不同馬鈴薯品種的氮利用效率及其分類研究

何丹丹 賈立國 秦永林 樊明壽

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不同馬鈴薯品種的氮利用效率及其分類研究

何丹丹 賈立國 秦永林 樊明壽*

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 內(nèi)蒙古呼和浩特 010019

以7個馬鈴薯品種為供試材料, 設(shè)置大田條件下施氮和不施氮2種處理, 在對塊莖產(chǎn)量和植株氮素吸收、利用評價的基礎(chǔ)上, 將不同氮效率品種馬鈴薯分類并解析了其差異機制?；?016年施氮和不施氮條件下各品種馬鈴薯的平均產(chǎn)量, 把不同氮效率品種馬鈴薯分為雙高效型、低氮高效型、高氮高效型和雙低效型。2017年選擇雙高效型、低氮高效型、雙低效型的代表性品種, 對各類型氮效率差異進一步解析表明, 雙高效型氮素利用效率顯著高于另兩個類型, 氮素吸收效率則是雙高效型、低氮高效型顯著高于雙低效型。不施氮條件下, 雙高效型馬鈴薯的干物質(zhì)累積量在整個生育時期均顯著高于另2個品種; 雙高效型、低氮高效型氮素累積速率在出苗后0~50 d顯著高于雙低效型馬鈴薯。施氮條件下, 雙高效型馬鈴薯的干物質(zhì)累積量顯著高于另2個品種, 與雙低效型馬鈴薯相比, 雙高效型和低氮高效型產(chǎn)量的提高主要歸因于它們前期較高的干物質(zhì)累積; 雙高效型氮素累積速率顯著高于雙低效型、低氮高效型。雙高效型馬鈴薯在各生育期的物質(zhì)生產(chǎn)和氮素吸收能力強, 從而有利于氮效率提升和產(chǎn)量的形成。該研究結(jié)果可為馬鈴薯氮高效品種篩選和利用提供理論支撐。

馬鈴薯; 氮素吸收效率; 氮素利用效率

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展, 當(dāng)代農(nóng)業(yè)關(guān)注的焦點不僅是作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn), 還包括資源高效利用及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)部在2015年宣布中國啟動馬鈴薯主食化策略, 預(yù)計到2020年, 馬鈴薯的種植面積將進一步擴大[1]。氮肥投入量的增加是目前馬鈴薯增產(chǎn)的主要原因[2], 而過量施用氮肥不僅增加生產(chǎn)成本, 降低氮肥利用率, 還會導(dǎo)致環(huán)境污染[3]。研究不同馬鈴薯品種氮效率的評價指標(biāo)和方法, 篩選氮高效品種以及合理的氮肥施用策略具有重要意義。

關(guān)于作物氮素營養(yǎng)效率的品種差異、評價方法、生理機制等方面已有不少的研究, 但是有關(guān)報道重點在水稻、小麥、玉米等[4-9]糧食作物上。在馬鈴薯上也取得了一些進展, Ankumah等[10]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯晚熟品種比早熟品種往往有較高的氮素利用率和氮素生理效率。栽培馬鈴薯品種和野生種質(zhì)馬鈴薯的氮肥利用率也存在顯著差異[11-12]。馬鈴薯氮高效品種能夠在較低的氮水平下獲得較多的塊莖干物質(zhì)[13]。不同品種馬鈴薯間氮素含量存在差異, 氮累積吸收量達到最大值后下降的幅度也不盡相同[14-16]。

與三大糧食作物相比, 馬鈴薯上的研究還不夠深入, 而馬鈴薯在生長發(fā)育規(guī)律、氮素需求規(guī)律和產(chǎn)量形成規(guī)律與禾本科作物有著顯著的差別, 其氮效率的評價指標(biāo)和方法也不能直接用于馬鈴薯上。因此, 在馬鈴薯上開展不同氮效率品種分類和評價非常必要, 研究結(jié)果可為馬鈴薯氮高效品種篩選和利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年和2017年5月至8月分別在烏蘭察布市察右中旗華豐村和西壕塹村進行。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 年平均氣溫1.3℃, 海拔1780 m, 生育期總降雨量分別為278.7 mm和181.2 mm, 無霜期100 d左右。土壤類型為栗鈣土。2016 年度試驗田pH為8.32, 含有機質(zhì)16.75 g kg–1、全氮1.42 g kg–1、速效磷12.59 mg kg–1、速效鉀196.37 mg kg–1; 2017年度試驗田pH為8.46, 含有機質(zhì)16.75 g kg–1、全氮 1.47 g kg–1、速效磷12.59 mg kg–1、速效鉀117 mg kg–1。

