花生是江西省主要的经济作物和油料作物[1],年均栽培面积达15.81万hm2,但年均单产不足2800 kg/hm2,与高产省相比差距较大[2],其中施肥不当是导致江西花生低产的主要原因之一[3]。氮素参与植物体内许多重要化合物的组成及多种营养代谢,直接或间接地影响植物的生长发育[4]。氮素是花生吸收量最大的营养元素,对花生产量形成和品质提高有重要作用[5]。花生根瘤固氮只能满足其需氮量的40%~50%,仅靠根瘤固氮不能满足花生对氮素的需要,另有一半以上的氮需从土壤和肥料中获得[4]。但过量施用氮肥不仅对根瘤发育、固氮作用和类菌体蛋白有抑制作用[6],而且降低肥料利用效率,浪费氮肥资源,危害农田生态环境,还会对花生产量和品质产生不利影响[7]。因此,合理施用氮肥是提高花生产量、品质和提高氮肥利用率的重要措施[8,9]。
江西因多山地丘陵和降水集中,土壤养分流失严重[10],特别是氮元素大量流失,导致花生产量减少,而大量使用氮肥又会增加成本和造成面源污染,如何精确配施氮肥使花生产量和品质指标最优化是当前急需解决的问题。目前施氮量对花生的影响主要集中在其对荚果产量[4,5]、生理特征[11,12]、根系生长[13]、氮代谢及酶活性[14,15]等方面,而施氮水平对土壤养分的研究相对较少。因此,本研究在南方红壤旱地条件下布置大田试验,以高含氮肥料为试验材料,重点探讨不同施氮水平下南方地区花生农艺性状及产量和土壤养分的变化,并探讨它们间相互关系,得出使花生产量和性状最优化的最佳配施比例,为花生科学栽培与合理施肥,提高花生种植管理水平提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于江西省进贤县温圳镇东岗村（116°08'05″ E、28°19'30″ N）,属亚热带季风湿润气候,雨量充沛,四季分明;年平均降雨量1537 mm,年蒸发量1100~1200 mm;年平均气温17.7~18.5 ℃,最冷月（1月）平均气温为4.6 ℃;最热月（7月）平均气温为28.0~29.8 ℃;地形为典型低丘,海拔在25~30 m,坡度5°左右。试验地土壤类型为第四纪红粘土母质发育而来的红壤,其表层土壤（0~30 cm）的基础养分性质为:pH 4.56、有机质14.25 g/kg、全氮1.10 g/kg、全磷0.35 g/kg、全钾11.52 g/kg、有效磷8.02 mg/kg、速效钾143.84 mg/kg和碱解氮114.35 mg/kg。本研究中氮肥选用高含氮肥料[16],肥料养分含量为:N 15.04%,P2O5 1.2%,K2O 1.1%,由江西省良田上品实业有限公司生产和提供;供试花生品种为‘进贤多粒土花生’。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验按施纯氮量分为8个处理,分别为不施氮肥（N0）、200%施氮量（N200%）、150%施氮量（N150%）、100%施氮量（N100%）、80%施氮量（N80%）、60%施氮量（N60%）、40%施氮量（N40%）和20%施氮量（N20%）,其中100%施氮量为施高含氮肥料1200 kg/hm2（换算成纯施氮180.48 kg/hm2）。因高含氮微生物肥料中P2O5、K2O含量较低,试验为保证花生生长所需养分,另外添加不同量的磷肥和钾肥,使得每个处理含量均为磷肥（P2O5）375 kg/hm2、钾肥（K2O）300 kg/hm2,各处理肥料用量详见表1。小区面积27 m2,3次重复,试验连续进行2 a,随机区组排列。试验地垄距为80 cm,面宽为50 cm,垄上行距为30 cm,每穴2粒种子。起垄前均匀撒施肥料,然后混入0~20 cm土层内,其他管理措施同常规田。
表1 试验处理及肥料用量Tab. 1 Test treatment and fertilizer application |
