




摘要:為揭示減施氮肥對科爾沁沙地紫花苜蓿(Medicago sativa L.)光合特性及產量的影響,本研究以‘騎士T’為材料,設置N0(0 kg·hm-2),N1(37.5 kg·hm-2),N2(52.5 kg·hm-2)和N3(75 kg·hm-2)共4個施氮處理,研究了苜蓿光合特性、產量及生長特性對氮肥施用量的響應。結果表明:(1)N2處理的凈光合速率(Net photosynthetic rate,Pn)最高,胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration,Ci)最低,均與N0處理差異顯著(P<0.05);施氮處理的氣孔導度(Stomatal conductance,Gs)和蒸騰速率(Transpiration rate,Tr)與對照差異不顯著,水分利用效率(Water use efficiency,WUE)則顯著高于N0處理(Plt;0.05)。(2)施氮未顯著影響苜蓿株高(Plant height,PH),N2處理的苜蓿莖粗(Stem thick,ST)、單株重(Plant weight,PW)和葉重(Leaf weight,LW)最高(Plt;0.05)。(3)隨施氮量的增加苜蓿干草產量呈先上升后下降的趨勢,在N2處理下差異顯著(Plt;0.05)。(4)相關性分析表明,產量與Pn、PW和ST呈極顯著正相關性(Plt;0.01),與WUE和LW呈顯著正相關(Plt;0.05)。綜上,建議在科爾沁沙地種植紫花苜蓿的施氮量可以減施至52.5 kg·hm-2。
關鍵詞:科爾沁沙地;紫花苜蓿;氮肥;光合特性
中圖分類號:S541.9""" 文獻標識碼:A""""" 文章編號:1007-0435(2024)12-3973-07
收稿日期:2024-04-01;修回日期:2024-05-02
基金項目:國家牧草產業技術體系(CARS-34);內蒙古自治區直屬高校科研專項(GXKY22018);國家民委科爾沁沙地生態農業重點實驗室開放基金項目(MDK2023095);國家級大學生創新創業訓練計劃項目(202410136013)資助
作者簡介:
劉澤宇(1998-),男,漢族,內蒙古包頭人,碩士研究生,主要從事飼草種質資源與利用研究,E-mail:lzy13171242444@163.com;*通信作者Author for correspondence,E-mail:yuxiazhang685@163.com
Effects of Different Nitrogen Application Rates on Photosynthetic
Characteristics and Yield of Alfalfa in Horqin Sandy Land
LIU Ze-yu1, SUI Ke1, SHAN Xin-he2, GAO Qi-fan1, ZHANG Yu-xia1*,
ZHANG Yun-long2, SUN Tie-nan1, WANG Xian-guo2
(1.Key Laboratory of Ecological Agriculture in Horqin Sandy Land, College of Prataculture, Inner Mongolia Minzu University/State
Ethnic Affairs Commission, Tongliao, Inner Mongolia 028000, China; 2.College of Pratacultural Science and Technology, China
Agricultural University, Beijing 100193, China)
Abstract:In order to reveal the effects of reduced nitrogen fertilization on the photosynthetic characteristics and yield of alfalfa (Medicago sativa L.) in Horqin Sand Land,the present study was conducted to investigate the response of alfalfa photosynthetic characteristics and growth characteristics to nitrogen fertilization with four nitrogen application treatments,namely,N0 (0 kg·hm-2),N1 (37.5 kg·hm-2),N2 (52.5 kg·hm-2) and N3 (75 kg·hm-2).‘Knight T’ sas used as the material to study the response of alfalfa photosynthetic characteristics,yield and growth characteristics to the application of nitrogen fertilizer. The results showed that:(1) The N2 treatment had the highest net photosynthetic rate (Pn) and the lowest intercellular CO2 concentration (Ci),both of them were significantly different from N0 (Plt;0.05). The stomatal conductance (Gs) and transpiration rate (Tr) of the nitrogen treatment were different from N0 Not significant. Water use efficiency (WUE) was significantly higher than N0 (Plt;0.05). (2) Nitrogen application did not significantly affected the height of alfalfa plants,with the N2 treatment showing the highest stem diameter,individual plant weight,and leaf weight (Plt;0.05). (3) With the increase of nitrogen application rate,the yield of alfalfa hay showed a trend of first increased and then decreased,with significant differences under the N2 treatment (Plt;0.05). (4) Correlation analysis showed that yield was highly significant and positively correlated (Plt;0.01) with net photosynthetic rate,individual plant weight and stem thickness,and significantly positively correlated (Plt;0.05) with water use efficiency and leaf weight.In conclusion. It was recommended to reduce the nitrogen application rate for planting alfalfa in the Horqin Sandy Land to 52.5 kg·hm-2.
