水氮耦合對藜麥產(chǎn)量、氮素吸收和水氮利用的影響

王 斌，聶 督，趙圓峰，霍曉蘭，黃高鑒，張 強

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，太原 030031；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 山西 太谷 030801；3.山西大學(xué) 生物工程學(xué)院，太原 030006；4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，太原 030031）

0 引 言

【研究意義】藜麥又稱南藜麥、藜谷、奎奴亞藜等，發(fā)源于南美洲安第斯山脈[1]，是1 年生的藜科雙子葉植物。藜麥屬于全營養(yǎng)功能食品，具有獨特而豐富的營養(yǎng)價值[2]。從2013 年山西省靜樂縣開始規(guī)模化種植[3]，到目前全國已有超過10 個省份種植藜麥。雖然種植范圍不斷擴大，但由于不合理的灌溉和施肥，既對藜麥產(chǎn)量、土壤環(huán)境等產(chǎn)生了影響，又造成了資源浪費或不足[4]。因此，進一步探明水氮交互對藜麥產(chǎn)量和水氮利用效率的影響，優(yōu)化水肥互作技術(shù)，對提高水氮利用效率，促進藜麥產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5]。

【研究進展】水、氮是作物獲得高產(chǎn)的兩大關(guān)鍵因素，通過水肥調(diào)控，可以顯著影響作物的產(chǎn)量、質(zhì)量和效益[6-7]。寧東鋒等[8]對滴灌條件下夏玉米的水氮耦合效應(yīng)研究表明，灌水、氮肥及其交互作用均顯著影響其地上部生物量、籽粒產(chǎn)量和水氮利用效率；陳偉[9]對水稻水氮耦合模型的研究說明，足量灌溉和適宜的氮肥施用量可以提高肥料利用率和水分利用率；尚文彬等[10]對膜下滴灌玉米產(chǎn)量和水氮利用的研究指出，相同施氮量水平下，水分不足會抑制產(chǎn)量提高、影響干物質(zhì)和氮素的累積；倪瑞軍等[11]認為水氮交互作用對藜麥幼苗的葉面積、生物量、根系總體積和過氧化物酶活性等均有顯著影響。Schulte 等[12]認為藜麥對施氮反應(yīng)強烈，且氮肥利用率不隨施氮量增加而降低。Basra 等[13]研究了藜麥5 個施氮水平對產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明75 kg/hm2的氮肥水平能夠基本滿足藜麥的營養(yǎng)生長。Ahmadi 等[14]開展了藜麥在充分灌溉條件下水分生產(chǎn)力方面的研究，認為藜麥獨特的生理系統(tǒng)決定了其水分利用率較高。【切入點】我國引入藜麥種植時間較短，對這一作物的研究尚處于起步階段[11]，且主要集中于加工、栽培和育種[15-17]等方面，對藜麥水氮方面的研究尚少見報道。國外學(xué)者對藜麥氮肥用量、水氮單因子效應(yīng)和水分生產(chǎn)力方面的研究已取得了一定程度的進展，但從各個生育期進行水氮耦合效應(yīng)的研究卻鮮有報道。

【擬解決的關(guān)鍵問題】為明確水氮耦合對藜麥生長、營養(yǎng)、產(chǎn)量等方面的影響，以藜麥主要生育期干物質(zhì)累積量、氮素吸收累積量、產(chǎn)量、收獲指數(shù)、土壤氮素表觀盈虧量、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥利用率、水分利用率等為主要分析指標(biāo)，探明藜麥的水氮耦合效應(yīng)，以期為藜麥生產(chǎn)過程中合理的水肥調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于山西省忻州市靜樂縣辛村鄉(xiāng)張家莊村，當(dāng)?shù)貙俦睖貛Ц咴撅L(fēng)氣候，北緯38o26'，東經(jīng)111o56'，海拔1 440 m，年平均氣溫6～8 ℃，年降雨量300～500 mm，屬干旱半干旱地區(qū)，無霜期120～125 d 左右。2018 年試驗區(qū)藜麥生育期（5—9 月）月降雨量分別為49.9、43.5、131.5、161.4、44.8 mm。

試驗地土壤為黃綿土，水土流失較為嚴重，土壤干旱且結(jié)構(gòu)差，黏粒量較低，保肥性能弱。有機質(zhì)缺乏，氮素中等，磷素極缺，鉀素略缺。微量元素缺乏程度排序為：鋅>錳>鐵>銅。土壤質(zhì)地為砂壤土，根層土壤體積質(zhì)量為1.34 g/cm3，土壤田間持水率為0.28 cm3/cm3。表1 為播前土壤基本養(yǎng)分狀況。

