李建查,潘志賢,李 坤,岳學(xué)文,史亮濤,張 雷,孫 毅,和潤蓮,王艷丹,何光熊,段琪彩,方海東*
(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,云南 元謀651300;2.云南省水利水電科學(xué)研究院,昆明650228)
【研究意義】作物產(chǎn)量主要由品種、密度、微生物等生物因子和水分、養(yǎng)分、光照、溫度、土壤類型等非生物因子決定。密度是決定作物高產(chǎn)的重要生物因素,并且對作物所需要的光照、水分和養(yǎng)分等非生物因子有明顯影響。密度通過改變植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和體內(nèi)養(yǎng)分關(guān)系[1],以適應(yīng)環(huán)境資源競爭,對植物的生物量、產(chǎn)量和養(yǎng)分積累量等產(chǎn)生重要的影響。合理密植是提高作物產(chǎn)量的重要途徑,通過改變單位面積土壤內(nèi)可提供給植株水分和養(yǎng)分量的多少,提高作物產(chǎn)量和水分養(yǎng)分利用效率。如何實現(xiàn)作物水分、養(yǎng)分資源的高效利用是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中協(xié)調(diào)經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益的關(guān)鍵問題,同時優(yōu)化水分和養(yǎng)分資源高效利用模式是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水減肥增產(chǎn)增效生產(chǎn)目標的重要技術(shù)途徑。【研究進展】有研究表明,隨著種群密度的增大,植物個體生物量下降[2],N 利用效率的改變[3],C/N 降低[4]。徐春麗[5]研究了種植密度對不同品種玉米生長及養(yǎng)分吸收的影響發(fā)現(xiàn),適當(dāng)增加種植密度有利于提高玉米N 吸收效率。李龍[6]研究了種植密度對玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分積累轉(zhuǎn)運的影響發(fā)現(xiàn),適當(dāng)降低種植密度有利于提高玉米N 利用效率。胡俊杰等[7]研究發(fā)現(xiàn)黃洋蔥高產(chǎn)定植密度為15 cm×15 cm。劉靜等[8]研究發(fā)現(xiàn)膜下滴灌適當(dāng)增加灌水量可以提高黃洋蔥產(chǎn)量和水分利用效率。邢英英等[9]研究了灌水量對番茄養(yǎng)分吸收的影響,方棟平等[10]研究了灌水量對黃瓜養(yǎng)分吸收的影響,均發(fā)現(xiàn)灌水量越大,作物N、P、K吸收效率越高。Watt 等[11]研究表明,作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)是以較高的生物量為前提的,而生物量的累積則以水分利用和養(yǎng)分吸收利用為基礎(chǔ),而養(yǎng)分的運轉(zhuǎn)必須通過水分的運輸[12]。水分和密度是影響單位面積作物產(chǎn)量和水分養(yǎng)分利用效率的2 個重要因素,而且二者之間存在密切的相互作用[13],前人研究聚焦在水分或者密度單個因素對作物養(yǎng)分吸收利用研究,對水分與密度交互作用對作物養(yǎng)分吸收利用的研究較少。