| 处理 Treatment | 高含氮肥料 High-nitrogen fertilizer/(kg·hm-2) | 添加化肥 Fertilizer added/(kg·hm-2) | 各处理肥料用量 Fertilizer application of different treatments/(kg·hm-2) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N | P2O5 | K2O | 磷肥 Phosphate Fertilizer (P2O5) | 钾肥 Potash Fertilizer (K2O) | N | P2O5 | K2O | |
| N0 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 375.00 | 300.00 | 0.00 | 375 | 300 |
| N200% | 360.96 | 28.80 | 26.40 | 346.20 | 273.60 | 360.96 | 375 | 300 |
| N150% | 270.72 | 21.60 | 19.80 | 353.40 | 280.20 | 270.72 | 375 | 300 |
| N100% | 180.48 | 14.40 | 13.20 | 360.60 | 286.80 | 180.48 | 375 | 300 |
| N80% | 144.38 | 11.52 | 10.56 | 363.48 | 289.44 | 144.38 | 375 | 300 |
| N60% | 108.29 | 8.64 | 7.92 | 366.36 | 292.08 | 108.29 | 375 | 300 |
| N40% | 72.19 | 5.76 | 5.28 | 369.24 | 294.72 | 72.19 | 375 | 300 |
| N20% | 36.10 | 2.88 | 2.64 | 372.12 | 297.36 | 36.10 | 375 | 300 |
1.3 数据处理
所有数据计算和统计分析通过R语言（www. r-project.org）统计软件进行,各处理间差异分析采用R语言程序包vegan中方差分析（ANOVA）F检验并通过Tukey HSD法进行多重比较（P<0.05）;花生农艺性状及产量和土壤养分指标间的相关性分析（皮尔森相关系数）采用R语言程序包Hmisc、corrplot和Performance Analytics完成;花生农艺性状及产量的主成分分析和通径分析采用R语言程序包stats（prcomp）和agricolae完成;所有制图通过R语言软件程序包ggplot 2完成。
2 结果与分析
2.1 花生农艺性状及荚果产量
不施氮肥严重限制了花生的生长,其各项农艺指标和产量均很低（图1）。在给定的试验条件下,与N0处理相比,施用氮肥的处理能提高花生荚果产量（图1A）,增产幅度在12.94%~24.62%之间,其中花生荚果产量增加最多的是N200%处理,其次是N80%处理,花生荚果产量具体表现依次为:N200%>N80%>N100%>N150%>N60%>N40%>N20%> N0。总体上,花生荚果产量呈现出随施氮肥的增加而增加的趋势。从图1中可以看出,施用氮肥还可以不同程度地增加花生农艺性状,与N0处理相比,花生分枝数增加幅度为16.67%~33.33%（图1B）,其中N100%处理增加最多,其次是N150%处理;与N0处理相比,施用氮肥的花生株高增加幅度为9.04%~44.23%（图1C）,其中N80%、N60%、N40%处理的株高显著高于N0处理（P<0.05）;单株果重增产幅度为41.38%~3.93%（图1D）,增加最多的是N80%处理,其次是N200%处理;百果重提高了30.32%~11.02%（图1E）,其中N80%处理增产幅度达到显著水平（P<0.05）;百仁重提高了12.21%~3.25%（图1F）,增加最多的是N40%处理,其次是N80%处理;而饱果率表现为N200%处理最高,其次是N150%、N60%处理（图1G）。综合花生产量和农艺性状因素,以及经济成本,N80%处理的花生荚果产量、株高、单株果重、百果重和百仁重表现最佳。
