Effects of P fertilization rate on tuber yield， quality， plant physiological attributes and P use efficiency of Helianthus tuberosus

doi:10.11686/cyxb2021408

Abstract

Abstract:

This research aimed to provide reference data to promote efficient utilization and scientific management of phosphate （P） in farmland， and investigated the effect of P fertilization rate on Helianthus tuberosus tuber yield， tuber quality， plant physiological attributes and P use efficiency. Two field experiments were conducted over two consecutive growing seasons （2019-2020） at two sites （Yuanyang and Fangcheng County） in Henan Province， China. The details of the P fertilization treatments in the two growing seasons were as follows： 0， 60， 120， 180 and 240 kg P₂O₅·ha^-1 in 2019 and 0， 45， 90， 135， 180 and 225 kg P₂O₅·ha^-1 in 2020. The tuber yield， quality （inulin and reducing sugar content） at maturity and plant P accumulation， leaf chlorogenic acid content， leaf SPAD value， soluble sugar and soluble protein were determined. In addition， phosphorus harvest index （PHI）， apparent use efficiency of phosphorus （AUP， %） and agronomic efficiency of phosphorus use （AEP， kg·kg^-1） for H. tuberosus were also analyzed. The results indicated： 1） the application of P fertilizer significantly increased the fresh yield of H. tuberosus in both 2019 and 2020 growing seasons. An overall linear effect of P rate on tuber yield was observed with a yield step ［here say if it is a yield increase or yield decrease and at what rate of P fertilization it is seen］. The optimal P fertilization rates for the two growing seasons were 155 and 107 kg·ha^-1 for 2019 and 2020， respectively. Additionally， P application significantly increased the inulin and reducing sugar content of H. tuberosus tubers. Compared with the control treatments （0 kg·ha^-1） in the study， the average increase in the total sugar content was 11.6% in 2019 and 18.3% in 2020. 2） The plant physiological indicators， such as plant P accumulation， leaf chlorogenic acid content， leaf SPAD value， soluble sugar and soluble protein were increased with increasing P rate. 3） The PHI， AUP （%） and AEP （kg·kg^-1） were decreased with increasing the P rates. The values of PHI， AUP and AEP， averaged across P rates and for the two growing season were 0.813， 15.1% and 23.9 kg·kg^-1， respectively. Therefore， high rates of P fertilization in H. tuberosus significantly improved tuber yield and quality and enhanced the physiological and biochemical traits measured. Considering the yield and utilization efficiency of P fertilizer， the recommended P application rates for H. tuberosus， based on this experiment， are between 105-150 kg P₂O₅·ha^-1.

Key words: Helianthus tuberosus, yield, tuber quality, physiological traits, P utilization

Duo ZHANG, Lan-tao LI, Di LIN, Long-hui ZHENG, Sai-nan GENG, Wen-xuan SHI, Kai SHENG, Yu-hong MIAO, Yi-lun WANG. Effects of P fertilization rate on tuber yield， quality， plant physiological attributes and P use efficiency of Helianthus tuberosus[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(6): 139-149.