【切入點】洋蔥是世界第三大蔬菜作物,因其具有抗氧化、抗血栓、抗血小板凝集、抗糖尿病等藥用和保健價值,被譽為“蔬菜皇后”[14]。目前我國洋蔥有東北、西北寒冷地區(qū)春栽秋收,華北及長江流域秋栽夏收及華南地區(qū)冬栽春收等多種茬口[15]。由于環(huán)境條件的差異,洋蔥生長發(fā)育規(guī)律明顯不同,勢必影響洋蔥水分、養(yǎng)分吸收利用效率。近年來,洋蔥在元謀干熱河谷農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮重要作用,種植規(guī)模不斷擴大,與此同時,不合理灌溉和種植密度等問題導(dǎo)致水肥需求持續(xù)增加,水分、養(yǎng)分利用效率持續(xù)降低。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此,研究灌水量和種植密度及其交互作用對洋蔥生物量和養(yǎng)分吸收利用的影響,揭示水分和密度管理模式的洋蔥營養(yǎng)策略和節(jié)水減肥增產(chǎn)增效機制,提高洋蔥產(chǎn)量、養(yǎng)分利用效率和灌溉水利用效率,明確合理的灌水量和種植密度模式,以期為元謀干熱河谷以及類似區(qū)域的洋蔥種植水肥管理提供科學(xué)依據(jù)。
試驗在位于云南元謀干熱河谷的云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所灌溉試驗基地進行。元謀干熱河谷地處滇中高原北部,地理位置為25°23′—26°06′N,101°35′—102°06′E,平均海拔為1 350 m。年平均氣溫21.9 ℃,無霜期305~331 d,年降雨量611.3 mm,蒸發(fā)量是降水量的5~6 倍。該區(qū)域光熱資源充足,年平均日照時間7.3 h/d。試驗區(qū)土壤為砂壤土,土壤體積質(zhì)量1.44 g/cm3,田間持水率19.42%(土壤質(zhì)量含水率),pH 值6.4,有機質(zhì)量6.10 g/kg,全氮量0.50 g/kg,堿解氮量39 mg/kg,全磷量0.188 g/kg,有效磷量30.38 mg/kg,全鉀量7.44 g/kg,速效鉀量129 mg/kg。
試驗設(shè)2 個種植密度水平:高密度(D1),22.12萬株/hm2;低密度(D2),11.88 萬株/hm2;3 個灌水量水平:高水(I1),7 000 m3/hm2;中水(I2),4 550 m3/hm2;低水(I3),3 300 m3/hm2。
試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,每個處理3 個重復(fù),共18 個小區(qū),小區(qū)面積為15 m2(15 m×1 m),每個小區(qū)安裝1 個水表計量灌溉用水量,采用膜下滴灌。供試洋蔥為黃洋蔥,品種為沙福;于2019年11月16日移栽,2020年4月27日收獲;生育期有效降雨量為0 mm。采用大壟種植方式,壟寬為100 cm,高密度處理:每壟種植4 行,行距、株距分別為15、15 cm;低密度處理:每壟種植3 行,行距、株距分別為20、20 cm。生育期洋蔥施肥量為純氮495 kg/hm2、P2O5495 kg/hm2和K2O 495 kg/hm2,苗期、發(fā)葉期、鱗莖膨大期的施肥量分別占總施肥量的20%、50%和30%。各處理的化肥、農(nóng)藥及其他田間管理措施均完全一致。
1)器官生物量和經(jīng)濟產(chǎn)量
洋蔥成熟期采集植株樣品,每個小區(qū)隨機選取5株代表性植株,按照鱗莖、葉、薹分類,然后分別裝入紙袋,放入烘箱中于105 ℃下殺青30 min,然后在75 ℃條件下恒溫烘干至質(zhì)量恒定后,用天平測定生物量(精確到0.01 g),用洋蔥鮮鱗莖質(zhì)量計算經(jīng)濟產(chǎn)量。
2)含營養(yǎng)元素量
同一個小區(qū)的所有烘干樣品稱質(zhì)量后放在一起,混合均勻后取一部分粉碎并過篩,用于測定樣品全C、N、P、K、Ca、Mg、Na 量。樣品全C、N 量采用元素分析儀(vario MACRO cube,Elementar GmbH)測定,P、K、Ca、Mg、Na 量采用ICP 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定。
