全 文 :作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2015, 41(8): 12691278 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-06-02-03)资助。
* 通信作者(Corresponding author): 焦晓燕, E-mail: xiaoyan_jiao@126.com, Tel: 0351-7133633
第一作者简介联系方式: E-mail: jinsong_wang@126.com, Tel: 0351-7126726
Received(收稿日期): 2015-01-08; Accepted(接受日期): 2015-05-04; Published online(网络出版日期): 2015-06-03.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20150603.0900.001.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2015.01269
粒用高粱养分吸收、产量及品质对氮磷钾营养的响应
王劲松 1 焦晓燕 1,* 丁玉川 1 董二伟 1 白文斌 2 王立革 1 武爱莲 1
1山西省农业科学院农业环境与资源研究所 / 土壤环境与养分资源山西省重点实验室, 山西太原 030031; 2山西省农业科学院高粱研
究所, 山西榆次 030600
摘 要: 基于 2011—2012年在山西省农业科学院东阳农业试验基地的大田定位试验, 2013年在高粱/玉米轮作体系下,
以晋杂 23高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]为试料, 设置 NPK、PK、NK、NP和 CK (不施肥) 5个施肥处理, 每个
处理 3次重复, 采用随机区组排列, 研究土壤养分耗竭条件下氮磷钾肥对粒用高粱生长、养分吸收、产量和品质的影
响。结果表明, 出苗后 76 d, NPK、PK、NK和 NP处理最大叶叶面积分别比 CK增加 18.7%、4.1%、17.9%和 16.6%,
单株总功能叶面积分别比 CK处理增加 54.1%、18.4%、47.4%和 48.2%; 整个生育期施肥处理对叶片生物量有显著影
响。自出苗后 121 d, 各施肥处理对茎干物质累积具有显著影响。NPK、PK、NK和 NP处理籽粒产量分别比 CK增
加了 93.8%、35.5%、91.2%和 78.1%。自出苗后 100 d, CK和 PK处理叶片中的 N含量显著低于 NPK、NK和 NP处
理, 此时 CK 和 NK 处理显著降低了叶片中 P 含量。在收获期, CK 处理显著降低了籽粒中 N 含量。CK、PK 和 NP
处理提高了直链淀粉含量, 而支链淀粉含量下降, 导致直链/支链比值相应增加。施氮肥处理(NPK、NP、NK)的籽粒
蛋白质含量明显高于 CK和 PK处理; NPK处理分别提高了 73.9%和 40.3%。NPK处理籽粒单宁含量比 CK和 PK处
理分别提高 15.6%和 22.7%。研究表明, 不施肥和不施氮肥显著降低了粒用高粱植株生长、干物质积累、籽粒产量、
氮磷养分吸收以及籽粒中支链淀粉、蛋白质和单宁含量, 不施肥和不施氮对高粱的影响明显大于不施磷或不施钾, 平
衡施肥有利于粒用高粱产量的提高和品质的改善。
关键词: 粒用高粱; 氮磷钾养分; 养分吸收; 籽粒产量; 籽粒品质
Response of Nutrient Uptake, Yield and Quality of Grain Sorghum to Nutrition
of Nitrogen, Phosphorus and Potassium
WANG Jin-Song1, JIAO Xiao-Yan1,*, DING Yu-Chuan1, DONG Er-Wei1, BAI Wen-Bin2, WANG Li-Ge1, and
WU Ai-Lian1
1 Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient
Resources of Shanxi Province, Taiyuan 030031, China; 2 Institute of Sorghum, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Yuci 030600, China
Abstract: The field experiment conducted with the fixed plots tested in Dongyang Agricultural Experiment Station of Shanxi
Academy of Agricultural Sciences in 2011 and 2012 was carried out to investigate the effects of nitrogen, phosphorus, potassium
on nutrient uptake, yield and quality of grain sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench] cv. Jinza 23 under the sorghum-maize rota-
tion cropping system in 2013. The experiment included five treatments with fertilizers NPK, PK, NK, NP, and CK (without fer-
tilization) with three replicates in a completely randomized block design. The experimental results showed that at 76 days after
emergence, the sorghum maximum leaf area of NPK, PK, NP, and NK treatments increased by 18.7%, 4.1%, 17.9%, and 16.6%,
respectively; and the total functional leaf area per plant increased by 54.1%, 18.4%, 47.4%, and 48.2% respectively compared
with CK treatment. Fertilization treatment had significant influence on leaf biomass throughout growth period. Since 121 days
after emergence, there were significant effects of different fertilization treatments on the stem biomass. Comparison with CK
treatment, the sorghum grain yield of NPK, PK, NK, and NP treatments increased by 93.8%, 35.5%, 91.2%, and 78.1%, respec-
tively. The N contents of leaves in CK and PK treatments were significantly lower than those of NPK, NK, and NP treatments at
1270 作 物 学 报 第 41卷
100 days after emergence. The P contents in leaves of CK and NK treatments decreased significantly as well. At 149 days after emer-
gence, CK significantly reduced the N content in grains. The treatments of CK, PK, and NP increased the amylose contents in grains,
while decreased the amylopectin content, resulting in an increased amylose/amylopectin ratio accordingly. The protein content in
applying N fertilizer treatments of NPK, NP and NK was significantly higher than those of CK and PK. The grain protein content in
NPK treatment was 73.9% and 40.3%, more than those in CK and PK treatments respectively. The grain tannin content of NPK
treatment was the highest among treatments. The tannin content of NPK treatment increased by 15.6% and 22.7% respectively, com-
pared with those of CK and PK treatments. These results demonstrated that no N application or no fertilization significantly reduces
the growth, dry matte accumulation, grain yield, N and P uptake, and the concentrations of amylase, protein and tannin in grains of
grain sorghum. The effect of no N application or no fertilization on sorghum is significantly greater than those of no P or K
application. Balanced fertilization with N, P and K is beneficial to increase grain yield and improve grain quality of grain sorghum.
