氮素水平对基质栽培娃娃菜光合生理产量及品质的影响

2021-06-29高艳乔亚丽赵兆张坤胡琳莉

河北农业科学 2021年2期

高艳，乔亚丽，赵兆，张坤，胡琳莉*

（1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃兰州 730070；2.唐山开滦第一中学，河北唐山 063000）

娃娃菜（Brassica pekinensis）属十字花科芸薹属白菜亚种，又称微型大白菜，其食用方便、风味独特、品质优良、口感脆嫩，富含多种矿物质和膳食纤维，且具有生长期短、易栽培、耐贮运等优良特性，因此，深受广大消费者和菜农的青睐，种植经济效益较高。随着市场需求的不断变化，高产优质是当前娃娃菜育种的主要目标[1]。氮素对作物生长发育具有重要影响，在一定范围内施用氮肥能够提高作物产量和品质等[2]。但是目前由于人们片面追求高产，盲目大量施用氮肥，虽然在一定程度上提高了作物产量，但也造成了资源浪费、肥料利用率下降、产品质量降低、生态环境条件恶化等不良后果[3]。因此，提高氮肥利用率，减少环境污染是当前农业生产上面临的主要难题之一。

氮素主要通过对光合作用、呼吸作用以及一些代谢酶的影响来对植物营养特性产生影响，氮是叶绿素的主要组成成分，施用氮肥一般能促进植物叶片叶绿素的合成。增施氮肥后，高产春大豆净光合速率明显增加[4]。在适宜施氮量范围内，提高氮素水平可促进叶片含氮量和CO2同化速率增加；但是超出范围后继续增施氮肥，会导致叶片同化速率降低。不同形态的氮素对蔬菜叶片光合速率的影响不同[5]。增施氮肥可有效提高蔬菜产量，但过量施肥会对蔬菜生长发育带来负面影响，如导致植株长势变弱、抗逆性降低、肥料利用率降低，甚至导致干烧心病的发生等[6～8]。

2014年巨晓棠等[9]对我国农田氮肥的施用现状、问题及趋势进行分析后指出，合理施用氮肥主要包括施肥量、施肥时期、施肥方法和肥料品种4个方面，这四者既相互联系又相互影响，但对目标产量和品质起决定与关键作用的是合理施肥量。Badr等[10]研究表明，在干旱区种植结构和氮素供应水平对番茄产量、氮素利用率以及水分利用率有显著影响。大量研究结果表明，施氮水平对养分吸收分配利用以及作物产量和品质具有显著影响[11～13]。尽管目前在大多数作物上进行了氮素水平的肥效试验，但在基质盆栽条件下施氮水平对娃娃菜生长、产量和品质调控的研究尚未见报道。因此，采用基质盆栽方法，研究不同氮素水平对娃娃菜生长、光合生理、产量和品质以及光合参数的影响，旨为基质栽培娃娃菜高产优质生产提供施肥参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验品种为兰州地区主栽的高原夏菜娃娃菜品种“惠农金娃娃”。栽培基质为商品基质（甘肃绿能瑞奇有限公司提供），养分含量为全氮3.253 g/kg、全磷2.40 g/kg、全钾5.57 g/kg，其中碱解氮162.67 mg/kg、有效磷6.67 mg/kg、速效钾0.13 mg/kg。试验所用氮肥为尿素（N含量46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5含量17%），钾肥为硫酸钾（K2O含量51%），均购自湖北凯龙楚兴化工集团有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计试验于2018年7～10月在甘肃农业大学现代玻璃温室中进行，娃娃菜采用基质盆栽。6月30日育苗；7月25日移栽，选择长势一致的娃娃菜幼苗单株定植于装有基质1.5 kg/盆的花盆（外径25 cm、内径21.5 cm、高16.5 cm）中。试验氮素水平设5个处理，其中，N0为不施氮肥（CK），N2为优化施氮量[14]，N1、N3、N4的氮肥施用量分别为优化施氮量减少50%、增加50%、增加100%（表1）。氮肥和钾肥2种肥料50%作为基肥施入基质，50%于莲座期追施；磷肥一次性基施。采用随机区组设计，每处理6盆，5次重复。娃娃菜其他管理方法均相同，9月25日采收。

