有机肥与化肥配施对松花菜花球营养品质和挥发性物质的影响

李 菊，颉博杰，魏守辉，张国斌，武 玥，唐中祺，肖雪梅，2，*，郁继华，2

(1.甘肃农业大学 园艺学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070)

松花菜是十字花科芸薹属甘蓝变种花椰菜(Brassicaoleraceavar.botrytisL.)中的一个类型，是目前我国花椰菜消费的主要类型[1]。松花菜的花球食味鲜美，富含维生素、纤维素、矿物质等营养物质，具有防癌抗癌的作用[2]。近年来，松花菜的种植面积不断增加[3]，已成为重要的经济蔬菜之一，也是深受人们推崇的健康食品[4]。

在蔬菜种植过程中，由于一味追求产量，化学肥料过量施用的现象普遍存在[5-6]。兰州市高原夏菜——松花菜的种植上同样存在着化肥施用过量和不合理的现象，并造成土壤养分不平衡、土壤有机质含量下降[7]、花球品质变差[8]、高投入低收益等问题[9]。随着人们生活水平的提高，人们对蔬菜营养价值和品质的要求也相应提高，蔬菜品质与食品安全问题受到广泛关注。因此，如何在保证产量和品质的同时减少化肥用量，成为优质松花菜生产中亟待突破的关键问题。许多研究已经表明，施用生物有机肥可以增加土壤有机质含量[10-11]，提高土壤酶活性和有益微生物数量[12]，改善作物品质[13]，但生物有机肥的肥力低，养分释放缓慢；因此，生物有机肥与化肥配施可能是实现蔬菜优质、安全生产的有效途径之一。Singh等[14]在花椰菜上的研究表明，施用生物肥料可以提高花椰菜的可溶性固形物和维生素C(VC)含量。吴平江等[15]在黄瓜上的研究也表明，施用生物有机肥可增加黄瓜果实中VC和糖的含量，降低硝酸盐含量。张迎春等[16]在莴笋上的研究表明，化肥减量20%配施6 000 kg·hm-2生物有机肥可提高莴笋茎、叶中的可溶性蛋白、可溶性糖和VC含量。刘慧[17]在茄科蔬菜上的研究表明，化肥减量20%并配施与所减养分等量的生物有机肥可以提高果实的可溶性蛋白、可溶性糖、番茄红素、VC含量。

目前，国内关于松花菜品质的评价大多局限于外观品质、基本营养品质(维生素含量、糖酸含量、可溶性蛋白含量等)[18-20]，关于其矿质营养元素和挥发性物质含量等鲜见报道。本试验设置化肥减量配施不同梯度生物有机肥的处理，探究其对松花菜花球营养、风味品质的影响，并引入主成分分析以更全面地评价不同处理对松花菜花球品质的影响，研究结果可为松花菜等高原夏菜的合理施肥和高品质栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年6—10月在兰州市榆中县清水驿乡稠泥河村(104°23′E，35°87′N)进行。该地区气压82 kPa，平均海拔1 790 m，年平均气温6.6 ℃，年降水量300～400 mm，年蒸发量1 343.1 mm，年无霜期150 d左右。试验地土壤概况：pH值7.85，有机质含量12.08 g·kg-1，全氮含量1.01 g·kg-1，有效磷含量97.66 mg·kg-1，速效钾含量138.44 mg·kg-1。

1.2 试验材料与试验设计

以松花菜品种力禾青梗100天为试材。

供试肥料包括：尿素(N 46.4%)，宁夏和宁化学有限公司；过磷酸钙(P2O512%)，甘肃金昌化学工业集团有限公司；硫酸钾(K2O 52%)，中农(天津)化肥有限公司；硝酸铵钙(N 15.5%)，山西三喜化工有限公司；沃夫特黑珍复合肥料(以下简称复合肥，N 18%，P2O518%，K2O 18%)，沃夫特复合肥有限公司；磷酸二铵(N 18%，P2O546%)，云南三环美盛化肥有限公司；硝硫基103(N 15%，P2O56%，K2O 21%)，沃夫特复合肥有限公司；生物有机肥(每克含有效活菌数0.2亿个以上，N、P2O5、K2O含量合计不超过5%，有机质含量50%以上，腐殖酸含量25%以上)，甘肃绿能瑞奇生物技术有限公司。

试验共设6个处理：CK1，不施肥；CK2，常规施肥；T1，平衡施肥；T2，平衡施肥+3 000 kg·hm-2生物有机肥；T3，平衡施肥+6 000 kg·hm-2生物有机肥；T4，平衡施肥+12 000 kg·hm-2生物有机肥。采用随机区组设计，每个处理3个小区，每个小区面积31.5 m2(4.5 m×7 m)。采用平畦覆膜大小行的栽培模式，三角形定植，定植株距60 cm，大行距60 cm，小行距50 cm。

