不同氮肥处理对荞麦干物质积累、农艺性状及产量的影响

白文明 张伟丽 侯亚方 夏美娟 宫香伟 王鹏科 高小丽 高金锋

(旱区作物逆境生物学国家重点实验室/西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

荞麦(Buckwheat)又名乌麦、花麦或三角麦，属蓼科(Polygonaceae)荞麦属(FagopyrumGaerth)植物。荞麦营养丰富，氨基酸组成平衡，含有多种对人体有益的营养物质[1]，具有控制和治疗糖尿病，预防和治疗心血管硬化疾病、高血压的功效[2]。荞麦作为健康食品的产业发展潜力巨大[3]。荞麦是陕甘宁黄土高原旱作地区的重要作物之一，在陕甘宁具有较强的生产优势。陕甘宁栽培着我国面积最大的红花甜荞，种植面积在10万hm2以上，出口日本、韩国、东南亚及西欧等国家和地区。因此，荞麦种植对陕甘宁地区农业种植结构调整、粮食安全、农民增收及农业增效具有不可替代的意义。

施氮是提高作物产量的主要途径之一。通过施氮可以改变作物对氮素的吸收、积累与分配[4-8]，从而影响作物干物质积累[4]、叶面积指数[9]、叶绿素含量[8]、生育周期[4,10]以及库源关系[11]，最终起到改善作物品质，提高产量的作用[4-5,11-13]。关于荞麦施氮已有较多的研究。有研究表明，施氮改变荞麦干物质积累量及在各器官中的分配比例[14]。一定范围内增加施氮量，荞麦植株氮吸收及籽粒含氮量显著增加[15]，生育期缩短，株高、有效分支数、茎粗和节间长度增加[16]。郭肖等[17]试验中施氮显著的增加了荞麦的产量；侯迷红等[15]研究中，施氮量在60 kg/hm2时，荞麦增产达84%。而Schulte等[18]研究表明施氮对荞麦产量无明显提高，反而会加重荞麦的倒伏状况；刘迎春等[19]指出一定范围内赤峰地区施用P和K肥能增加荞麦产量，而氮肥表现为减产。作物的需氮量不仅与作物的种类有关,还与品种和环境有关[20-21]。荞麦作为陕甘宁地区主要栽培作物，长期被认为是一种耐瘠薄的作物，传统栽培中农民不重视荞麦施氮肥，加上黄土高原地区土壤较为贫瘠，严重制约荞麦的发展。目前还没有陕甘宁地区荞麦栽培适合施氮量的相关报道。因此，本研究通过对不同N肥施用量下荞麦的叶绿素含量、干物质动态积累过程及主要农艺性状和产量性状的调查，探索陕甘宁黄土高原旱作农区荞麦的最佳需氮量，旨在为陕甘宁黄土高原旱地荞麦高产栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016和2017年在榆林(37°56′26″ N，109°21′46″ E，海拔1 229 m)农业试验示范中心进行，该试验地土壤为典型沙壤土、地势平整、排灌方便、前茬为苗圃，肥力均匀。土壤pH 8.76，含有机质23 g/kg、全氮15 g/kg、全磷28 g/kg、全钾41 g/kg、速效氮19.29 mg/kg、速效磷1.82 mg/kg和速效钾21.65 mg/kg。

1.2 试验材料与设计

试验材料为甜荞品种——西农9976，由西北农林科技大学选育。肥料采用尿素(纯N质量分数≥46.4%)，甘肃刘化(集团)有限责任公司。

试验采用大田小区种植，单因素随机区组设计，重复4次，小区面积2 m×5 m=10 m2，行距33 cm，株距5 cm。设对照、低氮、中氮和高氮4个处理，2016年施氮水平为：0 (N0)、45 (N45)、135 (N135)和225 kg/hm2(N225)；2017年施氮水平为：0 (N0)、90 (N90)、180 (N180)和270 kg/hm2(N270)；分别在播种前、初花期和盛花期分3次施入氮肥，每次施入量为总量的1/3。除施肥量不同外，其他田间管理一致。