表1 不同处理的施肥方案（g/盆）Table 1 Fertilization schemes for different treatments

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 植株形态指标。分别于娃娃菜定植当天以及定植后第15天、第30天和第54天，测定株幅、叶面积（外叶）和叶片数；娃娃菜进入结球期开始，统计株高。其中，株幅测定和计算参照胡琳莉等[15]方法；叶面积根据标记植株的叶长和叶宽，通过公式计算得到：

式中，k为换算系数；π为圆周率；A为叶长（cm）；B为叶宽（cm）。

1.2.2.2 产量指标。将采收的娃娃菜分为地上和地下两部分，用电子天平分别称量鲜重，整株鲜重（地上部鲜重＋地下部鲜重）即为生物产量；之后将地上部分去掉外叶，称量其销售产品的鲜重，即为经济产量。计算经济系数（经济产量/生物产量）。

1.2.2.3 品质指标。依照高俊凤[16]的方法，测定娃娃菜产品的硝酸盐、可溶性蛋白质、可溶性糖、有机酸和Vc含量。其中，硝酸盐含量测定采用硝基水杨酸法；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；有机酸含量定采用NaOH碱式滴定法；Vc含量测定采用2，6-二氯靛酚滴定法。

1.2.2.4 光合参数指标。在娃娃菜结球末期（9月10日）9：00～11：00，测定娃娃菜功能叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO2浓度（Ci）。测定时，仪器参数设定：光照由LED光源提供，光照强度1 000μmol/（m2·s）；CO2由外界环境提供，浓度（400±5）μmol/mol；温度25℃，湿度80%。每处理测定均3个重复。

1.2.3 数据统计分析利用Excel 2010软件作图；利用SPSS 20.0软件进行数据的方差分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 氮素水平对娃娃菜植株形态的影响

2.1.1 株高氮素水平对娃娃菜株高有显著影响（图1）。随着氮素水平的提高，定植后第30天和第54天的株高均呈先增加后降低的变化趋势，且均以N1处理株高最大，与N2和N3处理差异不显著，但显著＞CK和N4处理，其中第54天的株高（27.3 cm）较CK高8%；均以N4处理株高最小，其中定植后第54天的株高显著＜CK和其他施氮处理。表明适量施氮（N1、N2和N3处理）可促进娃娃菜株高生长，其中N1处理效果显著；过量施氮（N4处理）会抑制娃娃菜株高生长。

2.1.2 株幅氮素水平对娃娃菜株幅有显著影响（图2）。娃娃菜生长中后期，随着氮素水平的提高，株幅均呈先增加后降低的变化趋势，其中定植后第30天，N1处理的株幅（1 593.38 cm2）最大且显著＞CK（增幅为17%）和其他氮素水平处理，N4处理的株幅为施氮处理最小但也显著＞CK；定植后第54天，N3处理的株幅最大且显著＞CK和其他氮素水平处理，N4处理的株幅为所有处理最小且显著＜CK。表明适量施氮可促进娃娃菜株幅增大，其中定植后第30天N1处理株幅最大、第54天N3处理株幅最大；过量施氮（N4处理）不利于娃娃菜生长，到生长后期抑制作用明显。

图2 氮素水平对娃娃菜不同时期株幅的影响Fig.2 Effect of nitrogen levels on growth width of mini Chinese cabbage at different stages

2.1.3 叶片数氮素水平对不同时期娃娃菜的叶片数影响程度不同，其中对生长前期的叶片数影响不大；对生长后期（定植后第54天）的叶片数有显著影响，叶片数随着氮素水平的提高而逐渐降低，其中N1和N2处理指标值较高，二者差异不显著，且均与CK差异也不显著，但三者均显著＞N3和N4处理（图3）。总体来看，施氮过量（N3和N4处理）会导致娃娃菜外叶提前衰老死亡，至生长后期叶片数明显减少；适量施氮（N1和N2处理）可延缓娃娃菜外叶衰老，保持较多的叶片数，其中N1处理效果好且较为经济。

图3 氮素水平对娃娃菜不同时期叶片数的影响Fig.3 Effect of different nitrogen levels on leaf number of mini Chinese cabbage at different stages

2.1.4 叶面积在第54天测量时，最外层叶片有萎蔫甚至凋落的现象，因此没有该组数据。氮素水平对娃娃菜叶面积有显著影响（图4）。随着氮素水平的提高，定植后第15天的叶面积总体呈降低趋势，其中N1和N2处理指标值较高，二者差异不显著，且均与CK差异也不显著，但三者均显著＞N3和N4处理；定植后第30天的叶面积呈先增加后降低的变化趋势，其中N2处理的叶面积（286.11 cm2）最大，与N1处理差异不显著，且二者均与CK差异也不显著，但三者均显著＞N3和N4处理。表明适量施氮（N1和N2处理）可促进娃娃菜生长，叶片增大，其中N1处理效果较好且较为经济；较多施氮（N3和N4处理）反而会明显抑制娃娃菜的生长。