Figures/Tables 8

References 49

1	Huang Z R， Long X H， Li H Y， et al. Coupling effect of salt and fertilizer application on Helianthus tuberosus in soils of north Jiangsu coastal mudflat different in salt concentration. Acta Pedologica Sinica， 2010， 47（4）： 709-714.
	黄增荣，隆小华，李洪燕，等. 江苏北部滨海盐土盐肥耦合对菊芋生长和产量的影响. 土壤学报， 2010， 47（4）： 709-714.
2	Wang L H. Study on NPK deficiency symptoms and physiological characteristics of the Jerusalem artichoke during seedling period. Xining： Qinghai University， 2013.
	王丽慧. 菊芋苗期氮磷钾缺乏症状与生理特性研究. 西宁：青海大学， 2013.
3	Rossini F， Provenzano M E， Kuzmanović L， et al. Jerusalem artichoke （Helianthus tuberosus L.）： A versatile and sustainable crop for renewable energy production in Europe. Agronomy， 2019， 9： 528.
4	Long X H， Shao H B， Liu L， et al. Jerusalem artichoke： a sustainable biomass feedstock for biorefinery. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2016， 54： 1382-1388.
5	Hu S Q， Cai F P， Wang J M， et al. The planting and utilization of Jerusalem artichoke. Biomass Chemical Engineering， 2012， 46（1）： 51-54.
	胡素琴，蔡飞鹏，王建梅，等. 菊芋的种植和开发利用. 生物质化学工程， 2012， 46（1）： 51-54.
6	Kou Y H. Germplasm diversity and high-yield formation of Helianthus tuberosus L. Lanzhou： Lanzhou University， 2013.
	寇一翾. 菊芋种质资源多样性及高产量形成机理研究. 兰州：兰州大学， 2013.
7	Ueda Y， Yanagisawa S. Perception， transduction， and integration of nitrogen and phosphorus nutritional signals in the transcriptional regulatory network in plants. Journal of Experimental Botany， 2019， 70（15）： 3709-3717.
8	Yan X J， Ye D L， Wu L Q. Establishment of recommended index system of phosphate fertilizer for sweet maize in lateritic red soil region. Phosphate & Compound Fertilizer， 2021， 36（2）： 30-32.
	颜晓军，叶德练，吴良泉. 赤红壤区甜玉米磷肥推荐指标体系建立. 磷肥与复肥， 2021， 36（2）： 30-32.
9	Qu H P， Zhou L Q， Huang J S， et al. Research on phosphorus application rate based on sugarcane yield and phosphorus balance in soil. Scientia Agricultura Sinica， 2021， 54（13）： 2818-2829.
	区惠平，周柳强，黄金生，等. 基于甘蔗产量与土壤磷素平衡的磷肥施用量研究. 中国农业科学， 2021， 54（13）： 2818-2829.
10	Gong H Q， Xiang Y， Wu J C， et al. Using knowledge-based management for sustainable phosphorus use in China. Science of the Total Environment， 2021， 814： 152739.
11	Ma J C， He P， Xu X P， et al. Temporal and spatial changes in soil available phosphorus in China （1990-2012）. Field Crops Research， 2016， 192： 13-20.
12	Qu H P， Zhou L Q， Huang J S， et al. Effects of long-term different fertilization on sugarcane yield stability， fertilizer contribution rate and nutrition loss. Scientia Agricultura Sinica， 2018， 51（10）： 1931-1939.
	区惠平，周柳强，黄金生，等.长期不同施肥对甘蔗产量稳定性、肥料贡献率及养分流失的影响. 中国农业科学， 2018， 51（10）： 1931-1939.
13	Li Y， Steven ARE K， Huanf Z G， et al. Particulate N and P exports from sugarcane growing watershed are more influenced by suface runoff than fertilization. Agriculture Ecosystems & Environment， 2020， 302： 107087.
14	Duncan E G， O’Sulivan C A， Roper M M， et al. Influence of co-application of nitrogen with phosphorus， potassium and sulphur on the apparent efficiency of nitrogen fertiliser use， grain yield and protein content of wheat： Review. Field Crops Research， 2018， 226： 56-65.
15	Sun K G， Li B Q， Li C H， et al. Abundance and deficiency indices of soil available P for maize and fertilization recommendation in shajiang black soil areas-indices of soil available P based on ASI method. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2010， 26（21）： 167-171.
	孙克刚，李丙奇，李潮海，等. 砂姜黑土区玉米田土壤有效磷施肥指标及施磷推荐-基于ASI法的土壤养分丰缺指标. 中国农学通报， 2010， 26（21）： 167-171.
16	Yan X J， Chen X H， Ma C C， et al. What are the key factors affecting maize yield response to and agronomic efficiency of phosphorus fertilizer in China？ Field Crops Research， 2021， 270： 108221.
17	Taliman N A， Dong Q， Echigo K， et al. Effect of phosphorus fertilization on the growth， photosynthesis， nitrogen fixation， mineral accumulation， seed yield， and sed quality of a soybean low-phytate line. Plants， 2019， 8（5）： 119.
18	Yan X J， Ye D L， Su D， et al. Effects of phosphorus application on phosphorus uptake and utilization of sweet corn. Acta Agronomica Sinica， 2021， 47（1）： 169-176.
