施氮量对菊芋块茎产量、品质与植株生理特性的影响

李岚涛，张 铎，盛 开，耿赛男，石纹碹，苗玉红，王宜伦

（河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002）

菊芋(Helianthus tuberosusL.)又名洋姜、鬼子姜，为菊科向日葵属多年生草本植物，具有耐旱、耐寒、耐盐碱等特性，原产北美，经欧洲传入我国，是近年来发展较快的新型经济作物[1–2]。菊芋用途广泛，功能多样，其叶片、茎秆中含有丰富的蛋白质、可溶性糖等营养物质，粉碎后可用作牲畜饲料。研究表明，同等肥力条件下种植苜蓿其粗蛋白质产量为2070 kg/hm2，而菊芋则高达3000～3750 kg/hm2[3]。同时，菊芋叶片中丰富的绿原酸成分被称为“第七大类营养素”，广泛应用于医疗和保健领域[4]。此外，新鲜菊芋块茎中高含量的菊糖和还原糖可为韦氏杆菌与双歧杆菌等肠道益生菌群提供充足的能量底物，优化肠道菌群结构，增强动物免疫力[5]。2009年，菊芋被卫生部批准为“新资源食品五号”，并被联合国粮农组织称为“21世纪具有代表性的典型膳食纤维食品”。因此，深入研究营养元素供应对菊芋产量、品质及生理响应特征的影响具有重要意义。

在作物所必需的17种营养元素中，氮(N)是菊芋需求量最多也是质量分数最高的营养元素，其植株干体中氮含量占0.4%～5.0%，对产量的贡献则高达40%～60%。从品质上来讲，菊糖和还原糖是菊芋块茎含量最高的两大非结构性碳水化合物(约占块茎鲜重的85%以上)，而氮素则是菊芋进行光合作用并开展碳同化物的生产、运输、分配的一个重要营养因子。因此氮素与菊芋块茎品质特性关系紧密[2, 4]。此外，氮同时广泛参与菊芋结构组成和诸多生理代谢过程，对产量形成、品质构建和植株生长发育等均具有重要作用[6]。相比于其他营养元素，菊芋对氮素响应则更为敏感，如缺氮时宏观上表现为植株矮小，上部叶易发黄失绿、下部叶提早衰落；在生理功能上表现为叶绿素、蛋白质含量降低，光合作用减弱，细胞分裂延缓等。氮肥过多时植株生长茂盛，叶片呈深绿色、叶色分层现象明显降低，植株后期易倒伏且品质下降等[7–8]。分析发现，目前关于作物氮素营养特性方面的研究主要集中在粮食作物[9–10]、蔬菜[11]和其他经济作物上[12]，而菊芋作为一种新兴的经济和能源作物，其氮营养方面的报道则相对较少。钟启文等[13]研究了菊芋生长发育动态及氮素营养吸收分配规律，发现施氮对菊芋茎叶生长发育影响较大；隆小华等[14]发现，海水灌溉条件下施用氮肥可显著影响菊芋对钠、钙和镁等中微量元素的吸收。前人研究虽基本明确了菊芋氮肥施用的增产效应及生长发育规律，但田间条件下关于氮素对成熟期菊芋块茎产量、品质及各生育期理化指标的影响的系统分析以及关键因子分析的报道还相对匮乏。基于此，本研究通过2019和2020年两年氮肥梯度田间试验，深入探究了菊芋块茎产量、品质及营养生长和生殖生长期各生理指标(植株氮积累量、叶绿素、绿原酸、可溶性糖、可溶性蛋白、木质素、纤维素含量等)对氮肥施用的响应特征，并结合偏最小二乘回归模型确定关键营养指标，为菊芋氮肥优化施用及构建高效氮营养管理策略提供试验支撑和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及供试材料

