硅肥和納米土墑材料配施對苦蕎倒伏的影響

陶建波， 伍浩天， 王藝鋼， 張瑞豐，雷蕾， 方小梅， 易澤林

西南大學 農學與生物科技學院，重慶 400715

苦蕎(FagopyrumtataricumL. Gaertn)又名韃靼蕎麥, 籽粒較小, 種皮較厚, 略帶苦味[1]． 苦蕎抗逆性和適應性極強, 能夠生長在高寒、 高海拔、 低溫、 低肥地區, 是我國高寒山區重要的經濟作物和糧食作物[2-3]． 苦蕎雖是小雜糧作物, 但經濟價值和營養價值都極高[4]． 耐貧瘠、 適應性強、 生育期短, 這些特點使苦蕎成為提高復種指數、 抗災救災的重要作物, 在調節農時與作物布局中起到重要的作用[5-6]． 中國是苦蕎的起源中心, 蕎麥資源豐富． 在實際生產中, 由于收獲損失較大, 我國苦蕎的平均產量僅能達到1 200～1 500 kg/hm2, 嚴重制約苦蕎生產的發展[6]．

作物生產中的倒伏是影響作物產量和質量的主要因素之一[7]． 倒伏導致作物莖稈運輸組織受損, 同時莖傷引起的莖稈內含物外泄會破壞植物體內部的穩定性, 降低作物對病蟲害的抗性, 造成蟲害及多種病害[8]． 硅存在于所有植物的地下部器官組織中, 硅的沉積可以保護植物免受多種生物和非生物脅迫[9]． Jaleel等[10]對長春花的研究發現, 隨著植株硅含量的升高, 葉片中角質層、 柵欄層和海綿層厚度均顯著增加, 韌皮部分子直徑顯著增加． 適當施用硅肥能夠縮短莖稈基部一、 二節間長度, 增加莖粗, 改善莖結構, 提高抗倒伏能力[11-12]． 研究表明, 硅素與其他營養元素之間存在著協同作用, 硅素的吸收會抑制植株對其他養分的吸收, 但這種抑制并不會導致其他養分在植株內濃度的下降, 反而會表現出更高的積累量[13-14]． 納米土墑生態修復材料作為全天然的有機無機復合新興材料, 含有經特殊工藝處理的復合硅酸鹽成分, 具有硅酸膠結特性, 可以作為結構基質從本質上改善土壤團粒結構, 提高土壤的蓄水保墑能力, 增產效應顯著[15-16]． Juhtery等[17]研究顯示, 納米增效肥料可以使小麥增產10%以上; 水稻中的試驗表明, 施用納米土墑材料可以代替一部分化肥的施用, 在降低成本、 提高品質與效益的同時還能有效恢復地力, 減輕環境污染[18]． 目前我國苦蕎生產中面臨的最大難題, 是苦蕎在生長過程中極易發生倒伏． 前人研究表明, 莖稈強度和苦蕎的抗倒伏能力存在密切聯系, 而施用硅肥和納米土墑材料可以顯著改善植株的各項農藝性狀指標, 提高莖稈強度[11-12, 18], 是提高苦蕎抗倒伏能力的常見栽培措施． 然而, 對納米土墑材料及其與硅肥的合理配施在蕎麥種植中的施用效果鮮見報道． 本試驗通過測定不同水平的納米土墑材料和硅肥處理組合下苦蕎的抗倒伏能力和產量等指標, 探索硅肥和納米土墑材料的最佳配施方案, 以期為我國苦蕎生產的高產高效提供理論依據．

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種為酉蕎1號, 由重慶市蕎麥產業體系創新團隊提供, 發芽率可達80%以上． 硅肥為含SiO250%的水溶性有機硅, 納米土墑材料由成都正光生態科技有限公司提供．

