施氮對塔額盆地甜菜干物質(zhì)與氮素積累及產(chǎn)量品質(zhì)的影響

王 娟，白如霄，陳英花，危常州，楊克明，崔 健

( 1.石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第九師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆塔城 834601)

中國甜菜生產(chǎn)主要分布在新疆、黑龍江和內(nèi)蒙三大產(chǎn)糖大省[1]。2018年新疆甜菜播種面積為57260hm2，占全國播種面積的26.5%；平均單產(chǎn)72757kg·hm-2，高出全國單產(chǎn)39.4%[2]。塔額盆地是新疆甜菜重要的種植區(qū)[3]，近年來該地區(qū)引入水肥一體化節(jié)水灌溉施肥技術(shù)，該技術(shù)能夠根據(jù)作物不同生育期的水肥需求規(guī)律，定時(shí)定量施肥在作物根系附近，因此具有增產(chǎn)、提高甜菜含糖率、節(jié)水節(jié)肥，降低投入的特點(diǎn)[4]。氮肥管理對甜菜生產(chǎn)至關(guān)重要[5]，供應(yīng)不足會降低塊根和蔗糖產(chǎn)量，而過量供應(yīng)則會降低蔗糖含量，增加塊根雜質(zhì)，進(jìn)而影響蔗糖的提取[6-8]。塔額盆地甜菜種植傳統(tǒng)上氮肥用量很高[9]，施氮達(dá)300～360kg·hm-2，過量施用氮肥導(dǎo)致葉叢繁茂[10-11]，降低含糖量[12-13]，且氮環(huán)境排放量高，肥料利用率下降[14-15]，降低農(nóng)民收益。前人研究結(jié)果表明在內(nèi)蒙古和黑龍江甜菜產(chǎn)區(qū)，施氮150～180kg·hm-2甜菜塊根產(chǎn)量最高[16-18]，施氮120～150kg·hm-2甜菜產(chǎn)糖量最優(yōu)[16,18-19]，而針對新疆甜菜產(chǎn)區(qū)的研究多集中在氮肥運(yùn)籌等方面[20-23]。

本試驗(yàn)在滴灌施肥條件下研究施氮對甜菜干物質(zhì)、氮素積累規(guī)律的影響，確定在保持甜菜高產(chǎn)和高糖的條件下適宜的氮肥用量，為塔額盆地甜菜減肥增效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2019年在塔額盆地168團(tuán)一連開展田間試驗(yàn)。該地區(qū)氣候?qū)俚湫痛箨懶詺夂?。夏季短而炎熱，冬季長而寒冷，光照充足，晝夜溫差大，有效積溫2 800～3 200 ℃，無霜期126～141 d，年均降水量398.4 mm，年潛在蒸發(fā)量1 515.5 mm，海拔683 m。

以塔額墾區(qū)近年來主栽甜菜(BetavulgarisL.)品種‘Beta796’為試驗(yàn)材料。供試土壤為沙壤土，0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量19.8 g·kg-1，堿解氮57.19 mg·kg-1，有效磷25.15 mg·kg-1，速效鉀236.9 mg·kg-1，pH為7.1 。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，以不施氮素處理(N0)為對照，其余3個(gè)處理氮素施用量分別為150 kg·hm-2、210 kg·hm-2和270 kg·hm-2，分別記作N1、N2和N3，其中N3是當(dāng)?shù)亓?xí)慣氮肥施肥量。各處理均為P2O5用量180 kg·hm-2和K2O用量150 kg·hm-2。試驗(yàn)肥料為普通尿素[w(N)=46%] 、磷酸二銨[w(N)=18%，w(P2O5)=46%]、硫酸鉀[w(K2O)=50%] 。氮、磷、鉀肥通過水肥一體化全部作為追肥施用，甜菜不同生育期施肥時(shí)期及施肥量見表1。灌溉量和灌溉時(shí)間同當(dāng)?shù)靥鸩舜筇锷a(chǎn)保持一致，其他田間管理參考當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)模式。