连续两年分别于河南省新乡市原阳县(2019年3—11 月，35°6′ N、113°56′ E)和南阳市方城县(2020 年 3—11 月，33°16′N、112°51′E)开展菊芋氮肥效应大田试验。供试土壤原阳为砂质潮土，方城为壤质黄褐土，0—20 cm耕层土壤理化性状如表1所示。供试菊芋品种均为“南芋1号”，栽培密度为 27000 株/hm2。

表1 试验田土壤基础养分状况Table 1 Soil fertility of the experimental sites

1.2 试验设计与方法

2019年氮肥试验共设6个氮处理水平，分别为N 0、60、120、180、240 和 300 kg/hm2，2020 年设N 0、90、180、270 和 360 kg/hm25 个氮处理。小区面积为 20 m2(4.0 m×5.0 m)，每个处理 3 次重复，随机区组排列。除氮肥外，各处理均施P2O5120 kg/hm2和 K2O 135 kg/hm2，所有肥料均作基肥于菊芋播种前一次性施入。供试肥料分别为ESN树脂包膜尿素 (含 N 44%)、过磷酸钙 (含 P2O512%)和硫酸钾(含K2O 54%)。出苗后定株。播种前灌水1次，营养生长末期人工浇水1次。6月和7月中旬分别人工除草1次。原阳于2019年3月18日播种，11月4日收获；南阳市方城于2020年3月24日播种，11月12日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 菊芋块茎产量和品质测定 于菊芋成熟期，将各小区测产区(10 m2)菊芋全部单刨、单收，称鲜重，根据已采植株样及占用面积计算单位面积块茎产量(kg/hm2)。此后，各小区选取6株代表性菊芋块茎样品洗净晾干，切块后于105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重，磨粉过25 mm筛。采用苯酚－硫酸法测定菊芋块茎总糖含量，采用3, 5-二硝基水杨酸比色法(DNS)测定还原糖含量[15]。菊糖含量=总糖含量–还原糖含量。

1.3.2 菊芋生理生化指标测定 分别于菊芋营养生长前期、营养生长中期、营养生长末期和开花期，各小区选取10株长势一致的植株，采用日本产Minolta SPAD-502型叶绿素计，沿主茎自上而下测其冠层上、中和下层代表性完全展开叶SPAD值，将同一小区内测试结果求取平均值。随后，从10株菊芋中选取4株，烘干、称重，计算生物量(kg/hm2)；采用H2SO4–H2O2法测定地上部植株氮含量(%)，计算植株氮素积累量(kg/hm2)。参照YC/T 202—2006行业标准，用高效液相色谱法(HPLC)测定叶片绿原酸含量[16]；采用蒽酮比色法测定叶片可溶性糖含量；采用考马斯亮蓝法测定叶片可溶性蛋白含量；采用比色法测定叶片纤维素和木质素含量[15]。

1.4 数据处理与分析

在明确不同氮素水平下菊芋成熟期块茎产量、品质(因变量)和各生育期理化指标(自变量)变化特性之后，采用可有效解决自变量间具有多重共线性问题的偏最小二乘回归模型 (partial least square，PLS)定量表征两变量间关系，明晰影响产量和品质变化的关键因子。PLS模型集典型相关分析、多元线性回归分析和主成分分析为一体，不仅可有效降低因子分析维度，同时又可从多维自变量中寻求影响因变量的关键主控因子，构建高鲁棒性分析模型[17]。PLS模型监测精度采用实测值与预测值间决定系数(coefficient of determination，R2)、均方根误差 (root mean square error，RMSE)和相对分析误差 (relative percent deviation，RPD)来表征。R2和 RPD 值越高，RMSE值越低，表明模型精准度和稳定性越强。关键指标选择采用PLS模型中的无量纲评价指标变量重要性投影值 (variable importance for projection，VIP)来确定。VIP值可以快速、直观和定量地反映出各自变量在预测因变量时的重要程度，其临界值为1.0，值越高，表明该因子敏感度和影响力越强。