Key words:Horqin Sand Land;Alfalfa;Nitrogen fertilizer;Photosynthetic characteristics
紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是我國北方重要的栽培牧草,其具有適口性好,營養價值高等特點[1-2]。苜蓿可以通過與根瘤菌共生將大氣中的氮固定在根瘤中來獲取生長所需的氮素營養[3-4],同時改善土壤的肥力狀況,我國北方沙地土壤較為貧瘠且持水能力差,苜蓿自身固定的氮素可以滿足自身生長的40%~60%[5],在苜蓿生長過程中,常需要外源氮肥地施入來提高苜蓿的產量和營養價值[6-7]。當前在實際生產過程中,氮肥的施用存在不合理的情況,過量的施用氮肥對產量的提升并不顯著,還會抑制其固氮潛力,導致氮肥利用率下降和環境風險的增加[8]。孫浩等[9]在科爾沁沙地的研究表明,施氮45 kg·hm-2時產量提高顯著;李生儀等[10]的研究表明,苜蓿施氮120 kg·hm-2對于產量的提升明顯,Xie等[11]和Oliveira等[12]的研究表明,施氮30或450 kg·hm-2對紫花苜蓿產量無促進作用,可見當前對于苜蓿適宜施氮量還存在爭議,因此,平衡外源氮肥的施入和固氮兩種氮源間的營養效應對提升整體的氮肥利用效率對沙地苜蓿產業轉型具有重要意義。
紫花苜蓿的產量主要來源于光合產物的積累,而光合作用的積累主要依靠葉片,其結構和功能與光合作用密切相關[7]。馬琦等[13]研究表明,施氮量為75 kg·hm-2時對于苜蓿葉片的形態、光合速率等影響顯著。孫延亮等[14]研究表明,與不施氮肥相比,紫花苜蓿葉片的光合特性對于氮肥的響應明顯,因此,施氮肥有助于紫花苜蓿凈光合速率的提高,有利于光合作用的進行,從而促進紫花苜蓿干物質產量的增加。適宜的氮肥施入可以打破紫花苜蓿生長的氮限制,促進其葉片進行光合作用,氮肥施用過量對紫花苜蓿生長的正向效應減弱,甚至會抑制紫花苜蓿的生長[15]。
當前關于紫花苜蓿光合特性影響的研究主要集中在低溫脅迫和品種的差異方面[16-17],關于施氮量對紫花苜蓿光合特性的影響鮮有報道[18],本研究通過測定不同施氮量下紫花苜蓿的光合特性和生產性能,分析產量和凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率的關系,以期進一步明確不同施氮量對于科爾沁沙地紫花苜蓿干草產量和光合特性的影響規律,為沙地種植紫花苜蓿的氮管理提供理論依據。
1" 材料與方法
1.1" 試驗地概況
試驗地位于“中國草都”赤峰市阿魯科爾沁旗巖峰農業牧草種植基地(43°24′43″N、121°21′07″E)。年均氣溫6.3℃,≥10℃有效積溫3000~3080℃,年降水量301 mm左右,無霜期136 d。供試土壤0~20 cm理化性質及pH值見表1。
1.2" 試驗設計
本試驗采用單因素隨機區組設計,根據孫洪仁等[19]編寫的《阿魯科爾沁紫花苜蓿高產、優質、高效和安全越冬栽培技術》,以75 kg·hm-2施氮量為最高施氮量,設置4個施氮梯度,分別為0 kg·hm-2(N0,對照)、37.5 kg·hm-2(N1,減施50%)、52.5 kg·hm-2(N2,減施30%)和75 kg·hm-2(N3,不減施),每個處理3次重復。小區面積為50 m2(5 m×10 m)。播種前進行整地和施肥。氮肥采用的供肥形態是尿素(N,46%),磷肥采用的供肥形態是過磷酸鈣(P2O5,16%),施用量為270 kg·hm-2(P2O5);鉀肥采用的供肥形態是氯化鉀(K2O,60%),施用量為200 kg·hm-2(K2O),試驗用肥料由阿魯科爾沁旗巖峰公司提供。
