施氮量耦合密度對塔額墾區滴灌甜菜產量與品質的影響

崔 瑜,劉 燕,和海秀,白如霄,2

(1.新疆生產建設兵團第九師農業科學研究所(畜牧科學研究所),新疆塔城 834601;2.新疆農墾科學院,新疆石河子 832000)

甜菜(BetavulgarisL.)是中國重要的糖料作物之一,主要栽培于內蒙古、新疆和東北等地區[1]。尤其在新疆地區,由于其優越的地理位置和光熱資源,成為了國家重要的甜菜糖料基地[2]。從2015年到2021年6個榨糖季,新疆甜菜糖占全國甜菜糖年產量的37.95%～50.87%,在全國甜菜糖業中具有重要地位[3-4]。盡管甜菜是新疆、內蒙古和東北等地區重要的經濟作物之一,但當地的農民在甜菜種植管理仍然存在許多問題。例如,不科學的氮肥管理導致植株生長與氮肥需求不匹配,進而對產量造成負面影響[5]。此外,不合理的群體密度也會導致植株之間對光能和營養獲取不足而影響產量[6-7]。因此,在甜菜生產管理過程中,如何通過調控植株群體對營養和光能獲取以提升產量是亟待解決的問題。

氮是作物生長所必需的營養元素之一,對干物質積累、葉綠素含量和冠層物質同化過程具有顯著的促進作用[8-9]。尤其對甜菜生長及產量形成具有重要意義[10]。前人研究表明,高施氮量可提高甜菜葉片氮含量和光合能力,當施氮量小于180 kg/hm2時,葉面積指數、光合速率隨著施氮量增加而增加,但當施氮量超過180 kg/hm2時,光合速率降低[11]。此外,在甜菜生育期內施入100～160 kg/hm2純氮會顯著增加塊根產量和氮肥利用效率[5,12-13]。可見,氮肥對甜菜產量和氮素利用效率的提高作用與氮肥的施用量相關[14]。雖然氮素對提高甜菜產量具有重要作用,但密度也是影響甜菜產量形成的重要因素之一[1],這是由于甜菜的產量和質量與群體結構關系密切。合理密植使群體結構動態合理,凈同化速率、群體光能利用率高,有利于干物質和塊根糖分積累以達到高產高糖的目的[15]。因此,在甜菜的生產中,密度調控尤為重要,尤其是適宜的施氮量和密度配置有利于甜菜光合作用、干物質積累以及塊根產量的提高。郭曉霞等[16]研究發現,在膜下滴灌條件下,低密度(8萬株/hm2)施用100 kg/hm2的氮肥可使甜菜產量、含糖量及氮肥利用率最佳。而閆威等[1]則發現,在全覆膜旱作條件下,甜菜高產適宜的種植密度和施氮量分別為9.35萬 株/hm2和130 kg/hm2。

盡管上述研究已經闡明不同種植條件下的最優施氮量和密度。但在新疆滴灌甜菜種植過程中,當地農戶廣泛使用的種植密度為11.3萬 株/hm2(45 cm等行距,尤其在塔額墾區應用最廣泛),相較于前者研究中的密度有較大提高,但產量卻并沒有隨密度增加而提高,這可能與當地農戶使用的施氮量及播種密度不宜有關。因此,本研究通過開展施氮量和種植密度的雙因素試驗,研究氮肥耦合種植密度對甜菜生長、光合特性及產量品質的影響,以期探索出當地最佳氮肥施用量及播種密度,為干旱區滴灌甜菜高產優質的氮肥及密度管理奠定理論基礎和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2020-2021年在塔額盆地第九師163團三連(46°48′N、84°02′E,海拔545 m)進行。該區域屬中溫帶大陸性氣候,年平均日照 3 026 h,≥5 ℃有效積溫2 800 ℃～3 200 ℃,無霜期126～140 d,年均降水量398.4 mm,年潛在蒸發量1 515.7 mm。供試地土壤為沙壤土, 2020-2021年試驗地0～40 cm土壤中有機質含量為17.48 g/kg(兩年平均值,下同),堿解氮含量為52.71 mg/kg,有效磷含量為21.75 mg/kg,速效鉀248.17 mg/kg,pH為7.6。供試品種為近年來新疆塔額墾區主推的‘Beta468’。

