為苜蓿種子生產過程中氮肥的合理施用提供了基礎數據。

氮素；紫花苜蓿；種子產量；氮累積；動態變化

苜蓿(Medicagosativa)種子生產是發展苜蓿產業的一個重要環節。我國苜蓿種植歷史悠久，其栽培面積已達3.77×106hm2以上[1-2]，但苜蓿種子生產田面積僅有57.45萬畝[3]，其種子生產技術落后，缺乏系統的研究，極大地限制了苜蓿產業化的發展。隨著草原生態保護補助獎勵機制的全面實施和振興奶業苜蓿發展行動的啟動，苜蓿種植面積將進一步擴大，苜蓿種子的需求顯著增加，供應明顯趨緊。在我國，紫花苜蓿種子生產難度大，苜蓿實際種子產量僅是其理論產量的4%左右[4]。因此科學化管理是提高苜蓿種子產量和質量的重要保障。

氮素是影響種子產量的關鍵因素，氮素對于植株分蘗、干物質生產、花序形成、種子產量組分動態變化等均具有影響[5]。但是，由于對苜蓿種子生產過程中氮素利用規律及氮素吸收來源缺乏深入的研究，對苜蓿施氮的效果一直存在爭議。而要解決這一問題，必須先了解苜蓿的氮素吸收動態變化及氮素利用效率，并在此基礎上添加外源氮素進行調控。苜蓿與共生固氮菌以及環境之間有密切的互作關系，生物固氮的存在，使苜蓿施氮問題更為復雜。

國內外學者關于氮素在紫花苜蓿種子生產中的作用的意見不一致。國外學者認為紫花苜蓿主要依靠生物固氮提供氮素，認為紫花苜蓿無需施氮肥[6]，因此關于紫花苜蓿需氮肥的研究很少有報道。國內學者認為在紫花苜蓿種子生產過程中，生長早期不需要氮肥，進入生殖生長期對氮肥的需要量不斷增加，而此時苜蓿的根瘤菌逐漸老化，固氮能力顯著下降，氮素供應明顯不足，追施一定量的氮肥可有效提高苜蓿結莢率和種子產量[7-8]。在國內，多數苜蓿田的土壤硝態氮、有機質較低，鹽堿較重，并伴有干旱、低溫氣候，從而不利于生物固氮，因此主要依靠施肥提供氮素。目前，關于苜蓿種子生產田氮肥施用技術的研究主要集中于施氮量和施氮時間對種子產量的影響[9-10]，而對于苜蓿種子形成發育過程中氮素累積、氮素利用率及氮素水平與種子生物量之間的關系的研究很少。本研究針對赤峰地區，選擇敖漢苜蓿和公農1號苜蓿，研究不同氮素水平下紫花苜蓿生長發育及種子形成過程中氮素累積的動態變化以及氮素分配情況，探索苜蓿氮素吸收、分配、利用規律，以期為苜蓿種子生產中氮素的合理施用及科學化管理提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本情況

試驗區位于內蒙古赤峰市西郊10 km處，北緯 42°17′，東經118°51′，海拔601 m，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，年日照時數2800～3100 h，年均降水量360～400 mm，年平均氣溫7.2 ℃，無霜期120～145 d，≥10 ℃年積溫1800～3000 ℃。試驗地地勢平坦，肥力均勻，光照、通風條件良好，有機質含量12.02 g/kg，全氮0.72 g/kg，堿解氮51.33 mg/kg，有效磷40.45 mg/kg，速效鉀98.33 mg/kg，土壤pH 8.37。

1.2 試驗材料

供試苜蓿品種為敖漢苜蓿和公農1號苜蓿，供試肥料為尿素(含N 46.4%)。

1.3 試驗設計

試驗于2015年在內蒙古赤峰市農牧科學研究院進行。試驗材料于2014年6月播種，小區面積為20.9 m2(3.8 m×5.5 m)，播種行距60 cm。試驗采用單因素隨機區組設計，設4個氮肥處理，即0(N0)、45(N45)、90 (N90)和135(N135) kg N/hm2，4次重復，于返青期開溝施氮肥。

