叶晓磊 耿国涛 肖国滨 吕伟生 任 涛 陆志峰,* 鲁剑巍
镁肥用量对油菜籽产量及品质的影响
叶晓磊1耿国涛1肖国滨2吕伟生2任 涛1陆志峰1,*鲁剑巍1
1华中农业大学资源与环境学院 / 农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室, 湖北武汉 430070;2江西省红壤及种质资源研究所, 江西南昌 331717
我国冬油菜主产区土壤缺镁严重, 为明确镁肥施用在油菜增产提质上的作用, 于2020/2021和2021/2022油菜种植季在江西进贤和湖南安仁开展田间试验, 共设置0、15、30、45和60 kg MgOhm–25个镁肥施用量。研究了镁肥用量对油菜籽产量及其构成因子、籽粒镁含量、含油率和脂肪酸组成的影响。结果表明, 施镁显著增加了油菜籽粒产量(增幅为12.0%~77.1%), 当镁肥用量为21.4~45.6 kg MgO hm–2时菜籽产量达到最高。与不施镁肥相比, 施镁使油菜单株角果数、每角粒数和千粒重分别增加了5.0%~64.7%、1.8%~19.6%和7.1%~8.7%, 但对收获密度影响不显著。施镁后籽粒镁含量增幅为5.0%~30.3%, 含油率增加了0.63~5.11个百分点, 蛋白质含量下降了1.45~2.34个百分点, 籽粒含水率和硫甙含量则无明显变化。镁肥施用显著增加了单位面积籽粒产油量(14.4%~83.4%)和蛋白产量(9.8%~68.1%), 当镁肥用量为30~45 MgO hm–2时产油量达到最高。从脂肪酸组成来看, 施镁对籽粒油酸含量和亚麻酸含量有提升作用, 增幅分别为4.4%~16.0%和3.8%~40.8%, 但降低了亚油酸含量, 降幅为1.2%~10.1%, 对其他脂肪酸组分的影响则较小。综上, 施镁有利于提高油菜产量及其构成因子(单株角果数、每角粒数、千粒重)、籽粒含油量及不饱和脂肪酸含量, 实现产量和品质的协同提升。当镁肥用量为30~45 MgO hm–2时产量与产油量均达到较高水平。
镁肥; 油菜; 产量构成; 脂肪酸组成; 镁含量
菜籽油作为国产食用油的第一大来源, 占食用油总量的55%以上, 提高菜籽油产量对于保障国家油料安全供给至关重要[1-2]。施肥作为提高油菜籽产能的主要途径, 对油菜产量的贡献率超过40%[3-4]。目前, 氮、磷、钾和硼4种养分在油菜养分管理中的作用及其配套的施肥技术较为成熟, 为维持较高的菜籽产量提供了保障[5-6]。然而, 由于肥料结构调整(如含镁的过磷酸钙逐渐被磷铵取代)导致土壤中的镁长期难以得到有效补充, 加之作物收获带走镁元素量大(冬油菜主产区稻-油轮作种植制度周年镁素带走量可达50~80 kg hm-2 [7-8]), 水溶性镁淋溶损失等原因, 土壤镁缺乏已逐渐成为阻碍油菜产量增加的新限制因子[9-11]。这在土壤pH值较低、淋溶作用强烈的南方油菜主产区尤为严重[12]。2020年, 任涛等[13]通过对冬油菜主产区土壤的分析, 发现土壤镁含量处于缺乏或潜在缺乏状态的点位占比接近53.7%。因此, 通过施用镁肥解决我国油菜生产中镁素缺乏问题, 是提高油菜单产和改善菜籽品质的重要实现途径。
镁是作物生长发育所必需的矿质元素, 在调节光合器官光合作用、同化产物运输与分配、蛋白质合成以及酶促反应等方面发挥着重要作用[14-16]。镁元素供应不足严重制约着作物的产量和品质。通过整合10个国家30种作物的施镁效果, 结果表明施镁后作物平均增产8.5%, 在严重缺镁(增产9.4%)和pH值较低(增产11.3%)的土壤中镁肥的增产效果更为明显[17]。镁对品质的影响也在多种作物上被证实, 如施镁可使稻谷的精米率、粗蛋白和淀粉含量分别提高3.1%、2.1%和4.7%[18]。丁玉川等[19]发现施镁后玉米籽粒粗蛋白提高了9.96%~15.36%, 总淀粉提高了2.41%~6.42%, 总糖含量提高了8.52%~ 12.50%。