大蒜耐低氮型品種篩選與評(píng)價(jià)

劉燦玉， 楊 峰， 陸信娟， 趙永強(qiáng)， 張碧薇， 史新敏， 樊繼德

(江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇徐州 221121)

大蒜屬喜肥耐肥作物，尤其對(duì)氮素需求量最大，汪興漢等研究認(rèn)為，氮素對(duì)大蒜產(chǎn)量影響最大。當(dāng)前生產(chǎn)上蒜農(nóng)普遍盲目重施氮肥，而這不僅增加了其種植成本，還加重了大蒜二次生長(zhǎng)現(xiàn)象，并導(dǎo)致氮素向環(huán)境中的轉(zhuǎn)移。因此，在確保產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，如何降低氮肥的施用量已成為大蒜栽培上亟待解決的問題。前人研究認(rèn)為，選育耐低氮品種，可提高作物對(duì)氮肥的利用效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在維穩(wěn)作物產(chǎn)量的同時(shí)，減少氮肥投入量的目的，對(duì)綠色高效可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)具有重要意義。不同基因型品種耐低氮能力存在顯著的差異，鐘思榮等研究認(rèn)為，充分挖掘作物自身的基因潛力，擺脫對(duì)肥料的過分依賴，是減肥增效的有效途徑；陳凌等研究亦認(rèn)為，篩選評(píng)價(jià)耐低氮品種，可有效提高氮素利用效率、減少氮肥用量，是品種選育的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前，耐低氮品種的篩選評(píng)價(jià)工作已逐漸受到重視，且在小麥、玉米及水稻等大田作物上已開展較多相關(guān)研究，茄子、辣椒等蔬菜作物耐低氮品種的鑒定也有報(bào)道，而在大蒜上，減氮穩(wěn)產(chǎn)相關(guān)研究仍主要集中在氮素最佳供應(yīng)水平及形態(tài)上，挖掘和利用大蒜自身的耐低氮潛力，選育耐低氮大蒜品種尚未見報(bào)道。本試驗(yàn)利用長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)田設(shè)2個(gè)氮水平(施氮和不施氮處理)，探討耐低氮型大蒜材料的篩選與評(píng)價(jià)指標(biāo)，以期為大蒜減氮穩(wěn)產(chǎn)栽培措施及耐低氮型品種選育等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018—2021年在江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)示范基地長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)田(117.41°E、34.40°N)進(jìn)行，基礎(chǔ)土壤為黏壤土，pH值8.50，有機(jī)質(zhì)含量13.19 g/kg，全氮含量 0.91 mg/kg，有效磷(PO)含量17.69 mg/kg，速效鉀(KO)含量117.70 mg/kg。選用我國(guó)當(dāng)前主栽或優(yōu)質(zhì)資源材料中28份不同遺傳背景的頭蒜品種作參試材料，品種名稱及編號(hào)見表1。

表1 供試大蒜材料品種信息

試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：施氮處理(常規(guī)施NPK肥)、不施氮處理(常規(guī)施PK肥)，每處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)排列，小區(qū)間由0.9 m寬、1.0 m高(其中0.8 m埋入地下)的水泥壟隔開，確保各小區(qū)單灌單排，每小區(qū)面積200 m。試驗(yàn)區(qū)為大蒜-毛豆輪作，施氮區(qū)：大蒜種植時(shí)將50 kg/667 m三元復(fù)合肥和 20 kg/667 m尿素作為基肥均勻撒施后立即翻耕整地，返青期追施15 kg/667 m尿素；毛豆種植時(shí)施N、P、K 均為3 kg/667 m，由三元復(fù)合肥(N、PO、KO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為15%)提供，作為基肥一次性施入，后期不追肥。不施氮區(qū)：大蒜和毛豆種植時(shí)P、K施入量和施入方式均與施氮區(qū)一致，分別由過磷酸鈣和硫酸鉀提供。其他田間管理均同徐州當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培方式一致。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

大蒜為秋播方式(每年10月8日左右播種，翌年5月20日左右收獲)，分別于2019年和2021年鱗莖膨大前期，參照李錫香等的方法調(diào)查大蒜農(nóng)藝性狀；于2021年鱗莖膨大后期，每小區(qū)每品種取3株，測(cè)定其根、莖、葉及鱗莖鮮樣生物質(zhì)量后，105 ℃ 殺青，70 ℃恒溫烘干，測(cè)定其干物質(zhì)量，以3株平均值作為該小區(qū)品種實(shí)測(cè)值，蒜頭收獲時(shí)測(cè)定地上部產(chǎn)量；分別于2019、2020、2021年收獲后，測(cè)定小區(qū)各品種蒜頭產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中，性狀指標(biāo)相對(duì)值=性狀在無氮處理下的測(cè)定值/常規(guī)施氮處理下的測(cè)定值；通過SPSS 20.0軟件進(jìn)行生物量指標(biāo)因子分析、相關(guān)性分析，并采用Ward法聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大蒜不同品種間農(nóng)藝性狀的差異