2.2 花生土壤养分及pH
各施肥处理对花生土壤养分均有一定影响（图2）。与N0处理相比,土壤pH有所增加,其中N20%处理增加最为明显（8.54%）,且显著高于N0处理（P<0.05,图2A）。与N0处理相比,土壤有机质增加了4.94%~19.79%,其中N150%处理增加最为明显,但没有明显差异（P>0.05,图2B）。土壤碱解氮具体表现依次为:N150%>N100%>N200%> N40%>N80%>N0>N60%>N20%,其中N150%处理增加最为明显,且显著高于N0处理（P<0.05,图2C）。与N0处理相比,土壤有效磷增加了17.99%~ 119.87%,其中N20%、N40%处理显著高于N0（P<0.05,图2D）。与N0处理相比,土壤速效钾增加了33.78%~73.16%,且各施肥处理均显著高于N0处理（P<0.001,图2E）。
2.3 花生农艺性状、荚果产量和土壤养分及pH的相关性
花生农艺性状、荚果产量与土壤养分及pH的相关分析表明,它们之间有着不同程度的相关性（图3）。花生荚果产量与饱果率、有机质和碱解氮呈显著正相关（P<0.05）;分枝数与单株果重和速效钾呈显著正相关（P<0.05）;株高与百果重、有机质、有效磷和速效钾呈显著正相关（P<0.05）;单株果重与分枝数呈显著正相关（P<0.001）;百果重与株高、百仁重、土壤pH、有机质、有效磷和速效钾呈显著正相关（P<0.05）;百仁重与百果重和有效磷呈显著正相关（P<0.05）;饱果率与荚果产量和碱解氮呈显著正相关（P<0.05）。土壤养分之间表现为:土壤pH与有效磷和速效钾呈显著正相关（P<0.05）,而与碱解氮呈显著负相关（P<0.05）;有机质与碱解氮、有效磷和速效钾呈显著正相关（P<0.05）;碱解氮与有机质呈显著正相关（P<0.05）;有效磷与速效钾呈显著正相关（P<0.001）。
图3 花生农艺性状、荚果产量和土壤养分及pH的相关系数矩阵用不同颜色表示了变量间相关性的强度,从最右边的颜色带来看,越接近蓝色说明正相关性越高,越接近红色说明负相关性越高,其中圆形的大小也说明了相关性的大小。 Fig. 3 Correlation coefficient matrix between soil nutrients, pH, agronomic characters and pods yield of peanut The intensity of the correlation between variables is represented by different colors. According to the rightmost color, the closer to the blue, the higher the positive correlation. The closer to the red, the higher the negative correlation. The size of the circle also indicates the size of the correlation. |
2.4 花生产量与农艺性状的主成分分析和通径分析
由表2可知,在所有的主成分构成中,信息主要集中于前2个主成分,其累积贡献率达到74.86%,主成分1的贡献率最大,为44.22%;其次是主成分2,贡献率为30.64%。结果如下:主成分1中荚果产量、百果重和单株果重权重系数较大,即产量因子;主成分2中饱果率和株高权重系数较大,即生长势因子。
表2 产量及农艺性状主成分分析Tab. 2 Principal component analysis of yield and yield components |
| 因子 Factor | 权重系数Weight factor | |||
|---|---|---|---|---|
| 主成分1 Principal component 1 | 主成分2 Principal component 2 | 主成分3 Principal component 3 | 主成分4 Principal component 4 | |
