施氮对塔额盆地甜菜干物质与氮素积累及产量品质的影响

王 娟，白如霄，陈英花，危常州，杨克明，崔 健

( 1.石河子大学 农学院，新疆石河子 832003；2.新疆生产建设兵团第九师农业科学研究所，新疆塔城 834601)

中国甜菜生产主要分布在新疆、黑龙江和内蒙三大产糖大省[1]。2018年新疆甜菜播种面积为57260hm2，占全国播种面积的26.5%；平均单产72757kg·hm-2，高出全国单产39.4%[2]。塔额盆地是新疆甜菜重要的种植区[3]，近年来该地区引入水肥一体化节水灌溉施肥技术，该技术能够根据作物不同生育期的水肥需求规律，定时定量施肥在作物根系附近，因此具有增产、提高甜菜含糖率、节水节肥，降低投入的特点[4]。氮肥管理对甜菜生产至关重要[5]，供应不足会降低块根和蔗糖产量，而过量供应则会降低蔗糖含量，增加块根杂质，进而影响蔗糖的提取[6-8]。塔额盆地甜菜种植传统上氮肥用量很高[9]，施氮达300～360kg·hm-2，过量施用氮肥导致叶丛繁茂[10-11]，降低含糖量[12-13]，且氮环境排放量高，肥料利用率下降[14-15]，降低农民收益。前人研究结果表明在内蒙古和黑龙江甜菜产区，施氮150～180kg·hm-2甜菜块根产量最高[16-18]，施氮120～150kg·hm-2甜菜产糖量最优[16,18-19]，而针对新疆甜菜产区的研究多集中在氮肥运筹等方面[20-23]。

本试验在滴灌施肥条件下研究施氮对甜菜干物质、氮素积累规律的影响，确定在保持甜菜高产和高糖的条件下适宜的氮肥用量，为塔额盆地甜菜减肥增效生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2019年在塔额盆地168团一连开展田间试验。该地区气候属典型大陆性气候。夏季短而炎热，冬季长而寒冷，光照充足，昼夜温差大，有效积温2 800～3 200 ℃，无霜期126～141 d，年均降水量398.4 mm，年潜在蒸发量1 515.5 mm，海拔683 m。

以塔额垦区近年来主栽甜菜(BetavulgarisL.)品种‘Beta796’为试验材料。供试土壤为沙壤土，0～20 cm土壤有机质含量19.8 g·kg-1，碱解氮57.19 mg·kg-1，有效磷25.15 mg·kg-1，速效钾236.9 mg·kg-1，pH为7.1 。

1.2 试验设计

试验共设4个处理，以不施氮素处理(N0)为对照，其余3个处理氮素施用量分别为150 kg·hm-2、210 kg·hm-2和270 kg·hm-2，分别记作N1、N2和N3，其中N3是当地习惯氮肥施肥量。各处理均为P2O5用量180 kg·hm-2和K2O用量150 kg·hm-2。试验肥料为普通尿素[w(N)=46%] 、磷酸二铵[w(N)=18%，w(P2O5)=46%]、硫酸钾[w(K2O)=50%] 。氮、磷、钾肥通过水肥一体化全部作为追肥施用，甜菜不同生育期施肥时期及施肥量见表1。灌溉量和灌溉时间同当地甜菜大田生产保持一致，其他田间管理参考当地高产模式。