1.2 試驗材料

供試品種為青藜2 號，由青海省農(nóng)林科學(xué)院提供。供試肥料為尿素（含N 量為46%），過磷酸鈣（含P2O5量為12%），硫酸鉀（含K2O 量為50%）。采用滴灌系統(tǒng)，主要包括水表、PE 軟管、貼片式滴灌帶等，貼片式滴灌帶直徑16 mm，厚度0.2 mm，孔距30 cm，孔徑2.2 mm。

1.3 試驗設(shè)計

水肥方案見表2。試驗共設(shè)置15 個處理，3 次重復(fù)，共45 個小區(qū)，每小區(qū)面積3 m×4 m=12 m2。設(shè)灌溉定額W 和施氮量N 2 個因素；其中，灌溉定額設(shè)3 個水平，分別為W0（自然降雨），W1（自然降雨量+有限灌溉量30 mm），W2（自然降雨量+充分灌溉量50 mm）；施氮量設(shè)5 個水平，分別為N0（0 kg/hm2）、N1（37.5 kg/hm2）、N2（75 kg/hm2）、N3（112.5 kg/hm2）、N4（150 kg/hm2）。有限灌溉量和充分灌溉量分別為田間持水率的55%～65%和80%～90%。各處理均施入等量的P2O5（120 kg/hm2）、K2O（90 kg/hm2）。

試驗設(shè)3 個大區(qū)：自然降雨區(qū)（W0），含5 個處理，每個處理3 次重復(fù)，不鋪設(shè)滴灌帶；有限灌溉區(qū)（W1）和充分灌溉區(qū)（W2），各含5 個處理，每個處理3 次重復(fù)，每個小區(qū)按種植行鋪設(shè)6 條滴灌帶。各處理在大區(qū)內(nèi)隨機排列。采用環(huán)衛(wèi)車儲水罐供水，W1和W2區(qū)分別接水表進行灌溉計量。

播種日期2018 年5 月9 日，穴播，株距為30 cm，行距為45 cm，密度約為75 000株/hm2，播深為1～2 cm。氮肥采用播期雨前1 次性基施，施肥時間為2018 年5月9 日，按照試驗設(shè)計進行1 次性補灌，灌溉時間為2018 年7 月23 日，收獲日期為2018 年9 月20 日。

表2 水肥方案 Table 2 Irrigation and fertilizer treatments

1.4 測定項目及方法

1.4.1 農(nóng)藝性狀測定

各生育期植株干質(zhì)量采用烘干法獲得，產(chǎn)量由各小區(qū)單打單收并脫粒后曬干計產(chǎn)。

1.4.2 水分和養(yǎng)分測定

供試土壤田間持水率采用小區(qū)灌水法測定。土壤取樣日期分別為：播前（5 月7 日）、顯穗期（7 月3 日）、抽穗期（8 月16 日）、成熟期（9 月15 日）和收獲后（9 月29 日），用土鉆分別對滴頭周邊0～100 cm 土壤進行分層取樣，每20 cm 為1 層，用烘干法測定土壤含水率，并測定土壤養(yǎng)分。植株取樣日期為：顯穗期（7 月3 日）、抽穗期（8 月16 日）和成熟期（9 月15 日），烘干粉碎后測定干物質(zhì)量，并測定全氮量。樣品全氮用凱氏定氮法測定，儀器為FOSS 8400 型全自動定氮儀；全磷采用釩鉬黃比色法測定，儀器為普析通用TU-1901 型紫外分光光度計；全鉀采用火焰光度法測定，儀器為 6400A 型火焰光度計；土壤有機質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定；土壤鐵錳銅鋅量均采用原子吸收分光光度法測定。

1.4.3 各指標(biāo)計算公式

有限灌溉量（mm）=0.55×田間持水率（cm3/cm3）×計劃濕潤層深度（mm）；充分灌溉量（mm）=0.9×田間持水率（cm3/cm3）×計劃濕潤層深度（mm）；收獲指數(shù)（%）=籽粒干質(zhì)量/地上部分干質(zhì)量×100%；氮素表觀盈虧量（kg/hm2）=（土壤氮素起始總量+施氮量）-（土壤氮殘留總量+作物吸氮量）；氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）=（施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施氮量；氮肥利用率（%）=（施氮區(qū)植株氮素積累量-不施氮區(qū)植株氮素積累量）/施氮量×100%；耗水量（mm）=灌水量+土壤貯水量變化+有效降雨量+地下水補給量-滲漏量-徑流量；水分利用效率（kg/hm3）=作物產(chǎn)量/作物耗水量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007 和SPSS 18軟件進行整理、統(tǒng)計和分析，采用LSD 法進行差異顯著比較，SigmaPlot 12.5 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對藜麥干物質(zhì)累積量的影響

