Optimum basal and topdressing ratios of nitrogen fertilizer for high photosynthetic efficiency and sugar yield of sugar beet in soda alkali-saline farmland
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摘要:目的
探究氮肥基追比例对苏打盐碱土甜菜光合特征、产量和质量的调控效应,为甜菜高效施肥提供依据。
方法田间试验于2020—2021年在内蒙古通辽市开展,在氮(N)总量150 kg/hm2基础上,设置9个氮肥基追比例处理:10:0:0 (N10)、8:2:0 (N821)、7:3:0 (N731)、6:4:0 (N641)、5:5:0 (N551)、8:1.6:0.4 (N822)、7:2.1:0.9 (N732)、6:2.8:1.2 (N642)、5:3.5:1.5 (N552),和不施氮肥对照 (CK),共10个处理,追肥时期在叶丛快速生长期(V1)和块根生长及糖分积累期(V2)进行。在V1、V2和糖分积累期(V3),测定光合指标和生物量,收获期调查甜菜含糖率、产量和产糖量。
结果与CK处理相比,施氮显著提高了甜菜叶片光合能力、干物质积累量以及产量;基肥比例大于70%的处理含糖率无显著降低;基肥比小于60%的处理对产量无显著影响;除N551和N552处理外,其余处理产糖量均显著提高,N732处理的产糖量两年均显著高于其他处理(P<0.05)。与N10处理相比,氮肥分期施用提高了V1期甜菜叶片光合能力、干物质积累量,且同一基肥比例下以追肥1次优于追肥2次;进入V2期,除基追比N821和N551处理外,其余处理甜菜叶片光合能力、干物质积累量均高于对照,且同一基肥比例下以追肥2次优于追肥1次,其中以N732处理表现最优,各指标显著高于其余处理,其甜菜叶片净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度、SPAD值两年平均值分别提高17.20%、13.33%、21.34%、21.01%、10.35%,叶片、叶柄、块根及全株干物质积累量分别提高26.02%、46.69%、47.96%、41.92%。与此同时,N732处理有效调节了甜菜干物质分配和转运,显著降低了V1期后地上部干物质比例,提高了块根干物质比例,提高了根冠比,形成了良好“源–库”关系,为产量形成奠定基础。通过主成分分析,甜菜产量和质量与叶片净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度、SPAD值均存在正相关关系.
结论合理的氮肥基追比可通过对苏打盐碱化耕地甜菜叶片光合特征的调控,实现甜菜产量和质量的提高。本研究中N732处理的氮肥运筹方式(基肥105 kg/hm2、叶丛快速生长期追肥31.5 kg/hm2、块根生长及糖分积累期追肥13.5 kg/hm2)具有较好的效果,分别提高甜菜产量19.53%、产糖量20.47%、氮肥农学效率167.48%、氮肥偏生产力19.53%,可作为苏打盐碱化耕地甜菜高产优质的氮肥管理方式。
Abstract:ObjectivesWe investigated the regulation effect of basal and topdressing ratios of nitrogen fertilizer on photosynthetic efficiency and yield of sugar beet in soda alkali-saline farmland.
MethodsThe field experiment was conducted in farmland of Tongliao City, Inner Mongolia from 2020 to 2021. Under the total N input of 150 kg/hm2, nine basal to topdressing ratio treatments were setup, as: 10:0:0 (N10), 8:2:0 (N821), 7:3:0 (N731), 6:4:0 (N641), 5:5:0 (N551), 8:1.6:0.4 (N822), 7:2.1:0.9 (N732), 6:2.8:1.2 (N642), 5:3.5:1.5 (N552), taking no nitrogen fertilizer as control (CK). The two topdressings were carried out at the rapid growth stage of leaf tufts (V1) and the growth and sugar accumulation stage of root tubers (V2). The photosynthetic indices and aboveground biomass were measured at V1, V2 and V3 (sugar accumulation) stages, and the sugar content, beet and sugar yield were investigated at harvest stage.
ResultsCompared with CK, all the fertilizer treatments significantly increased the photosynthetic efficiency, dry matter accumulation and yield of sugar beet; The treatments with basal N ratio higher than 70% did not impact the sugar content, and treatments with N basal ratio less than 60% did not increase beet yield; and the fertilizer treatments, except N551 and N552, significantly increased sugar yield. In the two years, treatment N732 achieved significantly higher sugar yield than all the other treatments. Compared with treatment of N10, split fertilizer treatments improved photosynthetic efficiency and dry matter accumulation at V1 stage, and the increase by one-time topdressing treatment was better than by two-time topdressing under the same basal dressing ratio. At V2 stage, all the fertilizer treatments, except basal N rate of N821 and N551 treatments, significantly increased photosynthetic capacity and dry matter accumulation of sugar beet, and the effect of two-time topdressing treatments were better than that of one-time topdressing treatments. Treatment N732 exhibited the highest net photosynthetic rate, intercellular CO2 concentration, transpiration rate, stomatal conductance and SPAD value of sugar beet, which were averagely 17.20%, 13.33%, 21.34%, 21.01%, and 10.35% higher than the other treatments. Its dry matter accumulation in leaves, petioles, tuber roots and whole plants were 26.02%, 46.69%, 47.96%, and 41.92% higher. Treatment N732 effectively stimulated the distribution and transport of dry matter in sugar beet. In detail, it significantly reduced the proportion of dry matter in above ground, increased that in tuber roots after V1 stage forming a good “source sink” relationship, laying a foundation for yield formation. Through principal component analysis, the yield and quality of sugar beet were positively correlated with leaf net photosynthetic rate, intercellular CO2 concentration, transpiration rate, stomatal conductance and SPAD value.
ConclusionsReasonable basal and topdressing ratio of nitrogen fertilizer could increase sugar beet yield and sugar yield by regulating the leaf photosynthetic efficiencies in soda alkali-saline farmland. In this study, the basal to top dressing ratio of N732 (N 105 kg/hm2 as base fertilizer, 31.5 kg/hm2 applied at the rapid growth stage of foliage and 13.5 kg/hm2 at tuber growth and sugar accumulation stage) increased the yield by 19.53%, sugar yield by 20.47%, improved the agronomic efficiency and partial productivity of nitrogen fertilizer by 167.48% and19.53%, so is recommended as nitrogen fertilizer management system for high yield and quality of sugar beet in soda alkali-saline farmland.