Keywords: Grain sorghum; N, P, K nutrition; Nutrient uptake; Grain yield; Grain quality
高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]是仅次于小
麦、水稻、玉米和大麦的世界第五大作物[1], 具有较
高的利用价值, 广泛应用于酿造业[2]、饲料加工业和
生物质能源 [3]等领域。与其他作物比较高粱具有较
强的耐热性、耐旱性 [4-5]、耐涝性、耐瘠薄和耐盐
碱等特点 [6], 在不良生态环境条件下具有较高的
产量 [7]。在全世界范围内高粱通常种植在土壤侵蚀
严重、肥力较低和干旱缺水条件下[8-9], 在我国高粱
已被作为先锋作物在土壤瘠薄、年降雨小于450 mm
的干旱缺水的边际土壤上种植[2,5]。我国是世界上高
粱生产大国之一, 近年来高粱种植面积稳定在73.3
万公顷左右, 年生产高粱270万吨左右。随着我国酿
造业和饲料加工业的快速发展, 对高粱需求急剧增
加 , 为了满足国内高粱需求2013年进口高粱250万
吨。已有研究表明, 粒用高粱氮、磷养分吸收高峰
在抽穗至灌浆期, 而钾的吸收一直延续到成熟期[10],
因此氮、磷、钾养分的吸收利用直接影响作物生长
发育。土壤中的氮、磷、钾养分对玉米当季贡献率
较高 [11], 缺氮高粱叶片呈淡黄色, 光合作用受到抑
制, 光合速率下降, 缺磷会影响高粱生长、根系形态
和体内酶含量[12], 这足以说明土壤养分状况对作物
生长有着举足轻重的作用。迄今为止, 有关土壤氮、
磷、钾养分耗竭对高粱生长、不同部位养分浓度及
品质的影响还未见报道。为了明确土壤氮、磷、钾
养分消耗对高粱综合农艺性状、各器官养分含量的
影响 , 本试验利用连续3年养分消耗后形成的土壤
研究了施用氮、磷、钾对粒用高粱养分吸收、产量
及品质的影响, 旨在理论上明确养分限制条件下高
粱养分吸收状况和土壤减氮、减磷、减钾对高粱生长
的影响程度, 为瘠薄地高粱栽培技术提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验在山西省晋中市榆次区山西省农业科学院
农业试验基地进行。试验土壤类型为潮土, 土壤质
地为黏壤质, 2011年土壤耕层基础养分含量为有机
质 10.64 g kg–1, 全氮 0.69 g kg–1, 有效磷(Olsen-P)
9.48 mg kg–1, 速效 K 140.0 mg kg–1。2011—2013年
进行定位试验, 共设 5 个处理, 即 NPK (N 225 kg
hm–2、P2O5 60 kg hm–2、K2O 60 kg hm–2)、PK (P2O5 60
kg hm–2、K2O 60 kg hm–2)、NK (N 225 kg hm–2、P2O5
60 kg hm–2)、NP (N 225 kg hm–2、P2O5 60 kg hm–2)
和 CK (不施肥)。试验小区面积 67.5 m2, 采用随机区
组排列, 每个处理重复 3次。2011、2012和 2013年
度分别种植高粱、玉米和高粱。2011年和 2012年的
不同施肥措施使各处理土壤养分状况形成一定的差
异(表 1), 为此 2013年研究了连续减氮、减磷和减钾
对高粱生长、养分状况和品质的影响。2013年供试
高粱品种为晋杂 23, 5月 2日播种, 5月 10日出苗, 9
月 27 日成熟, 10 月 7 日收获, 留苗密度 9.7×104株
hm–2。播种前 50%氮肥及磷、钾肥作为底肥一次施
入, 其余 50%的氮肥在高粱拔节期追施。
1.2 测定项目与方法
在出苗后 38 d (拔节期)、54 d (大喇叭口期)、76
d (抽穗期)、100 d (灌浆始期)和 117 d (灌浆中期)调
查了功能叶片数(n=750)、最大叶叶面积(n=750)和功
能叶叶面积(n=750)。从每个小区选 10株, 每个处理
3 个小区, 5 个处理 150 株, 共进行 5 次定位测量。
在出苗后 38 d (拔节期)、54 d (大喇叭口期)、76 d (抽
穗期)、100 d (灌浆始期)、109 d (灌浆前期)、121 d (灌
浆中期)、129 d (灌浆后期)、139 d (成熟期)、149 d (收
获期)采集植株样品。每个小区取 3株合成 1个样品,
每个处理 3个小区, 5个处理取 15个合成样品, 共进
行 9次取样。将植株分为茎(n=135)、叶(n=135)和籽
粒(n=75)在 75℃烘 48 h至恒重称得各部位生物量。
烘干样品粉碎后用于氮 (n=345)、磷 (n=345)、钾
(n=345)养分测定, 用浓 H2SO4 消煮, 全自动凯氏蒸
氮仪测定植株 N含量; 用 1∶3浓 HClO4和浓 HNO3
第 8期 王劲松等: 粒用高粱养分吸收、产量及品质对氮磷钾营养的响应 1271
表 1 2013年试验土壤基本化学性状
Table 1 The chemical properties at experiment soil in 2013
处理
Treatment
有机质
OM
(g kg–1)
全氮
Total N
(g kg–1)
全磷
Total P
(g kg–1)
全钾
Total K
(g kg–1)
硝态氮
NO3
– N
(mg kg–1)
有效磷
Available P
(mg kg–1)
速效钾
Available K
(mg kg–1)
NPK 11.80 0.63 0.93 20.45 21.15 9.37 137.0
PK 11.11 0.62 0.91 20.43 6.53 10.63 143.7
NK 10.16 0.68 0.89 20.19 29.18 8.05 144.0
NP 10.20 0.67 0.90 19.93 23.18 8.58 126.9
CK 10.92 0.63 0.84 20.08 5.51 7.51 135.7
NPK: 施氮磷钾肥; PK: 施磷钾肥; NK: 施氮钾肥; NP: 施氮磷肥; CK: 不施肥。
NPK: application of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer; PK: application of phosphorus and potassium fertilizer; NK: application of
nitrogen and potassium fertilizer; NP: application of nitrogen and phosphorus fertilizer; CK: no fertilizer application; OM: organic matter.
