庫爾勒香梨樹在不同生育期的氮肥利用率

何雪菲，黃 戰(zhàn)，馬澤躍，玉素甫江·玉素音，b，陳波浪，b，柴仲平，b

（新疆農(nóng)業(yè)大學 a.草業(yè)與環(huán)境科學學院；b.新疆土壤與植物生態(tài)過程實驗室，新疆 烏魯木齊 830052）

氮素是植物營養(yǎng)需要量最大的礦質(zhì)元素，對植物的器官構建、生理代謝、產(chǎn)量及品質(zhì)的形成都起著重要作用[1]。謝海霞等[2]的研究結果表明，增施氮肥能夠促進蛋白質(zhì)和葉綠素的合成，提高光合速率，促進枝條生長，還可增加果樹的呼吸作用強度，可將呼吸峰提前[3]。因此，不少農(nóng)戶秉著“高投入高產(chǎn)出高效益”的想法，盲目施入過量氮肥以求獲得更高產(chǎn)量[4-5]。但是，施氮并非施入越多就越好，過量施氮不僅容易引起營養(yǎng)生長過旺，花芽分化延遲且數(shù)量減少，導致果樹樹冠郁閉而降低產(chǎn)量[6]，還會造成氮肥利用率下降、土壤生態(tài)和養(yǎng)分失衡以及環(huán)境污染等一系列問題的產(chǎn)生[7-8]。只有適量施氮，才能促進植株生長，提高肥料利用率，節(jié)約經(jīng)營成本，保護生態(tài)環(huán)境[9]。 為此，原國家農(nóng)業(yè)部早在2015年就頒發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，就氮肥而言，有效提高氮肥利用率是實現(xiàn)“化肥零增長”和環(huán)境上的“雙減”（減少排放和減少污染）的關鍵措施之一[10]。

氮肥當季利用率能夠體現(xiàn)出植株對氮素的吸收利用情況，在科研生產(chǎn)中常用差減法和示蹤法來計算氮肥利用率[11]。差減法是根據(jù)施氮植株和未施氮植株氮素吸收量的差值與施氮量的比值來計算的，可反映施氮后植株體內(nèi)氮素的實際增加情況[12]。15N 示蹤法即用植物從肥料中吸收標記氮的百分數(shù)與植株吸氮量的乘積來計算植株吸收同位素標記肥料的量，可用于分析各植株在不同時期或環(huán)境下的氮素吸收利用差異，從而能準確地了解植物氮的營養(yǎng)特性[13]。由于差減法包含了植株吸收的土壤氮含量，所以用該方法計算的氮肥利用率一般高于以示蹤法計算得出的值。李利[14]采用農(nóng)學差減法對不同施氮量下馬鈴薯的氮素吸收利用情況進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加氮素利用率卻逐漸下降，在施氮量為 225 kg·hm-2時其氮素利用率最高；楊婷婷等[15]對6年生庫爾勒香梨的研究結果表明，在施氮量為300 kg·hm-2時，樹體對氮肥的利用率最高，達到23.39%；陳倩等[16]研究發(fā)現(xiàn)，7年生的矮化蘋果植株在施氮量為200 kg·hm-2時其生物量最高，且果實品質(zhì)最好，15N 的損失率最小，15N 肥料的利用率最大，為23.6%；戴良香等[17]采用15N 示蹤法研究發(fā)現(xiàn)，花生對氮肥的利用率隨著施氮量的增加呈先升高后降低的變化趨勢，且在施氮量為90 kg·hm-2時達到最大，其對15N 肥料的利用效率為44.91%，花生對氮肥的利用率，在一定的施用量范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加而增加，但當施氮量達到一定水平時反而下降。

庫爾勒香梨Pyrus brestschneideriRehd.作為新疆的地方特色產(chǎn)品，栽培面積不斷擴大，到2020年 種植面積將穩(wěn)定在3.33 萬hm2左右[18]。在種植管理過程中，由于果農(nóng)缺乏相關專業(yè)知識，重施氮肥促高產(chǎn)的現(xiàn)象仍普遍存在，但這種做法并不能促進植株對氮素的吸收利用，反而導致了氮肥利用率的降低，加大了梨園土壤化學肥料污染的程度，因此，需要合理施用氮肥來提高樹體對氮肥的利用率，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的最大化。為此，本研究以庫爾勒香梨為研究對象，分別采用農(nóng)學差減法和15N 同位素示蹤法來分析不同施氮量對庫爾勒香梨各器官的氮素吸收積累特征、產(chǎn)量以及氮肥利用率的影響情況，以期為庫爾勒香梨園的優(yōu)化施肥，提高氮素吸收和利用效率，促進香梨產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市南郊阿瓦提農(nóng)場（41°40′28″N、86°07′12″E）進行。試驗區(qū)的海拔為902 m，地屬暖溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，年平均氣溫為10.5 ～ 11.8 ℃，年降雨量為50 ～55 mm，無霜期210 ～ 239 d，年平均相對濕度達到45.0%～50.3%，干燥度為39.6 ～63.3，主導風向為東北風。試驗區(qū)的土壤為草甸土，其養(yǎng)分含量見表1。