| 荚果产量 | 0.439 | 0.167 | 0.584 | 0.000 |
| 分枝数 | 0.359 | 0.243 | -0.371 | 0.430 |
| 株高 | 0.342 | 0.485 | 0.000 | 0.295 |
| 单株果重 | 0.493 | 0.104 | -0.466 | 0.000 |
| 百果重 | 0.481 | -0.325 | 0.262 | 0.000 |
| 百仁重 | 0.397 | -0.348 | 0.000 | -0.719 |
| 饱果率 | 0.112 | 0.711 | 0.000 | -0.453 |
| 贡献率/% | 44.22 | 30.64 | 11.63 | 8.97 |
| 累积贡献率/% | 44.22 | 74.86 | 86.49 | 95.46 |
产量及产量构成因素通径分析剖析了相关系数,把相关系数分解为直接作用和间接作用2部分,从而明确各性状对产量的相对重要性。通径分析表明（表3）,各农艺性状对产量直接贡献的大小依次为:百果重>饱果率>百仁重>单株果重>株高>分枝数,百果重、饱果率、百仁重、单株果重和株高本身的直接效应对产量有正向作用,而分枝数本身的直接效应对产量有负向作用。百果重和饱果率通径系数较大,在花生种植过程中应重视对这2个性状的选择与调控,兼顾其他性状是花生产量提高的重要途径。
表3 产量及农艺性状之间的通径系数Tab. 3 Path-coefficient of yield and yield components |
| 性状 Traits | 直接作用 Direct effect | 分枝数 Branches per plant | 株高 Plant height | 单株果重 Pods weight per plant | 百果重 100-pod weight | 百仁重 100-kenel weight | 饱果率 Plump rate |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 分枝数 | -0.03 | 0.02 | -0.18 | 0.16 | -0.03 | 0.17 | |
| 株高 | 0.11 | -0.01 | -0.02 | 0.25 | -0.07 | 0.02 | |
| 单株产量 | 0.25 | -0.02 | 0.01 | 0.20 | -0.07 | 0.02 | |
| 百果重 | 0.57 | -0.01 | 0.05 | -0.09 | -0.14 | -0.12 | |
| 百仁重 | 0.26 | -0.01 | 0.03 | -0.09 | 0.29 | -0.01 | |
| 饱果率 | 0.55 | -0.01 | 0.01 | -0.05 | -0.13 | 0.01 |
3 讨论
3.1 花生农艺性状及荚果产量
氮是决定农作物生长发育与产量形成的关键因素,合理施氮可以增强作物的光合效率和呼吸作用,促进植株的生长发育,从而增加产量,但过量施氮会降低产量[3, 19]。本研究表明,与N0处理相比,施用氮肥提高了花生的荚果产量,花生荚果产量增产幅度为12.94%~24.62%,增加最多N200%处理,其次是N80%处理。总体上,花生荚果产量、单株果重和饱果率随施氮肥的增加而增加;花生分枝数和百仁重随施氮肥用量的变化不明显;花生株高和百果重以N80%处理效果最佳。周录英等[20]研究表明施肥可显著提高花生荚果产量,且随施氮量的增加花生产量显著。赵婷等[21]研究发现在一定施氮量范围内,增加氮肥用量可以提高花生产量各构成因素的水平,促进花生的生长发育,增加地上部分干物质积累,提高花生荚果产量。但是,张翔等[22]研究表明过量施用氮肥导致花生单株饱果数、出仁率减少,从而导致花生减产;王才斌等[12]研究发现花生荚果产量随施氮量的增加呈二次曲线变化趋势。氮肥对增加蛋白质含量作用较大,施用氮肥可以提高花生产量和相关农艺性状。当处理增加到适宜施氮量（N80%处理）后,花生各项指标均有明显提高,此时花生产量也在各处理中较高,继续增加氮肥用量后花生的分枝数、株高、百果重等指标甚至出现了下降,表明此时的施氮水平不利于花生的生长发育,这可能与不同养分之间的供应比例失衡有关。本研究基于南方旱地红壤条件下,土壤条件较差,肥力低,易受气候条件和病虫害的影响,有关氮肥用量与花生农艺性状及产量的关系需要长期的试验证明。