供試的紫花苜蓿品種為‘騎士T’(‘Knights T’),秋眠級3.9,由北京正道種業有限公司提供。于2021年7月采用機器條播進行播種,苜蓿行間距14 cm,播種量為每個小區112.5 g,各田間管理均按當地紫花苜蓿高產田進行。2022年分別于紫花苜蓿第一茬初花期(6月16日)、第二茬初花期(7月15日)、第三茬初花期(8月15日)共采集3次苜蓿植株樣品。
1.3" 測定指標及方法
苜蓿生長指標和干草產量測定:苜蓿刈割前用卷尺測定植株的自然高度,游標卡尺測定植株莖稈基部直徑,并取10株苜蓿枝條帶回實驗室莖葉分離,烘干后稱重。于紫花苜蓿初花期(開花植株≥10%),采用1 m×1 m的樣方,留茬5 cm人工刈割紫花苜蓿,稱取鮮重;另取500 g鮮草樣品裝于檔案袋帶回實驗室進行苜蓿植株含水率測定,在105℃條件下殺青30 min后,于 75℃烘干至恒重,測定其干物質重量并計算苜蓿干草產量(kg·hm-2)。具體計算公式如下:
干草產量=鮮草產量×(1-含水率)(1)
光合生理指標的測定[20]:于紫花苜蓿初花期(開花10%~15%)的上午9:30—11:30采用LI-6400 XT(LI-COR Inc.,美國)在田間進行活體測定,隨機選擇生長良好的苜蓿植株,每個小區隨機選取6個葉片測定,采用紅藍光源,光強度為1000 μmol·(m2·s)-1測定指標包括凈光合速率(Pn,μmol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci,μmol·mol-1)、氣孔導度(Gs,cm·s-1)、蒸騰速率(Tr,mmol·m-2·s-1),苜蓿葉片的瞬時水分利用效率(WUE,mmol·mol-1)用以下公式進行計算:
WUE=Pn/Tr(2)
1.4" 數據統計與分析
采用Microsoft Excel 2022 對試驗數據進行錄入和整理。試驗數據均以平均值±標準誤(SE)表示,用R 4.3.2統計軟件中的單因素方差分析(One-way ANOVA)和Plt;0.05水平下的最小顯著差異法(LSD)進行檢驗。運用R 4.3.2進行相關性分析和作圖。
2" 結果與分析
2.1" 不同施氮量對紫花苜蓿光合特性的影響
不同施氮量下紫花苜蓿的光合特性變化如表2所示。Gs和Tr受氮肥的影響不顯著,Pn、Ci和WUE受氮肥的影響顯著。N2處理的Pn顯著高于對照N0處理(Plt;0.05),N0、N1和N3處理間差異不顯著。各處理Ci均顯著低于對照(Plt;0.05),其中N0處理的Ci最高為281.22 μmol·mol-1,N2最低為249.45 μmol·mol-1。WUE隨著施氮量的上升呈上升-下降-上升的趨勢,N1處理的WUE最高為2.39 mmol·mol-1,比對照高30.24%,顯著高于N0和N2處理(Plt;0.05),說明在N1處理下可提高苜蓿的水分利用效率,N2處理下可提高苜蓿的凈光合速率。
2.2" 不同施氮量對紫花苜蓿生長特性的影響
