甜菜品種間氮效率差異及其對(duì)產(chǎn)質(zhì)量的影響

郭 明,邢旭明,2,杜晨曦,魏 磊,伊六喜,史樹德,高 潔,肖 強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,呼和浩特 010019;2.內(nèi)蒙古佰惠生新農(nóng)業(yè)科技股份有限公司,內(nèi)蒙古赤峰 024000;3.內(nèi)蒙古林西縣農(nóng)牧局,內(nèi)蒙古赤峰 025250;4.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心,呼和浩特 010000)

0 引言

甜菜(BetavulgarisL.)是我國第二大糖料作物,也是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,發(fā)展甜菜生產(chǎn)對(duì)區(qū)域農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興具有重要意義[1]。近年來,甜菜種植過程中氮肥施用常采用一次性基施方法,導(dǎo)致甜菜在塊根及糖分增長期以前氮素過量,甜菜地上部貪青徒長,生長中心向塊根中轉(zhuǎn)移推遲。后期氮素不足,功能葉片早衰,最后造成甜菜產(chǎn)量和含糖率下降[2-3]。因此甜菜生產(chǎn)中應(yīng)精準(zhǔn)施用氮肥,提高甜菜氮肥利用率,同時(shí)兼顧碳氮代謝平衡,這對(duì)于甜菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)至關(guān)重要[4-5]。關(guān)于甜菜氮效率與產(chǎn)質(zhì)量關(guān)系的研究,周建朝等[6]和韓卓君等[7]分別在桶栽和苗期盆栽試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同甜菜品種間氮效率差異顯著。LAUFER等[8]和EBMEYER等[9]研究表明,糖用甜菜較飼用甜菜有著更高的氮肥利用率,品種間氮效率差異決定產(chǎn)糖量高低。王秋紅等[10]研究認(rèn)為,氮高效型甜菜品種具有合理的根冠比和較高的氮轉(zhuǎn)運(yùn)量。當(dāng)前甜菜生產(chǎn)中,主推的甜菜品種登記類型主要包括豐產(chǎn)型、高糖型和標(biāo)準(zhǔn)型3種,目前,不同類型品種間氮素吸收分配規(guī)律及其氮效率差異對(duì)產(chǎn)質(zhì)量影響的研究較少。因此,本文在不同施氮處理下,研究不同類型甜菜品種氮效率等生理指標(biāo)與產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)系,以期明確氮素調(diào)控對(duì)不同類型甜菜品種產(chǎn)量和含糖率的影響,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中精準(zhǔn)施用氮肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021—2022年4月至10月在赤峰市林西縣甜菜試驗(yàn)基地進(jìn)行,該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,土壤質(zhì)地為砂壤土,前茬作物為蕎麥。年均氣溫4.3 ℃,無霜期110 d。試驗(yàn)田基本理化性質(zhì)如下:堿解氮90.01 mg/kg、有效磷174.94 mg/kg、速效鉀151.2 mg/kg、有機(jī)質(zhì)17.72 g/kg、pH 8.06。

1.2 供試品種

從前期品種區(qū)域試驗(yàn)中,篩選出4個(gè)具有代表性的主推甜菜品種:高糖型品種‘KWS1197’(德國KWS公司)、豐產(chǎn)型品種‘HI1003’(瑞士先正達(dá)公司)、標(biāo)準(zhǔn)型品種‘IM1162’(荷蘭安地公司)和‘SX1511’(美國圣德克森公司)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩因素裂區(qū)設(shè)計(jì),主區(qū)為3種不同施氮處理,分別設(shè)置不施氮N0(0 kg/hm2)、低氮N75(75 kg/hm2)和高氮N225(225 kg/hm2)3個(gè)氮肥梯度,副區(qū)為4個(gè)不同類型甜菜品種。株行距為20 cm×55 cm,理論株數(shù)90 900株/hm2,小區(qū)面積24 m2(4 m×6 m),4次重復(fù)。供試氮肥為尿素(含N為46.4%),按照基追比6∶4施入,追肥于葉叢快速生長初期施入[11]。磷肥和鉀肥分別施重過磷酸鈣(含P2O5為46%)和硫酸鉀(含K2O為52%),各按300、225 kg/hm2以基肥形式施入。4月2日育苗,5月7日大田移栽,灌水方式為膜下滴灌。