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苏打盐碱化耕地是一种以苏打盐碱土为主要土壤的耕地类型,其土壤盐分主要为碳酸钠和碳酸氢钠,土壤含盐量大于2 g/kg,土壤胶体上含有过量的交换性钠,碱化度大于10%,土壤在盐化的过程中伴随着碱化,土壤肥力水平低下[1],严重制约着作物生长和产量形成。氮素是作物体内蛋白质、叶绿素、核酸以及多种酶的主要组成成分,其对作物生长发育过程中碳、氮代谢以及产、质量的形成起着至关重要的作用。在盐碱地栽培中,土壤中盐分和碱分能够导致施入土壤中的氮肥以氨挥发和氧化亚氮排放的形式损失[2−3],氮肥利用率明显降低。作物在不同生育时期对养分的需求不同,研究表明氮肥全部基施会造成氮肥利用率低[4],甚至产量下降[5],合理的氮肥运筹方式不仅是作物实现优质高产的关键,而且是提高农业氮肥利用率,减少肥料施用对环境污染的重要途经之一[6−7],因此采用合理的氮肥运筹方式是提高盐碱地作物产质量水平和氮肥利用率的一条行之有效的措施。
甜菜是我国第二大糖料作物,其本身具有一定的抗盐碱能力,是我国北方地区盐碱地上种植的重要轮作作物[8]。氮素是甜菜生长发育过程中必不可少的营养元素之一,甜菜中蔗糖含量直接受氮代谢的调控。研究表明,当施氮量没有达到甜菜需氮量时,施氮量与甜菜光合速率、干物质积累量、含糖率和产量均呈正相关关系,但施氮量超过甜菜需氮量时,甜菜产量、含糖率等均随施氮量增加呈下降趋势[9],同时部分研究表明甜菜对氮素的需求主要集中在叶丛快速生长期和块根生长及糖分积累期,这两个时期对氮肥的高效利用对后期甜菜产量和品质的形成至关重要,块根生长及糖分积累期后甜菜对氮素的吸收则呈下降趋势[10−11],但也有部分研究表明在进入糖分积累期后少量氮肥施用可以延缓甜菜叶片和根系的衰老,提高叶片光合能力,进而实现产量和含糖率的增加[12]。目前关于甜菜氮肥运筹的研究多集中在非盐碱化耕地甜菜栽培中,研究内容均为氮肥在不同施用时期的追肥比例上,同时研究侧重某一时期的光合特征及产量变化[13−16],未见有关氮肥不同基追比下多个生育时期联合分析甜菜光合特征、物质积累的研究,盐碱地甜菜氮肥运筹的研究更是鲜见报道。本研究以苏打盐碱化耕地甜菜为对象,通过设置不同氮肥基追比处理,对比分析甜菜叶片光合特征、干物质积累特征和产质量的变化,以期筛选出适宜苏打盐碱化耕地甜菜栽培的最佳氮肥运筹模式,为该区域甜菜高产优质栽培提供理论依据和技术支持。
1. 材料与方法
1.1 研究区域概况
试验于2020年4月—10月和2021年4月—10月于内蒙古自治区通辽市科左中旗三家子村(122.20 E,43.62 N)开展。试验地年平均气温5.2℃~5.9℃,最高气温40.9℃,最低气温−33.9℃,年平均降水量370 mm,降水年内分配不均,年际变化大,多年平均蒸发量为2027 mm。土壤类型以苏打盐碱土为主,0—20 cm土壤pH 9.77,碱化度21.86%,土壤全盐含量1.59 g/kg,有机质含量12.70 g/kg,有效磷含量5.63 mg/kg,速效钾含量103.25 mg/kg,土壤碱解氮含量55.36 mg/kg。
1.2 试验材料与试验设计
1.2.1 试验材料
甜菜品种:KWS2314。供试肥料:尿素(含N 46%),重过磷酸钙(含 P2O5 46%),硫酸钾(含K2O 50%)。
1.2.2 试验设计
试验采用随机区组设计。氮肥纯氮施用量按照课题组前期多年研究结果中甜菜生长对氮肥的需求量确定,为150 kg/hm2,按照不同基追比和施用时期施入,具体氮肥施用处理见表1。磷肥(P2O5) 180 kg/hm2,钾肥(K2O) 90 kg/hm2在整地时结合耕翻一次性施入,氮肥追施采用施肥罐结合灌水施入。试验共计10个处理,重复3次,30个小区,小区面积216 m2 (7.2 m×30 m)。甜菜采用手推式播种器人工播种,宽窄行种植,宽行行距70 cm、窄行行距40 cm,株距17 cm,播种深度2.5~3.5 cm。采用浅埋滴灌的方式种植,田间管理方式与大田生产一致。
表 1 试验处理氮肥基追比例及追施时期Table 1. The basal and topdressing ratio of nitrogen fertilizer and topdressing time in each treatment处理
Treatment追肥次数
Number of topdressing基追肥分配比例
Basal to topdressing ratio基肥量 (kg/hm2)
Base fertilizer追肥量 Topdressing amount (kg/hm2) V1 V2 N821 1 8:2:0 120 30 0 N731 1 7:3:0 105 45 0 N641 1 6:4:0 90 60 0 N551 1 5:5:0 75 75 0 N822 2 8:1.6:0.4 120 24 9 N732 2 7:2.1:0.9 105 31.5 13.5 N642 2 6:2.8:1.2 90 42 18 N552 2 5:3.5:1.5 75 52.5 22.5 N10 0 10:0:0 150 0 0 CK 0 0 0 注: V1—叶丛快速生长期,V2—块根生长及糖分积累期。
Note: V1—Rapid growth stage of foliage, V2—Tuber growth and sugar accumulation stage.1.3 测定指标与方法
1.3.1 甜菜光合特性指标测定
光合指标在甜菜苗叶丛快速生长期(V1)、块根生长及糖分积累期(V2)、糖分积累期(V3)测定,其中V1和V2期在追肥处理后7~10 天测定。选择晴朗无风天气,上午9:00—11:00或下午15:00—17:00,用 Li-6400 便携式光合系统,采用红蓝光源叶室 (LED),LED光量子设置为1500 µmol/(m2·s),测定甜菜倒五叶的净光合速率 (Pn)、胞间CO2浓度 (Ci)、蒸腾速率 (Tr) 和气孔导度(Gs)。采用日本产SPAD-502叶绿素仪测定相同位置叶片SPAD值。
1.3.2 甜菜植株干物质测定
在进行甜菜苗光合指标测定的同时,每个小区取样3个点,每个点分别取3株甜菜,将甜菜植株分为叶片、叶柄、块根3个部分,105℃ 杀青30 min后,80℃烘干至质量恒定,称重。
1.3.3 甜菜含糖率、产量和产糖量测定
甜菜收获时,每个小区随机取15株甜菜块根,采用日本产Atago Refractometer PAL-1数字手持折射仪测定块根锤度,按照公式折算含糖率:含糖率=锤度×80%。
每个小区选取10 m2,采用称重法测定块根产量,产糖量=产量×含糖率。
1.3.4 氮肥相关指标计算
氮肥农学效率 (agronomic efficiency of nitrogen fertilizer,AEN,kg/kg) = (施氮区甜菜产量−不施氮区甜菜产量)/施氮量。
氮肥偏生产力 (partial factor productivity of N fertilizer,PFPN,kg/kg) = 施氮区甜菜产量/施氮量。
1.4 数据分析
采用Excel 2019进行数据计算、处理和作图,采用SPSS 25.0软件进行显著性和相关性分析,LSD最小显著性差异法进行显著性分析(P<0.05)。
2. 结果与分析
2.1 氮肥基追比例对苏打盐碱化耕地甜菜叶片光合特征的影响
2.1.1 氮肥运筹对甜菜气体交换参数的影响
由图1可知,氮肥分次施用对甜菜叶丛快速生长期(V1)、块根生长及糖分积累期(V2)以及糖分积累期(V3)叶片气体交换参数均有一定程度影响,且两年结果基本表现一致。与CK处理相比,3个生育时期各氮肥处理甜菜叶片Pn、Ci、Tr、Gs均显著提高,V1、V2和V3期Pn两年平均分别提高了8.39%~26.51%、8.44%~31.86%和5.22%~26.61%;Ci两年平均分别提高了7.21%~30.55%、5.76%~19.99%和5.17%~24.99%;Tr两年平均分别提高了10.28%~38.20%、8.66%~49.58%、8.72%~57.57%;Gs两年平均分别提高了14.51%~60.90%、7.16%~40.75%和7.90%5~4.77%。
图 1 氮肥不同基追比例下甜菜叶片气体交换参数;注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。V1—叶丛快速生长期;V2—块根生长及糖分积累期;V3—糖分积累期。柱上不同小写字母表示同一时期处理间差异显著(P<0.05)。Figure 1. Gas exchange parameters of sugar beet leaves under different ratios of basal to topdressing nitrogenNote: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. V1—Rapid growth stage of foliage; V2—Tuber growth and sugar accumulation stage; V3—Sugar accumulation stage. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among treatments at 0.05 level at the same growth period.在V1期,同一基肥比例下追肥1次处理的甜菜各气体交换参数指标均高于追肥2次处理。与氮肥全部基施(N10)相比,N641、N821、N731和N732处理的甜菜叶片Pn两年平均值分别提高16.72%、12.96%、11.02%、9.80% (P<0.05); N641、N821、N731、N732、N551、N822处理的甜菜叶片Tr两年平均值提高25.32%、19.35%、14.63%、14.09%、10.42%、10.98%,差异显著(P<0.05); N641、N821、N731、N732、N551、N822、N642处理的甜菜叶片Ci和Gs两年平均值分别提高21.77%、18.17%、15.44%、14.10%、11.25%、11.23%、6.68%和40.52%、34.31%、28.91%、24.27%、21.91%、15.64%、11.00%,均表现差异显著(P<0.05)。