1.2 試驗設計

試驗于2019年8月-2019年11月和2020年8月-2020年11月在西南大學合川農場(106°7′51″E, 30°0′16.4″N)進行, 試驗地土壤為沙壤土, 地力均勻, 具體養分概況見表1． 試驗采用隨機區組試驗設計, 硅肥設置4個水平, 0(A1)、 30 kg/hm2(A2)、 60 kg/hm2(A3)和90 kg/hm2(A4); 納米土墑材料設置3個水平, 0(B1)、 75 kg/hm2(B2)以及 150 kg/hm2(B3)． 試驗共12個處理, 3次重復． 分別于2019年8月26日, 2020年8月25日人工條播, 基本苗90萬株/hm2, 小區面積6.67m2(行長4 m, 行距 33 cm, 種植5行, 區組間隔50 cm), 播種行與區組走向垂直, 肥料一次性施入作為種肥, 其它田間管理同常規．

表1 試驗地土壤養分概況

1.3 測定項目及方法

根據喬春貴[19]的方法統計倒伏率、 倒伏級別; 宋波等[20]的方法計算倒伏指數; 參考佘恒志等[21]的方法測量株高、 莖稈重心高度、 基部第二節節間直徑和長度、 節間充實度等; 參照戴偉民等[22]的方法進行莖稈硅含量測定; 參照陳曉光等[23]、 張文博等[24]的方法, 進行木質素、 纖維素、 半纖維素含量的測定．

1.4 數據分析

兩年試驗結果差異無統計學意義(p>0.05), 用其平均值進行統計分析． 用 Excel 2019進行數據整理及作圖, 用DPS 7.05和SPSS 25.0進行數據統計分析, 用一般線性模型進行分析, 用LSD法檢測顯著性, 利用R語言進行相關性分析和作圖．

2 結果與分析

2.1 不同處理對苦蕎倒伏習性和產量的影響

2.1.1 倒伏習性

由表2看出, 未使用硅肥和納米土熵材料處理的苦蕎, 發生倒伏的時期最早, 兩年均在盛花期就出現倒伏, 同時該處理的倒伏級別和倒伏率也在所有處理組合中最高． 隨著硅肥施用量的增加, A2-A3處理的蕎麥倒伏時期呈現出后移的趨勢, 倒伏指數和倒伏率下降, 到A4水平, 蕎麥的倒伏時期提前, 倒伏指數和倒伏率上升, 但與前一水平處理相比差異無統計學意義． 在硅肥水平一定時, 苦蕎的倒伏時期也先隨著納米土熵材料用量的不斷增加而推遲, 在B2處理水平下達到最晚(成熟期), 后隨著納米土墑材料用量的增加有所提前, 且倒伏級別及倒伏率也隨著納米土墑材料用量的不斷增加先減少后增加, 并在硅肥水平為60 kg/hm2, 納米土墑材料施加量為75 kg/hm2時倒伏級別降至最低, 同時倒伏率也達到了所有處理組合的最低值, 為11.57%(兩年均值)． 因此, 納米土墑材料和硅肥配施能夠使倒伏時期后移, 倒伏級別降低, 倒伏率下降．

表2 不同納米硅肥配施下苦蕎倒伏表現和產量變化

2.1.2 產量

硅肥和納米土墑材料配施對苦蕎產量有顯著影響． 隨著硅肥用量增加, 苦蕎產量呈現先增加后減少的趨勢, 在A3(60 kg/hm2)達到最大值． 在硅肥水平一定時, 產量也隨著納米土熵材料用量增加呈現先增加后減少的趨勢, 在B2(75 kg/hm2)達到最大值(表2)． 在A3B2處理苦蕎產量最高, 相比于單獨施最適硅肥處理(A3B1)和單獨施最適納米土墑材料(A1B2)處理分別提高了47.1%, 18.4%, 較對照A1B1提高了109.82%(兩年均值, 下同)．

