李 文 ,王 鑫 ,溫 暖 ,李萬軍 ,孫恩博
(1.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)村能源研究所,長春 130033;2.吉林省九臺市農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站,九臺 130500)
肥料與生長調(diào)節(jié)劑是甜菜栽培中最為基本也是關(guān)鍵的兩類影響因素。掌握甜菜的需肥規(guī)律和生長調(diào)節(jié)劑施用規(guī)律,并將其量化,在此基礎(chǔ)上進行精準施肥、精準噴施生長調(diào)節(jié)劑是生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)甜菜的主要途徑,更是防止化肥和生長調(diào)節(jié)劑的過量施用從而造成污染環(huán)境、甜菜含糖下降的主要措施??茖W(xué)施用肥料可以調(diào)節(jié)作物養(yǎng)分供應(yīng)速率和時期,使品質(zhì)得以保持和改善。養(yǎng)分缺乏時,合理施肥可增產(chǎn)和改善品質(zhì);養(yǎng)分適宜時,施肥可使作物高產(chǎn)并保持或改善品質(zhì);施肥使養(yǎng)分超過最佳范圍,作物可能高產(chǎn)但會降低品質(zhì);過量偏施某種養(yǎng)分達毒害范圍,作物減產(chǎn)同時明顯降低品質(zhì)。作物養(yǎng)分供應(yīng)與品質(zhì)間的變化關(guān)系類似于Liebig的最低因子律及Mitscherlich的報酬遞減律[1]。氮、鉀是控制甜菜根產(chǎn)量和含糖的重要因素,氮的用量較高,即N∶K比值較大可以獲得較高的根產(chǎn)量;但是,糖的產(chǎn)量卻相反,即低氮,糖的產(chǎn)量較高。隨著鉀施用量的增加,即N∶K比降低,糖的產(chǎn)量增加;N∶K比增大,糖產(chǎn)量下降[2]。錳能加速同化物質(zhì)(蔗糖)從葉部向根部和其它部位轉(zhuǎn)移,為植株各部位提供充足的能量,促進植物的生長發(fā)育。錳素營養(yǎng)充足可以增強作物對某些病害的抗性,施錳能提高甜菜對立枯病和褐斑病的抗性。錳是多種酶的活化劑,可促進甜菜體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成及生長發(fā)育,在甜菜幼苗期作用顯著。施錳后能早發(fā)葉,植株生長健壯,幼苗抗逆性強[3]。硼與醇類、糖類以及其它有機物相化合能形成過氧化物,從而改善作物根部氧氣的供應(yīng)。特別是在缺氧情況下,施用硼肥可以促進作物根系發(fā)育。硼能增強作物的抗旱、抗病能力,硼在作物體內(nèi)有控制水分的作用,能提高作物原生質(zhì)的粘滯性,增強膠體結(jié)合水分的能力。甜菜生理缺硼時,根莖頂端腐爛(干腐),是在分生組織中積累了大量酚類化合物所致[4]。
化學(xué)調(diào)控技術(shù)是指以應(yīng)用植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)為手段,通過改變植物內(nèi)源激素系統(tǒng),調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育,使其朝著人們預(yù)期的方向和程度發(fā)生變化的技術(shù)[5-9]。30年前,美國學(xué)者米切爾(Michell)及其同事們首先從蕓薹的花粉中分離出了一類極具生理活性的物質(zhì),對植物莖的伸長和細胞分裂有強烈促進作用,這一開創(chuàng)性工作立即受到植物生理界和有關(guān)學(xué)科的廣泛重視。經(jīng)過30幾年的不斷深入探討,尤其是在蕓薹素內(nèi)酯(以下簡稱BR)生物合成與代謝、各種生理效應(yīng)以及分子生物學(xué)等方面日新月益的進展,使蕓薹素內(nèi)酯是調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的一種基本生物活性物質(zhì)的觀點為越來越多的人們所接受。蕓薹素內(nèi)酯屬激素類植物生長調(diào)節(jié)劑,可廣泛應(yīng)用于多種闊葉作物,如棉花、煙草及各種果蔬,均可有效地促進作物生長、提高產(chǎn)量,增強作物抗逆性。