换液方式对生菜雾培营养液氮素利用的影响

毕 菲，张 蕾，姚宁宁，扎贝特，于海业

(1.吉林大学生物与农业工程学院，吉林 长春 130022；2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室，吉林 长春 130022)

换液方式对生菜雾培营养液氮素利用的影响

毕 菲1，2，张 蕾1，2，姚宁宁1，2，扎贝特1，2，于海业1，2

(1.吉林大学生物与农业工程学院，吉林 长春 130022；2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室，吉林 长春 130022)

为提高气雾栽培营养液使用效率、降低废弃营养液环境污染风险，从雾培营养液管理角度，以意大利生菜为研究对象，采用不同换液方式，研究了生菜生长过程中不同形态氮素的利用情况.结果表明：生菜移苗后21～30 d，营养液氮素，特别是硝氮(NO3-N)消耗较少，而消耗氮素的铵硝比例提高，适当降低该阶段营养液硝氮比例或提高氨氮比例，可一定程度上节省氮肥投入；随营养液循环使用时间的延长，营养液中不同形态氮素间存在明显的相互转化，并可能出现不同浓度的亚硝氮(NO2-N)；消耗的NO3-N存在植物吸收、形态转化等多个去向，仅以硝氮计量营养液氮素损失率并不能全面反映营养液被植物利用的效率；除氮素吸收速率对植物硝酸盐积累存在影响外，生长中后期硝氮供应不足对植物体内氮素的有效转化同样存在较大影响；三种换液方式对比，定期完全更换营养液的方法对降低蔬菜产品硝酸盐含量，提高植物氮素吸收、转化效率最有利.

雾培；营养液；生菜；氮素

我国传统集约化蔬菜种植复种指数高、氮肥使用量大，造成土壤的快速退化，特别是硝酸盐积累问题严重.[1]无土栽培作为可持续农业的主要组成部分之一，可有效避免作物连作带来的土壤问题.无土栽培营养液氮素(N)的合理供应对降低农业投入成本及废弃营养液的环境污染风险具有重要意义.[2]

无土栽培中营养液的循环供液方式仅通过补充矿物质元素调节电导率(EC)值，不向环境中排放任何废弃营养液，因而水肥利用率较高，且不造成环境污染，但基于其存在传播根病的危险及养分难于精确调控，目前除在荷兰，循环供液法被强制使用外，该封闭种植系统很少被用于商业生产领域.开放式供液多用于基质栽培，多余营养液不进行回收，管理更简单，肥料元素量更易控制，因而被广泛应用于蔬菜生产和花卉种植.除此之外，近年来国外学者针对营养液栽培，还提出一种半封闭系统栽培的营养液管理方式，在这一栽培系统中，循环营养液会被部分更换，以此避免营养液中部分离子浓度超过毒害阈值并尽量降低系统向环境中的N排放量.[3]

气雾栽培又称喷雾培或气培，是无固体基质培中的一种重要栽培方式，是目前无土栽培生产中水气矛盾解决最好的一种栽培方式.[4]气雾栽培的营养液是典型的循环利用方式，在科学研究试验中，通常采用定期换液的半封闭管理方式.本文从雾培营养液管理角度，通过研究不同的换液方式，探讨了生菜生长不同阶段的氮素利用率，为进一步提高气雾栽培中营养液的使用效率及蔬菜产品产量、品质奠定了理论基础.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为意大利生菜(LactucasativaL.var.ramosaHort.)，购于吉林省科丰种业有限公司.

1.2 试验方法

试验在吉林大学生物与农业工程学院试验玻璃温室(E125.35°，N43.88°)内进行.试验时间为2013年8月23日—10月12日.培养箱育苗20 d后移栽定植到雾培栽培桶中，每桶定植9棵，种植30 d后收获.栽培期划分前、中、后3个生长阶段，每个生长阶段为10 d.试验期间白天每20 min供液5 min，夜晚每小时供液10 min.营养液每10 d更换或调节一次.3种换液方式为：方式1，完全更换营养液；方式2，更换1/2体积营养液；方式3，根据测定的EC值调节营养液，控制EC值在2 000～3 000 μs/cm.