基础数据输入和分析采用Excel 2007软件进行；方差分析采用SPSS 20.0进行；利用Matlab R2012a中PLS插件进行模型精度的定量评估和关键因子选择；采用Origin 2019软件绘图。

2 结果与分析

2.1 施氮量对成熟期菊芋块茎产量的影响

施氮量显著影响成熟期菊芋块茎产量(图1)。与对照(0 kg/hm2)相比，2019和2020年施氮处理菊芋块茎产量增幅分别平均为157.4%和175.8%，增产效果显著。综合各氮肥处理平均值，2019和2020年菊芋块茎产量分别平均为23682和33862 kg/hm2。此外，两年度菊芋块茎产量均随氮肥用量增加呈“先升高后趋于平稳”的趋势，分别将产量与施氮量利用“线性加平台”函数拟合，得出2019与2020年度菊芋最优施氮量分别为232和270 kg/hm2，对应产量分别为36065和47435 kg/hm2。综合两年度试验结果，建议菊芋适宜施氮量为230～270 kg/hm2。

图1 不同氮肥用量下成熟期菊芋块茎产量Fig. 1 The fresh weight ofHelianthus tuberosus L. tubers at maturity under different N application rates

2.2 施氮量对成熟期菊芋块茎品质的影响

由表2可知，成熟期菊芋块茎品质指标菊糖与还原糖含量受氮肥用量影响显著。2年试验结果均呈现出随施氮量增加先显著升高后趋于稳定的趋势。2019年，与不施氮相比，施氮量为60、120、180、240和300 kg/hm2菊糖含量分别增加4.7%、11.1%、18.8%、22.5%和23.1%，平均增幅为16.0%；还原糖含量则分别提高14.1%、31.6%、52.5%、83.8%和92.3%，平均增幅为54.9%。2020年，与对照相比，施氮后菊芋块茎菊糖和还原糖含量增幅分别平均为18.1%和31.9%，效果显著。两年度综合分析，与对照相比，施氮处理菊芋块茎菊糖和还原糖含量增幅分别平均为19.4%和47.3%。

表2 不同氮肥用量下成熟期菊芋块茎菊糖和还原糖含量Table 2 The inulin and reducing sugar contents ofHelianthus tuberosus L. tubers at maturity under different N application rates

2.3 施氮量对不同生育期菊芋植株氮积累量的影响

随生育期推进菊芋地上部植株氮素积累量呈先升高后降低式变化，至营养生长末期时达到峰值(图2)。2019年，营养生长前期、中期、末期和开花期各施氮处理其地上部植株氮积累量平均值分别为90.4、138.3、236.4 和 68.5 kg/hm2，2020 年则分别为 93.6、151.0、298.6 和 101.9 kg/hm2。氮肥处理间，随氮肥用量增加菊芋各生育期地上部植株氮积累量均明显提高。营养生长期内，2019年施氮处理氮素积累量平均值为172.4 kg/hm2，较对照提高153.0%，开花期施氮处理与对照相比增幅为177.3%；2020年营养生长期和开花期内施氮处理其氮素积累量分别平均为206.4和117.6 kg/hm2，较对照分别增加157.7%和201.1%，与2019年相比增幅略有提升。

图2 不同氮肥用量下各生育期菊芋地上部植株氮积累量Fig. 2 N accumulation in aboveground ofHelianthus tuberosus L. in each growth period under different N application rates

2.4 施氮量对不同生育期菊芋叶片绿原酸含量的影响

绿原酸是抗菌、抗病毒的有效药理成分，被称为“第七大类营养素”。菊芋叶片中含有丰富的绿原酸成分，合理施用氮肥可有效提高其叶片中绿原酸含量(图3)。综合两年度试验结果，生育期间，营养生长前期、中期、末期和开花期不同氮营养水平下菊芋叶片绿原酸含量平均值分别为0.382%、0.387%、0.376%和0.371%，即营养生长期大于生殖生长期，且在营养生长中期(播种后110天左右)时最高。氮肥处理间，随氮肥用量增加其叶片绿原酸含量显著提高。与不施氮相比，营养生长前期、中期、末期和开花期施氮处理绿原酸含量分别平均提高32.8%、22.7%、14.9%和18.9%。