在V2和V3期,同一基肥比例处理相比,N822、N732和N552处理甜菜叶片Pn、Tr、Gs两年均分别显著高于相应的N821、N731和N551处理; N822和N732处理甜菜叶片Ci两年均分别显著高于N821和N731处理。与氮肥全部基施处理(N10)相比,N732、N822、N642、N641处理在两年两个时期甜菜叶片Pn均值分别提高17.20%、12.15%、6.68%、7.14%;Ci分别提高13.33%、9.36%、6.41%、7.00%;Tr分别提高21.34%、15.78%、12.12%、11.62%;Gs分别提高21.01%、12.69%、10.22%、9.02%,且均达到显著差异(P<0.05),N732处理显著高于N822、N642和N641处理,但N822、N642、N641三者的差异在两年以及不同指标间表现不一致。
2.1.2 氮肥运筹对甜菜叶片SPAD值的影响
由图2可知,氮肥运筹对甜菜叶丛快速生长期(V1)、块根生长及糖分积累期(V2)以及糖分积累期(V3)叶片SPAD值均有一定程度的影响,且两年的结果表现基本一致。
图 2 氮肥运筹下甜菜叶片SPAD值注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。V1—叶丛快速生长期;V2—块根生长及糖分积累期;V3—糖分积累期。柱上不同小写字母表示同一时期处理间差异显著(P<0.05)。Figure 2. SPAD values of sugar beet leaves under different ratios of basal to topdressing nitrogenNote: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. V1—Rapid growth stage of foliage; V2—Tuber growth and sugar accumulation stage; V3—Sugar accumulation stage. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among treatments at 0.05 level at the same growth period.与CK处理相比,3个生育时期各氮肥处理甜菜叶片SPAD值均显著提高,叶丛快速生长期、块根生长及糖分积累期和糖分积累期在两年平均提高4.20%~23.71%、6.54%~19.22%和4.96%~25.06%。
在V1期,同一基肥比例下,追肥1次的处理甜菜叶片SPAD值均高于追肥2次的处理。与N10处理相比,N641、N821、N731、 N732、N551、N822、N642、N552处理甜菜叶片SPAD值两年平均分别提高18.78%、14.32%、13.81%、11.59%、7.37%、8.96%、6.00%、3.09%,差异显著(P<0.05)。
在V2和V3期,同一基肥比例处理相比下,N732和N552处理甜菜叶片SPAD两年均值分别显著高于N731和N551处理。与N10处理相比,N551处理在两年两个生育时期均显著降低,V2期N732、N822、N641、N731、N642、N552、N821处理甜菜叶片SPAD两年均值分别提高10.35%、8.69%、7.72%、6.64%、5.32%、3.48%、3.70% (P<0.05);V3期则仅有N732、N822、N642处理表现为显著提高,两年均值分别提高16.81%、9.75%、5.08%。
2.2 氮肥基追比例对苏打盐碱化耕地甜菜干物质的影响
2.2.1 氮肥基追比例对苏打盐碱化耕地甜菜干物质积累量的影响
由图3可知,氮肥分次施用处理对甜菜叶丛快速生长期(V1)、块根生长及糖分积累期(V2)以及糖分积累期(V3)干物质的积累均有一定的影响,且两年结果表现基本一致。
图 3 氮肥不同基追比例下甜菜干物质变化注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。柱上不同小写字母表示整株干物质处理间差异显著(P<0.05);柱内不同小写字母表示同一器官处理间差异显著(P<0.05)。Figure 3. Dynamics of dry matter of sugar beet under different ratios of basal to topdressing nitrogenNote: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among treatments for the whole plant dry matter (P<0.05); different lowercase letters in the bars indicate significant difference among treatments for the same organ (P<0.05).与CK处理相比,不同氮肥处理的全生育时期甜菜叶片、叶柄、块根及全株干物质积累量均显著提高,其中两年叶片干物质积累量平均提高17.13%~69.32%;叶柄干物质积累量平均提高21.13%~94.62%;块根干物质积累量平均提高20.55%1~104.89%;全株干物质积累量平均提高18.74%~90.94%。
在V1期,同一基肥比例下N821、N641和N551处理甜菜全株干物质及其在各器官的积累量两年均分别显著高于N822、N642和N552处理。与N10处理相比,叶片干物质积累量和全株干物质积累量,除N552处理外,其余各处理两年均表现显著提高,提高幅度表现为N641>N821>N731>N732>N551>N822>N642,其中叶片干物质积累量两年分别平均提高56.58%、51.49%、37.09%、33.51%、31.14%、25.87%、16.10%,全株干物质积累量两年分别平均提高65.14%、58.13%、42.13%、37.61%、34.03%、29.49%、17.38%;叶柄和块根干物质积累量2020年表现为除N552和N642处理外,其余各处理显著提高,提高幅度N641>N821>N731>N732>N551>N822,叶柄和块根干物质积累量分别提高56.87%和65.21%、53.22%和54.19%、34.80%和40.90%、27.05%和38.68%、25.15%和34.61%、22.62%和28.56%,2021年与叶片和全株干物质积累表现一致,N641、N821、N731、N732、N551、N822、N642处理叶柄和块根干物质积累量分别提高74.12%和85.07%、69.32%和72.94%、47.13%和57.35%、41.22%和51.91%、37.89%和44.56%、34.01%和41.03%、24.40%和21.76%。
在V2和V3期,同一基肥比例下N822、N732和N552处理的甜菜全株干物质及其在各器官的积累量两年分别显著高于N821、N731、和N551处理。与N10处理相比,N732、N822、N642、N641、N552处理的甜菜全株干物质及其在各器官的积累量表现显著提高,提高幅度N732>N822>N642>N641>N552,两年两个时期叶片干物质积累量分别平均提高26.02%、18.04%、15.47%、11.83%、8.90%,叶柄干物质积累量分别平均提高46.69%、31.77%、28.65%、20.27%、12.82%,块根干物质积累量分别平均提高47.96%、31.34%、28.85%、18.73%、12.83%,全株干物质积累量分别平均提高41.92%、28.61%、24.46%、17.39%、11.86%,且N732处理甜菜全株及各器官干物质积累量均显著高于N822、N642、N641和N552处理,后4个处理在不同器官、不同时期和不同年际干物质积累量表现不一致。N821和N551处理该时期甜菜全株干物质均低于氮肥全部基施处理(N10),且N551处理在两年均表现显著低于氮肥全部基施处理。
2.2.2 氮肥运筹对甜菜干物质分配和转运的影响
由表2可知,氮肥运筹处理对甜菜叶丛快速生长期(V1)、块根生长及糖分积累期(V2)以及糖分积累期(V3)干物质分配和转运均有一定程度影响,且两年结果基本表现一致。
表 2 氮肥不同基追比例下甜菜地上部、地下部干物质分配比例及根冠比Table 2. Dry matter distribution in the aboveground and underground parts of sugar beet and the root to shoot ratio under different ratios of basal to topdressing nitrogenat different growth stages年份
Year处理Treatment 叶丛快速生长期 (V1)
Rapid growth stage of foliage块根生长及糖分积累期 (V2)
Tuber growth and sugar accumulation stage糖分积累期 (V3)
Sugar accumulation stage地上部 (%)
Aboveground part地下部 (%)
Underground part根冠比
Root to shoot ratio地上部 (%)
Aboveground part地下部 (%)
Underground part根冠比
Root to shoot ratio地上部 (%)
Aboveground part地下部 (%)
Underground part根冠比