1.4 測定內容與方法

1.4.1 苜蓿氮素累積量的測定 分別于苜蓿現蕾期、開花期、結莢期選取具有代表性的植株10株，靠近地表收獲，將莖、葉、花、莢分開后，于105 ℃殺青1 h，80 ℃烘干至恒重后稱干重。粉碎后用凱氏定氮法測定分器官的氮濃度，根據分器官的干物重和氮濃度值計算單株氮素累積量，并換算成每公頃的總氮素累積量[11]。

紫花苜蓿植株地上氮累積量(kg/hm2)=密度(株/hm2)×單株地上干物重(kg/株)×氮濃度(%)/100
生殖器官氮素累積量(kg/hm2)=密度(株/hm2)×生殖器官地上干物重(kg/株)×生殖器官氮濃度(%)/100
生殖器官氮素分配比率(%)=生殖器官氮素累積量(kg/hm2)/植株氮素累積量(kg/hm2)×100
氮素收獲指數(%)=種子氮素累積量/植株氮素累積量×100

1.4.2 苜蓿種子產量及產量組分的測定 于開花期每個小區隨機選取1 m長的3行，測定枝條數/m2；在開花期和結莢期，隨機取健康植株30株，齊地面剪下，帶回實驗室，測定花序數/枝條、小花數/花序、結莢花序數/枝條、莢果數/花序、種子數/莢果等種子產量構成因子，之后計算結莢率；于種子成熟期每個小區選擇3個1 m的樣段，測定種子產量，選擇5株測定單株種子重量，收獲種子后測定種子含氮量[6]。

結莢率(%)=每個花序上的平均結莢數/每個花序上的平均小花數×100%

1.4.3 苜蓿種子質量的測定 參照ISTA種子檢驗規程(2013)[12]進行發芽試驗，將收獲后的種子放入鋪有2層濾紙的培養皿中，每皿放置100粒種子，設4次重復。5 ℃預處理7 d，隨后放置于光照培養箱中，在20 ℃恒溫、光照8 h/黑暗16 h條件下培養。從第4 天開始初次計數，逐日統計發芽種苗數，末次計數為第10天，最終統計正常種苗數、不正常種苗數、硬實種子數和死種子數并按以下公式計算發芽率和發芽勢：

發芽率(%)=(規定的發芽天數內發芽種子數/供試種子總數)
發芽勢(%)=(種子發芽數達到高峰時的發芽總數/供測種子總數)

1.5 數據分析

采用Excel軟件進行數據處理和作圖，SPSS 21.0 統計軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 氮素對紫花苜蓿氮素累積量動態變化的影響

紫花苜蓿氮素累積量隨著生育期的推進呈現迅速增加的趨勢(圖1)，在結莢期取得最大值，但在不同氮素處理水平下，兩個紫花苜蓿品種的氮素累積量整體變化趨勢不一致。在現蕾期，敖漢苜蓿氮素累積量隨著施氮量的增加呈現先增加后降低的趨勢，以N45處理為最高，顯著(P<0.05)高于N135處理組，與其他兩組差異不顯著(P>0.05)。公農1號苜蓿氮素累積量則隨著施氮量的增加而降低，以N0處理為最高，顯著(P<0.05)高于N45和N135處理組，與N90處理組差異不顯著(P>0.05)；在開花期，敖漢苜蓿氮素累積量隨著施氮量的增加而降低，以對照組為最高，顯著(P<0.05)高于其他3組。公農1號苜蓿氮素累積量隨著施氮量的增加呈現先增加后降低再增加的趨勢，以N45和N135處理組為最高，顯著(P<0.05)高于N0和N90處理組；在結莢期，敖漢苜蓿氮素累積量隨著施氮量的增加呈現先降低后增加再降低的趨勢，以對照組和N90處理為最高，顯著(P<0.05)高于N135處理組，與N45處理差異不顯著(P>0.05)。公農1號苜蓿氮素累積量隨著施氮量的增加呈現先增加后降低的趨勢，以N45處理組為最高，顯著(P<0.05)高于對照組，與其他兩組間差異不顯著(P>0.05)。