消煮, 钒钼黄法紫外分光光度计测定全 P, 火焰光度
计测定全 K[13]。依据中华人民共和国国家标准 GB/T
15686-2008 (高粱单宁含量测定)[14]、GB 5006-1985
(谷物籽粒粗淀粉测定法)[15]和 GB 7684-87 (水稻、玉
米、谷子籽粒直链淀粉测定法)[16] 测定收获期籽粒
中单宁(n=45)、总淀粉(n=45)和直链淀粉(n=45)含量,
支链淀粉为总粗淀粉与直链淀粉的差值。从每个小
区取 10个穗样合成 1个籽粒样品, 每个处理 3个小
区, 5个处理共取 45个籽粒样品。
从每个小区取耕层3个土壤样品, 每个处理3个
小区, 5个处理共取45个土壤样品。将土壤样品在室
内自然风干, 过1 mm筛装瓶备用。用重铬酸钾-硫酸
外加热法测定土壤有机质; 用浓硫酸消煮, 全自动
凯氏蒸氮仪测定全氮; 用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色
法测定全磷; 用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定全钾;
用氯化钾浸提氨基苯磺酸比色法测定硝态氮 ; 用
0.5 mol L–1碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定有效磷;
用1 mol L–1醋酸铵浸提火焰光度法测定速效钾[13]。
1.3 数据处理与计算公式
采用 Minitab 15 软件统计分析数据 , 采用
Tukey’s 多重比较分析不同处理间的差异显著性
(P0.05); 用 Microsoft Excel 作图。单叶叶面积 =
叶片最大长度×最大宽度×0.65, 功能叶片数是指调
查时总持绿叶片, 功能叶面积是指单株持绿叶叶面
积总和。氮(磷、钾)养分分配率(%) = 氮(磷、钾)养
分籽粒吸收量/氮(磷、钾)养分植株总吸收量×100。
2 结果与分析
2.1 氮磷钾营养对高粱叶片特征、不同部位生物
量和产量的影响
施肥处理对高粱的功能叶片数和最大叶叶面积
影响见表 2, 二者最大值均出现在 76 d; 施肥处理对
功能叶片数和最大叶叶面积有显著影响 (P<0.05),
CK处理叶片数最少, 平均为 11.1片, NP处理叶片数
最高, 平均为 13.3片; 就最大叶叶面积而言, NPK处
理最大, 平均 770.7 cm2, 比 CK和 PK处理分别增加
了 18.7%和 9.9%; 与最大叶叶面积出现的时期一致,
单株总功能叶面积亦出现在 76 d; 不同施肥处理显
著影响了单株总功能叶面积(P<0.05), NPK、NK 和
NP处理显著高于 CK和 PK处理, NPK处理的总功
能叶面积分别比CK和 PK处理增加 54.1%和 30.2%。
说明不施氮肥和不施肥处理会显著减少高粱功能叶
片数、最大叶叶面积和单株总光合叶面积, 而不施
磷肥或钾肥处理几乎没有显著影响。
从图 1 可以看出施肥处理对高粱各部位干物质
累积均有不同程度的影响。在整个生育期连续 3 年
不施肥处理(CK)高粱叶片的生物量最低, 其次为 PK
处理; 与 NPK和 NP处理比较, NK处理在灌浆初期
降低了叶片的生物量, 而之前没有显著影响; 出苗
后 121 d 施肥处理对茎干物质累积具有显著影响
(P0.05), CK最低, 其次为 PK, NK、NP和 NPK处
理; 施肥处理对灌浆期高粱籽粒的生物量亦有显著
影响, 从出苗后的 109 d至收获, 与 NPK、NK和 NP
处理比较, PK 和 CK 处理显著降低了籽粒的生物量
(P0.05)。
从图 2 可以看出, CK 处理的高粱产量最低, 分
别比 NPK、PK、NK、NP处理减产 48.4%、26.2%、
47.7%和 43.9%; PK处理的产量分别比 NPK、NK和
NP 处理下降 30.1%、29.1%和 23.9%。不同施肥处
理对高粱千粒重没有显著影响, 但 CK 处理的千粒
重最低, 比 NPK处理减少 16.8%; CK和 PK处理比
NPK 处理显著降低了高粱的单穗籽粒重(P0.05)。
说明连续 3 年不施氮肥会明显降低高粱产量, 不施
钾肥影响次之, 不施磷肥对产量影响最小。
1272 作 物 学 报 第 41卷
表 2 不同施肥处理对高粱功能叶片数、最大叶叶面积和总功能叶面积的影响
Table 2 Effect of different fertilization treatments on number of photo synthetically active leaves, area of largest leaf, and area of
photo synthetically active leaves of sorghum
出苗后天数 Days after emergence (d) 生长指标
Growth index
处理
Treatment 38 53 76 98 117
NPK 5.9±0.62 a 7.9±1.4 a 12.9±2.4 ab 11.3±1.1 ab 7.2±1.1 a
PK 5.3±0.90 b 6.3±0.9 b 12.0±1.8 bc 10.5±1.6 b 8.1±1.6 a
NK 5.5±0.74 ab 7.8±0.8 a 12.9±1.0 ab 11.5±1.3 a 7.1±1.1 a
NP 5.9±0.46 a 7.9±1.1 a 13.3±1.5 a 11.3±1.4 ab 7.5±1.4 a
单株功能叶片数
Number of functional
leaf (leaves plant–1)
CK 5.7±0.82 ab 6.1±0.9 b 11.1±2.4 c 9.3±1.2 c 7.2±2.1 a
NPK 339.9±40.3 a 775.8±92.2 a 770.7±97.7 a 756.3±65.0 a 739.1±67.3 a
PK 281.6±32.0 b 670.3±97.5 b 701.4±97.0 b 668.3±99.1 b 695.6±95.1 a
NK 298.4±52.5 b 753.7±60.0 a 765.7±54.0 a 764.6±60.1 a 747.6±65.4 a
NP 305.1±62.9 ab 748.1±44.0 a 757.2±48.5 a 741.3±37.5 a 725.4±45.5 a
单株最大叶叶面积
Area of largest leaf
(cm2 plant–1)
CK 301.1±47.6 b 590.6±96.5 c 649.2±80.6 b 619.7±69.1 b 595.3±90.7 b
NPK 940.7±141.6 a 3378.6±163.0 a 7365.1±1290 a 6544.1±950 a 4160.1±76.7 a
PK 813.0±101.8 b 2341.3±101.8 b 5656.6±1216 b 5089.3±1403 b 3937.3±1307 a
NK 829.1±169.8 b 3183.2±169.8 ab 7041.8±780 a 6659.8±1157 a 3895.5±817 a
NP 839.0±198.5 ab 3466.9±198.5 a 7081.9±1201 a 6222.1±600 a 4153.1±785 a
单株总功能叶面积
Area of total functional
leaves (cm2 plant–1)
CK 803.1±126.9 b 1947.8±126.9 c 4778.9±1088 c 4073.2±974 c 3069.5±1462 b
缩写同表 1。同列不同字母表示不同处理在 0.05水平上差异显著。
Abbreviations are the same as given those in Table 1. Values followed by different letters within the same column are significantly
different at the 0.05 probability level among treatments.
