施氮量對菊芋塊莖產量、品質與植株生理特性的影響

李嵐濤，張 鐸，盛 開，耿賽男，石紋碹，苗玉紅，王宜倫

（河南農業大學資源與環境學院，河南鄭州 450002）

菊芋(Helianthus tuberosusL.)又名洋姜、鬼子姜，為菊科向日葵屬多年生草本植物，具有耐旱、耐寒、耐鹽堿等特性，原產北美，經歐洲傳入我國，是近年來發展較快的新型經濟作物[1–2]。菊芋用途廣泛，功能多樣，其葉片、莖稈中含有豐富的蛋白質、可溶性糖等營養物質，粉碎后可用作牲畜飼料。研究表明，同等肥力條件下種植苜蓿其粗蛋白質產量為2070 kg/hm2，而菊芋則高達3000～3750 kg/hm2[3]。同時，菊芋葉片中豐富的綠原酸成分被稱為“第七大類營養素”，廣泛應用于醫療和保健領域[4]。此外，新鮮菊芋塊莖中高含量的菊糖和還原糖可為韋氏桿菌與雙歧桿菌等腸道益生菌群提供充足的能量底物，優化腸道菌群結構，增強動物免疫力[5]。2009年，菊芋被衛生部批準為“新資源食品五號”，并被聯合國糧農組織稱為“21世紀具有代表性的典型膳食纖維食品”。因此，深入研究營養元素供應對菊芋產量、品質及生理響應特征的影響具有重要意義。

在作物所必需的17種營養元素中，氮(N)是菊芋需求量最多也是質量分數最高的營養元素，其植株干體中氮含量占0.4%～5.0%，對產量的貢獻則高達40%～60%。從品質上來講，菊糖和還原糖是菊芋塊莖含量最高的兩大非結構性碳水化合物(約占塊莖鮮重的85%以上)，而氮素則是菊芋進行光合作用并開展碳同化物的生產、運輸、分配的一個重要營養因子。因此氮素與菊芋塊莖品質特性關系緊密[2, 4]。此外，氮同時廣泛參與菊芋結構組成和諸多生理代謝過程，對產量形成、品質構建和植株生長發育等均具有重要作用[6]。相比于其他營養元素，菊芋對氮素響應則更為敏感，如缺氮時宏觀上表現為植株矮小，上部葉易發黃失綠、下部葉提早衰落；在生理功能上表現為葉綠素、蛋白質含量降低，光合作用減弱，細胞分裂延緩等。氮肥過多時植株生長茂盛，葉片呈深綠色、葉色分層現象明顯降低，植株后期易倒伏且品質下降等[7–8]。分析發現，目前關于作物氮素營養特性方面的研究主要集中在糧食作物[9–10]、蔬菜[11]和其他經濟作物上[12]，而菊芋作為一種新興的經濟和能源作物，其氮營養方面的報道則相對較少。鐘啟文等[13]研究了菊芋生長發育動態及氮素營養吸收分配規律，發現施氮對菊芋莖葉生長發育影響較大；隆小華等[14]發現，海水灌溉條件下施用氮肥可顯著影響菊芋對鈉、鈣和鎂等中微量元素的吸收。前人研究雖基本明確了菊芋氮肥施用的增產效應及生長發育規律，但田間條件下關于氮素對成熟期菊芋塊莖產量、品質及各生育期理化指標的影響的系統分析以及關鍵因子分析的報道還相對匱乏?；诖?，本研究通過2019和2020年兩年氮肥梯度田間試驗，深入探究了菊芋塊莖產量、品質及營養生長和生殖生長期各生理指標(植株氮積累量、葉綠素、綠原酸、可溶性糖、可溶性蛋白、木質素、纖維素含量等)對氮肥施用的響應特征，并結合偏最小二乘回歸模型確定關鍵營養指標，為菊芋氮肥優化施用及構建高效氮營養管理策略提供試驗支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及供試材料

