不同氮水平對生姜產量和品質及氮素吸收的影響

李錄久,劉榮樂,陳防,金繼運,王家嘉,姚殿立,李東平

(1安徽省農科院土壤肥料研究所,安徽合肥230031;2中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所,北京100081;3中國科學院武漢植物所,湖北武漢430007;4臨泉縣農業(yè)技術推廣中心,安徽臨泉236400)

生姜(Zingiber officinale)地下根莖含有辛香濃郁的揮發(fā)油和姜辣素,廣泛用于烹調和食品的加香[1-2],廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū)[3]。中國是世界生姜主產區(qū),常年栽培面積達630×103hm2,是世界上栽培面積最大、產量最多的國家之一[4]。據農業(yè)部統(tǒng)計,我國已有20多個省份種植生姜,安徽是我國生姜重要產區(qū)之一[1],全省常年種植面積2×104hm2,是重要的經濟作物[5]。然而,生姜施肥方面還存在不少問題。調查表明,盲目、過量施肥等不合理施肥現(xiàn)象較為普遍,生姜病蟲害嚴重,產量低而不穩(wěn),根莖品質差,種姜經濟效益低下,嚴重制約了我國生姜產業(yè)的發(fā)展[1,6]。

生姜是需氮量較大的作物[1],僅靠土壤提供的氮素遠不能滿足生姜生長發(fā)育對氮的需要。合理施用氮肥直接影響到生姜的產量、品質、經濟效益以及環(huán)境等。氮肥對生姜產量[7-9]和品質[10-11]影響的研究已有報道,有的涉及生姜營養(yǎng)特性和養(yǎng)分吸收規(guī)律等方面[12-13]。研究表明,施用適量氮肥能有效提高生姜產量,改善根莖品質,這些研究結果對推動生姜科學施肥發(fā)揮了重要作用。但是,研究大多是在同一基礎肥力土壤下進行的,研究的品質性狀較少;同時由于供試材料不同,得出的結論也不盡相同,特別是在根莖品質上[9]。生姜具有不同的類型(疏苗型、密苗型),相同品種生姜在不同氣候與栽培環(huán)境條件下對氮素的吸收利用也有差異[1]。關于在不同基礎肥力土壤下施氮量對生姜根莖產量和綜合品質影響的研究也較少。為此,開展了本試驗,以期為生姜合理施肥,提高生姜產量和改善生姜根莖品質提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2007年在安徽省臨泉縣單橋鎮(zhèn)(簡稱S)和范集鎮(zhèn)(簡稱F)同時進行,供試土壤為普通砂姜黑土。試驗前0—20 cm耕層土壤養(yǎng)分狀況分別為:有機質含量 16.2、12.1 g/kg,全氮含量 1.02、0.85 g/kg,堿解氮含量 112.5、80.1 mg/kg,有效磷(P)25.0、15.5 mg/kg,速效鉀(K)138.0 和 120.5 mg/kg。

兩地試驗設置相同的5個施氮處理,分別為N 0 、225、450、675 和 900 kg/hm2,以 N0、N225、N450、N675、N900表示,3次重復,完全隨機區(qū)組排列。所有處理均施用P2O590 kg/hm2和K2O 450 kg/hm2。試驗用氮肥為尿素(含N 46%),磷肥為磷酸二銨(含N 18%,P2O546%,N0處理用P2O512%含量的普通過磷酸鈣),鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。施肥方法為:40%的氮肥和鉀肥及全部磷肥做基肥開溝深施,余下的60%氮肥與鉀肥作追肥,分兩次結合倒溝于8月初和9月上旬條施。小區(qū)面積3 m×7 m。供試生姜品種為當地主栽的獅頭姜,種植密度10.5×104株/hm2。3月底催芽,5月初移栽,10月下旬按小區(qū)單獨收獲計產。由于安徽臨泉常年降水量762mm,70%集中于6～8月,所以根據土壤墑情和天氣趨勢多次適時充分灌溉,保持土壤濕潤以利生姜生長。其它栽培管理措施如病蟲草害防治等同當地一般大田。