图3 不同氮肥用量下各生育期菊芋叶片绿原酸含量Fig. 3 Chlorogenic acid content ofHelianthus tuberosus L. in each growth period under different N application rates

2.5 施氮量对不同生育期菊芋叶片SPAD值、可溶性糖和蛋白质含量的影响

氮素水平对菊芋叶片SPAD值、可溶性糖及可溶性蛋白含量影响均较显著(表3)。随氮肥用量增加，上述指标均呈逐步升高趋势，当施氮量在0～240 kg/hm2(2019 年)和 0～270 kg/hm2(2020 年)时，处理间差异性达5%显著性水平，进一步增加施氮量分别至300和360 kg/hm2时处理间则差异不显著。综合各生育期结果，施氮处理叶片SPAD、可溶性糖和可溶性蛋白质平均含量分别为52.9、0.507和3.740 mg/g，与对照相比，增幅分别为12.5%、8.5%和17.6%。

表3 不同氮肥用量下各生育期菊芋叶片SPAD值、可溶性糖和可溶性蛋白含量Table 3 Leaf SPAD value, soluble sugar, and soluble protein content ofHelianthus tuberosus L.in each growth period under different N application rates

2.6 施氮量对不同生育期菊芋叶片木质素和纤维素含量的影响

随着氮肥用量的增加，菊芋叶片木质素含量呈逐步下降趋势(表4)。营养生长前期、中期、末期和开花期施氮处理叶片木质素含量平均值分别为11.1%、9.1%、9.6%和9.5%，与对照不施氮相比降幅分别为23.5%、15.4%、14.1%和9.9%。叶片纤维素含量变化趋势则与此相反，随氮肥用量增加而显著升高(表4)。相比于不施氮处理，氮肥施用后上述4个生育期其叶片纤维素含量分别平均提高38.9%、23.3%、23.7%和23.3%，增幅显著。

表4 氮肥用量对不同生育期菊芋叶片木质素和纤维素含量 (%) 的影响Table 4 Effects of N application rate on leaf lignin and cellulose content (%) ofHelianthus tuberosus L.at different growth periods

2.7 影响菊芋块茎产量和品质的主控因子分析

综合2019、2020年两个试验的4个关键生育期数据，建立了生育期各指标与块茎产量、品质间的整体回归PLS模型，并计算了模型的精准度与可靠性(表5)。结果表明，生育期间菊芋叶片各理化指标与成熟期块茎产量、菊糖和还原糖含量间的PLS模型的决定系数(R2)均大于0.60，相对分析误差值(RPD)均高于临界值1.40，表明PLS模型精准度和稳定性均较高。因此，采用PLS模型定量分析菊芋不同理化指标与产量、品质间回归关系，揭示指示产量、品质变化的关键因子具有较高的可行性。

表5 PLS模型描述的菊芋各指标与块茎产量和品质定量关系的精度分析Table 5 Robustness of a PLS model describing the relationship between the indicators, yield, and quality of Helianthus tuberosus L.

采用PLS模型的变量重要性投影值(VIP)分析方法，定量计算了各理化指标对菊芋块茎产量、菊糖和可溶性糖的影响力VIP值(图4)。VIP临界阈值通常为1.0，其值越大，则表明该指标在预测因变量变化时的影响力越强，紧密度越高。基于此，确定叶片SPAD值为菊芋块茎产量和还原糖含量变化响应的最关键因子，绿原酸次之；叶片绿原酸含量为响应块茎菊糖含量变化的最关键因子，可溶性蛋白含量次之。

图4 基于PLS回归模型的菊芋块茎产量和品质主控因子分析Fig. 4 Identification of the main controlling factors of Helianthus tuberosus L. yield and quality based on a PLS model