Root to shoot ratio2020 N821 65.75±0.41 bcd 34.25±0.41 abc 0.52±0.01 abc 52.42±0.89 abc 47.58±0.89 bcd 0.91±0.03 cd 43.96±0.66 ab 56.04±0.66 bc 1.28±0.03 bc N731 65.62±1.71 bcd 34.38±1.71 abc 0.52±0.04 abc 52.04±0.76 abc 47.96±0.76 bcd 0.92±0.03 bcd 43.71±0.82 abc 56.29±0.82 abc 1.29±0.04 abc N641 65.04±0.50 d 34.96±0.50 a 0.54±0.01 a 51.72±0.34 bc 48.28±0.34 bc 0.93±0.01 bcd 43.37±0.58 abc 56.63±0.58 abc 1.31±0.03 abc N551 65.67±0.23 bcd 34.33±0.23 abc 0.52±0.01 abc 52.88±0.52 ab 47.12±0.52 cd 0.89±0.02 cd 44.29±1.66 ab 55.71±1.66 bc 1.26±0.09 bc N822 65.73±0.50 bcd 34.27±0.5 abc 0.52±0.01 abc 50.72±0.74 cd 49.28±0.74 ab 0.97±0.03 ab 42.66±0.66 bc 57.34±0.66 ab 1.34±0.04 ab N732 65.11±0.37 cd 34.89±0.37 ab 0.54±0.01 ab 49.37±0.88 d 50.63±0.88 ab 1.03±0.04 a 42.22±0.48 c 57.78±0.48 a 1.37±0.03 a N642 66.46±0.59 abc 33.54±0.59 bc 0.50±0.01 bcd 51.25±1.13 bc 48.75±1.13 bc 0.95±0.04 bc 42.92±0.24 bc 57.08±0.24 ab 1.33±0.01 ab N552 66.06±1.16 bcd 33.94±1.16 abc 0.51±0.03 abc 52.03±1.55 abc 47.97±1.55 bcd 0.92±0.06 bcd 43.61±1.43 abc 56.39±1.43 abc 1.29±0.07 abc N10 66.84±0.86 ab 33.16±0.86 cd 0.50±0.02 cd 52.70±1.12 ab 47.30±1.12 cd 0.90±0.04 cd 43.85±0.9 ab 56.15±0.9 bc 1.28±0.05 bc CK 67.61±0.50 a 32.39±0.50 d 0.48±0.01 d 53.47±1.49 a 46.53±1.49 d 0.87±0.05 d 44.64±0.75 a 55.36±0.75 c 1.24±0.04 c 2021 N821 65.44±1.24 bcde 34.56±1.24 abcd 0.53±0.03 abcd 50.1±1.76 abc 49.90±1.76 cd 1.00±0.07 cd 40.96±1.37 ab 59.04±1.37 bc 1.44±0.08 abc N731 64.7±0.93 de 35.3±0.93 ab 0.55±0.02 ab 49.49±0.29 bcd 50.51±0.29 bcd 1.02±0.01 bcd 40.82±0.93 abc 59.18±0.93 abc 1.45±0.06 abc N641 64.48±0.44 e 35.52±0.44 a 0.55±0.01 a 48.65±1.02 c 51.35±1.02 ab 1.06±0.04 b 40.79±1.49 abc 59.21±1.49 abc 1.45±0.09 abc N551 65.07±0.82 cde 34.93±0.82 abc 0.54±0.02 abc 51.02±0.79 ab 48.98±0.79 d 0.96±0.03 d 41.71±1.24 ab 58.29±1.24 bc 1.40±0.07 b N822 65.1±0.15 cde 34.9±0.15 abc 0.54±0.01 abc 48.19±0.61 de 51.81±0.61 ab 1.08±0.03 ab 40.32±0.69 bc 59.68±0.69 ab 1.48±0.04 ab N732 64.68±0.09 de 35.32±0.09 ab 0.55±0.01 ab 47.70±0.18 e 52.30±0.18 a 1.10±0.01 a 39.85±0.72 c 60.15±0.72 a 1.53±0.05 a N642 66.38±1.92 abcd 33.62±1.92 cde 0.51±0.04 cde 48.28±0.08 de 51.72±0.08 ab 1.07±0.01 ab 40.6±0.55 abc 59.4±0.55 abc 1.46±0.03 ab N552 66.25±0.43 abcd 33.75±0.43 bcde 0.51±0.01 bcde 48.82±0.78 cd 51.18±0.78 bc 1.05±0.03 bc 40.71±0.55 abc 59.29±0.55 abc 1.46±0.03 abc N10 66.76±1.38 ab 33.24±1.38 de 0.50±0.03 de 49.33±0.62 cd 50.67±0.62 bc 1.03±0.03 bc 41.04±0.54 ab 58.96±0.54 bc 1.44±0.03 abc CK 67.82±0.65 a 32.18±0.65 e 0.47±0.01 e 51.54±0.25 a 48.46±0.25 d 0.94±0.01 d 41.75±0.36 a 58.25±0.36 c 1.36±0.02 c 注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。同列数据后不同小写字母表示同一年份同一指标处理间差异显著 (P<0.05)。
Note:N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. Different lowercase letters after data in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05) for the same index in the same year.随着生育期推进,地上部干物质比例降低,块根干物质比例升高。与CK处理相比,V1期,N821、N731、N641、N551、N822、N732处理在两年均表现为地上部干物质比例显著降低,块根干物质比例显著升高,其中地上部干物质比例两年分别平均降低3.13%、3.77%、4.36%、3.46%、3.40%、4.16%,块根干物质比例两年分别平均提高6.57%、7.92%、9.16%、7.27%、7.13%、8.74%;V2和V3期,则仅有N822、N732和N642处理在两年均表现为地上部干物质比例显著降低,块根干物质比例显著升高,其中地上部干物质比例两年两个时期分别平均降低4.88%、6.27%、4.27%,块根干物质比例两年两个时期平均分别提高4.71%、6.09%、4.14%。与氮肥全部基施(N10)相比,V1期,各氮肥运筹处理地上部干物质比例均降低,块根干物质比例均提高,处理N732表现显著,两年地上部干物质比例平均降低2.85%,块根干物质比例平均提高5.74%;V2期,两年N732处理均表现为显著降低了地上部干物质比例4.81%,显著提高了块根干物质比例5.13%,其余各处理间表现不一致;V3期,N731、N641、N822、N732、N642、N552处理地上部干物质比例均降低,块根干物质比例均提高,仅有N731处理表现显著,两年地上部干物质比例平均降低3.42%,块根干物质比例平均提高2.46%。
随着生育期推进,甜菜根冠比呈增加趋势。与CK相比,V1期N821、N731、N641、N551、N822、N732处理在两年分别平均提高10.03%、12.24%、14.14%、11.12%、10.90%、13.48%,差异显著(P<0.05);V2和V3期,两年两个时期N822、N732、N642处理根冠比分别平均提高10.71%、14.28%、9.42%,差异显著(P<0.05)。与N10处理相比,V1期各氮肥运筹处理甜菜根冠比提高,但仅有N732处理表现显著,两年平均提高8.76%;V2和V3期,N821、N551处理在两年均降低了甜菜根冠比,其余处理甜菜根冠比均提高,仅N732处理表现显著,两年两个时期平均提高8.63%。
2.3 氮肥基追比例对苏打盐碱化耕地甜菜产量、质量和氮肥利用的影响
由表3可知,氮肥分次施用对甜菜产量、含糖率和产糖量均造成一定程度影响,两年结果表现基本一致。与CK相比,氮肥处理甜菜产量两年平均提高了8.67%~35.74% (P<0.05),但含糖率出现不同程度的降低,N551、N642和N10处理的下降幅度达到显著水平。由于块根产量的增加,2020年N732、N822、N731、N642、N641、N821处理,2021年N732、N822、 N731、N642、N641、N821、N10处理的产糖量显著提高,2021年N551处理的产糖量显著降低。
表 3 氮肥不同基追比例下甜菜产量、品质和氮肥利用效率Table 3. Yield, quality and nitrogen use efficiency of sugar beet under different ratios of basal to topdressing nitrogen年份
Year处理
Treatment产量 (kg/hm2)
Yield含糖率 (%)
Sugar content产糖量 (kg/hm2)
Sugar yield氮肥农学效率 (kg/kg)
Agronomic efficiency
of nitrogen氮肥偏生产力 (kg/kg)
Partial factor
productivity of nitrogen2020 N821 47769.10±638.30 d 13.74±0.62 ab 6563.37±225.63 de 26.91±6.91 g 318.46±4.26 e N731 49854.92±643.58 cd 14.08±0.63 ab 7015.78±226.06 bc 40.82±6.49 ef 332.37±4.29 cd N641 51716.37±1833.80 bc 13.18±0.63 abcd 6807.49±101.87 cd 53.23±9.76 cd 344.78±12.23 bc N551 47904.32±1496.84 d 12.62±0.50 cd 6042.40±127.70 f 27.82±5.17 g 319.36±9.98 e N822 53801.96±1007.07 bc 13.35±0.50 abc 7179.55±165.57 b 67.13±3.34 b 358.68±6.71 bc N732 58075.72±2248.25 a 13.17±0.82 abcd 7634.48±186.67 a 95.63±6.71 a 387.17±14.99 a N642 52961.47±1196.11 bc 12.97±0.9 bcd 6861.55±243.73 bcd 61.53±7.81 bc 353.08±7.97 bc N552 50365.17±382.91 dcd 12.07±0.61 d 6076.37±277.77 f 44.22±6.96 de 335.77±2.55 cd N10 48669.32±1673.30 d 13.01±0.19 bcd 6330.33±130.16 ef 32.92±2.12 fg 324.46±11.16 de CK 43731.86±1425.40 