近年來,乙烯利(以下簡稱ETH)被用于甘蔗上,噴施乙烯利后的甘蔗明顯提高了經(jīng)濟產(chǎn)量,且抗旱能力明顯增強[10-11]。雖然氮、鉀、錳、硼肥及生長調(diào)節(jié)劑對提高甜菜產(chǎn)量和品質(zhì)的作用已被證實,但在施用時總是很難找到一個精準量化的依據(jù)。因此,合理施氮、高效施鉀、精準噴施生長調(diào)節(jié)劑一直是甜菜栽培的關(guān)鍵。有關(guān)氮、鉀肥及微量元素對甜菜生長和品質(zhì)的影響已有較多報道,但大部分都是研究這幾個因素中某一單因素對甜菜的影響。有關(guān)甜菜生長中生長調(diào)節(jié)劑研究較少,這些因子與甜菜根產(chǎn)量和含糖率的數(shù)學(xué)模型鮮見報道。本研究擬解決的關(guān)鍵問題是以經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)為研究方法,對甜菜栽培中的氮、鉀、錳、硼、蕓薹素內(nèi)酯和乙烯利這6因子與根產(chǎn)量、含糖率的關(guān)系進行研究,擬建立數(shù)學(xué)模型,掌握甜菜需肥和生長調(diào)節(jié)劑量化規(guī)律,為甜菜栽培提供依據(jù)。
試驗地位于吉林省洮南市黑水鄉(xiāng)。地理位置位于東經(jīng)112°54′,北緯43°15′。屬于半濕潤大陸性溫帶季風(fēng)氣候,年均溫4.9℃,年降雨量370.6 mm,主要集中在6—8月份。春季多風(fēng)干旱,年蒸發(fā)量1600.2 mm。供試土壤為淡黑鈣土,土壤理化性狀如下:有機質(zhì)為1.25%,pH 8.28,全N 935.5mg/kg、全P 523.7mg/kg、全K 21.6g/kg,堿解 N 78.3mg/kg、速效 P 16.7mg/kg、速效 K 59.1mg/kg、有效 Mn 9.70 mg/kg、有效 B 0.17mg/kg。
供試甜菜品種為 HYB74。 試驗采用二次飽和設(shè)計方法,設(shè)氮(N)、鉀(K)、錳(Mn)、硼(B)4個肥源因子,蕓薹素內(nèi)酯(BR)和乙烯利(ETH)兩個生長調(diào)節(jié)劑因子,各5水平,各因子水平取值及其編碼見表1。按照設(shè)計要求共設(shè)28個處理,各處理組合隨機排列,重復(fù)2次。行距0.65m,株距0.25m,行長9m,兩行區(qū),小區(qū)面積11.7m2。小區(qū)間埋入0.5m寬的塑料布以防根系從相鄰小區(qū)吸收養(yǎng)分。試驗在每公頃施P2O5150kg基礎(chǔ)上進行,尿素施用量的2/3用作追肥,其余肥料皆用作基肥。采用葉面噴施的方法施用BR和ETH,為增加粘附性和滲透性將BR和ETH按設(shè)計要求分別溶于溶劑中,溶劑由無水乙醇、吐溫80、二甲基亞砜和水構(gòu)成。以溶劑作對照(不噴施BR和ETH的處理),苗期、開壟期葉面噴施BR;繁茂中期開始噴施ETH,每7d噴施1次,連噴3次。噴施時要求噴施溶液較長時間停留在葉片上,以噴施溶液充分浮在葉片上,又不向下面滴落為宜。管理措施按常規(guī)大田管理(治蟲、中耕培土等)進行。
全氮用全自動定氮儀(FOSS Kjeltec 2300)測定,回收率為99.27%;全磷、全鉀用等離子體發(fā)射光譜測定(VISTA-MPX CCD Simultaneous ICP-OES);水解性氮用堿解擴散法測定;速效磷用NaHCO3法測定;速效鉀用乙酸銨提取法測定;有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測定;有效錳采用原子吸收分光光度法;有效硼采用姜黃素比色法測定;pH值用電位法測定。甜菜含糖率(蔗糖分)的測定采用旋光法。
數(shù)據(jù)采用DPSv3.01專業(yè)版和MicrosoftOfficeExcel2003軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析。
表1 試驗因子及水平編碼
試驗結(jié)構(gòu)矩陣及根產(chǎn)量和含糖率結(jié)果列于表2,根產(chǎn)量和含糖率結(jié)果為兩次重復(fù)的平均值。