3)器官生物量分配比例
器官生物量分配比例=器官生物量/地上總生物量;鱗莖比例、葉比例和薹比例分別為鱗莖生物量、葉生物量和薹生物量占地上總生物量的比例。
4)水分和養(yǎng)分吸收利用效率
灌溉水利用效率WUE(kg/m3)=洋蔥群體經(jīng)濟產(chǎn)量(即鱗莖鮮質(zhì)量)(kg/hm2)/單位面積灌水量(m3/hm2);養(yǎng)分吸收效率AE(kg/hm2)=養(yǎng)分總積累量(kg)/種植面積(hm2);養(yǎng)分利用效率UE(kg/kg)=產(chǎn)量(kg/hm2)/養(yǎng)分吸收量(kg/hm2)。
養(yǎng)分收獲指數(shù)可反映作物生長后期養(yǎng)分向收獲器官轉(zhuǎn)移的強度,以地上部養(yǎng)分總累積量中收獲器官的養(yǎng)分累積量的占比衡量,即:養(yǎng)分收獲指數(shù)HI=收獲器官中養(yǎng)分累積量(kg)/全植株養(yǎng)分總累積量(kg)[16]。
采用SPSS 19.0 進行多元方差分析和主成分分析。
由表1 可知,灌水量對洋蔥WUE有顯著影響;種植密度對洋蔥鱗莖生物量、葉生物量、總生物量、薹生物量、薹比例和抽薹率有顯著影響;灌水量與種植密度之間存在明顯互作效應(yīng),并對洋蔥鱗莖生物量、總生物量、葉生物量、鱗莖比例、抽薹率和WUE有顯著影響。I3 處理洋蔥WUE顯著高于I1 和I2 處理,I1 和I2 處理的洋蔥水分利用效率差異不顯著。D2 處理洋蔥鱗莖生物量、葉生物量和總生物量均顯著高于D1 處理,D1 處理洋蔥薹生物量、薹比例和抽薹率均顯著高于D2 處理,D1 處理與D2 處理的洋蔥鱗莖比例、葉比例、經(jīng)濟產(chǎn)量和WUE差異均不顯著。I2D2 處理的洋蔥鱗莖生物量、葉生物量、總生物量和鱗莖比例均顯著最高,I3D2 處理的洋蔥鱗莖生物量、葉生物量、總生物量和鱗莖比例僅次于I2D2 處理,但其洋蔥抽薹率最低,水分利用效率最高,并且每畝經(jīng)濟產(chǎn)量僅比I2D2 處理減少472 kg。可見,灌水量對洋蔥WUE發(fā)揮主導(dǎo)作用,低水處理有利于提高洋蔥水分利用效率;種植密度對洋蔥生物量和抽薹率發(fā)揮主導(dǎo)作用,低密度處理有利于提高洋蔥生物量,降低洋蔥抽薹率。

表1 不同灌水量、種植密度下洋蔥生物量Table 1 Onion biomass under different irrigation amount and planting density
洋蔥N、P、K、Ca、Mg 吸收效率的高低為:N>Mg>K>Ca>P。灌水量對洋蔥P、K、Mg 吸收效率、N、K、Mg 利用效率以及K、Mg 收獲指數(shù)有顯著影響;種植密度對洋蔥N、P、Mg 吸收效率、N 利用效率、K 收獲指數(shù)有顯著影響;灌水量與種植密度之間存在顯著互作效應(yīng),并對P 吸收利用效率、K、Ca收獲指數(shù)有顯著影響(表2)。體現(xiàn)了灌水量是影響洋蔥K 吸收利用的主導(dǎo)因素,種植密度是影響洋蔥N吸收利用的主導(dǎo)因素。

表2 灌水量、種植密度及其交互作用下洋蔥養(yǎng)分吸收利用效率Table 2 Nutrient absorption and utilization efficiency of onion under irrigation amount,planting density and their interactions