1.2.1 营养液配制

营养液中大量元素配制采用日本园式配方，微量元素配制采用霍兰德通用配方.为了保证分析的有效性，营养液配制用水采用蒸馏水.

1.2.2 采样时间及方式

每10 d换液前采集250 mL营养液样品用于测试.对采集的样品进行N素指标检测.杀青前一次性检测植物生理、生长及品质指标.

1.2.3 测试指标及方法

酸碱度(pH)、电导率(EC)、空气温度采用试验室自主开发的在线采集装置测定，取正午12：00时数据进行分析.总氮(GN)含量采用过硫酸钾氧化法、氨氮(NH4-N)含量采用纳氏试剂光度法、硝氮(NO3-N)含量采用酚二磺酸光度法测定.叶片硝氮含量采用水杨酸比色法测定.试验中采用的所有化学药品均为分析纯(AR)，试验用水为二次蒸馏水.

2 结果分析与评价

2.1 生菜不同生长阶段对不同形态氮素的需求

图1 不同换液方式下营养液氮素的消耗

根据图1，生菜各生长阶段NH4-N和NO3-N的消耗利用率变化规律一致，均呈现第一阶段消耗率最高，第二与第三阶段消耗率较低的趋势，这一现象符合植物生长旺盛期对氮素需求量较大、随生长速度降低氮素的需求量也降低的规律.为有效评价生菜不同生长阶段对氮素的需求，仅针对定期完全换液方式(方式1)下，营养液氮素消耗率进行详细分析：三个阶段NH4-N和NO3-N消耗率比值分别为4.75∶1，6.13∶1和5.14∶1.第二阶段与第三阶段消耗的铵硝比较高，特别是第二阶段.基于方式1是定期完全换液，消耗率之比与消耗量之比变化规律一致；试验中后期营养液氮素，特别是NO3-N消耗量较少，而消耗氮素的铵硝比有所提高，因此，配方中可适当降低NO3-N含量或提高NH4-N含量，以满足植物需求.在实际种植时可根据生菜氮素消耗率变化调整中后期氮素供应量，实现节能增效.

2.2 不同换液方式对各形态氮素消耗率的影响

2.2.1 各形态氮素消耗率

NH4-N：不同换液方式下，除方式3生菜移栽后的第二和第三阶段(21～30 d)外，生菜对NH4-N的吸收利用率一直较高，特别是第一阶段，各换液方式的NH4-N消耗率均最高.方式3中出现的NH4-N消耗率为负值，表明此种换液方式下，营养液存在其他氮素形式向NH4-N的转化，导致营养液中NH4-N量的增加.

NO3-N：不同换液方式下，生菜移栽后的第一阶段NO3-N消耗率最高.方式2和方式3在第二阶段出现了NO3-N消耗率为负值的现象，表明有新的NO3-N生成，证明营养液中存在氮素间的相互转化.特别是方式2中同时存在NO3-N和NH4-N为负值的情况，表明氮素形态的转化不仅局限于这两种形态，很可能还存在亚硝态氮(NO2-N).

GN：对于方式3的第二阶段，在NO3-N和NH4-N均为负值的情况下，GN消耗率为正值，表明营养液中很可能由于氮素间的转化，出现另外一种植物可吸收利用的氮素形态.

以上结论表明，无土栽培营养液中消耗的NO3-N存在植物吸收、形态转化等多个去向，因此仅以硝氮计量营养液氮素损失率并不能全面反映营养液中氮素被植物利用的效率.