表2 試驗結(jié)構(gòu)矩陣及根產(chǎn)量和含糖率結(jié)果
利用DPS和Excel軟件進行統(tǒng)計分析,首先將各處理的小區(qū)產(chǎn)量折算成每公頃產(chǎn)量,含糖率進行百分數(shù)反正弦轉(zhuǎn)換,然后將根產(chǎn)量和含糖率反正弦轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) (二次重復(fù)數(shù)據(jù))輸入計算機以相應(yīng)程序運行,分別建立以根產(chǎn)量和含糖率為目標性狀的六元二次回歸模型:
(1)根產(chǎn)量方程:以yA表示根產(chǎn)量
(2)含糖率方程:以yB表示含糖率
回歸模型系數(shù)及檢驗列于表3。由表3可見,根產(chǎn)量和含糖率的回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.9938和0.9532,F(xiàn)值分別為82.3765和10.3035,均達到了高度顯著水準,說明兩模型擬合較好,能客觀反映氮、鉀、錳、硼、蕓薹素內(nèi)酯和乙烯利對甜菜的影響規(guī)律。
2.4.1各因子主效應(yīng)分析 由回歸方程顯著性檢驗結(jié)果(表3)可知,氮(x1)、鉀(x2)和硼(x4)的一次效應(yīng)對產(chǎn)量的影響分別達到了極顯著水平;錳(x3)、BR(x5)和 ETH(x6)的一次效應(yīng)對產(chǎn)量的影響分別達到顯著水平。氮、鉀、BR和ETH 4個因子二次效應(yīng)對產(chǎn)量的影響達到極顯著水平。 互作項除 x3x4、x3x5、x4x5和 x4x6對產(chǎn)量的影響沒有達到了顯著水平外,其它互作項對產(chǎn)量的影響均達到了極顯著水平??梢姡诒驹囼灄l件下,4種肥源因子和2種生長調(diào)節(jié)劑因子的單獨及配合施用對甜菜產(chǎn)量均有顯著影響。
采用回歸設(shè)計時,由于各因子水平的取值已經(jīng)過無量綱的變換,所以各標準回歸系數(shù)絕對值的大小就可直接表示對應(yīng)因子及交互作用對產(chǎn)量所起作用的大小,而回歸系數(shù)前的符號則說明這種作用的性質(zhì)。根產(chǎn)量模型中b0=67733.24,表示所研究的6個因子都取0水平值時,根產(chǎn)量可達67733.24kg/hm2。回歸系數(shù) b1、b2、b3、b4、b5、b6為各因子對產(chǎn)量的主效應(yīng)。 各因素對產(chǎn)量影響的大小順序為:x2>x4>x1>x3>x6>x5。 圖 1 是:x1(氮)、x2(鉀)、x3(錳)、x4(硼)、x5(BR)、x6(ETH)的單效應(yīng)圖,從中可見隨著錳、硼施用量的增加甜菜根產(chǎn)量增加,但到-0.4水平時根產(chǎn)量增加緩慢;隨著氮、鉀、BR和ETH施用量的增加甜菜根產(chǎn)量增加,達到0水平時根產(chǎn)量達到最高值,其后根產(chǎn)量呈下降態(tài)勢。
2.4.2 互作項分析 根產(chǎn)量是各試驗因子綜合反映的結(jié)果,既有因子的主效應(yīng),又有因子的交互作用。從表3可以看出,肥源因子和生長調(diào)節(jié)劑因子之間的互作效應(yīng)以x1x5和x2x6最大,且均達到極顯著水準,故僅對其進行互作效應(yīng)分析。與單一的肥料處理和生長調(diào)節(jié)劑處理相比,6因素綜合處理并非僅僅表現(xiàn)出簡單的加和作用,同時還存在協(xié)同促進作用和拮抗作用。圖2、圖3為本試驗中氮、鉀肥及生長調(diào)節(jié)劑間的雙因素交互效應(yīng)的折線圖。當鉀肥、錳肥、硼肥和ETH固定于零水平,氮肥或BR處于低水平(-1~-0.3333)時(圖2-A、圖2-B),隨氮肥和BR施用量增加根產(chǎn)量增加,說明氮肥和BR間存在著協(xié)同促進作用;氮肥或BR處于高水平(0~1)時,隨氮肥和BR施用量增加根產(chǎn)量降低,二者又表現(xiàn)為拮抗作用。當鉀肥、錳肥、硼肥和BR固定于零水平(圖3-A、圖3-B),隨氮肥和ETH施用量增加根產(chǎn)量增加,但超過0.3333水平產(chǎn)量降低。說明氮肥與ETH在適量的范圍內(nèi)存在著明顯的協(xié)同促進作用,但是當?shù)逝cETH都過量時二者又表現(xiàn)為拮抗作用。
