高原夏季露地紫甘蓝产量、品质及养分吸收对不同水肥组合的响应

2020-11-17秦启杰吕剑冯致张国斌车旭升罗建张辉

甘肃农业大学学报 2020年5期

秦启杰，吕剑，冯致，张国斌，车旭升，罗建，张辉

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃兰州 730070)

紫甘蓝(BrassicaoleraceaL.var.capitataL.frubra)又称红甘蓝、紫洋白菜或紫茴子白，俗称紫包菜，十字花科(Brassicaceae)、芸薹属(Brassica)甘蓝种中的一个变种.紫甘蓝作为兰州市高原夏菜主栽品种之一，以其独特的颜色，清爽的口感，优越的品质成为热销产品之一.当地菜农为获得高产和增加经济收入，盲目地投入过量水肥，导致当季的肥料利用率低、土壤养分积累、次生盐渍化[1-2]和产品品质的下降.因此，应用水肥一体化技术及利用灌溉系统精确地将肥料与水分运输到植物根部土壤区，可以有效地提高水肥的吸收效率[3]，水肥一体化具有显著的节水、节肥、节药、省工、高产、高效以及减少对环境的污染等优点[4-7].研究表明，水肥一体化技术可使肥料利用率提高30%～50%，水分利用率提高40%～60%，可明显改善传统灌水施肥带来的弊端，如肥料的挥发、淋洗和固定等损失[8].

国内外科技工作者对水肥耦合进行了大量多方位，多层次研究，取得了许多成果.研究作物有马铃薯[9]、辣椒[10-12]、番茄[13-14]、黄瓜[15-16]、玉米[17-18]等，其中对叶菜类的研究主要在设施内进行[19].本课题组前期的研究表明，水肥耦合对露地松花菜产量具有促进效应[20].鉴于此，本研究以兰州市榆中县种植的紫甘蓝品种‘欧美罗’为试验对象，研究滴灌条件下水肥耦合对露地紫甘蓝农艺性状、植株养分吸收、产量、品质及水肥利用效率的影响，筛选最优的水肥组合，为当地紫甘蓝灌溉施肥管理提供科学的指导依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在甘肃省榆中县清水驿稠泥河村进行，该地区平均海拔1 790 m，平均气温6.60 ℃，年降水量400 mm以上，无霜期150 d左右.供试作物为紫甘蓝(‘欧美罗’)，供试肥料均使用水溶肥，分别为四川什邡德美实业有限公司生产的德美二铵(P2O5≥53.0%、N≥20.8%)和硫酸钾(K2O≥52.0%)；云南云天化股份有限公司生产的尿素(N≥46.0%)；华诺联邦磷酸二氢钾(P2O5≥52%、K≥34%).试验地0～20 cm 耕层土壤基本理化性质见表1.

1.2 试验设计

试验使用滴灌系统，采用二因素三水平交互设计，因素一为施肥量，N、P、K施肥量设有3个水平，分别为高肥(F1)即当地施肥量、中肥(F2)为当地传统施肥量的80%、低肥(F3)为当地传统施肥量的60%；因素二为灌水下限，设3个水平W1、W2、W3，

表1 试验地0～20 cm耕层土壤基本理化性质

其中W1为最大田间持水量的80%、W2为最大田间持水量的60%、W3为最大田间持水量的40%，灌水上限统一设定为最大田间持水量的95%，组成9(3×3)个水肥一体化处理组合，以大水漫灌、当地习惯施肥量组成(CK).试验共10个处理,3次重复，共计30个小区.

试验开始前施用基肥N、P、K(108、276、0 kg/hm2)，追肥分5次进行，具体情况见表2.3月8日育苗，4月17日选择大小一致，无病虫害，生长健壮的幼苗进行定植.定植当天浇一次缓苗水，再隔10 d以后进行正常的水肥处理.采用一垄双行垄面覆膜的栽培模式，垄宽 70 cm、沟宽40 cm，三角形定植、株间距35 cm、株行距40 cm，每667m2共定植3 388棵紫甘蓝.整个生育期灌水和病虫害防治等田间管理措施与当地传统管理措施保持一致，用烘干法监测土壤含水量，待含水量到下限时灌水至上限，灌水量由水表读出.灌水量计算公式如下[21]：

M=S×r×h×Q×(q1-q2)

式中，M为计划灌水量(m3)；S为计划润湿试验小区面积(11.775 m2);r为土壤容重(1.60 g/cm3)；h为计划润湿深度(0.2 m);Q为最大田间持水量(28.72%);q1和q2分别代表灌水上限和下限(田间持水量百分比)，不同灌水处理见表3.

1.3 测定项目与方法

当紫甘蓝适合采收时，每小区避开边缘效应随机选取5个叶球，用刀沿中轴一分为二，取叶球最大纵剖面用直尺测定叶球纵、横径.同时，每小区测取4.05 m2(共20株)内的紫甘蓝生物产量和经济产量.