	颜晓军，叶德练，苏达，等. 磷肥用量对甜玉米磷素吸收利用的影响. 作物学报， 2021， 47（1）： 169-176.
19	Lu Y， Li X L， Yu T Y， et al. Response of root morphology， leaf physiology and yield of stay-green and presenility types of peanut to foliar phosphorus application. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2020， 26（3）： 532-540.
	路亚，李晓亮，于天一，等. 持绿和早衰花生品种根系形态、叶片生理及产量对叶面喷施磷肥的响应. 植物营养与肥料学报， 2020， 26（3）： 532-540.
20	Wang T， Zhang S H， Yan S P， et al. Effects of drought stress and application amount of phosphorus fertilizer on morphological and physiological characteristics of potato roots. Agricultural Research in the Arid Areas， 2020， 38（1）： 117-124.
	王天，张舒涵，闫士朋，等. 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯根系形态及生理特征的影响. 干旱地区农业研究， 2020， 38（1）： 117-124.
21	Lang M， Christie P， Zhang J L， et al. Long-term phosphorus application to a maize monoculture influences the soil microbial community and its feedback effects on maize seedling biomass. Applied Soil Ecology， 2018， 128： 12-22.
22	Zhao W， Zhen T Y， Zhang Z S， et al. Increasing phosphate fertilizer application to improve photosynthetic capacity and yield of summer soybean in weak light environment. Acta Agronomica Sinica， 2020， 46（2）： 249-258.
	赵伟，甄天悦，张子山，等. 增施磷肥提高弱光环境中夏大豆叶片光合能力及产量. 作物学报， 2020， 46（2）： 249-258.
23	Li R， Wang L L， Tan Z， et al. Effect of nitrogen and phosphorus interaction on nitrogen utilization and starch quality of weak gluten wheat. Soils and Fertilizers Sciences in China， 2021（3）： 27-34.
	李瑞，王玲玲，谭植，等. 氮磷互作对弱筋小麦氮素利用与籽粒淀粉品质的影响. 中国土壤与肥料， 2021（3）： 27-34.
24	Chen C J， Ma L， Miao Y H， et al. Effects of phosphorus application rate on the growth and quality of Artemisia argyi. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2021， 27（8）： 1420-1431.
	陈昌婕，马琳，苗玉焕，等. 磷肥施用量对蕲艾生长和品质的影响. 植物营养与肥料学报， 2021， 27（8）： 1420-1431.
25	Hui X L， Luo L C， Wang S， et al. Critical concentration of available soil phosphorus for grain yield and zinc nutrition of winter wheat in a zinc-deficient calcareous soil. Plant and Soil， 2019， 444（1）： 315-330.
26	Liu Z J， Zhu H， Zhang Z X， et al. Current status of fertilization， distribution of N and P in soil profiles and techniques for reducing fertilizer application and improving efficiency in China’s apple orchards. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2021， 27（7）： 1294-1304.
	刘占军，祝慧，张振兴，等. 我国苹果园施肥现状、土壤剖面氮磷分布特征及减肥增效技术. 植物营养与肥料学报， 2021， 27（7）： 1294-1304.
27	Wo Y， Huang J Y， Yang N， et al. Effects of phosphorus addition at budding stage on biomass and material distribution of jerusalem artichoke. Acta Agrestia Sinica， 2021， 29（7）： 1594-1598.
	沃野，黄佳媛，杨宁，等. 现蕾期磷添加对菊芋块茎产量及物质分配规律的影响. 草地学报， 2021， 29（7）： 1594-1598.
28	Sun X E， Meng X F， Liu Z P， et al. Effects of nitrogen and phosphorus interaction on the tuber yield and its quality of jerusalem artichoke. Chinese Journal of Ecology， 2013， 32（2）： 363-367.
	孙晓娥，孟宪法，刘兆普，等. 氮磷互作对菊芋块茎产量和品质的影响. 生态学杂志， 2013， 32（2）： 363-367.
29	Li H S. Principles and techniques of plant physiological biochemical experiment. Beijing： Higher Education Press， 2002.
	李合生. 植物生理生化试验原理和技术. 北京：高等教育出版社， 2002.
30	Bao S D. Soil analysis in agricultural chemistry. Beijing： China Agriculture Press， 2000.
	鲍士旦. 土壤农化分析. 北京：中国农业出版社， 2000.
31	Irosarri P， Zhebentyateva T， Eeewa P， et al. Differential expression of phenylalanine ammonia lyase （PAL） genes implies distinct roles in development of graft incompatibility symptoms in Prunus. Scientia Horticulturae， 2016， 204： 16-24.
32	Huang M， Wang Z H， Luo L C， et al. Effects of ridge mulching， furrow seeding， and optimized fertilizer placement on NPK uptake and utilization in dryland wheat. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2018， 24（5）： 1158-1168.
	黄明，王朝辉，罗来超，等. 垄覆沟播及施肥位置优化对旱地小麦氮磷钾吸收利用的影响. 植物营养与肥料学报， 2018， 24（5）： 1158-1168.
33	Lu Y H， Nie J， Liao Y L， et al. Effects of urease and nitrification inhibitor on yield， nitrogen efficiency and soil nitrogen balance under double-rice cropping system. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2018， 24（1）： 95-104.
