不同氮肥水平对甜菜生理指标及产质量的影响

徐翎清,常 晓,张云龙,李佳佳,刘欣雨,徐 泽,刘大丽

(1.国家甜菜种质中期库/黑龙江大学,哈尔滨 150080;2. 黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室/黑龙江大学现代农业与生态环境学院,哈尔滨 150080;3.黑龙江大学省高校生化与分子生物学重点实验室/黑龙江大学生命科学学院,哈尔滨 150080)

0 引言

甜菜(BetavulgarisL.)是我国北方地区主要的糖料作物,在农业生产、制糖业发展和农民增收方面发挥着重要的作用[1]。由于甜菜糖料作物的特异性,它的经济价值与块根产量和含糖率都有着紧密的联系,而氮肥的施用量是决定甜菜产量和品质的关键因素。

氮是氨基酸、核酸、叶绿素重要的组成部分,是植物生长、发育和遗传的物质基础[2]。研究表明,作物的产量取决于作物光合作用能力的强弱,而光合作用所需的蛋白和叶绿素都需要大量的氮[3]。由于田间作物的耕作和收获等原因导致田间氮元素失衡,因此需要用氮肥来补充作物对氮的需求。KATTGE等[4]对许多田间作物的样品进行了叶片干重和叶片氮含量的测定,发现了不同作物的光合作用能力与叶片氮含量之间存在线性关系。研究发现,氮肥施用较少会致使甜菜叶片中叶绿素含量降低,对整个甜菜生育期的光合指标都有显著影响,产量也会随之降低[5]。过量施氮会导致植物体内的氮代谢强度增加,过分消耗糖代谢中的碳水化合物而积累有害氮,进而在降低甜菜品质的同时也影响了甜菜的含糖率[1]。胡伟等[6]利用缺氮(不外施氮肥)试验,发现缺氮环境下甜菜含糖率与对照相比竟然有所上升。因此,氮素水平高低所引起的甜菜的生理代谢调控变化十分复杂。可溶性蛋白是植物体内氮素存在的主要形式之一,它的含量是衡量植物生长发育状况的一个重要指标[7]。植物叶片中约有50%的可溶性蛋白是光合作用的关键酶——RuBP羧化酶[8],因此可溶性蛋白被广泛运用于评判植物光合作用强度高低的指标。刘娜等[9]通过不同氮素水平的试验,发现施氮量与甜菜叶片的可溶性蛋白含量呈显著正相关。

可见甜菜对氮肥的需求并不是简单追求用量,探寻不同氮素供给条件对甜菜的生长的影响尤为重要。本试验通过对甜菜施加不同水平的氮肥,研究氮肥用量对甜菜产量、含糖率、氮含量、可溶性蛋白含量、叶绿素含量等的影响;通过相关性分析等方法探讨氮肥施用量与甜菜产量和含糖率的关系,为确定生产中甜菜合理氮肥施用量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

试验时间为2021年,试验地点为黑龙江大学呼兰校区试验地;室内测试试验地点为国家甜菜种质中期库。

1.2 试验设计

供试品种为德国KWS公司的‘KWS1479’、‘KWS1176’、‘KWS1197’,分别用K1、K2、K3表示。选取3个不同的氮素水平(外源施氮)依次为0、120、180 kg/hm2,分别用N0、N120、N180表示。氮肥以尿素作为基肥,采用随机区组设计,4次重复,4行区,行长10 m,垄距66 cm,株距20 cm。试验区为黑土,全氮含量1.8 g/kg,碱解氮含量85 mg/kg,含水量为3.65%。取样方法:每个小区分为2个区域,分别为测产区(8 m/垄)和取样区(2 m/垄),取样区取样时避免边界效应,取中间两垄,取样次数为3次,于试验当年7月6日、8月6日、9月16日完成取样。叶片取中层功能叶片中部的叶脉两侧,块根为纵切4份,取对角2份。

