氮对水培生菜营养液元素动态变化及产量与品质的影响

苏苑君，王文娥，胡笑涛，王 瑞，张 栋，乔 源

（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100）

氮对水培生菜营养液元素动态变化及产量与品质的影响

苏苑君，王文娥，胡笑涛，王 瑞，张 栋，乔 源

（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100）

氮素是生菜最重要的营养元素之一，影响生菜的产量和品质，通过动态监测水培生菜生长及营养液矿质元素变化过程，为水培生菜合理有效的营养液管理提供理论依据。采用深水培方法，在5个氮素浓度9，8，6，4，3 mmol/L条件下对生菜产量、品质及营养液元素动态变化过程进行了试验观测，分析了氮对水培生菜生长、矿质元素利用效率及动态吸收量的影响。不同氮素处理生菜的干物质积累量随时间差异越来越显著，在氮素水平为6 mmol/L时生菜可获得最大产量；硝酸盐含量随氮水平的增高先增高后稍有降低，氮素浓度为8 mmol/L时最高；Vc和可溶性蛋白不断增高，在氮素浓度为9 mmol/L时含量最高；可溶性糖先增高后减小，氮素浓度为6 mmol/L时含量最高；不同氮素浓度显著地影响了生菜对氮的吸收，高浓度氮素水平有利于生菜对氮、磷的吸收，较低氮素水平则有利于生菜对钾、钙、镁的吸收。生菜对氮、磷的吸收主要集中在定植后的20～30 d，平均吸收量分别占到全生育期的64.81%和61.88%，对钾的吸收在定植后30～40 d较多，平均吸收量占到全生育期的44.46%，生菜对钙、镁的吸收在定植后都较均匀。生菜对磷、钾、钙、镁的利用效率呈现出先增大后减少的趋势，对氮的利用效率线性减小。当氮素水平为8 mmol/L时，生菜全生育期对矿质元素的吸收量最大，为582.31 mg/株，此时生菜获得较好的产量和品质，较高的磷、钾、钙、镁利用效率，但是氮的利用效率较低。

水培生菜；氮；生长；矿质元素；动态变化

设施栽培技术的发展可有效解决农业生产受水土资源短缺和自然条件的制约问题，实现了蔬菜等农产品的周年均衡生产，已成为发展现代农业的重要手段［1］。营养液栽培是蔬菜工厂化生产的主导栽培技术，营养液配方中各种营养元素的含量和施用过程决定了作物的品质和产量，但目前我国的营养液管理只通过检测pH值和EC值更换营养液，并未做到对各种营养元素的动态管理，存在浪费与不准确的弊端［2］，因此，研究营养液离子浓度变化，对于实现营养液智能化动态管理、保持养分均衡、达到作物优质高产具有重要意义。氮素是植物所需的三大最重要的营养元素之一，营养液中氮素的高低影响蔬菜的产量和品质。朱建雯等［3］研究结果表明当氮素浓度为10 mmol/L时，水培小白菜的产量较高，硝酸盐含量较低，满足高产、低硝酸盐的要求。杜红艳等［4］认为适合用于水培韭菜的营养液氮素水平为8～12 mmol/L，其中以10 mmol/L氮素浓度的营养液水培韭菜其生长状况最佳，12 mmol/L氮素浓度的营养液水培韭菜品质最优。张英鹏等［5］通过水培试验得出，8.0 mmol/L氮水平有利于提高菠菜产量、营养品质及抗逆能力，是菠菜生长较适宜的供氮水平。在矿质元素动态吸收方面，目前国内外的研究多集中于植物矿质元素吸收、转运、分配以及在不同部位累积、元素之间的相互影响等方面。前人研究表明，加入适量的钙（20 mmol/L）有利于增强生菜对有害金属镉的抗性［6］，水培条件下氮和硼是莴苣生长发育的主要限制因子，锰的供应水平仅对锰和铜在莴苣体内的积累影响较大［7］。生菜（Lactuck sativa var.crispa）是水培中栽培面积最大的叶类蔬菜，与土培相比，采用营养液调控措施能有效提高和改进生菜产量和品质［8］，但是目前氮对生菜矿质元素动态吸收影响的研究鲜有报道。本试验通过设置不同氮素水平，监测生菜生育期产量累积过程、营养液中矿质元素浓度动态变化以及收获时生菜的品质，探索不同氮水平对生菜产量、品质、营养液矿质元素动态变化的影响，以期为水培生菜优质高产的营养液动态管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验环境与材料