表1 不同氮肥处理施肥时间与施肥量

小区面积为140 m2，每处理重复3次，田间随机区组排列。甜菜采用地膜覆盖种植模式，一膜两行，株行距配置方式为45 cm ×19 cm，播种密度 11.7 万株·hm-2。4月7日播种，4月18日出苗，10月11日收获 。收获时测定小区产量、块根干物质积累、甜菜地上部、地下部氮养分含量、块根含糖率、α-氨基氮、K+和 Na+含量。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 甜菜干物质及叶面积指数 甜菜出苗后于苗期( 5月16日) 、块根形成分化期( 6月20日)、叶丛快速生长期( 7月16 日) 、块根及糖分增长期( 8月20) 、糖分积累期( 9月11) 、收获期( 10月11日)取各小区代表性植株5株带回实验室，将植株分为地上部和地下部。甜菜地上部叶片先采用Li-3100叶面积仪测定所有叶片面积，用于计算叶面积指数。然后将地上部、地下部植株样品用自来水洗净后，再用蒸馏水冲洗 2～3 次，在105 ℃杀青30 min 。地上部在70 ℃烘箱中烘至恒量。地下部块根置于通风干燥处晾干(块根中后期含糖量较高，杀青后直接烘干易流失糖分)，再放置 70 ℃下烘干至恒量。称量植物样品干质量获得甜菜地上部和地下部干物质积累量。

1.3.2 甜菜地上部、地下部氮养分含量 地上部和地下部样品烘干后粉碎，过0.25 mm筛。采用浓H2SO4炭化，H2O2高温消煮，使用凯氏定氮仪(中国，海能K9840)测定氮素含量。

1.3.3 产量 收获期对各处理未取样的小区进行实收。每个处理量取6.67 m2，将所有甜菜块根完好挖出，及时削除地上部分及青头、根毛，测定单位面积块根数，保苗数，准确称量各试验小区单位面积的块根鲜质量。

1.3.4 甜菜品质 在甜菜测产的同时，在每个试验小区选取具有代表性的甜菜块根10株，测定甜菜含糖率。将甜菜块根清洗干净后，用手持式折光仪(日本，爱拓)分别测定块根根体(上、中、下)部位锤度值，取平均值，再乘以0.83得到块根蔗糖含糖率[24]。利用甜菜品质分析仪(德国，维尼玛)进行α-氨基氮、K+和 Na+含量的测定。

利用α-氨基氮、K+和 Na+含量计算杂质值、蔗糖糖蜜损失率、蔗糖回收率和可回收蔗糖产量，具体计算公式[8,25-26]为：杂质值=[(2.5×Na+)+(3.5×K+)+(9.5×α-氨基氮)]/10 000；蔗糖糖蜜损失率=杂质值×1.5；蔗糖回收率=(蔗糖含糖率-蔗糖糖蜜损失率)/蔗糖含量；可回收蔗糖产量= 蔗糖产量×回收率。

1.4 数据处理

采用Excel 2016及SPSS 19.0进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对甜菜生长状况的影响

2.1.1 对甜菜叶面积指数的影响 图1显示不同氮素处理甜菜的叶面积指数呈单峰曲线动态变化，亦即所有的处理随生育时期都呈先升高后降低的趋势。甜菜在6月30日前未进行施氮处理，因此不同处理间在块根分化期叶面积指数无显著性差异；N0、N1、N2、N3处理叶面积指数在块根及糖分增长期达到峰值，分别为3.51、4.05、 5.34、和5.99，且不同处理间存在显著差异；自块根及糖分增长期之后，各处理叶面积均呈下降趋势，不同处理间随氮肥施用量的增加叶面积指数达到显著性差异。甜菜叶丛快速增长期至收获期，甜菜叶面积指数均随施氮量的增加而增大。

2.1.2 对甜菜干物质积累的影响 图2显示甜菜地上部、地下部干物质积累量随生育进程呈先增加后降低的趋势。块根分化形成期未进行施氮处理，各处理间无显著性差异。块根分化形成期至收获前各处理间干物质积累量差异逐渐增大。甜菜地上部、地下部、总干物质积累量在不同生育期均表现为随施氮量的增加而增加，显著高于不施氮处理。

叶丛快速生长期到块根及糖分增长期甜菜干物质速度加快，积累量最多，占全生育期干物质积累量的29.9%～42.5%，其次是块根形成分化期-叶丛快速生长期积累干物质较多，占全生育期积累量的27.9%～36.6%。甜菜块根及糖分积累期至收获期，甜菜地上部干物质积累量表现为N2、N3处理间无显著性差异，但其他处理间差异显著；在甜菜整个生育时期，不同施氮处理地下部干物质积累量差异显著。施氮有利于甜菜地下部的干物质积累，随施氮量增加，地下部干物质积累加快，有利于提高块根产量。