2.2.2 机理分析

氮循环是土壤生态系统元素循环的核心之一，其主要过程包括生物固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用，均由微生物所驱动.[5]在无基质的无土栽培中，植物需要的氮素主要由营养液中添加的NH4-N和NO3-N提供，但随着种植时间的延长，根系分泌物量的增加与喷雾对根系的冲刷，营养液中微生物的繁殖是不可避免的.这些微生物中同样存在影响氮素循环的种类，特别是氨化作用、硝化作用和反硝化作用的存在，使氮素形态间出现相互转化.方式2和方式3的换液方法导致部分或大部分营养液被长期循环利用，而这种长期循环利用的结果会使微生物数量迅速增加，从而导致氮素形态转化愈发明显，更有可能造成营养液中NO2-N浓度的增加.严明渝等[6]在阐述SUDS水健康与底栖无脊椎动物的关系时，也发现了沉淀物中NO2-N和NO3-N间存在极显著的负相关关系；由于NO2-N的出现，诱导植物产生亚硝酸氧化酶，把营养液中的NO2-N氧化NO3-N，从而造成循环使用的营养液中氮素形态不断转化.

NO3-N、NH4-N和NO2-N均属于植物能够吸收利用的氮素形式[7-8]，当不同形态氮素间存在相互转化，且NO2-N作为氮素吸收的主要形式时，可出现NO3-N、NH4-N消耗率为负而营养液总氮消耗量为正的情况.但是，NO2-N作为植物可利用的氮素形态之一，其浓度过高时，将对植物产生毒害作用.

2.3 氮素的消耗速率与叶片硝酸盐积累

图2 不同形态氮素的消耗速率

不同换液方式下生菜生长各阶段各形态氮素消耗速率的比较结果如图2所示.由图2可见，所有换液方式各形态氮素消耗最大速率均出现在生菜移栽后的第一生长阶段，而生菜生长的第二阶段是NO3-N吸收速率最低的时期，该结果与Albornoz等[9]的研究具有一定的相似性.各换液方式在生长第一阶段的NO3-N消耗速率相近.方式1氨氮消耗速率变化不大.NO3-N 消耗会导致H+的消耗，NH4-N消耗会释放H+，导致营养液pH出现降低与升高的波动.本研究3种不同换液方式中，栽培生菜的叶片硝酸盐含量分别为：1 814，2 092和3 241 mg/kg.其中，方式3生菜的硝酸盐含量已超过中华人民共和国国家标准GB18406.1—2001《农产品安全质量——无公害蔬菜安全要求》.因此，方式3虽然在营养液使用量方面较节约，但其循环供液方式造成氮素形态转化，降低了植物对氮素的有效利用，导致栽培生菜硝酸盐超标.此外，蔬菜对硝氮的吸收速率过快，超过硝氮在植物体内向氨氮转化的速率，也可能造成硝酸盐积累.但本研究结论表明，营养液循环使用造成的生长中后期硝氮供应不足对生菜氮素有效吸收利用同样存在较大的影响.

3 结论

(1) 生菜移苗后21～30 d，营养液氮素特别是硝氮，消耗较少，而消耗氮素的铵硝比例提高，因此，该阶段采用的配方中可适当降低硝氮比例或提高氨氮比例，满足植物需求.

(2) 随营养液循环使用的时间延长，营养液中不同形态氮素间存在明显的相互转化，并可能出现浓度不同的NO2-N.

(3) 消耗的NO3-N存在植物吸收、形态转化等多个去向，因而仅以硝氮计量营养液氮素损失率并不能全面反映营养液被植物利用的效率.

(4) 除氮素吸收速率对植物硝酸盐积累存在影响外，生长中后期硝氮供应不足对植物体内氮素的有效转化同样存在较大影响.

三种换液方式对比，定期完全更换营养液的方法对降低蔬菜产品硝酸盐含量，提高植物氮素吸收、转化效率仍然最有利，但基于该方法会产生大量废液，剩余营养液的再利用研究对提高蔬菜无土栽培生产经济效益，降低废液排放可能造成的环境风险具有重要意义.