不同施氮量對紫花苜蓿莖粗、單株重和葉重有顯著影響(Plt;0.05)。如圖1b所示,N3處理下,苜蓿莖粗顯著高于N1處理和對照(Plt;0.05),與N2處理間差異不顯著。各氮肥處理下莖粗與N0相比提高了1.3%,10%,13.18%。苜蓿株高對不同施氮量的響應不顯著,隨著施氮量的增加,株高呈先上升后下降的趨勢;不同施氮量下,苜蓿的單株重的變化如圖1C所示,N2處理下的單株重顯著高于N0處理(Plt;0.05),與N1和N3處理間差異不顯著,對照與N1和N3處理間差異不顯著。葉重對于不同施氮量的響應明顯,隨著施氮量的增加,葉重呈先上升后下降的趨勢。與不施氮肥相比,N1處理和N2處理的葉重均顯著增加(Plt;0.05),在N2處理達到最大值為12.13 g。說明施氮促進了苜蓿的莖粗、單株重和葉重的增加。
2.3" 不同施氮量對紫花苜蓿干草產量的影響
不同施氮量下苜蓿的產量表現不同(圖2),隨著刈割茬次的增加,苜蓿的產量呈下降的趨勢,總產量隨著氮肥添加量的增加呈先上升后下降的趨勢。第1茬和第2茬苜蓿干草產量在不同的氮肥處理下沒有顯著的差異,第1茬在N2處理下達到最大值為6928.746 kg·hm-2,第2茬在N1處理下達到最大值為4686.971 kg·hm-2。第3茬干草產量,N3處理顯著高于N1處理和對照(Plt;0.05)。總產量在N2處理下達到最高值為14 568.697 kg·hm-2。與對照相比,N2處理下苜蓿的產量提高了為13.6%。N2處理下的苜蓿產量顯著高于N0處理和N1處理(Plt;0.05),與N3處理差異不顯著。N1,N3處理與對照相比差異不顯著,表明施氮量過多反而會抑制干草產量,N2處理下總產量最高。
2.4" 紫花苜蓿生長特性、光合特性與產量的相關性分析
對苜蓿的生長指標和光合指標與產量進行相關性分析發現(表3),產量與Pn,PW和ST呈極顯著正相關性(Plt;0.01),與WUE和LW呈顯著正相關(Plt;0.05),說明產量受到Pn、PW和ST的影響大,受到WUE和LW的影響較大。Pn與WUE呈極顯著正相關(Plt;0.01),與Ci,PW,ST和LW呈顯著正相關(Plt;0.05)。Gs與LW呈顯著正相關(Plt;0.05)。Ci與ST和LW呈顯著正相關(Plt;0.05)。Tr與WUE呈負相關但不顯著。WUE與PW呈顯著正相關(Plt;0.05)。PW與LW呈極顯著正相關(Plt;0.01)。ST與LW呈極顯著正相關(Plt;0.01)。
3" 討論
3.1" 不同施氮量對紫花苜蓿光合特性的影響
施氮可以改善苜蓿的光合特性[21-22],本研究發現,隨著施氮量的增加,苜蓿的Pn,Gs,Ci和Tr呈先上升后下降的趨勢,水分利用效率則在N1處理下達到最大值為2.386 mmol·mol-1,朱天琦等[22]在對‘甘農3號’和‘隴東苜蓿’研究中也得出了一致的結論,說明施氮可以調節苜蓿的Pn,Gs,Ci和Tr,Ci的變化與Pn,Gs和Tr相反,呈降低趨勢,原因可能是Pn隨著施氮處理后光合色素增加,光合有效面積增大,使得葉肉細胞的CO2羧化能力增加,胞間CO2急劇消耗導致其濃度降低[23],從而表現出與光合速率相反的趨勢。相關性分析表明,單株重與凈光合速率(Pn)和水分利用效率(WUE)呈顯著正相關(Plt;0.05),Pn與WUE呈極顯著正相關(Plt;0.01),與Ci,PW,ST,LW和產量呈顯著正相關(Plt;0.05),說明凈光合速率的提高顯著影響了苜蓿的生長指標,增加了干物質的積累量,這與景芳等[24]的研究一致。單株重與凈光合速率(Pn)呈顯著正相關(Plt;0.05),這與景芳等[24]的研究不一致,可能是由于試驗地點不同引起光合特性的差異。Pn與PH間呈正相關,但相關性不顯著,說明苜蓿干重的增加部分歸因于凈光合速率,但不是主要影響因子。因此,在評價苜蓿光合作用強弱時,不能以單一的光合指標來推斷,應該綜合考慮各光合指標來進行評價[25]。對于施氮是否對光合色素產生影響,還有待進一步研究。
