不同氮水平对生姜产量和品质及氮素吸收的影响

李录久,刘荣乐,陈防,金继运,王家嘉,姚殿立,李东平

(1安徽省农科院土壤肥料研究所,安徽合肥230031;2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京100081;3中国科学院武汉植物所,湖北武汉430007;4临泉县农业技术推广中心,安徽临泉236400)

生姜(Zingiber officinale)地下根茎含有辛香浓郁的挥发油和姜辣素,广泛用于烹调和食品的加香[1-2],广泛种植于热带和亚热带地区[3]。中国是世界生姜主产区,常年栽培面积达630×103hm2,是世界上栽培面积最大、产量最多的国家之一[4]。据农业部统计,我国已有20多个省份种植生姜,安徽是我国生姜重要产区之一[1],全省常年种植面积2×104hm2,是重要的经济作物[5]。然而,生姜施肥方面还存在不少问题。调查表明,盲目、过量施肥等不合理施肥现象较为普遍,生姜病虫害严重,产量低而不稳,根茎品质差,种姜经济效益低下,严重制约了我国生姜产业的发展[1,6]。

生姜是需氮量较大的作物[1],仅靠土壤提供的氮素远不能满足生姜生长发育对氮的需要。合理施用氮肥直接影响到生姜的产量、品质、经济效益以及环境等。氮肥对生姜产量[7-9]和品质[10-11]影响的研究已有报道,有的涉及生姜营养特性和养分吸收规律等方面[12-13]。研究表明,施用适量氮肥能有效提高生姜产量,改善根茎品质,这些研究结果对推动生姜科学施肥发挥了重要作用。但是,研究大多是在同一基础肥力土壤下进行的,研究的品质性状较少;同时由于供试材料不同,得出的结论也不尽相同,特别是在根茎品质上[9]。生姜具有不同的类型(疏苗型、密苗型),相同品种生姜在不同气候与栽培环境条件下对氮素的吸收利用也有差异[1]。关于在不同基础肥力土壤下施氮量对生姜根茎产量和综合品质影响的研究也较少。为此,开展了本试验,以期为生姜合理施肥,提高生姜产量和改善生姜根茎品质提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2007年在安徽省临泉县单桥镇(简称S)和范集镇(简称F)同时进行,供试土壤为普通砂姜黑土。试验前0—20 cm耕层土壤养分状况分别为:有机质含量 16.2、12.1 g/kg,全氮含量 1.02、0.85 g/kg,碱解氮含量 112.5、80.1 mg/kg,有效磷(P)25.0、15.5 mg/kg,速效钾(K)138.0 和 120.5 mg/kg。

两地试验设置相同的5个施氮处理,分别为N 0 、225、450、675 和 900 kg/hm2,以 N0、N225、N450、N675、N900表示,3次重复,完全随机区组排列。所有处理均施用P2O590 kg/hm2和K2O 450 kg/hm2。试验用氮肥为尿素(含N 46%),磷肥为磷酸二铵(含N 18%,P2O546%,N0处理用P2O512%含量的普通过磷酸钙),钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。施肥方法为:40%的氮肥和钾肥及全部磷肥做基肥开沟深施,余下的60%氮肥与钾肥作追肥,分两次结合倒沟于8月初和9月上旬条施。小区面积3 m×7 m。供试生姜品种为当地主栽的狮头姜,种植密度10.5×104株/hm2。3月底催芽,5月初移栽,10月下旬按小区单独收获计产。由于安徽临泉常年降水量762mm,70%集中于6～8月,所以根据土壤墒情和天气趋势多次适时充分灌溉,保持土壤湿润以利生姜生长。其它栽培管理措施如病虫草害防治等同当地一般大田。

1.2 测定项目和分析方法

生姜收获期调查单位面积株数,每小区采集代表性植株5株,调查株高、分枝数、姜球数、单株姜根茎鲜重和地上部茎叶干重,保留新鲜根茎样品供品质分析。品质和养分含量的测定参照《土壤农化分析》[14]进行。生姜根茎维生素C含量应用2,6-二氯靛酚滴定法测定;可溶性糖分析采用费林试剂滴定法;硝酸盐含量用酚二磺酸比色法测定;亚硝酸盐采用乙二胺比色法分析;姜精油用水蒸气蒸馏法测定。土壤基本性状用常规法分析。植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮,开氏定氮法测定。粗蛋白总量=全氮×6.25[15]。