連續兩年分別于河南省新鄉市原陽縣(2019年3—11 月，35°6′ N、113°56′ E)和南陽市方城縣(2020 年 3—11 月，33°16′N、112°51′E)開展菊芋氮肥效應大田試驗。供試土壤原陽為砂質潮土，方城為壤質黃褐土，0—20 cm耕層土壤理化性狀如表1所示。供試菊芋品種均為“南芋1號”，栽培密度為 27000 株/hm2。

表1 試驗田土壤基礎養分狀況Table 1 Soil fertility of the experimental sites

1.2 試驗設計與方法

2019年氮肥試驗共設6個氮處理水平，分別為N 0、60、120、180、240 和 300 kg/hm2，2020 年設N 0、90、180、270 和 360 kg/hm25 個氮處理。小區面積為 20 m2(4.0 m×5.0 m)，每個處理 3 次重復，隨機區組排列。除氮肥外，各處理均施P2O5120 kg/hm2和 K2O 135 kg/hm2，所有肥料均作基肥于菊芋播種前一次性施入。供試肥料分別為ESN樹脂包膜尿素 (含 N 44%)、過磷酸鈣 (含 P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 54%)。出苗后定株。播種前灌水1次，營養生長末期人工澆水1次。6月和7月中旬分別人工除草1次。原陽于2019年3月18日播種，11月4日收獲；南陽市方城于2020年3月24日播種，11月12日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 菊芋塊莖產量和品質測定 于菊芋成熟期，將各小區測產區(10 m2)菊芋全部單刨、單收，稱鮮重，根據已采植株樣及占用面積計算單位面積塊莖產量(kg/hm2)。此后，各小區選取6株代表性菊芋塊莖樣品洗凈晾干，切塊后于105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重，磨粉過25 mm篩。采用苯酚－硫酸法測定菊芋塊莖總糖含量，采用3, 5-二硝基水楊酸比色法(DNS)測定還原糖含量[15]。菊糖含量=總糖含量–還原糖含量。

1.3.2 菊芋生理生化指標測定 分別于菊芋營養生長前期、營養生長中期、營養生長末期和開花期，各小區選取10株長勢一致的植株，采用日本產Minolta SPAD-502型葉綠素計，沿主莖自上而下測其冠層上、中和下層代表性完全展開葉SPAD值，將同一小區內測試結果求取平均值。隨后，從10株菊芋中選取4株，烘干、稱重，計算生物量(kg/hm2)；采用H2SO4–H2O2法測定地上部植株氮含量(%)，計算植株氮素積累量(kg/hm2)。參照YC/T 202—2006行業標準，用高效液相色譜法(HPLC)測定葉片綠原酸含量[16]；采用蒽酮比色法測定葉片可溶性糖含量；采用考馬斯亮藍法測定葉片可溶性蛋白含量；采用比色法測定葉片纖維素和木質素含量[15]。

1.4 數據處理與分析

在明確不同氮素水平下菊芋成熟期塊莖產量、品質(因變量)和各生育期理化指標(自變量)變化特性之后，采用可有效解決自變量間具有多重共線性問題的偏最小二乘回歸模型 (partial least square，PLS)定量表征兩變量間關系，明晰影響產量和品質變化的關鍵因子。PLS模型集典型相關分析、多元線性回歸分析和主成分分析為一體，不僅可有效降低因子分析維度，同時又可從多維自變量中尋求影響因變量的關鍵主控因子，構建高魯棒性分析模型[17]。PLS模型監測精度采用實測值與預測值間決定系數(coefficient of determination，R2)、均方根誤差 (root mean square error，RMSE)和相對分析誤差 (relative percent deviation，RPD)來表征。R2和 RPD 值越高，RMSE值越低，表明模型精準度和穩定性越強。關鍵指標選擇采用PLS模型中的無量綱評價指標變量重要性投影值 (variable importance for projection，VIP)來確定。VIP值可以快速、直觀和定量地反映出各自變量在預測因變量時的重要程度，其臨界值為1.0，值越高，表明該因子敏感度和影響力越強。

