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聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂对东北春谷农艺性状、产量及氮素利用的影响

发布时间:2022-12-07 08:59:59

摘    要:针对东北春谷区肥料全基施背景下氮肥吸收、同化和利用效率低,流失和浪费严重的问题,2020-2021年在中国农业科学院作物科学研究所公主岭试验站,以张杂谷13号和华优谷9号为材料,设置裂区试验,聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂(polyaspartic acid-chitosan,PAC)处理为主区,氮肥梯度为副区,探究全基施背景下PAC与常规氮肥配施对东北春谷氮素利用的调控效应和增产增效机制。结果表明,相同施氮量水平下,与常规氮肥处理相比,PAC处理后增加两谷子品种株高、茎粗和叶面积指数,改良穗长、穗粗、单穗重和单穗粒重等穗部性状,提高花前和花后植株干物质积累量,提高谷子氮素积累量及氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥表观利用率,最终提高两谷子品种产量。2020年张杂谷13号和华优谷9号增产幅度分别为11.24%~21.55%和5.53%~ 15.75%,2021年增产幅度分别为8.65%~14.22%和10.43%~16.17%。上述调控效应在中、低氮水平(75、112.5、150kg/hm2)下效果更为显著。综上所述,PAC配施氮肥可作为一项增产增效的全基施生产技术应用于我国东北春谷区。


关键词:谷子;聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂;氮肥利用效率;产量;


Effects of Polyaspartic acid-chitosan on Agronomic Trait Yield and Nitrogen Use of

Spring Foxtail Millet

Wang Qi Xu Yanli Yan Peng Dong Haosheng Zhang Wei LuLin

Dong Zhiqiang

Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop

Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs


Abstract:To deal with the problem of low efficiency of nitrogen uptake, assimilation and utilization, and high rate of loss and waste under the background of one-time basic fertilizer application in northeast China, a split plot experiment was conducted using foxtail millet varieties of Zhangzagu 13 (Z13) and Huayougu 9 (H9) in Gongzhuling Experimental Station of Chinese Academy of Agricultural Sciences (43º29'55" N, 124º48'43" E) in 2020 and 2021. Polyaspartic acid-chitosan (PAC) and different nitrogen application levels were main plot and secondary plot, respectively. This experiment was to explore the regulation effect of conventional nitrogen with PAC on nitrogen utilization and the mechanism of yield increase of foxtail millet in northeast China under the background of one-time basic fertilizer application. The results showed that PAC increased height, stem diameter and leaf area index, and improved ear characteristics including ear length, ear diameter, ear weight and kernels weight per ear of two foxtail millet varieties compared with conventional nitrogen treatments under the same nitrogen application level. The dry matter in anthesis and post anthesis were also higher. PAC enhanced plant nitrogen accumulation, partial factor productivity from applied nitrogen, agronomic efficiency of applied nitrogen and recovery efficiency of applied nitrogen, and finally increased the yield of two varieties. The yield of Z13 and H9 increased by 11.24%-21.55% and 5.53%-15.75%, respectively in 2020, and 8.65%-14.22% and 10.43%-16.17%, respectively in 2021. The increase effect of the items above was more significant under the low-middle nitrogen application levels (75, 112.5 and 150kg/ha). In conclusion, PAC combined with nitrogen fertilizer could be an important technique for achieving high grain yield and efficiency under the background of one-time basic fertilizer application in northeast China.


Keyword:Foxtail millet; Polyaspartic acid-chitosan; Nitrogen use efficiency; Yield;


谷子[Setaria italica (L.) Beauv]是我国北方重要的杂粮作物之一,在调整我国种植业结构、发展农业产业和保障粮食安全等方面具有重要意义[1,2,3]。谷子起源于黄河流域,栽培历史可追溯至11000多年前[4,5],具有耐干旱、耐盐碱、耐瘠薄等多种优良特性,食用和药用价值丰富[6,7]。在饮食结构日趋精细化的今天,谷子产业的发展不断迎来新机遇。在谷子生产中,化肥尤其是氮肥的施用在促进植株生长和提高产量上发挥着重要作用[8,9,10]。在农业实践中,为节省劳动成本,农民往往采用一次性基施全部肥料,后期不再追肥的全基施施肥方式(俗称“一炮轰”)。然而,作物在生育前期需氮量较少,多余的氮素易通过氨挥发、硝化作用、淋洗和径流等方式损失,不仅严重浪费农业资源,也会造成水体污染和温室效应等一系列环境问题,并导致作物氮肥利用效率下降[11,12,13,14,15]。因此,在全基施背景下寻找简便高效的提高氮素利用效率的方法具有重要的现实意义。