表1 試驗地土壤的主要養(yǎng)分含量Table 1 The main nutrient content of soil in the experimental site

1.2 材料與方法

以大田栽植的樹齡為6 a 的庫爾勒香梨為試材，株行距為2 m×4 m，隨機選取36 株長勢相近、無病蟲害且結果正常的庫爾勒香梨樹進行掛牌標記。試驗設不施氮（N0）、低氮（N1）、中氮（N2）和高氮（N3）共4 個處理，各處理的具體施氮量見表2。試驗以單株為單位，每個施肥處理各選9 株 進行試驗。尿素（含46%的N）施用量的60%在果樹萌芽前用于基施（N0處理除外），剩余40%在膨果前期用于追施。在萌芽前期基施尿素時，N0、N1、N2、N3處 理分別施 入0、8、16、24 g/株的15N-尿素（上海化工研究院生產(chǎn)，豐度為10.14%）；重過磷酸鈣（含46%的P2O5） 和硫酸鉀（含51%的K2O），在萌芽期前一次性全部施入。采用環(huán)狀溝施法，按比例均勻施肥，施肥后各處理均進行常規(guī)田間管理。

表2 不同處理的施肥量Table 2 Fertilizer application rate under different treatments kg

1.3 采樣與測定

4 個處理的采樣方法相同，均分別在庫爾勒香梨年生育過程中的新梢旺長期、果實膨大期和果實成熟期進行整體挖掘和分器官解剖，每個時期每個處理均各取3 株。將樣株分解為根、中心干、多年生枝、1年生枝、葉片和果實。樣品收集完后稱量各部分的鮮質(zhì)量，在105 ℃的溫度條件下殺青30 min，再在80 ℃的溫度條件下烘干至恒量，并稱量其干質(zhì)量，分別取各器官干質(zhì)量的1/4 進行粉碎過篩后測定其全氮含量和15N 豐度。采用凱氏定氮法測定全氮含量，用 ISOP RIME 100-PYROCUBE 質(zhì)譜儀測定15N 豐度。以每株香梨的結果總數(shù)與其單果質(zhì)量的乘積為單株產(chǎn)量，隨后折算出每公頃的總產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計方法及計算公式

采用Microsoft Excel 2016 軟件進行數(shù)據(jù)處理和繪圖，應用SPSS 20.0 軟件進行單因素方差分析，采用Duncan 法進行差異顯著性分析（α=0.05），圖表中的數(shù)據(jù)均為（平均值±標準差）。

采用農(nóng)學差減法[19]的計算公式為：

上式中：施肥區(qū)果樹養(yǎng)分吸收量、缺素區(qū)果樹養(yǎng)分吸收量和肥料使用量的計量單位均為kg·hm-2，肥料中的有效養(yǎng)分含量是指施用的氮肥（尿素）中含N 46%。

采用同位素15N 示蹤法[1]的計算公式為：

上式中：氮積累量、15N 積累量和15N 施用量的計量單位均為g。植物從肥料中吸收標記氮的百分數(shù)能夠反映植株器官對肥料15N 的吸收征調(diào)能力。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對庫爾勒香梨樹體干物質(zhì)量的影響