本试验于2014年3-5月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室人工光植物工厂中进行，试验过程中光照强度为2 500 lx，光照时间为12 h/d，昼夜温度为25℃/18℃。供试材料选用香港玻璃脆散叶生菜。

1.2 试验方法与试验设计

采用育苗移栽的方式，2014年4月3日生菜长到六叶一心时，清水洗净根部后用海绵包裹定植于水培箱上，水培箱规格为28 cm×37 cm×17.2 cm，营养液为10 L，对应水深为9.7 cm，为深液流栽培方式。

营养液在山崎配方［9］基础上设置5个氮浓度，分别是9，8，6，4，3 mmol/L，具体见表1，配制不平的钠对生菜的影响较小，可忽略不计。除配制母液外，试验所用水均来自当地地下水，钙镁离子含量较高，分别为52，24 mg/L。微量元素采用通用配方［12］，EDTA-NaFe含量为40 mg/L。

水培箱每箱种植4棵，生长中后期利用充气泵供氧。每个处理设置6个重复，生菜移栽后生育期为40 d，定植后每隔10 d取一次营养液，用于测定营养液中氮、磷、钾、钙和镁，同时随机取3株长势相近的生菜称量鲜/干质量。2014年5月13日，称量生菜鲜/干质量和测定生菜品质。

1.3 测定项目和方法

试验测定生菜产量，采用精确度为0.01 g的电子天平称量生菜鲜质量，干质量采用精确度为0.001 g的电子天平测得。

表1 不同氮素浓度处理营养液配方Tab.1 Nutrient solution form u la under different nitrogen levels mmol/L

生菜硝酸盐采用比色法［10］，可溶性蛋白采用考马斯亮蓝-G250染色法测定［10］，可溶性糖采用蒽酮比色法［10］，维生素C用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定［11］。

总氮浓度采用过硫酸钾消煮法［12］测得，总磷浓度采用钼酸铵分光光度法［12］测得，金属元素钾、钙、镁浓度都用原子吸收分光光度法［12］测得。

本试验采用的营养液浓度较低，除了部分螯合铁（EDTA-NaFe）因不溶于水沉于箱底外，没有其他沉淀，营养液全部用盖板遮住，每次取样用营养液较少，故蒸发和取样造成的营养液减少可忽略不计。因而，测定营养液中矿质元素的减少量即可认为是生菜的吸收量。其中植株矿质元素吸收量、矿质元素利用效率用下式计算：

其中，M干.生菜干物质量，g；M矿.生菜对矿质元素吸收量，g；S.水培箱底面积，cm2；C后、C前分别是后一次取样和前一次取样营养液的矿质元素浓度，mg/L；H后、H前分别是后一次和前一次取样营养液的水深，cm；η.矿质元素利用效率，g/g。