2 结果与分析

2.1 氮素对荞麦主要农艺性状的影响

表1可以看出，施氮对荞麦主要农艺性状影响显著。株高在各处理间表现为中氮>高氮>低氮>对照处理，2016年除N0与N45处理间不显著，其他处理间均表现为显著；2017年N180和N270处理显著高于N0和N90处理。因此，增施氮肥显著增加荞麦的株高。随施氮量的增加，荞麦一级分枝、二级分枝和单株花簇数随施氮量的增加表现出先增加后减少的趋势，2016年随施氮量增加而增加，2017年增加施氮量后N270处理下降。一级分枝数在2016年除N225显著高于N0外，其他处理间均不显著，2017年表现为N180和N270显著高于N0和N90；荞麦二级分枝数2年均表现为中氮和高氮处理显著高于对照与低氮处理，中氮和高氮处理间差异显著；单株花簇数2016年各处理间差异均显著，2017年N180显著高于N0和N90，N270显著高于N0，说明施氮显著增加荞麦单株花簇数。主茎节数2016为N135和N225高于N0和N45；2017年表现为随施氮量增而减少的趋势，N0显著高于N270。两年趋势几乎相反，但用株高与主茎节数的比值计算平均节间长度，则两年趋势一致，都为中氮处理>高氮处理>低氮处理>对照。

表1 不同施氮量对荞麦主要农艺性状的影响Table 1 Effect of different nitrogen application rate on agronomic traits of buckwheat

2.2 施氮水平对荞麦产量及产量性状的影响

从表2可知，施氮可显著提高荞麦的产量。2016年N45、N135和N225处理分别比对照增产9.53%、20.00%和24.50%；2017年N90、N180和N270分别比对照增产27.78%、38.11%和40.00%，除中氮和高氮产量差异不显著，其他处理间荞麦产量差异均显著。2016荞麦的单株粒数随施氮量增加而增加，表现为N225>N135>N45>N0，除N0与N45处理间不显著，其他处理间都有显著差异；2017年单株粒数N180>N270>N90>N0，N180与N0和N90处理间差异显著，N270与N0处理间差异显著。2年千粒重施氮处理均显著高于对照，不同的是2016年各施氮处理间无显著差异，而2017年N180处理的千粒重显著高于对照，但低于N90和N270处理，这可能与2017年N180单株粒数较其他处理高有关。

表2 不同施氮量对荞麦产量及产量性状的影响Table 2 Effect of different nitrogen rates on the yield of buckwheat and agronomic traits

2.3 荞麦叶片SPAD值对氮素的响应

由图1可知，荞麦叶片SPAD值随施氮量的增加先增加后减少。SPAD值在盛花期2年结果一致，表现为中氮处理>低氮处理>高氮处理>对照，低氮和中氮处理差异不显著，其他处理间均有显著差异；成熟期荞麦叶片SPAD值整体低于盛花期，2016年表现为N135处理显著高于其他处理，N45与N225处理间显著高于N0处理，N45与N225处理差异不显著；2017年表现为各施氮处理显著高于对照，N90和N180处理显著高于N270，N90与N180处理间差异不显著。

(a)N0，不施氮；N45，施氮量45 kg/hm2；N135，施氮量135 kg/hm2；N225，施氮量225 kg/hm2。下同。N0, No nitrogen application; N45, Nitrogen application rate，45 kg/hm2; N135, Nitrogen application rate: 135 kg/hm2; N225,Nitrogen application rate: 225 kg/hm2. The same below.(b)N0，不施氮；N90，施氮量90 kg/hm2；N180，施氮量180 kg/hm2；N270，施氮量270 kg/hm2。下同。N0, No nitrogen application; N90, Nitrogen application rate: 90 kg/hm2; N135, Nitrogen application rate: 135 kg/hm2; N225, Nitrogen application rate: 225 kg/hm2. The same below.图1 2016年(a)和2017年(b)不同施氮处理下荞麦主茎第8叶SPAD值Fig.1 SPAD value of the 8th leaf of main stem of buckwheat with different nitrogen treatments in 2016 (a)and 2017(b)

2.4 不同施氮对荞麦干物质积累变化的影响

2.4.1施氮量对荞麦根干物质积累的影响

由图2可知，荞麦根的干物质从苗期到初花期快速积累，初花期到收获前匀速增加，收获前达到最大。荞麦根的干物质总积累量与施氮量成正相关，2016年N45、N135和N225处理分别比对照增加93.1%、108.4%和115.8%。2017年N90、N180和N270处理分别比对照增加了59.8%、89.%和98.4%。2016年各处理苗期荞麦根的干物质积累为N45>N0>N135>N225，初花期为N45>N135>N0>N225，盛花期为N45>N135>N225>N0；2017年苗期为N90>N180>N270>N0，初花期为N180>N270>N90>N0。盛花期为N270>N180>N90>N0。成熟期和收获前两年趋势一致，均表现为N270>N180>N90>N0，表明施氮量增加促进了荞麦根系的生长。