松花菜种植采用一年两茬(春茬和秋茬)的栽培模式，春茬于2019-04-02定植，2019-06-18采收；秋茬于2019-06-29定植，2019-09-07采收。本试验于秋茬时进行。所有基肥(生物有机肥和部分化肥)均于春茬定植前一次性施入，秋茬不施基肥，所有化肥分3次追施。

本试验在不改变当地生产中传统施肥习惯的基础上，对各生育期的施肥量和氮、磷、钾比例进行优化。试验中各平衡施肥处理的肥料施用量及其比例是基于土壤养分平衡法理论，以及松花菜对养分的需求特性和土壤的供肥能力确定的。理论上，每生产1 000 kg松花菜，需要的N、P2O5、K2O量分别为5.1、1.1、4.8 kg，设定目标产量为3 300 kg，计算所需氮、磷、钾肥的施用量。

与当地常规施肥量相比，平衡施肥处理秋茬的化肥总量减少30%，其中N增施34.0%，P2O5减施82.4%，K2O减施22.9%。同时，调整不同肥料在各生育期的分配比例：松花菜前期以茎叶生长为主，需氮最多，故第一次追施氮肥的64%；第二次追肥时为花球形成初期，此时需补充磷、钾肥，故追施氮肥的25%、磷肥的73%，钾肥的43%；第三次追肥为花球形成盛期，钾肥需求量最多，磷肥次之，氮肥最少，故追施氮肥的11%、磷肥的27%、钾肥的57%。最终确定的各处理的具体施肥量与施肥方式详见表1。

表1 不同处理的施肥设计

春茬的生物有机肥、P2O5(由过磷酸钙提供)、K2O(由硫酸钾提供)、30% N(由尿素提供)作为基肥一次性施入，剩余70%N(由尿素提供)分别于莲座期和花球形成期按照50%和20%的比例追施。秋茬于莲座期第1次追肥，随水冲施，CK2处理的N由硝酸铵钙提供，其他处理的N由硝酸铵钙和尿素提供；花球形成初期第2次追肥，穴施，CK2处理的养分由复合肥和磷酸二铵提供，其他处理的养分由复合肥和尿素提供；花球形成盛期第3次追肥，随水冲施，所有处理的养分均由硝硫基103提供。

1.3 测定项目与方法

松花菜成熟期每小区随机选取3株，去除外叶，对花球采用“四分法”取样。一部分样品经液氮处理后，置于-80 ℃超低温冰箱保存备用；一部分样品于105 ℃杀青后，80 ℃烘至质量恒定待测。

1.3.1 营养品质

松花菜花球营养品质参考李合生[21]的方法测定：VC含量采用2，6-二氯酚靛酚法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，硝酸盐含量采用硝基水杨酸法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250比色法测定，有机酸含量采用酸碱滴定法测定。以上指标的含量均以鲜重计。

1.3.2 矿质元素

将烘干的样品研磨后过筛(0.25 mm)，采用H2SO4-H2O2湿式消解法进行前处理，采用原子吸收光谱法(ZEEnit®700P型石墨炉原子吸收光谱仪，德国耶拿)测定Ca、Mg、Fe、Mn、Zn含量。

1.3.3 挥发性物质

(1)顶空固相微萃取气相色谱串联质谱(GC-MS)检测方法。参考蔡东升等[22]和魏守辉等[23]的方法，进行优化后，测定松花菜花球挥发性物质种类及其含量。简述如下：取液氮速冻的样品研磨后，称取2 g装入15 mL顶空瓶中，加入0.4 g NaCl(分析纯)和磁力搅拌转子，迅速旋紧瓶盖，置于60 ℃恒温磁力搅拌器平衡10 min，60 ℃条件下萃取吸附30 min，之后立即插入色谱气化室，解析10 min后进行GC-MS分析(ISQ气相色谱-质谱联用仪，美国Thermo Fisher Scientific)。

气相色谱(GC)条件：DB-1701弹性石英毛细管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)，进样口温度250 ℃，载气为纯度≥99.999%的高纯氦气，柱流速1.0 mL·min-1，不分流进样。升温程序：初始温度40 ℃，然后以5 ℃·min-1升至150 ℃，再以10 ℃·min-1升至250 ℃，维持3 min。

