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胡萝卜(Daucus carota L. var.satious D C.)属伞形花科胡萝卜属一至二年生草本植物[1],为全球十大蔬菜之一,胡萝卜中因富含维生素 A、总酚、总黄酮等多种营养成分,营养丰富,质脆味美,具有非常高的营养价值和多种保健功效[2-4]。我国被誉为世界第一大胡萝卜生产国,其种植产量占世界总产量的 1/3[5]。胡萝卜的市场需求量逐年攀升,对营养品质的要求也越来越高,为保障市场供给,人工栽培面积迅速增加。然而,由于胡萝卜的分布范围广,在栽培过程中,其生长发育和品质受多种因素的影响,尤其是施肥对其生长发育与品质的影响更不容忽视。
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合理施肥可以促进胡萝卜的生长发育、提高其产量和品质[6-8],确保其安全有效和稳定可控。目前,胡萝卜多为露天栽培,光、温、气等多种影响因素不在人工控制范围,为了获得更高品质的胡萝卜产品,肥料对胡萝卜品质的影响便显得尤为重要。目前有关胡萝卜施肥的研究主要集中在有机肥料与微量元素的施用量及比例等对生长产量及品质的影响[9-11]。本试验将胡萝卜的植物学性状、营养品质与不同施肥水平进行关联分析,并利用隶属函数综合评价出最佳氮、磷、钾的施肥量。结果表明,氮、磷、钾肥及其施用量对胡萝卜的产量与品质影响较大,且不同地区的土壤、环境条件对于施肥效果的影响也较大[12-13]。因此,以胡萝卜自然生态种植区的土壤环境条件为基础,展开对胡萝卜生长发育与品质融合发展为宗旨的氮、磷、钾配施研究具有重要意义。
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1 材料与方法
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1.1 试验材料
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本研究采用的试验材料为西宁市蔬菜技术服务中心培育的胡萝卜品种‘焰红 2 号’[14]。
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1.2 试验地概况
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田间试验选择青海省西宁市大通回族土族自治县长宁镇花园台,地理坐标为 101°76′336″E, 36°80′602″N,海拔 2368 m,试验区域的昼夜温差较大,日照比较充足,年平均气温适宜,适合胡萝卜的生长。试验于 2023 年 5—9 月采用条植,整地方式为起垄覆膜,小区面积 1 m2,3 次重复,行距 20 cm,株距 5 cm,垄高 25 cm,小区周围设宽 1 m的保护行,小区间隔 40 cm。播种期覆盖地膜,齐苗后撤掉。在试验进行前,对 0~20 cm 耕层土壤测定其基本理化性状(表1)。
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1.3 试验设计
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本试验采用“3414”试验设计方案,根据已测定的土壤条件和中国农业科学院蔬菜花卉研究所主编的《中国蔬菜栽培学》的需肥规律,每生产 1000 kg 产品吸收氮、磷、钾的量大致为氮 3.2 kg、磷 1.3 kg、钾 5.0 kg,比例约为 2.5∶1∶4。计算出每平方米氮、磷、钾的施肥量(表2),N2P2K2 水平氮∶磷∶钾 = 60∶82∶75。
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1.4 试验方法
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1.4.1 样品的处理
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在采收期采取不同施肥水平的胡萝卜肉质根,每个处理优先选择正常生长发育的新鲜、健康的胡萝卜肉质根(≥ 1 g/ 样本),取 3 次重复,每个单株分别挑选长势一致、同一部位的肉质根为样本,3 个单株的样本混合而成为 1 次重复,在避免个体差异的同时保证重复性。保存鲜样;将不同处理胡萝卜材料阴干,粉碎,过 0.315 mm 筛,保存。
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1.4.2 土壤理化性质的测定
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于播种前和采收后分别取地表 0~20 cm 耕作层的土壤,测定土壤容重、pH 值、土壤碱解氮、有效磷、速效钾、电导率(EC)、有机质的含量。采用环刀法测定土壤容重,采用意大利 HANNA 哈纳 PH-EC-TDS-℃测定仪测定土壤 pH 值和 EC 值,采用凯氏定氮仪测定土壤碱解氮的含量,采用钼锑抗试剂测定有效磷的含量;采用火焰光度计测定速效钾的含量[15]。
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1.4.3 胡萝卜植物学性状和光合指标的测定