不同施氮量處理下庫爾勒香梨樹體地下和地上部分的干物質(zhì)量如圖1 所示。由圖1 可知，隨著生育期的推進其地下部分干物質(zhì)量的增幅均很小，N0、N1和N3處理的地下部分干物質(zhì)量均表現(xiàn)為果實膨大期和成熟期的顯著高于新梢旺長期的，N2處理的地下部分干物質(zhì)量則表現(xiàn)為3 個生育期之間存在顯著性差異；各處理地上部分的干物質(zhì)量隨著生育期的推進均表現(xiàn)出明顯的增長趨勢，且3 個生育期之間其地上部分的干物質(zhì)量存在顯著性差異。不同施氮量對各個生育期庫爾勒香梨樹體地上和地下部分的干物質(zhì)量均有一定的影響。新梢旺長期，各處理樹體地下部分的干物質(zhì)量表現(xiàn)出N2＞N3＞N1＞N0的變化趨勢，但各處理間地下部分的干物質(zhì)量并無顯著性差異；而各處理樹體地上部分的干物質(zhì)量則表現(xiàn)出N3＞N2＞N1＞N0的變化趨勢，N3處理樹體地上部分的干物質(zhì)量（6 972.69 g）顯著高于其他處理的。果實膨大期，各處理下樹體地下和地上部分干物質(zhì)量的增長規(guī)律同新梢旺長期的基本一致。至果實成熟期，地下部分的干物質(zhì)量，仍以N2處理的為最大（3 054.79 g），較N0處理的地下部分干物質(zhì)量增加了86.90 g；地上部分的干物質(zhì)量，也以N2處理的為最大（12 567.67 g），比N0處理的地上部分干物質(zhì)量增加了3 024.47 g。就整株樹體而言，新梢旺長期和果實膨大期，整株樹體的干物質(zhì)量隨施氮量的增加而提高；至果實成熟期，則表現(xiàn)為隨施氮量的增加呈先升高后降低的變化趨勢，N2處理的整株樹體干物質(zhì)量最高 （15 622.46 g），比不施氮處理的整株樹體干物質(zhì)量增加了3 111.37 g。

圖 1 不同施氮量處理下庫爾勒香梨在各生育期其地上和地下部分的生長狀況Fig.1 Growth status of aboveground and underground parts of Korla fragrant pear in different growth stages under different nitrogen application rates

2.2 不同施氮量對庫爾勒香梨各器官氮素凈積累量的影響

不同施氮量處理下庫爾勒香梨各器官氮素積累量的凈增長量見表3。庫爾勒香梨各器官的氮素凈積累量隨著施氮量的增加而呈動態(tài)變化趨勢。新梢旺長期，除根以外其他器官的氮素凈積累量隨著施氮量的增加均增大，其中N2處理下根的氮素凈積累量最高（4.35 g），但N2和N3處理間其氮素凈積累量并無顯著性差異；果實膨大期，隨著施氮量的增加，各處理下除果實以外其他器官的氮素凈積累量均增大，其中N3處理下除果實以外的其他器官的氮素凈積累量均最大，而N2處理下果實中的氮素凈積累量最高（17.24 g），此期樹體當年新生器官（1年生枝、葉、果實）對氮素的吸收均明顯增加，其中N2和N3處理下果實的氮素凈積累量的增幅尤其明顯地變大，但兩者間并無顯著性差異；至果實成熟期，施氮各處理除果實外其他器官的氮素凈積累量均表現(xiàn)為N3＞N2＞ N1，而其果實中的氮素凈積累量則表現(xiàn)為N2處理的顯著高于N3處理的，表明適量施氮可以增強果實對氮的競爭力。

表3 不同施氮量處理下庫爾勒香梨各器官的氮素凈積累量?Table 3 Net nitrogen accumulation in various organs of Korla fragrant pear in different growth stages under different nitrogen application rates

2.3 不同施氮量對庫爾勒香梨各器官15N 積累量的影響

不同施氮量處理下庫爾勒香梨樹各器官的15N積累量見表4。隨著生育期的推進，不同施氮量處理下根的15N 積累量均表現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢，而中心干、多年生枝、1年生枝、葉片和果實的15N 積累量均表現(xiàn)出逐漸升高的變化趨勢。不同施氮處理對各器官的15N 積累量均有一定的影響。新梢旺長期，各器官的15N 積累量均表現(xiàn)為N3＞N2＞N1，不同施氮處理下除根以外其他器官的15N 積累量均存在顯著性差異；果實膨大期，各器官的15N 積累規(guī)律同新梢旺長期的基本一致，此期新生器官（1年生枝、葉、果實）對15N 的積累較新梢旺長期有顯著提高，表明在果實膨大期樹體吸收的15N 量主要積累在新生器官中；至果實成熟期，除果實外其他器官的15N 積累量依舊表現(xiàn)為N3＞N2＞N1，而果實中的15N 積累量則在N2處理下達到最高值（0.48 g），并且顯著高于其他處理的，此期果實對15N 量的積累較果實膨大期的增幅顯著變大，表明在果實成熟期樹體吸收的15N量主要積累在果實中。