3.2 花生土壤养分及pH
施肥通过改变土壤理化性质特别是土壤养分,从而影响作物生长。本研究表明,在成熟期,土壤碱解氮差异较小,总体呈现随施氮量增加而增加的趋势;土壤有机质波动较大;土壤pH、有效磷和速效钾均表现出随施氮量增加而降低的趋势。黄循壮[23]研究表明结荚期以前,花生植株的氮素主要来自土壤和施于土壤中的氮肥;结荚期以后,花生植株的氮素主要来自根瘤固氮;结荚期既来自土壤又来自根瘤。万书波等[24]研究发现花生对氮素的当季吸收利用率为31.80%~42.15%,并随施氮量增加而显著降低,损失率达31.04%~ 49.76%,随施氮量增加而显著提高。孙虎等[4]研究发现2个花生品种吸收土壤氮和生物固氮量均随着施氮量的增加而增加,吸收肥料氮的比例随着施氮量的增加而增大,生物固氮的比例随着施氮量的增加而减小。本研究中氮肥选用高含氮肥料[16],包含大部分有机物料,如鱼粉、黄豆粉、玉米粉等,以高含氮为主,土壤碱解氮随施氮量增加而增加;土壤pH、有效磷和速效钾表现出随施氮量增加而降低,可能原因是氮肥使用过程中,有机物料腐烂降解释放出高含量的活性铝,从而加速土壤酸化,pH降低,而有效磷和速效钾的降低是施用化肥造成的。
3.3 花生农艺性状、荚果产量和土壤养分及pH的相关性
一般情况下,生长期末的养分有效性反映了当季土壤养分的供应能力。在本研究中,花生荚果产量与饱果率、有机质和碱解氮表现出协同作用;土壤碱解氮与饱果率和有机质表现出协同作用,而与pH表现出负作用;土壤pH与百果重表现出协同作用;有机质与荚果产量、株高和百果重表现出协同作用;有效磷与株高、百果重和百仁重表现出协同作用;速效钾与分枝数、株高和百果重表现出协同作用。王晓林等[25]研究发现,饱果率与花生产量关联度较大,是影响花生高产的主要因素之一。彭春瑞等[26]研究表明,花生产量、土壤供氮量和花生需氮量与土壤肥力指标中的有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量有显著或极显著正相关,而与有效磷含量相关不显著。随着氮肥施用量的增加,土壤中的有机质和碱解氮增加,有利于花生蛋白质等的积累,从而增加花生荚果产量;而花生饱果率越高,花生个体数越多,荚果产量越高。土壤碱解氮与pH呈负相关关系,与有机质呈正相关,可能原因是氮肥使用过程中,有机物料腐烂降解,有机质增加,且释放出高含量的活性铝,从而加速土壤酸化,pH降低。关于花生农艺性状及产量、吸收土壤养分的过程以及土壤养分间的相互作用还有待进一步研究和证实,同时今后的研究考虑不同时期下土壤养分与农艺性状和产量间的相互关系。
3.4 花生产量与农艺性状的主成分分析和通径分析
探明花生农艺性状与产量性状的相关性,有利于进一步分析相关的遗传背景,对花生高产育种实践具有重要指导意义[27]。由主成分分析可知,氮肥对花生生长有重要的作用,所以在花生种植中,应该主要考虑第1主成分性状,即产量因子,如荚果产量、单株果重和百果重。其次就是主成分2,即生长势因子,如饱果率和株高。通径分析表明百果重和饱果率通径系数较大,在提高花生荚果产量中应重视对这2个性状的选择与调控,并兼顾其他性状。李清华[28]研究显示构成影响秋花生产量的第1主因子是百果重。鲁清等[10]研究也表明花生荚果产量与百果重和饱果率相关性大,饱果率和百果重高的花生品种产量也高。薛云云等[29]研究发现饱果率与产量性状呈极显著相关,即饱果率越多,产量越高。花生产量是一个复杂的数量性状,产量构成因子有多个,在以后的研究中可考虑将所有产量构成因子与产量做一全面的相关分析,综合考虑各个因子与生物产量、产量构成因子之间的关系。在协调好产量构成因子之间关系的同时,以主效因子为育种主要选择指标,更好地为花生育种提供理论参考。