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植物学性状:参照《胡萝卜种质资源描述规范和数据标准》[1]测定肉质根长度、根粗、根重等性状,采用 SPAD-502plus 叶绿素仪测定胡萝卜叶片叶绿素的相对含量,采用 Li-6800 光合仪测定胡萝卜叶片的净光合速率。
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1.4.4 胡萝卜营养品质的测定
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采用蒽酮法测定可溶性糖含量;采用考马斯亮蓝-G250 法测定可溶性蛋白含量[16];采用高效液相色谱仪测定维生素 A 含量[17];采用紫外分光光度计测定总酚和总黄酮含量[18]。
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1.5 数据分析
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以上数据处理均用 Excel 2016 进行数据整理, SPSS 26.0 进行方差分析和隶属函数分析,用 Graphpad Pism9.5 做图,Origin 2019 进行相关性分析。
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根据肥料效应公式计算各指标[19]:
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计算出每个施肥水平胡萝卜各个性状综合指标的隶属函数值及综合指标权重,并对各指标进行综合评价[20]。
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2 结果与分析
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2.1 不同施肥水平对胡萝卜植物学性状及产量的影响
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在同一环境下对不同肥料水平的胡萝卜植物学性状进行测定,如表3 所示,与 N0P0K0 处理相比,施肥总体提高了胡萝卜株高、根长、单根重、根粗等植物学性状,且部分施肥处理与不施肥处理差异呈显著水平。当磷、钾肥施用水平为中等(P2K2)时,与 N0P2K2 处理相比,施氮肥后株高和根长在 N1 水平达到最大值,分别为 50.33 和 17.67 cm;施氮增加了胡萝卜单根重和根粗,在 N2 水平时单根重和根粗达到最高,分别为 129.02 g 和 33.43 mm。当氮、钾或氮、磷施用水平为中等水平(N2K2 或 N2P2)时,与 N2P0K2 或 N2P2K0 处理相比,增施磷肥或钾肥能够增加单根重,并分别以 P2 或 K2 水平最高,增长幅度分别为 38.09% 或 34.92%。
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注:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。
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胡萝卜的产量由图1 可知,施肥处理均高于 N0P0K0 处理,在 N2P2K2 处理胡萝卜产量达到最大值,为 3292.85 kg/hm2,分别较 N0P2K2、N2P0K2、 N2P2K0 处理增加了 41.50%、38.09%、34.92%。胡萝卜缺氮区相对产量为 70.67%、施氮依存度为 29.33%,缺磷区相对产量为 72.42%、施磷依存度为 27.58%,缺钾区相对产量为 74.12%、施钾依存度为 25.88%;表现为施钾依存度 <施磷依存度 <施氮依存度。在 N2P2K2 处理下,产量较 N0P0K0 处理增加 46.31%,N0P0K0 处理相对产量为 68.35%,施肥依存度为 31.65%,说明氮肥对胡萝卜产量影响最大,且氮、磷、钾配施才能使胡萝卜产量达到最大。
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2.2 不同施肥水平对胡萝卜光合指标的影响
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测定‘焰红 2 号’胡萝卜叶片在不同施肥水平下的 SPAD 值和净光合速率,结果(图2) 表明,施肥后的 SPAD 值和净光合速率总体比不施肥处理高。在 N1P2K1 处理下 SPAD 值最高;比不施肥增加了 49.27%;当施磷、钾水平一致(P2K2) 时,与 N0P2K2 处理相比,净光合速率在 N3 水平达到最高值,为 CO2 19.2 μmol/(m2 ·s),增长幅度为 53.60%;当施氮、钾或氮、磷水平一致(N2K2 或 N2P2)时,净光合速率在 P3 或 K3 水平达到最低值,分别为 CO2 9.80 或 9.95 μmol/(m2 ·s),下降幅度分别为 19.67%、27.37%。这两个性状均在 N2P1K1 处理下达到最低值,分别为 30.20、CO2 9.05 μmol/(m2 ·s)。
