不同马铃薯品种的氮利用效率及其分类研究

何丹丹 贾立国 秦永林 樊明寿



不同马铃薯品种的氮利用效率及其分类研究

何丹丹 贾立国 秦永林 樊明寿*

内蒙古农业大学农学院, 内蒙古呼和浩特 010019

以7个马铃薯品种为供试材料, 设置大田条件下施氮和不施氮2种处理, 在对块茎产量和植株氮素吸收、利用评价的基础上, 将不同氮效率品种马铃薯分类并解析了其差异机制。基于2016年施氮和不施氮条件下各品种马铃薯的平均产量, 把不同氮效率品种马铃薯分为双高效型、低氮高效型、高氮高效型和双低效型。2017年选择双高效型、低氮高效型、双低效型的代表性品种, 对各类型氮效率差异进一步解析表明, 双高效型氮素利用效率显著高于另两个类型, 氮素吸收效率则是双高效型、低氮高效型显著高于双低效型。不施氮条件下, 双高效型马铃薯的干物质累积量在整个生育时期均显著高于另2个品种; 双高效型、低氮高效型氮素累积速率在出苗后0~50 d显著高于双低效型马铃薯。施氮条件下, 双高效型马铃薯的干物质累积量显著高于另2个品种, 与双低效型马铃薯相比, 双高效型和低氮高效型产量的提高主要归因于它们前期较高的干物质累积; 双高效型氮素累积速率显著高于双低效型、低氮高效型。双高效型马铃薯在各生育期的物质生产和氮素吸收能力强, 从而有利于氮效率提升和产量的形成。该研究结果可为马铃薯氮高效品种筛选和利用提供理论支撑。

马铃薯; 氮素吸收效率; 氮素利用效率

随着社会经济的发展, 当代农业关注的焦点不仅是作物优质高产, 还包括资源高效利用及生态可持续发展。农业部在2015年宣布中国启动马铃薯主食化策略, 预计到2020年, 马铃薯的种植面积将进一步扩大[1]。氮肥投入量的增加是目前马铃薯增产的主要原因[2], 而过量施用氮肥不仅增加生产成本, 降低氮肥利用率, 还会导致环境污染[3]。研究不同马铃薯品种氮效率的评价指标和方法, 筛选氮高效品种以及合理的氮肥施用策略具有重要意义。

关于作物氮素营养效率的品种差异、评价方法、生理机制等方面已有不少的研究, 但是有关报道重点在水稻、小麦、玉米等[4-9]粮食作物上。在马铃薯上也取得了一些进展, Ankumah等[10]研究发现马铃薯晚熟品种比早熟品种往往有较高的氮素利用率和氮素生理效率。栽培马铃薯品种和野生种质马铃薯的氮肥利用率也存在显著差异[11-12]。马铃薯氮高效品种能够在较低的氮水平下获得较多的块茎干物质[13]。不同品种马铃薯间氮素含量存在差异, 氮累积吸收量达到最大值后下降的幅度也不尽相同[14-16]。

与三大粮食作物相比, 马铃薯上的研究还不够深入, 而马铃薯在生长发育规律、氮素需求规律和产量形成规律与禾本科作物有着显著的差别, 其氮效率的评价指标和方法也不能直接用于马铃薯上。因此, 在马铃薯上开展不同氮效率品种分类和评价非常必要, 研究结果可为马铃薯氮高效品种筛选和利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年和2017年5月至8月分别在乌兰察布市察右中旗华丰村和西壕堑村进行。该区属温带大陆性季风气候, 年平均气温1.3℃, 海拔1780 m, 生育期总降雨量分别为278.7 mm和181.2 mm, 无霜期100 d左右。土壤类型为栗钙土。2016 年度试验田pH为8.32, 含有机质16.75 g kg–1、全氮1.42 g kg–1、速效磷12.59 mg kg–1、速效钾196.37 mg kg–1; 2017年度试验田pH为8.46, 含有机质16.75 g kg–1、全氮 1.47 g kg–1、速效磷12.59 mg kg–1、速效钾117 mg kg–1。