1.2 供試品種

供試馬鈴薯品種為底西瑞(Desiree)、克新1號、青薯9號、夏波蒂、絲盤特、麥肯1號和興佳2號, 全部為G2脫毒種薯(GB 18133-2012), 由內(nèi)蒙古民豐薯業(yè)有限公司提供。

1.3 試驗設(shè)計

采用裂區(qū)設(shè)計, 氮素處理為主區(qū)(主因素), 設(shè)不施氮(0 kg hm–2; N–)和施氮(270 kg hm–2; N+) 2個水平; 馬鈴薯品種為副區(qū)(副因素), 隨機排列, 3 次重復(fù)。2016年5月27日播種, 9月24日收獲測產(chǎn)。每小區(qū)面積17.7 m × 6.3 m。種植密度為45,000株hm–2, 株距0.3 m, 行距0.9 m, 共7個品種。2017年5月12日播種, 9月6日收獲測產(chǎn)。每小區(qū)面積0.3 m × 0.9 m。種植密度為34,500株 hm–2, 共3個品種(克新1號、夏波蒂、麥肯1號)。全部采用滴灌栽培模式。磷肥(過磷酸鈣, 180 kg P2O5hm–2)、鉀肥(硫酸鉀, 300 kg K2O hm–2)在播前一次性施入, 氮肥(尿素, 270 kg N hm–2)基施1/2, 其余分別在苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期追施。

1.4 測定項目與方法

分別于出苗后20、35、50、65和80 d取樣。每個重復(fù)5株。取樣后, 用烘干稱重法測定根、莖、葉、塊莖的鮮重和干重。

采用半微量凱氏定氮法測定植株氮濃度。

植株氮素累積量(g 株–1) = 植株氮濃度×植株干物質(zhì)累積量;

氮素吸收效率(%) = (氮素吸收總量/供氮量)×100%[17];

氮素利用效率(g g–1) = 產(chǎn)量/氮素吸收總量[18-19];

氮收獲指數(shù)(%) = 塊莖氮累積量/總吸氮量×100%[20];

收獲時, 從每個試驗小區(qū)隨機選3處, 每處取2 m2測定塊莖產(chǎn)量, 并折合為公頃產(chǎn)量, 其中, 大于150 g的塊莖為商品薯。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 24.0統(tǒng)計分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和相關(guān)分析。采用最小顯著極差法比較處理間差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯產(chǎn)量及氮素利用效率的基因型差異

2016年的試驗(表1)表明, 在不施氮和施氮兩種處理條件下, 7個馬鈴薯品種的干物質(zhì)量、氮累積量、產(chǎn)量、氮素利用效率和氮收獲指數(shù)均差異較大。供試馬鈴薯品種的產(chǎn)量在不施氮條件下變幅為12.28~35.96 t hm–2, 施氮條件下變幅為27.56~46.46 t hm–2, 平均為24.34 t hm–2和40.64 t hm–2。馬鈴薯氮素利用效率在不施氮處理和施氮處理時變幅分別為167.35~442.12 g g–1和147.32~214.03 g g–1, 平均為236.12 g g–1和179.18 g g–1, 氮素利用效率的最高值分別為最低值的2.64倍和1.45倍。各指標(biāo)在2個氮水平間、品種間存在極顯著差異, 而且馬鈴薯品種與氮水平間存在極顯著的交互作用。

2.2 馬鈴薯品種氮素響應(yīng)類型

以7個馬鈴薯品種在不施氮和施氮處理下的平均產(chǎn)量為基準(zhǔn), 把坐標(biāo)軸分為4個象限(區(qū)), 代表對氮素響應(yīng)的4種類型?？诵?號和青薯9號歸為雙高效型, 該類品種在不施氮和施氮處理下的塊莖產(chǎn)量均高于供試品種的平均值(圖1, I區(qū))。夏波蒂和底西瑞歸為低氮高效型, 該類品種在不施氮處理下的馬鈴薯產(chǎn)量高于供試品種的平均值, 而在施氮處理下的馬鈴薯產(chǎn)量低于供試品種的平均值(圖1, II區(qū))。麥肯1號歸為雙低效型, 該類品種在不施氮和施氮處理下的馬鈴薯產(chǎn)量均低于供試品種的平均值(圖1, III區(qū))。興佳2號和絲盤特歸為高氮高效型, 該類品種在施氮處理下的馬鈴薯產(chǎn)量高于供試品種的平均值, 不施氮處理下則相反(圖1, IV區(qū))。