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图1 氮磷钾配施对胡萝卜产量的影响
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注:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。
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图2 氮磷钾配施对胡萝卜光合指标的影响
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2.3 不同施肥水平对胡萝卜营养品质的影响
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对‘焰红 2 号’品种胡萝卜取肉质根测定其不同施肥水平下的营养品质,结果如表4 所示, 5 个品质指标施肥处理与 N0P0K0 处理相比,分别有不同程度地增加,各个处理之间存在显著性的差异。增施氮肥胡萝卜的含水量、可溶性蛋白与 N0 水平相比都增加了,在 N2 水平下含水量最大,为 89.45%,可溶性蛋白含量在 N1 水平最大,为 7.34 mg/g,与 N0 水平相比分别增加了 5.95%、 11.21%;增施磷肥胡萝卜的可溶性蛋白、总酚、总黄酮、维生素 A 含量与 P0 水平相比都有所增加,可溶性蛋白和总黄酮含量在 P1 水平达到最大值,分别为 7.64 和 304.16 mg/g,相较于 N2P0K2 处理分别增加了 20.89% 和 82.38%,总酚和维生素 A 含量在 P2 水平达到最大值,分别为 97.24 mg/g、56.11 μg/100 g,相较于 N2P0K2 处理分别增加了 17.26% 和 69.31%;增施钾肥胡萝卜的含水量及可溶性糖、可溶性蛋白、总酚和维生素 A 含量与 K0 水平相比均增加了,含水量及可溶性糖、总酚、维生素 A 含量在 K2 水平达到最大值,与 N2P2K0 处理相比,分别增加了 7.82% 及 58.39%、 35.58%、76.95%,可溶性蛋白含量在 K3 水平达到最大值,为 7.34 mg/g,相较于 N2P2K0 处理增加了 33.21%。
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2.4 氮、磷、钾肥的互作效应
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2.4.1 磷、钾肥的施用对氮效率的影响
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磷、钾两因素间的交互作用对氮肥影响效率如图3 所示,磷、钾肥用量及其组合对氮肥的施用效果有显著的影响。当施磷量或施钾量一定时,提高钾肥或磷肥施用量对氮肥的效能发挥有利。随着施钾量的增加,N1、N2 水平下胡萝卜的产量分别增加 102.86、 1026.5 kg/hm2,增产率分别为 3.40%、45.29%;随着施磷量的增加,N1、N2 水平下胡萝卜的产量分别增加 871.32、841.21 kg/hm2,增产率分别为 38.67%、 34.31%。因此,在 N1 和 P1 水平下胡萝卜的产量低于其他施肥水平,在 N2、P2 和 K2 水平下产量最高,在 P2 和 K2 水平下,有利于氮肥效果的发挥。
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图3 磷钾肥施用对氮肥效率的影响
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2.4.2 氮、钾肥的施用对磷效率的影响
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氮、钾肥之间的交互作用对磷肥效率的影响如图4 所示,当施氮量为一定水平时,P1 水平下胡萝卜的产量随着施钾量的增加而降低,减产 315.43 kg/hm2,减产率为 12.85%;P2 水平下胡萝卜的产量随着施钾量的增加而增加,增产 1026.5 kg/hm2,增产率为 45.29%,说明 K2 水平有利于磷肥施用效果的发挥。当施钾量为一定水平时,随着施氮量的增加,P1、P2 水平下胡萝卜的产量分别增加 198.3、 168.19 kg/hm2,增产率分别为 9%、5.4%,说明 N2 水平对磷肥施用效果影响较大。
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2.4.3 氮、磷肥的施用对钾效率的影响
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氮、磷肥的施用对钾效率的影响如图5 所示,当施氮量为一定水平时,K1 水平下胡萝卜的产量随着施磷量的增加而降低,减产 499.72 kg/hm2,减产率为 18.07%;K2 水平下胡萝卜的产量随着施磷量的增加而增加,增产 841.21 kg/hm2,增产率为 34.31%。当施磷量为一定水平时,随着施氮量的增加,K1、K2 水平下胡萝卜的产量分别增加 755.45、 168.19 kg/hm2,增产率分别为 33.33%、5.38%。