1.3 试验测定项目与方法

叶绿素含量测定采用乙醇提取比色法[10];可溶性蛋白质(soluble protein, SP)含量使用BCA试剂盒测定;丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量使用硫代巴比妥酸法[11](TBA法)测定;甜菜块根产量的测定:将测产区所有块根全部计产,并折算为每公顷产量;甜菜块根含糖率采用专业测糖工具取样并压榨出汁后滴入锤度计读取锤度值,计算含糖率,含糖率=锤度值(%)×0.83;甜菜氮含量测定采用凯氏定氮法[12];硝酸还原酶(NR)活性鉴定:使用硝酸还原酶(NR)活性测定试剂盒测定,选自南京建成生物工程研究所(产品编号为A096-1-2);利用SOD对氮蓝四唑光还原的抑制作用测定SOD活性。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2019和SPSS 26.0对数据进行统计处理和相关性分析,使用Origin 2022b作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮水平对甜菜生理指标的影响

可溶性蛋白的含量主要取决于氮肥的用量和甜菜生长发育阶段,其次取决于甜菜品种。图 1 a表明,相同品种下,N120处理比N0处理可溶性蛋白含量平均增加13%,N 180处理比N 0处理平均增加30%。由图1 b 可知,甜菜叶片总叶绿素含量在相同甜菜品种的整个生长阶段都随着氮肥施用的增加呈现上升趋势,随着生长发育的推进,叶片老化,叶绿素含量逐渐降低,叶绿素含量下降会导致光合作用能力降低,N180处理时叶绿素含量最高。在整个生长阶段中,第一时期(7月6日)的甜菜幼苗硝酸还原酶活性最高,在N180处理下硝酸还原酶活性比N0增加68%～91%,比N120增加42%～51%(图1c)。图 1 d、e表明,MDA含量的变化没有存在特别明显的趋势,在9月16日时,N0、N120、N180处理下甜菜MDA含量差异不显著,而SOD活性几乎没有差异。根据硝酸还原酶活性、叶绿素含量、可溶性蛋白含量,在不考虑块根含糖率情况下,甜菜更适合在N180环境中生长。

图1 不同施氮量对甜菜生理指标的影响Fig.1 Effects of different nitrogen application levels on physiological indexes of sugar beet

2.2 不同氮水平对甜菜氮含量的影响

如表1所示,甜菜叶片氮含量在相同处理下均大于根的氮含量,随着生长进程的推进,叶片和根的氮含量都呈现先增加再降低的趋势。甜菜氮含量和氮肥用量关系较为密切,通过氮含量可以有效统计甜菜生长发育中氮素的利用效率,从而筛选氮高效品种。本次试验中品种间氮含量差异并不明显,相同氮处理下K1、K2品种氮含量较高,K3次之。

表1 氮素水平对甜菜氮含量的影响Table 1 Effects of nitrogen application levels on nitrogen content of sugar beet 单位:%

2.3 不同氮水平对收获期(9月16日)甜菜含糖率和产量的影响

由表2所示,K2N120的含糖率最高,显著高于K2N180。K1N180的含糖率最低,显著低于K1N0含糖率,可见甜菜块根的含糖率在一定范围内与氮肥的施用量呈负相关。3个甜菜品种在N0、N120、N180处理下,甜菜块根产量无显著差异。各个品种在N0处理时,产量均最低,推测氮肥虽然影响甜菜块根产量,但可能不是唯一因素。甜菜块根产糖量为块根产量和含糖率之积,因为产量没有显著差异,含糖率差距较小,各个处理间产糖量无显著差异。但是可以看出N120和N180的块根产糖量高于N0。可以推断氮肥的适当施用有利于提高甜菜的经济价值。由于N180处理下甜菜的产糖量与N120非常接近且没有明显提升,因此甜菜氮肥施用量120～180 kg/hm2较合适。

表2 氮素水平对甜菜块根产量、含糖率及产糖量的影响Table 2 Effects of nitrogen application levels on root yield, sugar content and sugar yield of sugar beet