数据采用Excel软件和SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮水平对生姜根茎产量及其构成因素的影响

生姜根茎产量主要由收获期单位面积有效株数和单株姜根茎重构成,而单株姜根茎重则与分枝数和子姜球数有关。表1看出,不同施氮量对两地生姜根茎产量及其构成因素的影响存在差异。土壤基础肥力较高的单桥试验表现为,随着施氮量的增加根茎产量逐渐增加,N450处理达最大值,N600和N900处理反而又降低。同时不同施氮量间生姜根茎产量存在显著差异,其中施氮各处理较不施氮的对照产量提高14.2%～36.7%,平均增产25.4%,达极显著水准;处理N225、N450与N900间产量差异也达极显著水平,但N225、N450与N600处理间产量差异不显著。进一步分析表明,生姜根茎产量与施N量间呈极显著的一元二次抛物线关系,其回归方程为yS=-0.058N2+56.24N+43813.3,F=37.21**,r=0.928**。由此可得,施N 485.8 kg/hm2时,生姜根茎产量达到最高,为57471.7 kg/hm2。

表1 施氮量对生姜生长和产量及其构成因素的影响Table 1 Effect of nitrogen application rates on ginger growth,yield and its component

不同施N量对基础肥力较低的范集土壤生姜根茎产量的影响有所不同(表1)。虽然生姜根茎产量随施N量的增加也表现为先增加后降低,N450处理的产量也达最高值,不同施氮量较不施氮的对照增产18.5%～39.3%,平均增产28.1%,产量差异也达极显著水准。由于基础土壤肥力较低,不同氮肥用量间生姜根茎产量差异也达显著水平,其中N225与N450处理间产量差异达显著水平,与N900处理间差异达极显著水平,而与N600处理间产量差异则不显著;N450与N225、N600处理间差异均达显著水平,与N900处理间差异达极显著水平;N600与N450处理间产量差异达显著水平,而与N225和N900处理间差异则不显著;N900与N225和N450处理间产量差异达极显著水平,而与N600处理间产量差异则不显著。这一结果表明,施氮量对基础肥力相对较低的土壤生姜根茎产量的影响较肥力较高的土壤更为显著。该试验点生姜根茎产量与施氮量的回归方程为:yF=0.060N2+53.72N+35804.3,F=31.18**,r=0.916**;当施N 446.3 kg/hm2时,生姜根茎产量达最高 ,为47791.6 kg/hm2。

对生姜根茎产量采用Two-way ANNOVA双向方差分析。结果表明,不同施氮量间生姜根茎产量存在极显著的差异,两试验地间生姜产量的差异也达极显著水平;但是试验地点与施氮量间的互作则不显著,表明施氮量及基础土壤肥力对生姜根茎产量都有显著的影响。

进一步分析生姜根茎产量构成因素看出,施氮量与姜球数、分枝数和根茎重均呈极显著的一元二次抛物线关系。其中单桥和范集两地试验,分枝数均是N450处理最多,施氮量与分枝数的回归方程分别为yS=-5.46×10-6N2+5.98×10-3N+9.01,r=0.895**;yF=-7.85×10-6N2+9.54×10-3N+7.46,r=0.937**。单桥试验N600处理姜球数最多,施氮量与姜球数回归方程为:yS=-7.34×10-6N2+7.46×10-3N+13.9,r=0.891**;范集试验,N450处理姜球数最多,施氮量与姜球数的回归方程为yF=-7.15×10-6N2+7.50×10-3N+10.66,r=0.840**。单株姜根茎重两地试验也是处理N450最高,施氮量与单株姜根茎重的回归方程分别为yS=-5.56×10-4N2+0.579N+657.1,r=0.951**;yF=-6.49×10-4N2+0.825N+447.1,r=0.949**。表明单株姜根茎重较低是基础肥力较低的土壤限制生姜根茎产量的主要影响因素。