图 1 不同施肥处理对高粱生育期叶片、茎和籽粒干物质积累的影响
Fig. 1 Effect of different fertilization treatments on leaf, stem, and grain biomass of sorghum
缩写同表 1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.
图 2 不同施肥处理对高粱籽粒产量、千粒重和单穗重的影响
Fig. 2 Effect of different fertilization treatments on average grain yield, 1000-grain weight, and grain weight per panicle of sorghum
缩写同表 1。不同小字母表示不同处理间差异达到 0.05显著水平。
Abbreviations are the same as those given in Table 1. The vertical bars with the different small letters mean significant difference among
treatments at the 0.05 probability level.
第 8期 王劲松等: 粒用高粱养分吸收、产量及品质对氮磷钾营养的响应 1273
2.2 氮磷钾营养对高粱各器官养分含量的影响
随出苗后时间的延长, 叶片中 N、P、K含量相
应下降(表 3)。在整个生育期施肥对叶片中 N含量有
显著的影响(P0.05), 从出苗到出苗后 139 d, CK处
理叶片中的 N 含量显著低于 NPK、NK 和 NP 处理
(P0.05), 分别下降 41.8%、37.4%和 40.6%, PK处理
叶片中的 N 含量显著低于 NPK、NK 和 NP 处理
(P0.05), 分别下降 33.2%、28.0%和31.8%, 而 NPK、
NK 和 NP 施肥处理叶片中 N 含量没有显著差别
(P0.05); 在生育期进程中, PK 施肥处理叶片中 N
含量较 CK 处理下降缓慢, 在收获期与 NPK 比较,
仅 CK 显著降低了叶片 N 含量, 而其他处理叶片 N
含量没有显著差异(表 3)。出苗后 38 d NK处理显著
降低了叶片中 P含量(P0.05), 此后各处理对叶片中
P含量没有影响; 从表 3可以看出, 除在 76、100和
121 d NP处理叶片 K含量显著低于 PK处理外, 在
76、121和 139 d中, CK处理叶片 K含量显著低于
PK 处理 , 各处理对叶片中 K 含量没有显著影响
(P0.05)。以上结果说明随着出苗后时间的延长, 不
同处理高粱叶片氮、磷和钾含量相应下降。不同处
理对叶片氮、磷和钾含量均有显著影响, 其中对氮
含量影响较为明显。
从表 4 看出, 在整个生育期 CK 处理茎中 N 含
量显著低于 NPK、NP和 NK (P0.05)。在出苗 129 d
之前, PK处理茎中 N含量也明显低于 NPK、NP和
NK处理(P0.05)。但出苗 149 d后, NPK、PK、NK
和 NP 处理对茎中 N 含量没有显著差异(P0.05)。
除收获期(149 d)外, 不施 N肥的 CK和 PK处理茎中
N 含量没有显著差异(P0.05)。除在 54、100、109
和 149 d外, 各施肥处理对茎中 P含量没有显著影响
(P0.05), 从整个生育期来看, NK处理茎中 P含量较
低, 而 CK和 PK处理茎中 P含量较高; 除在 54、109
和 121 d 外, 各施肥处理茎中 K 含量没有显著差异
(P0.05), NP处理茎中 K含量最低。以上结果说明,
不施氮处理(CK 和 PK)茎中的氮含量明显下降; 不
施磷处理(NK)茎中 P 含量较低, 而不施磷处理(CK)
茎中 P 含量较高; 不施钾处理(CK 和 NP)茎中的 K
含量没有明显下降。
从表 5看出, CK和 PK 处理显著地降低了籽粒
中 N 含量(P<0.05), 其余处理对灌浆过程中籽粒 N
含量没有影响(P0.05)。籽粒中 P含量随灌浆进程而
增加, 除在 129 d外, 各处理对籽粒中 P含量没有显
表 3 不同施肥处理对高粱叶 N、P和 K含量的影响
Table 3 Effect of different fertilization treatments on the contents of N, P, and K in leaves of sorghum (g kg–1)
出苗后天数 Days after emergence (d) 养分
Nutrient
处理
Treatment 38 54 76 100 109 121 129 139 149
NPK 29.6±2.5 a 26.6±0.2 a 22.9±2.8 a 19.7±2.1 a 15.2±1.1 a 15.9±0.4 a 14.5±2.4 a 16.1±1.5 a 16.2±2.6 a
PK 20.1± 0.5 b 13.8±0.5 c 13.6±2.1 b 13.9±2.9 b 10.5±4.3 b 10.6±3.1 b 9.8±1.0 b 12.4±3.0 b 13.2±1.5 a
NK 27.2±2.0 a 24.6±0.2 b 21.6±1.1 a 18.1±0.7 a 15.5±0.8 a 12.8±0.3 ab 13.6±2.2 a 16.2±1.0 a 14.4±1.0 a
NP 30.7±1.6 a 23.8±0.1 b 22.1±0.7 a 18.5±0.2 a 16.3±1.4 a 16.2±0.5 a 13.9±0.9 a 17.0±1.3 a 13.9±1.3 a
N
CK 18.7±2.5 b 14.9±2.2 c 12.4±1.9 b 8.4±0.5 c 7.9±1.0 b 12.0±3.2 b 8.9±3.2 b 9.3±1.9 b 9.9±1.9 b
NPK 3.4±0.1 a 2.9±0.1 a 2.7±0.3 ab 2.1±0.3 a 1.9±0.3 a 1.8±0.1 a 1.7±0.1 a 1.4±0.3 a 1.3±0.1 ab
PK 3.4±0.1 a 2.7±0.1 a 2.2±0.3 ab 2.1±0.4 a 2.1±0.1 ab 1.6±0.5 a 1.4±0.5 a 1.4±0.3 a 1.5±0.2 ab
NK 2.8±0.2 b 2.8±0.4 a 2.5±0.3 ab 1.8±0.3 a 1.9±0.1 ab 1.4±0.3 a 1.3±0.3 a 1.4±0.3 a 1.4±0.3 ab
