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作者简介:

张婷婷(1989-),女,内蒙古锡林郭勒人,博士研究生,从事马铃薯栽培生理研究。E-mail:nmztt316@126.com。

通讯作者:

蒙美莲,E-mail:mmeilian@126.com。

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目录contents

    摘要

    研究不同马铃薯品种氮效率的差异,为氮高效马铃薯品种栽培种植提供参考依据。2016 年在大田条件下,设置低氮(150 kg/hm2 )和常规氮(300 kg/hm2 )两个施氮水平,对 27 个马铃薯品种氮效率差异及其相关指标进行分析。结果表明,两个施氮水平下,供试马铃薯品种各性状指标均存在差异。以低氮条件下产量平均值、常规施氮条件下产量平均值、耐低氮胁迫指数平均值为依据,将供试马铃薯品种的氮效率分为双高效耐低氮型、双高效不耐低氮型、低氮高效型、高氮高效型和双低效耐低氮型、双低效不耐低氮型 6 类。2017 与 2018 年通过田间试验对双高效耐低氮型冀张薯 12 号和双低效不耐低氮型尤佳 70 进一步研究,发现冀张薯 12 号氮效率及各生育时期的干物质量和氮素累积量均显著大于尤佳 70,该研究可为马铃薯氮高效耐低氮品种的筛选和利用提供依据。

    Abstract

    To study the difference of nitrogen efficiency of different potato varieties to provide reference for the cultivation of potato varieties with high nitrogen efficiency,field experiment was conducted by setting up two levels of nitrogen,which was low nitrogen(150 kg/hm2 )and conventional nitrogen(300 kg/hm2 )in 2016.The differences of nitrogen efficiency and its related indexes among 27 potato varieties were analyzed.The results showed that there were differences in the traits of potato varieties under two nitrogen application levels.Based on the average yield at low nitrogen level,average yield at conventional nitrogen level and average value of low nitrogen stress tolerance index,the nitrogen efficiency of the tested potato varieties was divided into 6 types:double high efficiency with low nitrogen tolerance type,double high efficiency with low nitrogen intolerance type,low nitrogen and high efficiency type,high nitrogen and high efficiency type,double low efficiency with low nitrogen tolerance type,double low efficiency with low nitrogen intolerance type. In 2017 and 2018,field experiments were conducted to further study double high efficiency low nitrogen tolerance type Jizhangshu 12 and double low efficiency low nitrogen intolerance type Youjia 70,and it was found that the nitrogen efficiency, dry matter quality in each growth period and nitrogen accumulation of Jizhangshu 12 were significantly higher than Youjia 70. This study can provide basis for the selection and utilization of potato varieties with high nitrogen efficiency and low nitrogen tolerance.

  • 氮素作为作物生长发育所必需的元素,在提高粮食作物产量中有着重要作用。氮肥的使用为解决中国粮食供给做出了巨大的贡献。但是,随着氮肥施用量的增多,不但增加了生产成本,也使生态环境受到严重污染[1-2]。因此,为了降低生产成本,减少环境污染,选用氮高效的品种已成为当前研究的热点之一,并且前人在水稻、小麦、玉米等作物上已经做了大量的研究[3-9]。马铃薯根系较浅,不易吸收根层以下的肥料,在灌溉条件下存在硝酸盐淋失的风险,从而肥料利用率下降,过量的氮肥投入反而会造成减产[10-13]。因此,分析马铃薯氮效率的品种间差异,挖掘氮效率高的品种显得尤为重要。研究得出马铃薯野生种与栽培种之间,早熟与晚熟之间氮效率不同[14-16]。因各地区环境及生长条件的不同,导致主栽品种也有差异,所以其适于当地的氮高效品种可能也有区别。程红[17]在四川筛选出费乌瑞它、坝薯10 号、高原7 号、云薯301 为氮高效型品种;矫娇娇等[18]发现在东北地区东农310 和克新22 号等品种对氮素的响应度高于东农311、克新19 号和大西洋等品种;何丹丹等[19]在内蒙古的研究认为克新1 号和青薯9 号在0 和270 kg/hm2 施氮量下的产量高于其所研究的7 个品种的均值。内蒙地区是中国马铃薯的重要产区之一,马铃薯种植品种众多,有关马铃薯氮效率品种间差异性还缺乏系统研究。因此,系统研究马铃薯品种间氮效率差异及其相关特性,对筛选利用氮高效品种,建立更加有效的氮素高效筛选评价机制,以降低氮肥施用量,保护环境,提高生产效益具有重要意义。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验区概况