	鲁艳红，聂军，廖育林，等. 氮素抑制剂对双季稻产量、氮素利用效率及土壤氮平衡的影响. 植物营养与肥料学报， 2018， 24（1）： 95-104.
34	Kumari K， Samantaray S， Dinabandhu S， et al. Nitrogen， phosphorus and high CO₂ modulate photosynthesis， biomass and lipid production in the green alga Chlorella vulgaris. Photosynthesis Research， 2021， 148： 17-32.
35	Nasr Esfahani M， Inoue K， Nguyen K H， et al. Phosphate or nitrate imbalance induces stronger molecular responses than combined nutrient deprivation in roots and leaves of chickpea plants. Plant， Cell & Environment， 2021， 44： 574-597.
36	Xiao Y M. Effects of phosphorus nutrition on growth and photosynthetic characteristics of jerusalem artichoke at different growth stages. Lanzhou： Lanzhou University， 2018.
	肖雨萌. 磷素营养水平对不同生育期菊芋生长及光合特性的影响.兰州：兰州大学， 2018.
37	Li L T， Wang S Q， Ren T， et al. Evaluating models of leaf phosphorus content of winter oilseed rape based on hyperspectral data. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（14）： 209-218.
	李岚涛，汪善勤，任涛，等. 基于高光谱的冬油菜叶片磷含量诊断模型. 农业工程学报， 2016， 32（14）： 209-218.
38	Li W C， Zhang J， Yu C W， et al. Extraction， degree of polymerization determination and prebiotic effect evaluation of inulin from Jerusalem artichoke. Carbohydrate Polymers， 2015， 121： 315-319.
39	Radovanovic A， Stojceska V， Plunkett A， et al. The use of dry Jerusalem artichoke as a functional nutrient in developing extruded food with low glycaemic index. Food Chemistry， 2015， 177： 81-88.
40	Liang Z Y， Soranno P A， Wagner T. The role of phosphorus and nitrogen on chlorophyll a： Evidence from hundreds of lakes. Water Research， 2020， 185： 116236.
41	Carstensen A， Szameitat A E， Frydenvang J， et al. Chlorophyll a fluorescence analysis can detect phosphorus deficiency under field conditions and is an effective tool to prevent grain yield reductions in spring barley （Hordeum vulgare L.）. Plant and Soil， 2019， 434： 79-91.
42	Jin X， Zeng X Y， Qi C G， et al. Influences of phosphorus application level on maize arbuscular mycorrhizal colonization and hyphal acquisition to heterogeneous phosphorus supply. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers， 2018， 24（1）： 163-169.
	金鑫，曾新颖，齐昌国，等. 供磷水平对玉米丛枝菌根侵染及其对异质养分吸收的影响. 植物营养与肥料学报， 2018， 24（1）： 163-169.
43	Zhao M L. Development and application prospect of functional nutritional value of Helianthus tuberosus L. Vegetables， 2020（9）： 40-45.
	赵孟良. 菊芋的功能营养价值开发及应用前景. 蔬菜， 2020（9）： 40-45.
44	Yue H L， Bi H T， Yu R T， et al. Research of the contents variation of chlorogenic acid in leaves of Helianthus tuberosus L. during different growth stages in Chaidamu. Science and Technology of Food Industry， 2014， 35（1）： 283-285.
	岳会兰，毕宏涛，于瑞涛，等. 柴达木盆地不同生长期菊芋叶片绿原酸含量变化规律研究. 食品工业科技， 2014， 35（1）： 283-285.
45	Fang Z S， Gao L H， Zhang E H， et al. Effect of nitrogen and phosphorus fertilizer on yield and quality of Notopterygium franchetii. Acta Prataculturae Sinica， 2010， 19（4）： 54-60.
	方子森，高凌花，张恩和，等. 人工施用氮肥、磷肥对宽叶羌活产量和质量的影响. 草业学报， 2010， 19（4）： 54-60.
46	Liu D H， Liu W， Zhu D W， et al. Effects of phosphate fertilizer on active ingredients and antioxidant activities of Chrysanthemum morifolium. China Journal of Chinese Materia Medica， 2010， 35（17）： 2236-2241.
	刘大会，刘伟，朱端卫，等. 施用磷肥对菊花活性成分及清除自由基能力的影响. 中国中药杂志， 2010， 35（17）： 2236-2241.
47	Wang L， Long X H， Hao L X， et al. Effects of nitrogen form on the photochemical efficiency of PS Ⅱ and antioxidant characteristics of jerusalem artichoke seedling under salt stress. Acta Prataculturae Sinica， 2012， 21（1）： 133-140.
	王磊，隆小华，郝连香，等. 氮素形态对盐胁迫下菊芋幼苗PSⅡ光化学效率及抗氧化特性的影响. 草业学报， 2012， 21（1）： 133-140.
48	Hou Y P， Wang L C， Li Q， et al. Research on optimum phosphorus fertilizer rate based on maize yield and phosphorus balance in soil under film mulched drip irrigation conditions. Scientia Agricultura Sinica， 2019， 52（20）： 3573-3584.
	侯云鹏，王立春，李前，等. 覆膜滴灌条件下基于玉米产量和土壤磷素平衡的磷肥适用量研究. 中国农业科学， 2019， 52（20）： 3573-3584.
49	Zhang Z H， Gao S P， Chu C C. Improvement of nutrient use efficiency in rice： current toolbox and future perspectives. Theoretical and Applied Genetics， 2020， 133： 1365-1384.