统计检验采用SPSS 18.0的LSD法。

2 结果与分析

2.1 氮对水培生菜产量和品质的影响

生菜生长过程中对氮素要求较高，缺氮会抑制叶片的分化，造成减产，高氮抑制植物根系正常生长，同样会影响产量［13］，因此氮肥用量对生菜产量有重要意义。生菜干物质量是其光合作用积累的结果，图1为不同氮素处理生菜干物质量的积累过程，可以看出，在整个生育期，生菜干物质量积累的强度是不断增大的，生菜干物质大幅度积累主要发生在定植后的第20～40天，并在收获前10 d达到最大，适宜浓度的氮（6 mmol/L）有利于生菜的生长，并且随生长的进行生菜干物质积累量与其他处理差距越来越明显。从收获时生菜生长情况（表2）可以看出，随着氮素浓度的增加，各氮素处理生菜叶片数变化不明显，而叶面积和根冠比则呈现出先增大后缩小的趋势，表明提高氮素浓度对增产主要体现在叶面积增大，氮素过高抑制根系正常生长，导致叶片生长减缓，叶面积缩小，从而导致产量降低。生菜叶面积，根干、鲜质量，叶干、鲜质量以及根冠比随着氮素水平的增加都呈现先增大后减小的趋势，氮素水平为6 mmol/L时，生菜根干、鲜质量，叶干、鲜质量均达到最大，叶干、鲜质量分别高出3，9 mmol/L氮素处理63.39%，67.13%和55.05%，58.68%，表明适量浓度的氮能促进生菜均匀生长并提高生菜产量，过高或者过低氮素浓度都不利于生菜生长。

图1 不同氮水平生菜各阶段总干物质量变化Fig.1 Total d ry m ass change du ring the lettuce grow th period under the different nitrogen levels

人体从蔬菜中摄取的硝酸盐约占总摄入量的81.2%，而硝酸盐的还原态亚硝酸盐与胺反应生成致癌物亚硝胺［14］，氮肥用量与蔬菜体内硝酸盐含量呈极显著正相关。从表3可以看出生菜的硝酸盐含量随着氮素浓度的增大先增加后减小，在8 mmol/L氮素水平处达到最大，除了9 mmol/L处理外，与其他氮素处理差异显著，分别高出3，9 mmol/L氮素水平38.08%和5.29%。随氮素浓度的增大，生菜Vc含量不断增大，9 mmol/L氮素处理Vc含量显著高于3，4，6 mmol/L氮素处理。随着氮浓度的增大，可溶性糖含量先略有增大后显著减小，在氮浓度为6 mmol/L时，可溶性糖含量达最大，高出最低水平57.77%，且与其他处理差异显著。生菜的可溶性蛋白含量呈现出随氮含量的增加不断增加的趋势，3，4 mmol/L氮素处理可溶性蛋白与其他处理间差异显著，9 mmol/L氮素处理可溶性蛋白高出3 mmol/L处理138.07%，但是随着氮浓度的增加，增加幅度不断减小。

表2 不同氮浓度对水培生菜生长的影响Tab.2 The outpu t of hyd roponic lettuce under different nitrogen levels

表3 不同氮浓度对水培生菜品质的影响Tab.3 The quality of hyd roponic lettuce under different nitrogen levels

图2 不同氮水平下磷肥的利用效率Fig.2 The phosphorus use efficiency under different nitrogen levels

2.2 氮对水培生菜矿质元素利用效率的影响

氮素水平不同，生菜对氮的利用效率不同，同时对其他矿质元素的利用效率也会产生一定的影响。从表4可以看出，随着氮素水平的提高，生菜对磷、钾、钙、镁的利用效率呈现出先增大后减小的趋势。从图2可以看出，在试验范围内，随氮水平提高，生菜对氮的利用效率线性减小，y=-1.220 4x+15.056，R2=0.928 3。同时可以看出，水培生菜对磷和镁的利用效率较高，而对氮、钾、钙的利用效率较低。

表4 不同氮浓度对水培生菜矿质元素吸收效率的影响Tab.4 The m ineral use efficiency of hyd roponic lettuce under different nitrogen levels g/g

2.3 氮对水培生菜营养液矿质元素动态变化的影响

植物需要各种矿质元素以维持正常的生理活动，良好的矿质营养是植物高产优质的必要条件，了解生菜阶段需肥规律可以为生产上施肥提供理论依据。从图3-A来看，在整个生育期内，各氮素处理营养液中总氮含量不断下降，下降趋势大致相同，各处理均在定植后的20～30 d出现最大降幅，这个阶段9，8，6，4，3 mmol/L氮素处理生菜吸收氮量分别占到总吸收量的49.67%，65.26%，76.89%，71.73%，76.20%。全生育期生菜对氮的总吸收量分别为292.14，268.80，193.63，136.73，96.45 mg/株，表明生菜对氮有奢侈吸收趋势，但是当氮素水平超过8 mmol/L时，生菜对氮素的吸收量增加不明显，且主要体现在生菜生长旺盛期高浓度氮素处理对氮的吸收量减少，生菜对氮的吸收主要集中在定植后的20～30 d，平均吸收量占到全生育期的64.81%，定植后20～40 d 8 mmol/L氮素处理生菜对氮的吸收量高出9 mmol/L氮素处理27.80%。