基礎數據輸入和分析采用Excel 2007軟件進行；方差分析采用SPSS 20.0進行；利用Matlab R2012a中PLS插件進行模型精度的定量評估和關鍵因子選擇；采用Origin 2019軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 施氮量對成熟期菊芋塊莖產量的影響

施氮量顯著影響成熟期菊芋塊莖產量(圖1)。與對照(0 kg/hm2)相比，2019和2020年施氮處理菊芋塊莖產量增幅分別平均為157.4%和175.8%，增產效果顯著。綜合各氮肥處理平均值，2019和2020年菊芋塊莖產量分別平均為23682和33862 kg/hm2。此外，兩年度菊芋塊莖產量均隨氮肥用量增加呈“先升高后趨于平穩”的趨勢，分別將產量與施氮量利用“線性加平臺”函數擬合，得出2019與2020年度菊芋最優施氮量分別為232和270 kg/hm2，對應產量分別為36065和47435 kg/hm2。綜合兩年度試驗結果，建議菊芋適宜施氮量為230～270 kg/hm2。

圖1 不同氮肥用量下成熟期菊芋塊莖產量Fig. 1 The fresh weight ofHelianthus tuberosus L. tubers at maturity under different N application rates

2.2 施氮量對成熟期菊芋塊莖品質的影響

由表2可知，成熟期菊芋塊莖品質指標菊糖與還原糖含量受氮肥用量影響顯著。2年試驗結果均呈現出隨施氮量增加先顯著升高后趨于穩定的趨勢。2019年，與不施氮相比，施氮量為60、120、180、240和300 kg/hm2菊糖含量分別增加4.7%、11.1%、18.8%、22.5%和23.1%，平均增幅為16.0%；還原糖含量則分別提高14.1%、31.6%、52.5%、83.8%和92.3%，平均增幅為54.9%。2020年，與對照相比，施氮后菊芋塊莖菊糖和還原糖含量增幅分別平均為18.1%和31.9%，效果顯著。兩年度綜合分析，與對照相比，施氮處理菊芋塊莖菊糖和還原糖含量增幅分別平均為19.4%和47.3%。

表2 不同氮肥用量下成熟期菊芋塊莖菊糖和還原糖含量Table 2 The inulin and reducing sugar contents ofHelianthus tuberosus L. tubers at maturity under different N application rates

2.3 施氮量對不同生育期菊芋植株氮積累量的影響

隨生育期推進菊芋地上部植株氮素積累量呈先升高后降低式變化，至營養生長末期時達到峰值(圖2)。2019年，營養生長前期、中期、末期和開花期各施氮處理其地上部植株氮積累量平均值分別為90.4、138.3、236.4 和 68.5 kg/hm2，2020 年則分別為 93.6、151.0、298.6 和 101.9 kg/hm2。氮肥處理間，隨氮肥用量增加菊芋各生育期地上部植株氮積累量均明顯提高。營養生長期內，2019年施氮處理氮素積累量平均值為172.4 kg/hm2，較對照提高153.0%，開花期施氮處理與對照相比增幅為177.3%；2020年營養生長期和開花期內施氮處理其氮素積累量分別平均為206.4和117.6 kg/hm2，較對照分別增加157.7%和201.1%，與2019年相比增幅略有提升。

圖2 不同氮肥用量下各生育期菊芋地上部植株氮積累量Fig. 2 N accumulation in aboveground ofHelianthus tuberosus L. in each growth period under different N application rates

2.4 施氮量對不同生育期菊芋葉片綠原酸含量的影響

綠原酸是抗菌、抗病毒的有效藥理成分，被稱為“第七大類營養素”。菊芋葉片中含有豐富的綠原酸成分，合理施用氮肥可有效提高其葉片中綠原酸含量(圖3)。綜合兩年度試驗結果，生育期間，營養生長前期、中期、末期和開花期不同氮營養水平下菊芋葉片綠原酸含量平均值分別為0.382%、0.387%、0.376%和0.371%，即營養生長期大于生殖生長期，且在營養生長中期(播種后110天左右)時最高。氮肥處理間，隨氮肥用量增加其葉片綠原酸含量顯著提高。與不施氮相比，營養生長前期、中期、末期和開花期施氮處理綠原酸含量分別平均提高32.8%、22.7%、14.9%和18.9%。