2.2 不同氮水平对生姜根茎品质的影响

2.2.1 对根茎蛋白质和维生素C含量的影响 蛋白质和维生素C是蔬菜重要的营养品质指标,施用适量氮肥能有效提高生姜根茎粗蛋白和维生素C含量,改善姜根茎内在品质(表2)。维生素C含量,两地试验存在差异,其中基础土壤肥力较高的单桥试验N225处理最高,继续增加氮肥施用量,维生素C含量显著下降,N900处理与对照N0相近,差异不显著;基础土壤肥力较低的范集试验,N450处理维生素C含量达到高峰,N600和N900处理虽然依次降低,但仍显著高于N0。施用不同数量氮肥对粗蛋白含量的影响与维生素C相似,单桥试验N225处理最高,N450最低;范集试验,随施氮量的增加,根茎粗蛋白含量相应提高,N600处理达到高峰。进一步分析表明,维生素C含量与施氮量间呈显著的一元二次抛物线关系,其回归方程分别为:yS=-1.21×10-4N2+0.102N+42.09,r=0.784**;yF=-7.14×10-2N2+6.87×10-2N+33.01,r=0.832**。

表2 施用氮肥对生姜品质的影响Table 2 Effect of nitrogen fertilizer application on qualities of ginger rhizome

2.2.2 对根茎糖分含量的影响 施用不同数量氮肥对生姜根茎可溶性糖和还原糖含量有明显影响(表2)。两种不同基础肥力土壤可溶性糖含量均表现为随施氮量的增加逐渐升高,N600处理达到最大值;不同施氮量间生姜根茎可溶性糖含量存在显著差异,高、低两种肥力土壤,施氮各处理较不施氮的对照分别提高8.1%～25.1%和12.8%～41.3%,平均提高14.4%和30.6%,差异达显著水平;其中,基础土壤肥力较低的范集试验点提高的幅度较基础土壤肥力较高的单桥试验点更大,表明施氮对基础肥力较低土壤的影响更显著。

进一步研究表明,可溶性糖含量与施氮量间也呈显著一元二次抛物线关系,单桥试验回归方程为:yS=-2.41×10-6N2+2.67×10-3N+3.66,r=0.827**;范集试验:yF=-1.21×10-6N2+2.46×10-3N+2.85,r=0.983**。

不同氮水平对生姜根茎还原糖含量的影响与可溶性糖相似,施用适量氮肥,根茎还原糖含量也显著提高(表2)。

2.2.3 对根茎硝酸盐和亚硝酸盐含量的影响 硝酸盐尤其是亚硝酸盐含量是蔬菜主要的安全品质指标[16],施用不同数量的氮肥对生姜根茎硝酸盐及亚硝酸盐含量有显著影响(表2)。两地试验,硝酸盐含量均随氮肥用量的加大而升高,较不施氮肥的对照分别增长13.1%～99.8%和 5.7%～ 33.2%,平均增加69.9%和21.7%,特别是基础土壤肥力较高的单桥试验点增加的幅度较大,除N225处理外,差异均达显著水平。不同施氮量对生姜根茎亚硝酸盐含量的影响与硝酸盐相似,也随氮肥用量的加大而增加,只是单桥试验点N900处理略高于N600,N225与N0处理差异同样不显著;范集试验点N900处理超过4mg/kg的安全标准。

进一步分析表明,生姜根茎硝酸盐和亚硝酸盐含量与施氮量间均呈极显著的正相关,单桥和范集两种不同肥力土壤条件下,相关系数分别为硝酸盐0.937**和0.984**,亚硝酸盐0.962**和0.981**,表明氮肥用量过大将导致硝酸盐特别是亚硝酸等有害物质的积累,对生姜根茎安全食用品质有不利影响。

