吴春红^1,2, 刘庆¹, 孔凡美², 李欢¹, 史衍玺^1,*
1青岛农业大学资源与环境学院, 山东青岛266109

²山东农业大学资源与环境学院, 山东泰安271018

^* 通讯作者(Corresponding author): 史衍玺, E-mail: yanxiyy@126.com, Tel: 0532-88030460 第一作者联系方式: E-mail: wuchunhong.123@163.com, Tel: 18561950118
收稿日期:2015-03-18 接受日期:2015-09-06网络出版日期:2015-10-08基金:本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-11-B-14)资助

摘要选取紫甘薯品种浙紫1号、宁紫2号和紫菁2号, 设置3个施氮处理, 即0 (N0)、75 (N1)和150 (N2) kg hm^-2纯氮, 于2013—2014年2个生长季在青岛农业大学现代农业科技示范园进行大田试验, 研究不同氮肥用量对块根产量、干物质累积速率、氮素累积量及氮素效率的影响。结果表明, 施用氮肥不同程度地降低了浙紫1号和紫菁2号的薯块产量, 其中, 浙紫1号的N1、N2处理分别较N0处理降低12.64%和13.32%, 紫菁2号分别降低3.94%和29.06%; 宁紫2号N1处理产量略高于N0处理, 两年分别较N0处理提高8.5%和3.4%, 而N2处理块根产量显著低于N0处理。茎蔓生物量和氮素累积量随着施氮量的增加而增加, 而收获指数、氮素收获指数和氮素利用效率逐渐降低。第1年N1、N2处理的茎蔓干物质累积量分别较N0处理提高2.7%~20.0%和12.3%~36.4%, 第2年分别提高12.6%~51.9%和28.7%~85.5%。相关分析表明, 块根产量与氮素效率各指标均呈显著或极显著正相关; 而茎蔓生物量与收获指数、氮素收获指数及氮肥利用效率均呈极显著负相关( r = -0.615^**, -0.704^**, -0.663^**)。肥沃土壤上施用氮肥会造成浙紫1号和紫菁2号的茎蔓旺长, 光合产物向薯块转运比例降低, 导致源库比例不协调, 块根产量下降。宁紫2号对氮肥的需求相对较高, 施用氮肥75 kg hm^-2时鲜薯产量提高, 而施氮量过高时薯块产量降低。因此, 紫甘薯在含氮量较高的肥沃土壤上种植时, 对氮肥的需求量较低, 茎蔓和薯块的协调生长是提高块根产量和氮素利用效率的保障。

关键词:紫甘薯; 氮肥用量; 产量; 氮效率
Effects of Nitrogen Application Rates on Root Yield and Nitrogen Utilization in Different Purple Sweetpotato Varieties
WU Chun-Hong^1,2, LIU Qing¹, KONG Fan-Mei², LI Huan¹, SHI Yan-Xi^1,*
1College of Resources and Environment, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China

²College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China

Fund:This study was supported by the Special Program of Modern Agro-industry Technology System (CARS-11-B-14)
AbstractA two-year field experiment was conducted in the Modern Agricultural Science and Technology Demonstration Garden of Qingdao Agricultural University in 2013 and 2014. Three varieties of purple sweetpotato (Zhezi 1, Ningzi 2, and Zijing 2) were grown with three nitrogen rates (0, 75, and 150 kg ha^-1 as N0, N1, N2 treatment, respectively). The storage root yield, dry matter accumulation rate, nitrogen accumulation amount and N use efficiency of the purple sweetpotato were investigated under the three N levels. The results showed that the storage root yields of Zhezi 1 and Zijing 2 in N1 and N2 treatments reduced to a varying degree compared with N0 treatment, with the decrease of 12.64% and 13.32% for Zhezi 1 and 3.94% and 29.06% for Zijing 2, respectively. Meanwhile, the storage root yield of Ningzi 2 in N1 treatment slightly increased by 8.5% and 3.4% in 2013 and 2014, respectively, compared with N0 treatment, but significantly decreased in N2 treatment compared with both N0 and N1 treatments. Compared with N0 treatment, the shoot biomass increased from 2.7% to 20.0% in N1 and from 12.3% to 36.4% in N2, in 2013, as well as from 12.6% to 51.9% in N1 and from 28.7% to 85.5% in N2, in 2014. However, the harvest index, N harvest index and nitrogen use efficiency gradually reduced with the increase N application. The correlation analysis showed that the root yield positively correlated with all the nitrogen efficiency parameters, however the shoot biomass negatively correlated with the harvest index, nitrogen harvest index and nitrogen utilization efficiency ( r = 0.615^**, 0.704^**, 0.663^**). The shoot biomass of Zhezi 1 and Zijing 2 increased with the increase of N application, showing the decrease of photosynthate from shoots to roots. The nitrogen demand of Ningzi 2 was higher than other two varieties, and the moderate nitrogen application could increase the root yield in fertile soil. In conclusion, the coordinated growth of shoots and roots is important for improving storage root yield and N use efficiency.

