甜菜品种间氮效率差异及其对产质量的影响

郭 明,邢旭明,2,杜晨曦,魏 磊,伊六喜,史树德,高 洁,肖 强

(1.内蒙古农业大学农学院,呼和浩特 010019;2.内蒙古佰惠生新农业科技股份有限公司,内蒙古赤峰 024000;3.内蒙古林西县农牧局,内蒙古赤峰 025250;4.内蒙古自治区农牧业技术推广中心,呼和浩特 010000)

0 引言

甜菜(BetavulgarisL.)是我国第二大糖料作物,也是内蒙古自治区重要的经济作物之一,发展甜菜生产对区域农牧业经济发展和乡村振兴具有重要意义[1]。近年来,甜菜种植过程中氮肥施用常采用一次性基施方法,导致甜菜在块根及糖分增长期以前氮素过量,甜菜地上部贪青徒长,生长中心向块根中转移推迟。后期氮素不足,功能叶片早衰,最后造成甜菜产量和含糖率下降[2-3]。因此甜菜生产中应精准施用氮肥,提高甜菜氮肥利用率,同时兼顾碳氮代谢平衡,这对于甜菜高产优质生产至关重要[4-5]。关于甜菜氮效率与产质量关系的研究,周建朝等[6]和韩卓君等[7]分别在桶栽和苗期盆栽试验中发现不同甜菜品种间氮效率差异显著。LAUFER等[8]和EBMEYER等[9]研究表明,糖用甜菜较饲用甜菜有着更高的氮肥利用率,品种间氮效率差异决定产糖量高低。王秋红等[10]研究认为,氮高效型甜菜品种具有合理的根冠比和较高的氮转运量。当前甜菜生产中,主推的甜菜品种登记类型主要包括丰产型、高糖型和标准型3种,目前,不同类型品种间氮素吸收分配规律及其氮效率差异对产质量影响的研究较少。因此,本文在不同施氮处理下,研究不同类型甜菜品种氮效率等生理指标与产质量的关系,以期明确氮素调控对不同类型甜菜品种产量和含糖率的影响,为农业生产中精准施用氮肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021—2022年4月至10月在赤峰市林西县甜菜试验基地进行,该地区属中温带大陆性季风气候,土壤质地为砂壤土,前茬作物为荞麦。年均气温4.3 ℃,无霜期110 d。试验田基本理化性质如下:碱解氮90.01 mg/kg、有效磷174.94 mg/kg、速效钾151.2 mg/kg、有机质17.72 g/kg、pH 8.06。

1.2 供试品种

从前期品种区域试验中,筛选出4个具有代表性的主推甜菜品种:高糖型品种‘KWS1197’(德国KWS公司)、丰产型品种‘HI1003’(瑞士先正达公司)、标准型品种‘IM1162’(荷兰安地公司)和‘SX1511’(美国圣德克森公司)。

1.3 试验设计

试验采用两因素裂区设计,主区为3种不同施氮处理,分别设置不施氮N0(0 kg/hm2)、低氮N75(75 kg/hm2)和高氮N225(225 kg/hm2)3个氮肥梯度,副区为4个不同类型甜菜品种。株行距为20 cm×55 cm,理论株数90 900株/hm2,小区面积24 m2(4 m×6 m),4次重复。供试氮肥为尿素(含N为46.4%),按照基追比6∶4施入,追肥于叶丛快速生长初期施入[11]。磷肥和钾肥分别施重过磷酸钙(含P2O5为46%)和硫酸钾(含K2O为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,灌水方式为膜下滴灌。

1.4 取样方法及样品处理

分别在6月26日(苗期)、7月18日(叶丛快速生长中期)、8月9日(块根及糖分增长前期)、8月29日(块根及糖分增长后期)、9月19日(糖分积累期)、10月10日(收获期)进行取样[12]。取样时在每小区随机选取长势均匀一致的5株甜菜,做好标记整株装袋带回实验室,清洗后分别称取各器官鲜重。

1.5 测定项目及方法

(1)干物质量:叶片、叶柄和块根各自称取100 g 置于鼓风干燥箱105 ℃杀青30 min,75 ℃烘干至恒重,测定干重[12]。

(2)全氮:将烘干的样品磨碎后,100目过筛,称取叶片、叶柄和块根干样,用H2SO4-H2O2法消煮制备待测液,通过凯氏自动定氮仪测定样品全氮含量[13]。

(3)测产检糖:甜菜收获期每小区甜菜按照标准GB/T 10496-2002对甜菜块根进行修削,测定单位面积产量,用锤度计测定锤度值,含糖率(%)=锤度值(%)×0.83,产糖量(kg/hm2)=产量(kg/hm2)×含糖率(%)[12]。