e 14.21±0.86 a 6209.49±289.45 f - - 2021 N821 47929.68±880.01 e 14.22±0.37 a 6813.98±139.85 de 29.50±1.44 e 319.53±5.87 f N731 50537.76±1275.28 d 14.31±0.27 a 7230.66±75.40 c 46.89±4.32 d 336.92±8.50 e N641 52789.41±1189.88 c 13.38±0.61 b 7060.19±238.66 cd 61.90±3.47 c 351.93±7.93 cd N551 47030.13±898.44 e 12.99±0.11 bc 6106.64±85.04 g 23.50±1.98 e 313.53±5.99 f N822 55603.16±2185.22 b 13.60±0.74 ab 7552.04±190.49 b 80.66±10.85 b 370.69±14.57 b N732 60330.15±1371.05 a 13.28±0.49 bc 8006.25±131.25 a 112.17±6.89 a 402.20±9.14 a N642 54721.10±659.52 bc 12.96±0.39 bc 7088.26±172.04 c 74.78±3.16 b 364.81±4.4 bc N552 50669.07±1339.29 d 12.56±0.16 c 6362.58±84.94 f 47.76±4.65 d 337.79±8.93 de N10 50387.68±1335.54 d 13.21±0.38 bc 6652.92±36.72 e 45.89±5.87 d 335.92±8.90 e CK 43504.49±673.51 f 14.32±0.55 a 6228.37±170.38 fg - - 注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。同列数据后不同小写字母表示同一年份同一指标处理间差异显著 (P<0.05)。
Note: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. Different lowercase letters after data in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05) for the same index in the same year.在同一基肥比例下,甜菜产量N732、 N822处理分别显著高于N731、N821处理。与N10处理相比,N732、N822、N642、N641处理甜菜两年平均产量分别提高19.53%、10.45%、8.71%、5.52% (P<0.05),且N732甜菜产量显著高于N822、 N642和 N641处理。
分析各氮肥处理甜菜产量、含糖率和含糖量可知,在基肥比例高时(70%或者80%),追施2次较追施1次,可显著提高产量,但降低含糖率;而在基肥比例较低(60%或者50%)时,追施次数对产量和糖产量的影响不显著。与N1 0处理相比,N821和N731处理的含糖率在2021年表现为显著提高。
甜菜产糖量是由甜菜产量和含糖率共同决定的,同一基肥比例下,追肥2次各处理甜菜产糖量均高于追肥1次处理,且N822和N732处理分别显著高于N821和N731处理。与氮肥全部基施(N10)相比,N732、N822、N731、N642、N641处理甜菜产糖量两年均值分别提高20.47%、13.46%、9.76%、7.47%、6.83%,差异显著(P<0.05),且N732处理甜菜产糖量显著高于N822、N731、N642和N641处理。
分析氮肥农学效率和氮肥偏生产力可知,两年同一基肥比例下,追肥2次各处理氮肥农学效率和氮肥偏生产力均高于追肥1次处理,且除基肥比例为60%的两个处理外,其余各基肥比例下均表现显著提高。与N10处理相比,N732、N822、N642、N641处理氮肥农学效率两年均值分别提高167.48%、89.66%、74.95%、48.30%,氮肥偏生产力2年分别平均提高19.53%、10.45%、8.71%、5.52%,差异显著(P<0.05),且N732处理显著高于N822、N642和N641处理。
2.4 甜菜光合特征与干物质量的相关分析
由表4可知,2020和2021年甜菜叶丛快速生长期、块根生长及糖分积累期、糖分积累期,在氮肥不同基追比例处理下,甜菜叶片净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度和SPAD值均与叶片、块根干物质积累量之间存在着极显著(P<0.01)的相关关系,说明氮肥通过对甜菜叶片光合特征的调控直接影响甜菜不同器官的干物质积累,促进干物质的形成。
表 4 氮肥不同基追比例下甜菜光合特征与不同器官干物质的相关系数Table 4. Correlation coefficient of photosynthetic characteristics with dry matter accumulation of different sugar beet organs under different ratios of basal to topdressing nitrogen年份 Year 生育时期 Growth period 器官 Organ Pn Ci Tr Gs SPAD 2020 叶丛快速生长期 (V1)
Rapid growth stage of foliage叶片 Leaf 0.974** 0.997** 0.980** 0.992** 0.968** 叶柄 Petiole 0.993** 0.989** 0.987** 0.991** 0.975** 块根 Root 0.984** 0.993** 0.984** 0.991** 0.974** 块根生长及糖分积累期 (V2)
Tuber growth and sugar accumulation stage叶片 Leaf 0.974** 0.997** 0.980** 0.992** 0.968** 叶柄 Petiole 0.993** 0.989** 0.987** 0.991** 0.975** 块根 Root 0.984** 0.993** 0.984** 0.991** 0.974** 糖分积累期 (V3)
Sugar accumulation stage叶片 Leaf 0.965** 0.979** 0.923** 0.966** 0.881** 叶柄 Petiole 0.972** 0.971** 0.889** 0.956** 0.936** 块根 Root 0.983** 0.989** 0.952** 0.982** 0.923** 2021 叶丛快速生长期 (V1)
Rapid growth stage of foliage叶片 Leaf 0.964** 0.968** 0.971** 0.988** 0.953** 叶柄 Petiole 0.964** 0.976** 0.978** 0.985** 0.960** 块根 Root 0.965** 0.986** 0.979** 0.992** 0.984** 块根生长及糖分积累期 (V2)
Tuber growth and sugar accumulation stage叶片 Leaf 0.869** 0.900** 0.930** 0.939** 0.892** 叶柄 Petiole 0.957** 0.941** 0.948** 0.965** 0.907** 块根 Root 0.944** 0.929** 0.929** 0.949** 0.896** 糖分积累期 (V3)
Sugar accumulation stage叶片 Leaf 0.982** 0.991** 0.965** 0.988** 0.950** 叶柄 Petiole 0.984** 0.979** 0.943** 0.979** 0.948** 块根 Root 0.982** 0.967** 0.918** 0.953** 0.967** 注:Pn、Gs、Ci、Tr分别代表净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率。
Note: Pn, Gs, Ci, Tr indicate net photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular CO2 concentration, transpiration rate, respectively. *—P<0.05, **—P<0.01.2.5 氮肥不同基追比例下苏打盐碱化耕地甜菜光合特征、产质量的主成分分析
由图4可知,将甜菜光合特征、产质量7个指标划分为两个主成分,解析贡献率2020年分别为89.66%和5.60%,2021年分别为92.25%和4.14%。各指标间均具有正相关关系,各光合特征指标与甜菜产量的相关性高于其与甜菜产糖量的相关性,两年结果均显示Ci和Gs与产量相关性优于其他光合指标,说明氮肥分次施用改善甜菜光合特征的关键在于对Ci和Gs的调控,实现了光合能力的提升。同时氮肥分次施用是通过增加甜菜叶片Pn、Ci、Tr、Gs和SPAD值实现产量的增加,进而提升甜菜产糖量。两年结果均显示,N732处理在PC1轴上与其他处理被明显分开,说明其对甜菜光合特征和产质量具有显著正向影响,CK、N551处理也在PC1轴上与其他处理被明显分开,但其对光合特征和产质量表现反向影响,其余各处理均在PC1轴上没有被明显区分开。
图 4 光合特征、产质量指标的主成分分析注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。Pn、Gs、Ci、Tr、SPAD、YY和 BY分别代表净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、SPAD值、产量和产糖量。Figure 4. Principal component analysis of photosynthetic characteristics, yield and quality indexesNote: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. Pn, Gs, Ci, Tr, SPAD, YY and BY indicate net photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular CO2 concentration, transpiration rate, SPAD value, yield and sugar yield, respectively.3. 讨论