2.2 不同處理對苦蕎莖稈抗折力和倒伏指標的影響

2.2.1 莖稈抗折力

苦蕎莖稈抗折力從盛花期到成熟期呈遞增趨勢(表3), 成熟期達到最大． 兩種肥料單獨施用情況下, 隨著施用量的增加各個時期苦蕎莖稈抗折力呈先增后減的趨勢, 分別在A3、 B2達到最大, 并且配施硅肥和納米土墑材料能顯著提高莖稈抗折力, 在A3B2處理達到最大, 相較于A3B1和A1B2處理, 在盛花期分別提高了52.8%, 29.7%, 在灌漿期分別提高了46.4%, 23.0%, 在成熟期分別提高了17.6%, 19.4%． 表明單獨施用硅肥或者納米土墑材料可以提高苦蕎莖稈抗折力, 提高莖稈強度, 并且配施硅肥與納米土墑材料提高的幅度更為明顯．

表3 不同處理對苦蕎莖稈抗折力和倒伏指數的影響

2.2.2 倒伏指數

從表3可以看出, 單施肥料情況下, 隨硅肥施用量的增加, 不同時期苦蕎的倒伏指數逐漸降低; 隨納米土墑材料施用量的增加, 倒伏指數呈先減后增趨勢． 與A1B1相比, 配施硅肥與納米土墑材料均能顯著降低倒伏指數, A3B2處理對降低倒伏指數的效果最佳, 各個時期分別降低了58.7%, 36.3%, 42.7%． 說明相較于單獨施用硅肥或者納米土墑材料, 兩種肥料配施對倒伏指數的降低效果更為顯著, 且更為穩定．

2.3 不同處理對苦蕎莖稈形態特征的影響

2.3.1 不同處理對株高、 重心高、 第二節間長的影響

株高、 重心高、 第二節間長從盛花期到成熟期逐漸增加(表4)． 各生育時期, 施用硅肥可以降低株高、 重心高、 第二節間長, 隨硅肥施用量的增加, 苦蕎株高、 重心高、 第二節間長先減后增, 在A3達到最低值． 隨納米土墑材料施用量的增加, 株高、 重心高、 第二節間長整體呈先減后增, 綜合表現B2處理低于B3處理, 而不施用納米土墑材料的處理最高． 綜合來看, 在相同生育期內, A3B2處理株高、 重心高、 第二節間長最低, 均顯著低于對照A1B1處理, 與對照相比, 盛花期分別降低了25.91%, 22.37%, 2.31%, 灌漿期分別降低了23.81%, 10.54%, 29.40%, 成熟期分別降低了16.93%, 8.43%, 19.59%． 說明硅肥和納米土墑材料適當單施或者兩者配施可以降低苦蕎株高, 提高基部莖稈重量占苦蕎總體鮮重比例, 降低重心高度, 縮短基部第二節間的長度, 起到類似縮節的功效, 從而降低倒伏的發生, 且配施硅肥與納米土墑材料提升效果優于單施, 但硅肥或納米土墑材料施用過量, 其株高、 重心高、 第二節間長反而增加．

表4 不同處理對株高、 重心高、 第二節間長的影響

2.3.2 不同處理對第二節間直徑、 莖壁厚度、 節間充實度的影響

從表5可以看出, 第二節間直徑、 莖壁厚度從盛花期到成熟期逐漸增加, 而節間充實度無明顯規律． 各生育期, 第二節間直徑、 莖壁厚度隨施硅肥量增加整體呈先增后減, A3處理最適, 隨納米土墑材料施用量增加先增后減, 在B2處理達到最大． 節間充實度在盛花期和灌漿期隨納米土墑材料施用量呈先增后減, 在成熟期隨納米土墑材料施用量增加而增加, 整體在B2達到最大; 增施硅肥也會引起苦蕎莖稈節間充實度上升, 總體來看, A3處理效果最佳． 3個時期中A3B2處理下苦蕎莖壁厚度、 節間充實度都能達到最大值, 且均顯著高于對照A1B1處理; 第二節間直徑在A3B2處理下整體也有著較好的優化． 說明硅肥和納米土墑材料適當單施或者兩者配施可以提高苦蕎基部第二節間的直徑, 提升其節間充實度, 有效增加其莖壁厚度, 從而增強基部莖稈的機械強度, 且配施硅肥與納米土墑材料的提升效果優于單施．