1.2 測定項目和分析方法

生姜收獲期調查單位面積株數,每小區(qū)采集代表性植株5株,調查株高、分枝數、姜球數、單株姜根莖鮮重和地上部莖葉干重,保留新鮮根莖樣品供品質分析。品質和養(yǎng)分含量的測定參照《土壤農化分析》[14]進行。生姜根莖維生素C含量應用2,6-二氯靛酚滴定法測定;可溶性糖分析采用費林試劑滴定法;硝酸鹽含量用酚二磺酸比色法測定;亞硝酸鹽采用乙二胺比色法分析;姜精油用水蒸氣蒸餾法測定。土壤基本性狀用常規(guī)法分析。植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮,開氏定氮法測定。粗蛋白總量=全氮×6.25[15]。

數據采用Excel軟件和SPSS軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮水平對生姜根莖產量及其構成因素的影響

生姜根莖產量主要由收獲期單位面積有效株數和單株姜根莖重構成,而單株姜根莖重則與分枝數和子姜球數有關。表1看出,不同施氮量對兩地生姜根莖產量及其構成因素的影響存在差異。土壤基礎肥力較高的單橋試驗表現(xiàn)為,隨著施氮量的增加根莖產量逐漸增加,N450處理達最大值,N600和N900處理反而又降低。同時不同施氮量間生姜根莖產量存在顯著差異,其中施氮各處理較不施氮的對照產量提高14.2%～36.7%,平均增產25.4%,達極顯著水準;處理N225、N450與N900間產量差異也達極顯著水平,但N225、N450與N600處理間產量差異不顯著。進一步分析表明,生姜根莖產量與施N量間呈極顯著的一元二次拋物線關系,其回歸方程為yS=-0.058N2+56.24N+43813.3,F=37.21**,r=0.928**。由此可得,施N 485.8 kg/hm2時,生姜根莖產量達到最高,為57471.7 kg/hm2。

表1 施氮量對生姜生長和產量及其構成因素的影響Table 1 Effect of nitrogen application rates on ginger growth,yield and its component

不同施N量對基礎肥力較低的范集土壤生姜根莖產量的影響有所不同(表1)。雖然生姜根莖產量隨施N量的增加也表現(xiàn)為先增加后降低,N450處理的產量也達最高值,不同施氮量較不施氮的對照增產18.5%～39.3%,平均增產28.1%,產量差異也達極顯著水準。由于基礎土壤肥力較低,不同氮肥用量間生姜根莖產量差異也達顯著水平,其中N225與N450處理間產量差異達顯著水平,與N900處理間差異達極顯著水平,而與N600處理間產量差異則不顯著;N450與N225、N600處理間差異均達顯著水平,與N900處理間差異達極顯著水平;N600與N450處理間產量差異達顯著水平,而與N225和N900處理間差異則不顯著;N900與N225和N450處理間產量差異達極顯著水平,而與N600處理間產量差異則不顯著。這一結果表明,施氮量對基礎肥力相對較低的土壤生姜根莖產量的影響較肥力較高的土壤更為顯著。該試驗點生姜根莖產量與施氮量的回歸方程為:yF=0.060N2+53.72N+35804.3,F=31.18**,r=0.916**;當施N 446.3 kg/hm2時,生姜根莖產量達最高 ,為47791.6 kg/hm2。

對生姜根莖產量采用Two-way ANNOVA雙向方差分析。結果表明,不同施氮量間生姜根莖產量存在極顯著的差異,兩試驗地間生姜產量的差異也達極顯著水平;但是試驗地點與施氮量間的互作則不顯著,表明施氮量及基礎土壤肥力對生姜根莖產量都有顯著的影響。