2.2 氮素水平对娃娃菜产量的影响

图4 氮素水平对娃娃菜不同时期叶面积的影响Fig.4 Effect of nitrogen levels on leaf area of mini Chinese cabbage at different stages

氮素水平对娃娃菜生物产量和经济产量均有显著影响（表2）。随着氮素水平的提高，娃娃菜的地上部鲜重呈先增加后降低的变化趋势，其中N1处理的指标值最大，且显著＞除N2之外的其他处理；地下部鲜重呈逐渐降低趋势，且仅N2与N3处理差异不显著，而其他处理之间的差异均达到了显著水平；生物产量呈先增加后降低的变化趋势，其中N1处理的指标值（708.96 g）最大，显著＞其他处理，较CK增加48%；经济产量与地上部鲜重的变化趋势一致，也呈先增加后降低的趋势，其中N1处理的指标值（310.00 g/株）最大，显著＞其他处理，较CK增加61%。可以看出，N1处理效果最好，较少施氮即可明显提高娃娃菜的生物产量和经济产量。

施氮处理的经济系数为0.33～0.44，其中N1处理最大且＞CK，N4处理最小且＜CK，其他3个氮素水平处理与CK相同。表明N1处理可提高娃娃菜的经济系数，过度施氮（N4处理）会导致娃娃菜经济系数大幅度降低。

2.3 氮素水平对娃娃菜品质的影响

氮素水平对娃娃菜品质有显著影响（表3）。随着氮素水平的提高，娃娃菜的可溶糖含量呈先增加后降低的变化趋势，其中N3处理的指标值最大，与N1和N2处理差异不显著，但三者均显著＞CK和N4处理；可溶性蛋白质含量呈不断增加趋势，施肥条件下指标值均显著＞CK，其中N2、N3和N4处理差异不显著但均显著＞CK和N1处理，而N1处理的指标值也显著＞CK；有机酸含量呈增加—降低—增加的变化趋势，其中N4处理的指标值显著较高，而其他处理之间差异均不显著；Vc含量呈先增加后降低的变化趋势，其中N2处理的指标值最大，与N1处理差异不显著，但二者均显著＞CK和其他2个氮素水平处理，而N3与N4处理差异不显著但二者指标值均略＜CK；硝酸盐含量呈不断增加趋势，施肥条件下指标值均显著＞CK，其中N1与N2处理差异不显著，但均显著＜其他2个氮素水平处理。施氮处理下娃娃菜的硝酸盐含量为580.04～1161.18 mg/g，虽然较CK明显升高，但均符合国家标准（≤3 000 mg/kg）[17]。总体来看，N1处理效果较好，不仅可有效提高娃娃菜的营养物质含量，且还可使硝酸盐含量保持在较低水平。

2.4 氮素水平对娃娃菜光合参数的影响

氮素水平对娃娃菜光合参数有显著影响（表4）。随着氮素水平的提高，娃娃菜的净光合速率呈先增加后降低的变化趋势，其中N1处理的指标值最高，显著＞其他处理，较CK提高120%；蒸腾速率呈不断增大趋势，其中N1处理的指标值与CK差异不显著，但二者均显著＜其他3个氮素水平处理，而N3与N4处理差异不显著但显著＞N2处理；气孔导度呈先降低后增加的变化趋势，其中N1处理的指标值最小，且显著＜其他处理；胞间CO2浓度呈先降低后升高的变化趋势，其中N4处理的指标值最大，与CK差异不显著，但二者均显著＞其他3个氮素水平处理，而N1与N2处理差异不显著但二者均显著＞N3处理。总体来看，N1处理效果最好，可有效提高娃娃菜的光合性能。

表4 氮素水平对娃娃菜光合参数的影响Table 4 Effect of different nitrogen levels on photosynthetic parameters of mini Chinese cabbage