马铃薯的淀粉含量[20]、甜菜的糖含量在施镁后也有所增加[21], 施镁还能改善作物的外观品质和加工品质[22]。菜籽品质关系着菜籽油的产量和质量, 进而影响粮食安全和人体健康[23]。目前有关施镁对菜籽品质影响的研究较少, 田贵生等[24]研究了基施镁肥和后期喷施镁肥对油菜产量与产油量的影响, 发现2种施镁方式均能增加油菜产量和产油量。现有研究虽有关注施镁对菜籽含油率和产油量的影响, 但对脂肪酸组成等与食用油健康程度相关的品质指标关注较少。本研究通过两地两季的镁肥用量试验, 分析了不同镁用量下油菜的产量和产量构成、籽粒镁含量、籽粒关键品质指标, 计算了不同镁肥用量下的理论产油量和蛋白产量, 剖析了施镁对籽粒脂肪酸组成的影响, 较为全面地总结了镁肥在油菜籽产量和品质协同提升上的功能, 以期为作物科学施用镁肥提供参考。
试验于2020/2021和2021/2022油菜季在江西进贤和湖南安仁两地进行。两季油菜分布在不同田块, 各试验地点土壤有效镁含量均处于缺乏或极缺乏状态[25](<100 mg kg–1, 表1), 前茬作物均为水稻, 油菜采用直播的种植方式, 所用品种为大地199, 播种量为4.5 kg hm–2。
共设5个施镁量处理, 分别为0、15、30、45和60 kg MgO hm–2, 所用镁肥品种为六水氯化镁(含MgO 10%)。其他肥料品种及施用量均相同, 施用量分别为N 180 kg hm–2, P2O575 kg hm–2, K2O 120 kg hm-2和硼砂11.25 kg hm–2。所用氮肥为尿素(含N 46%)和磷酸二铵(含N 18 %), 磷肥为磷酸二铵(含P2O546%), 钾肥为氯化钾(含K2O 60%), 硼肥为硼砂(含B 11%)。其中, 氮肥分3次施用, 基肥、苗肥、薹肥占比为3∶1∶1, 其他肥料均作基肥一次性施用。每处理设3次重复, 小区面积为20 m2。
1.3.1 基础土壤样品采集与测定 在前茬作物收获后, 油菜种植前, 采用“S”取样法采集0~20 cm耕层土壤样品, 风干后过筛, 测定基础理化性质[26]。其中, 土壤pH值按2.5∶1.0水土比使用pH计测定, 使用元素分析仪(vario MACRO cube, Elementar, 德国)测定有机质和全氮含量, 用0.03 mol L–1NH4F-0.025 mol L–1HCl浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量, 用1 mol L–1NH4OAc浸提ICP-OES联用测定有效钾镁含量。
1.3.2 产量及籽粒含水率 于收获期每小区取10 m2单收单打计算产量。取6株有代表性植株籽粒自然风干并称重, 风干籽粒在60℃下烘至恒重, 得烘干重并计算风干籽粒含水率。
1.3.3 产量构成因子调查 收获前每小区选1 m2大小样方调查收获密度, 小区内选择6株有代表性的植株调查单株角果数和每角粒数, 植株收获后风干脱粒, 测定油菜籽千粒重。
1.3.4 籽粒养分含量测定 烘干的油菜籽粒使用破壁机磨至粉状, 称量0.20~0.25 g置于锥形瓶底部, 而后加入5 mL体积比为4︰1的HNO3-HClO4混合酸溶液在220℃下消煮, 消煮至无色后的液体定容至500 mL, 使用原子吸收光谱(200 Series AA, Agilent, 美国)测定镁含量[26]。
1.3.5 油菜籽品质测定 使用中国农业科学院油料作物研究所研发的NYDL-3000智能型多参数粮油品质速测仪分析测产籽粒的含油率、蛋白质含量、油酸含量、亚油酸含量等指标, 上样量在40 g左右, 相关参数由仪器自动计算得出[27]。
产油量(kg hm–2)=籽粒含油率×籽粒产量
饼粕蛋白质产量(kg hm–2)=籽粒蛋白质含量×籽粒产量