从图3-B来看，9，8，6，4，3 mmol/L氮素处理生菜全生育期对磷的吸收量分别为43.91，39.67，36.43，34.84，39.09 mg/株，可知氮素水平对生菜磷吸收量影响差异不明显，较高浓度的氮水平有利于提高生菜对磷的吸收量。生菜对磷的吸收集中在定植后的20～30 d，5个处理生菜在这一阶段吸收的磷量分别占到全生育期磷素吸收量的44.42%，66.87%，61.13%，58.12%，80.50%。生菜对磷的吸收主要集中在定植后的20～30 d，平均吸收量占到全生育期的61.88%。

不同氮素处理生菜对钾的吸收量明显在定植后的10～20，30～40 d较大，尤其在第30～40天吸收量达到最大（图3-C）。9，8，6，4，3 mmol/L氮素处理生菜全生育期对钾的吸收量分别为196.61，184.49，230.68，222.97，219.91 mg/株，第30～40天吸收量分别为69.40，78.39，94.67，106.37，118.73 mg/株，表明较低的氮素水平（6，4，3 mmol/L）下，全生育期生菜对钾的吸收量较大，3 mmol/L氮素处理生菜对钾的吸收量高出9 mmol/L氮素处理71.08%，且氮素浓度越低越有利于生菜在第30～40天对钾的吸收。要提高生菜对钾的吸收量，则全生育期都需要注意降低氮素浓度，特别是最后10 d，平均吸收量占到全生育期的44.46%。

从图3-D来看，各氮素处理生菜对钙的吸收在定植后的各阶段吸收都较均匀，9，8，6，4，3 mmol/L氮素处理生菜全生育期对钙的吸收量分别为119.43，126.70，128.13，137.50，137.66 mg/株。定植后0～10，10～20，20～30，30～40 d生菜对钙的吸收量最多的处理分别是3，4，6，8 mmol/L，4个阶段不同氮素浓度处理生菜对钙的平均吸收量分别为32.31，31.64，41.43，23.93 mg/株，表明生菜对钙的吸收主要集中在定植后30 d，且较低氮素浓度有利于生菜对钙的吸收，因此应注意在定植初期降低营养液浓度，收获前期适当提高氮素浓度。

图3 不同氮水平水培生菜营养液的矿质元素含量动态变化Fig.3 M ineral dynam ics change of nutrient solutions during hyd roponic lettuce grow th period under different nitrogen levels

由图3-E可以看出，随着氮素浓度增大，定植后0～10，10～20，20～30，30～40 d生菜对镁的吸收量最多的处理分别是3，4，6，9 mmol/L，表明定植初期高浓度的氮抑制了生菜对镁的吸收，随着生菜的不断生长，生菜需肥量增大，生菜对镁吸收量有增大趋势，生菜表现为喜肥。全生育期9，8，6，4，3 mmol/L氮素处理生菜对镁的吸收量分别为31.33，29.35，46.10，31.90，37.26 mg/株，表明适宜浓度的氮素处理（6 mmol/L）有利于促进生菜对镁的吸收，但是应该注意生长初期降低营养液氮素浓度，而在生长旺盛时期增大氮浓度。

当氮素浓度为8 mmol/L时生菜对矿质元素的吸收量最大，达到582.31 mg/株，同时可获得较好的产量和品质。该条件下生菜对氮、磷、钾、钙、镁的吸收比例为1∶0.15∶0.69∶0.47∶0.11。