1.4 取樣方法及樣品處理

分別在6月26日(苗期)、7月18日(葉叢快速生長中期)、8月9日(塊根及糖分增長前期)、8月29日(塊根及糖分增長后期)、9月19日(糖分積累期)、10月10日(收獲期)進(jìn)行取樣[12]。取樣時(shí)在每小區(qū)隨機(jī)選取長勢(shì)均勻一致的5株甜菜,做好標(biāo)記整株裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室,清洗后分別稱取各器官鮮重。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目及方法

(1)干物質(zhì)量:葉片、葉柄和塊根各自稱取100 g 置于鼓風(fēng)干燥箱105 ℃殺青30 min,75 ℃烘干至恒重,測(cè)定干重[12]。

(2)全氮:將烘干的樣品磨碎后,100目過篩,稱取葉片、葉柄和塊根干樣,用H2SO4-H2O2法消煮制備待測(cè)液,通過凱氏自動(dòng)定氮儀測(cè)定樣品全氮含量[13]。

(3)測(cè)產(chǎn)檢糖:甜菜收獲期每小區(qū)甜菜按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10496-2002對(duì)甜菜塊根進(jìn)行修削,測(cè)定單位面積產(chǎn)量,用錘度計(jì)測(cè)定錘度值,含糖率(%)=錘度值(%)×0.83,產(chǎn)糖量(kg/hm2)=產(chǎn)量(kg/hm2)×含糖率(%)[12]。

1.6 計(jì)算方法

氮素吸收利用效率各參數(shù)計(jì)算方法:氮積累量=氮含量×干物質(zhì)量;氮素利用效率(NUtE)=產(chǎn)量/氮積累量;氮素吸收效率(NUpE)=氮積累量/施氮量;氮肥利用率(NUE)=(施氮區(qū)氮積累量-不施氮區(qū)氮積累量)/施氮量×100[14-15]。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,GraphPad Prism 8作圖,SPSS 23.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素處理對(duì)干物質(zhì)量分配的影響

不同施氮處理下,不同甜菜品種地上部干物質(zhì)量分配隨生育時(shí)期推進(jìn)逐漸降低,塊根干物質(zhì)量分配隨生育時(shí)期推進(jìn)逐漸升高(見表1)。隨著施氮量的增加,生長中心轉(zhuǎn)移(塊根干物質(zhì)量分配大于50%,即生長中心由地上轉(zhuǎn)入塊根)出現(xiàn)推遲。6月26日至7月18日,不同施氮處理及品種間地上部與塊根干物質(zhì)量分配無明顯規(guī)律,此時(shí)正是葉叢快速生長階段,氮素吸收量較低。8月9日至8月29日,N0和N75處理,豐產(chǎn)和高糖型品種地上部干物質(zhì)量分配較標(biāo)準(zhǔn)型品種增加4.57%～36.77%;N0和N75處理生長中心已向塊根中轉(zhuǎn)移,而N225處理生長中心仍以地上為主(地上部干物質(zhì)量分配大于50%)。9月19日開始,N225處理下,豐產(chǎn)和高糖型品種地上部干物質(zhì)量分配較標(biāo)準(zhǔn)型品種增加7.83%～27.01%。

表1 甜菜品種間地上部與塊根干物質(zhì)量分配Table 1 Distribution of above-ground part and root dry matter among sugar beet varieties 單位:%

2.2 氮素處理對(duì)根冠比的影響

根冠比反映甜菜地上部和塊根有機(jī)物分配與生長動(dòng)態(tài)變化。不同施氮處理下,甜菜品種間根冠比均表現(xiàn)為隨生育時(shí)期推進(jìn)逐漸增加,趨勢(shì)與塊根干物質(zhì)量分配基本一致,各品種根冠比從8月9日開始迅速增加,且生長中心由地上部轉(zhuǎn)變?yōu)橐詨K根為主(見表2)。N0和N75處理下,8月29日和9月19日,標(biāo)準(zhǔn)型品種根冠比較豐產(chǎn)和高糖品種增加3.24%～68.29%,但標(biāo)準(zhǔn)型品種間、豐產(chǎn)與高糖型品種間根冠比差異不顯著。N225處理下,8月29日以后,標(biāo)準(zhǔn)型品種根冠比較豐產(chǎn)和高糖型品種增加9.60%～47.13%;生長中心在8月29日轉(zhuǎn)向塊根,因?yàn)楦叩幚硎谷~叢生長過旺,所以生長中心向塊根轉(zhuǎn)移推遲。說明氮肥過量促進(jìn)了葉叢重量增加,降低了根冠比;標(biāo)準(zhǔn)型品種根冠比在塊根及糖分增長期后高于豐產(chǎn)型和高糖型,說明標(biāo)準(zhǔn)型品種地上部與塊根比例受氮肥影響較小。收獲期N0處理根冠比高于其他處理,因?yàn)榇藭r(shí)不施氮地上部早衰,導(dǎo)致根冠比增大。