使用Microsoft Excel 2019进行数据处理, SPSS 22.0进行数据分析和“线性+平台”拟合, Duncan’s法进行多重比较(<0.05), 使用Origin 2021作图, 使用Origin的Correlation Plot App绘制相关热图。
施镁显著提高了油菜籽产量, 当镁肥用量为15~45 kg MgO hm–2时, 菜籽产量不再随镁肥施用量增加而显著增加(图1)。与不施镁处理相比, 施镁后菜籽增产208.6~818.0 kg hm–2, 增度为12.0%~ 77.1%。两试验点油菜产量存在显著差异。油菜籽产量()随镁肥用量()的变化符合“线性+平台”关系, 其中, 2020/2021季进贤和安仁获得最高产量所需的镁肥用量分别为45.6 kg MgO hm–2和21.4 kg MgO hm–2, 2021/2022季分别为38.7 kg MgO hm–2和45.1 kg MgO hm–2。
图1 镁肥用量对油菜籽产量的影响
同一地点不同小写字母表示不同镁肥水平间差异显著(< 0.05)。
Different lowercase letters in the same site indicate that there are significant differences among different magnesium fertilizer treatments at< 0.05.
施镁能增加油菜单株角果数、每角粒数、千粒重, 但对收获密度无显著影响(表2)。进贤两季试验结果及安仁2021/2022季的试验结果表明, 施镁后油菜单株角果数增加了5.0%~64.7%。2020/2021季安仁试验点结果显示, 施镁使油菜每角粒数和千粒重分别增加了1.8%~19.6%和7.1%~8.7%。
施镁显著增加了籽粒镁含量(图2)。所有试验结果显示, 施镁可使籽粒镁含量增加0.20~1.05个百分点, 增幅为5.0%~30.3%。当镁肥用量不超过45 kg MgO hm–2时, 籽粒镁含量随镁肥施用量增加逐渐增加, 当镁肥用量为45或60 kg MgO hm–2时, 籽粒镁含量达到最高。
表2 镁肥用量对油菜产量构成因子的影响
同一地点不同小写字母表示不同镁肥水平间差异显著(< 0.05)。*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著, ns表示无显著差异。
Different lowercase letters in the same site indicate that there are significant differences among different magnesium fertilizer treatments at< 0.05. * and ** indicate there are significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns: not significant difference.
图2 镁肥用量对油菜籽粒镁含量的影响
不同小写字母表示不同镁肥水平间差异显著(< 0.05)。*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著, ns表示无显著差异。
Different lowercase letters indicate that there are significant differences among different magnesium fertilizer treatments at< 0.05. * and ** indicate there are significant difference in the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns: not significant difference.
