引用本文
陈玲玲, 任伟, 毛培胜, 乌仁图雅, 王胜男, 梁庆伟. 氮素对紫花苜蓿种子产量与氮累积动态变化的影响. 草业学报, 2017,26(6): 98-104
CHEN Ling-Ling, REN Wei, MAO Pei-Sheng, WU Ren-Tu-Ya, WANG Sheng-Nan, LIANG Qing-Wei. Effects of nitrogen application on seed yield and nitrogen accumulation in alfalfa ( Medicago sativa) . Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6): 98-104  
Doi:10.11686/cyxb2016265
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氮素对紫花苜蓿种子产量与氮累积动态变化的影响
陈玲玲1,2, 任伟3, 毛培胜1,*, 乌仁图雅2, 王胜男2, 梁庆伟2
1.中国农业大学草业科学系,草业科学北京市重点实验室,北京 100193
2.赤峰市农牧科学研究院,内蒙古 赤峰 024031
3.吉林省农业科学院畜牧科学分院,吉林 公主岭136100
*通信作者Corresponding author. E-mail: maops@cau.edu.cn

作者简介:陈玲玲(1982-),女,蒙古族,内蒙古赤峰人,在读博士。E-mail: chenlingling001@126.com

收稿日期: 2016-06-27
基金项目:现代牧草产业技术体系(CARS-35)资助
摘要

为研究紫花苜蓿种子生产过程中氮素吸收、分配及利用规律,探索合理的施氮肥措施,通过田间试验研究了不同氮素处理(0,45,90 和135 kg N/hm2)对敖汉苜蓿和公农1号苜蓿氮素累积量、生殖器官氮素累积量及氮素分配率的动态变化以及种子产量、质量及氮素收获指数的影响。结果表明,两个紫花苜蓿品种的种子产量和氮素收获指数都随着施氮量的增加而降低,但是结荚率、单株粒重、千粒重和种子质量却随着施氮量的增加而提高。两个苜蓿品种的氮素累积量及氮素分配率的动态变化表现不一致。根据两个苜蓿品种需氮规律可得出,在返青期一次性施氮肥不能满足紫花苜蓿的需氮规律。其合理的施肥措施是:敖汉苜蓿在现蕾期追施45 kg N/hm2,开花期不施,结荚期补施90 kg N/hm2;公农1号苜蓿在现蕾期不施肥,开花期追施45 kg N/hm2,结荚期补施45 kg N/hm2。研究结果初步确定了赤峰地区苜蓿种子生产田的需氮肥规律及适宜施氮量,为苜蓿种子生产过程中氮肥的合理施用提供了基础数据。

关键词: 氮素; 紫花苜蓿; 种子产量; 氮累积; 动态变化
Effects of nitrogen application on seed yield and nitrogen accumulation in alfalfa ( Medicago sativa)
CHEN Ling-Ling1,2, REN Wei3, MAO Pei-Sheng1,*, WU Ren-Tu-Ya2, WANG Sheng-Nan2, LIANG Qing-Wei2
1.Department of Grassland Science, China Agricultural University, Beijing Key Laboratory of Grassland Science, Beijing 100193, China
2.Chifeng Academy of Agricultural and Animal Sciences, Chifeng 024031, China
3.Animal Science Branch, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Gongzhuling 136100, China
Abstract

To investigate nitrogen (N) uptake, N fertilizer management and N utilization in alfalfa ( Medicago sativa) seed crops a field experiment with four N treatments (0, 45, 90, and 135 kg N/ha) and two alfalfa cultivars, Aohan and Gongnong No.1 was established to compare the effects of N application on seed yield, seed quality, N harvest index and the dynamics of N accumulation and distribution in alfalfa plants. The results showed that the seed yield and N harvest index were decreased while the pod setting rate, seed weight per plant, 1000 seed weight and seed quality of both cultivars were increased with increased N application. The dynamic changes of N accumulation and distribution were influenced by cultivar. The optimum N application rate for Aohan was 45 kg N/ha at the budding stage and 90 kg N/ha at the podding stage whereas the optimum N application rate for Gongnong No.1 was 45 kg N/ha at flowering stage and 45 kg N/ha at podding stage. The initial results confirmed the value of N fertilizer application and the regulation of N fertilizer requirements in alfalfa seed crops in the Chifeng area, and provided useful information for the determination of appropriate N fertilizer use in alfalfa seed crops.