  • 试验于2016 ~ 2018 年在内蒙古武川县大豆铺村进行。该地区处于阴山北麓,海拔约1572 m,为中温带大陆季风气候,年均气温2.6℃,≥ 0℃积温2578.5℃,无霜期110 d左右;年均降水354.1 mm左右。供试土壤为栗钙土,3 年前茬分别为燕麦、燕麦和向日葵。0~20 cm土壤pH值分别为8.23、8.16 和8.23,有机质含量分别为17.32、14.85 和15.03 g/kg,碱解氮含量分别为40.66、40.38 和42.39 mg/kg,有效磷含量分别为11.47、11.31 和12.37 mg/kg,速效钾含量分别为132.42、118.76 和123.77 mg/kg。

  • 1.2 试验设计

  • 2016 年在施氮150 kg/hm2( 低氮,LN) 和300 kg/hm2(常规施氮,CN)下研究内蒙古地区栽培的27 个马铃薯品种(表1)生长状况及其氮效率差异。小区面积为18 m2,氮肥用尿素(N 46.4%) 和磷酸二铵(N 18%),磷、钾肥用磷酸二铵(P2O5 46%) 和硫酸钾(K2O 52%)。5 月17 日播种,在出苗后60 d取样测定,9 月19 日收获测产。本文中的常规施氮量是根据本研究室以前的研究结果,并结合当地农户生产设置的[13]

  • 表1 供试马铃薯品种

  • 2017 与2018 年在施氮量0 kg/hm2(ON)、150 kg/hm2(LN)、300 kg/hm2(CN)下研究了尤佳70 和冀张薯12 号的生长状况及其氮效率差异。小区面积为30 m2,氮、磷、钾肥分别用尿素、过磷酸钙(P2O5 18%)、硫酸钾。2017 年5 月11 日播种, 9 月17 日收获测产;2018 年5 月6 日播种,9 月21 日收获测产。在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期分别取样测定。

  • 3 年试验均采用二因素裂区设计,主区为施氮量,副区为品种。种植密度6 万株/hm2。重复4 次。总氮肥量的2/3 播种时施入,其余1/3 在起垄时追施。磷(P2O5)、钾(K2O)肥均在播种时施入,均为225 kg/hm2,滴灌灌溉。

  • 1.3 测定指标与方法

  • 用直尺测量株高; 方格法测定冠层覆盖度[20];采用SPAD-502 型叶绿素测定仪测定叶片SPAD值。

  • 每次取样时选取生长一致且具有代表性的植株3 株,将茎叶和根分开,烘干后测定茎叶干物质量与根干物质量。凯氏定氮法测定氮含量。

  • 收获前每小区选择两行进行测产考种,计算产量。

  • 1.4 计算公式

  • 茎叶氮累积量=茎叶干物质量 × 茎叶含氮量; 根氮累积量=根干物质量 × 根含氮量;氮效率=产量/供氮量(相同地块土壤中氮量一致,本文供氮量仅指施氮量);氮素吸收效率=氮累积量/供氮量;氮素利用效率=产量/氮累积量;耐低氮胁迫指数=低氮产量/常规施氮产量[21]

  • 1.5 数据处理

  • 用Excel2010、SPSS 20.0 软件进行数据处理、作图和统计分析。方差分析采用Duncan新复极差和 T 检验法,相关分析用Pearson法进行。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 不同马铃薯品种农艺性状、产量和氮效率的差异

  • 表2 是2016 年27 个品种各项指标平均值和变异情况。可以看出,低氮处理氮效率、氮素吸收效率和氮素利用效率显著或极显著高于常规施氮量处理;其余性状指标均表现为低氮处理显著或极显著小于常规施氮处理。减少施氮量干物质量下降了12.35%,氮累积量下降了21.77%,进一步导致产量下降了12.28%,但使氮效率增加了75.50%。品种间干物质量、氮累积量、SPAD值、株高、冠层覆盖度、产量等均存在着极显著差异,各指标都有较高的变异系数,除SPAD值外,其余指标均大于10%,且低氮处理大于常规施氮处理。低氮处理品种间的产量和氮效率变幅大于常规施氮处理,产量的变幅分别为28.36 和21.05 t/hm2,氮效率的变幅分别为189.02 和103.52 kg/kg。