3 讨论与结论

3.1 讨论

干物质量是植株光合产物积累的结果，植株生长的过程实际是干物质量不断积累的过程，干物质积累量是衡量植株生长和内部植株代谢强弱的重要指标［15］。本试验结果表明，生菜干物质量受氮素影响显著，适宜的氮素水平（6 mmol/L）提高了生菜产量及各生育阶段生菜的干物质量。生菜硝酸盐随氮水平的增高先增大后稍有减小，在氮素水平分别为8，3 mmol/L时取得最大和最小值。试验结果表明，适当增施氮肥能提高生菜叶片硝酸盐还原酶的活性，从而可以促进硝酸盐在生菜体内的转化，降低硝酸盐含量［16］。氮肥对蔬菜Vc影响程度和方向随氮肥的种类、配比、形态及用量的不同而不同［17］，本次试验结果表明随氮水平的增大，Vc不断增大，在9 mmol/L氮素浓度下取得最大值，这与张国发等［18］研究结论施用氮肥显著地提高了生菜维生素C的含量 相符。随氮水平的增大，可溶性糖先增大后减小，在氮素水平为6 mmol/L取得最大值，因为高氮水平下碳水化合物大量用于合成蛋白质、叶绿素和其他含氮化合物，促使蔗糖分解的酸性蔗糖转化酶也会明显提高［19］，致使体内糖积累明显减少。氮是可溶性蛋白的主要及重要组成部分，本次试验结果亦表明随着氮素水平的提高，可溶性蛋白含量不断增高，在9 mmol/L时取得最大值。

在植物生长的过程中需要不断从外界摄入营养，不同生长阶段对矿质元素的吸收量不同，一般而言，生长初期和衰老期对矿质元素的需要量较少，而生长旺盛期对矿质营养则有较大的需求，植物不同阶段对矿质元素的吸收情况也视矿质元素的不同而不同。本次试验结果表明生菜对氮磷的吸收有相似的规律，都是在生菜生长旺盛期（20～30 d）有大幅度吸收，各处理氮、磷平均吸收量分别占到总吸收量的64.81%和61.88%，这与刘如石等［20］的研究结果相一致。生菜对钾的吸收量在较低氮素条件下较高，在收获前10 d尤其明显，随着氮素水平的降低，生菜对钾的吸收量显著提高，3 mmol/L氮素处理生菜对钾的吸收量高出9 mmol/L氮素处理71.08%，这与李孝良等［21］的研究成果一致。增施氮肥降低了生菜对钙、镁的吸收量，且随着生长的延缓，生菜对钙、镁吸收量高的氮素处理逐渐由低浓度向高浓度转变［22］，也随生长不断向旺盛期推进，生菜表现为喜肥喜氮趋势。李彩虹等［23］的研究表明低氮促进了钙向地上部分的转运，植物缺钙往往不是土壤缺钙，而是吸收和转运等生理作用失调导致的，即低氮环境促使生菜对钙的吸收量增大。氮素水平越高，生菜对氮的利用效率越小，而对其他矿质元素呈现出先增大后减小的趋势，这与邵蕾等［24］在海棠上的研究相符。汤明尧等［25］在番茄上的研究亦表明番茄对氮钾的需要量远大于磷，且增施氮肥能显著促进番茄对氮、磷、钾的吸收，全生育期来看，生菜对钾的吸收量最大，其次是氮、钙，对磷、镁的吸收量较少。本试验结果与其有一定差异，可能因为作物品质不同导致，其次控施肥料的量不同造成不同元素吸收量顺序也有一些差别。

3.2 结论

通过研究氮对水培生菜矿质元素动态吸收规律的影响，得到以下结论：

生菜对氮有奢侈吸收的趋势，但是随氮浓度的增高，影响程度减弱，不同氮素处理生菜对磷的吸收量没有明显差异，但是随着氮素水平的提高，生菜对磷的吸收量相应增大。低氮水平条件下，全生育期生菜对钾、钙的吸收量越多，而适宜的氮素水平更有利于促进生菜全生育期对镁的吸收，生菜在第30～40 d对金属元素钾、钙、镁的吸收量均在高氮条件下较大。

