大蒜耐低氮型品種篩選與評價

劉燦玉， 楊 峰， 陸信娟， 趙永強， 張碧薇， 史新敏， 樊繼德

(江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學研究所，江蘇徐州 221121)

大蒜屬喜肥耐肥作物，尤其對氮素需求量最大，汪興漢等研究認為，氮素對大蒜產(chǎn)量影響最大。當前生產(chǎn)上蒜農(nóng)普遍盲目重施氮肥，而這不僅增加了其種植成本，還加重了大蒜二次生長現(xiàn)象，并導致氮素向環(huán)境中的轉移。因此，在確保產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，如何降低氮肥的施用量已成為大蒜栽培上亟待解決的問題。前人研究認為，選育耐低氮品種，可提高作物對氮肥的利用效率，進而實現(xiàn)在維穩(wěn)作物產(chǎn)量的同時，減少氮肥投入量的目的，對綠色高效可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)具有重要意義。不同基因型品種耐低氮能力存在顯著的差異，鐘思榮等研究認為，充分挖掘作物自身的基因潛力，擺脫對肥料的過分依賴，是減肥增效的有效途徑；陳凌等研究亦認為，篩選評價耐低氮品種，可有效提高氮素利用效率、減少氮肥用量，是品種選育的重要基礎。當前，耐低氮品種的篩選評價工作已逐漸受到重視，且在小麥、玉米及水稻等大田作物上已開展較多相關研究，茄子、辣椒等蔬菜作物耐低氮品種的鑒定也有報道，而在大蒜上，減氮穩(wěn)產(chǎn)相關研究仍主要集中在氮素最佳供應水平及形態(tài)上，挖掘和利用大蒜自身的耐低氮潛力，選育耐低氮大蒜品種尚未見報道。本試驗利用長期肥料定位試驗田設2個氮水平(施氮和不施氮處理)，探討耐低氮型大蒜材料的篩選與評價指標，以期為大蒜減氮穩(wěn)產(chǎn)栽培措施及耐低氮型品種選育等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

試驗于2018—2021年在江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學研究所試驗示范基地長期肥料定位試驗田(117.41°E、34.40°N)進行，基礎土壤為黏壤土，pH值8.50，有機質(zhì)含量13.19 g/kg，全氮含量 0.91 mg/kg，有效磷(PO)含量17.69 mg/kg，速效鉀(KO)含量117.70 mg/kg。選用我國當前主栽或優(yōu)質(zhì)資源材料中28份不同遺傳背景的頭蒜品種作參試材料，品種名稱及編號見表1。

表1 供試大蒜材料品種信息

試驗設2個處理：施氮處理(常規(guī)施NPK肥)、不施氮處理(常規(guī)施PK肥)，每處理設3次重復，隨機排列，小區(qū)間由0.9 m寬、1.0 m高(其中0.8 m埋入地下)的水泥壟隔開，確保各小區(qū)單灌單排，每小區(qū)面積200 m。試驗區(qū)為大蒜-毛豆輪作，施氮區(qū)：大蒜種植時將50 kg/667 m三元復合肥和 20 kg/667 m尿素作為基肥均勻撒施后立即翻耕整地，返青期追施15 kg/667 m尿素；毛豆種植時施N、P、K 均為3 kg/667 m，由三元復合肥(N、PO、KO質(zhì)量分數(shù)均為15%)提供，作為基肥一次性施入，后期不追肥。不施氮區(qū)：大蒜和毛豆種植時P、K施入量和施入方式均與施氮區(qū)一致，分別由過磷酸鈣和硫酸鉀提供。其他田間管理均同徐州當?shù)馗弋a(chǎn)栽培方式一致。

1.2 測定項目與方法

大蒜為秋播方式(每年10月8日左右播種，翌年5月20日左右收獲)，分別于2019年和2021年鱗莖膨大前期，參照李錫香等的方法調(diào)查大蒜農(nóng)藝性狀；于2021年鱗莖膨大后期，每小區(qū)每品種取3株，測定其根、莖、葉及鱗莖鮮樣生物質(zhì)量后，105 ℃ 殺青，70 ℃恒溫烘干，測定其干物質(zhì)量，以3株平均值作為該小區(qū)品種實測值，蒜頭收獲時測定地上部產(chǎn)量；分別于2019、2020、2021年收獲后，測定小區(qū)各品種蒜頭產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理，其中，性狀指標相對值=性狀在無氮處理下的測定值/常規(guī)施氮處理下的測定值；通過SPSS 20.0軟件進行生物量指標因子分析、相關性分析，并采用Ward法聚類分析。