Keyword:Purple sweetpotato; Nitrogen application rate; Root yield; Nitrogen utilization
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紫甘薯块根含有丰富的膳食纤维、维生素、矿物质以及人体必需氨基酸, 大米和面粉缺少的赖氨酸含量也较高^[1], 而且富含具有抗氧化、清除自由基、延缓衰老等功能的天然色素— — 花青素^{[2, 3]}。近年来, 随着生活水平的提高和保健意识的增强, 紫甘薯受到广大消费者的青睐。2010— 2011年调查资料显示, 紫甘薯的平均市场价格达到6.22元kg^-1[4]。紫甘薯的种植方式随着其商品性的增强由粗放型向精耕细作栽培模式转变, 栽培土壤由贫瘠的丘陵薄地向肥沃的平原地区过度。为了提高紫甘薯产量和增加经济效益, 农民不但选择较肥沃的土壤, 而且化肥施用量也逐年增加, 重施氮肥现象尤为突出^[5]。
氮素是甘薯生长发育必需的矿质元素之一, 在干物质积累和转运方面有重要的作用, 是影响地上部形态建成和产量的主要因素^[6]。近年来, 氮肥对甘薯生长发育的研究较多, 但得出的结论各异。有研究表明, 增施氮肥可提高平均单薯重和产量^[7], 但也有研究认为施用氮肥对甘薯无增产效果, 甚至造成薯块减产^{[8, 9]}。也有研究证实, 甘薯产量受土壤^[10]和品种^{[11, 12]}等多因素的影响。盲目地施用氮肥是否会提高紫甘薯产量, 氮素是否会被高效利用是个有待探讨的问题。本研究采用大田试验方法, 探讨肥沃的平原地区施用氮肥对紫甘薯产量和氮肥效率的影响, 以期为紫甘薯的氮肥合理施用提供理论依据, 以达到高产高效目的。
1 材料与方法1.1 试验设计采用浙紫1号、宁紫2号、紫菁2号脱毒苗于2013— 2014年在青岛农业大学现代农业科技示范园同一试验田进行试验, 地点为胶州市胶莱镇, 土壤类型为沙姜黑土。2013年耕层(0~20 cm)土壤含碱解氮40.8 mg kg^-1, 速效磷15.3 mg kg^-1, 速效钾49.2 mg kg^-1。2014年试验田耕层(0~20 cm)土壤碱解氮49.3 mg kg^-1, 速效磷18.6 mg kg^-1, 速效钾52.4 mg kg^-1。
采用随机区组试验设计, 共4个区组。试验小区面积为24 m²(垄长6.0 m× 5垄, 垄宽0.8 m), 栽插密度为5万株 hm^-2。氮肥用量分别为0、75、150 kg hm^-2纯氮(依次用N0、N1、N2表示)。氮肥品种为尿素。同时施用75 kg hm^-2P₂O₅、90 kg hm^-2 K₂O作为底肥, (分别选取过磷酸钙和硫酸钾)。磷肥在划好小区后均匀撒施, 为保证肥料施用的均匀性, 氮肥和钾肥在插秧7 d后以滴灌方式随水施入。2013年5月17日移栽, 10月15日收获, 2014年5月19日移栽, 10月23日收获, 正常田间管理。
1.2 测定项目与方法1.2.1 样品的采集
移栽后50、75、100、125和150 d分别于采样区取15株, 分为地上部分和地下部分称重后切碎置牛皮袋内, 以鼓风干燥箱105℃杀青30 min, 再以80℃烘至恒重, 称取干重并计算干物质累积速率, 以多功能粉碎机磨细, 过筛后置塑封袋备用。
1.2.2 收获期茎蔓生物量和产量测定
收获时按小区茎蔓称重, 对块根按单株考种, 并记录产量。
1.2.3 养分含量测定
称取一定量的已粉碎的样品, 经H₂SO₄-H₂O₂消解后, 用凯氏定氮法测定各部分氮含量。根据各部分干物质累积量和氮素含量计算氮素累积量。
1.2.4 氮素效率相关参数计算^{[13, 14, 15]}
收获指数=鲜薯产量/植株总生物量
氮素收获指数=块根氮素累积量/植株氮素总累积量氮素吸收效率(kg kg^-1)=植株氮素总累积量/供N量(氮肥施入量+当季土壤氮供应量)
氮素利用效率(kg kg^-1)=产量(薯块干重)/植株氮素总累积量
氮肥偏生产力(kg kg^-1)=施氮区产量/施氮量
氮肥农学效率(kg kg^-1)=(施氮区产量-非施氮区产量)/施氮量
氮肥贡献率(%)=(施氮区产量-非施氮区产量)/施氮区产量× 100
1.3 统计方法运用SPSS 19.0软件对数据进行方差分析; 用DPS6.55 LSD法检验显著性; 用Microsoft Excel 2003制作表格。