2.4 不同施氮量對各個生育期庫爾勒香梨產(chǎn)量的影響

不同施氮量處理下庫爾勒香梨樹在各個生育期的產(chǎn)量如圖2 所示。隨著生育期的推進，各施氮處理的香梨產(chǎn)量均逐漸增大。新梢旺長期，N2和N3處理的香梨產(chǎn)量均顯著高于其他處理的；至果實膨大期和果實成熟期，隨著施氮量的增加，各處理的香梨產(chǎn)量均表現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢，不同施氮量處理的香梨產(chǎn)量由高到低依次為N2＞N3＞N1＞ N0，且各處理間香梨產(chǎn)量的差異顯著。果實成熟期，N2處理的香梨產(chǎn)量最大，為15 915.25 kg·hm-2， 比N0處理的增加了9 847.33 kg·hm-2，且各施氮處理的均顯著高于不施氮處理的，說明施氮能明顯提高香梨產(chǎn)量，而N3處理的香梨產(chǎn)量比N2處理的減少了2 752.89 kg·hm-2，表明適量增施氮肥有利于香梨產(chǎn)量的提高，若氮肥施入量超過其適用量的范圍后就會造成香梨減產(chǎn)。

表4 不同施氮量處理下庫爾勒香梨在各生育期各器官的15N 積累量Table 4 15N accumulation in various organs of Korla fragrant pear in different growth stages under different nitrogen application rates

圖 2 不同施氮量處理下庫爾勒香梨樹在各個生育期的產(chǎn)量Fig.2 The yield of Korla fragrant pear in different growth stages under different nitrogen application rates

2.5 庫爾勒香梨施氮效應分析

不同施氮量處理下庫爾勒香梨的氮肥效應見表5。由表5 可知，庫爾勒香梨樹體對氮的凈積累量和15N 積累量隨其生育期的推進和施氮量的增加均增加，各施氮處理的庫爾勒香梨樹在其各生育期的凈積累量和15N 積累量均表現(xiàn)為N3＞N2＞ N1，且各施氮處理間其差異均顯著。以農(nóng)學差減法計算得到的氮肥利用率大于以同位素示蹤法計算得到的值，但兩者間的差異不大，且變化規(guī)律相同。新梢旺長期，分別以差減法和示蹤法計算得到的氮肥利用率，均表現(xiàn)出隨施氮量的增加而逐漸降低的變化趨勢，且N1和N2處理的均顯著高于N3處理的，此期不同施氮處理的氮肥養(yǎng)分效應同氮肥利用率基本一致，其中N1處理的均最高；果實膨大 期，分別以差減法和示蹤法計算得到的氮肥利用率，N2處理的均最大，分別為18.10%和17.17%，其均顯著高于N1和N3處理的，此期N2處理的氮肥養(yǎng)分效應達到最高，為25.51 kg·kg-1；至果實成熟 期，各施氮處理的分別以差減法和示蹤法計算得到的氮肥利用率仍均表現(xiàn)為N2＞N1＞N3，且各施氮處理間氮肥利用率的差異顯著，用差減法和示蹤法計算得到的N2處理的氮肥利用率分別為20.99%和20.19%，此期各施氮處理的氮肥養(yǎng)分效應仍以N2處理的為最高（32.82 kg·kg-1）。

表5 不同施氮量處理下庫爾勒香梨樹的氮肥效應Table 5 Nitrogen fertilizer effect of Korla fragrant pear under different nitrogen application rates

3 結論與討論

氮素是植物生長發(fā)育過程中必不可少的的營養(yǎng)元素之一，約占作物體干質(zhì)量的0.3%～5.0%，是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素和一些激素等的重要組成部分，因此氮素對植物的生長有著舉足輕重的作用[20]。研究中發(fā)現(xiàn)，施肥當年庫爾勒香梨樹體對氮肥的利用大多體現(xiàn)在地上部分的生長上，而其地下部分的生長變化不是很明顯。張永發(fā)等[21]在對橡膠樹的研究中也發(fā)現(xiàn)，施氮對其地上部生長的促進作用較對其根系的促進作用更為明顯。果實成熟期，庫爾勒香梨樹體的干物質(zhì)量隨著施氮量的增加而呈先升高后降低的變化趨勢，這一結果表明，施入適量的氮肥有利于促進樹體的生長，在高氮量的處理下，其生長反而受到抑制，其生物量減少，此結果與前人對栲樹幼苗研究所得出的結果基本一致[22]。沙建川等[23]也發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，平邑甜茶幼樹的生物量和根系生長均呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，說明適量的氮素供應才能促進樹體的生長發(fā)育。施入適量的氮肥可以更好地協(xié)調(diào)植株根系與地上部的關系。研究結果表明，各施氮處理的庫爾勒香梨樹在其各生育期地下部分的干物質(zhì)量均表現(xiàn)為N2處理的最高，說明適量施氮可促進其根系的生長，而過量施氮則會抑制其根系的生長，此結果與前人對玉米[24]和橡膠樹[21]的研究結果均基本一致。