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图4 氮钾肥施用对磷肥效率的影响
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图5 氮磷肥施用对钾肥效率的影响
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2.5 不同施肥水平胡萝卜的综合评价
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对 12 个胡萝卜指标进行相关性分析。由图6 可知,根重与株高、根粗呈极显著和显著正相关,相关系数分别为 0.630、0.568;根粗与株高呈极显著正相关,相关系数为 0.642,与维生素 A 呈显著负相关,相关系数为-0.456;含水量与净光合速率、总黄酮呈显著正相关,相关系数分别为 0.461、0.519,与根长呈显著负相关,相关系数为-0.496;可溶性糖与总酚、维生素 A 呈极显著正相关,相关系数分别为 0.699、0.639;总黄酮与叶绿素、总酚、维生素 A 呈显著正相关,相关系数分别为 0.556、0.555、0.508,与根长呈显著负相关,相关系数为-0.464;总酚与可溶性蛋白、维生素 A 呈极显著正相关,相关系数分别为 0.618、 0.775。
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图6 胡萝卜各指标之间的相关性
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注:图中 X1 为株高,X2 为根长,X3 为根重,X4 为根粗,X5 为叶绿素含量,X6 为净光合速率,X7 为含水量,X8 为可溶性糖,X9 为可溶性蛋白,X10 为总酚,X11 为总黄酮,X12 为维生素 A;* 表示 5% 显著水平,** 表示 1% 显著水平。下同。
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不同施肥水平下对胡萝卜肉质根的 12 个品质性状进行综合评价见表5,对各个性状标准化后的数据综合指标参照 1.5 给出的 3 个公式计算出隶属函数值 μ(Xj)、4 个主成分的权重和不同处理胡萝卜性状的综合指标 D 值,并依据 D 值的大小进行综合排序,D 值越大表明该水平的综合性状越好。结果显示,N2P2K2>N1P2K2>N3P2K2>N1P2K1>N2P1K2>N1P1K2>N0P2K2>N2P3K2>N2P2K1>N2P0K2>N2P2K3>N2P2K0>N0P0K0>N2P1K1。其中 N2P2K2 处理施肥水平的 D 值在 0.80 以上,综合品质最优,满足生产施肥需求。
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2.6 采收后不同施肥水平土壤养分的差异性
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从表6 看出,不同施肥水平的土壤容重、土壤 pH 值平均含量分别为 1.24 g/cm3、7.00,碱解氮平均含量为 103.74 mg/kg,有效磷平均含量为 47.39 mg/kg,速效钾平均含量为 256.8 mg/kg,EC 值平均含量为 311.5 μS/cm,有机质平均含量为 20.01 g/kg。碱解氮含量相对丰富,有效磷含量较丰富,速效钾含量丰富,不同施肥水平土壤养分含量具有显著差异。
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2.7 土壤因子与胡萝卜各指标间的相关性分析
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采收后对不同施肥水平的土壤因子与胡萝卜各指标进行相关性分析,如图7 所示。土壤容重与根长呈显著正相关,相关系数为 0.408,与含水量、可溶性蛋白、总黄酮呈显著负相关,相关系数分别为-0.423、-0.418、-0.442;pH 值与根粗和株高呈极显著和显著正相关,相关系数分别为 0.626、 0.457;碱解氮与株高、根重、根粗、净光合速率呈显著正相关,相关系数分别为 0.477、0.576、0.471、和 0.580;有效磷与净光合速率呈显著负相关,相关系数为-0.503;速效钾与含水量呈显著负相关,相关系数为 0.419;EC 值与总酚和含水量、维生素 A 呈极显著和显著正相关,相关系数分别为 0.674 和 0.568、0.587,与叶绿素含量呈显著负相关,相关系数为 0.484;有机质与株高、根重呈极显著负相关,相关系数分别为-0.639、-0.800。
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图7 土壤因子与胡萝卜各指标之间的相关性
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3 讨论
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3.1 不同施肥水平对胡萝卜生长发育及产量的影响