NP 3.4±0.4 a 3.2±0.2 a 2.8±0.4 a 2.0±0.3 a 2.0±0.2 ab 1.7±0.2 a 1.6±0.2 a 1.6±0.1 a 1.2±0.3 b
P
CK 3.3±0.1 a 2.8±0.2 a 2.2±0.1 b 1.8±0.2 a 2.1±0.3 b 1.4±0.3 a 1.2±0.3 a 1.5±0.6 a 1.7±0.1 a
NPK 28.1±2.8 a 24.6±5.2 a 13.0±2.0 ab 14.6±2.3 ab 9.5±1.2 a 8.4±2.8 ab 6.1±0.1 a 5.7±0.4 a 8.4±1.3 a
PK 29.4±4.0 a 26.1±1.2 a 15.6±0.8 a 15.7±1.1 a 11.2±1.9 a 9.4±2.2 a 5.5±1.1 a 5.8±0.9 a 8.5±0.7 a
NK 26.6±2.4 a 22.9±3.1 a 13.5±1.0 ab 12.3±4.4 ab 9.3±2.4 a 6.0±0.6 b 4.8±1.0 a 5.3±0.3 ab 7.3±2.1 a
NP 24.4±2.9 a 19.9±3.6 a 11.4±2.4 b 10.4±3.9 b 7.7±2.5 a 7.0±0.4 b 5.2±1.0 a 5.3±0.8 ab 6.9±1.6 a
K
CK 26.6±2.1 a 23.0±4.3 a 11.5±1.1 b 13.8±0.4 ab 10.0±1.5 a 6.1±0.3 b 5.0±0.3 a 4.5±0.7 b 7.6±0.6 a
缩写同表 1。同列不同字母表示不同处理在 0.05水平上差异显著。
Abbreviations are the same as those given in Table 1. Values followed by different letters within the same column are significantly
different at the 0.05 probability level among treatments.
1274 作 物 学 报 第 41卷
表 4 不同施肥处理对高粱茎 N、P和 K含量的影响
Table 4 Effect of different fertilization treatments on the contents of N, P, and K in stem of sorghum (g kg–1)
出苗后天数 Days after emergence (d) 养分
Nutrient
处理
Treatment 38 54 76 100 109 121 129 139 149
NPK 24.3±2.1 a 15.9±2.3 a 9.4±1.8 a 4.5±0.8 a 4.6±0.2 a 4.5±0.2 a 4.0±0.5 a 5.3±0.2 a 5.1±1.3 a
PK 12.0±1.0 b 5.6±1.3 c 4.4±1.0 b 2.6±0.4 b 2.6±0.6 b 3.1±1.0 b 2.8±0.6 b 3.8±0.3 b 4.7±0.3 a
NK 25.4±1.2 a 12.9±1.3 b 12.0±2.9 a 4.2±0.5 a 4.3±0.4 a 4.5±0.6 a 4.3±0.5 a 3.7±0.3 b 4.7±0.7 a
NP 25.0±1.5 a 14.6±1.2 a 9.5±1.7 a 4.3±0.4 a 4.5±0.2 a 4.9±0.3 a 4.4±0.4 a 5.1±0.5 a 5.0±0.7 a
N
CK 10.7±2.1 b 5.7±0.8 c 3.6±0.4 b 2.2±0.7 b 2.0±0.3 b 3.2±0.4 b 2.7±0.6 b 3.8±0.1 b 3.0±0.2 b
NPK 3.3±0.3 a 1.6±0.2 ab 1.7±0.2 a 0.7±0.4 b 0.5±0.1 b 0.7±0.2 a 0.7±0.1 a 0.6±0.2 a 0.7±0.2 b
PK 3.8±0.2 a 1.9±0.3 a 1.8±0.1 a 1.0±0.3 ab 1.3±0.9 a 0.5±0.1 a 0.8±0.5 a 0.6±0.3 a 1.0±0.2 ab
NK 3.1±0.5 a 1.3±0.1 b 1.5±0.3 a 0.5±0.3 b 0.6±0.1 b 0.5±0.1 a 0.6±0.4 a 0.8±0.6 a 0.7±0.1 b
NP 3.4±0.2 a 1.5±0.2 b 1.8±0.2 a 0.5±0.1 b 0.7±0.1 b 0.6±0.1 a 0.6±0.1 a 0.7±0.2 a 0.8±0.1 b
P
CK 3.6±0.4 a 2.0±0.4 a 1.7±0.1 a 1.3±0.1 a 1.4±0.2 a 0.5±0.1 a 0.5±0.1 a 0.5±0.1 a 1.1±0.1 a
NPK 38.0±4.8 a 29.6±5.7 ab 25.0±7.2 a 22.9±3.1 a 28.0±2.0 a 27.6±2.4 a 25.6±5.0 a 23.1±7.4 a 18.9±4.1 a
PK 37.4±2.9 a 30.2±2.8 a 25.3±4.6 a 22.4±3.6 a 23.9±1.5 b 25.5±0.5 ab 23.0±1.3 a 19.0±2.8 a 17.6±2.6 a
NK 41.5±1.8 a 26.3±5.7 ab 19.3±4.2 a 24.0±2.7 a 27.2±2.7 a 26.3±4.8 ab 22.5±3.5 a 15.9±2.6 a 20.2±1.2 a
NP 38.1±4.5 a 20.4±8.0 b 17.2±0.6 a 22.2±3.9 a 26.9±2.0 a 21.1±1.8 b 20.3±4.1 a 15.1±4.1 a 16.5±3.0 a
K
CK 36.2±1.0 a 26.8±2.7 ab 20.5±3.2 a 24.1±1.2 a 20.9±3.5b 24.9±4.1 ab 23.5±2.8 a 22.9±6.0 a 20.3±2.8 a
缩写同表 1。同列不同字母表示不同处理在 0.05水平上差异显著。
Abbreviations are the same as those given in Table 1. Values followed by different letters within the same column are significantly
different at the 0.05 probability level among treatments.