3.1 氮肥运筹提升苏打盐碱化耕地甜菜光合能力
光合作用是作物产量形成的基础,高的光合能力是提高作物同化物积累的重要生理基础,是作物获得高产的首要条件[17−19]。气体交换参数(净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度)是从作物叶片气体的交换量来衡量作物光合能力[20],SPAD值是衡量叶片叶绿素相对含量的指标,叶绿素含量直接影响作物光合速率及其产物的形成[21]。研究表明甜菜块根增长过程中90%以上的有机质是由光合作用转化以及固定的[22],改善和提升光合能力是甜菜栽培中的重要环节,氮素是作物生长吸收最多的矿质元素,对作物光合作用、器官建成、碳氮代谢等生理反应有重要影响[23]。适量氮素供给能提高甜菜光合速率,但若氮肥过量则光合速率表现降低[24]。本研究中,与不施氮肥相比,各氮肥处理在3个生育时期甜菜叶片光合特征均呈现显著升高的效应,说明氮肥对甜菜叶片光合能力具有直接影响。同时本研究发现,叶丛快速生长期同一基肥施用量下,追肥1次处理甜菜叶片光合能力分别优于追肥2次处理,这与前人关于在叶丛快速生长期适当施用氮肥能够改善光合特性的研究结果[15]基本一致;与氮肥全部基施(N10)相比,该时期各氮肥不同基追比例处理甜菜叶片光合特征指标均提高,且以处理N641、N821、N731和N732在各指标均表现显著提高,该时期对胞间CO2浓度和气孔导度的影响大于对净光合速率和蒸腾速率,说明叶丛快速生长期,适当的增加氮肥追施量能够通过提高甜菜叶片叶绿素含量,改善气孔状况,增加CO2进入叶片的浓度,进而提高甜菜叶片光合能力,这与调节光合作用的关键在于改善叶片气孔开闭,加快气体交换,使进入叶片气孔的光合原料CO2增加,进而提高叶片光合作用的研究结果[25]类似。进入块根生长和糖分积累期,随着第二次氮肥的追施,各处理甜菜叶片光合特征呈现与叶丛快速生长期不同的表现,同一基肥施用量下,追肥2次处理甜菜叶片光合能力分别优于追肥1次处理,可见该时期追施部分氮肥能够进一步改善甜菜叶片光合特性,这是由于适量施肥能够提高叶绿素含量,延长叶片光合生理的持续期[26],延缓叶片衰老,增强叶片对光破坏的防御机制,有效调节光合性能,且该阶段对甜菜叶片净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度和SPAD值的影响基本一致,实现了各指标的协同提升,进而改善叶片光合能力,与氮肥全部基施相比(N10),N732、N822、N642和N641处理的各光合指标显著提高。可见在同一基追比例下,将氮肥分2次在叶丛快速生长期和块根生长及糖分积累期分别施用,能够促进甜菜中后期叶片保持较好的光合能力,其中以处理N732表现更优。
3.2 氮肥运筹改善苏打盐碱化耕地甜菜干物质积累、分配和转运
干物质是光合产物的最终形态,其积累和分配能够反映作物适应各种农艺措施下自我调节能力[27]。干物质在作物不同器官的积累、分配除了受作物本身遗传特性的影响外,还能够响应外界环境的调控表现出不同的分配特征[28],进而与产量的形成密切相关[29−30]。甜菜叶丛快速生长期是甜菜地上部分生长的重要时期,对于后期光合产物的生成有着重要作用,该时期氮素的供应对甜菜生长具有重要影响,前人研究表明叶丛快速生长期合理的氮肥施用能够促进甜菜该时期地上部分干物质量的提升,但该时期氮肥过量则又容易造成地上部叶片徒长,不利于块根质量的增加[15],甜菜块根生长及糖分积累期是甜菜同化产物由地上向地下转运的关键时期[31],该时期过多的施氮甜菜地上部分徒长,影响生长中心向块根的转移,可见不同时期氮肥的施用对甜菜干物质的积累、分配有着重要影响。本研究中,对于甜菜叶片、叶柄、块根和全株干物质积累量的影响各处理表现与其对叶片光合特征的影响基本一致,与不施氮肥相比,氮肥处理干物质积累量均显著提高;叶丛快速生长期第1次追肥后,相同基肥比例下追肥1次处理干物质积累量均高于追肥2次处理,块根生长和糖分积累期第2次追肥后,相同基肥比例下追肥2次处理干物质积累量均高于追肥1次处理,说明同一基肥施用量下,第1次追肥量大利于干物质的积累,第2次适宜的追肥量能够进一步促进甜菜干物质的积累,同时与氮肥全部基施相比,叶丛快速生长期各处理均提高了甜菜全株和各器官的干物质积累量,这与甜菜该时期对氮素需求大,氮素供应直接促进植株快速生长,增加干物质量有关,这也说明氮肥全部基施不利于甜菜生长期内对氮素的利用,这与前人关于氮肥分基肥和追肥促进干物质积累的研究结果[32]基本一致,进入块根生长及糖分积累期,N732、N822、N642、N641、N552处理较氮肥全部基施甜菜干物质量显著提高,N821和N551处理则表现降低,且N551处理显著降低,说明随着甜菜的生长,后期少量的氮素供应能够延缓其衰老[12],促进干物质的积累,且以N732处理表现较优。同时,本研究通过将各时期甜菜叶片光合特征与干物质积累进行相关性分析,发现甜菜叶片光合特征与甜菜干物质积累存在着极显著的正相关关系,这也说明各氮肥处理通过调控光合特征进而实现干物质积累量增加,与前人关于氮肥通过调控光合能力实现干物质积累增加的研究结果[33]基本一致。
作物高产不仅需要较强的干物质生产能力,各器官中干物质的高效运输与分配对产量的形成也是至关重要[34−35]。对于甜菜而言,地上部的生长与块根的生长相互促进又相互制约,调节地上部和块根干物质所占比例,提高根冠比对促进产量形成具有重要作用[36]。本研究中与不施氮肥相比,各氮肥处理在不同时期地上部干物质比例均表现降低,块根干物质比例均表现升高,但在叶丛快速生长期N821、N731、N641、N551、N822、N732处理效果显著,块根生长及糖分积累期和糖分积累期N822、N732和N642处理效果显著,可见施氮能够调控甜菜地上和块根的干物质分配比例,但适宜氮肥比例才能实现效果显著,这是不同氮肥运筹方式对甜菜生长调控作用不同引起的,与氮肥全部基施相比,仅有N732处理3个时期在降低地上干物质比例和升高块根干物质比例上均表现出显著效果,同时其对各时期根冠比的影响与对块根干物质比例的影响基本一致,可见适宜的氮肥运筹处理在提高干物质积累量的同时,能够调节其在器官间的分配,促进干物质由地上部分向块根转运,这是由于N732处理能够在甜菜3个关键生育时期均保持叶片的光合功能在相对较高水平,使得后期块根干物质积累的潜力大于其他处理。
3.3 氮肥运筹提升苏打盐碱化耕地甜菜产质量水平
作物产量和品质的形成是不同生育时期作物生长发育累积的结果,受生育期内多种作物内在和栽培外在因素的影响,其中施肥是影响作物产量和品质的关键因素之一,作物产量是评价施肥效果的重要指标之一。研究表明甜菜栽培中,氮肥适量的应用能够协调其同时获得最佳产量和含糖率[37],氮肥不足抑制其块根生长,影响产量,过度施氮在增加产量的同时降低了甜菜含糖率,严重影响产糖量,制约品质的形成[38]。本研究中,与不施氮肥相比,各施氮肥处理产量均表现显著提高,但含糖率表现降低,这与前人[39]关于施肥下甜菜产量和含糖率的变化趋势基本一致,但产糖量表现为两年N732、N822、N731、N642、N641、N821处理均显著提高,这是因为甜菜产糖量由产量和含糖率综合决定,在其降低含糖率的同时,产量增加的幅度弥补了含糖率降低带来的不足,实现了产糖量的增加。目前往往采用“一炮轰”的施肥方式,该方式在生长前期由于氮肥利用较少容易造成氮素淋失,导致后期出现脱肥早衰进而限制产量形成的问题[40]。本研究中,与氮肥全部基施相比,N732、N822、N642、N641处理甜菜产量显著提高,含糖率则各处理年际间差异不一致,产糖量则以N732、N822、N731、N642、N641处理表现显著提高,同时N732、N822、N641、N642处理的氮肥农学效率和氮肥偏生产力均显著提高,且产量、产糖量、氮肥农学效率和氮肥偏生产力均以处理N732表现最优,显著高于其他各处理。本研究通过主成分分析对甜菜产质量与叶片光合特征关系进行探讨,结果表明苏打盐碱化耕地甜菜栽培中氮肥运筹是通过改善叶片光合特性来实现产量的增加,这与前人[14]关于氮肥运筹对甜菜产量的影响研究结果一致,主要原因是甜菜叶丛快速生长期后,光合能力的高低直接制约着后期块根的生长,合理的氮肥运筹方式有助于调节干物质分配比例,促进叶丛快速生长期后的干物质向块根转运,形成良好“源−库”关系[41],同时块根生长及糖分积累期补充适宜氮素有助于甜菜叶片保持较高的光合能力,从而克服氮肥全部基施在后期带来的氮素缺乏导致的叶片早衰、光合能力下降的问题[42],本研究中氮肥通过分次施用能够更好地契合甜菜生育后期的需肥特性,是获得最佳甜菜块根产量和产糖量的施氮制度。
4. 结论
氮肥分次施用可实现对甜菜光合能力、物质积累和产质量形成的调控,在施肥总量一致且基肥比例相同时,追施2次的调控效果优于追施1次。采用基肥105 kg/hm2、叶丛快速生长期和块根生长及糖分积累期各追施31.5、13.5 kg/hm2的氮肥施用方式(N732),显著提高了甜菜叶片净光合速率和气体交换能力,增加了甜菜各部位干物质积累量和产糖量,提高了氮肥农学效率和偏生产力,可以作为苏打盐碱化耕地甜菜高产优质的氮肥管理制度,能够实现苏打盐碱化耕地甜菜肥料高效利用和优质高效生产。
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图 1 氮肥不同基追比例下甜菜叶片气体交换参数
;注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。V1—叶丛快速生长期;V2—块根生长及糖分积累期;V3—糖分积累期。柱上不同小写字母表示同一时期处理间差异显著(P<0.05)。
Figure 1. Gas exchange parameters of sugar beet leaves under different ratios of basal to topdressing nitrogen
Note: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. V1—Rapid growth stage of foliage; V2—Tuber growth and sugar accumulation stage; V3—Sugar accumulation stage. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among treatments at 0.05 level at the same growth period.