2.4 不同氮水平下各指标的相关性分析

对3个甜菜品种的测定指标进行相关性分析,结果如图2所示。氮处理与叶绿素含量、块根产量呈显著正相关;氮处理与块根含糖率呈现显著负相关;N0、N120、N180处理时丙二醛含量、SOD活性与氮处理无显著相关,说明此时甜菜生长状况良好,没有因为氮肥使用过多或者过低造成毒害;甜菜氮含量与可溶性蛋白、叶绿素含量、产量、硝酸还原酶活性显著正相关;硝酸还原酶是植物氮同化的第一关键酶,它可以直接调控硝酸盐的还原,其活性高低与植物自身氮同化能力密切相关,硝酸还原酶活性与氮处理显著正相关,说明当土壤肥力升高能促进植物氮同化能力。因此在甜菜高产高糖的筛选评价中,首先应考虑与产量正相关系数大的指标,其次考虑含糖率较高的品种,针对甜菜氮利用效率合理制定最佳施肥方案。

图2 甜菜生长期测定指标的相关性分析Fig.2 The correlation analysis of tested index during sugar beet growth

3 讨论与结论

氮素水平是甜菜产量形成的重要因子,氮素也是植物生长发育需求量最大的营养元素[13]。氮肥的使用会对甜菜产生复杂的生理生化改变。白晓山等[14]发现在一定范围内施用氮肥对甜菜产量有一定促进作用。张强等[15]发现在减施氮肥下,甜菜含糖率增加。这些研究与本次试验结果一致。本试验发现在N180时甜菜产量达到最大,但是含糖率最低。但从整个试验结果来看,增加氮肥施用量对甜菜块根产糖量并没有明显影响。氮肥施用量的增加对甜菜产量提升也不显著,但块根含糖率却显著降低。推测由于甜菜品种‘KWS1479’、‘KWS1176’、‘KWS1197’氮利用效率较低,导致产糖量与氮肥施用量并无显著相关。因此,如使用高氮利用效率品种,产量与氮肥施用量有可能极显著正相关,提高氮施用量有可能明显提升块根产糖量。

国内学者研究发现甜菜幼苗期到叶丛快速生长期对氮素的吸收强度呈上升趋势,之后随着生长期的推进逐渐降低[16]。本次试验中发现甜菜对氮的分配以地上部为主,叶片中氮含量高于根。叶和根的氮含量随着氮肥施用的增加而增加,且随着生长期的推进各甜菜品种叶片和根的氮含量逐渐降低。叶片氮含量与可溶性蛋白含量、叶绿素含量显著正相关。可溶性蛋白参与植物渗透调节以适应环境的改变,可增强细胞的保水能力,对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用[17]。叶绿素a和叶绿素b都由氮组成,氮素缺乏势必会影响植物的叶绿素含量,本次试验中甜菜叶绿素含量随着生长进程逐渐升高,同时发现缺氮处理时叶绿素含量明显低于增施氮肥条件。甜菜不仅可以通过有效的氮的吸收和利用来适应氮环境异常,还可以通过氮的分配来维持较高的叶绿素含量和光合生产力。缺氮胁迫会造成甜菜光合作用强度降低,因此氮肥对甜菜的生长发育有着不可忽视的作用[18]。氮肥的施用不当会对甜菜产生不利影响,有研究发现甜菜受到低氮胁迫时,甜菜体内MDA的含量随着胁迫时间的延长而增加[19]。本次试验由于试验区为黑土,土质肥沃,所以各处理间MDA含量并没有太大差异。

总之,不同氮肥施用条件下,通过对3个甜菜品种在不同生长阶段的关键生理指标和产质量的比较和相关性分析发现,块根含糖率与氮肥施用量呈显著负相关,与产量呈显著正相关。由于甜菜块根在较高氮供应条件下块根产量和含糖率相关性系数大小接近,所以氮肥施用不宜过多;低氮处理下甜菜叶绿素含量和可溶性蛋白含量较低,甜菜抗逆能力可能有所下降。因此,试验表明甜菜施肥量120～180 kg/hm2较为合理,同时也应根据当地土壤条件与甜菜品种合理选择氮肥用量。