表5 不同處理對第二節間直徑、莖壁厚度、節間充實度的影響

2.4 不同處理對苦蕎莖稈生理生化特征的影響

2.4.1 莖稈硅含量

從圖1a可以看出, 苦蕎莖稈中硅元素含量隨生育期推進而增加, 在成熟期達到最大值． 單獨施用下, 各生育時期中莖稈硅含量隨施硅量的增加呈先增加后降低的趨勢, 在A3處理達到最大, 并顯著高于A1; 莖稈中硅含量隨著納米土墑材料施用量增加先增加后減少, 在B2達到最大值, 并顯著高于B1． 配施硅肥和納米土墑材料可以顯著提高莖稈中硅含量且優于單施硅肥(A3B1)和納米土墑材料(A1B2), 在A3B2處理達到最大值, 相較于A1B1處理, 盛花期提高120.28%, 灌漿期提高69.18%, 成熟期提高27.25%． 說明合理配施硅肥和納米土墑材料可以有效增加苦蕎莖稈中的硅含量, 從而增加莖稈機械強度, 減少倒伏的發生, 并且兩者配施的效果要優于單施, 但當硅肥或納米土墑材料過量, 其硅含量反而降低．

不同小寫字母表示處理間在各個時期差異有統計學意義(p<0.05)．圖1 不同處理對苦蕎莖稈生理生化特征的影響

2.4.2 木質素含量

木質素含量從盛花期到成熟期逐漸增加(圖1b)． 相同生育時期, 木質素含量隨著施硅肥量增加而增加; 而隨著納米土墑材料的施用量增加先增加后減少, 在B2達到最大值且顯著高于B1． 配施硅肥和納米土墑材料能顯著提高莖稈中木質素含量, 在A3B2處理達到最大值, 在各個時期均顯著高于其他處理, 與A1B1相比, 盛花期提高103.85%, 灌漿期提高56.76%, 成熟期提高30.00%． 說明硅肥和納米土墑材料適當單施或者兩者配施可以增加木質素含量, 從而提高莖稈木質化程度, 提高苦蕎植株莖稈的機械強度, 降低倒伏現象的發生, 且配施硅肥與納米土墑材料對木質素的積累要優于單施．

2.4.3 半纖維素含量

隨生育期推進, 苦蕎莖稈中半纖維素含量逐漸增高(圖1c)． 相同生育時期, 半纖維素隨施硅量的增加而增加, 但在盛花期變化趨勢不明顯; 隨納米土墑材料的施用量增加先增后減, 在B2達到最大值． 配施硅肥和納米土墑材料能顯著提高莖稈中半纖維素含量, 在A3B2處理達到最大值, 在各個時期均顯著高于其他處理, 與A1B1相比, 盛花期提高33.51%, 灌漿期提高37.53%, 成熟期提高31.09%． 說明硅肥和納米土墑材料適當單施或者兩者配施有利于苦蕎莖稈半纖維素的積累, 從而提高莖稈的韌性, 且配施硅肥與納米土墑材料的提升效果優于單施, 但納米土墑材料過量會降低莖稈中半纖維素含量．

2.4.4 纖維素含量

纖維素從盛花期到成熟期逐漸增加(圖1d)． 各生育時期, 纖維素含量隨施硅量增加先增后減, 在A3達到最大值; 隨納米土墑材料的施用量增加先增后減, 在B2達到最大值． 相同生育時期, A1B1的纖維素含量均低于其他處理; A3B2處理均顯著高于其他處理． 說明硅肥和納米土墑材料適當單施或者兩者配施有利于苦蕎莖稈中纖維素的積累, 從而增強莖稈韌性, 降低倒伏的發生, 且配施硅肥與納米土墑材料的提升效果優于單施, 但硅肥或納米土墑材料過量會降低莖稈中纖維素含量．