圖3 不同氮肥用量下各生育期菊芋葉片綠原酸含量Fig. 3 Chlorogenic acid content ofHelianthus tuberosus L. in each growth period under different N application rates

2.5 施氮量對不同生育期菊芋葉片SPAD值、可溶性糖和蛋白質含量的影響

氮素水平對菊芋葉片SPAD值、可溶性糖及可溶性蛋白含量影響均較顯著(表3)。隨氮肥用量增加，上述指標均呈逐步升高趨勢，當施氮量在0～240 kg/hm2(2019 年)和 0～270 kg/hm2(2020 年)時，處理間差異性達5%顯著性水平，進一步增加施氮量分別至300和360 kg/hm2時處理間則差異不顯著。綜合各生育期結果，施氮處理葉片SPAD、可溶性糖和可溶性蛋白質平均含量分別為52.9、0.507和3.740 mg/g，與對照相比，增幅分別為12.5%、8.5%和17.6%。

表3 不同氮肥用量下各生育期菊芋葉片SPAD值、可溶性糖和可溶性蛋白含量Table 3 Leaf SPAD value, soluble sugar, and soluble protein content ofHelianthus tuberosus L.in each growth period under different N application rates

2.6 施氮量對不同生育期菊芋葉片木質素和纖維素含量的影響

隨著氮肥用量的增加，菊芋葉片木質素含量呈逐步下降趨勢(表4)。營養生長前期、中期、末期和開花期施氮處理葉片木質素含量平均值分別為11.1%、9.1%、9.6%和9.5%，與對照不施氮相比降幅分別為23.5%、15.4%、14.1%和9.9%。葉片纖維素含量變化趨勢則與此相反，隨氮肥用量增加而顯著升高(表4)。相比于不施氮處理，氮肥施用后上述4個生育期其葉片纖維素含量分別平均提高38.9%、23.3%、23.7%和23.3%，增幅顯著。

表4 氮肥用量對不同生育期菊芋葉片木質素和纖維素含量 (%) 的影響Table 4 Effects of N application rate on leaf lignin and cellulose content (%) ofHelianthus tuberosus L.at different growth periods

2.7 影響菊芋塊莖產量和品質的主控因子分析

綜合2019、2020年兩個試驗的4個關鍵生育期數據，建立了生育期各指標與塊莖產量、品質間的整體回歸PLS模型，并計算了模型的精準度與可靠性(表5)。結果表明，生育期間菊芋葉片各理化指標與成熟期塊莖產量、菊糖和還原糖含量間的PLS模型的決定系數(R2)均大于0.60，相對分析誤差值(RPD)均高于臨界值1.40，表明PLS模型精準度和穩定性均較高。因此，采用PLS模型定量分析菊芋不同理化指標與產量、品質間回歸關系，揭示指示產量、品質變化的關鍵因子具有較高的可行性。

表5 PLS模型描述的菊芋各指標與塊莖產量和品質定量關系的精度分析Table 5 Robustness of a PLS model describing the relationship between the indicators, yield, and quality of Helianthus tuberosus L.

采用PLS模型的變量重要性投影值(VIP)分析方法，定量計算了各理化指標對菊芋塊莖產量、菊糖和可溶性糖的影響力VIP值(圖4)。VIP臨界閾值通常為1.0，其值越大，則表明該指標在預測因變量變化時的影響力越強，緊密度越高?；诖耍_定葉片SPAD值為菊芋塊莖產量和還原糖含量變化響應的最關鍵因子，綠原酸次之；葉片綠原酸含量為響應塊莖菊糖含量變化的最關鍵因子，可溶性蛋白含量次之。

圖4 基于PLS回歸模型的菊芋塊莖產量和品質主控因子分析Fig. 4 Identification of the main controlling factors of Helianthus tuberosus L. yield and quality based on a PLS model