2.2 氮素水平對紫花苜蓿生殖器官氮素累積量動態變化的影響

紫花苜蓿生殖器官氮素累積量隨著生育進程的推進呈現增加的趨勢(圖2)。敖漢苜蓿生殖器官氮素積累量在開花期和結莢期隨著施氮量的增加而降低，以對照組為最高，顯著(P<0.05)高于其他處理組；公農1號苜蓿生殖器官氮素累積量在開花期隨著施氮量的增加呈現先增加后下降再增加的趨勢，以N45處理組為最好，顯著(P<0.05)高于其他處理組，在結莢期隨著施氮量的增加而降低，以對照組為最高，顯著(P<0.05)高于N90和N135處理組，與N45處理組間差異不顯著(P>0.05)。

2.3 氮素水平對紫花苜蓿生殖器官氮素分配比率動態變化的影響

紫花苜蓿生殖器官氮素分配比率隨著生育進程的推進呈現增加的趨勢(圖3)。在開花期，敖漢苜蓿生殖器官氮素分配比率隨著施氮量的增加呈現先降后增的趨勢，以N135處理組為最好，顯著(P<0.05)高于其他處理組，公農1號苜蓿生殖器官氮素分配比率隨著施氮量的增加呈現先增加后下降的趨勢，以N45處理組為最好，顯著(P<0.05)高于其他處理組；在結莢期，兩個苜蓿品種生殖器官氮素分配比率均隨著施氮量的增加而下降，顯著(P<0.05)高于其他處理組。

2.4 不同氮素水平對紫花苜蓿氮素收獲指數的影響

在赤峰地區，兩個苜蓿品種在不同氮素水平下的氮素收獲指數變化表現出相同的趨勢(圖4)，即隨著施氮量的增加呈現先降低后增加的趨勢，均以對照組為最高，顯著(P<0.05)高于其他處理組。敖漢苜蓿的最高氮素收獲指數為14.10%，公農1號苜蓿最高收獲指數為17.63%。

圖1 氮素水平對紫花苜蓿植株氮素累積量動態變化的影響Fig.1 Effects of nitrogen application levels on dynamic changes of the nitrogen accumulation amount of alfalfa

圖2 氮素水平對紫花苜蓿生殖器官氮素累積量動態變化的影響Fig.2 Effects of nitrogen application levels on dynamic changes of nitrogen accumulation amount in reproductive organs of alfalfa

不同小寫字母表示不同氮素水平下在P<0.05水平上差異顯著，下同。Different small letters indicate significantly different atP<0.05 level,the same below.

圖3 氮素水平對紫花苜蓿生殖器官氮素分配比率動態變化的影響Fig.3 Effects of nitrogen application levels on dynamic changes of the nitrogen distribution ratio in reproductive organs of alfalfa

圖4 氮素水平對紫花苜蓿氮素收獲指數的影響Fig.4 Effect of nitrogen application levels on nitrogen harvest index of alfalfa

2.5 氮素對紫花苜蓿種子產量及質量的影響

兩個苜蓿品種的實際種子產量隨著施氮量的增加而下降，均以對照組為最高(表1)。敖漢苜蓿對照組實際種子產量顯著(P<0.05)高于其他處理組；公農1號苜蓿對照組實際種子產量顯著(P<0.05)高于N90和N135處理組，與N45處理組差異不顯著(P>0.05)。敖漢苜蓿潛在種子產量也隨著施氮量的增加而降低，顯著(P<0.05)高于N45和N135處理組，與N90處理組差異不顯著(P>0.05)；公農1號苜蓿潛在種子產量隨著施氮水平的增加呈現先增加后降低的趨勢，以處理N45為最高，顯著(P<0.05)高于對照組，與其他兩組差異不顯著(P>0.05)。施氮肥能提高苜蓿單株粒重、千粒重、結莢率和種子質量。敖漢苜蓿單株粒重、結莢率和發芽勢以N90處理為最好，N90處理組單株粒重顯著(P<0.05)高于其他處理組，結莢率顯著(P<0.05)高于N0和N135處理組，與N45處理組差異不顯著(P>0.05)，各處理間發芽勢差異不顯著(P>0.05)。種子千粒重和發芽率以N135處理為最好，各處理間差異不顯著(P>0.05)；公農1號苜蓿種子單株粒重、千粒重和發芽勢以N45處理為最好，單株粒重顯著(P<0.05)高于其他處理組，千粒重和發芽勢在各處理間差異不顯著(P>0.05)。結莢率以N90處理為最好，顯著(P<0.05)高于對照組，與其他處理組間差異不顯著(P>0.05)，發芽率以不施肥處理為最好，各處理組間差異不顯著(P>0.05)。