表1 7個馬鈴薯品種產(chǎn)量、干重和氮素利用效率的差異

**表示0.01水平顯著; “–”表示無數(shù)據(jù)(不施氮處理)。

** Significance at the 0.01 probability level; ‘–’ no data (no nitrogen application).

圖1 不同氮效率的馬鈴薯品種產(chǎn)量的分布

I: 雙高效型; II: 低氮高效型; III: 雙低效型; IV: 高氮高效型。

I: Double high efficiency; II: Low nitrogen and high efficiency; III: Double low efficiency; IV: High nitrogen and high efficiency.

2.3 不同氮素響應(yīng)類型馬鈴薯的氮素吸收和利用效率的差異

選擇雙高效型品種克新1號、低氮高效型品種夏波蒂、雙低效型品種麥肯1號作為供試材料, 于2017年進一步研究表明, 不施氮處理下, 克新1號和夏波蒂產(chǎn)量顯著高于麥肯1號, 3個品種間氮素利用效率無顯著差異。施氮處理下, 克新1號的氮素利用效率顯著高于夏波蒂和麥肯1號; 而氮素吸收效率在克新1號和夏波蒂之間無顯著差異, 但是均顯著高于麥肯1號(表2)。

2.4 不同氮素響應(yīng)類型馬鈴薯干物質(zhì)積累的差異

表3表明, 不施氮處理下, 麥肯1號和克新1號出苗后20 d干物質(zhì)量顯著大于夏波蒂。出苗后35、50、80 d后, 干物質(zhì)量表現(xiàn)為克新1號>夏波蒂>麥肯1號, 三者間差異達顯著水平。只有在出苗65 d時夏波蒂干物質(zhì)量最高, 麥肯1號最低。整個生育期中克新1號干物質(zhì)累積量均高于麥肯1號, 麥肯1號和夏波蒂在出苗后80 d干物質(zhì)量表現(xiàn)下降趨勢, 而克新1號持續(xù)增加。

在施氮處理下, 出苗后20 d, 3個品種中克新1號的干物質(zhì)量最高, 顯著高于夏波蒂和麥肯1號, 后2個品種間無顯著差異。出苗后35、50、80 d, 3個品種間干物質(zhì)量差異顯著, 其表現(xiàn)克新1號>夏波蒂>麥肯1號。出苗后65 d, 克新1號和夏波蒂無顯著差異, 顯著高于麥肯1號。整個生育期, 克新1號的干物質(zhì)量均高于麥肯1號, 麥肯1號在出苗后80 d其干物質(zhì)量已經(jīng)減少, 但是克新1號和夏波蒂持續(xù)增加。

表2 不同馬鈴薯品種氮素吸收和利用效率

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同基因型在0.05水平上差異顯著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

表3 不同氮效率類型馬鈴薯干物質(zhì)量的差異

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同基因型在0.05水平上差異顯著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

表4表明, 不同氮素響應(yīng)類型的馬鈴薯干物質(zhì)累積速率均隨著生育期的進程呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢。在不施氮處理下, 3種馬鈴薯類型在出苗20~50 d的干物質(zhì)累積速率為克新1號>夏波蒂>麥肯1號, 差異顯著。克新1號在出苗后35~50 d干物質(zhì)累積速率最大, 夏波蒂和麥肯1號則在出苗后50~65 d干物質(zhì)累積速率最大。在出苗35~50 d克新1號干物質(zhì)累積速率高于麥肯1號213.9%。而在出苗50~65 d夏波蒂干物質(zhì)累積速率卻高于克新1號71.52%?？诵?號在出苗后65~80 d的干物質(zhì)累積速率為2.57 g 株–1d–1, 麥肯1號和夏波蒂已經(jīng)出現(xiàn)負值。

施氮處理下, 3種馬鈴薯類型在出苗20~50 d的干物質(zhì)累積速率為克新1號>夏波蒂>麥肯1號, 差異顯著。整個生育期中克新1號和夏波蒂在出苗后35~50 d干物質(zhì)累積速率最大, 麥肯1號則在出苗后50~65 d干物質(zhì)累積速率最大。在出苗35~50 d克新1號干物質(zhì)累積速率高于麥肯1號87.47%。而在出苗50~65 d麥肯1號干物質(zhì)累積速率卻高于克新1號20.00%?？诵?號、夏波蒂在出苗后65~80 d的干物質(zhì)累積速率分別為6.77 g 株–1d–1、2.81 g 株–1d–1, 此時麥肯1號已經(jīng)出現(xiàn)負值。