1.6 计算方法

氮素吸收利用效率各参数计算方法:氮积累量=氮含量×干物质量;氮素利用效率(NUtE)=产量/氮积累量;氮素吸收效率(NUpE)=氮积累量/施氮量;氮肥利用率(NUE)=(施氮区氮积累量-不施氮区氮积累量)/施氮量×100[14-15]。

1.7 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理,GraphPad Prism 8作图,SPSS 23.0 进行数据分析,相关性分析采用Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 氮素处理对干物质量分配的影响

不同施氮处理下,不同甜菜品种地上部干物质量分配随生育时期推进逐渐降低,块根干物质量分配随生育时期推进逐渐升高(见表1)。随着施氮量的增加,生长中心转移(块根干物质量分配大于50%,即生长中心由地上转入块根)出现推迟。6月26日至7月18日,不同施氮处理及品种间地上部与块根干物质量分配无明显规律,此时正是叶丛快速生长阶段,氮素吸收量较低。8月9日至8月29日,N0和N75处理,丰产和高糖型品种地上部干物质量分配较标准型品种增加4.57%～36.77%;N0和N75处理生长中心已向块根中转移,而N225处理生长中心仍以地上为主(地上部干物质量分配大于50%)。9月19日开始,N225处理下,丰产和高糖型品种地上部干物质量分配较标准型品种增加7.83%～27.01%。

表1 甜菜品种间地上部与块根干物质量分配Table 1 Distribution of above-ground part and root dry matter among sugar beet varieties 单位:%

2.2 氮素处理对根冠比的影响

根冠比反映甜菜地上部和块根有机物分配与生长动态变化。不同施氮处理下,甜菜品种间根冠比均表现为随生育时期推进逐渐增加,趋势与块根干物质量分配基本一致,各品种根冠比从8月9日开始迅速增加,且生长中心由地上部转变为以块根为主(见表2)。N0和N75处理下,8月29日和9月19日,标准型品种根冠比较丰产和高糖品种增加3.24%～68.29%,但标准型品种间、丰产与高糖型品种间根冠比差异不显著。N225处理下,8月29日以后,标准型品种根冠比较丰产和高糖型品种增加9.60%～47.13%;生长中心在8月29日转向块根,因为高氮处理使叶丛生长过旺,所以生长中心向块根转移推迟。说明氮肥过量促进了叶丛重量增加,降低了根冠比;标准型品种根冠比在块根及糖分增长期后高于丰产型和高糖型,说明标准型品种地上部与块根比例受氮肥影响较小。收获期N0处理根冠比高于其他处理,因为此时不施氮地上部早衰,导致根冠比增大。

表2 甜菜品种间根冠比Table 2 Root-to-shoot ratio among sugar beet varieties

2.3 不同甜菜品种氮含量、氮积累量与氮素分配特征

2.3.1 氮含量变化

随着生育时期的推进,不同施氮处理下,不同甜菜品种地上部和块根氮含量逐渐降低,地上部高于块根氮含量,表明甜菜营养生长生育期氮代谢以叶丛为主(见图1)。N0和N75处理下,丰产型品种‘HI1003’地上部氮含量在6月26日较高,7月18日至10月10日丰产型品种氮含量逐渐下降,标准和高糖型品种地上部氮含量逐渐上升;N225处理下,丰产型品种地上部氮含量整体均高于其他品种,说明丰产型品种在高氮处理下,氮素吸收能力更强;除了N225处理下,8月9日和8月29日高糖型品种‘KWS1197’块根中氮含量略高于标准型品种‘IM1162’,N75和N225处理下,高糖型品种‘KWS1197’块根中氮含量全生育期整体低于其他品种,糖分积累期趋势更明显。

图1 不同甜菜品种地上部、块根全氮含量Fig.1 Total nitrogen content of above-ground part and root of different sugar beet varieties

2.3.2 氮积累量变化

甜菜各品种地上部氮积累量随生育时期推进呈先升高后降低变化趋势,在8月9日达最高。块根氮积累量随生育时期推进逐渐增加,叶丛和块根氮积累量随施氮量增加而增加,但总体上氮积累量地上部高于块根(见图2)。N0处理下,高糖型品种‘KWS1197’在10月10日地上部和块根氮积累量高于其他品种,但差异不显著;N75处理下,标准型品种‘IM1162’全生育期地上部和块根氮积累量高于其他品种;N225处理下,丰产型和高糖型品种10月10日地上部和块根氮积累量高于标准型品种,高糖型品种地上部氮积累量显著高于其他品种(P＜0.05)。