1.2 試驗設計

采用裂區設計設置氮肥施用量為主區、種植密度為副區的雙因素試驗。施氮量設置低氮(60 kg/hm2,N1)、中氮(180 kg/hm2,N2)和高氮(270 kg/hm2,N3)3個水平。密度設置3個處理,即在45 cm等行距基礎上設置株距為15 cm的高密度(13.3萬株/hm2,D1)、株距為19 cm的中等密度(11.3萬株/hm2,D2)和株距為23 cm的低密度(9.6萬株/hm2,D3)3個處理。共計9個處理,每個處理6次重復,其中3次重復用于各生育時期進行破壞性取樣,另外3次重復只用于收獲期測產。每個小區面積為40 m2(10 m× 4 m)。每個處理在播種前均施入K2O 150 kg/hm2(硫酸鉀,含52% K2O)和P2O5180 kg/hm2(過磷酸鈣,含12% P2O5)。甜菜的播種期分別為2020年4月10日(4月20日出苗)和2021年4月15日(4月24日出苗)。滴灌帶配置為“一管兩行”,為防止各小區間水肥互相影響,各小區之間設置1.5 m間隔。本試驗中使用的氮肥為尿素(含46%的純N),使用水肥一體化的滴灌技術全部追施。其中,蹲苗結束后第1次灌水施入總氮肥的35%,剩余65%在第2～4次進水時隨水滴入。灌水量、灌水時間及其他田間管理與當地甜菜大田生產保持一致。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 農藝指標測定 在甜菜出苗后30 d、90 d、120 d和150 d時選擇長勢一致的1 m2甜菜進行破壞性取樣,將植株分為葉片、葉柄、塊根分別裝袋稱量,在105 ℃烘箱中殺青30 min,后75 ℃烘干至恒量記為干物質。烘干前將葉片帶回實驗室使用Li-3000C葉面積儀((Li-Cor,Lincoln,NE,USA)測量每個處理的葉面積,按文獻[8]計算葉面積指數(LAI),LAI=葉片面積/單位土地面積。

1.3.2 產量和品質測定 收獲期對未破壞性取樣的3個小區進行實收,即每處理量取10 m2后將所有塊根拔出,削去青頭及清洗根體后,記錄收獲數量并準確稱量。各處理選取9株甜菜使用糖度計對含糖率進行測定,將測量值乘以矯正系數0.83后為實際含糖率。按文獻[5]計算根產量和糖產量。根產量=單位面積根產量×土地面積,糖產量=產量×含糖率。將各處理的一部分塊根帶回實驗室使用甜菜品質分析儀(德國,維尼瑪)對α-N、K+和Na+含量進行測定。

1.3.3 總葉綠素含量測定 各處理在每個生育時期內選取完全展開的3片功能葉冰盒避光保存帶回實驗室,稱取 0.2 g置入50 mL離心管中,量取10 mL無水乙醇和10 mL丙酮避光浸提 48 h,浸提結束后使用雙光束紫外可見分光光度計(UH5300,HITACHI)分別在663 nm、645 nm和470 nm的波長下測定吸光值,總葉綠素含量計算參考文獻[8]。

1.3.4 氣體交換及RubisCO活性測定 參考Fei等[13]的方法。在出苗后90 d和120 d,使用LI-6400XT便攜式光合系統(Li-cor Inc.,United States)測定功能葉(第15葉)的氣體交換參數,每個處理測量5株甜菜。測定時間為12:00-13:00,葉室內光子通量密度(PPFD)為1 800 μmol/(m2·s),溫度設為25 ℃,參比室內CO2濃度設為400 μmol/(m2·s),相對濕度控制在80%。自動記錄凈光合速率(Pn)和氣孔導度(Gs)。兩個時期測量氣體交換結束后將葉片避開葉脈剪下,錫箔紙包裹后液氮冷激,帶回實驗室-80 ℃保存,使用購買至南京建成生物工程研究所有限公司的植物1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RubisCO)酶聯免疫分析試劑盒測定RubisCO活性。

1.4 數據統計與分析

使用Excel 2016對數據進行初步整理;使用SPSS 25.0(IBM Corporation,USA)進行數據常規統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan’s法進行數據差異顯著性檢驗(P<0.05);使用Origin 2019(OriginLab Corporation,USA)對統計圖進行繪制。