2.5 苦蕎莖稈特性與抗倒伏能力的關系

由圖2可知, 苦蕎莖稈抗折力與苦蕎第二節間長、 株高、 重心高度、 倒伏指數和倒伏率呈極顯著負相關, 與節間充實度、 莖壁厚度、 莖稈中硅素、 木質素、 纖維素和半纖維素含量呈極顯著正相關; 倒伏指數與株高、 重心高度和莖稈基部第二節間長以及倒伏率呈極顯著正相關, 與莖壁厚、 節間充實度以及莖稈生理生化指標呈極顯著負相關; 倒伏率與株高、 第二節間長、 重心高呈極顯著正相關, 與莖壁厚、 節間充實度以及莖稈生理生化指標呈極顯著負相關． 說明莖稈各項農藝和生理生化指標可以顯著影響苦蕎植株的抗倒伏能力, 通過配施硅肥與納米土墑材料來優化各項指標可以顯著提高莖稈強度, 降低倒伏率．

圖中色塊與數字對稱, *, **, ***分別表示在p<0.05, p<0.01, p<0.001水平差異有統計學意義．圖2 苦蕎莖稈特性與抗倒伏能力的相關性分析

3 討論

3.1 硅肥與納米土墑材料配施優化苦蕎倒伏習性提高產量

隨著栽培技術的不斷提升, 苦蕎的產量水平也在不斷的提高, 但在提高產量的過程中總會面臨一個難以解決的問題——植株倒伏． 倒伏會破壞作物空間排布, 擾亂群體正常的通光通風, 影響作物產量． 倒伏不僅會導致蕎麥產量和品質的下降, 同時也會使得機械化和規模化的收割難以實現． 前人在甜蕎[25]和苦蕎[26]中研究發現, 倒伏率與產量呈顯著負相關, 隨倒伏率上升產量和品質顯著下降． 倒伏發生的越早, 對產量的影響就越大． 任高峰等[27]研究發現, 油菜發生倒伏的時期不同, 對產量造成的損失差異較大． 倒伏愈早, 產量損失則愈嚴重: 在油菜初花期發生倒伏, 產量會減少67.3%; 盛花期發生倒伏, 產量損失達46.4%; 在開花后期和成熟前期, 減產則達到顯著水平, 而在成熟后期倒伏減產才不顯著． 本試驗研究發現, 硅肥與納米土墑材料配施, 可以在提高產量的同時顯著降低苦蕎倒伏率及倒伏級別, 并延后倒伏發生時期, 與前人研究結果一致．