不同水氮處理對藜麥不同生育期地上部分干物質(zhì)累積量的影響如表3 所示。灌溉定額、施氮量和水氮互作均對各生育期干物質(zhì)累積量有顯著影響，其中，灌溉定額對抽穗期和成熟期干物質(zhì)積累量有極顯著影響。在W0（自然降雨）和W1（有限灌溉）條件下，所有施氮處理較不施氮處理干物質(zhì)累積量均有顯著差異；在W2（充分灌溉）條件下，除抽穗期N0（0 kg/hm2）和N1（37.5 kg/hm2）之外，其他施氮處理較不施氮處理干物質(zhì)累積量也均有顯著差異，這表明施氮肥可以顯著增加藜麥干物質(zhì)累積量。對比3 個不同灌溉定額對干物質(zhì)積累量的影響，成熟期W0所有處理干物質(zhì)累積量平均為2 232.9 kg/hm2，W1為2 451.3 kg/hm2，W2為2 883.5 kg/hm2，這表明灌溉定額的增加，可以充分發(fā)揮氮肥的肥效，提高藜麥干物質(zhì)累積量。

表3 不同水氮處理藜麥干物質(zhì)累積量 Table 3 The quinoa dry matter accumulation with different water and nitrogen treatments kg/hm2

2.2 水氮耦合對藜麥氮素吸收累積量的影響

由表4、表5 可知，藜麥氮素累積量隨著生育期的推進，呈不斷增加趨勢，到成熟期達到峰值。對于藜麥植株，灌溉定額、施氮量均對各生育期氮素累積量有顯著影響，而二者的交互作用對其吸氮量無顯著影響；對于藜麥籽粒，灌溉定額對成熟期氮素累積量有極顯著影響，施氮量、二者的交互作用對其吸氮量有顯著影響。不同的灌溉水平下，各施氮處理地上部分氮素累積量均比不施氮肥處理高，成熟期所有不施氮處理的平均氮素累積量為20.4 kg/hm2，而施氮處理的平均氮素累積量為48.9 kg/hm2，這表明施氮可以促進藜麥氮素累積量的增加，而低氮處理限制了藜麥氮素累積量的提高。對比3 個不同灌溉定額對藜麥氮素累積量的影響，W0成熟期氮素累積量平均為32.1 kg/hm2，W1為41.9 kg/hm2，W2為55.6 kg/hm2，這表明在自然降雨條件下，藜麥氮素積累量受到了水分脅迫，而隨著灌溉定額的增加，藜麥氮素累積量也呈上升趨勢。

表4 不同水氮處理藜麥植株氮素累積量 Table 4 The quinoa plant nitrogen accumulation with different water and nitrogen treatments kg/hm2

表5 不同水氮處理藜麥籽粒氮素累積量 Table 5 The quinoa grain nitrogen accumulation with differentwater and nitrogen treatments kg/hm2

2.3 水氮耦合對藜麥產(chǎn)量的影響

由表6 可知，在相同灌溉水平下，不同施氮處理的籽粒產(chǎn)量均與不施氮處理差異顯著。籽粒產(chǎn)量以W2N4處理最高，說明高水肥條件下藜麥可以獲得明顯增產(chǎn)。藜麥籽粒產(chǎn)量以W0N0、W1N0、W2N0處理最低，這表明在當(dāng)前試驗條件下，缺氮對藜麥產(chǎn)量的影響比灌溉更大，這可能是因為試驗當(dāng)年的自然降水量未對藜麥生長造成脅迫。

在W0條件下，N2、N3、N4處理都與N1處理差異顯著，但內(nèi)部差異不顯著；在W1和W2條件下，N3、N4處理都與N1、N2處理差異顯著，N1、N2處理之間也差異顯著，但N3、N4處理之間差異不顯著。這表明隨著灌溉定額的提高，施肥處理與水分產(chǎn)生交互作用，肥效得到了充分發(fā)揮。

將不同施肥量在3 種灌溉定額水平上進行回歸擬合，可得回歸方程為：Y0=-0.133 8x2+37.01x-40.989，R2=0.885；Y1=-0.097 7x2+35.458x+95.883，R2=0.982 5；Y2=-0.094 2x2+37.472x+188.54，R2=0.983 3。由擬合后的回歸方程可知，當(dāng)x=-b/2a 的時候Y 取得最大值，當(dāng)灌溉水平為W0時，最佳施氮量為138.3 kg/hm2，對應(yīng)最高產(chǎn)量為2 518.3 kg/hm2；當(dāng)灌溉水平為W1時，最佳施氮量為181.5 kg/hm2，對應(yīng)最高產(chǎn)量為3 313.1 kg/hm2；當(dāng)灌溉水平為W2時，最佳施氮量為198.9 kg/hm2，對應(yīng)最高產(chǎn)量為3 915.1 kg/hm2。