由表2 可以看出,I1 處理洋蔥P、K、Mg 吸收效率、N 利用效率、Mg 收獲指數(shù)顯著最高,I2 處理K 利用效率顯著最高,I3 處理P、Mg 利用效率、K收獲指數(shù)顯著最高,高灌水量處理提高養(yǎng)分吸收效率,低灌水量處理提高養(yǎng)分利用效率。D1 處理N、P、Mg 吸收效率顯著高于D2 處理,D2 處理N、P、K、Ca、Mg 利用效率均高于D1 處理,高密度處理提高養(yǎng)分吸收效率,低密度處理提高養(yǎng)分利用效率。I1D1處理洋蔥N、P、K、Ca、Mg 吸收效率、Mg 收獲指數(shù)顯著最高,I1D2 處理洋蔥N、P、K、Ca、Mg 收獲指數(shù)均較高,I2D2 處理P、K 利用效率顯著最高,I3D1 處理N 吸收效率和Ca 收獲指數(shù)顯著最高,I3D2處理N、Mg 利用效率、N、P、K 收獲指數(shù)利用效率顯著最高,高水高密度、高水低密度和低水高密度處理提高養(yǎng)分吸收效率,低水低密度處理提高養(yǎng)分利用效率。
相關(guān)性分析顯示(表3),洋蔥抽薹率與總生物量、鱗莖生物量、K 收獲指數(shù)顯著負相關(guān)。經(jīng)濟產(chǎn)量與WUE、總生物量、鱗莖生物量、N、P 利用效率、N 收獲指數(shù)、K 吸收效率、Mg 收獲指數(shù)顯著正相關(guān);WUE與鱗莖生物量、N 收獲指數(shù)、P 利用效率、Mg利用效率顯著正相關(guān)。鱗莖生物量與總生物量、N 利用效率、K 收獲指數(shù)、Mg 利用效率、Mg 收獲指數(shù)顯著正相關(guān);總生物量與N 利用效率顯著正相關(guān)。N 吸收效率與K 吸收效率顯著正相關(guān);N 利用效率和收獲指數(shù)均與K 收獲指數(shù)、Mg 收獲指數(shù)顯著正相關(guān)。K 吸收效率和收獲指數(shù)分別與Mg 吸收效率和收獲指數(shù)顯著正相關(guān);P 吸收效率與Mg 吸收效率顯著正相關(guān)。

表3 洋蔥生物量、養(yǎng)分吸收效率、養(yǎng)分利用效率、養(yǎng)分收獲指數(shù)相關(guān)性Table 3 Correlation of biomass,nutrient absorption efficiency,Nutrient utilization efficiency and nutrient harvest index of onion
根據(jù)特征根大于1 的原則,提取得到7 個主成分,7 個主成分的累計方差貢獻率達到92.24%,即提取的7 個主成分可以解釋全部指標92.24%的信息,可認為7 個主成分基本反映了24 個指標所涵蓋的大部分信息(表4),可以用來反映洋蔥生物量及養(yǎng)分利用效率的變異性。從各主成分的載荷可以看出(表5),指標抽薹率、經(jīng)濟產(chǎn)量、WUE、鱗莖生物量、葉生物量、總生物量、N 利用效率、N 收獲指數(shù)、K 收獲指數(shù)、P 利用效率、Mg 利用效率、Mg 收獲指數(shù)在第1成分上有較高載荷,相關(guān)性較強,第1 成分集中反映了洋蔥生物量、養(yǎng)分利用效率及收獲指數(shù)情況;指標N 吸收效率、Ca 吸收效率、K 吸收效率、P 吸收效率、Mg 吸收效率在第2 成分上有較高載荷,相關(guān)性較強,第2 成分集中反映了養(yǎng)分吸收效率情況;第3 成分集中反映了P 利用效率情況;第4 成分集中反映了生物量分配情況;第5 成分集中反映了Ca 收獲指數(shù)情況;第6 成分集中反映了葉生物量情況;第七成分集中反映了C/N 情況。各主成分得分及綜合得分顯示(表6),I3D2 綜合得分最高,表明I3D2 的洋蔥可以獲得較好生物量特征、水分利用效率和養(yǎng)分吸收利用效率。根據(jù)7 個主成分得分計算各組試驗光合特征的綜合得分Fi, 計算公式為:Fi=(0.31×F1+0.18×F2+0.12×F3+0.12×F4+0.09×F5+0.05×F6+0.04×F7)/0.92(式中F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7 為主成分1、2、3、4、5、6、7 的得分)[17]。

