施氮对设施栽培金针菜产量、品质和钾吸收利用的影响

张国伟，王晓婧，周玲玲，刘瑞显*，杨长琴

（1 江苏省农业科学院经济作物研究所/农业部长江下游棉花与油菜重点实验室，江苏南京 210014；2 江苏省农业科学院宿迁农科所，江苏宿迁 223800）

金针菜又名黄花菜，是百合科萱草属多年生草本宿根植物，其花蕾具有较高营养价值，可健脑、抗衰、降胆固醇，是一种受消费者喜爱的药食同源蔬菜。长期以来，露天栽培金针菜技术存在产量低、品质差和上市晚等缺点，而金针菜设施栽培技术具有产量高、品质优和上市早等优点，推广面积逐年增大，但金针菜的施肥技术研究仍缺少系统性。相关研究表明，采用合适的品种和肥料调控措施，可以进一步提高设施栽培金针菜的产量和品质[1-2]。

施氮是作物优质高产的重要调控措施，但是过量施入氮肥后，不仅降低氮素利用效率，还影响到钾的吸收和利用[3-4]。钾在植物体内以K+形态存在，具有较强的移动性，充足的钾供应可以提高植物叶片光合磷酸化效率，促进碳水化合物的合成和运输，钾营养不足则降低叶片中碳水化合物形成和养分向生殖器官的运输，用于生殖器官发育并形成碳水化合物的钾的减少是导致作物产量降低和品质变劣的主要因素之一[5]，而氮和钾之间也存在互作效应，适量施氮可以促进钾的吸收，过量施氮则降低钾的肥料利用效率[6]，此外，氮钾比例失调还可以影响植株体内激素平衡，降低自由基清除能力，进而降低产量[7]。由于钾的上述生理功能，作物对钾的吸收、积累和分配特点关系到作物的产量形成与施肥技术的确定。大量研究认为植物生物量或养分累积特征符合Logistic模型，栽培措施对其累积模型的基本形态影响较小，但对最大累积速率、最大累积速率出现时间和持续时间等特征值影响较大[8-9]，因此可以通过分析模型的特征值来了解植物的养分吸收规律。

与露地栽培相比，设施栽培特殊的温度、光强和湿度会引起养分吸收和利用的差异。周玲玲等[10]研究认为，与露地栽培相比，设施栽培提高了金针菜的产量与品质，但针对设施栽培金针菜钾吸收利用的研究尚未见报道。张国伟等[11]研究认为合理施氮量可以提高大田作物钾的利用效率和产量。而对施氮量如何影响设施栽培金针菜钾吸收利用和产量品质形成仍需进一步研究。

本研究采用统计模型的方法研究施氮量对设施栽培金针菜钾吸收利用和产量品质形成的影响，以期为设施栽培金针菜的养分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015至2017年在江苏省宿迁市丁嘴镇(118°56′E，33°86′N) 江苏省农业科学院金针菜试验基地进行。供试土壤为粘质土，2015—2016和2016—2017年试验地0—20 cm土层土壤pH值分别为6.5和6.7、有机质12.2和12.8 g/kg、全氮1.08和1.12 g/kg、NH4+-N 26.4和 28.1 mg/kg、NO3--N 19.4和20.2 mg/kg、速效磷36.2和34.5 mg/kg、速效钾132.1和128 mg/kg。供试品种为江苏省特色品种‘大乌嘴'，2014年3月起垄移栽幼苗，覆盖反光地膜并铺设滴灌带，每穴2株，设置行距0.75 m，株距0.20 m，折合密度66700穴/hm2。所用单体拱形大棚长90 m、宽6.0 m、高2.5 m。设N 0、50、100、150和200 kg/hm25 个施氮量，氮肥在生育期中分两次施用，其中基肥与薹肥施用比例3∶2，全生育期P2O5和K2O用量分别均为120 kg/hm2(磷钾肥施用量为该地区常规施用水平)，全部作为基肥，所用肥料为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。小区长9 m，宽6 m，重复3次，随机区组排列，采用膜下滴灌技术精确控制施肥量。其中棚膜于每年12月5日覆盖，次年5月1日去除棚膜进入露天栽培方式。其它管理按当地高产栽培要求进行。