PAC是由聚天门冬氨酸和壳聚糖复配而成的肥料增效剂。聚天门冬氨酸(polyaspartic acid,PASP)是一种天然水溶性氨基酸聚合物,存在于软体动物和蜗牛类壳内,无毒无污染,可被完全降解为二氧化碳和水[16]。PASP含有肽键及羧基等多种活性基团,具有良好的螯合、吸附、分散等作用。前人研究表明,作为肥料增效剂和缓释剂,PASP与肥料配施可提高氮、磷、钾等多种营养元素的有效性[17,18],促进植株氮素积累,提高氮肥利用效率[19,20],增加叶面积[21],提高干物质积累量和产量[22]等。壳聚糖(chitosan,CTS)是一种甲壳素(Chitin)的衍生物,是自然界中除蛋白质外含氮量最丰富的有机氮源,也是生物界唯一的碱性多糖,绿色安全,可被生物降解,具备较好的吸附性、成膜性、缓释性和抑菌性[23,24,25,26],其本身含有的氨基能与多种营养元素产生螯合作用,从而减缓化学肥料中氮的释放速率,加速土壤中有机氮的矿化,提高养分有效性[27,28,29,30,31]。已有大量试验表明,壳聚糖能够促进植物生长,提高叶绿素含量,增强植株抗逆性能,提高产量和改善品质[32,33,34,35,36,37,38,39,40]。


以往对于谷子氮素利用的研究多集中在确定最佳施氮量[8,10]、氮肥与磷、钾肥及有机肥的最佳配比[41,42]以及改良施肥位置和施肥方式[43,44]上。关于PASP和CTS的研究多以大宗粮食作物和经济作物为对象,且均为各自独立进行。将PASP和CTS复配成为PAC,探究其对谷子氮素利用及产量影响的研究尚未见报道。本试验旨在研究氮肥全基施背景下PAC对东北春谷氮素利用的调控效应及增效机制,以期实现氮素缓释、减损和高效利用的目的,为建立东北春谷增产增效的全基施生产技术提供理论和技术依据。


1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于中国农业科学院作物科学研究所公主岭试验站(124°48′43″ E,43°29′55″ N),土壤类型为黑土,0~20cm土层有机质26.7g/kg、全氮1.4g/kg、速效氮155.3mg/kg、速效磷34.4mg/kg、速效钾184.2mg/kg、pH 5.8。


1.2 试验材料与设计

以张杂谷13号(张家口市农业科学院选育,以下简称Z13)和华优谷9号(中国农业科学院作物科学研究所选育,以下简称H9)为材料,采用裂区试验设计,主区为PAC处理,其中常规氮肥处理简称CN,PAC配施氮肥处理简称PN;副区为氮肥梯度处理,各处理具体施氮量见表1。磷肥和钾肥的施用量分别为P2O5 75kg/hm2和K2O 75kg/hm2,均在播种前全基施,每个处理设3次重复。谷子留苗密度为60万株/hm2,等行距起垄播种,行距为60cm。田间中耕、除草、植保等管理措施与当地大田生产相同。2020年5月6日播种,Z13于9月15日收获,H9于9月23日收获;2021年Z13和H9均为5月14日播种,9月18日收获。


1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及产量构成因素

谷子成熟后,在各小区中部选择3m2长势均匀的植株收获用于测产。谷穗脱粒后自然风干,称重,并折算成公顷产量。


1.3.2 穗部性状

每个小区选取10个均匀一致的穗进行考种,测定其穗长、穗粗、单穗重和单穗粒重。


1.3.3 形态指标

于花期用卷尺测定谷子株高,用游标卡尺测定谷子地上部第二茎节茎粗,采用长宽法测定叶面积,计算公式为:叶面积(展开叶)=长×宽×0.75;叶面积(未展开叶)=长×宽×0.50[45]。