3 讨论

3.1 施氮量对菊芋块茎产量和品质的影响

氮是作物所必需的三大营养元素之一，直接影响作物光合作用和生长发育特性，并最终影响其产量形成和品质构建[18–19]。目前，有关氮肥对作物产量影响的报道相对较多，均认为氮素营养是限制作物高产的关键因素，在一定量施氮范围内作物产量随氮肥用量增加而提高，当超过一定阈值后继续增施氮肥产量进入一个平台或呈现下降效应，造成资源浪费和环境污染[20–21]。主要原因是由于当氮肥用量超过作物适宜施氮量后，其光合作用效能下降，物质合成与转运能力降低。此外，过量的氮肥使作物出现氮营养的奢侈吸收现象，长势上贪青晚熟，抗病、抗逆能力降低，继而影响产量形成[22]。本试验在菊芋上的研究结果与在其它作物上的研究结果相一致，即随氮肥用量增加，菊芋块茎产量呈“线性加平台”趋势变化，2019与2020年菊芋适宜施氮量分别为232和270 kg/hm2，远低于试验所设置高氮水平 300 与 360 kg/hm2(图 1)。此外，综合各氮肥处理平均值，发现2019年度原阳菊芋块茎产量平均值为23682 kg/hm2，2020 年度方城为 33862 kg/hm2，而两者土壤基础肥力则基本一致，主要原因在于原阳菊芋营养生长前期(2019年5月份)降雨量较少(5月份气象观测站统计降雨量为1.0 mm)，出现了轻微的缺水干旱情况。2020年方城则紧邻水源地，灌溉设施较为完备，未出现干旱缺水现象。菊糖和还原糖是菊芋块茎所特有的两大世界公认的小分子可溶性糖，常用来做食品、保健品和医药用品的添加剂，用途广泛。研究表明，氮肥对作物光合作用具有明显的调节作用，可显著增强植株光合功能，从而有效提高体内可溶性糖、果糖和蔗糖含量，但过量施氮却不利于糖分的积累[23]。在其他作物如玉米[24]、马铃薯[25]等的研究同样表明，合理施氮可显著提高其体内可溶性糖含量。氮代谢在一定程度上可促进碳代谢，进而促进还原糖和可溶性糖的形成。本研究结果显示，合理施用氮肥可显著提高成熟期菊芋块茎菊糖和还原糖含量(表2)，表明优化施氮可促进菊芋光合作用和碳氮代谢水平，该结果与前人研究结论相一致。

3.2 施氮量对菊芋植株生理特性的影响

氮是植物体内诸多重要有机化合物的关键组分，也是遗传物质的基础。缺氮时，作物生长减缓，苗小苗弱，茎秆纤细，生物量降低；叶片细小直立，叶色淡绿，光合色素减少等[26]。研究表明，缺氮对菊芋的影响主要表现在叶绿素含量下降后出现叶片黄化、光合强度减弱和光合产物减少等[27]。王丽慧[28]研究认为，苗期氮素缺乏对菊芋生长发育具有明显的抑制效应，光合色素含量与植株生物量显著低于正常施氮处理。孙晓娥[2]开展的田间试验结果表明，合理施氮可有效促进菊芋生长和茎叶干物质积累，提高茎叶干物质向块茎转运效率，优化氮素在各器官中的分配。本研究结果同样表明，合理施用氮肥可显著提高各生育期菊芋地上部氮素积累量，提高叶片SPAD值，增强叶片叶绿素合成(图2、表3)。可溶性糖和可溶性蛋白是植物细胞中重要的渗透调节物质，可有效增强植物细胞吸水，维持细胞渗透压和渗透势。因此其含量高低可有效反映作物抗逆能力大小[7]。本试验结果显示，菊芋叶片可溶性糖和可溶性蛋白含量随氮肥用量增加呈逐步升高趋势，但增幅逐步降低(表3)，表明合理施氮可优化菊芋渗透调节作用，增强碳氮代谢朝着更有利于渗透调节的有机物生产方向转运，如蛋白质、氨基酸和次生代谢物甜菜碱等。纤维素和木质素是决定作物细胞壁强度和机械强度的主要次生代谢物[29–30]。作物体内木质素缺乏易发生倒伏。木质素含量是衡量作物品种抗倒伏能力的一个重要指标[31]。氮肥施用虽是作物增产的主要栽培措施，但不合理施氮极易引起作物倒伏，主要是由于氮肥施用过多时作物生长发育速度过快，群体偏大时作物细胞壁拉长变细，木质化过程受阻而发育质量变差，在风雨天气极易发生倒伏[32]。合理的氮肥施用可显著提高作物木质素含量继而改善其抗倒伏性。适当减少氮肥用量能够增加植株冠层中下部木质素含量，增强植株抗倒伏能力[33]。本试验中，不同生育期菊芋叶片木质素和纤维素含量受氮素影响显著，随氮肥用量增加，菊芋叶片木质素含量呈逐步下降趋势，纤维素含量则与此相反(表4)，说明合理施氮促进菊芋木质素和纤维素的转化合成，从而提高其抗倒伏能力。