3 结论与讨论

3.1 讨论

氮是植物所需矿质营养中需求量很大的元素之一[18，19]，直接影响植物的光合作用和生长发育，并最终影响作物产量和品质[20～22]。

3.1.1 氮素水平对娃娃菜生长、光合作用及产量的影响农艺性状是植株生长发育过程中内在协调性的最直接外在表现。光合作用是作物产量形成的生理基础[23]，氮肥水平对作物产量的影响与光合作用密切相关[24，25]。本研究结果显示，N1处理的娃娃菜净光合速率最大，叶面积和株幅较大，叶片数较多。较大的株幅有利于植株更好地利用光能，提高光合性能，进而增大功能叶的叶面积。影响光合速率的因素主要有2种：一种是气孔因素；另一种是非气孔因素，即卡尔文循环中的限速酶活性。本研究结果表明，随着氮素水平的提高，娃娃菜的光合效率呈先升高后降低的趋势变化，其中N1处理的叶片净光合速率最大、气孔导度最小，N0处理的叶片净光合速率最低、胞间CO2浓度高（与最高值差异不显著）、气孔导度较大，说明不施氮条件下净光合速率主要是由非气孔因素决定的。研究显示，当氮素养分供应超过一定量时会抑制Rubisco的活性，适宜的氮肥用量可有效增强植物的光合效率[26，27]。氮肥不足是限制作物高产的主要因素，在一定施氮量范围内大白菜产量随着施氮量的增加而提高，当超过阈值后继续增施氮肥则产量开始降低[28]。本试验结果与前人观点相似，随着氮素水平的提高，娃娃菜的生物产量和经济产量均呈先升高后降低的趋势变化，其中N1处理的娃娃菜生长发育最佳，生物产量和经济产量均最大且显著＞CK和其他氮素水平处理，分别较不施氮对照提高了48%和61%；N4处理的娃娃菜生长发育最差，生物产量和经济产量均为所有处理最低，且显著＜CK和其他氮素水平处理。高氮水平下产量下降，一方面是由于光合作用较低，叶面积降低，影响了干物质的积累；另一方面是由于氮肥浓度太高造成娃娃菜烧心，影响产量。本试验结果显示，经济系数在N1处理下最大，N4处理下最小。早期研究显示，氮肥使用过多会导致土壤中的氮钙比降低，也会引起生理缺钙，造成娃娃菜干烧心病严重发生，降低娃娃菜的经济系数[29]。综合分析氮素水平对娃娃菜生长、光合作用及产量的影响，认为娃娃菜生长发育、光合参数及产量达到最佳的适宜施氮水平为N1处理，即施氮量为优化施氮量的50%。

3.1.2 氮素水平对娃娃菜品质的影响蔬菜中硝酸盐含量过高会严重危害人体健康[30]，其含量与蔬菜品质呈负相关。蔬菜中的硝酸盐含量与施氮量呈正相关，诸多研究表明，蔬菜硝酸盐含量增加的主要原因是氮肥施入过量[31，32]。因此，在实际生产中，应将降低蔬菜中的硝酸盐含量作为施氮技术的重点。本研究结果表明，施用氮肥后娃娃菜硝酸盐含量较不施氮肥显著增加，且指标值随着施氮量的逐渐增大而递增，但含量仍在安全范围之内[30]，仅就施氮条件下娃娃菜的硝酸盐含量而言，N1处理最低。本研究结果表明，增施氮肥可显著提高娃娃菜的可溶性蛋白质含量，指标值随着施氮水平的不断提高而逐渐增大。可溶性糖是高等植物的主要光合产物，在植物体物质代谢中具有重要作用[33]。本研究结果表明，适量施氮（N1、N2、N3处理）可以显著提高娃娃菜的可溶性糖含量，过度施氮会导致娃娃菜可溶性糖含量降低。柠檬酸、苹果酸、草酸、乙酸、酒石酸、琥珀酸和丙二酸等为植物组织中常见的有机酸组分，这些有机酸的存在会促进植物对矿质元素的吸收、提高根系有效营养浓度，因此研究植物组织中各有机酸组分对指导科学施肥具有重要作用[34]。植物有机酸含量受环境条件和栽培措施的影响，主要包括光照、水分、营养元素、温度等，其中氮素作为主要的营养元素，是通过影响植物体内的氮代谢而对植物的有机酸代谢进行调控[35]。本试验结果表明，适量施氮（N1、N2和N3处理）可提高娃娃菜的可溶性糖、可溶性蛋白质、有机酸和Vc含量，且将硝酸盐含量保持在较低水平，使品质更佳，其中N1处理效果较好且较为经济。