2 結果與分析

2.1 氮肥與密度互作對甜菜產量品質的影響

由表1可知,增加施氮量和種植密度顯著影響甜菜單株根質量、塊根產量、糖產量及α-N含量(P<0.05),但對K+含量及Na+含量無顯著影響。在兩年的結果中,單株根質量、根產量、糖產量和α-N含量隨施氮量增加而增加,但隨種植密度降低而增加。在2020年和2021年,單株根質量、根產量、糖產量和α-N含量在N3D3處理下最高,較N1D3顯著提高63.48%(兩年的平均值,后同)、32.81%、22.11%和38.57%。K+和Na+含量在密度和施氮量處理間的變化均不顯著。然而,含糖率在2020年和2021年均隨施氮量增加和種植密度降低而降低,在2020年的各處理間差異不顯著,但在2021年N3處理顯著低于N1處理,而在密度處理間差異未達到顯著水平(P<0.05)。這些結果說明,增加密度并不會通過提高單株根質量增加甜菜的根產量和糖產量,而在降低密度時增加施氮量可以通過提高單株根質量增加產量。通過對施氮量和密度處理進行方差分析發現,單株根質量、根產量、糖產量和α-N含量受施氮量影響顯著,受密度處理、密度與施氮量互作處理影響不顯著(P>0.05)。

表1 不同種植密度和施氮量處理下甜菜產量和品質

2.2 氮肥與密度互作對甜菜干物質積累的影響

隨甜菜生育時期推移,各處理間干物質積累量增加(圖1)。在施氮量處理間,干物質積累在N3處理下最大、N1處理下最小;而在不同密度處理間則表現為D1處理最大、D3處理最小。在兩年的試驗結果中,出苗后30 d時,各處理間的干物質積累量差異較小,隨甜菜生育時期推移,N2與N3處理間的甜菜干物質積累量差異較小,但均顯著高于N1處理。在出苗后150 d時,N3D1處理的甜菜干物質積累量較N2D1、N1D1分別增加8.59%(兩年的平均值,下同)、35.4%,較N3D2、N2D2和N1D2分別增加7.1%、12.9%和43.2%,較N3D3、N2D3和N1D3分別增加13.0%、15.15%和48.3%。此外,在出苗后 150 d時,N2和N3處理下的密度處理間差異并不顯著(P>0.05),說明增加施氮量和密度并沒有顯著提高甜菜在收獲期時的生物產量。

DAE表示出苗后時間,D表示密度,N表示施氮量;柱形圖上不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.3 氮肥與密度互作對甜菜葉面積指數的影響

由圖2可知,甜菜全生育期內各處理間的葉面積指數呈先增后降趨勢,在出苗后120 d時葉面積指數最大,并且在各生育時期內均隨施氮量和密度增加而增大。在出苗后120 d時,N2、N3處理的葉面積指數差異較小,在密度處理間則表現為D1處理顯著高于D3處理,而與D2處理無顯著差異。與葉面積指數最高的N3D1處理相比,N3D2、N3D3處理的葉面積指數分別降低 0.8%和3.7%,而N2D1、N2D2、N2D3的葉面積指數分別降低4.6%、6.8%和14.1%。盡管N2、N3處理在苗后120 d時有最高的葉面積指數,但在施氮量和密度處理間差異均不顯著(P> 0.05)。此外,在苗后150 d時,N2、N3處理的葉面積指數有明顯降低,尤其是N2D3處理的下降幅度最大,說明冠層的干物質向地下部分發生了轉移。

圖2 不同種植密度和施氮量處理下甜菜葉面積指數

2.4 氮肥與密度互作對甜菜總葉綠素含量的 影響

由表2可知,施氮量和密度處理對甜菜的總葉綠素含量影響顯著。總葉綠素含量隨生育時期推移呈先增加后降低的趨勢,并且所有處理的總葉綠素含量均在出苗后90 d達到最大值。在甜菜的各生育時期內,總葉綠素含量均隨施氮量增加而增加,隨種植密度的增加而降低。在施氮量處理間,N2、N3處理間無顯著性差異,但N3處理顯著高于N1處理。此外,在同一施氮量處理下,總葉綠素含量在3個密度處理間的差異較小,但均以D3處理含量最高。出苗后90 d,與總葉綠素含量最高的N3D3處理相比,N2D3和N1D3處理降低5.45%(兩年平均值)和16.99%,而N3D2和N3D1則分別降低2.55%和17.27%。通過對施氮量和密度處理進行互作分析發現,在出苗后30 d和90 d時,總葉綠素含量受到施氮量的顯著影響(P< 0.05),但受密度處理、施氮量與密度互作的影響未達到顯著水平。