表1 不同氮肥處理施肥時(shí)間與施肥量

小區(qū)面積為140 m2，每處理重復(fù)3次，田間隨機(jī)區(qū)組排列。甜菜采用地膜覆蓋種植模式，一膜兩行，株行距配置方式為45 cm ×19 cm，播種密度 11.7 萬株·hm-2。4月7日播種，4月18日出苗，10月11日收獲 。收獲時(shí)測定小區(qū)產(chǎn)量、塊根干物質(zhì)積累、甜菜地上部、地下部氮養(yǎng)分含量、塊根含糖率、α-氨基氮、K+和 Na+含量。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 甜菜干物質(zhì)及葉面積指數(shù) 甜菜出苗后于苗期( 5月16日) 、塊根形成分化期( 6月20日)、葉叢快速生長期( 7月16 日) 、塊根及糖分增長期( 8月20) 、糖分積累期( 9月11) 、收獲期( 10月11日)取各小區(qū)代表性植株5株帶回實(shí)驗(yàn)室，將植株分為地上部和地下部。甜菜地上部葉片先采用Li-3100葉面積儀測定所有葉片面積，用于計(jì)算葉面積指數(shù)。然后將地上部、地下部植株樣品用自來水洗凈后，再用蒸餾水沖洗 2～3 次，在105 ℃殺青30 min 。地上部在70 ℃烘箱中烘至恒量。地下部塊根置于通風(fēng)干燥處晾干(塊根中后期含糖量較高，殺青后直接烘干易流失糖分)，再放置 70 ℃下烘干至恒量。稱量植物樣品干質(zhì)量獲得甜菜地上部和地下部干物質(zhì)積累量。

1.3.2 甜菜地上部、地下部氮養(yǎng)分含量 地上部和地下部樣品烘干后粉碎，過0.25 mm篩。采用濃H2SO4炭化，H2O2高溫消煮，使用凱氏定氮儀(中國，海能K9840)測定氮素含量。

1.3.3 產(chǎn)量 收獲期對各處理未取樣的小區(qū)進(jìn)行實(shí)收。每個(gè)處理量取6.67 m2，將所有甜菜塊根完好挖出，及時(shí)削除地上部分及青頭、根毛，測定單位面積塊根數(shù)，保苗數(shù)，準(zhǔn)確稱量各試驗(yàn)小區(qū)單位面積的塊根鮮質(zhì)量。

1.3.4 甜菜品質(zhì) 在甜菜測產(chǎn)的同時(shí)，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取具有代表性的甜菜塊根10株，測定甜菜含糖率。將甜菜塊根清洗干凈后，用手持式折光儀(日本，愛拓)分別測定塊根根體(上、中、下)部位錘度值，取平均值，再乘以0.83得到塊根蔗糖含糖率[24]。利用甜菜品質(zhì)分析儀(德國，維尼瑪)進(jìn)行α-氨基氮、K+和 Na+含量的測定。

利用α-氨基氮、K+和 Na+含量計(jì)算雜質(zhì)值、蔗糖糖蜜損失率、蔗糖回收率和可回收蔗糖產(chǎn)量，具體計(jì)算公式[8,25-26]為：雜質(zhì)值=[(2.5×Na+)+(3.5×K+)+(9.5×α-氨基氮)]/10 000；蔗糖糖蜜損失率=雜質(zhì)值×1.5；蔗糖回收率=(蔗糖含糖率-蔗糖糖蜜損失率)/蔗糖含量；可回收蔗糖產(chǎn)量= 蔗糖產(chǎn)量×回收率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016及SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對甜菜生長狀況的影響

2.1.1 對甜菜葉面積指數(shù)的影響 圖1顯示不同氮素處理甜菜的葉面積指數(shù)呈單峰曲線動態(tài)變化，亦即所有的處理隨生育時(shí)期都呈先升高后降低的趨勢。甜菜在6月30日前未進(jìn)行施氮處理，因此不同處理間在塊根分化期葉面積指數(shù)無顯著性差異；N0、N1、N2、N3處理葉面積指數(shù)在塊根及糖分增長期達(dá)到峰值，分別為3.51、4.05、 5.34、和5.99，且不同處理間存在顯著差異；自塊根及糖分增長期之后，各處理葉面積均呈下降趨勢，不同處理間隨氮肥施用量的增加葉面積指數(shù)達(dá)到顯著性差異。甜菜葉叢快速增長期至收獲期，甜菜葉面積指數(shù)均隨施氮量的增加而增大。