  • 表2 不同施氮条件下马铃薯农艺性状、产量和氮效率的差异

  • 注:* 表示差异显著(P<0.05),** 表示差异极显著(P<0.01),ns表示差异不显著。

  • 2.2 不同马铃薯品种氮效率的划分

  • 各马铃薯品种在低氮和常规氮处理下块茎产量存在差异,除冀张薯12 号、克新19 号和冀张薯14 号在低氮下产量略大于常规氮处理外,其余各品种均表现为常规施氮处理下的产量高于低氮处理。以两个施氮量下的产量平均值(低氮28.83 t/hm2、常规施氮32.86 t/hm2)和耐低氮胁迫指数平均值(0.88)为依据,将27 个品种分为6 类(图1),分别为双高效耐低氮型,即两个施氮量下产量均大于平均值,耐低氮胁迫指数大于0.88(图1, Ⅰ区),包括8 个品种,分别是冀张薯12 号、荷兰14 号、后旗红、克新25 号、克新19 号、希森6 号、兴佳2 号和青薯9 号;双高效不耐低氮型,即两个施氮量下产量均大于平均值,耐低氮胁迫指数小于0.88(图1,Ⅱ区),包括5 个品种,分别是克新1 号、坤9、康尼贝克、KF4 和克新18 号;双低效不耐低氮型,即两个施氮量下产量均小于平均值,耐低氮胁迫指数小于0.88(图1,Ⅳ区),包括7 个品种,分别是延薯4 号、富金、尤佳70、大西洋、费乌瑞它、克新4 号和红美;双低效耐低氮型,即两个施氮量下产量均小于平均值,耐低氮胁迫指数大于0.88(图1,Ⅴ区),包括4 个品种;低氮高效型则为低氮量下的产量高于平均值,而在常规施氮量下的产量低于平均值(图1, Ⅵ区),这类有2 个品种;高氮高效型则为低氮量下的产量小于平均值,而在常规施氮量下的产量大于平均值(图1,Ⅲ区),该类只有早大白一个品种。

  • 图1 各马铃薯品种不同氮处理下的产量

  • 2.3 双高效耐低氮型和双低效不耐低氮型的氮效率相关性状差异比较

  • 表3 比较了两个类型品种产量、氮效率、株高、冠层覆盖度、SPAD值等性状的差异。双高效耐低氮型在两个施氮量下的产量比双低效不耐低氮型分别高68.38%和37.27%。与常规施氮处理相比,低氮处理下双高效耐低氮型、双低效不耐低氮型产量降幅分别为2.63%和20.64%。氮效率与产量表现一致。双高效耐低氮型的氮素吸收效率、氮素利用效率、株高、冠层覆盖度、SPAD值、茎叶干物质量、根干物质量、茎叶氮累积量、根氮累积量显著高于双低效不耐低氮型,低氮处理下前者较后者分别高52.38%、13.47%、51.27%、20.78%、13.15%、 145.99%、95.24%、140.91%、80.29%,常规施氮下分别高22.22%、10.25%、27.34%、10.85%、11.60%、 99.58%、65.45%、84.85%、52.21%。

  • 表3 双高效耐低氮型和双低效不耐低氮型马铃薯氮效率、农艺性状及氮累积量的比较

  • 注:小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。下同。

  • 2.4 冀张薯12 与尤佳70 氮效率、干物质累积量、氮累积量的差异

  • 选取冀张薯12 和尤佳70 为材料,在2017 和2018 年连续两年研究了二者氮效率及相关指标的差异(表4、表5)。可以看出,冀张薯12 号在低氮处理和常规施氮处理下氮效率显著高于尤佳70,两年平均高103.09%、86.14%;冀张薯12 号的氮素吸收效率、氮素利用效率两年平均值也显著大于尤佳70,低氮处理下分别高47.03%、39.70%,常规氮处理下分别高21.05%、54.06%。