植株需要不斷地從外界吸收營養(yǎng)元素來滿足其正常生長的需要，研究中發(fā)現(xiàn)，不同生育期庫爾勒香梨各器官對氮素的吸收積累能力不同，氮素的吸收積累量，葉片和果實內(nèi)的較多，從新梢旺長期至果實成熟期，庫爾勒香梨對氮素的積累，以葉片積累為主轉變?yōu)橐怨麑嵎e累為主，這與前人研究所得運輸?shù)降厣喜康牡胤峙潆S生長中心的轉變而轉移的結論一致[6]。楊婷婷等[15]和王前登等[25]在對庫爾勒香梨的研究中都發(fā)現(xiàn)，樹體對氮的吸收積累以當年新生器官為主，尤其是葉片和果實對氮素吸收和積累的貢獻均較大。施氮可以促進樹體對氮素的積累，研究結果表明，各施氮處理的香梨樹體的氮素凈積累量和15N 積累量在其各生育期均表現(xiàn)為N3＞N2＞N1，在果實成熟期，果實中的氮素積累則以N2處理的為最大。這與前人研究得出的小麥[26]和花生[17]對氮素吸收積累的規(guī)律基本一致。植株的氮素積累量隨著施氮量的增加而提高，適量增施氮肥可以促進氮素向生殖器官的轉運，而過量施氮卻會使其促進作用減輕。氮素在作物增產(chǎn)中具有不可替代的重要作用，研究結果表明，各施氮處理的香梨產(chǎn)量均顯著高于不施氮處理的，且隨著生育期的推進和施氮量的增加，各施氮處理的香梨產(chǎn)量均呈先升高后下降的變化趨勢，其中N2處理的香梨產(chǎn)量顯著高于其他處理的，此結果與前人對南疆紅富士蘋果[27]、灰棗[28]的研究結果均一致，說明施用氮肥對作物產(chǎn)量具有顯著的促進作用，但是當施用的氮量超過一定范圍時，作物產(chǎn)量的增加就不顯著甚至會減少。

氮肥的當季利用率是決定氮肥增產(chǎn)效果的主要因素，提高氮肥當季利用率的關鍵是確定適宜的氮肥用量和采用科學的施肥方法。研究中分別使用農(nóng)學差減法和15N 同位素示蹤法分析了不同施氮處理下庫爾勒香梨樹體在不同生育期對氮肥的利用率，結果發(fā)現(xiàn)，在果實膨大期和成熟期，庫爾勒香梨樹體對氮肥的利用率，隨著施氮量的增加而呈先提高后下降的變化趨勢，均以N2處理的為最高。此結果與李晶等[29]研究得出的矮化蘋果氮素吸收利用規(guī)律一致，他們指出，適宜的施氮量能夠促進樹體當年和翌年的生長，并提高氮肥利用率。但是，與葛順峰等[30]研究得出的隨著施氮量的增加其氮肥利用率顯著降低的結論不同，其原因可能與根系對氮的吸收能力有關，在適宜的用量范圍內(nèi)，施氮可以促進根系的生長，從而增大了根系的有效吸收面積，促進了根系對氮素的吸收，其氮素吸收利用率得以提高；當?shù)匚绽寐蔬_到最高值時，再增施氮肥就會抑制根系的生長，反而使其利用率降低。本研究用差減法和示蹤法計算得到的果實成熟期施入適宜氮量的氮肥利用率分別達到20.99%和20.19%，低于蘋果的氮肥利用率（25%～38%）[31-32]，這主要與試材的品種、樹齡、養(yǎng)分需求、生長環(huán)境及管理方式等因素的差異有關。

施用氮肥對庫爾勒香梨產(chǎn)量的形成和氮肥利用率的提高均有十分重要的作用，但不同的施肥方式及管理措施對樹體生長、產(chǎn)量和品質(zhì)也有很大的影響[33]。本研究僅對不同施氮量處理下庫爾勒香梨的氮肥利用率進行了分析，就提高氮肥利用率來說考慮還不夠充分，后續(xù)研究還應在施肥種類、施肥方式或田間管理等方面進行深入探討。