2.1.2 對甜菜干物質(zhì)積累的影響 圖2顯示甜菜地上部、地下部干物質(zhì)積累量隨生育進(jìn)程呈先增加后降低的趨勢。塊根分化形成期未進(jìn)行施氮處理，各處理間無顯著性差異。塊根分化形成期至收獲前各處理間干物質(zhì)積累量差異逐漸增大。甜菜地上部、地下部、總干物質(zhì)積累量在不同生育期均表現(xiàn)為隨施氮量的增加而增加，顯著高于不施氮處理。

葉叢快速生長期到塊根及糖分增長期甜菜干物質(zhì)速度加快，積累量最多，占全生育期干物質(zhì)積累量的29.9%～42.5%，其次是塊根形成分化期-葉叢快速生長期積累干物質(zhì)較多，占全生育期積累量的27.9%～36.6%。甜菜塊根及糖分積累期至收獲期，甜菜地上部干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為N2、N3處理間無顯著性差異，但其他處理間差異顯著；在甜菜整個(gè)生育時(shí)期，不同施氮處理地下部干物質(zhì)積累量差異顯著。施氮有利于甜菜地下部的干物質(zhì)積累，隨施氮量增加，地下部干物質(zhì)積累加快，有利于提高塊根產(chǎn)量。

2.1.3 不同施氮量甜菜干物質(zhì)及塊根干物質(zhì)積累動態(tài)模型 使用Logistic 曲線模型模擬甜菜干物質(zhì)和地下部干物質(zhì)積累量，各處理擬合模型的F檢驗(yàn)均達(dá)極顯著水平(P<0.01)。計(jì)算各處理干物質(zhì)積累方程的主要特征參數(shù)，結(jié)果見表2 。W為干物質(zhì)最大積累量，b為生長速率參數(shù)，均隨施氮量的增加表現(xiàn)為上升趨勢，施氮處理的生長速率明顯高于不施氮處理。與N0相比，N1、N2和N3處理的干物質(zhì)積累量分別增加28.3%、 37.5%、44.4%，干物質(zhì)積累最大速率分別增加 26.4%、86.8%、114.4%。不同氮肥處理進(jìn)入干物質(zhì)快速累積的時(shí)間(t1) 相近，約在第66.2 天～第70.1天；波動幅度為3.9 d;增加氮肥用量有推遲t1的趨勢；各處理結(jié)束干物質(zhì)快速累積的時(shí)間(t2) 相差較大，在 106.3～123.5 d，波動幅度為17.2 d，其中僅 N1處理晚于N0處理2.1 d，而N2、N3處理均提前。甜菜干物質(zhì)積累快速增長期對應(yīng)甜菜的生育期為塊根分化形成期-塊根及糖分增長期。甜菜干物質(zhì)累積速率的最大值Vmax及Vmean均隨施氮量的增加而增加，N3、N2處理Vmax遠(yuǎn)高于N1、N0處理，因此導(dǎo)致快速累積持續(xù)時(shí)間Δt縮短。

表2 不同施氮量下甜菜地下部和群體干物質(zhì)積累Logistic 曲線及參數(shù)估值

各處理甜菜地下部干物質(zhì)進(jìn)入快速累積的時(shí)間、結(jié)束快速累積的時(shí)間、快速積累高峰期均晚于甜菜群體干物質(zhì)積累。各處理甜菜地下部干物質(zhì)積累趨勢與甜菜群體干物質(zhì)積累趨勢保持一致。綜上，施氮能增加甜菜干物質(zhì)積累量、塊根干物質(zhì)積累量以及提高干物質(zhì)積累速率。