1.2 测定项目与方法

在盛蕾期时，每个处理选取大小一致的花蕾40个测定蕾长、蕾宽和单蕾重，之后低温保存测定花蕾品质性状，采用考马斯亮蓝法测定蛋白质含量[12]，采用硫酸蒽酮比色法测定可溶性糖含量[12]，福林酚比色法测定多酚含量[12]，硝酸铝比色法测定总黄酮含量[13]，磷钼杂多酸光度法测定VC含量[14]，茚三酮比色法测定游离氨基酸含量[12]，原子吸收分光光度法测定钙含量[12]，液相色谱法测定秋水仙碱含量[15]。在开花末期统计单株花蕾数量，计算理论产量。

分别于出苗 (3月1日) 后1、20、40、60、80、100、120和140 d在每小区取生长发育一致的1穴植株，3次重复，在 105℃杀青30 min后，80℃烘至恒量，称生物量。样品粉碎后用原子吸收分光光度法测定钾含量[12]，再根据干物质量计算钾累积量。

1.3 金针菜钾素累积特征值的计算方法

根据前人研究结果，植物钾累积量的增长过程可用Logistic曲线进行模拟，其基本模型为W=Wm/(1 +aebt)。式中，W为单株生物量，Wm为单株生物量理论最大值，t为生长天数，a，b均为参数。分别对模型求1阶、2阶和3阶导数，可得相应生长曲线的最快生长时段的起始时间 (t1)、终止时间 (t2)、最大相对生长速率 (Vm) 及其出现时间 (tm)，最终可以计算出快速累积期持续时间 (T)[16]，其中：

1.4 生物量和钾经济系数、钾生产效率

生物量经济系数 = 蕾生物量/总生物量

钾经济系数 = 蕾的钾累积量/钾总累积量

钾吸收比例 = 不同生育阶段钾吸收量/收获期钾累积量 × 100%

钾生产效率 (kg/kg) = 产量/钾积累量

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel软件处理数据和作图，用SPSS 11.0软件进行统计分析，用LSD法 (α = 0.05)进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 施氮量对金针菜产量的效应分析

由图1可见，随施氮量增加，金针菜产量呈先上升后降低趋势，且在N 150～200 kg/hm2时产量最高。金针菜产量的变化趋势可用二次曲线进行拟合，对拟合方程求导可得到金针菜产量的边际产量变化曲线，即每公顷增加1 kg氮量所增加的金针菜产量。当施N量为153.8 kg/hm2(2015～2016) 和167.9 kg/hm2(2016～2017) 时边际产量降低为零。

图 1 施氮量与金针菜产量与边际产量的关系Fig. 1 Relationship between nitrogen application rate and yield and nitrogen marginal yield of daylily

2.2 施氮量对金针菜花蕾性状的影响

由表1可知，施氮量显著影响花蕾性状，随施氮量增加，花蕾长、花蕾宽和花蕾重显著增加，在增加到一定程度时趋于稳定。单株花蕾数随施氮量增加呈先升高后降低趋势，且在N 100或150 kg/hm2时最大。

2.3 施氮量对金针菜品质性状的影响

由表2可知，施氮量显著影响金针菜品质，随施氮量增加，氨基酸和可溶性糖持续增加，秋水仙碱含量在升高到一定程度后趋于稳定，VC和钙含量呈先增加后降低趋势，且在N 100 kg/hm2时最高，而多酚和黄酮含量则呈降低趋势。

2.4 施氮量对金针菜生物量和钾累积与分配的影响

随施氮量增加，总生物量和总钾累积量持续增加，而花蕾的生物量和钾累积量则在升高到一定程度后趋于稳定，而生物量和钾的经济系数随施氮量增加呈先升高后降低趋势，且在N 50 kg/hm2时达到最高 (表 3)。

表 1 不同施氮量下金针菜产量性状Table 1 Yield traits of daylily under different N application rates

表 2 施氮量对金针菜品质性状的影响Table 2 Effects of nitrogen application rate on quality traits of daylily