表4 主成分的特征根及貢獻率Table 4 Eigen values and contributions of principal components

表5 生物量和養(yǎng)分在各主成分中的因子負荷量Table 5 The factor load of the biomass characteristics in each principal component

表6 不同處理生物量和養(yǎng)分積累量指標主成分得分及綜合得分Table 6 The principal component score and the comprehensive score of the biomass characteristics
在本試驗灌水量范圍內(nèi),I1 處理洋蔥N 利用效率、P、K、Mg 吸收效率和Mg 收獲指數(shù)顯著最高;I2 處理洋蔥K 利用效率顯著最高;I3 處理洋蔥WUE、K 收獲指數(shù)和P、Mg 利用效率顯著最高。適宜的水分供給提高了洋蔥P、K、Mg 的吸收利用及其向收獲器官轉(zhuǎn)移強度,較大灌水量有利于洋蔥P、K、Mg吸收,而適當(dāng)降低灌水量有利于提高洋蔥養(yǎng)分利用效率和水分利用效。可見,灌水量對洋蔥WUE、P、K、Mg 的吸收利用發(fā)揮主導(dǎo)作用,提高P、K、Mg 吸收效率是高灌水量處理洋蔥的營養(yǎng)策略,提高P、K、Mg 利用效率是低灌水量處理洋蔥節(jié)水減肥、增產(chǎn)增效的營養(yǎng)策略。
肥力較高時個體生長良好,密度效應(yīng)不明顯;肥力較低時密度效應(yīng)顯著,增加種植密度時個體生長減弱[18-19],N 吸收效率提高[5],適當(dāng)降低種植密度有利于提高N 利用效率[6],促進個體生長。在本研究條件下,肥力水平相對較低,密度效應(yīng)顯著,低密度種植促進了洋蔥生長,洋蔥通過提高N、P、Mg 的養(yǎng)分利用效率,保障洋蔥產(chǎn)量;而高密度種植的洋蔥通過提高N、P、Mg 的養(yǎng)分吸收效率,保障洋蔥產(chǎn)量,因此,密度對洋蔥產(chǎn)量沒有影響。種群密度對繁殖分配無顯著影響,植株繁殖分配主要受土壤養(yǎng)分影響,其次是土壤水分;土壤養(yǎng)分充足時植株傾向于營養(yǎng)生長,土壤養(yǎng)分不足時植株繁殖分配較高;土壤水分充足時繁殖分配較高,水分不足時植株傾向于營養(yǎng)生長[2]。本研究條件下,D1 處理洋蔥薹生物量和抽薹率均顯著高于D2 處理;灌水量和種植密度對洋蔥經(jīng)濟產(chǎn)量均沒有顯著影響。這可能與D1 處理洋蔥種植密度較大,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不足,促進洋蔥繁殖分配,提高抽薹率有關(guān),同時,D1 處理洋蔥單株效應(yīng)下降程度對產(chǎn)量的影響未超出群體效應(yīng)[20]。可見,種植密度對洋蔥生物量、繁殖分配、抽薹率、N、P、Mg 的吸收利用發(fā)揮主導(dǎo)作用,提高N、P、Mg 的吸收效率是高密度處理洋蔥的營養(yǎng)策略,低密度處理洋蔥的營養(yǎng)策略是提高N、P、Mg 的利用效率,進而提高洋蔥生物量,降低洋蔥繁殖分配和抽薹率。
水分和密度是影響單位面積作物產(chǎn)量和水分養(yǎng)分利用效率的2 個重要因素,而且二者之間存在密切的相互作用,密度影響單位面積土壤內(nèi)可提供給植株的水分和養(yǎng)分,而水分的運輸又促進養(yǎng)分的運轉(zhuǎn)[12]。本研究發(fā)現(xiàn)灌水量與種植密度互作效應(yīng)對洋蔥N、P、K、Mg 吸收利用效率及其向收獲器官轉(zhuǎn)移強度有影響,I1D1 處理提高了洋蔥N、P、K、Ca、Mg 吸收效率,I3D2 處理提高了洋蔥養(yǎng)分收獲指數(shù),促進N、P、K、Mg 向洋蔥鱗莖轉(zhuǎn)移,降低抽薹率。綜合考慮洋蔥個體生物量、抽薹率、群體產(chǎn)量、水分利用效率、養(yǎng)分吸收利用效率及養(yǎng)分收獲指數(shù)等指標,運用主成分分析法得到I3D2 綜合得分最高。可見,提高養(yǎng)分吸收效率是I1D1 處理的洋蔥營養(yǎng)策略,I3D2 處理提高養(yǎng)分收獲指數(shù)和水分利用效率。若以節(jié)水減肥增產(chǎn)增效為前提,則選擇I3D2 處理模式。由于研究對象僅為黃洋蔥品種,低水低密度模式是否適用于白洋蔥和紅洋蔥品種還有待進一步研究。