2.2 不同施氮量對甜菜氮養(yǎng)分吸收的影響

2.2.1 對甜菜氮積累和分配的影響 不同生育階段甜菜氮素吸收量(表3)可以看出，在苗期和塊根分化形成期未施用氮肥，各處理地上部、地下部氮素吸收量無顯著性差異。進(jìn)入葉叢快速生長期后，甜菜地上部、地下部以及整株氮吸收量均隨施氮量的增加而增加。施氮處理地上部、地下部氮素吸收量顯著高于不施氮處理，各處理間氮素積累在地上部和地下部的分配無顯著性差異，地上部氮素吸收量占總吸收量的66.00%～ 67.87%，地下部氮素吸收量占總吸收量的 32.13%～33.99%。在甜菜塊根及糖分增長期，甜菜地上部、地下部氮素吸收量顯著加快，N2和N3處理地上部氮素吸收量無顯著性差異，但顯著高于其他處理；不同施氮處理地下部氮吸收量差異顯著。糖分積累期因甜菜地上部葉叢枯萎黃化，不同處理地上部氮素吸收量有減少現(xiàn)象，各處理間達(dá)到極顯著差異；不同氮素處理地下部氮吸收量持續(xù)增加，施氮處理地下部氮吸收量顯著高于不施氮處理。糖分積累期各處理地上部吸收氮持續(xù)向地下部轉(zhuǎn)移，地下部氮吸收量占總量的57.3%～61.5%，地下部氮吸收的分配比例隨施氮量的增加而減少。收獲期甜菜地上部、地下部氮吸收量均隨施氮量的增加而增大，所有處理地上部氮素吸收量減少，地下部氮吸收比例隨施氮量的增加而增加，不同施氮處理間地下部氮吸收量存在顯著差異；地下部氮素吸收量占比達(dá) 56.26%～ 69.23%，其中N2、N3處理地下部氮分配比例顯著高于不施氮處理，說明施氮在甜菜生長后期仍能持續(xù)將地上部的氮素向地下部轉(zhuǎn)移。綜上，施氮能夠增加甜菜地上部、地下部及整株的吸氮量，且增加地下部氮素分配比例。

表3 不同施氮量下甜菜地上部、地下部氮吸收量及比例分配

2.2.2 不同施氮量甜菜氮養(yǎng)分積累動態(tài)模型 用甜菜各生育期氮素吸收量進(jìn)行Logistic方程擬合(見表4)，擬合方程的F檢驗(yàn)均達(dá)極顯著水平(P< 0.01)。 表4顯示，N1、N2和N3處理氮素最大積累量較不施氮處理分別增加64.3%、 101.7%、 130.3%，氮素最大積累速率增加 63.1%、173.7%、200.0%。不同處理進(jìn)入氮素快速累積的時(shí)間(t1) 在42.6～59.3 d，波動幅度為 16.7 d; 氮素快速累積結(jié)束時(shí)間(t2) 在109.6～122.6 d，波動幅度為13.0 d；甜菜氮快速積累期在塊根形成分化期-塊根及糖分增長期；甜菜氮素快速積累高峰期在葉叢快速生長期。不同處理氮素快速累積的持續(xù)時(shí)間(Δt)有較大差異，在 50.5～68.0 d。與N0相比，隨施氮量增加甜菜進(jìn)入氮素快速積累時(shí)間推遲；總體上施用氮肥甜菜氮素快速累積的持續(xù)時(shí)間Δt縮短，其主要原因是施氮能增加氮素最大積累速率和氮素平均積累速率。甜菜地上部氮積累速率隨生育期推進(jìn)呈先增加后降低的趨勢，施用氮肥能增加甜菜氮素積累總量、提高甜菜氮素積累速率，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，合理調(diào)整氮肥用量及施用比例，能有效提高甜菜氮素累積量。