2.2.4 对根茎精油含量的影响 挥发性精油是香辛蔬菜所特有的物质,其含量多少对生姜风味品质影响很大[6]。不同施氮量对生姜根茎挥发性精油的形成和积累有一定影响(表2),单桥和范集两种不同肥力土壤均表现为N450＞N225＞N0＞N600＞N900,其中基础土壤肥力较低的范集试验点N450显著高于N225和N0处理,也显著高于N675和N900处理,表明适量施氮可明显提高生姜根茎挥发精油含量,过量施氮则降低其含量。

2.3 不同氮用量对生姜含氮量及氮素吸收量的影响

表3表明,施用不同量氮肥对生姜地上部茎、叶和地下根茎含氮量及氮素吸收量、氮肥利用效率均有较大影响。两种不同基础肥力土壤下,适量氮肥处理,生姜茎、叶及根茎含氮量明显提高,氮素吸收量显著增多,表明施氮有利于氮素养分在生姜植株内的积累。其中基础肥力较高的单桥试验点N450处理茎和叶、N225处理根茎,基础肥力较低的范集试验点N450处理茎、N600处理叶和根茎的含氮量均显著高于不施氮的对照,差异达显著水平。两种肥力土壤下,N450处理根茎含氮量都最低,其原因可能是适量施氮促进了根茎膨大引起的稀释效应。

氮素吸收量,肥力较高的单桥试验点N225处理茎 、N600处理叶 、N450处理根茎,肥力较低的范集试验N450处理茎、N600处理叶和根茎,达最大值,显著多于对照,甚至也显著高于其它施氮处理。全株氮素吸收量相应增多,均为N600处理达到吸收高峰,只是基础土壤肥力较高的单桥试验点不同施氮处理的氮素积累量都非常接近,差异不显著;而肥力较低土壤N225处理与其它施氮处理间存在显著差异。表明基础肥力较高的土壤较肥力较低的土壤在较低的施氮量下就能达到含氮量和氮素积累的高峰,过量施氮主要促进生姜地上部茎叶的生长,对地下根茎的膨大不利,这与前人的研究结果一致[11]。

表3 不同氮水平对生姜含氮量和氮素吸收量的影响Table 3 Effect of different N treatments on content and absorption of nutrient in ginger

试验结果表明,随施氮量的加大,氮肥农学效率和氮肥回收利用率均急剧下降,其中基础肥力较高的单桥试验点N450、N675和N900处理的氮素农学效率由N225处理的54.4 kg/kg分别降至35.0、14.0和6.8 kg/kg,氮素利用率由30.1%下降到18.4%、12.4%和8.3%;基础肥力较低的范集试验点N450、N675和N900处理的氮素农学效率由N225处理的46.5 kg/kg相应降至35.9、12.9和7.2 kg/kg,氮素回收利用率由20.7%降至15.3%、11.9%和6.8%,高氮用量降低幅度更大。进一步分析发现,叶、根茎和全株氮素积累量与施氮量间呈显著的正相关,单桥和范集试验点相关系数分别为:叶0.860**和0.923**;根茎为 0.732*和0.865**;全株为 0.747*和0.886**。

3 讨论与结论

在一定氮肥用量范围内,生姜根茎产量随施氮量的增加而提高,超过此范围则增加不显著甚至降低[6]。关于施氮量的高限由于研究条件的不同,差别较大,艾希珍[6]、徐坤[7,11]在山东的研究结果为N 600 kg/hm2,李录久[5]在安徽的试验结果为N 375 kg/hm2左右,张传珂[16]在山东的试验结果为N 331～428 kg/hm2,澳大利亚 Lee[8]的结果为N 336 kg/hm2。本研究结果表明,两种不同肥力土壤下生姜根茎产量均表现为随施氮量的加大先增加后降低,呈一元二次抛物线关系,N450处理产量达最高值。基础土壤肥力较高的单桥和肥力较低的范集点适宜施氮量分别为485.8和446.3 kg/hm2;超过适宜施氮量,根茎重下降,分枝数和姜球数减少,根茎产量显著降低。