1.3.4 地上部干物质积累量

于花期、收获期在各试验小区选择有代表性的3株植株。其中花期按叶、茎秆+叶鞘、穗分样,收获期按叶、茎秆+叶鞘、穗轴+颖壳、籽粒分样,105℃杀青30min,85℃烘干至恒重,称重后粉碎。花后干物质积累量=收获期干物质积累量-花期干物质积累量。


1.3.5 植株氮素积累量及氮肥利用效率

利用Elementa Vario EL cube型元素分析仪测定植株及籽粒氮素积累量,并计算下列参数:


氮肥偏生产力(Partial factor productivity from applied N,PFP,kg/kg)=施氮区产量/氮肥用量


氮肥农学效率(Agronomic efficiency of applied N,AE,kg/kg)=(施氮区产量-不施氮区产量)/氮肥用量


氮肥表观利用率(Recovery efficiency of applied N,N%)=(施氮区植株地上部氮累积量-不施氮区植株地上部氮累积量)/氮肥用量×100%


1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019整理、计算数据及作图,采用IBM SPSS Statistics 17统计分析,以DUNCAN法及成对法T检验(P<0.05)检验平均数间的差异显著性。


2 结果与分析

2.1 PAC对东北春谷产量及产量构成因素的影响

2020年和2021年的试验结果表明(表2),与不施氮处理相比,施氮处理均显著提高两2个谷子品种产量。随施氮量增加,2个谷子品种产量呈先上升后下降趋势。同一施氮量条件下,与CN相比,PN处理可提高谷子产量。2020年和2021年Z13产量增幅分别为11.24%~21.55%和8.65%~14.22%,H9产量增幅分别为5.53%~15.75%和10.43%~16.17%。产量构成因素分析结果表明,同一施氮量条件下,CN与PN处理间单位面积穗数和千粒重无显著差异。与CN相比,PN处理可显著提高两谷子品种在75、112.5、150及225kg/hm2水平下的穗粒数,2020和2021年Z13穗粒数较CN增幅分别为33.97%~35.09%和8.01%~16.10%,H9穗粒数较CN增幅分别为9.26%~69.20%和18.83%~20.62%。


2.2 PAC对东北春谷穗部性状的影响

如表3所示,相同施氮量下,与CN相比,PN处理可提高两谷子品种的穗长、穗粗、单穗重和单穗粒重。PN处理后,Z13和H9穗长分别在N1~N3和N1~N5水平下较CN有所增加,增幅分别为0.93%~8.29%和2.43%~11.94%,分别在N1、N2和N1~N4水平下差异显著(P<0.05);穗粗分别在N1~N3和N1~N4水平下较CN有所增加,增幅分别为8.20%~11.00%和0.93%~16.69%,分别在N1~N3和N1、N2水平下差异显著(P<0.05);单穗重在5个施氮水平下较CN增幅分别为1.08%~30.69%和0.70%~37.54%,分别在N1、N2、N4和N1、N2水平下差异显著(P<0.05);单穗粒重在5个施氮水平下较CN增幅分别为6.36%~38.60%和6.82%~49.08%,均在N1和N2水平下差异显著(P<0.05)。


2.3 PAC对东北春谷农艺性状的影响

2.3.1 株高与茎粗

如图1和图2所示,相同施氮量下,与CN相比,PN处理可提高各施氮水平下两谷子品种的株高和茎粗。在N1和N2水平下,PN处理后,Z13株高分别较CN显著提高5.89%和8.32%;在N1~N3和N5水平下,PN处理后,Z13茎粗较CN显著提高5.01%~9.90%。在N1~N4水平下,PN处理后H9株高较CN显著提高7.27%~12.76%;在N1~N3水平下,PN处理后H9茎粗较CN显著提高6.08%~6.61%。