2 结果与分析2.1 薯块产量和茎蔓干物质累积量由表1可知, 与N0处理相比, 施氮处理(N1、N2)不同程度地降低了浙紫1号的鲜薯产量, 第1年N1、N2处理分别较N0处理降低23.60% (P< 0.05)和12.55%; 第2年N2处理的鲜薯产量分别较N0和N1处理降低了14.4%和17.2%, 差异均达显著水平。与N0处理相比, 适量施用氮肥(N1)可提高宁紫2号的鲜薯产量, 两个生长季的N1处理分别较N0处理提高8.5%和3.4%, 过量的施用氮肥(N2)导致宁紫2号产量降低。与N0处理相比, 施氮处理显著降低了紫菁2号的块根产量, 第1年N1、N2处理分别较N0处理降低18.7%、32.2%; 第2年N2处理较N0处理降低25.52%, 差异均达显著水平。
2个生长季内施氮处理(N1、N2)均不同程度地提高了茎蔓干物质累积量。与N0处理相比, 第1年N1和N2处理的茎蔓干物质累积量分别增高2.7%~ 20.0%和12.3%~36.4%, N2处理与N0处理间的差异达到显著水平。第2年N1、N2处理的茎蔓干物质累积量分别较N0提高12.6%~51.9%和28.7%~85.5%, 且差异均达到显著水平。
方差分析表明, 2个生长季中, 氮肥对鲜薯产量和茎蔓干物质累积量的影响及2个指标的品种间差异均达到极显著水平, 且第2年的影响程度高于第1年。氮肥对鲜薯产量的影响程度显著低于品种间差异, 但氮肥对生物量的调控高于品种间差异。品种与氮肥的交互作用仅对第1年鲜薯产量的影响达极显著水平。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 氮肥用量对紫甘薯鲜薯产量和茎蔓干物质累积量的影响 Table 1 Effects of nitrogen application rates on storage root yield and shoot dry matter accumulation in purple sweetpotato 品种 Variety 2013 2014 N0 N1 N2 N0 N1 N2 鲜薯产量 Root yield (t hm-2) 浙紫1号Zhezi 1 26.3± 0.7 a 20.1± 1.2 b 23.0± 1.9 ab 18.0± 1.5 ab 18.6± 1.9 a 15.4± 1.1 b 宁紫2号 Ningzi 2 30.5± 0.4 ab 33.1± 2.1 a 28.9± 2.8 b 32.7± 1.2 a 33.1± 1.6 a 29.7± 1.3 b 紫菁2号 Zijing 2 21.4± 1.0 a 17.4± 1.8 b 14.5± 2.2 c 19.2± 1.2 a 21.6± 0.9 a 14.3± 1.9 b 茎蔓干物质量 Shoot dry matter (t hm-2) 浙紫1号Zhezi 1 7.5± 0.7 b 7.7± 0.6 b 9.3± 0.5 a 5.4± 0.8 b 8.2± 0.6 a 8.8± 0.5 a 宁紫2号Ningzi 2 6.5± 0.5 a 6.9± 1.0 a 7.3± 0.5 a 8.7± 1.5 b 9.8± 0.8 ab 11.2± 0.7 a 紫菁2号Zijing 2 5.5± 1.0 b 6.6± 0.6 ab 7.5± 0.7 a 6.2± 1.0 c 8.8± 0.6 b 11.5± 0.5 a F值 F-value 产量Yield 干物质量Dry matter 产量Yield 干物质量Dry matter 品种 Variety 127.70* * 12.93* * 284.97* * 19.78* * 氮 Nitrogen 11.81* * 10.49* * 25.09* * 44.76* * 品种× 氮Variety× Nitrogen 7.05* * 0.90 1.97 2.81 Values followed by different letters are significantly different at P < 0.05. * and * * : significantly different at P < 0.05 and P < 0.01 respectively. N0, N1, and N2 represent 0, 75, and 150 kg hm -2 nitrogen treatment, respectively. 同一品种不同处理数字后的字母不同表示数据在0.05水平上差异显著。* , * * 分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。品种和氮肥互作。N0、N1和N2分别表示0、75和150 kg hm-2纯氮处理。

表1 氮肥用量对紫甘薯鲜薯产量和茎蔓干物质累积量的影响 Table 1 Effects of nitrogen application rates on storage root yield and shoot dry matter accumulation in purple sweetpotato