Keyword: nitrogen; alfalfa; seed yield; nitrogen accumulation; nitrogen dynamics

苜蓿(Medicago sativa)种子生产是发展苜蓿产业的一个重要环节。我国苜蓿种植历史悠久, 其栽培面积已达3.77× 106 hm2以上[1, 2], 但苜蓿种子生产田面积仅有57.45万亩[3], 其种子生产技术落后, 缺乏系统的研究, 极大地限制了苜蓿产业化的发展。随着草原生态保护补助奖励机制的全面实施和振兴奶业苜蓿发展行动的启动, 苜蓿种植面积将进一步扩大, 苜蓿种子的需求显著增加, 供应明显趋紧。在我国, 紫花苜蓿种子生产难度大, 苜蓿实际种子产量仅是其理论产量的4%左右[4]。因此科学化管理是提高苜蓿种子产量和质量的重要保障。

氮素是影响种子产量的关键因素, 氮素对于植株分蘖、干物质生产、花序形成、种子产量组分动态变化等均具有影响[5]。但是, 由于对苜蓿种子生产过程中氮素利用规律及氮素吸收来源缺乏深入的研究, 对苜蓿施氮的效果一直存在争议。而要解决这一问题, 必须先了解苜蓿的氮素吸收动态变化及氮素利用效率, 并在此基础上添加外源氮素进行调控。苜蓿与共生固氮菌以及环境之间有密切的互作关系, 生物固氮的存在, 使苜蓿施氮问题更为复杂。

国内外学者关于氮素在紫花苜蓿种子生产中的作用的意见不一致。国外学者认为紫花苜蓿主要依靠生物固氮提供氮素, 认为紫花苜蓿无需施氮肥[6], 因此关于紫花苜蓿需氮肥的研究很少有报道。国内学者认为在紫花苜蓿种子生产过程中, 生长早期不需要氮肥, 进入生殖生长期对氮肥的需要量不断增加, 而此时苜蓿的根瘤菌逐渐老化, 固氮能力显著下降, 氮素供应明显不足, 追施一定量的氮肥可有效提高苜蓿结荚率和种子产量[7, 8]。在国内, 多数苜蓿田的土壤硝态氮、有机质较低, 盐碱较重, 并伴有干旱、低温气候, 从而不利于生物固氮, 因此主要依靠施肥提供氮素。目前, 关于苜蓿种子生产田氮肥施用技术的研究主要集中于施氮量和施氮时间对种子产量的影响[9, 10], 而对于苜蓿种子形成发育过程中氮素累积、氮素利用率及氮素水平与种子生物量之间的关系的研究很少。本研究针对赤峰地区, 选择敖汉苜蓿和公农1号苜蓿, 研究不同氮素水平下紫花苜蓿生长发育及种子形成过程中氮素累积的动态变化以及氮素分配情况, 探索苜蓿氮素吸收、分配、利用规律, 以期为苜蓿种子生产中氮素的合理施用及科学化管理提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法
1.1 试验区基本情况

试验区位于内蒙古赤峰市西郊10 km处, 北纬 42° 17', 东经118° 51', 海拔601 m, 属中温带半干旱大陆性季风气候, 四季分明, 年日照时数2800~3100 h, 年均降水量360~400 mm, 年平均气温7.2 ℃, 无霜期120~145 d, ≥ 10 ℃年积温1800~3000 ℃。试验地地势平坦, 肥力均匀, 光照、通风条件良好, 有机质含量12.02 g/kg, 全氮0.72 g/kg, 碱解氮51.33 mg/kg, 有效磷40.45 mg/kg, 速效钾98.33 mg/kg, 土壤pH 8.37。

1.2 试验材料

供试苜蓿品种为敖汉苜蓿和公农1号苜蓿, 供试肥料为尿素(含N 46.4%)。

1.3 试验设计

试验于2015年在内蒙古赤峰市农牧科学研究院进行。试验材料于2014年6月播种, 小区面积为20.9 m2 (3.8 m× 5.5 m), 播种行距60 cm。试验采用单因素随机区组设计, 设4个氮肥处理, 即0(N0)、45(N45)、90 (N90)和135(N135) kg N/hm2, 4次重复, 于返青期开沟施氮肥。

1.4 测定内容与方法

1.4.1 苜蓿氮素累积量的测定 分别于苜蓿现蕾期、开花期、结荚期选取具有代表性的植株10株, 靠近地表收获, 将茎、叶、花、荚分开后, 于105 ℃杀青1 h, 80 ℃烘干至恒重后称干重。粉碎后用凯氏定氮法测定分器官的氮浓度, 根据分器官的干物重和氮浓度值计算单株氮素累积量, 并换算成每公顷的总氮素累积量[11]。