進一步分析生姜根莖產量構成因素看出,施氮量與姜球數、分枝數和根莖重均呈極顯著的一元二次拋物線關系。其中單橋和范集兩地試驗,分枝數均是N450處理最多,施氮量與分枝數的回歸方程分別為yS=-5.46×10-6N2+5.98×10-3N+9.01,r=0.895**;yF=-7.85×10-6N2+9.54×10-3N+7.46,r=0.937**。單橋試驗N600處理姜球數最多,施氮量與姜球數回歸方程為:yS=-7.34×10-6N2+7.46×10-3N+13.9,r=0.891**;范集試驗,N450處理姜球數最多,施氮量與姜球數的回歸方程為yF=-7.15×10-6N2+7.50×10-3N+10.66,r=0.840**。單株姜根莖重兩地試驗也是處理N450最高,施氮量與單株姜根莖重的回歸方程分別為yS=-5.56×10-4N2+0.579N+657.1,r=0.951**;yF=-6.49×10-4N2+0.825N+447.1,r=0.949**。表明單株姜根莖重較低是基礎肥力較低的土壤限制生姜根莖產量的主要影響因素。

2.2 不同氮水平對生姜根莖品質的影響

2.2.1 對根莖蛋白質和維生素C含量的影響 蛋白質和維生素C是蔬菜重要的營養(yǎng)品質指標,施用適量氮肥能有效提高生姜根莖粗蛋白和維生素C含量,改善姜根莖內在品質(表2)。維生素C含量,兩地試驗存在差異,其中基礎土壤肥力較高的單橋試驗N225處理最高,繼續(xù)增加氮肥施用量,維生素C含量顯著下降,N900處理與對照N0相近,差異不顯著;基礎土壤肥力較低的范集試驗,N450處理維生素C含量達到高峰,N600和N900處理雖然依次降低,但仍顯著高于N0。施用不同數量氮肥對粗蛋白含量的影響與維生素C相似,單橋試驗N225處理最高,N450最低;范集試驗,隨施氮量的增加,根莖粗蛋白含量相應提高,N600處理達到高峰。進一步分析表明,維生素C含量與施氮量間呈顯著的一元二次拋物線關系,其回歸方程分別為:yS=-1.21×10-4N2+0.102N+42.09,r=0.784**;yF=-7.14×10-2N2+6.87×10-2N+33.01,r=0.832**。

表2 施用氮肥對生姜品質的影響Table 2 Effect of nitrogen fertilizer application on qualities of ginger rhizome

2.2.2 對根莖糖分含量的影響 施用不同數量氮肥對生姜根莖可溶性糖和還原糖含量有明顯影響(表2)。兩種不同基礎肥力土壤可溶性糖含量均表現(xiàn)為隨施氮量的增加逐漸升高,N600處理達到最大值;不同施氮量間生姜根莖可溶性糖含量存在顯著差異,高、低兩種肥力土壤,施氮各處理較不施氮的對照分別提高8.1%～25.1%和12.8%～41.3%,平均提高14.4%和30.6%,差異達顯著水平;其中,基礎土壤肥力較低的范集試驗點提高的幅度較基礎土壤肥力較高的單橋試驗點更大,表明施氮對基礎肥力較低土壤的影響更顯著。

進一步研究表明,可溶性糖含量與施氮量間也呈顯著一元二次拋物線關系,單橋試驗回歸方程為:yS=-2.41×10-6N2+2.67×10-3N+3.66,r=0.827**;范集試驗:yF=-1.21×10-6N2+2.46×10-3N+2.85,r=0.983**。

不同氮水平對生姜根莖還原糖含量的影響與可溶性糖相似,施用適量氮肥,根莖還原糖含量也顯著提高(表2)。

2.2.3 對根莖硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的影響 硝酸鹽尤其是亞硝酸鹽含量是蔬菜主要的安全品質指標[16],施用不同數量的氮肥對生姜根莖硝酸鹽及亞硝酸鹽含量有顯著影響(表2)。兩地試驗,硝酸鹽含量均隨氮肥用量的加大而升高,較不施氮肥的對照分別增長13.1%～99.8%和 5.7%～ 33.2%,平均增加69.9%和21.7%,特別是基礎土壤肥力較高的單橋試驗點增加的幅度較大,除N225處理外,差異均達顯著水平。不同施氮量對生姜根莖亞硝酸鹽含量的影響與硝酸鹽相似,也隨氮肥用量的加大而增加,只是單橋試驗點N900處理略高于N600,N225與N0處理差異同樣不顯著;范集試驗點N900處理超過4mg/kg的安全標準。