2.2 紫甘薯干物质累积速率表2表明, 与N0处理相比, 栽插后0~100 d间紫甘薯N1、N2处理的茎蔓干物质累积速率明显提高, 各生长阶段分别平均提高28.48%、28.92%和55.38%。浙紫1号在栽插0~75 d间茎蔓的干物质累积速率明显高于其他2个品种, 50~75 d间浙紫1号茎蔓的干物质累积速率达到整个生育期的最高值, 为138.18~218.37 kg hm^-2 d^-1。随生长时期的推移, 宁紫2号的茎蔓的干物质累积速率逐渐提高, 75~100 d间达到最高值, 为100.67~269.37 kg hm^-2 d^-1。紫菁2号在0~50 d间茎蔓的干物质累积速率最低, 75~100 d间其茎蔓干物质累积速率达到最高值, 为253.76~394.95 kg hm^-2 d^-1, 明显高于其他2个品种的最高累积速率。
随生育进程, 浙紫1号、宁紫2号和紫菁2号的薯块干物质累积速率逐渐提高, 75~100 d间累积速率达到最高值, 分别为160.62、266.36和224.42 kg hm^-2 d^-1。整个生育时期内, 宁紫2号的累积速率最高, 并且宁紫2号薯块发育较早, 0~50 d其块根的干物质累积速率平均较浙紫1号和紫菁2号高34.36%和72.51%。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 氮肥用量对紫甘薯干物质累积速率的影响 Table 2 Effects of N application rates on dry matter accumulation amount in purple sweetpotato (kg hm-2 d-1) 处理 Treatment 茎蔓干物质累积速率 Shoot dry matter accumulation amount 块根干物质累积速率 Root dry matter accumulation amount 0-50 d 50-75 d 75-100 d 100-125 d 125-150 d 0-50 d 50-75 d 75-10 d 100-125 d 125-150 d 浙紫1号 Zhezi 1 N0 35.93 138.18 168.31 -8.04 -70.57 8.70 63.59 108.75 76.34 107.98 N1 46.83 196.82 99.31 -63.30 -18.24 7.16 71.24 108.95 110.03 -42.40 N2 49.20 218.37 127.75 18.34 -91.71 9.69 32.35 160.62 41.37 42.29 宁紫2号 Ningzi 2 N0 37.93 99.76 100.67 -27.41 -8.34 7.96 80.49 216.00 18.79 20.09 N1 39.31 118.09 269.37 -145.91 -45.79 13.16 93.84 178.33 39.11 60.27 N2 44.44 117.96 261.23 -181.13 25.23 13.21 70.90 266.36 7.69 -8.03 紫菁2号 Zijing 2 N0 20.04 110.97 253.76 -174.43 -11.62 6.39 24.61 206.82 40.76 31.45 N1 28.86 145.41 290.94 -227.70 -5.36 7.68 18.56 179.55 149.40 -102.94 N2 27.81 116.96 394.95 -245.25 -21.77 5.83 12.25 224.42 93.17 -109.73 N0, N1, and N2 represent 0, 75, and 150 kg hm-2 nitrogen treatment, respectively. N0、N1和N2分别表示0、75和150 kg hm-2纯氮处理。

表2 氮肥用量对紫甘薯干物质累积速率的影响 Table 2 Effects of N application rates on dry matter accumulation amount in purple sweetpotato (kg hm-2 d-1)

2.3 紫甘薯氮素累积量由表3可知, 与N0处理相比, 施用氮肥可不同程度地提高茎蔓氮素累积量, 第1年各品种的N2处理分别较N0处理提高22.71%、19.62%和37.80%, 差异均达显著水平。第2年浙紫1号和紫菁2号茎蔓的氮素累积量表现为N2> N1> N0, 宁紫2号N1、N2处理的茎蔓氮素累积量分别较N0处理高70.62%和53.93%, 但N1和N2处理间差异不显著。2年数据相比, 第2年N2处理茎蔓的氮素累积量明显高于第1年。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 氮肥用量对紫甘薯氮素累积量的影响 Table 3 Effects of N application rates on N accumulation amount in purple sweetpotato (kg hm-2) 品种 Variety 2013 2014 N0 N1 N2 N0 N1 N2 藤蔓氮素累积量 N accumulation in shoots 浙紫1号 Zhezi 1 161.6± 15.9 b 162.3± 13.4 b 198.3± 11.7 a 104.6± 16.0 c 157.6± 12.6 b 211.7± 12.3 a 宁紫2号 Ningzi 2 138.1± 9.9 b 150.8± 21.2 ab 165.2± 12.1 a 147.4± 25.8 b 251.5± 20.0 a 226.9± 14.4 a 紫菁2号 Zijing 2 112.7± 21.2 b 133.5± 13.1 ab 155.3± 14.9 a 79.0± 12.4 c 135.7± 8.6 b 267.1± 12.2 a 块根氮素累积量N accumulation in root 浙紫1号 Zhezi 1 87.3± 2.2 a 68.5± 4.1 b 91.8± 7.6 a 62.7± 5.3 b 75.2± 7.8 a 74.6± 5.2 a 宁紫2号 Ningzi 2 57.4± 0.7 c 116.7± 7.5 a 82.0± 7.9 b 62.4± 2.3 c 123.7± 5.9 a 87.8± 3.8 b 紫菁2号 Zijing 2 83.3± 4.0 a 75.0± 7.9 a 63.3± 9.6 b 65.5± 4.2 b 81.8± 3.3 a 53.6± 7.2 c F值 F-value 茎蔓氮素累积量 Shoot 块根氮素累积量Root 茎蔓氮素累积量Shoot 块根氮素累积量Root 品种 Variety 15.65* * 7.78* * 29.70* * 55.60* * 氮 Nitrogen 12.59* * 6.39* * 143.45* * 76.82* * Variety× Nitrogen 0.61 38.53* * 20.45* * 25.83* *

表3 氮肥用量对紫甘薯氮素累积量的影响 Table 3 Effects of N application rates on N accumulation amount in purple sweetpotato (kg hm-2)