2 結果與分析

2.1 大蒜不同品種間農(nóng)藝性狀的差異

由表2可以看出，肥料長期定位試驗條件下，2019年和2021年間大蒜農(nóng)藝性狀未顯示顯著性差異。施氮對大蒜農(nóng)藝性狀各指標的影響略有不同，除2個處理間的大蒜假莖高均值和極值基本無差異外，2年常規(guī)施氮處理的株高、株幅、葉長、葉寬、假莖粗及葉片數(shù)的均值和極值均大于無氮處理，表明施氮有利于提高大蒜長勢。2019年和2021年間大蒜各農(nóng)藝性狀指標的變異系數(shù)在無氮和常規(guī)施氮處理下均較小，與此同時，各農(nóng)藝性狀指標在無氮處理與常規(guī)施氮處理的相對值的平均值為0.61～1.03，而變異系數(shù)僅為3.63%～13.11%，表明農(nóng)藝性狀指標對氮素的響應無顯著的基因型差異。

表2 2019年和2021年大蒜不同品種間農(nóng)藝性狀的差異

2.2 不同大蒜品種間各器官生物量的差異

由表3可以看出，大蒜蒜頭產(chǎn)量3年間無顯著差別，常規(guī)施氮處理下大蒜各器官生物量平均值和極值均明顯大于無氮處理，表明常規(guī)氮肥有利于提高大蒜各器官生物量的積累。在2021年試驗中，無氮處理下，各指標變異系數(shù)為14.75%～22.68%，其中葉鮮質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、鱗莖鮮質(zhì)量、鱗莖干質(zhì)量及地上部產(chǎn)量的變異系數(shù)相對較大且值相近，分別為19.60%、20.62%、22.55%、22.68%、20.17%、20.82%和21.50%。常規(guī)施氮處理下，各指標變異系數(shù)為13.50%～41.07%，依次為地上部產(chǎn)量>葉鮮質(zhì)量>鮮根冠比>莖鮮質(zhì)量>干根冠比>葉干質(zhì)量>莖干質(zhì)量>根鮮質(zhì)量>鱗莖鮮質(zhì)量>蒜頭產(chǎn)量>鱗莖干質(zhì)量>根干質(zhì)量。于此同時，各生物量指標在無氮處理與施氮處理下相對值的平均值范圍為0.42～1.23，變異系數(shù)范圍為16.79%～34.72%，葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量及鱗莖干質(zhì)量在無氮和施氮處理下的相對值的平均值相對較小，分別為0.42、0.55、0.46、0.50和0.57，而變異系數(shù)較大，分別為34.72%、19.48%、19.67%、23.35%和18.08%，表明這些指標對無氮脅迫的敏感程度大，且在耐低氮上品種間差異明顯。綜上，可初步說明葉鮮質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量可以作為不同基因型大蒜耐低氮的篩選指標。

表3 不同大蒜品種間各器官生物量的差異

2.3 不同大蒜品種各生物量指標因子分析

進一步對2021年試驗中大蒜不同品種各器官生物量指標進行因子分析，由表4可知，在無氮條件下可提取3個主成分，總解釋方差79.676%，方差貢獻率分別為39.415%、23.967%和16.294%，其中，第1主成分主要由葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量決定。在常規(guī)施氮條件下同樣可提取3個主成分，總解釋方差為80.840%，方差貢獻率分別為40.271%、25.637%和14.932%，并且，第1主成分同樣由葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量決定。根據(jù)各主成分的貢獻率情況，說明不同供氮條件下葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量最能代表不同基因型大蒜對氮素的響應狀況。

表4 各主成分的特征向量及累積貢獻率

2.4 各生物量指標與產(chǎn)量性狀的相關性

由表5可知，2021年試驗中，除干根冠比與蒜頭產(chǎn)量無顯著相關性外，其他生物量指標均與蒜頭產(chǎn)量存在極顯著相關性，其中，鮮根冠比與蒜頭產(chǎn)量呈極顯著負相關，而葉、莖、根及鱗莖的鮮干質(zhì)量均與蒜頭產(chǎn)量呈極顯著正相關，表明選用生物量指標具有篩選耐低氮型大蒜的可行性。