2.3.1 镁肥用量对油菜籽含水率、含油率、蛋白质含量和硫甙含量的影响 施镁显著增加了油菜籽含油率, 但降低了蛋白质含量, 对籽粒含水率和硫甙含量无显著影响(表3)。进贤两季试验和2021/2022季安仁的试验结果显示, 镁肥施用后籽粒含油率可增加0.63~5.11个百分点, 增幅为1.3%~9.5%; 2020/2021季安仁试验点, 施镁后籽粒含油率有增加趋势。所有结果表明施镁可使籽粒蛋白质含量降低1.45~2.34个百分点, 降幅为6.2%~8.9%。镁肥用量对籽粒含水率和硫甙含量无显著影响。
2.3.2 镁肥用量对菜籽油脂肪酸组成的影响 镁肥施用影响籽粒脂肪酸组成, 表现为施镁增加了油酸和亚麻酸含量, 降低了亚油酸含量(表4)。进贤两季试验及安仁2020/2021季试验结果表明, 镁肥施用使油酸含量增加了2.13~7.14个百分点, 增幅为4.4%~16.0%, 2021/2022季安仁试验点, 施镁后籽粒油酸含量有增加趋势。2020/2021季两点试验结果显示, 镁肥施用后亚油酸含量降低了0.26~1.99个百分点, 降幅为1.2%~10.1%, 2021/2022季试验中, 镁肥施用后亚油酸含量有降低趋势。安仁试验点两季结果表明镁肥施用可增加菜籽油中的亚麻酸含量0.41~2.31个百分点, 增幅为3.8%~40.8%。2021/2022季进贤试验点芥酸含量受镁肥施用影响但未表现出明显规律, 镁肥施用对硬脂酸和棕榈酸含量的影响不显著。
表3 镁肥用量对油菜籽主要成分含量的影响
(续表3)
同一地点不同小写字母表示不同镁肥水平间差异显著(< 0.05)。*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著, ns表示无显著差异。
Different lowercase letters in the same site indicate that there are significant differences among different magnesium fertilizer treatments at< 0.05. * and ** indicate there are significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns: not significant difference.
表4 镁肥用量对菜籽油脂肪酸组成的影响
(续表4)
同一地点不同小写字母表示不同镁肥水平间差异显著(< 0.05)。*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著, ns表示无显著差异。
Different lowercase letters in the same site indicate that there are significant differences among different magnesium fertilizer levels at< 0.05. *and ** indicate there are significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns: not significant difference.
镁肥施用能增加菜籽产油量和蛋白质产量, 趋势与产量增加趋势基本一致(表5)。施镁对产油量的增加效应高于对蛋白产量的增加效应。各点试验结果均表明, 镁肥用量为30~45 kg MgO hm–2时产油量不再随镁肥施用量增加而显著增加, 施镁后产油量增加了101.3~411.3 kg hm–2, 增幅为14.4%~ 83.4%。施镁增加了蛋白产量(32.4~185.3 kg hm–2), 增幅为9.8%~68.1%, 但当镁肥用量超过30 kg MgO hm–2后, 蛋白产量不再显著增加。
由产量和品质指标相关性分析(图3)可知, 由施镁引起的菜籽产量变化与单株角果数显著正相关, 与收获密度、每角粒数和千粒重相关关系不显著; 籽粒镁含量与菜籽产量、单株角果数、籽粒含油率显著正相关, 与籽粒蛋白质含量显著负相关。此外, 由施镁引起的含油率变化与油酸含量显著正相关, 与含油率、亚油酸含量、芥酸含量显著负相关。
表5 镁肥用量对油菜籽产油量和蛋白产量的影响
(续表5)
同一地点不同小写字母表示不同镁肥水平间差异显著(< 0.05)。*和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著, ns表示无显著差异。
Different lowercase letters in the same site indicate that there are significant differences among different magnesium fertilizer treatments at< 0.05. * and ** indicate there are significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns: not significant difference.
图3 各指标相关性分析
*、**、***分别表示在0.05、0.01、0.001概率水平显著相关。
*, **, and *** mean significant correlation at the 0.05, 0.01, and 0.001 probability levels, respectively.