氮肥对浙紫1号块根中氮素累积量的影响存在年份间差异, 第1年表现为N0=N2> N1; 而第2年N1、N2处理分别较N0处理高19.94%和18.98%, 差异均达到显著水平。与N0处理相比, N1、N2处理显著提高了宁紫2号块根的氮素累积量, 施氮量过高则导致块根氮素累积量降低, N2处理显著低于N1处理, 两个生长季N1处理分别较N0处理提高103.31%和98.24%。与N0处理相比, N2处理显著降低了紫菁2号块根的氮素累积量, 第1年和第2年分别较N0处理降低24.01%和18.17%。
方差分析表明, 2年试验中, 品种间差异与氮肥对氮素累积量的影响均达极显著水平, 且第2年品种间差异及氮肥对各指标的调控均高于第1年。第1年氮肥对各指标的影响程度低于品种间差异, 而第2年相反。第1年品种和氮肥的交互作用极显著地影响块根氮素累积量; 第2年交互作用对两指标的影响均达到极显著水平, 但对块根氮素累积量的影响高于茎蔓。
2.4 紫甘薯氮素吸收利用效率由表4可知, 与N0处理相比, 施氮处理(N1、N2)不同程度地降低了紫甘薯的收获指数, 并且随着施氮量的增加, 紫甘薯的收获指数呈降低趋势。浙紫1号和紫菁2号的N1、N2处理均显著低于N0处理, 且N1和N0间差异不显著。两年试验数据相比, 第1年各品种的收获指数高于第2年, 尤其以施氮处理差异较大。浙紫1号和紫菁2号的氮素收获指数与收获指数的规律表现一致; 而宁紫2号N1处理的氮素收获指数显著高于N0和N2, 后两者差异不显著。多重比较可知, 施氮处理(N1、N2)下宁紫2号的收获指数和氮素收获指数均不同程度地高于其他2个品种。
与N0处理相比, 施氮处理(N1、N2)下紫甘薯的氮素吸收效率和氮素利用效率均不同程度地降低, 其中氮素利用效率的降低程度均达显著水平。2个生育期内, 浙紫1号N1和N2处理的氮素吸收效率均显著低于N0, 且N1和N2间差异不显著; 第1年宁紫2号和紫菁2号的氮素吸收效率均表现为N0> N1> N2。2年试验中, 各品种氮素利用效率均表现为N0> N1> N2。宁紫2号的氮素利用效率高于其他2个品种。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 氮肥用量对紫甘薯氮素效率的影响 Table 4 Effects of N application rates on nitrogen efficiency in purple sweetpotato 品种 Variety 2013 2014 N0 N1 N2 N0 N1 N2 收获指数Harvest index 浙紫1号 Zhezi 1 0.69± 0.05 a 0.44± 0.04 b 0.49± 0.02 b 0.74± 0.05 a 0.41± 0.01 b 0.31± 0.00 c 宁紫2号 Ningzi 2 0.89± 0.05 a 0.88± 0.07 ab 0.74± 0.05 b 0.73± 0.09 a 0.68± 0.02 a 0.46± 0.01 b 紫菁2号 Zijing 2 0.85± 0.19 a 0.57± 0.07 b 0.38± 0.02 c 0.66± 0.12 a 0.41± 0.01 b 0.19± 0.03 c 氮收获指数 N harvest index 浙紫 1号 Zhezi1 0.35± 0.02 a 0.30± 0.02 b 0.32± 0.01 ab 0.38± 0.02 a 0.32± 0.01 b 0.26± 0.00 c 宁紫2号 Ningzi 2 0.29± 0.01 b 0.44± 0.02 a 0.33± 0.02 b 0.30± 0.03 ab 0.33± 0.01 a 0.28± 0.00 b 紫菁2号 Zijing 2 0.43± 0.06 a 0.36± 0.03 b 0.29± 0.01 c 0.46± 0.06 a 0.38± 0.01 b 0.17± 0.03 c 氮素吸收效率N absorption efficiency (kg kg-1) 浙紫 1号 Zhezi 1 2.71± 0.20 a 1.38± 0.09 b 1.20± 0.08 b 1.51± 0.19 a 1.25± 0.11 b 1.10± 0.07 b 宁紫2号 Ningzi 2 2.13± 0.12 a 1.60± 0.16 b 1.02± 0.08 c 1.89± 0.25 a 2.02± 0.14 a 1.21± 0.07 b 紫菁2号 Zijing 2 2.14± 0.20 a 1.25± 0.10 b 0.90± 0.10 c 1.30± 0.07 a 1.17± 0.06 a 1.23± 0.02 a 氮素利用效率 N use efficiency (kg kg-1) 浙紫1号 Zhezi 1 37.7± 1.8 a 28.4± 1.6 b 25.5± 0.8 b 40.3± 1.8 a 30.9± 0.6 b 21.0± 0.2 c 宁紫2号 Ningzi 2 45.0± 1.9 a 37.3± 2.0 b 36.7± 1.8 b 45.9± 4.3 a 28.1± 0.6 b 30.9± 0.5 b 紫菁2号 Zijing 2 40.7± 5.3 a 31.2± 2.4 b 26.4± 1.2 c 43.2± 5.2 a 32.6± 0.5 b 15.3± 2.3 c F值F-value HI NHI NAE NUE HI NHI NAE NUE 品种 Variety 33.11* * 5.83* 14.33* * 34.63* * 43.08* * 3.74* 35.85* * 9.61* * 氮 Nitrogen 25.11* * 11.57* * 222.27* * 55.46* * 86.91* * 90.32* * 22.39* * 158.99* * Variety× Nitrogen 5.08* * 20.53* * 6.89* * 1.23 5.54* * 27.09* * 10.07* * 13.54* * In each growing season, values followed by different letters are significantly different at P < 0.05. HI: harvest index; NHI: nitrogen harvest index; NAE: nitrogen absorption efficiency; NUE: nitrogen utilization efficiency. 在同一年度中, 各指标同一品种不同处理数字后字母不同表示在0.05水平差异显著。HI: 收获指数; NHI: 氮素收获指数; NAE: 氮素吸收效率; NUE: 氮素利用效率。