质谱(MS)条件：电子电离(EI)模式，电子能量70 eV，离子源温度200 ℃，传输线温度190 ℃，扫描质量范围为35～550 u。

(2)挥发性物质的定性与定量分析。定性分析：花球中的挥发性物质经GC-MS分析鉴定后，各色谱峰通过计算机检索，辅以人工，与标准质谱图库(NIST2014)中的相应化合物进行定性鉴定。参考质谱的匹配度，以及相关文献报道的挥发性物质成分，仅鉴定匹配度大于75%的挥发性物质。定量分析：采用峰面积归一化法计算各挥发性物质的相对含量。

1.4 数据统计分析

试验数据采用SPSS 22.0软件进行方差分析与主成分分析，对有显著(P<0.05)差异的，运用Duncan’s新复极差检验法对数据进行多重比较；运用Microsoft Excel 2019软件做图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对松花菜花球营养品质的影响

与CK2相比，T1和T2处理下松花菜花球的有机酸含量显著(P<0.05)升高，T3处理下松花菜花球的VC含量显著(P<0.05)增加(表2)。除此以外，生物有机肥配施化肥的各处理(T2～T4)下松花菜花球的营养品质与CK2相比均无显著差异。总的来看，适宜的生物有机肥配施化肥的处理有利于松花菜花球营养物质的积累。

表2 不同处理对松花菜花球营养品质的影响

2.2 不同处理对松花菜花球矿质元素含量的影响

总的来看，与CK2相比，生物有机肥配施化肥各处理下松花菜花球的Ca、Fe含量得到不同程度的提高，但Mn、Mg、Zn含量无显著变化(表3)。具体地：与CK2相比，T2、T3处理下松花菜花球中的Ca含量显著(P<0.05)增加，T2～T4处理下松花菜花球中的Fe含量显著(P<0.05)增加。

表3 不同处理对松花菜花球矿质元素含量的影响

2.3 不同处理对松花菜花球挥发性物质的影响

利用GC-MS检测各处理下松花菜花球中的挥发性物质，共检测到各组分质谱图与标准谱库质谱图匹配度大于75%的物质126种(表4)，包括24种醛类、19种酮类、13种酯类、20种烃类、9种醇类、8种硫化物、12种氮化物、7种呋喃类和14种其他类物质，其他类物质主要有杂烷类、酸酐类物质。各处理下松花菜花球中挥发性物质的数量从高到低依次为T4(58种)>T3(57种)>T2(53种)=CK1(53种)>T1(47种)>CK2(45种)，说明适宜的生物有机肥配施化肥处理可以增加松花菜中挥发性物质的种类。6个处理下松花菜花球中共有的挥发性物质一共有13种，分别为反，反-2，4-庚二烯醛、壬醛、反式-2-辛烯醛、苯乙醛、3-乙基苯甲醛、癸醛、反式-2，4-癸二烯醛、十四烷、二甲基三硫化物、二甲基四硫醚、3-苯基丙腈、2-乙基呋喃、邻苯二甲醚。CK1、CK2、T1、T2、T3、T4处理下松花菜花球中特有的挥发性物质数量分别为9、3、7、15、10、9种。各处理下松花菜花球中相对含量最高的物质分别为CK1处理下的二甲基三硫化物(28.1%)、CK2处理下的反式-3-己烯醇(22.6%)、T1处理下的反式-3-己烯醇(17.9%)、T2处理下的4-甲基正己醇(18.6%)、T3处理下的壬醛(12.3%)、T4处理下的二甲基四硫醚(16.8%)。

表4 不同处理下松花菜花球中挥发性物质的成分及其相对含量

续表4 Continued Table 4

续表4 Continued Table 4

本试验的6个处理下共检测到5种松花菜特征香气成分(表5)。CK1和CK2处理下均只含有1种，为壬醛；T1处理含2种，T2、T3、T4处理各含有3种，相较CK2处理，T1、T2、T3、T4处理下增加了反-2-己烯醛、香叶基丙酮、水杨酸甲酯和β-紫罗兰酮4种成分。从特征香气成分的总量看，T1、T2、T3、T4处理均高于CK2，分别比CK2增加54.7%、160.6%、109.6%和104.7%。

表5 不同处理下松花菜花球特征香气成分及其含量

各处理下松花菜花球中检测到的挥发性物质大致可分成9大类。从各类挥发性物质的数量来看，醛类(10～16种)、酮类(2～11种)和烃类(7～10种)较多，酯类(4～6种)、硫化物(3～5)、氮化物(3～5种)、呋喃类(2～4种)、醇类(1～3种)较少(图1)。生物有机肥配施化肥的处理有助于增加各类挥发性物质的种类，如相较于CK2处理，T2处理的酮类、酯类、烃类挥发性物质种类增加，T3处理的酮类、酯类、烃类、硫化物类挥发性物质种类增加，T4处理的醛类、酮类、烃类、醇类、硫化物类挥发性物质种类增加。