施镁不仅增加了菜籽产量(增幅12.0%~77.1%), 也提升了籽粒含油量(1.3%~9.5%), 实现产量和品质的协同提升。产量构成因子调查结果表明, 镁肥施用对单株角果数、每角粒数和千粒重均有提升作用, 其中单株角果数的增加是施镁后产量提升的主要原因, 而油菜产量与收获密度、每角粒数和千粒重的相关性较弱。对于油菜而言, 单株角果数是决定产量形成的关键[28], 受到开花期同化物供给的影响[29], 施镁可能通过增强同化物由“源”到“库”的转运能力保证了较高单株角果数的形成[30]。除单株角果数增加外, 2020/2021季安仁试验点的每角粒数和千粒重也在施镁后显著增加, 这可能与试验田块土壤缺镁更为严重(土壤有效镁含量为23.8 mg kg–1)有关, 缺镁严重时, 雄配子发育受阻[31], 同化物供应不足导致的胚珠败育和衰亡风险增加[32], 施镁对上述状况的改善可能是油菜每角粒数增加的原因, 此外, 镁供应也缓解了严重缺镁条件下因同化物供应不足导致的千粒重下降。刘晓伟等[33]关于油菜养分吸收规律的研究结果显示, 蕾花期镁吸收量可达整个生育期的45%, 是镁肥需求量最大的生长阶段, 因此, 保障角果形成前蕾花期镁的充足供应尤为重要。
菜籽含油量是衡量菜籽品质的重要指标[23]。与不施镁处理相比, 施镁后籽粒油分含量增加了0.63~5.11个百分点。籽粒脂肪酸的合成与光合作用密切相关, 光合碳固定过程形成的蔗糖是油脂等储藏物质合成的底物, 同时光反应过程能为油脂合成代谢提供能量(ATP和NADPH)[34]。充足的镁营养有助于提高角果皮色素含量、Rubisco含量和活化比例、光合电子传递速率以及光合产物由源向库的转运速率[35], 从而增加角果皮碳固定效率、光合产物往籽粒的存储以及脂肪酸合成代谢。此外, 镁可能参与脂肪酸合成过程中释放CO2的再固定, 解决CO2过高造成的细胞酸化和光合作用受抑制等问题[34]。上述镁营养参与的调控过程可为脂肪酸合成提供同化力和碳源, 从而促进脂肪酸的合成, 并最终增加油菜籽粒含油量。
尽管镁也与植物体内蛋白质的合成相关, 但施镁后籽粒蛋白含量显著降低, 可能是油脂合成与蛋白质合成的物质均始于糖代谢, 两者的合成存在底物竞争所致[36], 即施镁使得油分含量提高是籽粒中蛋白质含量下降的原因。油脂的主要成分是脂肪酸, 脂肪酸的组成关系到食用油营养价值的高低, 一般认为, 食用油中的饱和脂肪酸含量越低, 油酸含量越高, 食用油越健康[23]。施镁显著影响菜籽油脂肪酸组成, 表现为不饱和脂肪酸比例增加(主要得益于油酸含量提高), 说明施镁能通过改变脂肪酸组成提高菜籽油的营养价值。推测镁营养可能通过影响脂肪酸去饱和酶活性, 促进硬脂酸向油酸等不饱和脂肪酸的转化, 进而提高不饱和脂肪酸比例。目前关于镁营养是否影响脂肪酸代谢过程碳通量以及油脂合成关键酶类的活性尚不明确, 因此无法真正理解镁营养调控脂肪酸组分的机理。未来可结合13C代谢流[37]、酶学分析和脂质组学等技术进一步挖掘其作用机制。
与不施镁处理相比, 施镁后产油量和蛋白产量均有所增加。相比于品质指标, 产量对施镁的反应更为敏感, 施镁后产量增加是产油量增加的主要原因。若分别以增加镁肥用量后产量和产油量不再显著增加为依据确定镁肥施用量, 则镁肥施用量分别为15~45kg MgO hm–2和30~45kg MgO hm–2, 故确定最佳施肥量为30~45kg MgO hm–2。前人有关镁肥效果的研究多使用硫酸镁作为供试肥料品种, 为排除硫对镁肥效果造成的影响, 本研究选用氯化镁。施用硫酸镁和氯化镁均能提高油菜籽产量, 且硫酸镁的增产效果优于氯化镁[38], 这可能与土壤有效硫含量较低有关。任涛等[13]的研究结果表明长江流域冬油菜种植区有36.0%的土壤处于有效硫缺乏状态。加之过磷酸钙等含硫肥料被高浓度复合肥替代[11]等原因, 土壤中硫处于入不敷出的状态。硫酸镁的施用可一定程度上补充硫元素, 故增产更为明显。考虑到冬油菜种植区土壤可能存在硫缺乏, 且市面上流通的镁肥以硫酸镁为主, 在生产中应优先选用硫酸镁对作物进行补镁。鉴于油菜对我国食用油自给方面的重要性, 有必要建立针对油菜的土壤镁丰缺指标体系, 明确不同地区土壤镁肥施用量, 完善镁肥施用方法(基施、喷施等), 同时要加强科学施肥科普, 提高农民对镁肥的认识(增产提质作用、施用方法等), 加快含镁油菜专用肥的研制和推广应用, 助力油菜产业轻简高效和绿色发展。
油菜施镁增产12.0%~77.1%, 施镁主要通过增加单株角果数增加油菜产量, 同时对每角粒数和千粒重也有提升作用, 但对收获密度无显著影响。施镁后油菜籽含油率增加, 菜籽油中不饱和脂肪酸比例提升。综合产量与品质效应, 当土壤有效镁含量较低(<100 mg kg–1)时, 推荐镁肥用量为30~45 kgMgO hm–2, 可实现油菜籽产量和品质的协同提升。
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Effects of magnesium application rate on yield and quality in oilseed rape (L.)