[1] ZHU T B， ZHANG J B， CAI Z C， et al. The N transformation mechanism for rapid nitrate accumulation in soils under intensive vegetable cultivation[J]. Journal of Soils and Sediments，2011， 11：1178-1189.

[2] 关颂娜， 吴凤芝， 姜爽. 不同氮素水平对不同氮效率黄瓜生长及其根际土壤酶活性的影响[J]. 作物学报，2013， 39(1)：68-72.

[3] MASSA D， INCROCCI L， MAGGINI R， et al. Strategies to decrease water drainage and nitrate emission from soilless cultures of greenhouse tomato[J]. Agriculture Water Management， 2010， 97：971-980.

[4] 郭士荣.无土栽培学[M]. 北京：中国农业出版社，2011.

[5] 贺纪正， 张丽梅. 土壤氮素转化的关键微生物过程及机制[J]. 微生物学通报， 2013， 40(1)：98-108.

[6] 严明渝， 刘惠清， 王灵芝. SUDS水健康与底栖无脊椎动物的关系[J]. 东北师大学报(自然科学版)， 2012， 44(2)：107-113

[7] 钟开新， 王亚琴. 植物氮素吸收与转运的研究进展[J]. 广西植物， 2011， 31(3)：414-417.

[8] 董守坤， 刘丽君， 马春梅，等. 利用标记研究铵态氮与硝态氮对大豆的营养作用[J].大豆科学， 2012， 31(6)：911-914.

[9] ALBORNOZ， FRANCISCO， HEINRICH LIETH J， et al. Effect of different day and mNight nutrient solution concentrations on growth， photosynthesis， and leaf NO3-content of aeroponically grown lettuce.[J]. Chinlean Journal of Agricultural Research， 2014， 74 (2)：240-245.

(责任编辑：方 林)

Effect of replacing nutrient solution mode on nitrogen utilization for aeroponic lettuce

BI Fei1，2， ZHANG Lei1，2， YAO Ning-ning1，2， Chabite1，2， YU Hai-ye1，2

(1.College of Biological and Agricultural Engineering， Jilin University， Changchun 130022， China；2.Key Laboratory of Bionic Engineer， Ministry of Education， Jilin University， Changchun 130022， China)

In this paper，LactucasativaL.var.ramosaHort. is selected as the object， and different modes of replacing nutrient solution are adopted to study the nitrogen utilization. Results show that nitrogen， especially nitrate nitrogen (NO3-N) in the nutrient solution is less consumed， while the consumed ammonia nitrogen (NH4-N) to NO3-N ratio is increased from 21 to 30 days. Therefore， NO3-N should be appropriately reduced or NH4-N be appropriately increased in the formula at this stage to meet plant demand and save fertilizer. The longer nutrient solution is recycled， more obvious nitrogen form transformation is discovered， and the different concentration of nitrite nitrogen (NO2-N) is appeared in the nutrient solution. It is not sufficient to reflect the plant utilization of nutrient solution based solely on the loss rate of nitrogen. In addition， absorption rate of nitrogen， inadequate supplies of nitrate nitrogen at the middle and the latest stage of growth also have great influence on effective absorption and utilization of plant nitrogen. Replacing complete nutrient solution is the most favorable to reduce the nitrate content in vegetable products and improve plant nitrogen uptake and conversion. But it will produce large waste liquid.

aeroponic cultivation；nutrient solution；lettuce；nitrogen

1000-1832(2015)04-0133-04

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.028

2015-01-07

“十二五”农村领域国家科技计划课题(2013AA103005-04)；国家水体污染控制与治理科技重大专项基金资助项目(2014ZX07201011).

毕菲(1987—)，女，硕士研究生；通讯作者：张蕾(1979—)，女，博士，副教授，主要从事农业生物环境研究.

X 322 [学科代码] 610·3010

A