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本试验研究结果表明,合理的施肥量能够促进胡萝卜的根长、根重和根粗,通过产量的施肥依存度表明,氮、磷、钾对胡萝卜的影响表现为氮 >磷 >钾;在 N1P2K1 处理下 SPAD 值最高,净光合速率在 N3 水平达到最高值,为 CO2 19.2 μmol/(m2 ·s),净光合速率在 P3 或 K3 水平达到最低值,分别为 CO2 9.80 或 9.95 μmol/(m2 ·s)。黄高鉴等[21]、胡佳栋等[22]、李莹莹等[23]研究表明,合理施用氮、磷、钾肥能促进党参的生长发育。李志国等[24]研究表明,施用氮、磷、钾肥能够提高猕猴桃叶片的光合作用,促进植株新梢和主干茎的生长,从而提高果实产量;如果钾肥比例过大,则会降低其净光合速率,从而影响果实产量,与本文研究结果一致。
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3.2 不同施肥水平对胡萝卜营养品质的影响
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可溶性糖、可溶性蛋白、总酚、总黄酮、维生素 A 是衡量胡萝卜品质的重要指标[2]。本研究表明,适量的氮、磷、钾肥有利于胡萝卜肉质根营养品质含量的增加,在 N2P2K2 水平下的含水量、总酚含量、维生素 A 含量都达到最高,可溶性糖含量最高的是 N1P1K2 水平,为 38.15 mg/g,可溶性蛋白、总黄酮含量均在 N2P1K2 处理达到最高值,分别为 7.64、304.16 mg/g。何金金[25]研究表明,氮、磷、钾肥配施能够促进紫金牛可溶性糖、可溶性蛋白含量的提高,且各个处理之间存在显著性差异。彭斯文等[26]研究表明,不同施肥水平氮、磷、钾配施对葛根产量和总酚含量有显著影响,其中以 N3P1K2 处理的产量和总黄酮含量最高;贾彩霞等[27]、王维[28]研究表明合理的施用肥料能够有效增加胡萝卜的可溶性固形物、维生素 C 含量,从而提高胡萝卜品质,前人研究与本试验研究结果一致。合理施用氮、磷、钾肥可以提高蔬菜和果实中的可溶性糖、维生素等营养品质,从而达到节本增效的效果[25,29-30]。
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3.3 不同施肥水平胡萝卜的综合评价
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胡萝卜品种的特性评价需要从肉质根性状、产量、品质等方面进行关联分析和综合考量。隶属函数可根据综合因子的贡献率确定指标的权重,能够较全面地综合了解胡萝卜各指标的主成分构成、特征及生物学意义,使得评价结果客观唯一,是目前对作物进行综合评价时应用最多的方式[31]。本研究应用相关性和隶属函数法将胡萝卜的各个品质性状进行综合性分析,结果表明 N2P2K2 综合性状表现突出,综合排名第一。葛敏凯[32]在施肥对兔眼蓝莓产量和品质影响的研究中,使用隶属函数法将不同施肥处理对兔眼蓝莓的生长发育和果实产量及品质进行综合评价,得出氮肥 25 g/ 棵、磷肥 25 g/ 棵、钾肥 100 g/ 棵综合评价最高。高莉平[33]在萝卜上同样采用综合分析法,验证了以某一营养成分为育种目标时,注重相关联植物学性状的筛选。与本试验研究方法一致。综上所述,氮、磷、钾对 ‘焰红 2 号’胡萝卜的影响效果不同,除受栽培管理技术的支配外,也会受到环境条件和品种自身遗传特性的影响。因此,为了提高胡萝卜的产量和营养品质,在胡萝卜施肥管理中,应根据不同生产目标合理施用氮、磷、钾肥[34-35]。
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4 结论
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本研究在青海地区对‘焰红 2 号’胡萝卜品种进行氮、磷、钾配施试验,测定胡萝卜生长发育及品质,从植物学性状、光合特性和品质性状 3 个方面分析,结合相关性分析和隶属函数法综合评价。综合考虑对胡萝卜品质影响较大的有株高、根重及总酚、总黄酮、维生素 A 含量,由此表明,产量和品质在生产实践中占据着重要位置。应用隶属函数综合评价出 N2P2K2 处理综合性状表现突出,综合排名第一,胡萝卜综合品质最优,其氮、磷、钾的配比为 N∶P2O5 ∶K2O=60∶82∶75。N2P2K2 水平的 D 值在 0.80 以上,综合品质最优,满足生产施肥需求,为胡萝卜的生产提供保障。
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摘要