表1 氮素水平對紫花苜蓿種子產量及質量的影響Table 1 Effect of nitrogen application levels on seed yield and quality of alfalfa

注:同列不同小寫字母表示不同氮素水平下在P<0.05水平上差異顯著。
Note:Different small letters within the same column indicate significantly different atP<0.05 level.

3 討論

3.1 氮素對紫花苜蓿氮累積動態變化的影響

本研究針對赤峰地區播種第二年的紫花苜蓿種子生產田進行了氮肥施用效果的研究，并對紫花苜蓿氮素累積量、生殖器官氮素累積量及氮素分配狀況進行動態監測。從兩個苜蓿品種表現看出，在現蕾期，敖漢苜蓿N45處理組氮素累積量最高，說明在現蕾期敖漢苜蓿氮素供應不足，施加一定量的外源氮素能提高植株氮素累積量，但超過某一氮素水平，反而起到抑制作用。而公農1號苜蓿植株氮素累積量以N0處理組最高，說明在現蕾期公農1號苜蓿氮素供應充足，施加外源氮素降低了植株氮素累積量，因此在現蕾期不需要施外源氮素；在開花期，敖漢苜蓿氮素累積量和生殖器官氮素累積量均以不施肥組最高，而公農1號苜蓿則以N45處理組最高。表明，在開花期敖漢苜蓿氮素供應充足，不需要添加外源氮素，公農1號苜蓿需追施45 kg N/hm2為宜；在結莢期，敖漢苜蓿氮素累積量以N90處理組最高，公農1號苜蓿氮素累積量則以N45處理組最高，而兩個苜蓿品種生殖器官氮素累積量均以不施肥組最高，表明，前期施加的外源氮素主要向苜蓿營養體集中，向生殖器官的轉移量相對降低，使生殖生長量降低，此時苜蓿根瘤固氮作用已不能滿足紫花苜蓿后期生長所需的氮素，最終導致種子產量的下降。因此在結莢期應補施一定量的氮肥。根據苜蓿生殖器官氮素累積量、氮素分配比率以及收獲指數可得出，兩個苜蓿品種除對照組外，均以N135處理表現較好，所以，綜合考慮各因素，在結莢期，敖漢苜蓿應補施90 kg N/hm2為宜，而公農1號苜蓿則補施45 kg N/hm2為宜。在本研究中兩個苜蓿品種的需氮肥規律不一致，這可能是與品種的生長特性有關。敖漢苜蓿莖稈細，單位面積內的植株較公農1號多，因此在現蕾期需氮多；而公農1號苜蓿植株高大，莖稈粗，分枝多，枝條上的小花數和莢果數較敖漢苜蓿多，因此，在開花期需氮肥多。除此以外，在紫花苜蓿生殖生長時期，不斷有落花落莢現象，這也會引起兩個苜蓿品種需氮肥規律的不一致。