3 討論

3.1 施氮量對菊芋塊莖產量和品質的影響

氮是作物所必需的三大營養元素之一，直接影響作物光合作用和生長發育特性，并最終影響其產量形成和品質構建[18–19]。目前，有關氮肥對作物產量影響的報道相對較多，均認為氮素營養是限制作物高產的關鍵因素，在一定量施氮范圍內作物產量隨氮肥用量增加而提高，當超過一定閾值后繼續增施氮肥產量進入一個平臺或呈現下降效應，造成資源浪費和環境污染[20–21]。主要原因是由于當氮肥用量超過作物適宜施氮量后，其光合作用效能下降，物質合成與轉運能力降低。此外，過量的氮肥使作物出現氮營養的奢侈吸收現象，長勢上貪青晚熟，抗病、抗逆能力降低，繼而影響產量形成[22]。本試驗在菊芋上的研究結果與在其它作物上的研究結果相一致，即隨氮肥用量增加，菊芋塊莖產量呈“線性加平臺”趨勢變化，2019與2020年菊芋適宜施氮量分別為232和270 kg/hm2，遠低于試驗所設置高氮水平 300 與 360 kg/hm2(圖 1)。此外，綜合各氮肥處理平均值，發現2019年度原陽菊芋塊莖產量平均值為23682 kg/hm2，2020 年度方城為 33862 kg/hm2，而兩者土壤基礎肥力則基本一致，主要原因在于原陽菊芋營養生長前期(2019年5月份)降雨量較少(5月份氣象觀測站統計降雨量為1.0 mm)，出現了輕微的缺水干旱情況。2020年方城則緊鄰水源地，灌溉設施較為完備，未出現干旱缺水現象。菊糖和還原糖是菊芋塊莖所特有的兩大世界公認的小分子可溶性糖，常用來做食品、保健品和醫藥用品的添加劑，用途廣泛。研究表明，氮肥對作物光合作用具有明顯的調節作用，可顯著增強植株光合功能，從而有效提高體內可溶性糖、果糖和蔗糖含量，但過量施氮卻不利于糖分的積累[23]。在其他作物如玉米[24]、馬鈴薯[25]等的研究同樣表明，合理施氮可顯著提高其體內可溶性糖含量。氮代謝在一定程度上可促進碳代謝，進而促進還原糖和可溶性糖的形成。本研究結果顯示，合理施用氮肥可顯著提高成熟期菊芋塊莖菊糖和還原糖含量(表2)，表明優化施氮可促進菊芋光合作用和碳氮代謝水平，該結果與前人研究結論相一致。

3.2 施氮量對菊芋植株生理特性的影響

氮是植物體內諸多重要有機化合物的關鍵組分，也是遺傳物質的基礎。缺氮時，作物生長減緩，苗小苗弱，莖稈纖細，生物量降低；葉片細小直立，葉色淡綠，光合色素減少等[26]。研究表明，缺氮對菊芋的影響主要表現在葉綠素含量下降后出現葉片黃化、光合強度減弱和光合產物減少等[27]。王麗慧[28]研究認為，苗期氮素缺乏對菊芋生長發育具有明顯的抑制效應，光合色素含量與植株生物量顯著低于正常施氮處理。孫曉娥[2]開展的田間試驗結果表明，合理施氮可有效促進菊芋生長和莖葉干物質積累，提高莖葉干物質向塊莖轉運效率，優化氮素在各器官中的分配。本研究結果同樣表明，合理施用氮肥可顯著提高各生育期菊芋地上部氮素積累量，提高葉片SPAD值，增強葉片葉綠素合成(圖2、表3)。可溶性糖和可溶性蛋白是植物細胞中重要的滲透調節物質，可有效增強植物細胞吸水，維持細胞滲透壓和滲透勢。因此其含量高低可有效反映作物抗逆能力大小[7]。本試驗結果顯示，菊芋葉片可溶性糖和可溶性蛋白含量隨氮肥用量增加呈逐步升高趨勢，但增幅逐步降低(表3)，表明合理施氮可優化菊芋滲透調節作用，增強碳氮代謝朝著更有利于滲透調節的有機物生產方向轉運，如蛋白質、氨基酸和次生代謝物甜菜堿等。纖維素和木質素是決定作物細胞壁強度和機械強度的主要次生代謝物[29–30]。作物體內木質素缺乏易發生倒伏。木質素含量是衡量作物品種抗倒伏能力的一個重要指標[31]。氮肥施用雖是作物增產的主要栽培措施，但不合理施氮極易引起作物倒伏，主要是由于氮肥施用過多時作物生長發育速度過快，群體偏大時作物細胞壁拉長變細，木質化過程受阻而發育質量變差，在風雨天氣極易發生倒伏[32]。合理的氮肥施用可顯著提高作物木質素含量繼而改善其抗倒伏性。適當減少氮肥用量能夠增加植株冠層中下部木質素含量，增強植株抗倒伏能力[33]。本試驗中，不同生育期菊芋葉片木質素和纖維素含量受氮素影響顯著，隨氮肥用量增加，菊芋葉片木質素含量呈逐步下降趨勢，纖維素含量則與此相反(表4)，說明合理施氮促進菊芋木質素和纖維素的轉化合成，從而提高其抗倒伏能力。

