徐翎清,常 曉,張?jiān)讫?李佳佳,劉欣雨,徐 澤,劉大麗

(1.國家甜菜種質(zhì)中期庫/黑龍江大學(xué),哈爾濱 150080;2. 黑龍江省普通高等學(xué)校甜菜遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150080;3.黑龍江大學(xué)省高校生化與分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150080)

0 引言

甜菜(BetavulgarisL.)是我國北方地區(qū)主要的糖料作物,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、制糖業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增收方面發(fā)揮著重要的作用[1]。由于甜菜糖料作物的特異性,它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與塊根產(chǎn)量和含糖率都有著緊密的聯(lián)系,而氮肥的施用量是決定甜菜產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

氮是氨基酸、核酸、葉綠素重要的組成部分,是植物生長、發(fā)育和遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。研究表明,作物的產(chǎn)量取決于作物光合作用能力的強(qiáng)弱,而光合作用所需的蛋白和葉綠素都需要大量的氮[3]。由于田間作物的耕作和收獲等原因?qū)е绿镩g氮元素失衡,因此需要用氮肥來補(bǔ)充作物對氮的需求。KATTGE等[4]對許多田間作物的樣品進(jìn)行了葉片干重和葉片氮含量的測定,發(fā)現(xiàn)了不同作物的光合作用能力與葉片氮含量之間存在線性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),氮肥施用較少會致使甜菜葉片中葉綠素含量降低,對整個(gè)甜菜生育期的光合指標(biāo)都有顯著影響,產(chǎn)量也會隨之降低[5]。過量施氮會導(dǎo)致植物體內(nèi)的氮代謝強(qiáng)度增加,過分消耗糖代謝中的碳水化合物而積累有害氮,進(jìn)而在降低甜菜品質(zhì)的同時(shí)也影響了甜菜的含糖率[1]。胡偉等[6]利用缺氮(不外施氮肥)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)缺氮環(huán)境下甜菜含糖率與對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謝調(diào)控變化十分復(fù)雜?？扇苄缘鞍资侵参矬w內(nèi)氮素存在的主要形式之一,它的含量是衡量植物生長發(fā)育狀況的一個(gè)重要指標(biāo)[7]。植物葉片中約有50%的可溶性蛋白是光合作用的關(guān)鍵酶——RuBP羧化酶[8],因此可溶性蛋白被廣泛運(yùn)用于評判植物光合作用強(qiáng)度高低的指標(biāo)。劉娜等[9]通過不同氮素水平的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)施氮量與甜菜葉片的可溶性蛋白含量呈顯著正相關(guān)。

可見甜菜對氮肥的需求并不是簡單追求用量,探尋不同氮素供給條件對甜菜的生長的影響尤為重要。本試驗(yàn)通過對甜菜施加不同水平的氮肥,研究氮肥用量對甜菜產(chǎn)量、含糖率、氮含量、可溶性蛋白含量、葉綠素含量等的影響;通過相關(guān)性分析等方法探討氮肥施用量與甜菜產(chǎn)量和含糖率的關(guān)系,為確定生產(chǎn)中甜菜合理氮肥施用量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

試驗(yàn)時(shí)間為2021年,試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)試驗(yàn)地;室內(nèi)測試試驗(yàn)地點(diǎn)為國家甜菜種質(zhì)中期庫。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為德國KWS公司的‘KWS1479’、‘KWS1176’、‘KWS1197’,分別用K1、K2、K3表示。選取3個(gè)不同的氮素水平(外源施氮)依次為0、120、180 kg/hm2,分別用N0、N120、N180表示。氮肥以尿素作為基肥,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),4次重復(fù),4行區(qū),行長10 m,壟距66 cm,株距20 cm。試驗(yàn)區(qū)為黑土,全氮含量1.8 g/kg,堿解氮含量85 mg/kg,含水量為3.65%。取樣方法:每個(gè)小區(qū)分為2個(gè)區(qū)域,分別為測產(chǎn)區(qū)(8 m/壟)和取樣區(qū)(2 m/壟),取樣區(qū)取樣時(shí)避免邊界效應(yīng),取中間兩壟,取樣次數(shù)為3次,于試驗(yàn)當(dāng)年7月6日、8月6日、9月16日完成取樣。葉片取中層功能葉片中部的葉脈兩側(cè),塊根為縱切4份,取對角2份。