2.3.2 叶面积指数

如图3所示,两谷子品种叶面积指数随生育时期推移呈先升高后降低趋势,Z13叶面积指数在花期达到最大,H9叶面积指数在抽穗期达到最大。相同施氮量下,与CN相比,PN处理在苗期、拔节期对两谷子品种叶面积指数的影响不显著,而在抽穗期至收获期,PN处理可提高两谷子品种叶面积指数。在N1和N2水平下,PN处理后Z13抽穗期至收获期叶面积指数分别较CN显著提高19.54%~22.67%和9.05%~18.77%;在N3水平下,Z13抽穗期、花期及收获期叶面积指数较CN显著提高6.78%~9.28%;在N4水平下,Z13抽穗期和收获期叶面积指数分别较CN显著提高7.20%和18.07%;在N5水平下,Z13收获期叶面积指数较CN显著提高14.45%。在N1~N4水平下,PN处理后H9叶面积指数分别较CN显著提高7.97%~37.03%、5.40%~7.92%、6.59%~13.84%和10.17%~14.70%;在N5水平下,H9花后30天和收获期叶面积指数分别较CN显著提高7.39%和14.67%。


2.4 PAC对东北春谷花前及花后干物质积累量的影响

如图4所示,相同施氮量下,与CN相比,PN处理可提高2个谷子品种花前及花后干物质积累量。在N1~N5水平下,PN处理后Z13和H9的花前干物质积累量分别较CN显著提高13.59%~36.04%和7.85%~35.11%。在N1~N4水平下,PN处理后Z13花后干物质积累量较CN显著提高8.25%~36.06%;在N1~N3水平下,H9花后干物质积累量较CN显著提高36.96%~41.54%。


2.5 PAC对东北春谷氮素积累量的影响

如表4所示,随施氮量增加,2个谷子品种地上部植株氮素积累量和籽粒含氮量均呈上升趋势。相同施氮量下,与CN相比,PN处理可提高Z13和H9地上部植株氮素积累量和籽粒含氮量。各施氮量水平下,与CN相比,PN处理后Z13和H9花期地上部植株氮素积累量增幅分别为6.14%~18.68%和8.16%~47.02%,5个氮素水平下差异均显著(P<0.05);Z13和H9收获期地上部总氮素积累量增幅分别为4.93%~20.34%和1.56%~17.69%,均在N1~N4水平下差异显著(P<0.05);Z13和H9籽粒含氮量增幅分别为14.39%~26.54%和7.46%~26.17%,Z13籽粒含氮量在5个氮素水平下差异均显著,H9籽粒含氮量在N1~N3水平下差异显著(P<0.05)。


2.6 PAC对东北春谷氮肥利用特征的影响

如表5所示,随氮素用量增加,两谷子品种氮肥偏生产力和氮肥农学效率均呈下降趋势,氮肥表观利用率总体呈先升高后降低趋势。同一施氮量条件下,与CN相比,PN处理可提高两谷子品种氮肥偏生产力、氮肥农学效率及氮肥表观利用率。PN处理后,Z13和H9的氮肥偏生产力较CN增幅分别为11.24%~21.55%和4.71%~15.75%,在N1~N3水平下差异显著(P<0.05);Z13和H9的氮肥农学效率较CN增幅分别为6.30%~41.44%和17.24%~49.20%,Z13在N2、N4和N5水平下差异显著,H9在N1~N3水平下差异显著(P<0.05)。除N5水平下H9氮肥表观利用率较CN略有下降外,PN处理后Z13和H9的氮肥表观利用率较CN增幅分别为1.81%~39.52%和7.35%~22.92%,均在N1~N4水平下差异显著(P<0.05)。


