不同氮肥水平对甜菜生理指标及产质量的影响.pdf

第 45 卷 第 4 期2023 年 10 月中 国 糖 料Sugar Crops of ChinaVol.45,No.4Oct.2023doi:10.13570/ki.scc.2023.04.005http:/收稿日期:2023-03-24基金项目:财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系(糖料)建设项目“甜菜种质资源鉴定与新种质创制”(CARS-170102);甜菜种质资源安全保存及普查收集资源鉴定评价与繁殖编目入库项目(19221878);甜菜种质资源精准鉴定项目(19230709);普查收集甜菜种质资源鉴定评价与编目入库项目(19230801);黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划项目(UNPYSCT-2020014)资助。第一作者:徐翎清(1998-),男,贵州贵阳人,在读研究生,研究方向为作物分子生物学,E-mail:lingqingxu98 。通信作者:刘大丽(1981-),女,辽宁盘锦人,副研究员,博士,研究方向为作物分子生物学,E-mail:daliliu_hlju 。不同氮肥水平对甜菜生理指标及产质量的影响徐翎清1,2,常 晓1,2,张云龙1,2,李佳佳1,2,刘欣雨1,3,徐 泽1,2,刘大丽1,2(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)摘 要:甜菜是氮敏感作物,筛选合适的氮肥施用量,对研究甜菜生长与氮肥的内在联系尤为重要。本试验通过对不同甜菜品种进行不同氮水平处理(0、120、180 kg/hm2),对甜菜块根产量、含糖率、叶绿素含量、可溶性蛋白含量等指标进行统计学和相关性分析,探索氮肥施用量对甜菜不同生长阶段的影响。结果表明,随施氮量的增加,叶绿素及可溶性蛋白含量显著提高,其中与 N0(0 kg/hm2)相比,N180(180 kg/hm2)处理的甜菜可溶性蛋白含量平均增加了 30%;叶片和根的氮含量呈现先增加后降低的趋势,但在同一时期叶片和根的氮含量随氮肥施用量增加而增加。甜菜体内硝酸还原酶活性与生长时间成反比,与氮素供应量成正比;在第一时期(7 月 6 日),N180 处理下硝酸还原酶活性比 N0 增加 68%91%。相关性分析发现不同甜菜品种的根产量与氮肥施用量呈显著正相关,与含糖率呈显著负相关;N120(120 kg/hm2)与 N180 处理下产糖量接近,此时氮肥施用量的增加对甜菜经济价值影响较小,推测甜菜适宜的氮肥施用量为 120180 kg/hm2。本研究结果为甜菜氮肥的合理施用提供了理论依据。关键词:甜菜;氮含量;可溶性蛋白;硝酸还原酶;含糖率;产量中图分类号:S566.3 文献标识码:A文章编号:1007-2624(2023)04-0040-07徐翎清,常晓,张云龙,等.不同氮肥水平对甜菜生理指标及产质量的影响J.中国糖料,2023,45(4):40-46.XU Lingqing,CHANG Xiao,ZHANG Yunlong,et al.Effects of different nitrogen fertilizer levels on physiology,yield and quality of sugar beetJ.Sugar Crops of China,2023,45(4):40-46.0 引言甜菜(Beta vulgaris L.)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 第 45 卷,第 4 期徐翎清,等:不同氮肥水平对甜菜生理指标及产质量的影响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。14中国糖料 http:/20232 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注:小写字母表示在 P0.05 水平差异显著,下同Note:Lower case letters indicate significant difference(P0.05),the same below2.2 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。24 第 45 卷,第 4 期徐翎清,等:不同氮肥水平对甜菜生理指标及产质量的影响表 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:%处理Treatments2021-07-062021-08-062021-09-16叶片氮含量Leaf N contents根氮含量Root N contents叶片氮含量Leaf N contents根氮含量Root N contents叶片氮含量Leaf N contents根氮含量Root N contentsK1N03.870.89bc2.040.16 ab4.801.13 ab1.960.17 ab3.730.37 c1.170.10 cK1N1204.140.82 bcd2.020.64 ab5.040.41 ab1.940.09 ab3.750.38 bc1.400.19 cK1N1804.560.55ab2.250.28 a5.100.47 ab2.350.42 a4.050.07 abc1.430.17 cK2N03.840.39 cd1.710.04 ab4.840.36 ab1.720.19 ab4.350.23 a1.820.11 bK2N1203.740.34 d1.830.13 ab5.260.61 ab1.740.21 ab4.100.35 abc2.020.16 abK2N1804.610.68 a1.760.01 ab5.410.29 a2.450.9 ab4.160.47 abc1.830.06 abK3N03.420.91d1.360.69 b4.720.61 b1.440.39 b3.830.56 