表4 不同施氮量下甜菜氮吸收Logistic 曲線及參數(shù)估值

2.3 不同施氮量對甜菜產(chǎn)量、產(chǎn)糖量及品質(zhì)的 影響

表5數(shù)據(jù)顯示，施氮顯著提高甜菜產(chǎn)量，甜菜產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，N1、N2和N3處理塊根產(chǎn)量分別比N0處理增加15.7%、27.7%和32.1%，不同處理產(chǎn)量差異顯著。收獲期各處理甜菜塊根蔗糖含量隨施氮量的增加而下降；與N0處理相比，N1、N2和N3處理含糖量分別降低 1.92%、6.00%和7.92%，除N3處理塊根蔗糖含量顯著低于N0處理，其他處理間蔗糖含量差異不顯著。施氮處理蔗糖產(chǎn)量顯著高于N0處理，隨施氮量增加蔗糖產(chǎn)量呈增加趨勢，N3處理蔗糖產(chǎn)量為17.95 t·hm-2，與N2處理產(chǎn)糖量無顯著性差異，但顯著高于N1、N0處理。

表5 不同施氮量下甜菜的產(chǎn)量和品質(zhì)特征

甜菜塊根中非糖物質(zhì)(K+、Na+和α-氨基氮含量)會降低蔗糖提取率，直接影響甜菜加工出糖率，是影響塊根品質(zhì)的主要因素。 收獲期各處理塊根中α-氨基氮和Na+含量均表現(xiàn)為隨施氮量的增加呈增加趨勢，且施氮處理顯著高于不施氮處理。塊根中K+含量也表現(xiàn)為施氮處理高于不施氮處理，其中N2、N3處理K+含量顯著高于N0處理。根據(jù)K+、Na+和α-氨基氮含量計(jì)算甜菜蔗糖糖蜜損失，結(jié)果表明甜菜蔗糖糖蜜損失隨施氮量的增加呈增加趨勢，蔗糖回收率下降;塊根蔗糖糖蜜損失N0 處理顯著低于施氮處理，各施氮處理間糖蜜損失差異不顯著。N0處理蔗糖回收率為95.3%，顯著高于其他施氮處理，各施氮處理間蔗糖回收率差異不顯著。施氮處理的可回收蔗糖產(chǎn)量顯著高于不施氮處理，N3處理可回收蔗糖產(chǎn)量最高，為16 688 kg·hm-2，但不同施氮處理間可回收糖產(chǎn)量之間無顯著性差異。綜上所述，施氮能夠提高甜菜塊根產(chǎn)量，但同時(shí)增加塊根中K+、Na+和α-氨基氮含量，降低蔗糖回收率。綜合不同施氮量下甜菜產(chǎn)量、產(chǎn)糖量、品質(zhì)與種植收益，塔額盆地滴灌條件下高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)甜菜的氮肥推薦用量為210 kg·hm-2。

3 討 論

3.1 施氮對甜菜干物質(zhì)和氮素積累動態(tài)的影響

甜菜是收獲地下塊根作物，施氮水平直接影響甜菜干物質(zhì)積累與分配[27]、氮素的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究結(jié)果表明隨施氮量的增加，甜菜地上部、地下部干物質(zhì)積累量增加，但向地下部分配的光合產(chǎn)物比例減少其中施氮150 kg·hm-2能提高干物質(zhì)積累速率同時(shí)增加干物質(zhì)快速積累持續(xù)時(shí)間，這與于海彬等[28]研究結(jié)果表明在0～135 kg·hm-2施氮水平下塊根干物質(zhì)快速生長期持續(xù)時(shí)間延長，塊根干物質(zhì)最大積累速率增加的結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明隨施氮量的增加，甜菜氮素積累進(jìn)入快速增長期的時(shí)間越晚，平均積累速率顯著增加，這與施氮在花生[29]、馬鈴薯[30]氮積累上的研究結(jié)果相似。