如表6 所示，不施氮處理結(jié)籽量很少，收獲指數(shù)在21.2%～21.8%之間，其他施氮處理收獲指數(shù)在32.2%～36.3%之間，這表明藜麥產(chǎn)量對氮素敏感。

表6 藜麥產(chǎn)量和收獲指數(shù) Table 6 The quinoa yield and harvest index

除不施氮處理外，藜麥?zhǔn)斋@指數(shù)均隨施氮量增加而減少，各施氮處理之間無顯著差異，其中N1處理最高；相同氮肥用量條件下，隨著灌溉水平的提高，收獲指數(shù)均有所提高，其中W2處理最高。

2.4 不同水氮條件下土壤氮素表觀盈虧量的估算

表7 為0～100 cm 土體內(nèi)氮素的表觀盈虧量。由表7 可知，從全生育期土壤氮素的表觀盈虧量來看，N0、N1、N2處理均為負值，且隨著灌溉定額提高，土壤氮素虧缺值也增加。從不同生育期來看，3 個不施氮肥W0N0、W1N0、W2N0處理的土壤氮素在各個生育期內(nèi)都為負值，為虧缺狀態(tài)；而施氮肥為N4處理的土壤氮素在各生育期內(nèi)都為正值，為盈余狀態(tài)；在顯穗期，N1處理的土壤氮素為虧缺狀態(tài)，N2、N3處理為盈余狀態(tài)；在抽穗期，由于生長旺盛對氮素需求較多，而降雨偏多又造成土壤氮素向土體深處淋洗，因此，N1、N2、N3處理的土壤氮素都處于虧缺的狀態(tài)；在成熟期，盡管雨水有所減少，但籽粒生長的需求對土壤氮素造成了虧缺，因此，N1、N2、N3處理都為負值。隨著灌溉量的增加，各施氮處理的土壤氮素均有所減少，這是由于供試土壤的質(zhì)地較砂，保水性差，灌溉造成的淋洗帶走了部分氮素。綜合來看，施氮量在N2～N3處理之間，即75～112.5 kg/hm2之間較為合理，不會造成較大的氮素盈余。

表7 不同水氮條件下土壤氮素的表觀盈虧量 Table 7 Soil apparent nitrogen budget with different water and nitrogen treatments kg/hm2

表8 不同處理藜麥水氮利用效率 Table 8 The quinoa water and nitrogen use efficiency with different treatments

2.5 水氮耦合對藜麥水氮利用效率的影響

由表8 可知，在不同的灌溉水平下，隨著氮肥用量的增加，氮肥農(nóng)學(xué)效率呈先升高后保持穩(wěn)定的趨勢，氮肥農(nóng)學(xué)效率最高的施氮肥處理為75～112.5 kg/hm2，達到了最高24.77～28.25 kg/kg，而W1和W2處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率均值高于W0處理，分別提高了29.8%和24.4%，灌溉定額、施氮量和二者交互作用均對氮肥農(nóng)學(xué)效率有顯著影響，其中施氮量和二者交互作用對其有極顯著影響。在W0和W1處理條件下，氮肥利用率較W2處理條件下低32.8%，這表明增加灌溉定額可以有效提高氮肥利用率，在W2N4處理的條件下達到了最高81.6%，灌溉定額、施氮量和二者交互作用均對氮肥利用率有顯著影響。各處理耗水量均隨著施氮量的增加而提高，也隨著灌溉定額的增加而提高，灌溉量和施氮量對其有顯著影響，但二者互作對耗水量無顯著影響。水分利用率大體上隨著施氮量的增加呈先高后低的趨勢，水分利用率最高的施氮處理為112.5～150 kg/hm2，達到了0.555～0.730 kg/m3，灌溉定額、施氮量和二者交互作用均對水分利用率有顯著影響。