1.2 供试品种

供试马铃薯品种为底西瑞(Desiree)、克新1号、青薯9号、夏波蒂、丝盘特、麦肯1号和兴佳2号, 全部为G2脱毒种薯(GB 18133-2012), 由内蒙古民丰薯业有限公司提供。

1.3 试验设计

采用裂区设计, 氮素处理为主区(主因素), 设不施氮(0 kg hm–2; N–)和施氮(270 kg hm–2; N+) 2个水平; 马铃薯品种为副区(副因素), 随机排列, 3 次重复。2016年5月27日播种, 9月24日收获测产。每小区面积17.7 m × 6.3 m。种植密度为45,000株hm–2, 株距0.3 m, 行距0.9 m, 共7个品种。2017年5月12日播种, 9月6日收获测产。每小区面积0.3 m × 0.9 m。种植密度为34,500株 hm–2, 共3个品种(克新1号、夏波蒂、麦肯1号)。全部采用滴灌栽培模式。磷肥(过磷酸钙, 180 kg P2O5hm–2)、钾肥(硫酸钾, 300 kg K2O hm–2)在播前一次性施入, 氮肥(尿素, 270 kg N hm–2)基施1/2, 其余分别在苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期追施。

1.4 测定项目与方法

分别于出苗后20、35、50、65和80 d取样。每个重复5株。取样后, 用烘干称重法测定根、茎、叶、块茎的鲜重和干重。

采用半微量凯氏定氮法测定植株氮浓度。

植株氮素累积量(g 株–1) = 植株氮浓度×植株干物质累积量;

氮素吸收效率(%) = (氮素吸收总量/供氮量)×100%[17];

氮素利用效率(g g–1) = 产量/氮素吸收总量[18-19];

氮收获指数(%) = 块茎氮累积量/总吸氮量×100%[20];

收获时, 从每个试验小区随机选3处, 每处取2 m2测定块茎产量, 并折合为公顷产量, 其中, 大于150 g的块茎为商品薯。

1.5 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 24.0统计分析软件对试验数据进行方差分析和相关分析。采用最小显著极差法比较处理间差异。

2 结果与分析

2.1 马铃薯产量及氮素利用效率的基因型差异

2016年的试验(表1)表明, 在不施氮和施氮两种处理条件下, 7个马铃薯品种的干物质量、氮累积量、产量、氮素利用效率和氮收获指数均差异较大。供试马铃薯品种的产量在不施氮条件下变幅为12.28~35.96 t hm–2, 施氮条件下变幅为27.56~46.46 t hm–2, 平均为24.34 t hm–2和40.64 t hm–2。马铃薯氮素利用效率在不施氮处理和施氮处理时变幅分别为167.35~442.12 g g–1和147.32~214.03 g g–1, 平均为236.12 g g–1和179.18 g g–1, 氮素利用效率的最高值分别为最低值的2.64倍和1.45倍。各指标在2个氮水平间、品种间存在极显著差异, 而且马铃薯品种与氮水平间存在极显著的交互作用。

2.2 马铃薯品种氮素响应类型

以7个马铃薯品种在不施氮和施氮处理下的平均产量为基准, 把坐标轴分为4个象限(区), 代表对氮素响应的4种类型。克新1号和青薯9号归为双高效型, 该类品种在不施氮和施氮处理下的块茎产量均高于供试品种的平均值(图1, I区)。夏波蒂和底西瑞归为低氮高效型, 该类品种在不施氮处理下的马铃薯产量高于供试品种的平均值, 而在施氮处理下的马铃薯产量低于供试品种的平均值(图1, II区)。麦肯1号归为双低效型, 该类品种在不施氮和施氮处理下的马铃薯产量均低于供试品种的平均值(图1, III区)。兴佳2号和丝盘特归为高氮高效型, 该类品种在施氮处理下的马铃薯产量高于供试品种的平均值, 不施氮处理下则相反(图1, IV区)。

表1 7个马铃薯品种产量、干重和氮素利用效率的差异

**表示0.01水平显著; “–”表示无数据(不施氮处理)。

** Significance at the 0.01 probability level; ‘–’ no data (no nitrogen application).

图1 不同氮效率的马铃薯品种产量的分布

I: 双高效型; II: 低氮高效型; III: 双低效型; IV: 高氮高效型。

I: Double high efficiency; II: Low nitrogen and high efficiency; III: Double low efficiency; IV: High nitrogen and high efficiency.