由表2可以看出，肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)條件下，2019年和2021年間大蒜農(nóng)藝性狀未顯示顯著性差異。施氮對(duì)大蒜農(nóng)藝性狀各指標(biāo)的影響略有不同，除2個(gè)處理間的大蒜假莖高均值和極值基本無差異外，2年常規(guī)施氮處理的株高、株幅、葉長(zhǎng)、葉寬、假莖粗及葉片數(shù)的均值和極值均大于無氮處理，表明施氮有利于提高大蒜長(zhǎng)勢(shì)。2019年和2021年間大蒜各農(nóng)藝性狀指標(biāo)的變異系數(shù)在無氮和常規(guī)施氮處理下均較小，與此同時(shí)，各農(nóng)藝性狀指標(biāo)在無氮處理與常規(guī)施氮處理的相對(duì)值的平均值為0.61～1.03，而變異系數(shù)僅為3.63%～13.11%，表明農(nóng)藝性狀指標(biāo)對(duì)氮素的響應(yīng)無顯著的基因型差異。

表2 2019年和2021年大蒜不同品種間農(nóng)藝性狀的差異

2.2 不同大蒜品種間各器官生物量的差異

由表3可以看出，大蒜蒜頭產(chǎn)量3年間無顯著差別，常規(guī)施氮處理下大蒜各器官生物量平均值和極值均明顯大于無氮處理，表明常規(guī)氮肥有利于提高大蒜各器官生物量的積累。在2021年試驗(yàn)中，無氮處理下，各指標(biāo)變異系數(shù)為14.75%～22.68%，其中葉鮮質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、鱗莖鮮質(zhì)量、鱗莖干質(zhì)量及地上部產(chǎn)量的變異系數(shù)相對(duì)較大且值相近，分別為19.60%、20.62%、22.55%、22.68%、20.17%、20.82%和21.50%。常規(guī)施氮處理下，各指標(biāo)變異系數(shù)為13.50%～41.07%，依次為地上部產(chǎn)量>葉鮮質(zhì)量>鮮根冠比>莖鮮質(zhì)量>干根冠比>葉干質(zhì)量>莖干質(zhì)量>根鮮質(zhì)量>鱗莖鮮質(zhì)量>蒜頭產(chǎn)量>鱗莖干質(zhì)量>根干質(zhì)量。于此同時(shí)，各生物量指標(biāo)在無氮處理與施氮處理下相對(duì)值的平均值范圍為0.42～1.23，變異系數(shù)范圍為16.79%～34.72%，葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量及鱗莖干質(zhì)量在無氮和施氮處理下的相對(duì)值的平均值相對(duì)較小，分別為0.42、0.55、0.46、0.50和0.57，而變異系數(shù)較大，分別為34.72%、19.48%、19.67%、23.35%和18.08%，表明這些指標(biāo)對(duì)無氮脅迫的敏感程度大，且在耐低氮上品種間差異明顯。綜上，可初步說明葉鮮質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量可以作為不同基因型大蒜耐低氮的篩選指標(biāo)。

表3 不同大蒜品種間各器官生物量的差異

2.3 不同大蒜品種各生物量指標(biāo)因子分析

進(jìn)一步對(duì)2021年試驗(yàn)中大蒜不同品種各器官生物量指標(biāo)進(jìn)行因子分析，由表4可知，在無氮條件下可提取3個(gè)主成分，總解釋方差79.676%，方差貢獻(xiàn)率分別為39.415%、23.967%和16.294%，其中，第1主成分主要由葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量決定。在常規(guī)施氮條件下同樣可提取3個(gè)主成分，總解釋方差為80.840%，方差貢獻(xiàn)率分別為40.271%、25.637%和14.932%，并且，第1主成分同樣由葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量決定。根據(jù)各主成分的貢獻(xiàn)率情況，說明不同供氮條件下葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量、莖鮮質(zhì)量、莖干質(zhì)量最能代表不同基因型大蒜對(duì)氮素的響應(yīng)狀況。

表4 各主成分的特征向量及累積貢獻(xiàn)率

2.4 各生物量指標(biāo)與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性

由表5可知，2021年試驗(yàn)中，除干根冠比與蒜頭產(chǎn)量無顯著相關(guān)性外，其他生物量指標(biāo)均與蒜頭產(chǎn)量存在極顯著相關(guān)性，其中，鮮根冠比與蒜頭產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)，而葉、莖、根及鱗莖的鮮干質(zhì)量均與蒜頭產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，表明選用生物量指標(biāo)具有篩選耐低氮型大蒜的可行性。