紫甘蓝品质指标的测定参照邹琦[22]的《植物生理实验指导》进行测定，测定采收期叶球可食用部分的维生素C(VC)、可溶性蛋白、可溶性糖、硝酸盐含量，分别采用 2,6-二氯靛酚钠染色法、考马斯亮蓝G-250溶液法、蒽酮比色法、水杨酸法.

测定采收期叶球可食用部分的全N、全P和全K，测定前期统一用H2O2-H2SO4消煮，其中全N、全P和全K分别用凯氏定氮法、磷钼蓝比色法、火焰光度计法[23]测定.

经济系数(harvest index)=经济产量/生物产量；

吸氮量(kg/hm2)=植株干质量(kg/hm2)×植株N含量；

肥料偏生产力(PFP，kg/kg)=

1.4 数据统计与分析

用Microsoft Excel 2016软件处理数据和作图，用SPSS 19.0软件对数据进行单因素、双因素方差分析，运用Duncan’s检验法对显著性差异进行多重比较，并对数据进行主成分分析.

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对露地紫甘蓝生长的影响

由表4可知，水肥耦合作用下，各处理紫甘蓝叶球横径、叶球纵径、根干质量、地上部干质量和根冠比(除W2F1处理)均高于CK处理而叶球紧实度则显著小于CK处理.在灌水下限相同时，随施肥量的增加，叶球纵横径、根干质量均表现为F2处理显著大于F1和F3处理；地上部干质量在W2和W1处理下均表现为F2>F1>F3；根冠比表现为降低的趋势.水肥一体化处理，施肥水平相同时，随灌水量的增加，各处理下叶球纵横径、叶球紧实度并无显著差异；地上部干质量呈上升趋势；根冠比表现为W2处理小于W1、W3处理.双因素方差分析结果显示，施肥对叶球紧实度的影响显著大于灌水；灌水、施肥和水肥交互效应对紫甘蓝根干质量、地上部干质量和根冠比影响极显著.

表4 水肥耦合对紫甘蓝生长的影响

2.2 水肥耦合对露地紫甘蓝产量的影响

由表5可知，水肥一体化处理，在同一灌水下限时，随施肥量的增加，单球质量和经济产量均表现为F2>F1>F3，且F2处理显著高于F3处理；在W1处理下，生物产量呈先增后减的趋势而经济系数则呈上升趋势，在W3、W2处理下，生物产量表现为F1>F2>F3，经济系数则表现为F2>F1>F3.水肥一体化处理下，在同一施肥水平时，随灌水量的增加，叶球质量、经济产量在F1和F2处理下均呈先升后降的趋势，且在F2处理中W2处理显著高于W3处理，而在F3处理下则表现为上升趋势；经济系数表现为先升后降的趋势，生物产量在F2与F3处理下呈增大趋势，而在F1处理下呈先增后降的趋势.双因素方差分析结果显示，水肥耦合效应对紫甘蓝产量、经济系数具有显著影响.水肥耦合作用下，各处理紫甘蓝单球质量、经济产量、生物产量和经济系数均大于CK且分别提高1.44%～16.37%、1.44%～16.37%、0.76%～7.48%、0.64%～10.42%，W2F2处理单球质量、经济产量和经济系数均最大，且均显著高于CK处理.生物产量以W1F2处理最大但W2F2处理与之并无显著差异.故水肥组合中以W2F2处理为最佳组合.

表5 水肥耦合对紫甘蓝产量的影响

表6 水肥耦合条件下紫甘蓝叶球中硝酸盐、可溶性糖、VC和可溶性蛋白含量双因素方差分析(F值)

2.3 水肥耦合对紫甘蓝品质的影响

由图1可以看出，在同一灌水下限时，随施肥量的增加，紫甘蓝硝酸盐、可溶性糖含量提高；紫甘蓝VC含量表现为先增加后降低的趋势；可溶性蛋白含量在W1和W2处理下呈先降后升的趋势，而在W3处下呈上升的趋势；水肥一体化处理，施肥水平相同时，随灌水量的增加，紫甘蓝硝酸盐含量降低；可溶性糖含量提高；紫甘蓝VC含量表现为先升高后降低的趋势；在F2、F1处理中，可溶性蛋白含量降低，在F3处理中可溶性蛋白含量呈先增后减的趋势.双因素方差分析结果显示，水肥耦合效应对紫甘蓝硝酸盐、VC和可溶性蛋白含量具有显著影响.水肥耦合作用下，W2F2处理紫甘蓝可溶性糖含量、可溶性蛋白含量均显著高于CK，各处理较CK提高4.5%～36.35%、7.45%～35.64%.W2F2处理VC含量达到最高，较CK显著增加3.08%；W2F2处理硝酸盐含量较CK降低了8.7%.故水肥组合中以W2F2处理为最佳组合.