2.5 不同氮素響應(yīng)類型馬鈴薯的氮素吸收和積累差異

表5表明, 不施氮處理下, 3個品種間的氮素累積量在出苗后35 d出現(xiàn)顯著差異。其中, 麥肯1號顯著低于另2個品種, 克新1號和夏波蒂無顯著差異。到出苗后65 d, 夏波蒂的氮素累積量增加相對較快, 并達到生育期最大值, 為5.08 g 株–1, 顯著高于克新1號和麥肯1號; 克新1號的氮素累積量顯著高于麥肯1號。施氮處理下的品種間差異在出苗后20 d就出現(xiàn)了。在出苗后20、35、50 d, 克新1號顯著的高于其他2個品種, 夏波蒂次之, 麥肯1號最低。出苗后65 d, 克新1號和夏波蒂的氮素累積量顯著高于麥肯1號。出苗后80 d, 3個品種的氮素累積量差異顯著, 克新1號最高, 夏波蒂次之, 麥肯1號最小。

表6表明, 各品種的氮素吸收速率隨著生育期的進程呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢, 在不施氮處理下, 克新1號和夏波蒂在出苗后35~50 d氮素吸收速率最大, 麥肯1號則在出苗后50~65d氮素吸收速率最大。在2個氮水平下, 克新1號和夏波蒂的氮素累積均連續(xù)上升, 而麥肯1號的氮素吸收速率則在出苗后20~35 d出現(xiàn)一個降低。說明不同品種的馬鈴薯在應(yīng)對外界氮素供應(yīng)強度方面存在遺傳上的差異。

表4 不同氮效率品種馬鈴薯干物質(zhì)累積速率的差異

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同基因型在0.05水平上差異顯著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

表5 不同氮效率品種馬鈴薯氮素累積量的差異

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同基因型在0.05水平上差異顯著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

表6 不同氮效率品種馬鈴薯氮素吸收速率的差異

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同基因型在0.05水平上差異顯著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

3 討論

氮高效育種是提高作物氮素營養(yǎng)效率的重要措施[11,21-22], 解析氮高效品種的生理機制具有重要意義。通過設(shè)置不同的供氮水平, 依據(jù)Moll等[18]和劉敏娜等[4]標(biāo)準(zhǔn)將7個馬鈴薯品種劃分為4個類型。雙高效型在2種氮水平下都具有較高的塊莖產(chǎn)量。低氮高效型在不施氮處理下具有較高的塊莖產(chǎn)量, 在施氮處理下反而較低。高氮高效型與低氮高效型恰恰相反。雙低效型在2種氮水平下的塊莖產(chǎn)量低于其他類型。顯而易見, 雙高效型為典型的氮高效馬鈴薯品種, 應(yīng)充分利用。雙低效型為典型的氮低效馬鈴薯品種, 應(yīng)謹慎使用。而高氮高效型和低氮高效型則位于氮高效和氮低效馬鈴薯品種中間, 應(yīng)酌情使用。

綜合分析不同學(xué)者的定義, 作物氮效率的評價主要包括氮素吸收效率與氮素利用效率2個方面[17-18,23-24], 氮素吸收效率(nitrogen uptake efficiency)是指一定時間內(nèi)植株所吸收的氮素的數(shù)量, 反映了作物對土壤中氮素吸收能力; 氮素利用效率(nitrogen use efficiency)是指單位植株吸收的氮所形成的經(jīng)濟產(chǎn)量。相同氮素供應(yīng)下不同類型馬鈴薯吸收和積累的氮素有差異, 表明了不同類型間氮素利用效率差異的原因不同。本研究表明, 雙高效型氮素利用效率顯著高于另2個類型, 氮素吸收效率則是雙高效型、低氮高效型顯著高于雙低效型。

干物質(zhì)生產(chǎn)與氮效率密切相關(guān), Saluzzo等[25]研究表明不同馬鈴薯品種的各生育時期的干物累積量存在顯著差異, 且產(chǎn)量高的品種干物質(zhì)累積量也相對較高。本文選擇雙高效型、低氮高效和雙低效型類型的代表品種, 對馬鈴薯氮素利用的品種差異分析表明, 在生育前期, 雙高效型馬鈴薯的干物質(zhì)累積速率顯著高于雙低效型和低氮高效型, 出苗后50 d, 雙高效型的干物質(zhì)累積速率達到最大值(表4), 此時另2個類型干物質(zhì)累積速率還在持續(xù)增加。在無霜期(生長期)有限的陰山丘陵地區(qū)(無霜期為100 d), 雙高效和低氮高效型產(chǎn)量之所以高于雙低型, 主要歸因于它們前期較高的干物質(zhì)累積(表3)。