生物量的積累與分配是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),而作物養(yǎng)分的吸收與利用又是其生物量的積累與分配的基礎(chǔ)[21]。洋蔥N、P、K、Ca、Mg 吸收效率的高低為:N>Mg>K>Ca>P,這與洋蔥N 吸收量最高,K 次之,P 較低的研究結(jié)果一致[10]。由于磷的肥效遲緩,吸收效率較低,宜做基肥施用,以促進洋蔥根系生長,保障洋蔥安全越冬。相關(guān)性分析顯示,洋蔥抽薹率與K 收獲指數(shù)顯著負相關(guān);經(jīng)濟產(chǎn)量與N 利用效率和收獲指數(shù)顯著正相關(guān),WUE與N 收獲指數(shù)顯著正相關(guān),鱗莖生物量、總生物量均與N 利用效率極顯著正相關(guān),這是因為氮素是蛋白質(zhì)和葉綠素的主要成分,可促進植株生長,增加生物量[22];鉀素能促進碳水化合物的合成與運輸,加速碳水化合物向收獲器官的轉(zhuǎn)運,促進收獲器官膨大;含N、P、K 量與干物質(zhì)積累極顯著正相關(guān)[23]。可見,K 是影響洋蔥抽薹率的主要營養(yǎng)元素,K 向鱗莖轉(zhuǎn)移強度是控制洋蔥抽薹的主要限制因子;N 是影響洋蔥生物量、產(chǎn)量、WUE的主要營養(yǎng)元素,N 向鱗莖轉(zhuǎn)移強度是影響洋蔥生物量、產(chǎn)量、WUE的主要限制因子。有研究表明,施用一定質(zhì)量濃度的鎂肥可以提高茶樹新梢對氮、磷、鉀和鎂養(yǎng)分的吸收量[24],促進番茄N、P、K、Ca、Mg 的吸收[25],促進小白菜對N、P、K、Mg的吸收[26]。本研究也發(fā)現(xiàn)Mg 的吸收利用效率與N、P、K、Ca 的吸收利用效率顯著正相關(guān),這表明,Mg的吸收利用明顯促進洋蔥N、P、K、Ca 的吸收利用,施用一定量的鎂肥可以促進洋蔥養(yǎng)分吸收利用。
1)提高P、K、Mg 吸收效率是高灌水量處理洋蔥的營養(yǎng)策略,而低灌水量處理洋蔥通過提高P、K、Mg 利用效率,實現(xiàn)節(jié)水減肥增產(chǎn)增效目標;提高N、P、Mg 吸收效率是高密度處理洋蔥的營養(yǎng)策略,而低密度處理洋蔥通過提高N、P、Mg 的利用效率,進而提高洋蔥生物量,降低洋蔥抽薹率。
2)K 是影響洋蔥抽薹率的主要營養(yǎng)元素,N 是影響洋蔥生物量、產(chǎn)量、WUE的主要營養(yǎng)元素,Mg的吸收利用明顯促進洋蔥N、P、K、Ca 的吸收利用,N、P、K、Ca、Mg 吸收效率的高低為:N>Mg>K>Ca>P。可見,元謀干熱河谷洋蔥種植應(yīng)適當(dāng)施用P肥作為基肥,適當(dāng)增加N 肥和K 肥的追施量,重視追施Mg 肥。
3)高水高密度處理洋蔥通過提高養(yǎng)分吸收效率,保障洋蔥高產(chǎn)高效生產(chǎn),而低水低密度處理洋蔥顯著提高養(yǎng)分收獲指數(shù)和水分利用效率,保障洋蔥節(jié)水減肥增產(chǎn)增效生產(chǎn)。可見,在洋蔥合理密植的基礎(chǔ)上,需要科學(xué)調(diào)控灌水量,低水低密度(3 300 m3/hm2、11.88 萬株/hm2)是元謀干熱河谷黃洋蔥實現(xiàn)節(jié)水減肥穩(wěn)產(chǎn)增效種植的重要模式。