表3 根產(chǎn)量和含糖率目標性狀回歸模型系數(shù)及檢驗
2.5.1 各因子主效應(yīng)分析 由回歸方程顯著性檢驗結(jié)果(表 3)可知,氮(x1)、鉀(x2)、BR(x5)和 ETH(x6)的一次效應(yīng)對含糖率的影響分別達到了極顯著水平;錳(x3)、硼(x4)的一次效應(yīng)對含糖率的影響沒有達到顯著水平。氮、鉀和錳肥的二次效應(yīng)對含糖率的影響達到極顯著或顯著水平?;プ黜棾齲1x5、x3x5和x3x6對含糖率的影響達到了顯著水平外,其它互作項對含糖率的影響沒有達到了極顯著水平。各因素對含糖率影響的大小順序為:x2>x1>x6>x5>x4>x3。 圖 4 是 x1(氮)、x2(鉀)、x3(錳)、x4(硼)、x5(BR)、x6(ETH)的單效應(yīng)圖,從中可見隨施氮量增加甜菜含糖率增加,但到-0.2水平后含糖率降低;錳肥對含糖率的影響為開口向下的拋物線型,最高值出現(xiàn)在0水平,錳肥用量低于零水平時,產(chǎn)量隨施錳量增加而提高,當錳肥用量持續(xù)增加時,產(chǎn)量呈遞減趨勢;隨著鉀、ETH、BR和硼施用量的增加甜菜含糖率增加,達到0.4水平時含糖率達到最高值,其后含糖率呈緩慢下降態(tài)勢。
2.5.2 互作項分析 從表3中可以看出,大量元素和生長調(diào)節(jié)劑間的互作只有x1x5互作效應(yīng)達到了顯著水平,故僅對其進行互作效應(yīng)分析。當鉀肥、錳肥、硼肥和ETH固定于零水平(圖5-A、圖5-B),隨氮肥施用量增加甜菜含糖率增加,但超過0.3333水平后含糖率降低;BR施用量增加甜菜含糖率增加,但超過0水平后含糖率降低。說明氮肥與BR在適量的范圍內(nèi)存在著明顯的協(xié)同促進作用,但是當?shù)逝cBR都過量時二者又表現(xiàn)為拮抗作用。
經(jīng)計算機頻率法尋優(yōu)得表4所列結(jié)果。從表4可以看出,根產(chǎn)量最高栽培方案與含糖率最高栽培方案不一致。如果采用根產(chǎn)量最高栽培方案,則含糖率較低;如果采用含糖率最高栽培方案,則根產(chǎn)量較低。若將二者綜合,則可得到根產(chǎn)量和含糖率都較高的方案,結(jié)果一并列入表4。獲得根產(chǎn)量67704.46kg/hm2,含糖率22.3%以上的主要調(diào)控措施為:施純N 119.85 kg/hm2,K2O 144.79 kg/hm2,純 Mn 5.26 kg/hm2,純B 1.16 kg/hm2;葉面噴施BR和ETH,濃度分別為 10.42mg/L和225.58mg/L。
表4 根產(chǎn)量和含糖率最高栽培方案
中國甜菜的種植區(qū)域主要分布在“三北”地區(qū),由于受到鹽堿、干旱和病害蔓延的影響,甜菜產(chǎn)量和含糖率在逐年降低。特別是9月份甜菜處于極度干旱脅迫中,而此時恰是甜菜糖分快速積累時期。干旱的脅迫造成功能葉片早衰,嚴重影響光合產(chǎn)物(主要是蔗糖)向根體輸送和積累。解決這一問題的最有效、可行的技術(shù)措施之一就是采用化學(xué)調(diào)控技術(shù)調(diào)控有效基因的表達,通過促進糖代謝,增強蔗糖合成酶(SS,合成方向)和磷酸蔗糖合成酶的活性,進而提高含糖率和產(chǎn)量。早在1928年,Went就曾指出 “如果沒有生長素(植物激素),植物就不可能生長”。植物生長是受許多內(nèi)、外界因素調(diào)節(jié)的,但植物激素在植物生長中起著非常重要的作用。在甜菜生育代謝過程中,任何一種促進根分生組織的活躍性、加強物質(zhì)代謝活動、控制生長中心適期轉(zhuǎn)移、提高光合性能、增加物質(zhì)積累以及合理分配等措施,都對提高甜菜的產(chǎn)量及含糖率產(chǎn)生重要影響,而植物生長調(diào)節(jié)劑恰具有上述作用。已有研究表明[12-13],BR是控制植物長生發(fā)育的信號,并通過影響基因的表達而起作用。在增強植物抗逆性方面,噴施BR能明顯提高甜菜等作物的過氧化物酶的活性與ATP、脯氨酸的含量,對增強植物的抗逆性有重要的意義。據(jù)廖維政等的試驗[14],在嚴重秋旱的條件下,10月上旬用400mg/L乙烯利進行葉面噴施處理,結(jié)果其綠葉數(shù)顯著多于對照,甘蔗產(chǎn)量和蔗糖分均高于對照,表明乙烯利處理使甘蔗的抗旱能力明顯增強。本研究結(jié)果表明,在苗期和繁茂末期噴施BR,在繁茂期噴施乙烯利能夠有效提高甜菜根產(chǎn)量和含糖率。