1.3 試驗(yàn)測定項(xiàng)目與方法

葉綠素含量測定采用乙醇提取比色法[10];可溶性蛋白質(zhì)(soluble protein, SP)含量使用BCA試劑盒測定;丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量使用硫代巴比妥酸法[11](TBA法)測定;甜菜塊根產(chǎn)量的測定:將測產(chǎn)區(qū)所有塊根全部計(jì)產(chǎn),并折算為每公頃產(chǎn)量;甜菜塊根含糖率采用專業(yè)測糖工具取樣并壓榨出汁后滴入錘度計(jì)讀取錘度值,計(jì)算含糖率,含糖率=錘度值(%)×0.83;甜菜氮含量測定采用凱氏定氮法[12];硝酸還原酶(NR)活性鑒定:使用硝酸還原酶(NR)活性測定試劑盒測定,選自南京建成生物工程研究所(產(chǎn)品編號為A096-1-2);利用SOD對氮藍(lán)四唑光還原的抑制作用測定SOD活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019和SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理和相關(guān)性分析,使用Origin 2022b作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮水平對甜菜生理指標(biāo)的影響

可溶性蛋白的含量主要取決于氮肥的用量和甜菜生長發(fā)育階段,其次取決于甜菜品種。圖 1 a表明,相同品種下,N120處理比N0處理可溶性蛋白含量平均增加13%,N 180處理比N 0處理平均增加30%。由圖1 b 可知,甜菜葉片總?cè)~綠素含量在相同甜菜品種的整個(gè)生長階段都隨著氮肥施用的增加呈現(xiàn)上升趨勢,隨著生長發(fā)育的推進(jìn),葉片老化,葉綠素含量逐漸降低,葉綠素含量下降會導(dǎo)致光合作用能力降低,N180處理時(shí)葉綠素含量最高。在整個(gè)生長階段中,第一時(shí)期(7月6日)的甜菜幼苗硝酸還原酶活性最高,在N180處理下硝酸還原酶活性比N0增加68%～91%,比N120增加42%～51%(圖1c)。圖 1 d、e表明,MDA含量的變化沒有存在特別明顯的趨勢,在9月16日時(shí),N0、N120、N180處理下甜菜MDA含量差異不顯著,而SOD活性幾乎沒有差異。根據(jù)硝酸還原酶活性、葉綠素含量、可溶性蛋白含量,在不考慮塊根含糖率情況下,甜菜更適合在N180環(huán)境中生長。

圖1 不同施氮量對甜菜生理指標(biāo)的影響Fig.1 Effects of different nitrogen application levels on physiological indexes of sugar beet

2.2 不同氮水平對甜菜氮含量的影響

如表1所示,甜菜葉片氮含量在相同處理下均大于根的氮含量,隨著生長進(jìn)程的推進(jìn),葉片和根的氮含量都呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢。甜菜氮含量和氮肥用量關(guān)系較為密切,通過氮含量可以有效統(tǒng)計(jì)甜菜生長發(fā)育中氮素的利用效率,從而篩選氮高效品種。本次試驗(yàn)中品種間氮含量差異并不明顯,相同氮處理下K1、K2品種氮含量較高,K3次之。

表1 氮素水平對甜菜氮含量的影響Table 1 Effects of nitrogen application levels on nitrogen content of sugar beet 單位:%

2.3 不同氮水平對收獲期(9月16日)甜菜含糖率和產(chǎn)量的影響

由表2所示,K2N120的含糖率最高,顯著高于K2N180。K1N180的含糖率最低,顯著低于K1N0含糖率,可見甜菜塊根的含糖率在一定范圍內(nèi)與氮肥的施用量呈負(fù)相關(guān)。3個(gè)甜菜品種在N0、N120、N180處理下,甜菜塊根產(chǎn)量無顯著差異。各個(gè)品種在N0處理時(shí),產(chǎn)量均最低,推測氮肥雖然影響甜菜塊根產(chǎn)量,但可能不是唯一因素。甜菜塊根產(chǎn)糖量為塊根產(chǎn)量和含糖率之積,因?yàn)楫a(chǎn)量沒有顯著差異,含糖率差距較小,各個(gè)處理間產(chǎn)糖量無顯著差異。但是可以看出N120和N180的塊根產(chǎn)糖量高于N0?？梢酝茢嗟实倪m當(dāng)施用有利于提高甜菜的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于N180處理下甜菜的產(chǎn)糖量與N120非常接近且沒有明顯提升,因此甜菜氮肥施用量120～180 kg/hm2較合適。

表2 氮素水平對甜菜塊根產(chǎn)量、含糖率及產(chǎn)糖量的影響Table 2 Effects of nitrogen application levels on root yield, sugar content and sugar yield of sugar beet