2.1.3 不同施氮量甜菜干物质及块根干物质积累动态模型 使用Logistic 曲线模型模拟甜菜干物质和地下部干物质积累量，各处理拟合模型的F检验均达极显著水平(P<0.01)。计算各处理干物质积累方程的主要特征参数，结果见表2 。W为干物质最大积累量，b为生长速率参数，均随施氮量的增加表现为上升趋势，施氮处理的生长速率明显高于不施氮处理。与N0相比，N1、N2和N3处理的干物质积累量分别增加28.3%、 37.5%、44.4%，干物质积累最大速率分别增加 26.4%、86.8%、114.4%。不同氮肥处理进入干物质快速累积的时间(t1) 相近，约在第66.2 天～第70.1天；波动幅度为3.9 d;增加氮肥用量有推迟t1的趋势；各处理结束干物质快速累积的时间(t2) 相差较大，在 106.3～123.5 d，波动幅度为17.2 d，其中仅 N1处理晚于N0处理2.1 d，而N2、N3处理均提前。甜菜干物质积累快速增长期对应甜菜的生育期为块根分化形成期-块根及糖分增长期。甜菜干物质累积速率的最大值Vmax及Vmean均随施氮量的增加而增加，N3、N2处理Vmax远高于N1、N0处理，因此导致快速累积持续时间Δt缩短。

表2 不同施氮量下甜菜地下部和群体干物质积累Logistic 曲线及参数估值

各处理甜菜地下部干物质进入快速累积的时间、结束快速累积的时间、快速积累高峰期均晚于甜菜群体干物质积累。各处理甜菜地下部干物质积累趋势与甜菜群体干物质积累趋势保持一致。综上，施氮能增加甜菜干物质积累量、块根干物质积累量以及提高干物质积累速率。

2.2 不同施氮量对甜菜氮养分吸收的影响

2.2.1 对甜菜氮积累和分配的影响 不同生育阶段甜菜氮素吸收量(表3)可以看出，在苗期和块根分化形成期未施用氮肥，各处理地上部、地下部氮素吸收量无显著性差异。进入叶丛快速生长期后，甜菜地上部、地下部以及整株氮吸收量均随施氮量的增加而增加。施氮处理地上部、地下部氮素吸收量显著高于不施氮处理，各处理间氮素积累在地上部和地下部的分配无显著性差异，地上部氮素吸收量占总吸收量的66.00%～ 67.87%，地下部氮素吸收量占总吸收量的 32.13%～33.99%。在甜菜块根及糖分增长期，甜菜地上部、地下部氮素吸收量显著加快，N2和N3处理地上部氮素吸收量无显著性差异，但显著高于其他处理；不同施氮处理地下部氮吸收量差异显著。糖分积累期因甜菜地上部叶丛枯萎黄化，不同处理地上部氮素吸收量有减少现象，各处理间达到极显著差异；不同氮素处理地下部氮吸收量持续增加，施氮处理地下部氮吸收量显著高于不施氮处理。糖分积累期各处理地上部吸收氮持续向地下部转移，地下部氮吸收量占总量的57.3%～61.5%，地下部氮吸收的分配比例随施氮量的增加而减少。收获期甜菜地上部、地下部氮吸收量均随施氮量的增加而增大，所有处理地上部氮素吸收量减少，地下部氮吸收比例随施氮量的增加而增加，不同施氮处理间地下部氮吸收量存在显著差异；地下部氮素吸收量占比达 56.26%～ 69.23%，其中N2、N3处理地下部氮分配比例显著高于不施氮处理，说明施氮在甜菜生长后期仍能持续将地上部的氮素向地下部转移。综上，施氮能够增加甜菜地上部、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 不同施氮量甜菜氮养分积累动态模型 用甜菜各生育期氮素吸收量进行Logistic方程拟合(见表4)，拟合方程的F检验均达极显著水平(P< 0.01)。 表4显示，N1、N2和N3处理氮素最大积累量较不施氮处理分别增加64.3%、 101.7%、 130.3%，氮素最大积累速率增加 63.1%、173.7%、200.0%。不同处理进入氮素快速累积的时间(t1) 在42.6～59.3 d，波动幅度为 16.7 d; 氮素快速累积结束时间(t2) 在109.6～122.6 d，波动幅度为13.0 d；甜菜氮快速积累期在块根形成分化期-块根及糖分增长期；甜菜氮素快速积累高峰期在叶丛快速生长期。不同处理氮素快速累积的持续时间(Δt)有较大差异，在 50.5～68.0 d。与N0相比，随施氮量增加甜菜进入氮素快速积累时间推迟；总体上施用氮肥甜菜氮素快速累积的持续时间Δt缩短，其主要原因是施氮能增加氮素最大积累速率和氮素平均积累速率。甜菜地上部氮积累速率随生育期推进呈先增加后降低的趋势，施用氮肥能增加甜菜氮素积累总量、提高甜菜氮素积累速率，因此在实际生产过程中，合理调整氮肥用量及施用比例，能有效提高甜菜氮素累积量。