表 5 不同施肥处理对高粱籽粒 N、P和 K含量的影响
Table 5 Effect of different fertilization treatments on the contents of N, P, and K in grains of sorghum (g kg–1)
出苗后天数 Days after emergence (d) 养分
Nutrient
处理
Treatment 100 109 121 129 139 149
NPK 13.7±1.1 ab 13.5±0.4 ab 14.4±1.1 a 14.6±1.0 a 15.4±0.8 a 16.1±1.8 a
PK 12.4±0.2 ab 10.8±3.3 b 11.4±1.8 b 12.2±2.2 b 12.5±1.7 bc 11.5±0.3 b
NK 13.9±1.6 a 13.7±0.8 ab 13.7±0.7 ab 13.7±1.0 b 14.4±0.8 ab 14.9±1.7 a
NP 14.4±1.5 a 14.3±1.3 a 14.8±0.4 a 14.2±0.1 ab 14.7±1.0 ab 15.4±2.0 a
N
CK 11.5±1.3 b 10.9±0.1 b 11.8±1.5 b 12.2±1.4 b 12.0±1.7 c 9.3±0.4 b
NPK 3.1±0.1 a 3.2±0.2 a 3.0±0.5 a 3.3±0.2 a 3.8±0.3 a 3.4±0.4 a
PK 2.9±0.5 a 3.0±0.3 a 2.8±0.2 a 2.9±0.1 b 3.1±0.2 a 2.9±0.3 a
NK 2.8±0.4 a 2.9±0.5 a 3.1±0.4 a 2.9±0.2 b 3.3±0.4 a 3.2±0.1 a
NP 3.1±0.1 a 2.7±0.2 a 2.8±0.2 a 2.8±0.2 b 3.0±0.1 a 2.9±0.1 a
P
CK 3.0±0.2 a 3.0±0.4 a 2.7±0.3 a 3.1±0.2 b 3.3±0.6 a 3.1±0.3 a
NPK 3.4±0.1 a 3.4±1.0 a 3.1±0.5 ab 2.9±0.2 a 3.0±0.3 a 2.6±0.4 a
PK 3.6±0.4 a 3.2±0.3 a 3.3±0.4 a 3.0±0.1 a 3.1±0.2 a 2.6±0.3 a
NK 3.6±0.5 a 3.2±0.7 a 2.9±0.1 ab 3.1±0.2 a 3.0±0.3 a 2.5±0.2 a
NP 3.3±0.3 a 2.8±0.4 a 2.7±0.1 b 3.1±0.2 a 2.8±0.3 a 2.4±0.1a
K
CK 3.7±0.3 a 2.9±0.5 a 2.7±0.1 b 3.0±0.1 a 3.0±0.1 a 2.6±0.2 a
缩写同表 1。同列不同字母表示不同处理在 0.05水平上差异显著。
Abbreviations are the same as those given in Table 1. Values followed by different letters within the same column are significantly
different at the 0.05 probability level among treatments.
第 8期 王劲松等: 粒用高粱养分吸收、产量及品质对氮磷钾营养的响应 1275
著影响(P0.05)。籽粒中 K 含量随灌浆进程而降低,
NP处理略降低了籽粒中 K含量, 除在 121 d外, 各
处理对籽粒中 K 含量没有显著影响(P0.05)。总体
来看, 在高粱灌浆期, 不施氮磷钾明显降低了籽粒
中 N含量, 而对籽粒中 P和 K含量没有显著影响。
2.3 氮磷钾营养对各器官养分分配的影响
不同施肥处理对高粱收获时的养分累积具有显
著影响(表 6), NPK处理总 N素累积量、营养体内 N
素累积量及籽粒 N 素累积量均最高, 分别比 CK 处
理增加 198.1%、139.5%和 237.6%, 比 PK处理增加
42.3%、42.7%和 51.4%, 不同处理对 N 素在籽粒和
秸秆中的分配没有影响(表 6)。对整株 P的累积量表
现为 NPK处理最高, 其次为 NK、NP、PK和 CK处
理, CK和 PK处理的 P总累积量显著低于 NPK处理,
分别减少 44.6%和 31.8%; 各处理对营养体内 P累积
量没有显著影响(P0.05), 但对籽粒中 P含量具有显
著影响(P0.05), NPK处理最高, CK和 PK处理分别
比 NPK 处理减少 52.7%和 40.1%。NPK、PK、NK
和 NP 处理对整株和营养体内 K 累积量没有显著差
异, 但 CK 处理显著降低了整株和营养体内 K 累积
量(P0.05), 比 NPK处理下降 40.6%; CK和 PK处理
显著降低了籽粒中 K 的含量(P0.05), 分别比 NPK
处理下降 48.5%和 32.1%; 不同处理对K在营养体和
籽粒中的分配没有影响。
2.4 氮磷钾营养对高粱籽粒品质的影响
从表 7 可以看出, 施肥对高粱籽粒总淀粉含量
没有显著的影响, 但影响了淀粉的组成比例和组成,
对直连淀粉比例有显著影响(P<0.05), 表现为 CK>
表 6 不同施肥处理对高粱 NPK养分积累的影响
Table 6 Effects of different fertilization treatments on the accumulation of NPK nutrients
施肥处理 Fertilization treatment NPK养分积累量
Accumulation of NPK nutrients NPK PK NK NP CK
N总累积量 Total N accumulation (kg hm–2) 312.4 29.9 a 210.432.5 ab 288.920.0 a 284.530.6 a 104.810.0 b