3 討 論

水氮耦合對作物生長有協(xié)同作用，合理的灌溉定額和適宜的施肥量可以促進作物生長[18-20]，灌溉定額的適度增加，可以促進土壤中氮素的流動及轉(zhuǎn)換，適宜的氮肥施入土壤，能夠補充水分虧缺對作物生長所產(chǎn)生的影響[21]。本研究表明，水氮耦合對藜麥的生長也具有顯著的協(xié)同作用，適宜的灌溉量可以有效發(fā)揮氮肥的肥效，顯著提高藜麥干物質(zhì)累積量、氮素累積量和產(chǎn)量；而合理的氮肥用量可以提高藜麥水分利用率，從而提高藜麥產(chǎn)量。正常供肥情況下，藜麥的收獲指數(shù)在30%～40%左右，施氮量超過一定水平對藜麥的收獲指數(shù)無明顯影響[12]。本研究驗證了上述結(jié)論，在本試驗條件下，施氮處理的收獲指數(shù)為32.2%～36.3%，且各施氮處理之間無顯著差異，施氮量為37.5 kg/hm2時表現(xiàn)最佳，平均收獲指數(shù)為35.6%。而不施氮處理收獲指數(shù)為21.2%～21.8%，這與Schulte 等[12]認為藜麥對氮素的響應(yīng)特別敏感這一結(jié)論相符。本研究中，不施氮處理與施氮處理之間收獲指數(shù)差異大與供試土壤貧瘠和保肥性能差有關(guān)。

水氮耦合存在閾值，灌溉量低于一定的閾值，對施氮肥有限制增產(chǎn)作用；施氮量低于一定的閾值，對灌溉量有限制增產(chǎn)作用，反之則降低養(yǎng)分利用率和水分利用率[22-23]。水氮只有在合理的范圍之內(nèi)，才能有效增加藜麥產(chǎn)量[24]。本研究表明，在相同的灌溉條件下，不同施氮肥處理的產(chǎn)量均與不施氮肥處理差異顯著，藜麥產(chǎn)量在W2N4處理達到了最高。當(dāng)灌溉水平為W0時，藜麥最佳施氮量為138.3 kg/hm2；當(dāng)灌溉水平為W1時，最佳施氮量為181.5 kg/hm2；當(dāng)灌溉水平為W2時，最佳施氮量為198.9 kg/hm2，不足則減產(chǎn)，過量則限產(chǎn)。本研究表明，氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率都隨灌溉量的充足而提高，達到最大值后形成平臺。水分利用率隨著施氮肥量的提高，呈先高后低的趨勢。氮肥農(nóng)學(xué)效率最高的施氮肥處理為75～112.5 kg/hm2，水分利用率最高的施氮肥處理為112.5～150 kg/hm2。

土壤氮素表觀盈虧是衡量施氮量是否合理的重要指標(biāo)。石維等[25]研究指出施肥、灌溉和二者的交互作用對土壤中氮素累積都有顯著影響，殷曉燕等[26]認為研究各生育期土壤氮素表觀盈虧可以為氮素的調(diào)控提供理論依據(jù)。本試驗研究了不同水氮條件下藜麥不同生育期土壤氮素的表觀盈虧量，結(jié)果顯示，不施氮處理的土壤氮素在各個生育期都為虧缺狀態(tài)，這是由于藜麥對氮素非常敏感所致，而施氮肥最高的處理150 kg/hm2在各個生育期的土壤氮素都為盈余狀態(tài)，這表明盡管這一處理的氮肥利用率和水分利用率較高，但施肥量偏高，不宜推薦為最佳氮肥用量。顯穗期藜麥生長所需氮素較抽穗期少，除低施氮肥N1處理外，其余施氮肥處理均為盈余狀態(tài)，這表明應(yīng)根據(jù)藜麥生長規(guī)律合理調(diào)控氮肥投入時間，避免前期氮肥的大量投入。

藜麥屬于耐旱作物，對氮素敏感，在本試驗條件下，藜麥生育期降雨量達431.1 mm，并未產(chǎn)生水分脅迫，因此從結(jié)果來看缺氮對藜麥生長的影響比灌溉影響更大，而這一結(jié)果受限于大田試驗條件，有待于開展避雨試驗進行進一步補充和完善。氮肥用量和灌溉量均能對藜麥產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響，在生產(chǎn)中需根據(jù)實際資源條件和種植目標(biāo)進行合理配置。

4 結(jié) 論

藜麥?zhǔn)斋@指數(shù)在施氮量37.5 kg/hm2、灌溉定額50 mm 時達到最高值，施氮量在75～112.5 kg/hm2之間較為合理，不會對土壤氮素造成較大盈余。氮肥農(nóng)學(xué)效率在施氮量75 kg/hm2、灌溉定額為30 mm 時達到最高值，氮肥利用率和水分利用率在施氮量150 kg/hm2、灌溉定額為50 mm 時同時達到了最高值。本研究藜麥最佳水氮處理為施氮112.5 kg/hm2，灌溉定額50 mm。