表4 不同施氮量下甜菜氮吸收Logistic 曲线及参数估值

2.3 不同施氮量对甜菜产量、产糖量及品质的 影响

表5数据显示，施氮显著提高甜菜产量，甜菜产量随施氮量的增加而增加，N1、N2和N3处理块根产量分别比N0处理增加15.7%、27.7%和32.1%，不同处理产量差异显著。收获期各处理甜菜块根蔗糖含量随施氮量的增加而下降；与N0处理相比，N1、N2和N3处理含糖量分别降低 1.92%、6.00%和7.92%，除N3处理块根蔗糖含量显著低于N0处理，其他处理间蔗糖含量差异不显著。施氮处理蔗糖产量显著高于N0处理，随施氮量增加蔗糖产量呈增加趋势，N3处理蔗糖产量为17.95 t·hm-2，与N2处理产糖量无显著性差异，但显著高于N1、N0处理。

表5 不同施氮量下甜菜的产量和品质特征

甜菜块根中非糖物质(K+、Na+和α-氨基氮含量)会降低蔗糖提取率，直接影响甜菜加工出糖率，是影响块根品质的主要因素。 收获期各处理块根中α-氨基氮和Na+含量均表现为随施氮量的增加呈增加趋势，且施氮处理显著高于不施氮处理。块根中K+含量也表现为施氮处理高于不施氮处理，其中N2、N3处理K+含量显著高于N0处理。根据K+、Na+和α-氨基氮含量计算甜菜蔗糖糖蜜损失，结果表明甜菜蔗糖糖蜜损失随施氮量的增加呈增加趋势，蔗糖回收率下降;块根蔗糖糖蜜损失N0 处理显著低于施氮处理，各施氮处理间糖蜜损失差异不显著。N0处理蔗糖回收率为95.3%，显著高于其他施氮处理，各施氮处理间蔗糖回收率差异不显著。施氮处理的可回收蔗糖产量显著高于不施氮处理，N3处理可回收蔗糖产量最高，为16 688 kg·hm-2，但不同施氮处理间可回收糖产量之间无显著性差异。综上所述，施氮能够提高甜菜块根产量，但同时增加块根中K+、Na+和α-氨基氮含量，降低蔗糖回收率。综合不同施氮量下甜菜产量、产糖量、品质与种植收益，塔额盆地滴灌条件下高产优质甜菜的氮肥推荐用量为210 kg·hm-2。