3.2 氮素對紫花苜蓿種子產量與質量的影響

在本研究中，施氮肥有效地提高了種子千粒重、結莢率和單株粒重。研究表明，紫花苜蓿種子產量與結莢率、單株粒重和千粒重等正相關[13]，結莢率、單株粒重和千粒重等的提高有利于種子產量的提高[16]。田新會等[17]認為施用47 kg/hm2氮肥可提高苜蓿種子產量和質量，增產是通過提高種子數和結莢數來實現。李麗等[18]研究表明在干旱地區適時適量施用氮肥能夠滿足苜蓿生育后期對于氮素的需求，當施氮量為150 kg/hm2時能有效提高苜蓿種子產量，種子產量可高達740.36 kg/hm2。因此，合理的氮肥管理不僅能提高苜蓿種子產量和質量，而且能減少氮肥損失，提高氮肥利用率。在本研究中兩個苜蓿品種實際種子產量均隨著施氮量的增加而降低，這可能是由于在生育前期集中施用氮肥促進了苜蓿營養生長，從而導致生育后期生殖器官的氮素虧缺。因此，在實際種子生產過程中應做到前期控氮，抑制無效分蘗，生育后期補施氮肥，促進生殖生長。除此以外，本研究中試驗地土壤氮含量較高，因此添加外源氮素，再加上紫花苜蓿本身具有的根瘤固氮作用，可能產生拮抗作用，從而導致種子減產。因此，在以后的研究中，應使用氮肥運籌方式，結合根瘤固氮特性，進行多年、多點的試驗研究，為紫花苜蓿種子生產田中氮素優化管理提供理論依據和技術支持。

4 結論

綜合兩個苜蓿品種的表現可得出，對于赤峰地區紫花苜蓿種子生產田，在返青期一次性施氮肥是無效施肥。其合理的施肥措施是：敖漢苜蓿在現蕾期追施45 kg N/hm2，開花期不施，結莢期補施90 kg N/hm2；公農1號苜蓿在現蕾期不施肥，開花期追施45 kg N/hm2，結莢期補施45 kg N/hm2。

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Effects of nitrogen application on seed yield and nitrogen accumulation in alfalfa (Medicagosativa)

CHEN Ling-Ling1,2,REN Wei3,MAO Pei-Sheng1*,WU Ren-Tu-Ya2,WANG Sheng-Nan2,LIANG Qing-Wei2

1.DepartmentofGrasslandScience,ChinaAgriculturalUniversity,BeijingKeyLaboratoryofGrasslandScience,Beijing100193,China;2.ChifengAcademyofAgriculturalandAnimalSciences,Chifeng024031,China;3.AnimalScienceBranch,JilinAcademyofAgriculturalSciences,Gongzhuling136100,China

To investigate nitrogen (N) uptake,N fertilizer management and N utilization in alfalfa (Medicagosativa) seed crops a field experiment with four N treatments (0,45,90,and 135 kg N/ha) and two alfalfa cultivars,Aohan and Gongnong No.1 was established to compare the effects of N application on seed yield,seed quality,N harvest index and the dynamics of N accumulation and distribution in alfalfa plants.The results showed that the seed yield and N harvest index were decreased while the pod setting rate,seed weight per plant,1000 seed weight and seed quality of both cultivars were increased with increased N application.The dynamic changes of N accumulation and distribution were influenced by cultivar.The optimum N application rate for Aohan was 45 kg N/ha at the budding stage and 90 kg N/ha at the podding stage whereas the optimum N application rate for Gongnong No.1 was 45 kg N/ha at flowering stage and 45 kg N/ha at podding stage.The initial results confirmed the value of N fertilizer application and the regulation of N fertilizer requirements in alfalfa seed crops in the Chifeng area,and provided useful information for the determination of appropriate N fertilizer use in alfalfa seed crops.

nitrogen;alfalfa;seed yield;nitrogen accumulation;nitrogen dynamics

10.11686/cyxb2016265 http://cyxb.lzu.edu.cn

陳玲玲,任偉,毛培勝,烏仁圖雅,王勝男,梁慶偉.氮素對紫花苜蓿種子產量與氮累積動態變化的影響.草業學報,2017,26(6):98-104.

CHEN Ling-Ling,REN Wei,MAO Pei-Sheng,WU Ren-Tu-Ya,WANG Sheng-Nan,LIANG Qing-Wei.Effects of nitrogen application on seed yield and nitrogen accumulation in alfalfa (Medicagosativa).Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6):98-104.

2016-06-27；改回日期：2017-01-10

現代牧草產業技術體系(CARS-35)資助。

陳玲玲(1982-)，女，蒙古族，內蒙古赤峰人，在讀博士。E-mail:chenlingling001@126.com

*通信作者Corresponding author.E-mail:maops@cau.edu.cn