生菜对矿质元素吸收量大小顺序为K＞Ca＞P＞Mg，高氮条件下（9，8 mmol/L），生菜对氮的吸收量大于钾，适宜条件下（6 mmol/L），生菜对氮的吸收量大于钙，低氮条件下（4，3 mmol/L），生菜对氮的吸收量大于磷、镁。

全生育期9，8，6，4，3 mmol/L氮素处理生菜对矿质元素的吸收总量不同，当氮素浓度为8 mmol/L时生菜对矿质元素的吸收量最大，达到582.31 mg/株，同时可获得较好的产量和品质。该条件下生菜对氮、磷、钾、钙、镁的吸收比例为1∶0.15∶0.69∶0.47∶0.11，对比营养液矿质元素初始含量，可知在保持氮肥施用量不变的情况下，初始施肥时可适当增施磷肥，减少其他矿质营养的施用量，特别是钾肥和钙肥的施用量，在定植后10～20 d补充氮磷肥，30～40 d补充钙镁肥，同时要注意矿质元素间的营养平衡，以达到高效施肥的目的。

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Effects of Different Nitrogen Levels on the Nutrient Elem ents Dynam ic Change，Yield and Quality of Hydroponic Lettuce

SU Yuanjun，WANG Wen′e，HU Xiaotao，WANG Rui，ZHANG Dong，QIAO Yuan
（Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Sem iarid Areas，Ministry of Education，Northwest A&F University，Yangling 712100，China）

Through dynamic monitoring on hydroponic lettuce growth and mineral nutrient change，provide theoretical basis for reasonable and effective management of hydroponic lettuce nutrient.By adopting deep hydroponic method，setting five nitrogen concentration，respectively 9，8，6，4，3 mmol/L，systematically learned the influence of different nitrogen levels on lettuce yield，quality，utilization efficiency and dynam ic absorption ofm ineral elements. The results showed that under different nitrogen level the difference of lettuce dry matter accumulated more and more significant over time，when nitrogen levels was 6 mmol/L，lettuce obtained maximum yield.Lettuce nitrate increased first and then slightly decreased as the nitrogen increasing，and reached themaximum when the nitrogen level was 8 mmol/L，Vc and soluble protein increased constantly as the nitrogen increasing，and the content reached the highest when nitrogen level was 9 mmol/L，the soluble sugar increased first and then decreased as the nitrogen increased，and gained themaximum levelswhen nitrogen levelwas6 mmol/L.As the nitrogen level increased，the utilization efficiency of P，K，Ca，Mg of lettuce showed a trend of increase first and then decrease，nitrogen utilizationefficiency of lettuce linear decreased.High concentration of nitrogen level helped improve the lettuce on the absorption of nitrogen and phosphorus，while low nitrogen level helped improve the absorption of potassium，calcium and magnesium.The absorption of nitrogen and phosphorus weremainly concentrated in the 20-30 d after planting，average uptake respectively accounted for 64.81%and 61.88%of the whole growth period，the absorption of potassium reached the maximum in the 30～40 d after planting，the average absorption was 44.46%of the whole growth period，the lettuce on the absorption of calcium and magnesium were relatively uniform after p lanting.When nitrogen level was 8 mmol/L，lettuce absorption ofmineral elements gained highest in the whole stages，which was 582.31 mg/p lant，by this time，the lettuce obtained good yield and quality，higher efficiency utilization of P，K，Ca，Mg，but the nitrogen use efficiency was lower.

Hydroponic lettuce；Nitrogen；Growth；Mineral elements；Dynam ic change

S143.1 文献标识码：A 文章编号：1000-7091（2016）03-0198-07

10.7668/hbnxb.2016.03.029

2016-03-14

国家“863”计划课题项目（2013AA103004）

苏苑君（1989-），女，湖北孝感人，硕士，主要从事农业节水理论与技术研究。

王文娥（1975-），女，河南孟县人，副教授，博士，主要从事农业水利工程专业研究。