表4 氮肥用量对紫甘薯氮素效率的影响 Table 4 Effects of N application rates on nitrogen efficiency in purple sweetpotato

方差分析表明, 两年试验中, 品种和氮肥对氮肥效率各指标的影响均达到显著或极显著水平, 且氮肥对各指标的影响均明显高于品种间差异。品种和氮肥的交互作用对收获指数、氮素收获指数和氮素吸收效率的影响也达到极显著水平, 而对氮素利用效率的影响只有第2年达极显著水平。第1年氮肥对氮素吸收效率的调控显著高于第2年, 而其他指标表现相反趋势。与其他指标相比, 收获指数的品种间差异最高。
2.5 氮肥农学利用效率由表5可知, 与N1处理相比, N2处理的氮肥偏生产力显著降低, N1处理下其变化幅度为86.7~140.5 kg kg^-1, 且第2年略高于第1年, 而N2的变化幅度仅为32.7~64.9 kg kg^-1。宁紫2号的氮肥偏生产力明显高于其他2个品种。浙紫1号和紫菁2号的氮肥农学利用效率呈现负值, 说明施用氮肥没有增加鲜薯产量; 第2年N1处理下为正值, N2为负值, 则说明N1处理下块根产量较N0处理略有增加, 但进一步增加氮肥则导致减产。宁紫2号N2处理的氮肥农学利用效率较N1处理显著降低, 说明随着氮肥用量的增加宁紫2号的增产幅度逐渐减小。浙紫1号和紫菁2号的氮肥贡献率呈现负值, 说明试验条件下外源氮肥导致两者鲜薯产量降低; 宁紫2号N2的氮肥贡献率较N1降低, 第1年差异达显著水平, 第2年差异不显著。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 氮肥用量对紫甘薯氮肥农学效率的影响 Table 5 Effects of N application rates on N agronomic efficiency in purple sweetpotato 品种 Variety 2013 2014 N1 N2 N1 N2 氮素偏生产力 N partial productivity (kg kg-1) 浙紫1号 Zhezi 1 87.4± 5.3 a 49.3± 4.1 b 95.9± 10.0 a 40.1± 2.8 b 宁紫2号Ningzi 2 132.6± 8.5 a 60.6± 5.9 b 140.5± 6.7 a 64.9± 2.8 b 紫菁2号Zijing 2 86.7± 9.2 a 38.6± 5.8 b 90.6± 3.8 a 32.7± 4.4 b 氮素农学利用效率 N agronomic efficiency (kg kg-1) 浙紫1号 Zhezi 1 -37.31± 2.60 b -13.01± 3.1 b 6.43± 2.5 b -11.64± 1.6 c 宁紫2号 Ningzi 2 15.53± 7.03 a 2.01± 5.2 b 9.39± 1.0 a 1.91± 0.7 b 紫菁2号 Zijing 2 -18.82± 4.40 b -14.10± 3.4 a 12.46± 2.2 a -27.40± 9.1 b 氮素贡献率 N contribution rate (%) 浙紫 Zhezi -42.92± 5.6 b -26.84± 8.8 a 5.33± 18.1 a -11.64± 1.6 a 宁紫2号 Ningzi 2 11.51± 4.7 a 2.76± 8.5 b 9.18± 7.6 a 1.91± 0.7 a 紫菁2号 Zijing 2 -22.22± 7.3 a -37.88± 13.7 b 12.16± 9.1 a -28.89± 25.8 b F值 F-value NPP NAE NCR NPP NAE NCR 品种 Variety 43.99* * 90.68* * 42.88* * 85.04* * 16.19* * 1.57 氮 Nitrogen 277.49* * 5.84* 0.47 577.11* * 131.42* * 11.27* * Variety× Nitrogen 10.18* * 26.11* * 5.65* 4.79* * 25.12* * 2.40 In each growing season, values followed by different letters are significantly different at P < 0.05. NPP: nitrogen partial productivity; NAE: nitrogen agronomic efficiency; NCR: nitrogen contribution rate. 在同一年度中, 各指标同一品种不同处理数字后字母不同表示在0.05水平差异显著。NPP: 氮素偏生产力; NAE: 氮素农学利用效率; NCR: 氮素贡献率。

表5 氮肥用量对紫甘薯氮肥农学效率的影响 Table 5 Effects of N application rates on N agronomic efficiency in purple sweetpotato