紫花苜蓿植株地上氮累积量(kg/hm2)=密度(株/hm2)× 单株地上干物重(kg/株)× 氮浓度(%)/100

生殖器官氮素累积量(kg/hm2)=密度(株/hm2)× 生殖器官地上干物重(kg/株)× 生殖器官氮浓度(%)/100

生殖器官氮素分配比率(%)=生殖器官氮素累积量(kg/hm2)/植株氮素累积量(kg/hm2)× 100

氮素收获指数(%)=种子氮素累积量/植株氮素累积量× 100

1.4.2 苜蓿种子产量及产量组分的测定 于开花期每个小区随机选取1 m长的3行, 测定枝条数/m2; 在开花期和结荚期, 随机取健康植株30株, 齐地面剪下, 带回实验室, 测定花序数/枝条、小花数/花序、结荚花序数/枝条、荚果数/花序、种子数/荚果等种子产量构成因子, 之后计算结荚率; 于种子成熟期每个小区选择3个1 m的样段, 测定种子产量, 选择5株测定单株种子重量, 收获种子后测定种子含氮量[6]。

结荚率(%)=每个花序上的平均结荚数/每个花序上的平均小花数× 100%

1.4.3 苜蓿种子质量的测定 参照ISTA种子检验规程(2013)[12]进行发芽试验, 将收获后的种子放入铺有2层滤纸的培养皿中, 每皿放置100粒种子, 设4次重复。5 ℃预处理7 d, 随后放置于光照培养箱中, 在20 ℃恒温、光照8 h/黑暗16 h条件下培养。从第4 天开始初次计数, 逐日统计发芽种苗数, 末次计数为第10天, 最终统计正常种苗数、不正常种苗数、硬实种子数和死种子数并按以下公式计算发芽率和发芽势:

发芽率(%)=(规定的发芽天数内发芽种子数/供试种子总数)

发芽势(%)=(种子发芽数达到高峰时的发芽总数/供测种子总数)

1.5 数据分析

采用Excel软件进行数据处理和作图, SPSS 21.0 统计软件进行方差分析。

2 结果与分析
2.1 氮素对紫花苜蓿氮素累积量动态变化的影响

紫花苜蓿氮素累积量随着生育期的推进呈现迅速增加的趋势(图1), 在结荚期取得最大值, 但在不同氮素处理水平下, 两个紫花苜蓿品种的氮素累积量整体变化趋势不一致。在现蕾期, 敖汉苜蓿氮素累积量随着施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势, 以N45处理为最高, 显著(P< 0.05)高于N135处理组, 与其他两组差异不显著(P> 0.05)。公农1号苜蓿氮素累积量则随着施氮量的增加而降低, 以N0处理为最高, 显著(P< 0.05)高于N45和N135处理组, 与N90处理组差异不显著(P> 0.05); 在开花期, 敖汉苜蓿氮素累积量随着施氮量的增加而降低, 以对照组为最高, 显著(P< 0.05)高于其他3组。公农1号苜蓿氮素累积量随着施氮量的增加呈现先增加后降低再增加的趋势, 以N45和N135处理组为最高, 显著(P< 0.05)高于N0和N90处理组; 在结荚期, 敖汉苜蓿氮素累积量随着施氮量的增加呈现先降低后增加再降低的趋势, 以对照组和N90处理为最高, 显著(P< 0.05)高于N135处理组, 与N45处理差异不显著(P> 0.05)。公农1号苜蓿氮素累积量随着施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势, 以N45处理组为最高, 显著(P< 0.05)高于对照组, 与其他两组间差异不显著(P> 0.05)。

图1 氮素水平对紫花苜蓿植株氮素累积量动态变化的影响Fig.1 Effects of nitrogen application levels on dynamic changes of the nitrogen accumulation amount of alfalfa

2.2 氮素水平对紫花苜蓿生殖器官氮素累积量动态变化的影响

紫花苜蓿生殖器官氮素累积量随着生育进程的推进呈现增加的趋势(图2)。敖汉苜蓿生殖器官氮素积累量在开花期和结荚期随着施氮量的增加而降低, 以对照组为最高, 显著(P< 0.05)高于其他处理组; 公农1号苜蓿生殖器官氮素累积量在开花期随着施氮量的增加呈现先增加后下降再增加的趋势, 以N45处理组为最好, 显著(P< 0.05)高于其他处理组, 在结荚期随着施氮量的增加而降低, 以对照组为最高, 显著(P< 0.05)高于N90和N135处理组, 与N45处理组间差异不显著(P> 0.05)。

图2 氮素水平对紫花苜蓿生殖器官氮素累积量动态变化的影响
不同小写字母表示不同氮素水平下在P< 0.05水平上差异显著, 下同。Fig.2 Effects of nitrogen application levels on dynamic changes of nitrogen accumulation amount in reproductive organs of alfalfa
Different small letters indicate significantly different at P< 0.05 level, the same below.