生姜根茎蛋白质、维生素C、糖分和挥发性精油含量是生姜主要的营养品质指标。徐坤等[11]和艾希珍等[6]研究表明,适量施用氮肥可显著提高生姜根茎蛋白质和姜精油含量,并有利于糖和维生素C的形成。本研究看出,无论是基础肥力较高的土壤还是肥力较低的土壤,施用适量氮肥均能显著提高生姜根茎粗蛋白、维生素C、糖分和姜精油含量,改善其营养品质。维生素C含量,两种不同肥力土壤下存在差异,其中基础肥力较高的土壤以N225处理最高,基础肥力较低的土壤N450处理达到高峰。粗蛋白含量,基础肥力较高的土壤N225处理最高,N450最低;肥力较低土壤下,随施氮量的增加,根茎粗蛋白含量相应提高,N600处理达到高峰。糖分含量,两种不同肥力土壤下均是N600处理最高,与Majumdar等[12]的研究结果相似。姜精油含量,N450处理最高,基础肥力较低的土壤N450处理显著高于N0处理。硝酸盐和亚硝酸盐含量是食品重要的安全品质指标,本研究发现,随氮肥用量的加大硝酸盐和亚硝酸盐含量迅速升高,与氮肥用量呈极显著正相关,表明大量施氮会急剧增加姜根茎亚硝酸等有害物质的含量,这与李俊良等[17]在大白菜上的试验结果相似。生姜作为调味品,虽然用量相对较少,对饮食安全威胁不大,但是新鲜幼嫩的姜块可作为蔬菜盐渍生食或炒食,硝酸盐尤其是亚硝酸盐含量过高会增加人们对亚硝酸盐等有害物质的摄入量,对人类健康造成损害。但中低施氮量N225处理与对照N0处理间差异不明显,说明适当控制氮肥施用量,硝酸盐与亚硝酸盐含量不会大幅度升高,N450处理也在食品安全范围(低于432和4 mg/kg)。因此,合理施用氮肥对提高生姜产量、改善姜根茎品质具有重要作用。

施用氮肥对作物养分含量及吸收量的影响文献较多[18-19],但以生姜为试材的则不多。Lee和Asher[8]研究表明,施用适量氮肥可促进生姜对氮的吸收,提高叶片含氮量。本试验表明,两种不同基础肥力土壤下,施用适量氮肥的处理,生姜地上部茎、叶及地下根茎含氮量明显提高,氮素吸收量显著增多,氮素在姜根茎中的分配比例较大,表明施氮促进了生姜对氮的吸收利用。但是,过量施氮主要促进生姜地上部茎叶的生长,氮在茎叶中分配的比例较高,根茎较少,对地下根茎的膨大不利,单株根茎重反而降低,产量下降,氮肥利用效率也急剧降低。用量超过N 450 kg/hm2,氮素农学效率和氮肥利用率均很低。因此,生产上应适当控制氮肥用量,合理施氮,并采用NPK配合施用,以促进生姜对氮素的吸收利用,增加根茎产量,改善品质,提高氮肥利用效率,达到生姜高产优质和环境友好的目标。

[1] 胡繁荣.蔬菜栽培学[M].上海:上海交通大学出版社,2003.Hu F R.Vegetable cultivation science[M].Shanghai:Shanghai Traffic University Press,2003.

[2] 吴晓慧,顾龚平,张卫明,等.姜综合利用及深加工技术研究进展[J].中国野生植物资源,2003,22(3):5-8.Wu X H,GuG P,Zhang WM et al.Development of studies on comprehensive utilization and processing technology of Zingiber officinale[J].Chin.Wild Plant Resour.,2003,22(3):5-8.

[3] 张宏志,管正学,王建立,等.贵州生姜资源的应用研究[J].资源科学,2001,23(5):90-94.Zhang H Z,Guan Z X,Wang J L et al.Utilization of Guizhou Zingiber officinale Roscoe[J].Resour.Sci.,2001,23(5):90-94.

[4] 农业部.2006年全国各地蔬菜播种面积和产量[J].中国蔬菜,2008,(1):65-66.The Ministry of Agriculture.The sowing area and yield of vegetables for each province inChina in 2006[J].China Veget.,2008,(1):65-66.