营养体 N累积量 N accumulation in vegetation (kg hm–2) 101.312.4 a 71.05.2 ab 96.87.0 ab 99.714.3 ab 42.33.3 b
籽粒 N累积量 N accumulation in grains (kg hm–2) 211.115.2 a 139.425.8 ab 192.114.7 ab 184.814.7 ab 62.57.9 b
籽粒 N养分分配率 Distribution rate of grain N nutrient (%) 67.81.2 a 66.25.9 a 66.51.5 a 65.01.3 a 59.72.8 a
P总累积量 Total N accumulation (kg hm–2) 57.2 1.7a 39.00.7 b 53.71.7 a 47.12.7 ab 31.74.2 b
营养体 P累积量 N accumulation in vegetation (kg hm–2) 12.61.6 a 12.31.0 a 12.10.6 a 11.81.9 a 10.60.7 a
籽粒 P累积量 P accumulation in grains (kg hm–2) 44.62.6 a 26.71.7 c 41.61.2 ab 35.31.8 b 21.13.1 c
籽粒 P养分分配率 Distribution rate of grain P nutrient (%) 77.92.9 a 68.43.2 b 77.51.4 a 74.93.1 a 66.61.1 b
K总累积量 Total K accumulation (kg hm–2) 257.510.6 a 187.219.4 ab 249.11.8 ab 205.534.5 ab 152.921.7 b
营养体 K累积量 K accumulation in vegetation (kg hm–2) 223.58.8 a 164.118.6 ab 216.71.3 ab 176.434.2 ab 135.420.0 b
籽粒 K累积量 K accumulation in grains (kg hm–2) 34.02.7 a 23.11.0 b 32.40.6 a 29.12.5 ab 17.51.8 b
籽粒 K养分分配率 Distribution rate of grain K nutrient (%) 13.20.7 a 12.30.9 a 13.00.1 a 14.22.2 a 11.40.5 a
缩写同表 1。同行不同字母表示不同处理在 0.05水平上差异显著。
Abbreviations are the same as those given in Table 1. Values followed by different letters within the same horizontal column are sig-
nificantly different at the 0.05 probability level among treatments.
表 7 不同施肥处理对高粱籽粒品质的影响
Table 7 Effects of different fertilization on grain quality of sorghum
淀粉组成 Starch components 施肥处理
Fertilization
Treatment
总淀粉含量
Total starch
(%)
直链淀粉
Amylose (%)
支链淀粉
Amylopectin (%)
直链/支链比值
Amylose/amylopectin
蛋白质含量
Protein
(g kg–1)
单宁含量
Tannic
(g kg–1)
NPK 66.281.96 a 19.752.06 b 80.252.06 a 0.22 100.836.59 a 13.670.79 a
PK 66.422.89 a 22.371.27 a 77.631.27 a 0.29 71.681.02 b 11.140.31 b
NK 66.422.50 a 17.691.71 b 82.311.71 a 0.21 93.056.08 a 11.640.29 ab
NP 66.680.78 a 22.512.24 a 77.492.24 a 0.29 96.337.18 a 12.600.06 ab
CK 71.880.61 a 23.292.23 a 76.712.23 a 0.30 57.991.32 b 11.830.50 ab
缩写同表 1。同列不同字母表示不同处理在 0.05水平上差异显著。
Abbreviations are the same as those given in Table 1. Values followed by different letters within the same column are significantly
different at the 0.05 probability level among treatments.
1276 作 物 学 报 第 41卷
NP >PK >NPK> NK。施肥显著影响了高粱籽粒蛋白
质含量(P<0.05), NPK处理籽粒蛋白质含量最高, 比
CK和 PK处理分别提高了 42.4%和 28.9%, 说明不施
氮肥明显减少高粱籽粒蛋白质含量。施肥对高粱籽粒
丹宁含量有明显的影响(P<0.05), NPK 处理籽粒丹宁
含量最高, 比CK和 PK处理分别提高 13.5%和 18.5%。
3 讨论
3.1 氮磷钾营养与高粱生长和产量
土壤瘠薄和养分失衡是限制作物生长的重要因
素 , 连续3年不施肥造成土壤养分部分枯竭并对高
粱生长和产量产生不良影响, 不施肥和不施氮对高
粱的影响最为明显, 并在拔节期就非常显现, 表现
在功能叶片数、叶面积和叶片生物量均较低(表2和
图1); 不施磷对功能叶片数和叶面积没有影响 , 但
在灌浆期后稍降低叶片生物量, 不施钾肥几乎对高