  • 随生育时期的推进,两品种单株干物质量和氮累积量均逐渐增加(表5)。各施氮量下冀张薯12 号的单株干物质量在各生育时期均显著高于尤佳70。不施氮处理下冀张薯12 号单株干物质量在块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期较尤佳70 分别高16.37、24.87 和49.89 g/株,低氮处理下分别高15.85、32.27 和67.14 g/株,常规施氮处理下分别高15.67、21.50 和37.07 g/株。冀张薯12 号各施氮处理的单株氮累积量在各生育时期均显著高于尤佳70。两年平均氮累积量不施氮处理下在块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期分别高0.39、 0.48 和0.62 g/株、低氮处理下分别高0.43、0.89 和1.28 g/株,常规施氮处理下分别高0.41、0.55 和0.79 g/株。

  • 表4 冀张薯12 号和尤佳70 马铃薯品种氮效率的比较(kg/kg)

  • 表5 冀张薯12 号和尤佳70 马铃薯品种干物质量和氮累积量比较(g/株)

  • 3 讨论

  • 前人研究发现,多种作物在其品种间存在氮效率差异,种植氮高效品种是生产中减少施氮量,控制氮素污染,提高氮肥利用效率,降低生产成本最为有效的途径之一[3-9]。本研究中在两个施氮量条件下27 个马铃薯品种之间的氮效率存在差异。根据氮效率的定义,在供氮量相同情况下,产量可以表征各品种的氮效率,是马铃薯氮效率能力评价的主要指标;茎叶干物质量、根干物质量、茎叶氮累积量、根氮累积量的变异系数较大,且与产量呈显著正相关关系,可作为马铃薯氮效率评价的重要指标;株高、冠层覆盖度、叶片SPAD值虽然变异系数不高,但也与产量呈显著正相关关系,可作为马铃薯氮效率评价的辅助指标。因为作物对不同氮肥的响应差异,导致不同施氮量下氮效率也不一致,所以根据不同施肥量下作物对氮肥的响应情况进行划分则相对可靠[22]。本试验根据两个施氮量下的产量变化将27 个马铃薯品种分为6 类。青薯9 号、克新1 号的分类结果与何丹丹等[19]的研究结果一致,两种施氮量下产量均较高,但是相较于常规施氮量,克新1 号在降低施氮量后产量下降幅度较大,故将其分为双高效不耐低氮型。费乌瑞它、兴佳2 号的研究结果与前人存在差异[1719],这是由于供氮量、供试品种种类不同导致划分结果出现差异。可见,马铃薯品种氮效率的高低是相对的。

  • 研究表明双高效型产量与氮效率显著高于双低效型。2017 与2018 两年的结果也证实了不论施氮量如何,冀张薯12 号氮效率显著大于尤佳70。冀张薯12 号干物质积累量及氮积累量显著大于尤佳70,且随生育进程的推移两品种之间干物质量和氮累积量的差异逐渐加大,在玉米的研究中也得到证实[23-24]。植株根系特性易受氮水平调节,根系大小与氮吸收量呈正相关[25]。本研究结果中减少施氮量根系生长受到抑制,但是不同类型品种受到的抑制程度不同。双高效耐低氮型根干物质量下降了9.89%,明显小于下降了23.64%的双低效不耐低氮型。氮高效耐低氮品种在低氮条件下健壮的根系为高氮积累量提供了基础。叶绿素含量与光合作用密切相关,与产量及氮效率呈显著正相关[26]。Ospina等[27]研究发现绿叶覆盖土壤百分比与块茎产量之间存在高度相关性,双高效耐低氮型品种在低氮条件下较高的叶绿素含量、较大的光合面积,有利于截获、传递更多的光能,生产积累更多的光合产物,最终促进了块茎产量形成,提高了氮效率。综合分析发现,氮高效类型根系强壮,氮素积累量大,叶绿素含量高,冠层覆盖度大,干物质积累量大,产量高。

  • 4 结论

  • 供试的27 个马铃薯品种氮效率存在显著差异。冀张薯12 号、荷兰14 号、后旗红、克新25 号、克新19 号、希森6 号、兴佳2 号和青薯9 号属于双高效耐低氮型,延薯4 号、富金、尤佳70、大西洋、费乌瑞它、克新4 号和红美属于双低效不耐低氮型。在生产中选择种植双高效耐低氮型品种,既能保证产量,也有利于节省生产成本,还可减少对环境的污染。

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