2.3 不同氮素响应类型马铃薯的氮素吸收和利用效率的差异

选择双高效型品种克新1号、低氮高效型品种夏波蒂、双低效型品种麦肯1号作为供试材料, 于2017年进一步研究表明, 不施氮处理下, 克新1号和夏波蒂产量显著高于麦肯1号, 3个品种间氮素利用效率无显著差异。施氮处理下, 克新1号的氮素利用效率显著高于夏波蒂和麦肯1号; 而氮素吸收效率在克新1号和夏波蒂之间无显著差异, 但是均显著高于麦肯1号(表2)。

2.4 不同氮素响应类型马铃薯干物质积累的差异

表3表明, 不施氮处理下, 麦肯1号和克新1号出苗后20 d干物质量显著大于夏波蒂。出苗后35、50、80 d后, 干物质量表现为克新1号>夏波蒂>麦肯1号, 三者间差异达显著水平。只有在出苗65 d时夏波蒂干物质量最高, 麦肯1号最低。整个生育期中克新1号干物质累积量均高于麦肯1号, 麦肯1号和夏波蒂在出苗后80 d干物质量表现下降趋势, 而克新1号持续增加。

在施氮处理下, 出苗后20 d, 3个品种中克新1号的干物质量最高, 显著高于夏波蒂和麦肯1号, 后2个品种间无显著差异。出苗后35、50、80 d, 3个品种间干物质量差异显著, 其表现克新1号>夏波蒂>麦肯1号。出苗后65 d, 克新1号和夏波蒂无显著差异, 显著高于麦肯1号。整个生育期, 克新1号的干物质量均高于麦肯1号, 麦肯1号在出苗后80 d其干物质量已经减少, 但是克新1号和夏波蒂持续增加。

表2 不同马铃薯品种氮素吸收和利用效率

同列数据后不同小写字母表示不同基因型在0.05水平上差异显著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

表3 不同氮效率类型马铃薯干物质量的差异

同列数据后不同小写字母表示不同基因型在0.05水平上差异显著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

表4表明, 不同氮素响应类型的马铃薯干物质累积速率均随着生育期的进程呈现先增加后减少的变化趋势。在不施氮处理下, 3种马铃薯类型在出苗20~50 d的干物质累积速率为克新1号>夏波蒂>麦肯1号, 差异显著。克新1号在出苗后35~50 d干物质累积速率最大, 夏波蒂和麦肯1号则在出苗后50~65 d干物质累积速率最大。在出苗35~50 d克新1号干物质累积速率高于麦肯1号213.9%。而在出苗50~65 d夏波蒂干物质累积速率却高于克新1号71.52%。克新1号在出苗后65~80 d的干物质累积速率为2.57 g 株–1d–1, 麦肯1号和夏波蒂已经出现负值。

施氮处理下, 3种马铃薯类型在出苗20~50 d的干物质累积速率为克新1号>夏波蒂>麦肯1号, 差异显著。整个生育期中克新1号和夏波蒂在出苗后35~50 d干物质累积速率最大, 麦肯1号则在出苗后50~65 d干物质累积速率最大。在出苗35~50 d克新1号干物质累积速率高于麦肯1号87.47%。而在出苗50~65 d麦肯1号干物质累积速率却高于克新1号20.00%。克新1号、夏波蒂在出苗后65~80 d的干物质累积速率分别为6.77 g 株–1d–1、2.81 g 株–1d–1, 此时麦肯1号已经出现负值。