3.3 影響菊芋產量和品質的關鍵指標分析

在明確氮營養對成熟期菊芋塊莖產量、品質(因變量)和各生育期理化指標(自變量)影響效應之后，定量分析兩者間關系，尋求關鍵主控因子，對揭示氮素營養內在增產增效機制具有重要作用。本研究結果表明，菊芋各生育期理化指標與塊莖產量、品質間具有較好的定量回歸關系，表明各自變量和因變量對氮肥效應響應特征具有高度的一致性(表5)。此外，PLS模型分析發現，影響菊芋塊莖產量和還原糖含量的關鍵因子為葉片SPAD值；影響菊糖含量的關鍵因子則為葉片綠原酸含量(圖4)。研究表明，氮素是構成葉綠素的重要成分，合理施氮有利于作物葉片葉綠素合成，改善其光合性能，加快碳氮代謝速率[34–35]。作物光合作用產物最終積累形成干物質，其積累、運轉和分配則直接影響植物經濟產量及品質。另有研究指出，作物葉片葉綠素含量決定著“葉源量”的高低，當植株受到外源營養脅迫時其葉綠素含量降低，光合能力下降，最終導致減產和品質惡化[36]。此外，作物高產的關鍵在于“源”大“庫”足?！霸础眲t主要是指單位時間內光合作用產物積累量，即凈光合作用強度。葉綠體是作物光合作用的場所，而其中的葉綠素則是作物參與光合途徑最為重要的物質來源[37]。菊芋作為多功能植物，其塊莖產量和品質均顯著受氮肥效應影響，在“施氮量—光合色素—光合作用—產量或品質”關系間產生線性影響效應[38]。綠原酸廣泛存在于植物體中，是植物有氧呼吸過程中產生的一種多酚類化合物，是菊芋重要的生理活性成分，受氮肥效應影響顯著[39]。研究表明，植物葉片中綠原酸含量與施氮量間具有明顯的線性相關性，在一定范圍內，施氮可有效提高植物葉片中綠原酸含量[40]。綜上，葉片SPAD值和綠原酸含量作為影響菊芋塊莖產量和品質的關鍵主控因子具有豐富的理論依據和因果關系。

4 結論

施氮可顯著提高成熟期菊芋塊莖產量，增加菊糖和還原糖含量。營養生長期和生殖生長期菊芋地上部植株氮素積累量、葉片綠原酸含量、葉片SPAD值、可溶性糖、可溶性蛋白、纖維素含量等理化指標均隨施氮量增加而明顯提高，木質素含量則逐步降低。PLS模型結果表明，影響菊芋塊莖產量和還原糖含量的關鍵主控因子為葉片SPAD值，影響菊糖含量的關鍵因子則為綠原酸含量。該試驗條件下菊芋適宜施氮量為 230～270 kg /hm2。