表2 甜菜品種間根冠比Table 2 Root-to-shoot ratio among sugar beet varieties

2.3 不同甜菜品種氮含量、氮積累量與氮素分配特征

2.3.1 氮含量變化

隨著生育時(shí)期的推進(jìn),不同施氮處理下,不同甜菜品種地上部和塊根氮含量逐漸降低,地上部高于塊根氮含量,表明甜菜營養(yǎng)生長生育期氮代謝以葉叢為主(見圖1)。N0和N75處理下,豐產(chǎn)型品種‘HI1003’地上部氮含量在6月26日較高,7月18日至10月10日豐產(chǎn)型品種氮含量逐漸下降,標(biāo)準(zhǔn)和高糖型品種地上部氮含量逐漸上升;N225處理下,豐產(chǎn)型品種地上部氮含量整體均高于其他品種,說明豐產(chǎn)型品種在高氮處理下,氮素吸收能力更強(qiáng);除了N225處理下,8月9日和8月29日高糖型品種‘KWS1197’塊根中氮含量略高于標(biāo)準(zhǔn)型品種‘IM1162’,N75和N225處理下,高糖型品種‘KWS1197’塊根中氮含量全生育期整體低于其他品種,糖分積累期趨勢(shì)更明顯。

圖1 不同甜菜品種地上部、塊根全氮含量Fig.1 Total nitrogen content of above-ground part and root of different sugar beet varieties

2.3.2 氮積累量變化

甜菜各品種地上部氮積累量隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升高后降低變化趨勢(shì),在8月9日達(dá)最高。塊根氮積累量隨生育時(shí)期推進(jìn)逐漸增加,葉叢和塊根氮積累量隨施氮量增加而增加,但總體上氮積累量地上部高于塊根(見圖2)。N0處理下,高糖型品種‘KWS1197’在10月10日地上部和塊根氮積累量高于其他品種,但差異不顯著;N75處理下,標(biāo)準(zhǔn)型品種‘IM1162’全生育期地上部和塊根氮積累量高于其他品種;N225處理下,豐產(chǎn)型和高糖型品種10月10日地上部和塊根氮積累量高于標(biāo)準(zhǔn)型品種,高糖型品種地上部氮積累量顯著高于其他品種(P＜0.05)。

圖2 不同甜菜品種地上部、塊根氮素積累量Fig.2 Nitrogen accumulation in above-ground part and root of different sugar beet varieties

2.3.3 氮素分配變化

甜菜各品種生育期內(nèi),地上部氮素分配率高于塊根;地上部氮素分配率隨生育時(shí)期推進(jìn)呈降低變化趨勢(shì),塊根氮素分配率隨生育時(shí)期推進(jìn)逐漸增加。6月26日至8月9日,豐產(chǎn)型品種地上部氮素分配率高于高糖型品種;N0處理地上部氮素分配高于N75和N225處理,此時(shí)生長中心為地上部,氮素不足時(shí)優(yōu)先分配地上部所致。8月29日至10月10日,豐產(chǎn)型品種地上部氮素分配低于高糖型品種,標(biāo)準(zhǔn)型品種在10月10日地上部氮素分配率低于高糖型品種,塊根中氮素分配生育期整體表現(xiàn)與地上部品種間趨勢(shì)相反,此時(shí)N0處理地上部氮素分配率低于N75和N225處理(見表3),說明適度施氮有利于塊根及糖分增長期及以后地上部氮素分配增加,有助于功能葉的維持,增加光合產(chǎn)物向塊根的輸入,減少塊根氮素分配率,有助于生產(chǎn)工藝要求的α-氨基氮的降低[16]。

表3 甜菜品種間氮素分配率Table 3 Nitrogen distribution rate among sugar beet varieties 單位:%

2.4 甜菜品種間氮效率參數(shù)的差異

2.4.1 氮素吸收和利用效率差異

甜菜各品種的氮素吸收效率(NUpE)和氮素利用效率(NUtE)隨施氮量增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但6月26日NUtE變化幅度不顯著(見表4)。相同施氮處理下,NUtE隨生育時(shí)期推進(jìn)逐漸升高,NUpE隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升高后降低變化趨勢(shì),最高值出現(xiàn)在8月9日。N75處理下各品種在生育期NUpE和NUtE顯著高于N225處理(P＜0.05)。在9月19日糖分積累期以后,甜菜品種間NUtE均表現(xiàn)豐產(chǎn)型品種最低,高糖型品種最高;NUpE在品種間差異不顯著。