2.5 不同氮素响应类型马铃薯的氮素吸收和积累差异

表5表明, 不施氮处理下, 3个品种间的氮素累积量在出苗后35 d出现显著差异。其中, 麦肯1号显著低于另2个品种, 克新1号和夏波蒂无显著差异。到出苗后65 d, 夏波蒂的氮素累积量增加相对较快, 并达到生育期最大值, 为5.08 g 株–1, 显著高于克新1号和麦肯1号; 克新1号的氮素累积量显著高于麦肯1号。施氮处理下的品种间差异在出苗后20 d就出现了。在出苗后20、35、50 d, 克新1号显著的高于其他2个品种, 夏波蒂次之, 麦肯1号最低。出苗后65 d, 克新1号和夏波蒂的氮素累积量显著高于麦肯1号。出苗后80 d, 3个品种的氮素累积量差异显著, 克新1号最高, 夏波蒂次之, 麦肯1号最小。

表6表明, 各品种的氮素吸收速率随着生育期的进程呈现先增加后减少的变化趋势, 在不施氮处理下, 克新1号和夏波蒂在出苗后35~50 d氮素吸收速率最大, 麦肯1号则在出苗后50~65d氮素吸收速率最大。在2个氮水平下, 克新1号和夏波蒂的氮素累积均连续上升, 而麦肯1号的氮素吸收速率则在出苗后20~35 d出现一个降低。说明不同品种的马铃薯在应对外界氮素供应强度方面存在遗传上的差异。

表4 不同氮效率品种马铃薯干物质累积速率的差异

同列数据后不同小写字母表示不同基因型在0.05水平上差异显著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

表5 不同氮效率品种马铃薯氮素累积量的差异

同列数据后不同小写字母表示不同基因型在0.05水平上差异显著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

表6 不同氮效率品种马铃薯氮素吸收速率的差异

同列数据后不同小写字母表示不同基因型在0.05水平上差异显著。

Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

3 讨论

氮高效育种是提高作物氮素营养效率的重要措施[11,21-22], 解析氮高效品种的生理机制具有重要意义。通过设置不同的供氮水平, 依据Moll等[18]和刘敏娜等[4]标准将7个马铃薯品种划分为4个类型。双高效型在2种氮水平下都具有较高的块茎产量。低氮高效型在不施氮处理下具有较高的块茎产量, 在施氮处理下反而较低。高氮高效型与低氮高效型恰恰相反。双低效型在2种氮水平下的块茎产量低于其他类型。显而易见, 双高效型为典型的氮高效马铃薯品种, 应充分利用。双低效型为典型的氮低效马铃薯品种, 应谨慎使用。而高氮高效型和低氮高效型则位于氮高效和氮低效马铃薯品种中间, 应酌情使用。

综合分析不同学者的定义, 作物氮效率的评价主要包括氮素吸收效率与氮素利用效率2个方面[17-18,23-24], 氮素吸收效率(nitrogen uptake efficiency)是指一定时间内植株所吸收的氮素的数量, 反映了作物对土壤中氮素吸收能力; 氮素利用效率(nitrogen use efficiency)是指单位植株吸收的氮所形成的经济产量。相同氮素供应下不同类型马铃薯吸收和积累的氮素有差异, 表明了不同类型间氮素利用效率差异的原因不同。本研究表明, 双高效型氮素利用效率显著高于另2个类型, 氮素吸收效率则是双高效型、低氮高效型显著高于双低效型。

干物质生产与氮效率密切相关, Saluzzo等[25]研究表明不同马铃薯品种的各生育时期的干物累积量存在显著差异, 且产量高的品种干物质累积量也相对较高。本文选择双高效型、低氮高效和双低效型类型的代表品种, 对马铃薯氮素利用的品种差异分析表明, 在生育前期, 双高效型马铃薯的干物质累积速率显著高于双低效型和低氮高效型, 出苗后50 d, 双高效型的干物质累积速率达到最大值(表4), 此时另2个类型干物质累积速率还在持续增加。在无霜期(生长期)有限的阴山丘陵地区(无霜期为100 d), 双高效和低氮高效型产量之所以高于双低型, 主要归因于它们前期较高的干物质累积(表3)。