2.5 施氮量对金针菜钾浓度和累积动态的影响

由图2可见，随着施氮量增加，植株钾浓度逐渐升高。不同施氮量下金针菜的钾浓度均随生育进程呈现先升高后降低趋势，变化范围为1.8%～2.8%，对返青后80天后的钾浓度降低时段数据进行回归分析表明，钾浓度随时间的变化趋势可以用负指数函数方程 (y=ae-bx) 进行拟合。由表4可知，随施氮量增加，金针菜钾浓度衰减方程的a值 (初始值) 均持续升高，即钾浓度升高；b值 (下降速率) 呈现持续降低趋势。随着生育进程，金针菜钾累积量的变化符合Logistic生长曲线。数据拟合分析可得到钾累积动态模型的特征值 (表5)，随施氮量增加，最大累积速率持续增加，而最大累积速率出现时间提前，快速累积持续时间缩短。

2.6 施氮量对金针菜不同生育阶段钾吸收量和吸收比例的影响

随施氮量升高，抽薹—现蕾期的钾吸收量呈升高趋势，返青期和返青—抽薹期钾吸收量在升高到一定程度后趋于稳定。随施氮量增加，钾吸收比例变化规律在不同生育期间差异较大，返青期呈降低趋势，返青—抽薹期呈先升高后降低趋势，且在N 100 kg/hm2时最高，抽薹—现蕾期则呈持续升高趋势(表 6)。

表 3 施氮量对金针菜钾累积和分配的影响 (2016—2017)Table 3 K accumulation and distribution of daylily plant under different nitrogen application rates

图 2 施氮量对金针菜植株钾浓度和钾累积量的影响 (2016—2017)Fig. 2 Effects of nitrogen application rate on potassium concentration of daylily plant

表 4 不同施氮量下金针菜钾浓度拟合方程参数(2016—2017)Table 4 Parameters of fitting equations for K concentration of daylily under different N application rates

表 5 施氮量对金针菜钾累积动态特征值的影响(2016—2017)Table 5 Effect of N application rate on eigenvalues of potassium accumulation models of daylily

表 6 不同施氮量下金针菜不同生育阶段钾吸收量和吸收比例 (2016—2017)Table 6 K uptake and uptake percentage of daylilyat at different growth stages under different N application rate

2.7 施氮量对金针菜钾吸收量和钾吸收边际效应的影响

随施氮量增加，金针菜钾吸收量变化规律可用Logistic方程拟合 (图3)，通过对方程求导可以得出氮对钾吸收的边际效应 (每增施1 kg氮促进钾的吸收量)。可以看出，随着施氮量的增加，钾吸收的边际效应呈先升高后降低趋势，在施氮量为32.5 kg/hm2时达到最大。

图 3 施氮量对金针菜植株钾累积量的影响 (2016—2017)Fig. 3 Effects of N application rate on K accumulation amount of daylily plant

2.8 钾吸收量对金针菜产量和生产效率的影响

金针菜产量对钾吸收量的响应可用二次曲线拟合，最高产量时理论吸钾量为53.0 kg/hm2。对二次方程求导可得到钾的生产效率 (每吸收1 kg钾可生产的金针菜产量)，随钾吸收量的升高，钾的生产效率呈线性降低(图4)。

图 4 钾吸收量与金针菜产量和钾生产效率的关系 (2016—2017)Fig. 4 Relationship of between daylily potassium accumulation and yield and prduction efficiency of potassium

3 讨论

合理施氮是调控作物生长发育和产量形成的重要措施之一，本研究中，随施氮量升高，金针菜产量和钾吸收的边际效应均呈先升高后降低趋势，基于产量最高和最大钾吸收边际效应的的施氮量分别在N 153～167 kg/hm2和32.5 kg/hm2，这表明在金针菜理论产量最高时，钾吸收的边际效应已经开始降低，这与张国伟等[11]在棉花上的研究一致。兼顾生产和环境因素效益，本研究认为该地区 (苏北徐淮地区) 适宜施氮量为100～150 kg/hm2，该水平显著低于赵晓玲等[17]在甘肃庆阳地区的推荐量为N 276 kg/hm2，其原因可能与庆阳地区采用露地栽培模式，且土壤贫瘠，保肥保水能力较差，肥料利用率较低有关。