2.4 不同氮水平下各指標(biāo)的相關(guān)性分析

對3個(gè)甜菜品種的測定指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如圖2所示。氮處理與葉綠素含量、塊根產(chǎn)量呈顯著正相關(guān);氮處理與塊根含糖率呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān);N0、N120、N180處理時(shí)丙二醛含量、SOD活性與氮處理無顯著相關(guān),說明此時(shí)甜菜生長狀況良好,沒有因?yàn)榈适褂眠^多或者過低造成毒害;甜菜氮含量與可溶性蛋白、葉綠素含量、產(chǎn)量、硝酸還原酶活性顯著正相關(guān);硝酸還原酶是植物氮同化的第一關(guān)鍵酶,它可以直接調(diào)控硝酸鹽的還原,其活性高低與植物自身氮同化能力密切相關(guān),硝酸還原酶活性與氮處理顯著正相關(guān),說明當(dāng)土壤肥力升高能促進(jìn)植物氮同化能力。因此在甜菜高產(chǎn)高糖的篩選評價(jià)中,首先應(yīng)考慮與產(chǎn)量正相關(guān)系數(shù)大的指標(biāo),其次考慮含糖率較高的品種,針對甜菜氮利用效率合理制定最佳施肥方案。

圖2 甜菜生長期測定指標(biāo)的相關(guān)性分析Fig.2 The correlation analysis of tested index during sugar beet growth

3 討論與結(jié)論

氮素水平是甜菜產(chǎn)量形成的重要因子,氮素也是植物生長發(fā)育需求量最大的營養(yǎng)元素[13]。氮肥的使用會對甜菜產(chǎn)生復(fù)雜的生理生化改變。白曉山等[14]發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)施用氮肥對甜菜產(chǎn)量有一定促進(jìn)作用。張強(qiáng)等[15]發(fā)現(xiàn)在減施氮肥下,甜菜含糖率增加。這些研究與本次試驗(yàn)結(jié)果一致。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在N180時(shí)甜菜產(chǎn)量達(dá)到最大,但是含糖率最低。但從整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果來看,增加氮肥施用量對甜菜塊根產(chǎn)糖量并沒有明顯影響。氮肥施用量的增加對甜菜產(chǎn)量提升也不顯著,但塊根含糖率卻顯著降低。推測由于甜菜品種‘KWS1479’、‘KWS1176’、‘KWS1197’氮利用效率較低,導(dǎo)致產(chǎn)糖量與氮肥施用量并無顯著相關(guān)。因此,如使用高氮利用效率品種,產(chǎn)量與氮肥施用量有可能極顯著正相關(guān),提高氮施用量有可能明顯提升塊根產(chǎn)糖量。

國內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)甜菜幼苗期到葉叢快速生長期對氮素的吸收強(qiáng)度呈上升趨勢,之后隨著生長期的推進(jìn)逐漸降低[16]。本次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)甜菜對氮的分配以地上部為主,葉片中氮含量高于根。葉和根的氮含量隨著氮肥施用的增加而增加,且隨著生長期的推進(jìn)各甜菜品種葉片和根的氮含量逐漸降低。葉片氮含量與可溶性蛋白含量、葉綠素含量顯著正相關(guān)?？扇苄缘鞍讌⑴c植物滲透調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境的改變,可增強(qiáng)細(xì)胞的保水能力,對細(xì)胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護(hù)作用[17]。葉綠素a和葉綠素b都由氮組成,氮素缺乏勢必會影響植物的葉綠素含量,本次試驗(yàn)中甜菜葉綠素含量隨著生長進(jìn)程逐漸升高,同時(shí)發(fā)現(xiàn)缺氮處理時(shí)葉綠素含量明顯低于增施氮肥條件。甜菜不僅可以通過有效的氮的吸收和利用來適應(yīng)氮環(huán)境異常,還可以通過氮的分配來維持較高的葉綠素含量和光合生產(chǎn)力。缺氮脅迫會造成甜菜光合作用強(qiáng)度降低,因此氮肥對甜菜的生長發(fā)育有著不可忽視的作用[18]。氮肥的施用不當(dāng)會對甜菜產(chǎn)生不利影響,有研究發(fā)現(xiàn)甜菜受到低氮脅迫時(shí),甜菜體內(nèi)MDA的含量隨著脅迫時(shí)間的延長而增加[19]。本次試驗(yàn)由于試驗(yàn)區(qū)為黑土,土質(zhì)肥沃,所以各處理間MDA含量并沒有太大差異。

總之,不同氮肥施用條件下,通過對3個(gè)甜菜品種在不同生長階段的關(guān)鍵生理指標(biāo)和產(chǎn)質(zhì)量的比較和相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),塊根含糖率與氮肥施用量呈顯著負(fù)相關(guān),與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。由于甜菜塊根在較高氮供應(yīng)條件下塊根產(chǎn)量和含糖率相關(guān)性系數(shù)大小接近,所以氮肥施用不宜過多;低氮處理下甜菜葉綠素含量和可溶性蛋白含量較低,甜菜抗逆能力可能有所下降。因此,試驗(yàn)表明甜菜施肥量120～180 kg/hm2較為合理,同時(shí)也應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥罈l件與甜菜品種合理選擇氮肥用量。