图2 不同甜菜品种地上部、块根氮素积累量Fig.2 Nitrogen accumulation in above-ground part and root of different sugar beet varieties

2.3.3 氮素分配变化

甜菜各品种生育期内,地上部氮素分配率高于块根;地上部氮素分配率随生育时期推进呈降低变化趋势,块根氮素分配率随生育时期推进逐渐增加。6月26日至8月9日,丰产型品种地上部氮素分配率高于高糖型品种;N0处理地上部氮素分配高于N75和N225处理,此时生长中心为地上部,氮素不足时优先分配地上部所致。8月29日至10月10日,丰产型品种地上部氮素分配低于高糖型品种,标准型品种在10月10日地上部氮素分配率低于高糖型品种,块根中氮素分配生育期整体表现与地上部品种间趋势相反,此时N0处理地上部氮素分配率低于N75和N225处理(见表3),说明适度施氮有利于块根及糖分增长期及以后地上部氮素分配增加,有助于功能叶的维持,增加光合产物向块根的输入,减少块根氮素分配率,有助于生产工艺要求的α-氨基氮的降低[16]。

表3 甜菜品种间氮素分配率Table 3 Nitrogen distribution rate among sugar beet varieties 单位:%

2.4 甜菜品种间氮效率参数的差异

2.4.1 氮素吸收和利用效率差异

甜菜各品种的氮素吸收效率(NUpE)和氮素利用效率(NUtE)随施氮量增加呈现下降趋势,但6月26日NUtE变化幅度不显著(见表4)。相同施氮处理下,NUtE随生育时期推进逐渐升高,NUpE随生育时期推进呈先升高后降低变化趋势,最高值出现在8月9日。N75处理下各品种在生育期NUpE和NUtE显著高于N225处理(P＜0.05)。在9月19日糖分积累期以后,甜菜品种间NUtE均表现丰产型品种最低,高糖型品种最高;NUpE在品种间差异不显著。

表4 甜菜品种间氮素吸收利用效率Table 4 Nitrogen uptake and utilization efficiency of sugar beet varieties 单位:kg/kg

2.4.2 氮肥利用率差异

不同甜菜品种氮肥利用率(NUE)随生育时期推进呈单峰曲线变化趋势,在8月9日达到最高。随施氮量增加甜菜各品种氮肥利用率显著降低(见图3)。N75处理下,8月9日以前,氮肥利用率表现为标准型(‘IM1162’)＞高糖型＞丰产型＞标准型(‘SX1511’),8月29日至收获前,氮肥利用率表现为高糖型＞丰产型＞标准型,高糖型品种在收获期较标准型品种‘SX1511’和‘IM1162’氮肥利用率分别增加58.44%和71.26%;N225处理下,氮肥利用率表现为丰产型＞高糖型＞标准型。

图3 不同甜菜品种氮肥利用率Fig.3 Nitrogen fertilizer utilization efficiency of sugar beet varieties

2.5 不同甜菜品种间氮效率差异与产质量的关系

各甜菜品种随着施氮量的增加,产量、产糖量随之增加,含糖率呈先增加后降低趋势(见表5)。在N0和N75处理下,高糖型品种产量、含糖率和产糖量均高于标准和丰产型品种,N75处理下,各品种产量和含糖率较N0处理均有提高,表明适当提高施氮量有利于提高各品种产量和含糖率;N225处理下,丰产型品种和高糖型品种产量较标准型品种增加5.15%～14.06%,且丰产型品种产量最高,但含糖率的表现与产量呈相反趋势,该处理下各品种含糖率低于N75处理,表明N225处理有利于提高各品种产量,不利于糖分积累。由于产糖量是含糖率和产量的乘积,所以N225处理下,丰产型品种含糖率虽低,但产糖量却高于标准型品种‘SX1511’。

表5 不同施氮水平甜菜产质量Table 5 Yield and quality of sugar beet varieties under different nitrogen application treatments