图1 水肥耦合对紫甘蓝叶球中硝酸盐(A)、可溶性糖(B)、VC(C)和可溶性蛋白(D)含量的影响Figure 1 Effect of water and fertilizer coupling on nitrate (A),soluble sugar (B),VC (C) and soluble protein (D) content in purple cabbage leaf ball

2.4 水肥耦合对紫甘蓝N、P、K吸收量的影响

由表7可知，水肥一体化处理下，在同一灌水下限，植株在W2、W3处理下对N、K 的吸收量表现为F2>F1>F3，在W1处理下植株对N、K 肥的吸收量表现为F2>F3>F1，植株对P 肥的吸收量均表现为F2>F1>F3；水肥一体化处理下，施肥量相同时，随灌水量的增加，植株对N、K 肥的吸收表现为先增加后降低的趋势，而对P肥的吸收表现为增加趋势.双因素方差分析结果显示，灌水、施肥和水肥耦合效应对紫甘蓝N、P的吸收具有极显著的影响，水肥耦合效应对紫甘蓝K的吸收具有显著的影响.水肥耦合作用下，各处理植株对N、K 肥的吸收量均显著高于CK，且W2F2处理植株吸收N肥量和K肥量均最大，分别较CK显著增加59.72%、44.15%，W1F2处理植株吸收P肥量最大，较CK处理显著增加42.68%，但W2F2处理植株吸收P肥量与W1F2处理并无显著差异且灌水量少.故水肥组合中以W2F2处理为最佳组合.

表7 水肥耦合对紫甘蓝N、P、K吸收量的影响

2.5 水肥耦合对养分偏生产力及灌水利用率的影响

由表8可知，各处理叶球产量肥料偏生产力(PFP)、生物量肥料偏生产力(PFP)、叶球产量灌溉水利用率(IWUE)、生物量灌溉水利用率(IWUE)均大于CK，分别提升11.75%～73.43%、7.23%～71.98%、107.43%～188.09%、101.79%～185.73%，对应指标以W1F3处理最高，但W2F2处理叶球IWUE与W1F3处理并无显著差异.水肥一体化处理，在相同灌水下限时，叶球产量PFP、生物量PFP、叶球产量IWUE和生物量IWUE均表现为F3>F2>F1.水肥一体化处理，在相同施肥水平下，叶球产量PFP、生物量PFP、叶球产量IWUE、生物量IWUE均表现为在F1和F2处理下随灌水量的增加呈先增后减的趋势；叶球产量PFP和叶球产量IWUE在F2施肥量下W2处理显著高于W1、W3处理，而在F1、F3处理下，W1、W2、W3处理间并无显著差异.双因素方差分析结果显示，施肥因子对紫甘蓝的叶球产量PFP、生物量PFP、叶球产量IWUE、生物量IWUE具有极显著的影响，水肥耦合效应对紫甘蓝的叶球产量PFP、生物量PFP、叶球产量IWUE、生物量IWUE具有显著影响.

2.6 不同水肥组合处理效应的综合评价

为了全面系统地反映不同水肥组合处理对紫甘蓝产量、品质、干物质积累、养分吸收及利用的影响情况，对所测得21个指标进行主成分分析得主成分贡献率和特征值(表9)，按照特征值 > 1的原则，抽取了5个主成分，其特征值分别为10.193、5.938、1.915、1.161、1.031，贡献率依次为48.538%、28.278%、9.119%、5.528%、4.911%，累计贡献率达96.373%，表明这5个主成分已提供了96.373%的原始数据信息量，能够充分解释原始数据.将主成分因子得分与方差贡献率加权得到综合指数(表10).从表10可得各处理土壤综合得分不同，W2F2处理最高为0.926，W1F2处理次之为0.517，CK最低为-1.045.故水肥组合中以W2F2处理为最佳组合.