該結(jié)果表明不同施氮水平下氮素快速積累高峰期出現(xiàn)時(shí)間比干物質(zhì)積累高峰期出現(xiàn)的時(shí)間早2～17 d，施氮明顯縮短干物質(zhì)積累高峰期與氮素積累高峰期的時(shí)間差，說明干物質(zhì)的積累是依賴于氮素的積累。比較干物質(zhì)和氮素快速積累結(jié)束時(shí)間，不施氮處理氮積累快速積累結(jié)束時(shí)間早于干物質(zhì)快速積累結(jié)束時(shí)間10 d，說明N0處理后期較早脫氮，影響干物質(zhì)積累；充足的氮素供應(yīng)是干物質(zhì)生產(chǎn)的前提，因此通過合理施用氮肥以保證干物質(zhì)有效積累至關(guān)重要。

3.2 施氮對甜菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

適量施氮能協(xié)調(diào)甜菜最佳產(chǎn)量和含糖量[5]，施肥不足會限制塊根產(chǎn)量，而過度施氮會降低蔗糖濃度，增加甜菜雜質(zhì)，影響蔗糖回收[7]。本結(jié)果表明施氮能增加甜菜塊根產(chǎn)量，不同處理間差異顯著；塊根含糖量隨施氮量增加呈降低的趨勢。施氮270 kg·hm-2處理產(chǎn)糖量最高，為17.95 t·hm-2；施氮210 kg·hm-2處理產(chǎn)糖量為 17.73 t·hm-2，兩個(gè)處理間產(chǎn)糖量差異不顯著，但顯著高于其他處理。于雪等[17]和蔡柏巖等[18]在黑龍江產(chǎn)區(qū)，郭曉霞等[10]在內(nèi)蒙古產(chǎn)區(qū)研究結(jié)果表明甜菜產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，施氮180 kg·hm-2塊根產(chǎn)量最高，施氮120～150 kg·hm-2產(chǎn)糖量最優(yōu)，表明塔額盆地甜菜生產(chǎn)適宜施氮量較高。

在甜菜加工過程中，甜菜品質(zhì)取決于塊根含糖量以及塊根中產(chǎn)生的阻礙蔗糖提取的可溶性成分(雜質(zhì))濃度[31]。大多數(shù)國外甜菜加工企業(yè)根據(jù)甜菜可提取或可回收蔗糖數(shù)量確定甜菜收購價(jià)格[32]，因此加工企業(yè)特別關(guān)注塊根中K+、Na+和α-氨基氮的含量[33]。Last 等[34]使用K+、Na+和α-氨基氮濃度來估算糖蜜損失蔗糖的百分比，計(jì)算可回收的蔗糖濃度(每噸可回收糖)。高濃度的可溶性非糖化合物會增加生產(chǎn)助劑和能源需求，每千克雜質(zhì)能阻礙1.5～1.8 kg蔗糖結(jié)晶并損失到糖蜜中[31]，嚴(yán)重降低加工效率[25]。本研究結(jié)果表明，與不施氮處理相比，施氮增加Na+、K+和α-氨基氮等雜質(zhì)含量，顯著降低蔗糖回收率和可回收蔗糖產(chǎn)量，但不同施氮處理間可回收蔗糖產(chǎn)量并無顯著性差異。Afshar等[8]研究表明不同耕作制度下，施氮量從 56 kg·hm-2增加到224 kg·hm-2，甜菜塊根產(chǎn)量均呈線性增長，但可回收蔗糖產(chǎn)量無顯著性差異，本結(jié)果也表現(xiàn)出相同的趨勢。因此在甜菜生產(chǎn)中，要同時(shí)兼顧甜菜塊根產(chǎn)量和品質(zhì)，不宜施用過多氮肥。

4 結(jié) 論

施氮增加甜菜葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量及氮素積累量，提高干物質(zhì)及氮素的最大累積速率及平均積累速率。施氮顯著提高甜菜塊根產(chǎn)量，但降低甜菜塊根含糖量，增加塊根雜質(zhì)含量，導(dǎo)致蔗糖回收率降低。綜合不同施氮量下甜菜產(chǎn)量、產(chǎn)糖量、品質(zhì)與種植收益，塔額盆地滴灌條件下高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)甜菜的氮肥推薦用量為210 kg·hm-2，這一數(shù)量比當(dāng)?shù)貞T用施氮量低60 kg·hm-2。