图 2 氮肥运筹下甜菜叶片SPAD值
注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。V1—叶丛快速生长期;V2—块根生长及糖分积累期;V3—糖分积累期。柱上不同小写字母表示同一时期处理间差异显著(P<0.05)。
Figure 2. SPAD values of sugar beet leaves under different ratios of basal to topdressing nitrogen
Note: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. V1—Rapid growth stage of foliage; V2—Tuber growth and sugar accumulation stage; V3—Sugar accumulation stage. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among treatments at 0.05 level at the same growth period.
图 3 氮肥不同基追比例下甜菜干物质变化
注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。柱上不同小写字母表示整株干物质处理间差异显著(P<0.05);柱内不同小写字母表示同一器官处理间差异显著(P<0.05)。
Figure 3. Dynamics of dry matter of sugar beet under different ratios of basal to topdressing nitrogen
Note: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among treatments for the whole plant dry matter (P<0.05); different lowercase letters in the bars indicate significant difference among treatments for the same organ (P<0.05).
图 4 光合特征、产质量指标的主成分分析
注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。Pn、Gs、Ci、Tr、SPAD、YY和 BY分别代表净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、SPAD值、产量和产糖量。
Figure 4. Principal component analysis of photosynthetic characteristics, yield and quality indexes
Note: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. Pn, Gs, Ci, Tr, SPAD, YY and BY indicate net photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular CO2 concentration, transpiration rate, SPAD value, yield and sugar yield, respectively.
表 1 试验处理氮肥基追比例及追施时期
Table 1 The basal and topdressing ratio of nitrogen fertilizer and topdressing time in each treatment
处理
Treatment追肥次数
Number of topdressing基追肥分配比例
Basal to topdressing ratio基肥量 (kg/hm2)
Base fertilizer追肥量 Topdressing amount (kg/hm2) V1 V2 N821 1 8:2:0 120 30 0 N731 1 7:3:0 105 45 0 N641 1 6:4:0 90 60 0 N551 1 5:5:0 75 75 0 N822 2 8:1.6:0.4 120 24 9 N732 2 7:2.1:0.9 105 31.5 13.5 N642 2 6:2.8:1.2 90 42 18 N552 2 5:3.5:1.5 75 52.5 22.5 N10 0 10:0:0 150 0 0 CK 0 0 0 注: V1—叶丛快速生长期,V2—块根生长及糖分积累期。
Note: V1—Rapid growth stage of foliage, V2—Tuber growth and sugar accumulation stage.表 2 氮肥不同基追比例下甜菜地上部、地下部干物质分配比例及根冠比
Table 2 Dry matter distribution in the aboveground and underground parts of sugar beet and the root to shoot ratio under different ratios of basal to topdressing nitrogenat different growth stages
年份
Year处理Treatment 叶丛快速生长期 (V1)
Rapid growth stage of foliage块根生长及糖分积累期 (V2)
Tuber growth and sugar accumulation stage糖分积累期 (V3)
Sugar accumulation stage地上部 (%)
Aboveground part地下部 (%)
Underground part根冠比
Root to shoot ratio地上部 (%)
Aboveground part地下部 (%)
Underground part根冠比
Root to shoot ratio地上部 (%)
Aboveground part地下部 (%)
Underground part根冠比
Root to shoot ratio2020 N821 65.75±0.41 bcd 34.25±0.41 abc 0.52±0.01 abc 52.42±0.89 abc 47.58±0.89 bcd 0.91±0.03 cd 43.96±0.66 ab 56.04±0.66 bc 1.28±0.03 bc N731 65.62±1.71 bcd 34.38±1.71 abc 0.52±0.04 abc 52.04±0.76 abc 47.96±0.76 bcd 0.92±0.03 bcd 43.71±0.82 abc 56.29±0.82 abc 1.29±0.04 abc N641 65.04±0.50 d 34.96±0.50 a 0.54±0.01 a 51.72±0.34 bc 48.28±0.34 bc 0.93±0.01 bcd 43.37±0.58 abc 56.63±0.58 abc 1.31±0.03 abc N551 65.67±0.23 bcd 34.33±0.23 abc 0.52±0.01 abc 52.88±0.52 ab 47.12±0.52 cd 0.89±0.02 cd 44.29±1.66 ab 55.71±1.66 bc 1.26±0.09 bc N822 65.73±0.50 bcd 34.27±0.5 abc 0.52±0.01 abc 50.72±0.74 cd 49.28±0.74 ab 0.97±0.03 ab 42.66±0.66 bc 57.34±0.66 ab 1.34±0.04 ab N732 65.11±0.37 cd 34.89±0.37 ab 0.54±0.01 ab 49.37±0.88 d 50.63±0.88 ab 1.03±0.04 a 42.22±0.48 c 57.78±0.48 a 1.37±0.03 a N642 66.46±0.59 abc 33.54±0.59 bc 0.50±0.01 bcd 51.25±1.13 bc 48.75±1.13 bc 0.95±0.04 bc 42.92±0.24 bc 57.08±0.24 ab 1.33±0.01 ab N552 66.06±1.16 bcd 33.94±1.16 abc 0.51±0.03 abc 52.03±1.55 abc 47.97±1.55 bcd 0.92±0.06 bcd 43.61±1.43 abc 56.39±1.43 abc 1.29±0.07 abc N10 66.84±0.86 ab 33.16±0.86 cd 0.50±0.02 cd 52.70±1.12 ab 47.30±1.12 cd 0.90±0.04 cd 43.85±0.9 ab 56.15±0.9 bc 1.28±0.05 bc CK 67.61±0.50 a 32.39±0.50 d 0.48±0.01 d 53.47±1.49 a 46.53±1.49 d 0.87±0.05 d 44.64±0.75 a 55.36±0.75 c 1.24±0.04 c 2021 N821 65.44±1.24 bcde 34.56±1.24 abcd 0.53±0.03 abcd 50.1±1.76 abc 49.90±1.76 cd 1.00±0.07 cd 40.96±1.37 ab 59.04±1.37 bc 1.44±0.08 abc N731 64.7±0.93 de 35.3±0.93 ab 0.55±0.02 ab 49.49±0.29 bcd 50.51±0.29 bcd 1.02±0.01 bcd 40.82±0.93 abc 59.18±0.93 abc 1.45±0.06 abc N641 64.48±0.44 e 35.52±0.44 a 0.55±0.01 a 48.65±1.02 c 51.35±1.02 ab 1.06±0.04 b 40.79±1.49 abc 59.21±1.49 abc 1.45±0.09 abc N551 65.07±0.82 cde 34.93±0.82 abc 0.54±0.02 abc 51.02±0.79 ab 48.98±0.79 d 0.96±0.03 d 41.71±1.24 ab 58.29±1.24 bc 1.40±0.07 b N822 65.1±0.15 cde 34.9±0.15 abc 0.54±0.01 abc 48.19±0.61 de 51.81±0.61 ab 1.08±0.03 ab 40.32±0.69 bc 59.68±0.69 ab 1.48±0.04 ab N732 64.68±0.09 de 35.32±0.09 ab 0.55±0.01 ab 47.70±0.18 e 52.30±0.18 a 1.10±0.01 a 39.85±0.72 c 60.15±0.72 a 1.53±0.05 a N642 66.38±1.92 abcd 33.62±1.92 cde 0.51±0.04 cde 48.28±0.08 de 51.72±0.08 ab 1.07±0.01 ab 40.6±0.55 abc 59.4±0.55 abc 1.46±0.03 ab N552 66.25±0.43 abcd 33.75±0.43 bcde 0.51±0.01 bcde 48.82±0.78 cd 51.18±0.78 bc 1.05±0.03 bc 40.71±0.55 abc 59.29±0.55 abc 1.46±0.03 abc N10 66.76±1.38 ab 33.24±1.38 de 0.50±0.03 de 49.33±0.62 cd 50.67±0.62 bc 1.03±0.03 bc 41.04±0.54 ab 58.96±0.54 bc 1.44±0.03 abc CK 67.82±0.65 a 32.18±0.65 e 0.47±0.01 e 51.54±0.25 a 48.46±0.25 d 0.94±0.01 d 41.75±0.36 a 58.25±0.36 c 1.36±0.02 c 注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。同列数据后不同小写字母表示同一年份同一指标处理间差异显著 (P<0.05)。