進一步分析表明,生姜根莖硝酸鹽和亞硝酸鹽含量與施氮量間均呈極顯著的正相關,單橋和范集兩種不同肥力土壤條件下,相關系數分別為硝酸鹽0.937**和0.984**,亞硝酸鹽0.962**和0.981**,表明氮肥用量過大將導致硝酸鹽特別是亞硝酸等有害物質的積累,對生姜根莖安全食用品質有不利影響。

2.2.4 對根莖精油含量的影響 揮發(fā)性精油是香辛蔬菜所特有的物質,其含量多少對生姜風味品質影響很大[6]。不同施氮量對生姜根莖揮發(fā)性精油的形成和積累有一定影響(表2),單橋和范集兩種不同肥力土壤均表現(xiàn)為N450＞N225＞N0＞N600＞N900,其中基礎土壤肥力較低的范集試驗點N450顯著高于N225和N0處理,也顯著高于N675和N900處理,表明適量施氮可明顯提高生姜根莖揮發(fā)精油含量,過量施氮則降低其含量。

2.3 不同氮用量對生姜含氮量及氮素吸收量的影響

表3表明,施用不同量氮肥對生姜地上部莖、葉和地下根莖含氮量及氮素吸收量、氮肥利用效率均有較大影響。兩種不同基礎肥力土壤下,適量氮肥處理,生姜莖、葉及根莖含氮量明顯提高,氮素吸收量顯著增多,表明施氮有利于氮素養(yǎng)分在生姜植株內的積累。其中基礎肥力較高的單橋試驗點N450處理莖和葉、N225處理根莖,基礎肥力較低的范集試驗點N450處理莖、N600處理葉和根莖的含氮量均顯著高于不施氮的對照,差異達顯著水平。兩種肥力土壤下,N450處理根莖含氮量都最低,其原因可能是適量施氮促進了根莖膨大引起的稀釋效應。

氮素吸收量,肥力較高的單橋試驗點N225處理莖 、N600處理葉 、N450處理根莖,肥力較低的范集試驗N450處理莖、N600處理葉和根莖,達最大值,顯著多于對照,甚至也顯著高于其它施氮處理。全株氮素吸收量相應增多,均為N600處理達到吸收高峰,只是基礎土壤肥力較高的單橋試驗點不同施氮處理的氮素積累量都非常接近,差異不顯著;而肥力較低土壤N225處理與其它施氮處理間存在顯著差異。表明基礎肥力較高的土壤較肥力較低的土壤在較低的施氮量下就能達到含氮量和氮素積累的高峰,過量施氮主要促進生姜地上部莖葉的生長,對地下根莖的膨大不利,這與前人的研究結果一致[11]。

表3 不同氮水平對生姜含氮量和氮素吸收量的影響Table 3 Effect of different N treatments on content and absorption of nutrient in ginger

試驗結果表明,隨施氮量的加大,氮肥農學效率和氮肥回收利用率均急劇下降,其中基礎肥力較高的單橋試驗點N450、N675和N900處理的氮素農學效率由N225處理的54.4 kg/kg分別降至35.0、14.0和6.8 kg/kg,氮素利用率由30.1%下降到18.4%、12.4%和8.3%;基礎肥力較低的范集試驗點N450、N675和N900處理的氮素農學效率由N225處理的46.5 kg/kg相應降至35.9、12.9和7.2 kg/kg,氮素回收利用率由20.7%降至15.3%、11.9%和6.8%,高氮用量降低幅度更大。進一步分析發(fā)現(xiàn),葉、根莖和全株氮素積累量與施氮量間呈顯著的正相關,單橋和范集試驗點相關系數分別為:葉0.860**和0.923**;根莖為 0.732*和0.865**;全株為 0.747*和0.886**。