探明氮、磷、钾配施对胡萝卜生长发育的影响,为胡萝卜规范化施肥提供科学依据。以胡萝卜‘焰红 2 号’为试材,采用“3414”设计进行田间试验,测定其胡萝卜植物学性状和营养品质,根据不同施肥水平联合分析胡萝卜氮、磷、钾的需肥规律,应用隶属函数综合评价出胡萝卜氮、磷、钾的最佳施用量。结果表明,合理的施肥量能够促进胡萝卜的根长、根重、根粗等植物学性状和 SPAD、净光合速率等光合性状以及总酚、总黄酮、维生素 A 等营养品质性状。通过产量的施肥依存度表明,氮、磷、钾对胡萝卜的影响表现为氮 > 磷 > 钾; 其 SPAD 值在 N1P2K1 处理下叶绿素含量最高,净光合速率在 N3 水平达到最高值,为 CO2 19.2 μmol/(m2 ·s), N2P2K2 水平下的含水量、总酚含量、维生素 A 含量都达到最高,N1P1K2 水平下可溶性糖含量最高,为 38.15 mg/g; 可溶性蛋白含量和总黄酮含量均在 N2P1K2 水平下达到最高值,分别为 7.64 和 304.16 mg/g。从植物学性状、光合特性和品质性状 3 个方面分析,并结合相关性分析和隶属函数法进行综合评价。综合考虑对胡萝卜品质影响较大的有株高、根重、总酚、总黄酮、维生素 A 等性状,由此表明产量和品质在生产实践中占据着重要的位置。应用隶属函数综合评价出 N2P2K2 综合性状表现突出,综合排名第一,其氮、磷、钾的配比为 N∶P2O5 ∶K2O=60∶82∶75。
Abstract
The research aimed to investigate the effects of nitrogen,phosphorus and potassium combined application on the growth and development of carrot,and provide scientific basis for standardized carrot fertilization.Using“3414”design, field experiments were carried out to determine the botanical characteristics and nutritional quality of carrot‘Yanhong 2’. According to different fertilization levels,the fertilizer requirements of carrot nitrogen(N),phosphorus(P)and potassium (K)were analyzed,and the optimal application amount of N,P and K for carrot was evaluated by membership function. The results showed that the appropriate fertilizer application rate could promote the botanical characters of carrot such as root length,root weight and root roughness,the photosynthetic characters of SPAD,net photosynthetic rate and the quality characters of total phenol,total flavonoid and vitamin A.The effect of N,P and K on carrot yield was N>P>K.Under N1P2K1 treatment,the highest SPAD value was chlorophyll content,the highest net photosynthetic rate was CO2 19.2 μmol/ (m2 ·s)at N3 level,the highest water content,total phenol content and vitamin A content were reached at N2P2K2 level, and the highest soluble sugar content was 38.15 mg/g at N1P1K2 level.The highest values of soluble protein content and total flavone content were 7.64 and 304.16 mg/g,respectively,at N2P1K2 level.The botanical characters,photosynthetic characters and quality characters were analyzed and evaluated by correlation analysis and membership function method.The characteristics of plant height,root weight,total phenol,total flavone and vitamin A,which had great influence on carrot quality,were considered comprehensively,which showed that yield and quality occupied an important position in production practice.The comprehensive properties of N2P2K2 were evaluated by membership function,and the ratio of N2P2K2 was N∶P2O5 ∶K2O= 60∶82∶75.