表8 水肥耦合对养分偏生产力及灌水利用率的影响

表9 主成分特征值及贡献率

表10 主成分得分及综合得分

3 讨论

3.1 水肥耦合对紫甘蓝生长、产量的影响

合理的水肥供应有助于作物干物质积累和产量的提高.干物质的积累可以从侧面反映作物在一定时期的营养状况，而适宜的水肥供应可以促使植物高速吸收养分和水分，进而达到高产[25].灌水量和施肥量之间存在显著交互作用[26].袁宇霞等[27]研究发现，在番茄生长旺盛期，过高的灌水下限和施肥量对番茄的干物质量有抑制作用.高肥和低肥均不利于总干物质量的积累、经济产量的增加，高肥的抑制作用更明显[28]，本试验研究得到相似结论，水肥耦合作用下，在同一灌水下限时，中肥(F2)处理叶球横径、叶球纵径、总干物质量大于高肥(F1)、低肥(F3)处理.吴洮男等[29]在番茄中研究得出水肥一体化条件下可以提高作物产量及经济系数，本试验得到与之相同的结论，水肥一体化处理紫甘蓝单球质量、经济产量、生物产量和经济系数均大于当地施肥灌水CK处理，其中，中水中肥(W2F2)处理单球质量、经济产量和经济系数均最大.有研究表明，施氮量的增加或者灌水量的增加都可以使苹果产量增加[30]，但过量灌水并不会显著提高产量[31].水肥耦合存在阈值反应，低于阈值，增加水肥投入增产效果明显，而高于阈值，增产效果不显著[32].本试验研究结果与之相同，水肥耦合作用下，在同一灌水下限时，随施肥量的增加紫甘蓝单球质量和经济产量均表现为中肥(F2)> 高肥(F1)> 低肥(F3)；水肥一体化处理下在同一施肥水平时，经济产量在高肥(F1)和中肥(F2)处理下随灌水量增加先增加后降低.

3.2 水肥耦合对紫甘蓝品质的影响

蔬菜品质与水肥存在密切联系，在合适的水肥供应范围内，增加灌水或施肥量才会提升蔬菜品质.当灌水量相同时，黄瓜果实中的硝酸盐含量总体表现为随施肥量的增加而增大[33]，本试验结果同样表明，在同一灌水下限时，紫甘蓝叶球中的硝酸盐含量表现为随施肥量的增加而提高；在同一施肥水平下，随灌水量的增加紫甘蓝叶球中的硝酸盐含量表现为降低，周亚婷等[34]研究结球甘蓝得到同样的结果，施肥可以显著提高甘蓝叶球中的硝酸盐含量，而适当的灌水可明显降低其含量.闵炬等[35]研究认为，施氮量存在最佳范围，蔬菜VC含量、番茄果实中可溶性糖含量随着施氮量的增大而增加，而超过最佳施氮量范围区后VC含量随着施氮量的增加而降低.本研究得到相同结论，在水肥耦合作用下，在同一灌水下限水平时，中肥(F2)处理紫甘蓝叶球中VC含量显著高于高肥(F1)和低肥(F3)处理，可溶性糖含量随施肥量的增加呈上升趋势；王文军等[36]研究同样认为，减少肥料用量，可以增加番茄果实VC含量.同时本研究还发现在相同施肥水平下，随灌水量的增加，紫甘蓝VC含量表现为先升后降，这与马彦霞等[19]研究得出在相同施肥水平下，高灌水频率甘蓝VC含量低于低灌水频率的结论相似.

3.3 水肥耦合对紫甘蓝养分含量、灌溉水利用率及养分偏生产力的影响

植物对养分吸收主要受灌水和施肥的影响，土壤含有过多或过少水肥量均会影响蔬菜对养分的吸收，且不同作物对不同养分吸收亦不同.依据本试验研究，各处理除高水高肥(W1F1)处理外紫甘蓝养分含量均表现为K肥大于N、P肥.吴建繁等[37]在番茄中研究发现相同结果，各营养器官中K含量大于N、P含量.水分利用效率作为评价植物生长适宜度的综合指标之一，主要反映植物生产过程中的能量转化效率.施肥具有调水能力，适量施肥可提高水分利用效率[38-40].本试验得到不同结论，在同一灌水下限时，随施肥量的增加，灌溉水利用率降低，可能是本试验中当地施肥量过高，在减肥40%处理下，水调肥、肥促水效果仍然显著，随施肥量增加，肥促水效果并不显著.同时本试验发现，水肥一体化处理在相同施肥水平，灌溉水利用率表现为，在高肥(F1)与中肥(F2)处理下随灌水量的增加呈先增后减的趋势，在低肥(F3)处理下随灌水量的增加呈上升趋势，这与刘斌等[41]在当归中研究得到适当增加灌水量可以提高水分利用效率的结论一致.反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应可以用肥料偏生产力来展现[42].本试验发现，水肥一体化处理在相同灌水下限时，随施肥量的增加，经济产量肥料偏生产力、生物量肥料偏生产力表现降低，这与梁锦秀等[43]研究氮磷钾用量对宁南旱地马铃薯产量及水肥利用效率的影响，认为随着氮、磷、钾肥用量的增加偏生产力显著降低的结论一致.本试验得出，水肥一体化处理，在相同施肥水平下，肥料偏生产力表现为高肥(F1)与中肥(F2)处理下随灌水量的增加呈先增后减的趋势，在低肥处理下随灌水量的增加呈增大趋势，这与周罕觅等[30]研究水肥耦合对苹果幼树产量、品质和水肥利用的效应得出相似结论，在施肥量相同时，肥料偏生产力随灌水量的增加而增大.