作物干物质生产很大程度上决定于植株对氮素的吸收和利用能力[26], 不同马铃薯品种不同时期各器官氮素含量均存在差异, 氮累积吸收量达到最大值后下降的幅度也存在差异[24]。前期的研究显示, 在苗期、块茎膨大期和成熟期, 双高效型马铃薯品种氮积累的速度高于双低效品种, 不同品种氮素积累最大峰值出现的时间存在差异[14]。本试验表明, 双高效型氮素累积速率显著高于双低效型、低氮高效型。较快进行氮素积累的马铃薯品种有利于提高整个生育期氮素的总积累量, 从而有利于后期产量的形成。

由于不同地区的自然气候条件不同, 同一马铃薯品种在不同地区的表现不尽相同, 因此, 本文在内蒙古马铃薯主产区(阴山丘陵区)对7个品种的氮素营养效率的评价和划分, 仅对本地区的品种选择利用提供指导, 其他地区不能简单照搬, 需进行必要的田间试验。

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Classification of potato cultivars by their nitrogen use efficiency

HE Dan-Dan, JIA Li-Guo, QIN Yong-Lin, and FAN Ming-Shou*

College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China

Nitrogen efficiency of seven potato varieties was evaluated under field conditions with or without nitrogen application. Basing on tuber yield, plant nitrogen absorption and utilization of different potato cultivars, we classified nitrogen use efficiencies of seven potato varieties into four types: double high efficiency (DH), low nitrogen and high efficiency (LNH), high nitrogen and high efficiency (HNH), and double low efficiency (DL). Furthermore, one representative variety from DH, LNH and DL types respectively was selected to analyze the mechanism on the difference in nitrogen use efficiency, showing that nitrogen use efficiency of DH type was significantly higher than that of the other two types; the nitrogen absorption efficiency of DH and LNH was higher than that of DL type. Under no nitrogen application condition, the dry matter accumulation of DH type was significantly higher than that of the other two types at whole growth stage, and the cumulative rate of nitrogen in DH and LNH was significantly higher than that in DL type at 0–50 days after emergence. The dry matter accumulation of DH potato was significantly higher than that of the other two cultivars when nitrogen applied. Compared with DL type, the yield increase of DH and LNH was mainly attributed to the higher accumulation of dry matter at the early stage of potato. The nitrogen accumulation rate of DH was significantly higher than that of DL and LNH types under nitrogen fertilizer application. The greater nitrogen and dry matter accumulation in DH cultivars benefit yield formation and increase of nitrogen use efficiency. The results could provide theoretical support for high nitrogen use efficiency variety screening and its utilization.

potato; nitrogen uptake efficiency; N nitrogen use efficiency

2018-04-16;

2018-10-08;

2018-11-01.

10.3724/SP.J.1006.2019.84059

通信作者(Corresponding author): 樊明寿, E-mail: fmswh@126.com, Tel:0471-4307390

E-mail: he781249187@163.com

本研究由内蒙古重大专项“马铃薯种薯繁育与商品薯生产中资源高效利用技术的创新”、“马铃薯轮作体系优化及水肥资源高效利用技术的研究与应用”(KCBJ2018010)和内蒙古高校创新团队马铃薯高产高效团队(NMGIRT-A1602)项目资助。

This study was supported by the Inner Mongolia Major Special Project “Innovation of Resource Use Efficiency Improvement Technology during Seed Potato Propagation and Commercial Potato Production”, “Optimization of potato rotation system and its improvement and application in water and fertilizer management technology (KCBJ2018010)”, Innovative Research Team Project of Inner Mongolia “Innovative Team of Potato High Yield and High Efficiency (NMGIRT-A1602)”.

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20181030.1734.006.html