3 討論與結論

在一定氮肥用量范圍內,生姜根莖產量隨施氮量的增加而提高,超過此范圍則增加不顯著甚至降低[6]。關于施氮量的高限由于研究條件的不同,差別較大,艾希珍[6]、徐坤[7,11]在山東的研究結果為N 600 kg/hm2,李錄久[5]在安徽的試驗結果為N 375 kg/hm2左右,張傳珂[16]在山東的試驗結果為N 331～428 kg/hm2,澳大利亞 Lee[8]的結果為N 336 kg/hm2。本研究結果表明,兩種不同肥力土壤下生姜根莖產量均表現(xiàn)為隨施氮量的加大先增加后降低,呈一元二次拋物線關系,N450處理產量達最高值。基礎土壤肥力較高的單橋和肥力較低的范集點適宜施氮量分別為485.8和446.3 kg/hm2;超過適宜施氮量,根莖重下降,分枝數和姜球數減少,根莖產量顯著降低。

生姜根莖蛋白質、維生素C、糖分和揮發(fā)性精油含量是生姜主要的營養(yǎng)品質指標。徐坤等[11]和艾希珍等[6]研究表明,適量施用氮肥可顯著提高生姜根莖蛋白質和姜精油含量,并有利于糖和維生素C的形成。本研究看出,無論是基礎肥力較高的土壤還是肥力較低的土壤,施用適量氮肥均能顯著提高生姜根莖粗蛋白、維生素C、糖分和姜精油含量,改善其營養(yǎng)品質。維生素C含量,兩種不同肥力土壤下存在差異,其中基礎肥力較高的土壤以N225處理最高,基礎肥力較低的土壤N450處理達到高峰。粗蛋白含量,基礎肥力較高的土壤N225處理最高,N450最低;肥力較低土壤下,隨施氮量的增加,根莖粗蛋白含量相應提高,N600處理達到高峰。糖分含量,兩種不同肥力土壤下均是N600處理最高,與Majumdar等[12]的研究結果相似。姜精油含量,N450處理最高,基礎肥力較低的土壤N450處理顯著高于N0處理。硝酸鹽和亞硝酸鹽含量是食品重要的安全品質指標,本研究發(fā)現(xiàn),隨氮肥用量的加大硝酸鹽和亞硝酸鹽含量迅速升高,與氮肥用量呈極顯著正相關,表明大量施氮會急劇增加姜根莖亞硝酸等有害物質的含量,這與李俊良等[17]在大白菜上的試驗結果相似。生姜作為調味品,雖然用量相對較少,對飲食安全威脅不大,但是新鮮幼嫩的姜塊可作為蔬菜鹽漬生食或炒食,硝酸鹽尤其是亞硝酸鹽含量過高會增加人們對亞硝酸鹽等有害物質的攝入量,對人類健康造成損害。但中低施氮量N225處理與對照N0處理間差異不明顯,說明適當控制氮肥施用量,硝酸鹽與亞硝酸鹽含量不會大幅度升高,N450處理也在食品安全范圍(低于432和4 mg/kg)。因此,合理施用氮肥對提高生姜產量、改善姜根莖品質具有重要作用。

施用氮肥對作物養(yǎng)分含量及吸收量的影響文獻較多[18-19],但以生姜為試材的則不多。Lee和Asher[8]研究表明,施用適量氮肥可促進生姜對氮的吸收,提高葉片含氮量。本試驗表明,兩種不同基礎肥力土壤下,施用適量氮肥的處理,生姜地上部莖、葉及地下根莖含氮量明顯提高,氮素吸收量顯著增多,氮素在姜根莖中的分配比例較大,表明施氮促進了生姜對氮的吸收利用。但是,過量施氮主要促進生姜地上部莖葉的生長,氮在莖葉中分配的比例較高,根莖較少,對地下根莖的膨大不利,單株根莖重反而降低,產量下降,氮肥利用效率也急劇降低。用量超過N 450 kg/hm2,氮素農學效率和氮肥利用率均很低。因此,生產上應適當控制氮肥用量,合理施氮,并采用NPK配合施用,以促進生姜對氮素的吸收利用,增加根莖產量,改善品質,提高氮肥利用效率,達到生姜高產優(yōu)質和環(huán)境友好的目標。

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