[5] 李录久,郭熙盛,丁楠,等.钾氮配施对生姜产量和品质的影响[J].土壤肥料,2003,(5):12-16.Li L J,Guo X S,Ding N et al.Effect of N application combined with K on ginger yield and quality[J].Soil Fert.,2003,(5):12-16.

[6] 艾希珍,赵德婉,曲静然,等.施肥水平对生姜生长及产量的影响[J].中国蔬菜,1997,(1):18-21.Ai X Z,Zhao D W,Qu J R et al.Effect of fertilizers on growth and yield of ginger[J].China Veget.,1997,(1):18-21.

[7] 徐坤,徐峰.氮肥对生姜生长及产量的影响[J].中国蔬菜,1999,(6):12-14.Xu K,Xu F.Effect of nitrogen on the growth and yield of ginger[J].China Veget.,1999,(6):12-14.

[8] Lee M T,Asher C J.Nitrogen nutrition of ginger-Effects of sources,rates and times of nitrogen application[J].Plant Soil,1998,62(1):23-34.

[9] Mathai C K.The pattern of rhizome yield and their accumulation of commercially important chemical constituents in turmeric during growth and development[J].Qual.Plant.,2006,28(3):219-225.

[10] Behura S.Effect of nitrogen and potassium on growth parameters and rhizomatic characters of mango-ginger[J].Ind.J.Agron.,2001,46:747-751.

[11] 徐坤,郑国生,王秀峰.施氮量对生姜群体光合特性及产量和品质的影响[J].植物营养与肥料学报,2001,7(2):189-193.Xu K,Zhen G S,Wang X F.Effects of nitrogen rates on colonial photosynthesis,yield and qualities of ginger[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2001,7(2):189-193.

[12] Majumdar B,Venkatesh M S,KumarK P.Effect of potassium and farmyard manure on yield,nutrient uptake and quality of ginger[J].Ind.J.Agric.Sci.,2005,75(12):809-811.

[13] 艾希珍,曲静然,崔志峰,等.施肥水平对生姜光合特性及NPK吸收的影响[J].中国蔬菜,1997,(5):7-9.Ai X Z,Qu J R,Cui Z F et al.Effect of different fertilizer levels on photosynthesis characteristics andNPK Absorption of ginger[J].China Veget.,1997,(5):7-9.

[14] 南京农业大学.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,1994.Nanjing Agricultural University.Analysis methods of soil agricultural chemistry[M].Beijing:China Agricutral Press,1994.

[15] 金继运,何萍,刘海龙,等.氮肥用量对高淀粉玉米和普通玉米吸氮特性及产量和品质的影响[J].植物营养与肥料学报,2004,10(6):568-573.Jin J Y,He P,Liu H L et al.Comparison of nitrogen absorption,yield and quality between high-starch and common corn as affected by nitrogen application[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2004,10(6):568-573.

[16] 张传珂.生姜高产高效优化施肥方案研究[J].安徽农业科学,2006,32(2):261-265.Zhang C k.A study of fertilizer technique high yield and benefit for ginger[J].J.Anhui Agri.Sci.2006,34(2):287-288.

[17] 李俊良,陈新平,李晓林,等.大白菜氮肥施用的产量效应、品质效应和环境效应[J].土壤学报,2003,40(2):261-265.Li J L,Chen X P,Li X L et al.Effect of N fertilization on yield,nitrate content and N apparent losses of Chinese cabbage[J].Acta Pedol.Sin.,2003,40(2):261-265.

[18] 赵继献,程国平,任廷波,等.不同氮水平对优质甘蓝型黄籽杂交油菜产量和品质性状的影响[J].植物营养与肥料学报,2007,13(5):882-889.Zhao J X,Cheng G P,Ren T B et al.Effect of different nitrogen rates on yield and quality parameters of high grade yellow seed hybrid rape[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2007,13(5):882-889.

[19] 林琪,侯立白,韩伟.不同肥力土壤下施氮量对小麦子粒产量和品质的影响[J].植物营养与肥料学报,2004,10(6):561-567.Lin Q,Hou L B,HanW.Effectsof nitrogen rateson grainyield and quality of wheat in different soil fertility[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2004,10(6):561-567.