品种和氮肥对氮肥偏生产力和氮肥农学利用率的影响均达显著或极显著水平, 且第2年氮肥对以上两个指标的影响高于品种间差异; 品种与氮肥的交互作用对氮肥偏生产力和氮肥农学利用率的影响均达到极显著水平, 而对氮肥贡献率的影响较小。第1年紫甘薯氮肥贡献率的品种间差异达极显著水平, 品种和氮肥的交互作用显著影响氮肥贡献率, 而第2年氮肥对其影响达极显著水平。
2.6 部分指标与氮素效率各指标的相关性分析由表6可知, 鲜薯产量与氮素效率各指标均呈正相关, 其中, 与收获指数、氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率及氮肥贡献率的相关性均达极显著水平, 相关系数分别为0.651、0.660、0.612和0.615; 与氮素吸收效率和氮素利用效率的相关性为显著水平, 相关系数分别为0.493和0.491。茎蔓生物量和茎蔓氮素累积量与氮素效率各指标均呈负相关, 其中, 与收获指数、氮素收获指数及氮素利用效率的相关性均达到极显著水平, 相关系数分别为-0.615、-0.471, -0.704、-0.743和-0.663、-0.750; 而与其他指标的相关性均未达到显著水平。块根氮素累积量与氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率及氮肥贡献率均呈极显著正相关, 相关系数分别为0.760、0.630和0.609; 与收获指数和氮素收获指数的正相关关系达到显著水平; 而与氮素吸收效率和氮素利用效率的相关性均未达到显著水平。
表6
Table 6
表6(Table 6)

表6 部分指标间的相关性系数 Table 6 Correlation coefficients among some indices 性状 Trait 收获指数 HI 氮收获指数NHI 氮素吸收 效率NAE 氮素利用 效率NUE 氮肥偏 生产力NPP 氮肥农学 利用率NAE 氮肥贡献率 NCR 鲜薯产量Yield 0.651* * 0.204 0.493* 0.491* 0.660* * 0.612* * 0.615* * 生物量Biomass -0.615* * -0.704* * -0.179 -0.663* * -0.233 -0.042 0.061 茎蔓氮素累积量 Shoots N accumulation amount -0.471* * -0.743* * -0.081 -0.750* * -0.187 -0.129 -0.016 块根氮素累积量 Root N accumulation amount 0.315* 0.370* 0.229 -0.037 0.760* * 0.630* * 0.609* * HI: harvest index; NHI: nitrogen harvest index; NAE: nitrogen absorption efficiency; NUE: nitrogen utilization efficiency; NPP: nitrogen partial productivity; NAE: nitrogen agronomic efficiency; NCR: nitrogen contribution rate.