3.3 影响菊芋产量和品质的关键指标分析

在明确氮营养对成熟期菊芋块茎产量、品质(因变量)和各生育期理化指标(自变量)影响效应之后，定量分析两者间关系，寻求关键主控因子，对揭示氮素营养内在增产增效机制具有重要作用。本研究结果表明，菊芋各生育期理化指标与块茎产量、品质间具有较好的定量回归关系，表明各自变量和因变量对氮肥效应响应特征具有高度的一致性(表5)。此外，PLS模型分析发现，影响菊芋块茎产量和还原糖含量的关键因子为叶片SPAD值；影响菊糖含量的关键因子则为叶片绿原酸含量(图4)。研究表明，氮素是构成叶绿素的重要成分，合理施氮有利于作物叶片叶绿素合成，改善其光合性能，加快碳氮代谢速率[34–35]。作物光合作用产物最终积累形成干物质，其积累、运转和分配则直接影响植物经济产量及品质。另有研究指出，作物叶片叶绿素含量决定着“叶源量”的高低，当植株受到外源营养胁迫时其叶绿素含量降低，光合能力下降，最终导致减产和品质恶化[36]。此外，作物高产的关键在于“源”大“库”足。“源”则主要是指单位时间内光合作用产物积累量，即净光合作用强度。叶绿体是作物光合作用的场所，而其中的叶绿素则是作物参与光合途径最为重要的物质来源[37]。菊芋作为多功能植物，其块茎产量和品质均显著受氮肥效应影响，在“施氮量—光合色素—光合作用—产量或品质”关系间产生线性影响效应[38]。绿原酸广泛存在于植物体中，是植物有氧呼吸过程中产生的一种多酚类化合物，是菊芋重要的生理活性成分，受氮肥效应影响显著[39]。研究表明，植物叶片中绿原酸含量与施氮量间具有明显的线性相关性，在一定范围内，施氮可有效提高植物叶片中绿原酸含量[40]。综上，叶片SPAD值和绿原酸含量作为影响菊芋块茎产量和品质的关键主控因子具有丰富的理论依据和因果关系。

4 结论

施氮可显著提高成熟期菊芋块茎产量，增加菊糖和还原糖含量。营养生长期和生殖生长期菊芋地上部植株氮素积累量、叶片绿原酸含量、叶片SPAD值、可溶性糖、可溶性蛋白、纤维素含量等理化指标均随施氮量增加而明显提高，木质素含量则逐步降低。PLS模型结果表明，影响菊芋块茎产量和还原糖含量的关键主控因子为叶片SPAD值，影响菊糖含量的关键因子则为绿原酸含量。该试验条件下菊芋适宜施氮量为 230～270 kg /hm2。