3 讨 论

3.1 施氮对甜菜干物质和氮素积累动态的影响

甜菜是收获地下块根作物，施氮水平直接影响甜菜干物质积累与分配[27]、氮素的吸收及转运。本研究结果表明随施氮量的增加，甜菜地上部、地下部干物质积累量增加，但向地下部分配的光合产物比例减少其中施氮150 kg·hm-2能提高干物质积累速率同时增加干物质快速积累持续时间，这与于海彬等[28]研究结果表明在0～135 kg·hm-2施氮水平下块根干物质快速生长期持续时间延长，块根干物质最大积累速率增加的结果一致。本研究结果表明随施氮量的增加，甜菜氮素积累进入快速增长期的时间越晚，平均积累速率显著增加，这与施氮在花生[29]、马铃薯[30]氮积累上的研究结果相似。

该结果表明不同施氮水平下氮素快速积累高峰期出现时间比干物质积累高峰期出现的时间早2～17 d，施氮明显缩短干物质积累高峰期与氮素积累高峰期的时间差，说明干物质的积累是依赖于氮素的积累。比较干物质和氮素快速积累结束时间，不施氮处理氮积累快速积累结束时间早于干物质快速积累结束时间10 d，说明N0处理后期较早脱氮，影响干物质积累；充足的氮素供应是干物质生产的前提，因此通过合理施用氮肥以保证干物质有效积累至关重要。

3.2 施氮对甜菜产量和品质的影响

适量施氮能协调甜菜最佳产量和含糖量[5]，施肥不足会限制块根产量，而过度施氮会降低蔗糖浓度，增加甜菜杂质，影响蔗糖回收[7]。本结果表明施氮能增加甜菜块根产量，不同处理间差异显著；块根含糖量随施氮量增加呈降低的趋势。施氮270 kg·hm-2处理产糖量最高，为17.95 t·hm-2；施氮210 kg·hm-2处理产糖量为 17.73 t·hm-2，两个处理间产糖量差异不显著，但显著高于其他处理。于雪等[17]和蔡柏岩等[18]在黑龙江产区，郭晓霞等[10]在内蒙古产区研究结果表明甜菜产量随着施氮量的增加而增加，施氮180 kg·hm-2块根产量最高，施氮120～150 kg·hm-2产糖量最优，表明塔额盆地甜菜生产适宜施氮量较高。

在甜菜加工过程中，甜菜品质取决于块根含糖量以及块根中产生的阻碍蔗糖提取的可溶性成分(杂质)浓度[31]。大多数国外甜菜加工企业根据甜菜可提取或可回收蔗糖数量确定甜菜收购价格[32]，因此加工企业特别关注块根中K+、Na+和α-氨基氮的含量[33]。Last 等[34]使用K+、Na+和α-氨基氮浓度来估算糖蜜损失蔗糖的百分比，计算可回收的蔗糖浓度(每吨可回收糖)。高浓度的可溶性非糖化合物会增加生产助剂和能源需求，每千克杂质能阻碍1.5～1.8 kg蔗糖结晶并损失到糖蜜中[31]，严重降低加工效率[25]。本研究结果表明，与不施氮处理相比，施氮增加Na+、K+和α-氨基氮等杂质含量，显著降低蔗糖回收率和可回收蔗糖产量，但不同施氮处理间可回收蔗糖产量并无显著性差异。Afshar等[8]研究表明不同耕作制度下，施氮量从 56 kg·hm-2增加到224 kg·hm-2，甜菜块根产量均呈线性增长，但可回收蔗糖产量无显著性差异，本结果也表现出相同的趋势。因此在甜菜生产中，要同时兼顾甜菜块根产量和品质，不宜施用过多氮肥。

4 结 论

施氮增加甜菜叶面积指数、干物质积累量及氮素积累量，提高干物质及氮素的最大累积速率及平均积累速率。施氮显著提高甜菜块根产量，但降低甜菜块根含糖量，增加块根杂质含量，导致蔗糖回收率降低。综合不同施氮量下甜菜产量、产糖量、品质与种植收益，塔额盆地滴灌条件下高产优质甜菜的氮肥推荐用量为210 kg·hm-2，这一数量比当地惯用施氮量低60 kg·hm-2。