表4 甜菜品種間氮素吸收利用效率Table 4 Nitrogen uptake and utilization efficiency of sugar beet varieties 單位:kg/kg

2.4.2 氮肥利用率差異

不同甜菜品種氮肥利用率(NUE)隨生育時(shí)期推進(jìn)呈單峰曲線變化趨勢(shì),在8月9日達(dá)到最高。隨施氮量增加甜菜各品種氮肥利用率顯著降低(見圖3)。N75處理下,8月9日以前,氮肥利用率表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)型(‘IM1162’)＞高糖型＞豐產(chǎn)型＞標(biāo)準(zhǔn)型(‘SX1511’),8月29日至收獲前,氮肥利用率表現(xiàn)為高糖型＞豐產(chǎn)型＞標(biāo)準(zhǔn)型,高糖型品種在收獲期較標(biāo)準(zhǔn)型品種‘SX1511’和‘IM1162’氮肥利用率分別增加58.44%和71.26%;N225處理下,氮肥利用率表現(xiàn)為豐產(chǎn)型＞高糖型＞標(biāo)準(zhǔn)型。

圖3 不同甜菜品種氮肥利用率Fig.3 Nitrogen fertilizer utilization efficiency of sugar beet varieties

2.5 不同甜菜品種間氮效率差異與產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)系

各甜菜品種隨著施氮量的增加,產(chǎn)量、產(chǎn)糖量隨之增加,含糖率呈先增加后降低趨勢(shì)(見表5)。在N0和N75處理下,高糖型品種產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量均高于標(biāo)準(zhǔn)和豐產(chǎn)型品種,N75處理下,各品種產(chǎn)量和含糖率較N0處理均有提高,表明適當(dāng)提高施氮量有利于提高各品種產(chǎn)量和含糖率;N225處理下,豐產(chǎn)型品種和高糖型品種產(chǎn)量較標(biāo)準(zhǔn)型品種增加5.15%～14.06%,且豐產(chǎn)型品種產(chǎn)量最高,但含糖率的表現(xiàn)與產(chǎn)量呈相反趨勢(shì),該處理下各品種含糖率低于N75處理,表明N225處理有利于提高各品種產(chǎn)量,不利于糖分積累。由于產(chǎn)糖量是含糖率和產(chǎn)量的乘積,所以N225處理下,豐產(chǎn)型品種含糖率雖低,但產(chǎn)糖量卻高于標(biāo)準(zhǔn)型品種‘SX1511’。

表5 不同施氮水平甜菜產(chǎn)質(zhì)量Table 5 Yield and quality of sugar beet varieties under different nitrogen application treatments

此外,以試驗(yàn)的4個(gè)甜菜品種產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量與其對(duì)應(yīng)氮效率進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)[17-18],甜菜氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥利用率與產(chǎn)質(zhì)量存在不同程度的相關(guān)性,表現(xiàn)為各施氮處理下,甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量在塊根及糖分增長后期(8月29日)與氮肥利用率(NUE)顯著相關(guān)(N75:R產(chǎn)量= 0.659,R產(chǎn)糖量=0.646;N225:R產(chǎn)量= 0.577,R產(chǎn)糖量= 0.671,P＜0.05);N75處理下,含糖率與收獲期(10月10日)氮素利用效率(NUtE)呈極顯著正相關(guān)(R=0.830,P＜0.01);N225處理下,含糖率與收獲期(10月10日)氮素吸收效率(NUpE)呈顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.708,P＜0.05)(見表6)。甜菜產(chǎn)量在塊根及糖分增長后期與氮肥利用率呈顯著正相關(guān),此時(shí)塊根結(jié)構(gòu)即庫容量已形成,之后進(jìn)入糖分積累期,進(jìn)而產(chǎn)質(zhì)量高低基礎(chǔ)已形成,因而塊根及糖分增長期是決定產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵時(shí)期。

表6 不同施氮水平下甜菜產(chǎn)質(zhì)量與氮效率相關(guān)性Table 6 Correlation between sugar beet yield and quality and nitrogen efficiency under different nitrogen application treatments