3.2" 不同施氮量對紫花苜蓿生長特性的影響
氮肥是植物體內蛋白質、葉綠素和一些激素等的重要組成部分,在苜蓿生長和產量形成的過程中具有重要作用[26-27],我國北方的苜蓿栽植過程中需要額外添加氮肥來滿足苜蓿是生長的需要[5]。在牧草生產中,單株重作為影響產量性狀的重要葉片特征指標,對紫花苜蓿產量的貢獻達到30%~60%[28]。本研究也發現,紫花苜蓿單株重與產量的相關性最強,呈極顯著正相關關系(Plt;0.01),是最突出的葉片特征指標。株高作為反應苜蓿生長發育和產量的重要指標,有研究發現,株高與干草產量呈顯著正相關[29],本研究表明株高與其他光合生理指標和生長指標呈正相關(除莖粗外),但不顯著,株高對單株重產生較大的正效應,說明在一定程度上較高的株高可以增加葉片對光能的吸收率,有助于干物質的積累[30]。在N2(52.5 kg·hm-2)處理下,苜蓿的單株重和葉重的變化顯著,說明在科爾沁沙地種植紫花苜蓿氮肥施用量在52.5 kg·hm-2時較適宜,這與萬里強等[27]和王德勝等[31]的研究相一致,說明在苜蓿的生長過程中,一方面可能是由于氮肥的投入促進了的根系的生長[32],而發達的根系是促進苜蓿營養生長的基礎;另一方面氮肥的投入促進葉面積的增加[13],光合作用增強,光合作用積累的碳水化合物促進了苜蓿的生長。
3.3" 不同施氮量對苜蓿產量的影響
苜蓿產量的高低受到自然環境、種植品種和田間管理措施等諸多因素的影響[33],外源氮肥的施入就是當前提高苜蓿產量所采用的普遍措施[34],本研究發現,隨著刈割茬次的增加,苜蓿的產量逐漸下降,與對照(N0)相比,施氮肥可以獲得較高的干草產量,產量提高了2.51%~13.57%,但隨著氮肥用量的增加,產量出現下降趨勢,這與孟凱等[35]的研究結果相一致。實際生產過程中,為獲得更高的產量,盲目過量施用氮肥造成了產量的下降,主要因為在高氮水平下,氮素抑制了苜蓿自身固氮酶的合成和根系根瘤菌數的生長,降低了固氮酶的固氮能力[36-41],本研究表明,隨著氮肥施用量的增加,苜蓿的單株重和葉重呈先上升后下降的趨勢,說明高氮抑制了苜蓿葉片營養器官貯藏,導致單株重和葉重降低,進而導致苜蓿在高氮水平下干草產量降低。
另外,孫延亮等[14]研究表明,基于結構方程模型綜合分析影響苜蓿干物質產量的主要是葉片凈光合速率和蒸騰速率,這與本研究相一致;本研究中,產量與凈光合速率、單株重和莖粗呈極顯著正相關性(Plt;0.01),與水分利用效率和葉重呈顯著正相關(Plt;0.05)。這說明氮肥可能通過影響葉片的凈光合速率以及其他生長指標來提高產量,這與馬鐵成等[42]的研究相一致。渠暉等[43]在甜高粱的農藝性狀和產量對氮肥響應的研究中表明,產量與莖粗呈極顯著正相關(Plt;0.01)這與本研究相一致。葉片Pn,Tr和Gs在N2處理時達到最大值,這就表明適宜減少氮肥施用量,可以促進葉片氣孔開啟,加快苜蓿蒸騰作用,提高苜蓿的光合特性和地上生物量積累,進而增加苜蓿產量[24]。
4" 結論
與對照和其他施氮處理相比,施氮量為52.5 kg·hm-2時,苜蓿的生長特性、生產性能和光合特性趨于協同提高。在科爾沁沙地苜蓿栽培種植過程中,建議施用52.5 kg·hm-2,可以提高苜蓿產量,實現“減肥增效”。但本試驗僅是針對科爾沁沙地單點的試驗,缺乏對整個北方苜蓿栽培區域長期監測數據,后續還需要進一步進行研究。
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(責任編輯" 劉婷婷)