大量元素肥之間、大量與微量元素肥料之間以及肥料和生長調(diào)節(jié)劑之間的科學(xué)組配施用,已成為調(diào)控作物品質(zhì)、發(fā)展高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效益農(nóng)業(yè)的重要施肥方式。配合施肥調(diào)控作物品質(zhì)的核心是科學(xué)利用了肥料和生長調(diào)節(jié)劑組配的正效應(yīng)。肥料間、肥料和生長調(diào)節(jié)劑間的互作與肥料利用率、生長調(diào)節(jié)劑利用率緊密相關(guān)。掌握最佳的肥料配比和生長調(diào)節(jié)劑用量,進行肥料和生長調(diào)節(jié)劑的配合調(diào)控是實現(xiàn)甜菜高產(chǎn)高糖栽培的關(guān)鍵。本研究對氮、鉀肥與生長調(diào)節(jié)劑間兩兩雙因素交互效應(yīng)分析表明,氮與BR、氮與ETH間互作中都存在一個值域,低于這個值域時氮與BR、氮與ETH間都表現(xiàn)為協(xié)同促進作用,高于這個值域時則都表現(xiàn)為拮抗作用。通過肥料與生長調(diào)節(jié)劑的配合調(diào)控,既控制由環(huán)境脅迫造成的損傷,最大限度地保持功能葉片的持續(xù)期,又能減少糖源的消耗,促進甜菜與環(huán)境、個體與群體、根體與地上部、植株外部形態(tài)與內(nèi)部生理功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,最終達到提高含糖率和產(chǎn)量的目的。
單因子效應(yīng)分析(其它因子為零水平)表明,隨著施氮量的提高,根產(chǎn)量和含糖率均呈先升后降的趨勢,氮肥施用量為0水平,即127.5kg/hm2時所取得的根產(chǎn)量和含糖率是最大的,繼續(xù)增加施氮量含糖率大幅度下降。隨著鉀、ETH、BR和硼施用量的增加甜菜含糖率增加,達到0.4水平時含糖率達到最高值,其后含糖率呈緩慢下降態(tài)勢。
雙因素交互效應(yīng)分析表明,氮肥或BR處于低水平(-1~-0.3333)時,隨氮肥和BR施用量增加根產(chǎn)量增加,氮肥和BR間存在著協(xié)同促進作用;氮肥或BR處于高水平(0~1)時,隨氮肥和BR施用量增加根產(chǎn)量降低,二者表現(xiàn)為拮抗作用。氮與ETH的互作也存在一個值域,在-1~-0.3333值域內(nèi),隨氮肥和ETH施用量增加根產(chǎn)量增加,二者存在著明顯的協(xié)同促進作用;但當?shù)逝cETH都超過0.3333時,二者又表現(xiàn)為拮抗作用。氮和BR間的互作效應(yīng)對含糖率影響顯著,同樣也存在一個值域,即氮肥編碼值域為0.3333水平,BR約為0水平。低于這個值域時氮肥與BR間表現(xiàn)為協(xié)同促進作用,高于這個值域時則表現(xiàn)為拮抗作用。
通過二次回歸飽和設(shè)計,建立了氮、鉀肥、錳、硼、BR和ETH這6因子與甜菜根產(chǎn)量、含糖率的數(shù)學(xué)模型,并對模型進行了優(yōu)化。獲得根產(chǎn)量67704.46kg/hm2,含糖率22.3%以上的調(diào)控措施為:在施用P2O5150kg/hm2基礎(chǔ)上,施純 N 119.85kg/hm2,K2O 144.79 kg/hm2,純 Mn 5.26 kg/hm2,純 B 1.16 kg/hm2;葉面噴施 BR 和 ETH,濃度分別為10.42mg/L和225.58mg/L。全部鉀、錳、硼肥及氮肥的1/3作底肥,氮肥的2/3作追肥。苗期、開壟期葉面噴施BR;繁茂中期開始噴施ETH,每7d噴施1次,連噴3次。噴施時要求噴施溶液較長時間停留在葉片上,以噴施溶液充分浮在葉片上,又不向下面滴落為宜。
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