bc2.120.26 aK3N1203.550.84d1.730.34 ab4.940.41 ab1.600.26 ab4.180.33 ab1.500.17 cK3N1803.390.35 d1.830.35 ab5.000.27 ab2.020.34 ab4.110.55 abc2.130.21 a2.3 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 120180 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处理Treatments含糖率/%Sugar content块根产量/(t/hm2)Root yield产糖量/(t/hm2)Sugar yieldK1N012.350.36bc19.371.75 a2.3910.14 aK1N12011.710.96 c21.501.68 a2.520.19 aK1N18011.640.88 c21.791.06 a2.540.12 aK2N013.910.17 a18.051.98 a2.510.27 aK2N12013.980.77a19.502.04 a2.730.28 aK2N18013.140.98 b21.002.05 a2.760.27 aK3N012.900.84 abc19.110.17 a2.470.02 aK3N12012.310.35 abc20.961.48 a2.580.18 aK3N18012.300.99 bc20.620.66 a2.540.08 a34中国糖料 http:/20232.4 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注:P 0.05,图中显示了所选指标之间的皮尔逊相关系数,圆圈的颜色和大小反映了相关性的强度Note:P 0.05,the figure shows the Pearson correlation coefficient between the selected indexes.The color and size of the circles reflect the strength of the correlation3 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44 第 45 卷,第 4 期徐翎清,等:不同氮肥水平对甜菜生理指标及产质量的影响进逐渐降低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 120180 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。参考文献 1 赵越.氮调控对甜菜 Beta vulgaris L.氮同化和蔗糖代谢关键酶的影响 D.长沙 湖南农业大学 2001.2 李宁.氮磷肥对不同品种紫花苜蓿产量和品质的影响 D.杨凌 西北农林科技大学 2021.3 EVANS J R CLARKE V C.The nitrogen cost of photosynthesis J.Journal of Experimental Botany 2019 70 1 7-15.4 KATTGE J KNORR W RADDATZ T et al.Quantifying photosynthetic capacity and its relationship to leaf nitrogen content for global scale terrestrial biosphere models J.Global Change Biology 2009 15 4 976-991.5 越鹏 李彩凤 陈业婷 等.氮素水平对甜菜功能叶片光合特性的影响 J.核农学报 2010 24 5 1080-1085.6 胡伟 孙九胜 周建朝 等.施肥对甜菜产量、含糖量及养分利用的影响 J.农学学报 2015 5 9 73-76.7 刘怡凡 张蓓蓓 王荷 等.光照强度对黑麦草叶片可溶性蛋白含量及生长发育的影响 J.宝鸡文理学院学报 自然科学版 2018 38 4 49-53 8 孙常青 杨艳君 郭志利 等.施肥和密度对杂交谷可溶性糖、可溶性蛋白及硝酸还原酶的影响 J.植物营养与肥料学报 2015 21 5 1169-1177.9 刘娜 闫志山 范有君 等.不同氮素水平对甜菜氮代谢酶和可溶性蛋白含量的影响 J.中国农学通报 2015 31 30 149-154.10 李合生.植物生理生化实验原理和技术 M.北京 高等教育出版社 2000.11 鲍士旦.土壤农化分析 3 版 M.北京 中国农业出版社 2000.12 胡霞 吴宁 王乾 等.青藏高原东缘雪被覆盖和凋落物添加对土壤氮素动态的影响 J.生态环境学报 2012 21 11 1789-1794.13 胡文河 白策 王丹 等.氮肥施用量对高粱叶片氮利用及产量的影响 J/OL.吉林农业大学学报 1-8 2023-03-23.http/ 白晓山 刘华君 林明 等.不同施肥水平对甜菜植物学性状及产质量的影响 J.中国糖料 2016 38 4 24-28.15 张强 郭晓霞 田露 等.化肥减施下生物有机肥对甜菜生长发育及产质量的影响 J.中国糖料 2021 43 2 55-60.16 邵金旺 汪锦邦 张家骅 等.甜菜生育代谢的一般规律与其块根增长和糖分累积的关系 J.中国农业科学 1979 1 35-42.17 尚玉坤 刘思凯 陈杨晗 等.镉胁迫对东营野生大豆幼苗抗氧化系统及可溶性蛋白的影响 J.四川农业大学学报 2019 37 1 15-21.54中国糖料 http:/2023 18 LI J LI W XU L et al.Acclimation of sugar beet in morphological physiological and BvAMT1.2 expression under low and high nitrogen supply J.Plos One 2022 17 11 e0278327.19 赵阳 石俊婷 芮秀丽 等.