花蕾长和宽、花蕾重是金针菜主要的产量性状指标，VC、游离氨基酸、可溶性糖、钙和黄酮含量是金针菜的主要品质指标，而秋水仙碱是引起金针菜中毒的关键指标。本研究中随施氮量增加尽管花蕾长和宽及花蕾重呈增加趋势，但是单株花蕾数在施肥量高于150 kg/hm2时显著降低，导致产量降低。此外，随施氮量增加，VC和钙含量呈先增加后降低趋势，且在N 100 kg/hm2时最高，而秋水仙碱含量呈增加趋势，且在达到一定程度后趋于稳定，这与付开聪等[18]认为氮、磷和钾缺乏导致秋水仙碱含量降低的研究相符，多酚和黄酮含量随施氮量升高呈降低趋势，也与藏小云等[19]认为氮肥过多可以诱导荞麦叶片黄酮含量降低的研究相符，其原因可能与高氮诱导苯丙氨酸解氨酶活性显著降低阻碍黄酮合成有关[20]。

植株中养分向生殖器官的运输与产量和品质形成密切相关[11]，本研究中，随施氮量增加总生物量和总钾累积量持续增加，但是生物量经济系数和钾经济系数呈先升高后降低趋势，表明适量施氮可以促进干物质和钾分布于花蕾，而过量施氮则导致干物质和钾分布于营养器官，这也与前人在棉花[21]和马铃薯[22]的研究一致。

植物体内钾参与众多代谢过程，棉株中钾浓度的变化与碳水化合物的形成和养分向生殖器官的运输密切相关。本研究表明，随生育进程，金针菜抽薹后 (返青80 d后) 的钾浓度变化可用负指数函数方程拟合，随施氮量增加，钾浓度衰减方程的a值 (初始值) 均持续升高，即钾浓度升高，而b值 (下降速率) 呈现持续降低趋势，表明施氮降低了金针菜生育后期钾浓度的下降速率。进一步分析表明，随施氮量增加，钾累积量变化曲线的最大累积速率持续增加，而最大累积速率出现时间提前，快速累积持续时间缩短，这说明施氮改变了钾的累积特征，低氮处理下尽管钾的快速累积时间相对较长，但是最大累积速率较低，最大累积速率出现时间较迟，最终植株矮小，钾总累积量偏低，高氮处理下金针菜植株的最大累积速率出现时间较早，利于搭建丰产架子，尽管快速累积持续时间偏短，但是最大累积速率较大，最终抽薹和现蕾相对集中，钾的总累积量较高。植株钾的吸收随施氮量的动态变化可用Logistic曲线描述[23]，对其求导可以得到氮对钾吸收的边际效应。本研究中，随施氮量增加，氮对钾吸收的边际效应呈先升高后降低趋势，而钾吸收的生产效率则呈直线降低趋势，这也说明高氮处理下金针菜植株钾的吸收效率和生产效率均较低。

金针菜生育前期吸收的钾主要是促进营养器官生长，后期吸收的钾则对产量和品质形成至关重要。本研究中施氮量过低增加了抽薹期之前钾的吸收比例，降低了抽薹—现蕾期的钾吸收比例，导致后期钾供应不足，进而影响品质形成；过量施氮虽然增加了金针菜抽薹—现蕾期钾的吸收比例，使抽薹—现蕾期钾的浓度和吸收量显著增加，但是过高钾浓度反馈促进了氮的吸收，导致金针菜营养生长过旺，降低肥料利用效率。

4 结论

在施氮量N 100～150 kg/hm2范围内，干物质和钾素在花蕾中的分配比例较高，钾含量和累积量协调，利于高产形成。施氮量高于N 150 kg/hm2导致金针菜产量增幅下降，钾吸收的边际效应和钾的生产效率较低；施氮量低于N 100 kg/hm2降低干物质和钾累积量，不利于高产形成。综合考虑产量、品质和钾的吸收利用规律，推荐N 100～150 kg/hm2为苏北徐淮地区设施栽培金针菜最优施氮量。