2.3 氮素水平对紫花苜蓿生殖器官氮素分配比率动态变化的影响

紫花苜蓿生殖器官氮素分配比率随着生育进程的推进呈现增加的趋势(图3)。在开花期, 敖汉苜蓿生殖器官氮素分配比率随着施氮量的增加呈现先降后增的趋势, 以N135处理组为最好, 显著(P< 0.05)高于其他处理组, 公农1号苜蓿生殖器官氮素分配比率随着施氮量的增加呈现先增加后下降的趋势, 以N45处理组为最好, 显著(P< 0.05)高于其他处理组; 在结荚期, 两个苜蓿品种生殖器官氮素分配比率均随着施氮量的增加而下降, 显著(P< 0.05)高于其他处理组。

图3 氮素水平对紫花苜蓿生殖器官氮素分配比率动态变化的影响Fig.3 Effects of nitrogen application levels on dynamic changes of the nitrogen distribution ratio in reproductive organs of alfalfa

2.4 不同氮素水平对紫花苜蓿氮素收获指数的影响

在赤峰地区, 两个苜蓿品种在不同氮素水平下的氮素收获指数变化表现出相同的趋势(图4), 即随着施氮量的增加呈现先降低后增加的趋势, 均以对照组为最高, 显著(P< 0.05)高于其他处理组。敖汉苜蓿的最高氮素收获指数为14.10%, 公农1号苜蓿最高收获指数为17.63%。

图4 氮素水平对紫花苜蓿氮素收获指数的影响Fig.4 Effect of nitrogen application levels on nitrogen harvest index of alfalfa

2.5 氮素对紫花苜蓿种子产量及质量的影响

两个苜蓿品种的实际种子产量随着施氮量的增加而下降, 均以对照组为最高(表1)。敖汉苜蓿对照组实际种子产量显著(P< 0.05)高于其他处理组; 公农1号苜蓿对照组实际种子产量显著(P< 0.05)高于N90和N135处理组, 与N45处理组差异不显著(P> 0.05)。敖汉苜蓿潜在种子产量也随着施氮量的增加而降低, 显著(P< 0.05)高于N45和N135处理组, 与N90处理组差异不显著(P> 0.05); 公农1号苜蓿潜在种子产量随着施氮水平的增加呈现先增加后降低的趋势, 以处理N45为最高, 显著(P< 0.05)高于对照组, 与其他两组差异不显著(P> 0.05)。施氮肥能提高苜蓿单株粒重、千粒重、结荚率和种子质量。敖汉苜蓿单株粒重、结荚率和发芽势以N90处理为最好, N90处理组单株粒重显著(P< 0.05)高于其他处理组, 结荚率显著(P< 0.05)高于N0和N135处理组, 与N45处理组差异不显著(P> 0.05), 各处理间发芽势差异不显著(P> 0.05)。种子千粒重和发芽率以N135处理为最好, 各处理间差异不显著(P> 0.05); 公农1号苜蓿种子单株粒重、千粒重和发芽势以N45处理为最好, 单株粒重显著(P< 0.05)高于其他处理组, 千粒重和发芽势在各处理间差异不显著(P> 0.05)。结荚率以N90处理为最好, 显著(P< 0.05)高于对照组, 与其他处理组间差异不显著(P> 0.05), 发芽率以不施肥处理为最好, 各处理组间差异不显著(P> 0.05)。

表1 氮素水平对紫花苜蓿种子产量及质量的影响 Table 1 Effect of nitrogen application levels on seed yield and quality of alfalfa
3 讨论
3.1 氮素对紫花苜蓿氮累积动态变化的影响