3 讨论

在人口激增,各项资源面临巨大压力的社会背景下,探究提高作物产量的方法,充分挖掘粮食生产潜力具有重要的现实意义。氮素是作物必需的大量元素之一,对产量的贡献率高达40%~50%[46,47]。在一定范围内,增施氮肥可有效提高作物产量,然而过量施氮不利于植株功能和群体结构的改善,会造成一定程度减产[48]。因此,不能为提高产量而一味增加氮肥用量,而是要寻找提高氮素利用效率的方法,让作物吸收的养分充分转化为有效产量。前人针对全基施施肥方式造成的一系列资源及环境问题提出了很多针对性措施,如施用缓控释肥[49]、氮肥后移[50]、改良播种方式[51]、采用深松旋耕[52]和侧深施肥技术[53]等。这些措施在促进氮肥吸收利用、减少氮素流失等方面均取得了较好的效果,但也存在一定的局限性,如成本过高、操作繁琐、传统习惯难以改变以及依赖配套农机具等等。PASP和CTS均为绿色、安全、可生物降解的天然高分子物质,其配合常规氮肥基施,既能保证操作简便,又能实现环境友好。本试验结果表明,在施氮量相同的条件下,由PASP和CTS复配而成的PAC配施常规氮肥能有效促进东北春谷氮素吸收和积累,提高氮肥偏生产力、氮肥农学效率及氮肥表观利用率,这种提高效应在中、低施氮量(75、112.5及150kg/hm2)下更为显著。有研究[54]表明,PASP配施尿素能减少水稻花前表观氮素盈余量和花后氮素亏缺量,从而减少氮素损失;张文清等[31]试验结果表明,CTS可加快土壤中微生物的生命活动,促进土壤呼吸,提高养分有效性。因此,二者复配后使用可减少土壤中氮素流失,增加被作物吸收的氮量,从而提高了氮肥利用效率。


干物质是作物光合作用的最终产物。干物质积累与产量呈显著正相关,粒重的形成主要取决于花前和花后干物质的积累和转移[55,56]。侯云鹏等[57]研究认为,养分吸收是作物干物质形成的基础,干物质积累速率和养分吸收速率直接相关。本试验结果表明,相同施氮量下PAC处理可显著提高中、低氮水平(75、112.5及150kg/hm2)下2个谷子品种花前及花后地上部干物质积累量,从而为提高经济产量奠定了基础。群体高产的实现离不开健壮的个体,良好的形态指标与谷子高产密切相关。研究[58,59,60]表明,穗长、穗粗、单穗重、单穗粒重、茎粗及叶面积等指标均与谷子产量呈显著正相关。而对于株高这一形态指标结果有所不同,屠环文等[60]认为,株高与谷子产量呈正相关,而李卫明[58]则认为,二者具有负相关关系,因此该问题还有待进一步研究。本试验结果表明,PAC处理能够改善两谷子品种穗长、穗粗、单穗重和单穗粒重等穗部性状及株高、茎粗和叶面积指数等农艺性状,促进植株生长,为产量提高创造了先决条件。


本试验结果表明,2个谷子品种产量随氮素用量增加呈先升高后降低趋势,在较高的氮素用量下产量反而会有所下降,这与前人[9,10]的研究结果一致。氮素的高效利用可以促进产量提高,产量与氮肥偏生产力、氮肥农学效率及氮肥表观利用呈显著或极显著正相关[61]。配施PAC后,2个谷子品种产量显著增加,Z13在2020年和2021年的产量增幅分别为11.24%~21.55%和8.65%~14.22%,H9两年的产量增幅分别为5.53%~15.75%和10.43%~16.17%。单位面积穗数、穗粒数和千粒重是谷子产量构成的三要素。本试验发现,相同施氮量下PAC处理与常规氮肥处理间单位面积穗数和千粒重无显著差异,而穗粒数在中、低氮水平(75、112.5、150及225kg/hm2)下有显著提高,因此,在适宜的施氮量下,配施PAC可通过提高谷子穗粒数提高产量,从而实现了挖掘高产潜力、资源高效利用的目标。


4 结论

相同施氮量下,与常规氮肥相比,聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂配合氮肥全基施可在中、低氮水平(75、112.5及150kg/hm2)下增加张杂谷13号和华优谷9号的花前、花后干物质积累量,改善农艺性状,促进谷子花期及收获期的氮素积累,提高氮肥偏生产力、氮肥农学效率及氮肥表观利用率,最终提高产量。因此,聚天门冬氨酸和壳聚糖复配剂配合氮肥全基施可作为一项增产增效技术在东北春谷区推广。


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