表2 不同種植密度和施氮量處理下甜菜總葉綠素含量

2.5 氮肥與密度互作對甜菜氣體交換及RubisCO活性的影響

由圖3可知,在出苗后90 d和120 d,各處理間凈光合速率、氣孔導度及RubisCO活性均隨施氮量增加而增加,但隨種植密度增加而降低。在出苗后90 d和120 d,各施氮量處理的凈光合速率在種植密度處理間差異較小,但D3處理高于D1處理,尤其在N3D3處理下最高,在出苗后90 d,較N3D2和N3D1分別增加3.60%和 8.63%,而在出苗后120 d則分別增加3.25%和 6.82%,但在兩個時期內的差異均未達到顯著水平(P<0.05),各處理的氣孔導度變化規律與凈光合速率基本一致。比較各處理的RubisCO活性發現,在出苗后90 d和120 d時,RubisCO活性與凈光合速率和氣孔導度在各處理間變化趨勢基本一致,均在N3D3處理下的活性最高。尤其在出苗后120 d時,D1、D2處理的RubisCO活性低于D3處理。與N3D3處理相比,N3D2、N3D1處理的葉片RubisCO活性分別降低5.30%和 7.05%。這些結果說明,增加施氮量和降低種植密度對甜菜冠層的氣體交換和碳同化具有顯著的改善,這可能與密度措施改善甜菜冠層結構以及氮素促進光合酶活性提高 有關。

圖3 不同種植密度和施氮量處理下甜菜凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)及RubisCO活性

2.6 相關性分析

為進一步了解各指標在施氮量和密度處理后的相互關系,對施氮量和密度處理下的各指標進行相關性分析(圖4)。結果顯示,在種植密度處理下,單株根質量、根產量和糖產量除與葉面積指數(LAI)和Na+含量呈負相關外,與其他指標均呈正相關,尤其與出苗后90 d和120 d時的凈光合速率、總葉綠素含量呈顯著正相關。然而,品質指標中的K+、Na+和α-N含量與出苗后120 d的RubisCO活性以及總葉綠素含量均有不同程度的負相關。分析施氮量處理下產量和品質與各指標間的相關性發現,單株根質量與含糖率呈顯著負相關,而根產量和糖產量均與不同生育時期的葉面積指數、光合速率、氣孔導度、RubisCO活性以及總葉綠素含量呈顯著正相關。然而,品質指標中的K+和α-N含量與出苗后120 d時的總葉綠素含量呈負相關,Na+則與出苗后90 d的凈光合速率呈負相關,但負相關均未達到顯著水平(P>0.05)。

Root mass表示單株根質量;Sugar content表示塊根含糖量;Root yield表示塊根鮮質量產量;α-N表示有害氮含量;K+表示塊根中鉀離子含量;Na+表示塊根中鈉離子含量;Gs、Pn、RubisCO、LAI、Chl(90、120)分別表示在出苗后90和120 d時的氣孔導度、凈光合速率、RubisCO活性、葉面積指數和總葉綠素含量。*表示在P<0.05的檢驗水平下差異顯著

3 討 論

氮肥對甜菜產量和品質具有重要調控作用,過多或者不足均會導致產量和品質受到影響[17],因此,適量施氮是協調甜菜產量和糖產量間不平衡關系的關鍵。多數研究表明,甜菜根產量和糖糖產量最優的施氮為150～180 kg/hm2,之后塊根產量雖然會隨施氮量增加而增加,但含糖量卻會下降[16-17]。然而,王娟等[18]的研究表明,塔額盆地滴灌條件下施氮量為210 kg/hm2時的產量和品質最優。閆威等[1]認為,全覆膜旱作條件下,施130 kg/hm2氮素配合9.35萬株/hm2的種植密度可使產量最優。在本研究中,單株根質量和塊根產量均隨施氮量增加而增加,在施氮量270 kg/hm2時獲得最高塊根產量(116.71 t/hm2,兩年N3D3處理的平均值),但與施氮量180 kg/hm2時的塊根產量(114.61 t/hm2,兩年N2D3處理的平均值)沒有顯著差異,反而降低了含糖量。說明增加施氮量雖然會增加單株根質量進而提高塊根產量,但過多氮肥并不會起到顯著增加塊根產量和含糖率的作用。這與前人研究結果是一致的。這可能是因為過多氮肥導致地下部和地上部的氮素分配發生改變,更多同化物進入冠層用于葉片生長,降低了同化物向根系的運轉比例,導致糖含量下降[19-20]。另外,本研究結果發現,增加施氮量后含糖量降低,但最終的糖產量并沒有顯著降低,甚至與塊根產量的增加保持一致。這是因為糖產量由塊根產量和含糖量所決定,含糖量降低的部分由塊根產量進行了補償,所以最終的糖產量并沒有被降低[21]。此外,在本試驗中,增加密度(株距為15 cm)后塊根產量并沒有增加,甚至單株根質量和塊根產量均顯著低于當地農戶使用的株距(株距為19 cm),相反,降低密度后的單株根質量顯著提高,進而增加塊根產量。這是因為在低密度條件下,植株冠層物質同化能力得到改善,通過發揮單株根質量優勢彌補了密度帶來的數量損失[22-23]。