本研究针对赤峰地区播种第二年的紫花苜蓿种子生产田进行了氮肥施用效果的研究, 并对紫花苜蓿氮素累积量、生殖器官氮素累积量及氮素分配状况进行动态监测。从两个苜蓿品种表现看出, 在现蕾期, 敖汉苜蓿N45处理组氮素累积量最高, 说明在现蕾期敖汉苜蓿氮素供应不足, 施加一定量的外源氮素能提高植株氮素累积量, 但超过某一氮素水平, 反而起到抑制作用。而公农1号苜蓿植株氮素累积量以N0处理组最高, 说明在现蕾期公农1号苜蓿氮素供应充足, 施加外源氮素降低了植株氮素累积量, 因此在现蕾期不需要施外源氮素; 在开花期, 敖汉苜蓿氮素累积量和生殖器官氮素累积量均以不施肥组最高, 而公农1号苜蓿则以N45处理组最高。表明, 在开花期敖汉苜蓿氮素供应充足, 不需要添加外源氮素, 公农1号苜蓿需追施45 kg N/hm2为宜; 在结荚期, 敖汉苜蓿氮素累积量以N90处理组最高, 公农1号苜蓿氮素累积量则以N45处理组最高, 而两个苜蓿品种生殖器官氮素累积量均以不施肥组最高, 表明, 前期施加的外源氮素主要向苜蓿营养体集中, 向生殖器官的转移量相对降低, 使生殖生长量降低, 此时苜蓿根瘤固氮作用已不能满足紫花苜蓿后期生长所需的氮素, 最终导致种子产量的下降。因此在结荚期应补施一定量的氮肥。根据苜蓿生殖器官氮素累积量、氮素分配比率以及收获指数可得出, 两个苜蓿品种除对照组外, 均以N135处理表现较好, 所以, 综合考虑各因素, 在结荚期, 敖汉苜蓿应补施90 kg N/hm2为宜, 而公农1号苜蓿则补施45 kg N/hm2为宜。在本研究中两个苜蓿品种的需氮肥规律不一致, 这可能是与品种的生长特性有关。敖汉苜蓿茎秆细, 单位面积内的植株较公农1号多, 因此在现蕾期需氮多; 而公农1号苜蓿植株高大, 茎秆粗, 分枝多, 枝条上的小花数和荚果数较敖汉苜蓿多, 因此, 在开花期需氮肥多。除此以外, 在紫花苜蓿生殖生长时期, 不断有落花落荚现象, 这也会引起两个苜蓿品种需氮肥规律的不一致。

3.2 氮素对紫花苜蓿种子产量与质量的影响

在本研究中, 施氮肥有效地提高了种子千粒重、结荚率和单株粒重。研究表明, 紫花苜蓿种子产量与结荚率、单株粒重和千粒重等正相关[13], 结荚率、单株粒重和千粒重等的提高有利于种子产量的提高[16]。田新会等[17]认为施用47 kg/hm2氮肥可提高苜蓿种子产量和质量, 增产是通过提高种子数和结荚数来实现。李丽等[18]研究表明在干旱地区适时适量施用氮肥能够满足苜蓿生育后期对于氮素的需求, 当施氮量为150 kg/hm2时能有效提高苜蓿种子产量, 种子产量可高达740.36 kg/hm2。因此, 合理的氮肥管理不仅能提高苜蓿种子产量和质量, 而且能减少氮肥损失, 提高氮肥利用率。在本研究中两个苜蓿品种实际种子产量均随着施氮量的增加而降低, 这可能是由于在生育前期集中施用氮肥促进了苜蓿营养生长, 从而导致生育后期生殖器官的氮素亏缺。因此, 在实际种子生产过程中应做到前期控氮, 抑制无效分蘖, 生育后期补施氮肥, 促进生殖生长。除此以外, 本研究中试验地土壤氮含量较高, 因此添加外源氮素, 再加上紫花苜蓿本身具有的根瘤固氮作用, 可能产生拮抗作用, 从而导致种子减产。因此, 在以后的研究中, 应使用氮肥运筹方式, 结合根瘤固氮特性, 进行多年、多点的试验研究, 为紫花苜蓿种子生产田中氮素优化管理提供理论依据和技术支持。

4 结论

综合两个苜蓿品种的表现可得出, 对于赤峰地区紫花苜蓿种子生产田, 在返青期一次性施氮肥是无效施肥。其合理的施肥措施是:敖汉苜蓿在现蕾期追施45 kg N/hm2, 开花期不施, 结荚期补施90 kg N/hm2; 公农1号苜蓿在现蕾期不施肥, 开花期追施45 kg N/hm2, 结荚期补施45 kg N/hm2。

The authors have declared that no competing interests exist.

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