2.4.2施氮量对荞麦茎干物质积累的影响

由图3可知，荞麦茎的干物质积累从苗期到成熟期匀速增加，在成熟期达到最高，收获前小幅下降。各施氮处理荞麦茎的最大干物质积累量显著高于对照，2016年N45、N135和N225分别比N0提高31.9%、50.3%和79.7%，2017年N90、N180和N270分别比N0提高40.6%、92.6%和81.0%。2016年荞麦各处理茎干物质积累量苗期为N45>N0>N1355>N225，初花期为N135>N225>N45>N0，盛花期到成熟期都为N225>N135>N45>N0，2017年荞麦各处理茎干物质积累量苗期为N180>N90>N0>N270，初花期到成熟期为N180>N270>N90>N0，收获前为N270>N180>N90>N0。

图2 2016年(a)和2017年(b)不同氮肥处理下荞麦根干物质积累Fig.2 Buckwheat root dry matter accumulation under different nitrogen treatments in 2016 (a) and 2017 (b)

2.4.3施氮量对荞麦叶干物质积累的影响

由图4可知，各施氮处理荞麦叶的干物质积累曲线与对照不同，各施氮处理均在苗期到盛花期增加，盛花期至收获前下降，在盛花期达到最高；对照在苗期到成熟期增加，成熟期后开始下降，在成熟期达到最大值。荞麦叶的最大干物质积累量与施氮量成正相关，2016年N45、N135和N225分别比N0提高36.1%、67.7%和101.4%；2017年N90、N180和N270分别比N0提高122.2%、164.3%、224.7%。2016年苗期N45>N135>N225>N0，初花期到收获前都为N225>N135>N45>N0；2017年苗期为N90>N180>N270>N0，初花期为N180>N270>N90>N0，盛花期为N270>N180>N90>N0，成熟期为N180>N270>N90>N0，收获前为N270>N180>N90>N0。

2.4.4施氮量对荞麦子粒干物质积累的影响

由图5可知，荞麦籽粒的干物质积累从盛花期开始，在盛花期到成熟期快速积累，这个阶段籽粒的干物质积累占总量的80%～95%，收获前达到最大值。荞麦籽粒的最大干物质积累量与施氮量成正相关。2016年盛花期和两年的成熟期和收获前都表现为N225>N135>N45>N0。而2017年盛花期荞麦种子干物质积累为N180显著高于其他处理，由于此时荞麦籽粒刚刚开始灌浆，N180处理的籽粒数量较多。

图3 2016(a)和2017年(b)不同氮肥处理下荞麦茎干物质积累Fig.3 Buckwheat stems dry matter accumulation under different nitrogen treatments in 2016(a) and 2017 (b)

3 讨 论

适量施氮能提高作物产量，过多或过少施用氮肥会导致氮肥利用率和增产效果降低[22]，本试验中各氮肥处理对荞麦产量均有显著提高，当施氮量为135～180 kg/hm2达到高产，继续增加氮肥产量增加不显著。前人研究认为内蒙古自治区通辽市[15]、日本[23]和宁夏回族自治区固原[24]荞麦高产推荐施氮量分别为30～60、40和120 kg/hm2。本研究得出究荞麦高产施氮量为135～180 kg/hm2，高于内蒙古自治区与日本地区，与同为黄土高原的宁夏回族自治区接近，表明黄土高原地区荞麦种植需要较多的氮肥。本试验中各施氮处理显著增加荞麦千粒重、株高、分枝数和花簇数，与Inamullah等[25]和陈磊庆等[26]的研究结果一致。陈磊庆等[26]研究得出不同施氮量下，各处理千粒重同对照相比均有不同程度的增加，但各处理间差异均不显著，本试验中2017年N180处理荞麦的千粒重高于N0但低于N90和N270处理。这可能是2017年N180处理的单株粒数较其他处理高的原因。施氮提高植株生产的营养物质和籽粒数量，同时每一颗籽粒分配的营养物质减少。在大豆主要农艺性状间的相关性分析，分枝数与百粒重呈极显著负相关[27]。单个花序的种子数量和单株种子数量与种子产量呈正相关，与千粒重相反，过多的结实分散植株对籽粒营养的供应[28]。本试验中2年主茎节数随施氮量的规律不同，但平均节间长度都表现为中氮处理高于其他处理。肥水适宜的条件加快节间生长速度。张卫中等[29]研究认为施肥提高荞麦节间长度；唐超等[16]研究也表明施肥对甜荞麦节间长度有显著影响，且N、P和K肥单因子作用时，节间长度最大观测值都出现在中等肥力水平，随着 N、P和K水平的提高，节间长度均为先增加后减少。而主茎节数两年规律不一致可能是因为荞麦是无限生长植物，植株具有可塑性。随施氮量的增加，荞麦分枝数增加，使得分枝与主茎的生长产生竞争关系。关于氮肥对荞麦主茎节数和节间长度的影响及节数、节间长度和株高的关系还需要进一步研究。