3.2 硅肥與納米土墑材料配施優化苦蕎莖稈特性提高抗倒伏性能

作物群體獲得高產的一個重要思路, 是提高單株作物的生物量[28]; 但單株生物量積累增加后會導致其基部莖稈承受的作用力變大, 從而更易發生倒伏現象[29]． 所以, 高產與抗倒伏間往往存在顯著的負相關性． 前人大量的研究結果表明, 植株的形態指標, 如株高、 重心高度、 莖稈抗折力等可以有效反應植株的抗倒伏性能[29-30]． 苦蕎倒伏主要是由于基部節間伸長變細、 莖稈強度變弱所致． 要在保持苦蕎單株產量提升的同時降低倒伏率, 最有效的途徑就是提高莖稈的機械強度, 促使基部莖稈在彎曲力矩增大的同時仍能保持挺拔． 在水稻的研究中發現, 在生長期施用硅肥, 可以增加水稻莖稈中硅的含量, 大量形成角質硅層的雙細胞結構, 這種結構增強了細胞的厚度, 增加了莖稈強度, 從而降低倒伏的發生[31]． 本試驗研究表明, 莖長、 莖粗和莖壁厚度等莖稈形態特性與苦蕎倒伏率間存在顯著聯系; 木質素、 纖維素和半纖維素是作物細胞結構中細胞壁的主要成分, 其對增強細胞壁強度有著重要作用[32]． 木質素、 纖維素和半纖維素的含量越高, 則植株莖稈的機械強度就越大, 作物的抗倒伏能力也越大[29]． 前人在小麥[33-34]、 玉米[35]的研究中發現纖維素、 半纖維素和木質素含量與作物的倒伏存在顯著相關, 含量較高的處理抗倒伏性能較好． 佘恒志等[21]認為施硅肥能提高甜蕎莖稈中硅含量, 增加莖稈基部第二節間直徑、 抗折力、 木質素含量, 促進甜蕎植株抗倒伏能力增加． 前人研究發現硅肥和納米土墑材料可以改善水稻群體結構, 增強莖稈機械強度, 使植株挺拔, 顯著降低倒伏指數[11, 18]． 本試驗研究表明, 硅肥與納米土墑材料配施可以顯著增加苦蕎莖稈的莖壁厚度和直徑, 促進莖稈中硅素、 木質素、 纖維素等結構性物質的積累, 顯著增加細胞壁強度, 從而增強莖稈強度, 提高苦蕎的抗倒伏性能, 降低倒伏發生, 這與前人研究一致．

3.3 納米土墑材料促進苦蕎對硅的吸收利用

硅存在于所有植物的地下部器官組織中, 硅的沉積可以保護植物免受多種生物和非生物脅迫[9, 36]． 硅的積累可以有效提高植物對倒伏、 輻射、 干旱、 凍結等物理脅迫的抵抗力, 并且對高鹽、 重金屬等環境脅迫也有一定的抗性[37-40]． 冷一欣等[41]的研究結果顯示, 高分子肥料增效劑可以與肥料養分中的離子結合起到養分富集效應, 同時可以通過調節酶活性改善土壤理化性質, 減少肥料造成的土壤板結等負面影響, 在降低成本、 提高品質與效益的同時還能有效回復地力, 減輕環境污染． 納米材料處理可以增強種子的活力, 提高植株體內各種酶的活性和對水分和肥料吸收, 促進植株新陳代謝, 進一步提高植株的抗逆性能力, 從而達到改善品質和增產的效果[42-43]． 李貴蓮等[44]研究發現, 納米材料可以顯著增加生菜對氮、 磷、 鉀、 鋅、 鈣等元素的吸收積累． 另外, 納米材料能促進燕麥苗中的苯丙氨酸氨裂解酶基因PAL和硅轉運蛋白基因Lsi1的表達, 導致硅元素和木質素含量增加[45]． 本試驗發現, 相對于單施硅肥, 在保持施硅量不變的前提下, 用納米土墑材料可以顯著提高苦蕎植株對硅的吸收利用能力, 進而優化各項生理生化與形態指標, 提高植株抗倒伏能力, 降低倒伏現象的發生, 這與前人在燕麥中的研究一致[45]．

4 結論

適量施用硅肥可以顯著改良苦蕎植株形態, 增加莖稈內結構性物質的積累, 提高莖稈機械強度, 而適量施用納米土墑材料代替部分硅肥可以增加苦蕎對硅等養分的吸收積累, 提高莖稈充實度, 降低倒伏率并提高產量; 兩種肥料配施可以在有效降低苦蕎倒伏的同時顯著提高產量． 在本試驗條件下, 配施60 kg/hm2硅肥與75 kg/hm2納米土墑材料能夠有效優化苦蕎的莖稈結構, 降低倒伏的發生, 提高苦蕎產量． 研究結果為苦蕎的抗倒伏栽培提供了理論依據和技術參考．