表5 各生物量指標(biāo)與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性

2.5 耐低氮大蒜基因型的篩選

根據(jù)2021年試驗(yàn)中大蒜各生物量指標(biāo)性狀的差異、因子分析及相關(guān)性結(jié)果，確定葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量作為大蒜耐低氮評(píng)價(jià)指標(biāo)，以同年2個(gè)氮水平的葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量的相對(duì)值作為指標(biāo)，對(duì)28個(gè)大蒜基因型進(jìn)行Ward法聚類分析(圖1)。分析可知，28個(gè)大蒜品種可分為3類，第Ⅰ類3個(gè)品種(編號(hào)分別為20、22、27)表現(xiàn)為葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量的相對(duì)值均較大，氮肥對(duì)其影響較小，為耐低氮型品種；第Ⅱ類3個(gè)品種(編號(hào)分別為3、4、6)表現(xiàn)為葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量的相對(duì)值均較小，氮肥對(duì)其影響顯著，為低氮敏感型品種；其余22個(gè)品種為第Ⅲ類，表現(xiàn)為葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量的相對(duì)值中等，為中間型品種。

3 討論與結(jié)論

鐘思榮等研究認(rèn)為，在篩選耐低氮品種中，選擇合適時(shí)期至關(guān)重要，通常在苗期或成熟期進(jìn)行；楊光梅等研究認(rèn)為，3葉期后或近4葉期是篩選玉米耐低氮材料的關(guān)鍵時(shí)期；趙化田等研究認(rèn)為，應(yīng)在苗期進(jìn)行小麥耐低氮基因型的鑒定；陳凌等研究認(rèn)為，結(jié)合大田試驗(yàn)，進(jìn)行糜子全生育期耐低氮品種的篩選更符合實(shí)際生產(chǎn)。本試驗(yàn)利用長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)田可較好地控制土壤肥力，選擇在大蒜鱗莖膨大期篩選鑒定，主要是由于大蒜苗期“退母”前生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)主要由蒜瓣提供，受外界氮供應(yīng)的影響較小，不利于耐低氮品種的篩選，而在大蒜鱗莖膨大期，其氮素營(yíng)養(yǎng)響應(yīng)狀況能基本代表全生育期的氮素營(yíng)養(yǎng)特性，并結(jié)合其收獲時(shí)產(chǎn)量指標(biāo)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)更具有指導(dǎo)意義。

當(dāng)前，作物耐低氮性的研究雖較多，但其篩選指標(biāo)尚未達(dá)成一致。前人研究發(fā)現(xiàn)，低氮脅迫可導(dǎo)致植株生長(zhǎng)、生物量積累等形態(tài)學(xué)指標(biāo)變化，且不同基因型品種對(duì)其的響應(yīng)存在較大差異。裴雪霞等研究認(rèn)為，苗期植株相對(duì)干質(zhì)量可作為耐低氮小麥基因型的早期篩選指標(biāo)。黃興東研究認(rèn)為，對(duì)于大田試驗(yàn)，有必要選擇簡(jiǎn)單有效的指標(biāo)來反映作物的耐低氮能力，相對(duì)穗質(zhì)量、相對(duì)草質(zhì)量和相對(duì)粒質(zhì)量可作為谷子耐低氮品種的篩選指標(biāo)。王春萍等研究認(rèn)為，在辣椒耐低氮型品種的篩選上，相比于地上、根和整株等的氮積累量指標(biāo)，以葉面積、根冠比及莖、葉、根和植株干質(zhì)量為指標(biāo)可縮短其篩選周期和成本，提高篩選效率。王玲敏等研究亦認(rèn)為，采用形態(tài)學(xué)指標(biāo)篩選和鑒定玉米耐低氮品種比氮素利用效率指標(biāo)更為簡(jiǎn)單，可極大降低工作量。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大蒜農(nóng)藝性狀及各器官生物量等指標(biāo)在不同氮素水平下存在差異，尤其是葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量在無氮和常規(guī)施氮處理下絕對(duì)值和相對(duì)值的變異系數(shù)均較大，而相對(duì)值的平均值較小，表明葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量對(duì)不同氮素水平具有一定敏感性，對(duì)氮素的響應(yīng)存在基因型差異，與此同時(shí)，最終蒜頭產(chǎn)量與葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量具有極顯著相關(guān)性，符合作物耐低氮性篩選指標(biāo)要求，這與主成分分析結(jié)果基本一致，因此，本試驗(yàn)將葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量作為大蒜耐低氮型品種的篩選指標(biāo)具有可行性。一般用評(píng)價(jià)指標(biāo)在低氮處理與正常氮處理下的相對(duì)值將不同品種耐低氮能力分為3類，包括耐低氮型、中間型和低氮敏感型。黃興東研究認(rèn)為，需對(duì)篩選的指標(biāo)進(jìn)行綜合分析才可提高耐低氮品種篩選的準(zhǔn)確性和可靠性，且常用方法有主成分分析、隸屬函數(shù)和聚類分析。本試驗(yàn)采用聚類分析，以葉鮮質(zhì)量和莖鮮質(zhì)量在無氮與正常氮下的相對(duì)值作為指標(biāo)，篩選出耐低氮品種3個(gè)，分別為玉林大白蒜、興平大蒜和徐蒜918，氮敏感型品種3個(gè)，分別為濟(jì)南大青稞、自貢白蒜和云南頭蒜8號(hào)。