表5 各生物量指標與產(chǎn)量性狀的相關性

2.5 耐低氮大蒜基因型的篩選

根據(jù)2021年試驗中大蒜各生物量指標性狀的差異、因子分析及相關性結果，確定葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量作為大蒜耐低氮評價指標，以同年2個氮水平的葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量的相對值作為指標，對28個大蒜基因型進行Ward法聚類分析(圖1)。分析可知，28個大蒜品種可分為3類，第Ⅰ類3個品種(編號分別為20、22、27)表現(xiàn)為葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量的相對值均較大，氮肥對其影響較小，為耐低氮型品種；第Ⅱ類3個品種(編號分別為3、4、6)表現(xiàn)為葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量的相對值均較小，氮肥對其影響顯著，為低氮敏感型品種；其余22個品種為第Ⅲ類，表現(xiàn)為葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量的相對值中等，為中間型品種。

3 討論與結論

鐘思榮等研究認為，在篩選耐低氮品種中，選擇合適時期至關重要，通常在苗期或成熟期進行；楊光梅等研究認為，3葉期后或近4葉期是篩選玉米耐低氮材料的關鍵時期；趙化田等研究認為，應在苗期進行小麥耐低氮基因型的鑒定；陳凌等研究認為，結合大田試驗，進行糜子全生育期耐低氮品種的篩選更符合實際生產(chǎn)。本試驗利用長期肥料定位試驗田可較好地控制土壤肥力，選擇在大蒜鱗莖膨大期篩選鑒定，主要是由于大蒜苗期“退母”前生長所需營養(yǎng)主要由蒜瓣提供，受外界氮供應的影響較小，不利于耐低氮品種的篩選，而在大蒜鱗莖膨大期，其氮素營養(yǎng)響應狀況能基本代表全生育期的氮素營養(yǎng)特性，并結合其收獲時產(chǎn)量指標，對實際生產(chǎn)更具有指導意義。

當前，作物耐低氮性的研究雖較多，但其篩選指標尚未達成一致。前人研究發(fā)現(xiàn)，低氮脅迫可導致植株生長、生物量積累等形態(tài)學指標變化，且不同基因型品種對其的響應存在較大差異。裴雪霞等研究認為，苗期植株相對干質(zhì)量可作為耐低氮小麥基因型的早期篩選指標。黃興東研究認為，對于大田試驗，有必要選擇簡單有效的指標來反映作物的耐低氮能力，相對穗質(zhì)量、相對草質(zhì)量和相對粒質(zhì)量可作為谷子耐低氮品種的篩選指標。王春萍等研究認為，在辣椒耐低氮型品種的篩選上，相比于地上、根和整株等的氮積累量指標，以葉面積、根冠比及莖、葉、根和植株干質(zhì)量為指標可縮短其篩選周期和成本，提高篩選效率。王玲敏等研究亦認為，采用形態(tài)學指標篩選和鑒定玉米耐低氮品種比氮素利用效率指標更為簡單，可極大降低工作量。本試驗發(fā)現(xiàn)，大蒜農(nóng)藝性狀及各器官生物量等指標在不同氮素水平下存在差異，尤其是葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量在無氮和常規(guī)施氮處理下絕對值和相對值的變異系數(shù)均較大，而相對值的平均值較小，表明葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量對不同氮素水平具有一定敏感性，對氮素的響應存在基因型差異，與此同時，最終蒜頭產(chǎn)量與葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量具有極顯著相關性，符合作物耐低氮性篩選指標要求，這與主成分分析結果基本一致，因此，本試驗將葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量作為大蒜耐低氮型品種的篩選指標具有可行性。一般用評價指標在低氮處理與正常氮處理下的相對值將不同品種耐低氮能力分為3類，包括耐低氮型、中間型和低氮敏感型。黃興東研究認為，需對篩選的指標進行綜合分析才可提高耐低氮品種篩選的準確性和可靠性，且常用方法有主成分分析、隸屬函數(shù)和聚類分析。本試驗采用聚類分析，以葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量在無氮與正常氮下的相對值作為指標，篩選出耐低氮品種3個，分別為玉林大白蒜、興平大蒜和徐蒜918，氮敏感型品種3個，分別為濟南大青稞、自貢白蒜和云南頭蒜8號。