粱各部位干物质累积没有影响。作物的最大叶叶面
积在达到最大时一般会保持稳定, 但本试验结果(表
2)的 CK 处理在达到最大叶面积后表现出下降趋势,
但最后3次测定值没有显著差异 , 这可能与测定时
产生的误差有关, 有待进一步试验验证。
通常用缺某元素时产量与全肥时的产量百分数
表示土壤养分自然供给能力[17], 本试验土壤养分耗
竭 3 年后土壤氮、磷和钾的土壤养分供给能力分别
为 69.9%, 98.7%和 91.9%, 说明土壤氮、磷和钾供给
能力分别下降了 30.1%、1.3%和 8.1%, 其中氮素的
亏缺表现突出, 为此氮素补充对高粱生产具有重要
的意义。与不施氮磷钾处理比较, 施用磷钾能够在
一定程度上促进植物生长和提高各部位生物量, 这
表明在缺氮土壤上保证磷钾供给在一定程度能够促
进土壤氮素供给或提高高粱对氮的获取能力; 不施
氮肥和不施氮磷钾明显降低了高粱产量和穗粒重 ,
在一定程度上也降低了千粒重, 表明缺氮通过影响
穗粒数和千粒重影响高粱产量, 这与氮素营养影响
小麦、玉米等作物穗粒数的研究结果相一致[18-19]。
3.2 氮磷钾营养与各器官养分含量及累积
高粱不同器官各养分浓度对氮磷钾营养的反应
表现不一。不施氮磷钾和不施氮处理叶片和茎中氮
浓度一直较低, 在灌浆过程中氮浓度下降缓慢, 这
可能妨碍了缺氮条件下营养体中氮素向籽粒的转移,
导致灌浆过程中没有增加籽粒氮含量; 而施氮处理
叶片和茎中氮浓度一直较高, 但在灌浆过程中叶片
和茎中氮含量下降较快, 这可能是由于营养体内大
量氮素转移到籽粒的缘故。表 3和表 4说明了高粱叶
片和茎中氮含量分别低于 10.0 g kg–1和 2.03.0 g kg–1
时氮素难以向籽粒转移, 这有待进一步试验验证。
在高粱生长前期不施磷肥降低了叶片中磷含量,
但不施氮磷钾对磷含量却没有影响, 这可能是后者
比前者生物量大, 磷被稀释的缘故; 同理尽管各施
肥处理对籽粒中磷含量没有显著影响, 不施氮磷钾
和不施磷处理籽粒中磷含量稍高于施氮磷和施磷钾
处理。高粱对磷素的累积表现出NPK处理最高, NK、
NP、PK和 CK处理其次, 不施氮素仍然限制着高粱
对磷素的累积。与对各部位中 P 含量影响相似, 尽
管各施肥处理对各部位钾含量没有显著影响, 但 NP
处理和不施任何肥的处理叶、茎和籽粒中钾含量偏
低, 高粱对钾素的吸收同理表现出 NPK 处理最高,
NK、NP、PK 和 CK 处理其次, 仍然表明氮肥决定
高粱对磷和钾的累积量。
高粱进入灌浆期, 叶片、茎秆及叶鞘积累和制
造的营养物质大量且源源不断地运往籽粒, 籽粒内
含物不断增加。本试验结果(表 5)发现在高粱收获期
(149 d)不施肥处理籽粒氮含量明显下降, 比成熟期
(139 d)籽粒氮含量下降 22.5%, 表明籽粒中的部分
氮素转移到了叶片和茎杆中, 从表 3 可以看出, 同
期叶片氮含量增加了 6.5%, 而茎杆氮含量比成熟期
下降了 19.7% (表 4), 说明籽粒中的少部分氮素转移
到叶片中, 这在以往研究中还未见报道, 有待进一
步深入研究。
3.3 氮磷钾营养与高粱籽粒品质
淀粉是高粱籽粒的主要组成成分 , 其含量在
65.3%81.0%之间, 根据其分子结构可分为直链淀
粉和支链淀粉, 高粱淀粉中直链淀粉含量在11.98%
23.47%之间, 支链淀粉含量在70%80%[20]。高粱籽
粒总淀粉含量及直链淀粉与支链淀粉的比值决定着
高粱籽粒的品质, 并对籽粒的出米率、适口性及酿
造产量和品质等方面有重要影响[21]。已有研究表明,
遗传因素、环境因素(温度、光照强度)以及栽培措施
(施肥、种植密度、播种和收获期)对高粱籽粒淀粉含
量产生明显的影响[22–26]。本试验结果表明, 不同施
肥处理对高粱籽粒总淀粉含量没有显著影响(表7),
说明不施肥和缺氮处理的淀粉含量没有明显下降 ,
这与施肥处理籽粒产量高和千粒重大(图2)有密切关
系。不施肥、缺氮和缺钾处理提高了直链淀粉含量,
而支链淀粉含量下降, 导致直链/支链比率相应增加,
表明不施氮磷钾不利于支链淀粉的合成, 这可能与
第 8期 王劲松等: 粒用高粱养分吸收、产量及品质对氮磷钾营养的响应 1277
养分缺乏抑制了淀粉合成酶活性有密切关系, 因为
淀粉合成过程中 ATP 含量及关键酶(ADPGPPase、
UDPGPPase、GBSS、SSS)的活性等均受氮素水平的
调控[27]。高粱籽粒含蛋白质在 6%18%之间。已有
研究表明, 施肥特别是氮肥对高粱籽粒蛋白质含量
有很大的影响[28]。本试验结果(表 7)表明, 施氮肥处
理(NPK、NP、NK)的高粱籽粒蛋白质含量明显高于
不施肥处理(CK)和缺氮处理(PK), 这与施氮肥提高
籽粒谷氨酰胺合成酶(GS)和谷丙转氨酶(GPT)活性
有重要关系[29]。高粱籽粒中的单宁是一种多酚化合
物, 主要存在于种皮层, 其含量在0.01%4.30%之间,
多数在 0.027%1.960%之间[28]。单宁在高粱体内的
存在不仅能够减少鸟害、预防收获前籽粒发芽、增
强高粱对真菌、细菌和病毒引起的病害的抗病能力
[30], 而且单宁含量的高低对酿造产品品质, 特别是
白酒的风味具有较大的影响 [31]。本研究结果表明 ,
不同施肥处理高粱籽粒单宁含量在 1.11%1.36%范
围内, 其中 NPK 处理单宁含量最高, 显著高于缺氮
(PK)处理, 说明平衡施肥有利于高粱籽粒单宁含量
的提高。
4 结论
在高粱/玉米轮作体系下, 连续 3 年土壤养分耗
竭使土壤氮磷钾的供给能力分别下降 30.1%、1.3%
和 8.1%, 不施肥和不施氮肥显著降低了粒用高粱的
最大叶叶面积和单株总功能叶面积, 干物质积累和
籽粒产量, 氮磷养分吸收以及籽粒中支链淀粉、蛋
白质和丹宁含量。不施氮肥对高粱的影响明显大于
不施钾肥和不施磷肥的影响。合理的氮磷钾肥配施
有利于促进粒用高粱的生长发育, 增加干物质的积
累, 提高产量和改善品质。
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