施氮量和密度不僅會對塊根產量造成影響,也會影響塊根中K+、Na+、α-N含量,導致收獲期甜菜品質降低[15,18]。在甜菜加工過程中,塊根中K+、Na+、α-N含量以及其他阻礙蔗糖提取的可溶性成分均會影響蔗糖結晶并損失到糖蜜中,嚴重降低加工效率[24]。研究表明,施氮會增加甜菜根中K+、Na+、α-N含量,但隨施氮量增加或密度改變,該含量并沒有顯著增加[18],而過量氮肥供應則會降低糖含量和其他可溶性雜質,進而影響蔗糖提取[25]。在本研究結果中,年際間塊根中K+、Na+含量在3個施氮量和3個密度處理間差異并不顯著,而α-N則隨施氮量增加而增加,在密度處理之間無明顯規律。說明在本試驗條件下,增加施氮量會通過調控塊根中的α-N降低品質,這可能是由于甜菜是一種對氮肥敏感的作物,而根中α-N含量與氮素施用量呈正相關[26]。因此,當氮素供應過量時,雖然會獲得較高的塊根產量,但也增加塊根中α-N含量,降低含糖率和甜菜的工藝品質。此外,這可能是由于氮肥與密度的交互作用對甜菜塊根碳氮代謝平衡造成影響,進而導致品質降低,因為碳氮代謝是甜菜營養生長過程中既對立又統一的兩個代謝過程,決定著甜菜體內含氮化合物積累[27]。因此,過量氮肥施用會促進甜菜體內氮代謝過程,使同化產物被消耗合成含氮化合物,導致塊根品質降低[28]。

增加干物質積累量是提高作物經濟產量潛力的主要途徑,干物質積累主要源自冠層的光合碳同化過程[29]。而與光合碳同化過程相關的有效光合面積、色素含量、氣體交換能力和光合催化酶活性受氮素及密度的顯著調控[15]。研究表明,作物葉片的光合色素含量、光合相關的酶活性以及氣體交換隨施氮量增加而顯著提高,而施氮量下,高密度種植有利于提高甜菜LAI,低密度種植則有利于提高甜菜SPAD值及Pn[1,30],這些結論在本研究的結果中也得到了證實。另外,本研究還發現,隨著施氮量和密度增加,干物質積累量、LAI均顯著提高,說明干物質積累與葉面積增加是一個協同的過程。此外,有研究指出,氮肥對甜菜的影響主要集中于促進前期冠層生長,對后期的塊根膨大和糖積累過程影響較小[19],因此在高密度處理下干物質積累量顯著高于低密度處理,可能是由于地上部分干物質占比較高。盡管高密度處理的LAI和干物質積累量最大,但甜菜關鍵生長期(90～120 DAE)的凈光合速率、氣孔導度、總葉綠素含量及RubisCO活性并沒有得到顯著提高,甚至在低密度處理下最高,這與閆威等[1]的研究結果一致。這是因為密度過大,群體通風透光較差,冠層下部葉片失去或者有較低的光合效率[31],并不能作為“源”給“庫”供應同化物,反而會消耗一部分同化物用于自身代謝。然而,低密度條件下,冠層郁閉度降低、光能利用率增加,冠層上、下部葉片均能參與對光能的截獲以進行碳同化[32]。并且大量氮素供應對葉片中的RubisCO活性起到顯著正向調控,因此葉片通過增加氣孔導度吸收更多CO2以提高凈光合速率,最終提高塊根中干物質積累以增產。從相關性分析的結果也可知,塊根產量與葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度及RubisCO活性之間存在顯著的正相關。因此,低密度條件下,氮肥通過對光合過程的正向調控作用更能促進干物質積累和產量 提高。

4 結 論

增加施氮量的同時降低種植密度會提高甜菜冠層光合色素含量和RubisCO活性,增加葉片的氣體交換,促進更多同化物向根部積累,進而增加單株根質量、提高塊根產量。但當施氮量過多(高施氮量)時,甜菜產量和品質并沒有顯著提高。因此,從節源增效角度考慮,建議新疆干旱區的滴灌甜菜種植采用低密度(9.6萬株/hm2)、中等施氮(180 kg/hm2)模式。