YE Xiao-Lei1, GENG Guo-Tao1, XIAO Guo-Bin2, LYU Wei-Sheng2, REN Tao1, LU Zhi-Feng1,*, and LU Jian-Wei1
1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University / Key Laboratory of Arable Land Conservation in Middle and Lower Reaches of Yangtze River, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430070, Hubei, China;2Jiangxi Institute of Red Soil and Germplasm Resources, Nanchang 331717, Jiangxi, China
Magnesium (Mg) deficiency is one of the most serious problems in the main producing area of rapeseed in China. To evaluate the effectiveness of Mg fertilizer on seed yield and quality, field experiments were conducted at Jinxian, Jiangxi province and Anren, Hunan province during the 2020/2021 and 2021/2022 cropping seasons, with five Mg application rates (0, 15, 30, 45, and 60 kg MgO hm–2). Rapeseed yield and its components, seed Mg content, oil content, and fatty acid components were analyzed. The results showed that Mg application increased rapeseed yield by 12.0%–77.1%. Mg application rate for maximal seed yield was 21.4–45.6 kg MgO hm–2. Mg fertilizer increased the number of pods, number of seeds per pod, and 1000-weight by 5.0%–64.7%, 1.8%–19.6%, and 7.1%–8.7%, respectively, which had no significant effect on harvest density. After the application of Mg fertilizer, seed Mg concentration increased by 5.0%–30.3%, and the oil content increased by 0.63%–5.11%, but protein content reduced by 1.45%–2.34%. Seed water and glucosinolate concentration were independent of Mg nutrition. Mg application increased oil yield and protein yield per unit area by 14.4%–83.4% and 9.8%–68.1%, respectively. The amount of Mg fertilizer corresponding to the highest oil production was 30–45 MgO hm–2. As for fatty acid composition, Mg application increased the content of oleic acid and linolenic acid in seeds by 4.4%–16.0% and 3.8%–40.8%, respectively, but decreased the content of linoleic acid by 1.2%–10.1%, which had a non-significant effect on other fatty acid components. In conclusion, Mg application was crucial to the synergistic improvement of yield and quality by improving seed yield and its components (the number of pods per plant, the number of grains per pod, and 1000-grain weight), seed oil content, and the unsaturated fatty acid content. The amount of Mg fertilizer corresponding to the highest yield and oil production was 30–45 MgO hm–2.
magnesium fertilizer; rapeseed; yield composition; fatty acid composition; magnesium content
10.3724/SP.J.1006.2023.34051
本研究由国家自然科学基金项目(32272820), 财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-12), 中央高校基本科研业务费专项基金(2662021ZHQD002)和国际镁营养研究所合作项目(IMI2018-02)资助。
This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (32272820), the China Agriculture Research System of MOF and MARA (CARS-12), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2662021ZHQD002), and the International Magnesium Institute (IMI2018-02).
陆志峰, E-mail: zhifenglu@mail.hzau.edu.cn
E-mail: yexiaolei@webmail.hzau.edu.cn
2023-03-10;
2023-05-24;
2023-06-14.
URL: https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.1809.S.20230613.1154.004.html
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