2019 原阳 Yuanyang			2020 南阳 Nanyang
磷肥用量 P application rates （kg·hm^-2）	菊糖含量 Inulin content （mg·g^-1）	还原糖含量 Reducing sugar content （mg·g^-1）	磷肥用量 P application rates （kg·hm^-2）	菊糖含量 Inulin content （mg·g^-1）	还原糖含量 Reducing sugar content （mg·g^-1）
0	467.2c	51.4c	0	401.2c	41.9d
60	492.4bc	55.4c	45	417.4c	49.6c
120	513.9ab	68.4a	90	445.8b	54.3b
180	526.7a	68.3a	135	488.7a	56.7ab
240	525.1a	66.8ab	180	490.7a	56.9ab
			225	501.0a	59.3a

2019 原阳 Yuanyang			2020 南阳 Nanyang
磷肥用量 P application rates （kg·hm^-2）	菊糖含量 Inulin content （mg·g^-1）	还原糖含量 Reducing sugar content （mg·g^-1）	磷肥用量 P application rates （kg·hm^-2）	菊糖含量 Inulin content （mg·g^-1）	还原糖含量 Reducing sugar content （mg·g^-1）
0	467.2c	51.4c	0	401.2c	41.9d
60	492.4bc	55.4c	45	417.4c	49.6c
120	513.9ab	68.4a	90	445.8b	54.3b
180	526.7a	68.3a	135	488.7a	56.7ab
240	525.1a	66.8ab	180	490.7a	56.9ab
			225	501.0a	59.3a