图4 2016年(a)和2017年(b)不同氮肥处理下荞麦叶干物质积累Fig.4 Dry matter accumulation of buckwheat leaves under different nitrogen treatments in 2016 (a) and 2017 (b)

图5 2016 (a)和2017年 (b)不同氮肥处理下荞麦籽粒干物质积累Fig.5 Dry matter accumulation of buckwheat grains under different nitrogen treatments in 2016 (a) and 2017 (b)

N元素是叶绿素的重要组成元素。施氮能提高作物叶片叶绿素含量[30-31]，延缓叶绿素含量降低，延缓叶片衰老[8]；过量氮肥反而使叶大而薄，容易干枯，寿命反而缩短[32]。本试验中低氮和中氮处理显著提高荞麦叶片的SPAD值，而高氮处理下的荞麦叶片SPAD值较低氮和中氮处理显著降低，这与董瑞等[33]在小麦中的研究结果一致。麦类作物的产量主要来自于灌浆期的冠层叶，特别是旗叶[34]。荞麦花序是无限花序，高氮条件下荞麦的分枝多，新的分枝和叶片生长迅速，导致高氮处理荞麦主茎叶片早衰，营养物质转移到新的叶片。因此主茎叶片SPAD与荞麦整体叶片叶绿素含量偏差较大，关于氮肥对荞麦叶绿素含量的影响需近一步研究。

施氮显著提高了荞麦干物质的积累量，以2017年为例N90、N180和N270处理的总干物质积累量分别比对照提高50.54%、65.12%和81.65%。候迷红等[14]关于不同氮肥对荞麦干物质积累量的研究表明，随施氮量的增加，荞麦干物质积累量先增加后减少。本试验中高氮对荞麦各器官最大干物质积累量未表现出明显抑制作用，而在荞麦生长前期，特别是苗期和初花期，荞麦各器官的干物质积累均有随施氮量的增加先增加后减少的趋势，表现出高氮抑制荞麦的干物质积累速率。彭玉等[35]研究认为，缓/控释氮肥相较于尿素全部底施和传统的尿素常规运筹，氮肥偏生产力和农学利用率显著提高。朱宝贵[36]认为氮肥分两次深追相较与氮肥一次深追，玉米氮肥利用率显著提高。严奉君等[37]研究表明小麦秸秆覆盖与基肥∶蘖肥∶穗肥以3∶3∶4的质量比配合的水稻的产量最高，为最优组合。本试验中荞麦籽粒的干物质积累从盛花期开始，主要集中在盛花期到成熟期的20 d左右，占总量的80%～95%。荞麦干物质积累有2个高峰期，一是在出苗40 d前后，一是在出苗60 d以后[38]，即盛花期分枝生长旺盛的时期和成熟期籽粒灌浆高峰期。因此底肥一次施用不利于荞麦对氮的吸收和利用，应注重荞麦生长高峰期氮素的提供。

氮肥显著提高荞麦单株粒数、千粒重及荞麦产量，施氮量在135～180 kg/hm2时达到高产。荞麦一级分枝数、二级分枝数、花簇数及叶片SPAD值均随施氮量呈先增加后降低的趋势。施氮量荞麦干物质积累速率在各个时期的影响不同，最快积累速率所需氮肥量随荞麦的生长而增加。