此外,以试验的4个甜菜品种产量、含糖率和产糖量与其对应氮效率进行相关性分析发现[17-18],甜菜氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥利用率与产质量存在不同程度的相关性,表现为各施氮处理下,甜菜产量和产糖量在块根及糖分增长后期(8月29日)与氮肥利用率(NUE)显著相关(N75:R产量= 0.659,R产糖量=0.646;N225:R产量= 0.577,R产糖量= 0.671,P＜0.05);N75处理下,含糖率与收获期(10月10日)氮素利用效率(NUtE)呈极显著正相关(R=0.830,P＜0.01);N225处理下,含糖率与收获期(10月10日)氮素吸收效率(NUpE)呈显著负相关(R=-0.708,P＜0.05)(见表6)。甜菜产量在块根及糖分增长后期与氮肥利用率呈显著正相关,此时块根结构即库容量已形成,之后进入糖分积累期,进而产质量高低基础已形成,因而块根及糖分增长期是决定产质量的关键时期。

表6 不同施氮水平下甜菜产质量与氮效率相关性Table 6 Correlation between sugar beet yield and quality and nitrogen efficiency under different nitrogen application treatments

3 讨论

作物不同品种在各生育时期干物质生产能力、氮积累与分配能力的差异会导致产质量差异[19-25]。马铃薯不同品种氮效率与块茎产质量呈显著正相关[26],而同样是收获块根的甜菜,块根中氮素分配过多则不利于糖分的积累,甚至降低块根含糖率[27-28]。本试验结果表明,施氮影响甜菜干物质分配,随施氮量增加,所有品种生长中心由叶丛向块根转移时间推迟,高氮处理较低氮和不施氮处理生长中心由叶丛转移到块根推迟到块根及糖分增长后期,收获期块根含糖率显著降低,不利于甜菜产质量协同提升。甜菜各品种苗期吸氮量低,干物质量分配差异不显著,因此甜菜苗期可根据实际情况减施氮肥。块根及糖分增长期各品种间干物质量分配、氮积累与分配差异显著,是氮素调控关键时期,此时期叶丛光合面积最大,持续时间最长,块根发育足够大可容纳更多光合产物即蔗糖,表现为丰产和高糖型品种各指标高于标准型品种。

本研究发现甜菜氮素吸收利用主要以地上部叶丛为主[27-28],生育期内各品种在氮素处理下,均表现为叶丛氮素吸收与利用高于块根;丰产型品种氮素吸收利用能力更强,产量对氮素调控响应敏感。对不同类型品种,氮效率与产质量相关性分析表明,8月份的块根及糖分增长期是氮素调控关键时期。此外,甜菜糖分积累期品种之间叶丛氮素吸收利用仍存在显著差异,丰产和高糖型品种氮素累积和利用高于标准型品种,表明甜菜糖分积累期叶丛仍需一定量氮素以维持叶丛光合机构运转。

在不同供氮水平下,不同作物品种氮效率差异会影响其产质量[29-32]。本研究表明,在低氮处理下,高糖型甜菜品种‘KWS1197’具有较高的氮素利用效率和氮肥利用率,标准型品种‘IM1162’和‘SX1511’具有较高的氮素利用效率。在高氮处理下,丰产型甜菜品种‘HI1003’具有较高的氮肥利用率。这表明,低氮投入下,高糖型和标准型甜菜品种具有较强的土壤氮素利用能力,对土壤的适应能力较强,可以维持较高的产量;在高氮投入下,丰产型甜菜品种具有较高氮肥利用能力,因而可以获得更高的产量和产糖量。

4 结论

甜菜各品种氮素吸收利用呈现苗期低,叶丛快速生长期和块根及糖分增长期最高,糖分积累期又降低的变化特征,但不同类型品种氮素吸收利用在块根及糖分增长期差异显著,表现出明显的品种特性,且与产质量密切相关。针对氮素投入较低的土壤,选择种植具有低氮条件下氮素利用效率较高的甜菜品种‘KWS1197’和‘IM1162’,可以在较低氮肥投入的前提下维持一定的产量和含糖率,实现节本增效。在氮素投入较高的土壤,可以选择种植高氮条件下氮肥利用率和产量协同提升潜力较大的甜菜品种‘HI1003’,因其较高的氮素吸收利用能力可实现更高的产量并兼顾了产糖量。相对其他品种,标准型品种随施氮量的变化各指标变化幅度居中,适合在中等肥力水平的土壤种植,丰产性和含糖比较均衡。

所以针对不同甜菜品种,生产上应进行氮效率指标的筛选试验,根据其与产质量的关系,设定相应的氮肥施用方式和用量,实现精准施肥,提高氮肥利用效率。