地点 Sites	磷肥用量 P rates （kg·hm^-2）	可溶性蛋白Soluble protein （mg·g^-1 fresh weight）				可溶性糖Soluble sugar （mg·g^-1 fresh weight）
地点 Sites	磷肥用量 P rates （kg·hm^-2）	营养生长前期Early the vegetative period	营养生长中期Medium the vegetative period	营养生长末期 Late the vegetative period	开花期 Flowering period	营养生长前期Early the vegetative period	营养生长中期Medium the vegetative period	营养生长末期Late the vegetative period	开花期 Flowering period
2019原阳 Yuanyang	0	4.227c	4.163c	4.203b	3.777c	0.487b	0.500c	0.563b	0.587d
	60	4.340b	4.420b	4.350ab	3.887bc	0.563b	0.553bc	0.630b	0.632c
	120	4.413b	4.537ab	4.490ab	4.120ab	0.677a	0.620b	0.733a	0.667b
	180	4.550a	4.560ab	4.577a	4.250a	0.750a	0.737a	0.760a	0.700a
	240	4.543a	4.640a	4.563a	4.157a	0.743a	0.727a	0.740a	0.710a
2020南阳 Nanyang	0	4.077d	5.237c	4.113b	2.980d	0.563d	0.653c	0.633b	0.477c
	45	4.700c	5.567bc	4.143ab	3.237c	0.607cd	0.697bc	0.703a	0.507bc
	90	4.800bc	5.787ab	4.447ab	3.443bc	0.643bc	0.727bc	0.750a	0.547abc
	135	5.080ab	6.027ab	4.503ab	3.657b	0.690ab	0.750ab	0.757a	0.567ab
	180	5.213a	6.267a	4.990a	4.037a	0.727a	0.810a	0.770a	0.593a
	225	5.157a	6.280a	4.890a	4.070a	0.730a	0.827a	0.763a	0.587a

地点 Sites	磷肥用量 P rates （kg·hm^-2）	可溶性蛋白Soluble protein （mg·g^-1 fresh weight）				可溶性糖Soluble sugar （mg·g^-1 fresh weight）
地点 Sites	磷肥用量 P rates （kg·hm^-2）	营养生长前期Early the vegetative period	营养生长中期Medium the vegetative period	营养生长末期 Late the vegetative period	开花期 Flowering period	营养生长前期Early the vegetative period	营养生长中期Medium the vegetative period	营养生长末期Late the vegetative period	开花期 Flowering period
2019原阳 Yuanyang	0	4.227c	4.163c	4.203b	3.777c	0.487b	0.500c	0.563b	0.587d
	60	4.340b	4.420b	4.350ab	3.887bc	0.563b	0.553bc	0.630b	0.632c
	120	4.413b	4.537ab	4.490ab	4.120ab	0.677a	0.620b	0.733a	0.667b
	180	4.550a	4.560ab	4.577a	4.250a	0.750a	0.737a	0.760a	0.700a
	240	4.543a	4.640a	4.563a	4.157a	0.743a	0.727a	0.740a	0.710a
2020南阳 Nanyang	0	4.077d	5.237c	4.113b	2.980d	0.563d	0.653c	0.633b	0.477c
	45	4.700c	5.567bc	4.143ab	3.237c	0.607cd	0.697bc	0.703a	0.507bc
	90	4.800bc	5.787ab	4.447ab	3.443bc	0.643bc	0.727bc	0.750a	0.547abc
	135	5.080ab	6.027ab	4.503ab	3.657b	0.690ab	0.750ab	0.757a	0.567ab
	180	5.213a	6.267a	4.990a	4.037a	0.727a	0.810a	0.770a	0.593a
	225	5.157a	6.280a	4.890a	4.070a	0.730a	0.827a	0.763a	0.587a

2019 原阳 Yuanyang				2020 南阳Nanyang
磷肥用量 P rates （kg·hm^-2）	磷素收获指数 PHI	磷肥利用率（AUP， %）	磷肥农学效率（AEP， kg·kg^-1）	磷肥用量 P rates（kg·hm^-2）	磷素收获指数 PHI	磷肥利用率（AUP， %）	磷肥农学效率（AEP， kg·kg^-1）
0	0.897	-	-	0	0.894	-	-
60	0.875	12.4	24.7	45	0.875	21.5	37.3
120	0.835	11.0	16.8	90	0.842	21.6	43.0
180	0.800	12.1	17.0	135	0.778	18.4	26.9
240	0.788	10.1	12.0	180	0.772	17.4	24.2
				225	0.750	11.5	13.6