作物干物質(zhì)生產(chǎn)很大程度上決定于植株對氮素的吸收和利用能力[26], 不同馬鈴薯品種不同時期各器官氮素含量均存在差異, 氮累積吸收量達到最大值后下降的幅度也存在差異[24]。前期的研究顯示, 在苗期、塊莖膨大期和成熟期, 雙高效型馬鈴薯品種氮積累的速度高于雙低效品種, 不同品種氮素積累最大峰值出現(xiàn)的時間存在差異[14]。本試驗表明, 雙高效型氮素累積速率顯著高于雙低效型、低氮高效型。較快進行氮素積累的馬鈴薯品種有利于提高整個生育期氮素的總積累量, 從而有利于后期產(chǎn)量的形成。

由于不同地區(qū)的自然氣候條件不同, 同一馬鈴薯品種在不同地區(qū)的表現(xiàn)不盡相同, 因此, 本文在內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)(陰山丘陵區(qū))對7個品種的氮素營養(yǎng)效率的評價和劃分, 僅對本地區(qū)的品種選擇利用提供指導(dǎo), 其他地區(qū)不能簡單照搬, 需進行必要的田間試驗。

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Classification of potato cultivars by their nitrogen use efficiency

HE Dan-Dan, JIA Li-Guo, QIN Yong-Lin, and FAN Ming-Shou*

College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China

Nitrogen efficiency of seven potato varieties was evaluated under field conditions with or without nitrogen application. Basing on tuber yield, plant nitrogen absorption and utilization of different potato cultivars, we classified nitrogen use efficiencies of seven potato varieties into four types: double high efficiency (DH), low nitrogen and high efficiency (LNH), high nitrogen and high efficiency (HNH), and double low efficiency (DL). Furthermore, one representative variety from DH, LNH and DL types respectively was selected to analyze the mechanism on the difference in nitrogen use efficiency, showing that nitrogen use efficiency of DH type was significantly higher than that of the other two types; the nitrogen absorption efficiency of DH and LNH was higher than that of DL type. Under no nitrogen application condition, the dry matter accumulation of DH type was significantly higher than that of the other two types at whole growth stage, and the cumulative rate of nitrogen in DH and LNH was significantly higher than that in DL type at 0–50 days after emergence. The dry matter accumulation of DH potato was significantly higher than that of the other two cultivars when nitrogen applied. Compared with DL type, the yield increase of DH and LNH was mainly attributed to the higher accumulation of dry matter at the early stage of potato. The nitrogen accumulation rate of DH was significantly higher than that of DL and LNH types under nitrogen fertilizer application. The greater nitrogen and dry matter accumulation in DH cultivars benefit yield formation and increase of nitrogen use efficiency. The results could provide theoretical support for high nitrogen use efficiency variety screening and its utilization.

potato; nitrogen uptake efficiency; N nitrogen use efficiency

2018-04-16;

2018-10-08;

2018-11-01.

10.3724/SP.J.1006.2019.84059

通信作者(Corresponding author): 樊明壽, E-mail: fmswh@126.com, Tel:0471-4307390

E-mail: he781249187@163.com

本研究由內(nèi)蒙古重大專項“馬鈴薯種薯繁育與商品薯生產(chǎn)中資源高效利用技術(shù)的創(chuàng)新”、“馬鈴薯輪作體系優(yōu)化及水肥資源高效利用技術(shù)的研究與應(yīng)用”(KCBJ2018010)和內(nèi)蒙古高校創(chuàng)新團隊馬鈴薯高產(chǎn)高效團隊(NMGIRT-A1602)項目資助。

This study was supported by the Inner Mongolia Major Special Project “Innovation of Resource Use Efficiency Improvement Technology during Seed Potato Propagation and Commercial Potato Production”, “Optimization of potato rotation system and its improvement and application in water and fertilizer management technology (KCBJ2018010)”, Innovative Research Team Project of Inner Mongolia “Innovative Team of Potato High Yield and High Efficiency (NMGIRT-A1602)”.

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20181030.1734.006.html