Note:N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. Different lowercase letters after data in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05) for the same index in the same year.表 3 氮肥不同基追比例下甜菜产量、品质和氮肥利用效率
Table 3 Yield, quality and nitrogen use efficiency of sugar beet under different ratios of basal to topdressing nitrogen
年份
Year处理
Treatment产量 (kg/hm2)
Yield含糖率 (%)
Sugar content产糖量 (kg/hm2)
Sugar yield氮肥农学效率 (kg/kg)
Agronomic efficiency
of nitrogen氮肥偏生产力 (kg/kg)
Partial factor
productivity of nitrogen2020 N821 47769.10±638.30 d 13.74±0.62 ab 6563.37±225.63 de 26.91±6.91 g 318.46±4.26 e N731 49854.92±643.58 cd 14.08±0.63 ab 7015.78±226.06 bc 40.82±6.49 ef 332.37±4.29 cd N641 51716.37±1833.80 bc 13.18±0.63 abcd 6807.49±101.87 cd 53.23±9.76 cd 344.78±12.23 bc N551 47904.32±1496.84 d 12.62±0.50 cd 6042.40±127.70 f 27.82±5.17 g 319.36±9.98 e N822 53801.96±1007.07 bc 13.35±0.50 abc 7179.55±165.57 b 67.13±3.34 b 358.68±6.71 bc N732 58075.72±2248.25 a 13.17±0.82 abcd 7634.48±186.67 a 95.63±6.71 a 387.17±14.99 a N642 52961.47±1196.11 bc 12.97±0.9 bcd 6861.55±243.73 bcd 61.53±7.81 bc 353.08±7.97 bc N552 50365.17±382.91 dcd 12.07±0.61 d 6076.37±277.77 f 44.22±6.96 de 335.77±2.55 cd N10 48669.32±1673.30 d 13.01±0.19 bcd 6330.33±130.16 ef 32.92±2.12 fg 324.46±11.16 de CK 43731.86±1425.40 e 14.21±0.86 a 6209.49±289.45 f - - 2021 N821 47929.68±880.01 e 14.22±0.37 a 6813.98±139.85 de 29.50±1.44 e 319.53±5.87 f N731 50537.76±1275.28 d 14.31±0.27 a 7230.66±75.40 c 46.89±4.32 d 336.92±8.50 e N641 52789.41±1189.88 c 13.38±0.61 b 7060.19±238.66 cd 61.90±3.47 c 351.93±7.93 cd N551 47030.13±898.44 e 12.99±0.11 bc 6106.64±85.04 g 23.50±1.98 e 313.53±5.99 f N822 55603.16±2185.22 b 13.60±0.74 ab 7552.04±190.49 b 80.66±10.85 b 370.69±14.57 b N732 60330.15±1371.05 a 13.28±0.49 bc 8006.25±131.25 a 112.17±6.89 a 402.20±9.14 a N642 54721.10±659.52 bc 12.96±0.39 bc 7088.26±172.04 c 74.78±3.16 b 364.81±4.4 bc N552 50669.07±1339.29 d 12.56±0.16 c 6362.58±84.94 f 47.76±4.65 d 337.79±8.93 de N10 50387.68±1335.54 d 13.21±0.38 bc 6652.92±36.72 e 45.89±5.87 d 335.92±8.90 e CK 43504.49±673.51 f 14.32±0.55 a 6228.37±170.38 fg - - 注:N10、 N821、 N731、 N641、 N551、 N822、 N732、 N642、 N552分别代表氮肥基追比例10:0:0、8:2:0、7:3:0、6:4:0、5:5:0、8:1.6:0.4、7:2.1:0.9、6:2.8:1.2、5:3.5:1.5;CK为不施氮肥处理。同列数据后不同小写字母表示同一年份同一指标处理间差异显著 (P<0.05)。
Note: N10, N821, N731, N641, N551, N822, N732, N642, N552 represent topdressing ratio of 10:0:0, 8:2:0, 7:3:0, 6:4:0, 5:5:0, 8:1.6:0.4, 7:2.1:0.9, 6:2.8:1.2, 5:3.5:1.5, respectively; CK represents no N fertilizer treatment. Different lowercase letters after data in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05) for the same index in the same year.表 4 氮肥不同基追比例下甜菜光合特征与不同器官干物质的相关系数
Table 4 Correlation coefficient of photosynthetic characteristics with dry matter accumulation of different sugar beet organs under different ratios of basal to topdressing nitrogen
年份 Year 生育时期 Growth period 器官 Organ Pn Ci Tr Gs SPAD 2020 叶丛快速生长期 (V1)
Rapid growth stage of foliage叶片 Leaf 0.974** 0.997** 0.980** 0.992** 0.968** 叶柄 Petiole 0.993** 0.989** 0.987** 0.991** 0.975** 块根 Root 0.984** 0.993** 0.984** 0.991** 0.974** 块根生长及糖分积累期 (V2)
Tuber growth and sugar accumulation stage叶片 Leaf 0.974** 0.997** 0.980** 0.992** 0.968** 叶柄 Petiole 0.993** 0.989** 0.987** 0.991** 0.975** 块根 Root 0.984** 0.993** 0.984** 0.991** 0.974** 糖分积累期 (V3)
Sugar accumulation stage叶片 Leaf 0.965** 0.979** 0.923** 0.966** 0.881** 叶柄 Petiole 0.972** 0.971** 0.889** 0.956** 0.936** 块根 Root 0.983** 0.989** 0.952** 0.982** 0.923** 2021 叶丛快速生长期 (V1)
Rapid growth stage of foliage叶片 Leaf 0.964** 0.968** 0.971** 0.988** 0.953** 叶柄 Petiole 0.964** 0.976** 0.978** 0.985** 0.960** 块根 Root 0.965** 0.986** 0.979** 0.992** 0.984** 块根生长及糖分积累期 (V2)
Tuber growth and sugar accumulation stage叶片 Leaf 0.869** 0.900** 0.930** 0.939** 0.892** 叶柄 Petiole 0.957** 0.941** 0.948** 0.965** 0.907** 块根 Root 0.944** 0.929** 0.929** 0.949** 0.896** 糖分积累期 (V3)
Sugar accumulation stage叶片 Leaf 0.982** 0.991** 0.965** 0.988** 0.950** 叶柄 Petiole 0.984** 0.979** 0.943** 0.979** 0.948** 块根 Root 0.982** 0.967** 0.918** 0.953** 0.967** 注:Pn、Gs、Ci、Tr分别代表净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率。
Note: Pn, Gs, Ci, Tr indicate net photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular CO2 concentration, transpiration rate, respectively. *—P<0.05, **—P<0.01. -
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