3 討論

作物不同品種在各生育時(shí)期干物質(zhì)生產(chǎn)能力、氮積累與分配能力的差異會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)質(zhì)量差異[19-25]。馬鈴薯不同品種氮效率與塊莖產(chǎn)質(zhì)量呈顯著正相關(guān)[26],而同樣是收獲塊根的甜菜,塊根中氮素分配過多則不利于糖分的積累,甚至降低塊根含糖率[27-28]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,施氮影響甜菜干物質(zhì)分配,隨施氮量增加,所有品種生長中心由葉叢向塊根轉(zhuǎn)移時(shí)間推遲,高氮處理較低氮和不施氮處理生長中心由葉叢轉(zhuǎn)移到塊根推遲到塊根及糖分增長后期,收獲期塊根含糖率顯著降低,不利于甜菜產(chǎn)質(zhì)量協(xié)同提升。甜菜各品種苗期吸氮量低,干物質(zhì)量分配差異不顯著,因此甜菜苗期可根據(jù)實(shí)際情況減施氮肥。塊根及糖分增長期各品種間干物質(zhì)量分配、氮積累與分配差異顯著,是氮素調(diào)控關(guān)鍵時(shí)期,此時(shí)期葉叢光合面積最大,持續(xù)時(shí)間最長,塊根發(fā)育足夠大可容納更多光合產(chǎn)物即蔗糖,表現(xiàn)為豐產(chǎn)和高糖型品種各指標(biāo)高于標(biāo)準(zhǔn)型品種。

本研究發(fā)現(xiàn)甜菜氮素吸收利用主要以地上部葉叢為主[27-28],生育期內(nèi)各品種在氮素處理下,均表現(xiàn)為葉叢氮素吸收與利用高于塊根;豐產(chǎn)型品種氮素吸收利用能力更強(qiáng),產(chǎn)量對(duì)氮素調(diào)控響應(yīng)敏感。對(duì)不同類型品種,氮效率與產(chǎn)質(zhì)量相關(guān)性分析表明,8月份的塊根及糖分增長期是氮素調(diào)控關(guān)鍵時(shí)期。此外,甜菜糖分積累期品種之間葉叢氮素吸收利用仍存在顯著差異,豐產(chǎn)和高糖型品種氮素累積和利用高于標(biāo)準(zhǔn)型品種,表明甜菜糖分積累期葉叢仍需一定量氮素以維持葉叢光合機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。

在不同供氮水平下,不同作物品種氮效率差異會(huì)影響其產(chǎn)質(zhì)量[29-32]。本研究表明,在低氮處理下,高糖型甜菜品種‘KWS1197’具有較高的氮素利用效率和氮肥利用率,標(biāo)準(zhǔn)型品種‘IM1162’和‘SX1511’具有較高的氮素利用效率。在高氮處理下,豐產(chǎn)型甜菜品種‘HI1003’具有較高的氮肥利用率。這表明,低氮投入下,高糖型和標(biāo)準(zhǔn)型甜菜品種具有較強(qiáng)的土壤氮素利用能力,對(duì)土壤的適應(yīng)能力較強(qiáng),可以維持較高的產(chǎn)量;在高氮投入下,豐產(chǎn)型甜菜品種具有較高氮肥利用能力,因而可以獲得更高的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量。

4 結(jié)論

甜菜各品種氮素吸收利用呈現(xiàn)苗期低,葉叢快速生長期和塊根及糖分增長期最高,糖分積累期又降低的變化特征,但不同類型品種氮素吸收利用在塊根及糖分增長期差異顯著,表現(xiàn)出明顯的品種特性,且與產(chǎn)質(zhì)量密切相關(guān)。針對(duì)氮素投入較低的土壤,選擇種植具有低氮條件下氮素利用效率較高的甜菜品種‘KWS1197’和‘IM1162’,可以在較低氮肥投入的前提下維持一定的產(chǎn)量和含糖率,實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。在氮素投入較高的土壤,可以選擇種植高氮條件下氮肥利用率和產(chǎn)量協(xié)同提升潛力較大的甜菜品種‘HI1003’,因其較高的氮素吸收利用能力可實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量并兼顧了產(chǎn)糖量。相對(duì)其他品種,標(biāo)準(zhǔn)型品種隨施氮量的變化各指標(biāo)變化幅度居中,適合在中等肥力水平的土壤種植,豐產(chǎn)性和含糖比較均衡。

所以針對(duì)不同甜菜品種,生產(chǎn)上應(yīng)進(jìn)行氮效率指標(biāo)的篩選試驗(yàn),根據(jù)其與產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)系,設(shè)定相應(yīng)的氮肥施用方式和用量,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥,提高氮肥利用效率。