甜菜幼苗对氮胁迫及复氮后的生理生化响应 J.中国糖料 2022 44 4 30-35.Effects of Different Nitrogen Fertilizer Levels onPhysiology,Yield and Quality of Sugar BeetXU Lingqing1,2,CHANG Xiao1,2,ZHANG Yunlong1,2,LI Jiajia1,2,LIU Xinyu1,3,XU Ze1,2,LIU Dali1,2(1.National Beet Medium-term Gene Bank/Heilongjiang University,Harbin 150080;2.Key Laboratory of Sugar Beet Genetics and Breeding/College of Advanced Agriculture and Ecological Environment,Heilongjiang University,Harbin 150080;3.Key Laboratory of Biochemistry and Molecular Biology/College of Life Sciences,Heilongjiang University,Harbin 150080)Abstract:Sugar beet is a nitrogen-sensitive crop.Selecting an appropriate amount of nitrogen fertilizer application is particularly important for studying the internal relationship between sugar beet growth and nitrogen fertilizer.In this experiment,different sugar beet varieties were treated with different nitrogen levels(0,120 and 180 kg/hm2),and statistical and correlation analysis were carried out on the indexes of sugar beet root yield,sugar content,chlorophyll content,soluble protein content,etc.,to explore the influence of nitrogen application amount on different growth stages of sugar beet.The results showed that the content of chlorophyll and soluble protein increased significantly with the increase of nitrogen application;compared to N0(0 kg/hm2),the soluble protein content of sugar beet treated with N180(180 kg/hm2)increased by 30%on average.The N content in leaves and roots showed a trend of increasing first and then decreasing,but at the same period,the nitrogen content in leaves and roots increased with the increase of nitrogen fertilizer application.Nitrate reductase(NR)activity in sugar beet was inversely related to growth time and positively correlated with nitrogen supply.In the first period(July 6),the NR activity in sugar beet under N180 increased by 68%-91%compared to N0.The correlation analysis showed that the taproot yield of different sugar beet varieties was significantly positively correlated with the amount of nitrogen fertilizer applied,and significantly negatively correlated with the sugar content;The sugar yields under N120(120 kg/hm2)and N180 treatments were similar,and the increase in nitrogen application had little impact on the economic value of the sugar beet at this time,and it is speculated that the suitable nitrogen application might be 120-180 kg/hm2.This study provides a theoretical basis for rational application of nitrogen fertilizers in sugar beet.Key words:sugar beet;nitrogen content;soluble protein;nitrate reductase;sugar content;yield64