表6 部分指标间的相关性系数 Table 6 Correlation coefficients among some indices

3 讨论3.1 氮肥用量与紫甘薯生物量和产量茎蔓和块根的协调生长是甘薯取得高产的关键^{[16, 17]}。氮肥对茎蔓的生长和薯块的膨大以及两者的协调生长有较大的影响, 在一定的范围内, 甘薯生物量和产量随着氮肥用量的增加而增加, 但当氮肥用量过高时, 光合产物向薯块的转运比例降低, 导致茎蔓旺长, 块根产量降低^{[18, 19]}。本研究表明, 施用氮肥75 kg hm^-2和150 kg hm^-2时, 紫甘薯茎蔓干物质量分别平均较N0提高20.60%和39.69%, 2014年甘薯生长季节降雨量较2013年多, 茎蔓生物量则明显高于第1年。宁运旺等^[15]研究指出, 在施氮量为300 kg hm^-2时徐薯22的生物量提高29.2%。高璐阳等^[20]盆栽龙薯9号和烟薯25的试验结果表明, 施氮量达到400 mg kg^-1时茎蔓生物量是N0处理的2.13倍。方差分析表明(表1), 品种间差异和氮肥对鲜薯产量的影响均达到极显著水平, 且品种间差异明显高于氮肥对产量的影响。房增国等^[21]研究氮肥对8个鲜食型甘薯品种产量的影响表明, 各氮素水平下黄皮苏薯8号的产量最高, 而济薯21产量最低。本试验条件下, 浙紫1号和紫菁2号的鲜薯产量均随氮肥用量的增加而显著下降, 即N0处理下产量最高, 施用氮肥导致减产, 这也许与试验田肥力水平较高、甘薯生长季节雨量充沛及品种的耐氮肥性较差等因素有关。孙泽强等^[22]研究也表明, 不施氮肥处理下多用型甘薯济薯21的鲜薯产量最高, 施用氮肥后产量显著降低16.92%~20.92%。董晓霞等^[23]研究表明在基础养分含量高的褐土上CK处理的济薯22和济薯18的产量最高。宁紫2号较浙紫1号和紫菁2号的耐氮性强, 施用氮肥后茎蔓生物量旺长现象不突出, 适量增施氮肥可提高产量。施用氮肥75 kg hm^-2时, 宁紫2号块根产量有增加趋势, 而当氮肥用量增加到150 kg hm^-2时则造成严重减产。宁运旺等^[15]在滨海滩涂试验结果表明, 氮肥施用量超过60 kg hm^-2后甘薯的理论产量显著降低35.7%~55.8%。甘薯是耐贫瘠耐干旱作物, 因此, 在雨水充足、肥力水平较高的地区, 紫甘薯生长发育对外源氮肥的需求量较低。
氮肥对甘薯库源关系的建立、发展和平衡均有显著影响。宁运旺等^[24]研究表明, 甘薯生育后期库源平衡对氮肥较为敏感, 不施氮肥或过量施用氮肥会导致茎叶生长不足或过旺从而使库源失衡导致减产。本研究表明, 施用氮肥导致浙紫1号库源发育不平衡, 块根快速增长时期滞后于茎蔓迅速生长时期, 造成大量的光合产物滞留到茎蔓中, 鲜薯产量显著降低。紫菁2号茎蔓快速生长期和块根的快速膨大期均集中在75~100 d间, 但紫菁2号的库源比例不协调, 茎蔓的生长速率明显高于块根膨大速率, N2处理下紫菁2号的茎蔓和块根的干物质累积速率比值为2︰1, 光合产物向块根转运过少, 不利于块根膨大潜力的发挥。适量的增施氮肥有助于宁紫2号的库源的协调, 光合产物向薯块转运的比例增大, 有利于块根产量的提高。
3.2 氮肥用量与氮素效率收获指数、氮素收获指数和氮素吸收利用效率是研究作物品种特性及氮肥调控的常用指标。收获指数反映单位生物量生产经济产量的能力。氮素收获指数和氮素利用效率分别反映已吸收的氮素向收获器官的分配比例和获得最终产量的能力。氮素吸收效率可反映作物对介质中氮素的吸收能力^{[25, 26]}。本试验结果表明, 施氮处理下, 紫甘薯茎蔓生物量显著提高的同时鲜薯产量降低或增加量滞后, 导致紫甘薯的收获指数显著降低, 施氮量达到150 kg hm^-2时, 收获指数由N0的0.76下降到0.43。孙泽强等^[22]研究指出施氮量为225 kg hm^-2时济薯21的收获指数由0.61下降到0.49。表明过量的增施氮肥引起薯蔓旺长, 碳水化合物向下转移受阻, 不利于块根产量的提高, 导致收获指数下降。在一定施氮范围内, 由于生物量和植株含氮量的增加, 作物的氮素累计值随施氮量的增加而增加, 氮素利用效率和氮素收获指数均随着施氮量的增加而下降^{[27, 28]}。本研究结果表明, 施氮处理可显著提高植株的氮素累积量, 但其增加量远远滞后于氮素施入量, 因此氮素吸收效率随施氮量的增加逐渐降低, N2处理较N1处理约降低23.18%。高璐阳等^[20]研究表明, 随着施氮量的增加甘薯的氮素吸收效率显著降低, 并且长蔓品种烟薯25的氮素吸收效率较短蔓品种龙薯9号高。
施用氮肥后浙紫1号和紫菁2号植株体内增加的氮素主要分布在非收获部位(茎蔓), 导致氮素收获指数显著降低, 施氮量为150 kg hm^-2时氮素收获指数较N0显著降低8.57%~63.04%。适量的增施氮肥(75 kg hm^-2)可显著提高宁紫2号的氮素收获指数, 而过量的施用氮肥导致其值显著降低。这与宁运旺等^[15]研究结论一致, 施氮60 kg hm^-2时对徐薯22的氮素收获指数没有影响, 当超过最佳施氮量时显著降低。紫甘薯的氮素利用效率受品种和氮肥的双重影响, 但氮肥的调控高于品种的影响(表4), 不施用氮肥条件下, 紫甘薯的氮素利用效率集中在37.7~ 45.9 kg kg^-1之间, 施用氮肥75 kg hm^-2和150 kg hm^-2下氮素利用效率分别较N0降低25.42%和38.36%差异, 均达显著水平。房增国等^[21]研究表明, 随着施氮量的增加鲜食型甘薯的氮素利用效率显著降低, 并且品种间差异明显, 鲁薯8号、黄皮苏薯8号、泰中6号等品种的氮素利用效率较高。宁运旺等^[15]研究也表明, 施氮量达120~300 kg hm^-2时, 甘薯的氮素利用效率降低11.6%~69.2%。因此, 大田生产中过度施肥或盲目施肥都会造成氮肥浪费, 增加投入成本, 降低收益。相关性分析表明, 块根产量与氮素效率各指标间均呈显著或极显著正相关, 但其与氮素收获指数的相关性较弱; 而茎蔓生物量与氮效率各指标间均呈不同程度负相关, 且与收获指数、氮素收获指数及氮素利用效率的相关极显著。说明紫甘薯生产中提高氮肥效率的关键是茎蔓和块根的协调生长, 只有抑制茎蔓旺长, 合理地调控地上部生物量, 提高光合产物在块根中的分配比例, 才能达到高产高效的栽培目的。

4 结论施用氮肥导致浙紫1号库源发育不平衡, 鲜薯产量显著降低; 紫菁2号的库源比例不协调, 造成茎蔓旺长块根产量低。宁紫2号的库源关系协调性较好, 与N0处理相比, 施氮量为75 kg hm^-2时茎蔓生物量和鲜薯产量均增高, 但当施氮量过高时则导致块根产量显著降低。施用氮肥可显著降低紫甘薯收获指数、氮素吸收效率和氮素利用效率。浙紫1号和紫菁2号的氮素收获指数显著降低, 宁紫2号的氮素收获指数先增高后降低。紫甘薯在含氮量较高的肥沃土壤上种植时, 不需要追施氮肥或对氮肥的需求量较低; 基础地力较高的条件下种植紫甘薯要加强品种选择意识。
The authors have declared that no competing interests exist.


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