A，醛类；B，酮类；C，酯类；D，烃类；E，醇类；F，硫化物；G，氮化物；H，呋喃类；I，其他。

从各类挥发性物质的含量上看，醛类最高(25.9%～44.0%)，其次为硫化物(10.1%～40.6%)、酯类(6.6%～25.5%)、醇类(3.9%～31.1%)、酮类(2.5%～19.7%)、烃类(6.5%～16.3%)、其他类(4.2%～10.8%)、氮化物(1.8%～9.2%)和呋喃类(4.8%～8.4%)含量最低。整体上看，生物有机肥配施化肥可提高松花菜花球醛类、酮类、烃类、氮化物和其他类物质的含量。其中，酮类物质含量增加最多，与CK2处理相比，T2、T3、T4处理下分别增加3.4、2.9和7.1倍。此外，T3处理的氮化物含量是CK2的1.7倍。

2.4 不同处理对松花菜花球品质综合评价的影响

采用主成分分析对松花菜花球的可溶性蛋白、可溶性糖、VC、硝酸盐、有机酸、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn含量，及挥发性物质中的醛类数量、醛类含量、酮类数量、酮类含量、硫化物数量、硫化物含量、氮化物数量、氮化物含量等18项品质指标进行主成分分析，得到主成分的特征值、贡献率(表6)和主成分载荷矩阵(表7)。依照主成分特征值大于1、累积方差贡献率大于85%的标准选取3个主成分(PC)：第1主成分(PC1)的特征值为8.00，贡献率为44.42%，代表指标为可溶性蛋白、可溶性糖、VC、Ca、Mg、Fe、Zn、Mn含量，及挥发性物质中的酮类数量、酮类含量和硫化物数量；第2主成分(PC2)的特征值为4.46，贡献率为24.80%，代表指标为硝酸盐、有机酸含量和挥发性物质中的醛类含量；第3主成分(PC3)的特征值为3.05，贡献率为为16.93%，代表指标为挥发性物质中的醛类数量、硫化物含量、氮化物数量和氮化物含量。前3个主成分的总累积贡献率达到86.15%，说明这3个主成分反映了原始变量86.15%的信息，符合分析要求。

表6 主成分的特征值和贡献率

表7 主成分载荷矩阵

根据主成分载荷矩阵的载荷值和特征值，计算特征向量，再以特征向量为权重构建3个主成分的函数表达式，再根据3个主成分得分情况，以各自的方差贡献率为权重，用两者相乘(相乘后的结果分别以F1～F3表示)再求和的方式构建综合评价得分函数F(F=F1+F2+F3)，计算出各处理的综合得分与排名(表8)，得分越高，表明该处理的品质越好。经测算，各处理的综合

表8 各处理的综合得分与排序

3 讨论与结论

蔬菜品质与施肥有密切的关系，养分不足或过多均不利于蔬菜的生长发育和优良品质的形成[24]。不同蔬菜的需肥规律不同，合理施肥、有机无机配施是蔬菜高产优质和维持良好土壤环境的保障。本试验也证实了这一观点。相比CK2处理，适宜的平衡施肥配施生物有机肥处理下，松花菜花球的有机酸、维生素C含量均得到不同程度的提高。这与前人研究结果相似。王成等[25]研究发现，配施3 600 kg·hm-2生物有机肥可以提高韭菜产量，显著改善韭菜营养品质。王跃华[26]的研究表明：配方施肥能明显提高白菜的蛋白质含量、可溶性糖含量和维生素C含量，降低硝酸盐、亚硝酸盐含量。王庆玲等[27]研究表明，化肥减量配施生物有机肥可提高蒜苗维生素C、可溶性蛋白含量，降低硝酸盐含量。

生物有机肥包含多种元素。Fe、Mn、Zn、Ca、Mg等是植物生长过程中的必需元素，参与植物体内多种化合物的形成和代谢，影响作物生长与品质[28]。廉晓娟等[29]研究表明，氮磷钾肥过量施用会对植株微量元素的吸收产生抑制或拮抗作用，而适量肥料可促进番茄对Ca、Mg 、Fe、Mn、Zn、Cu的吸收。杨苞梅等[30]研究表明，氮钾肥比例影响荔枝果实K、Ca、B含量。本试验发现，相较CK2处理，T2、T3、T4处理下松花菜花球中的Ca、Fe含量得到不同程度的提高。这与刘红明等[31]在化肥配施有机羊粪提高火龙果果实K、Fe、Zn、Mn等元素含量的研究中的结果相似。

影响蔬菜风味物质的因素是多方面的，水肥管理是其中之一[32]。研究表明，猪粪和秸秆替代部分化肥可提高番茄挥发性风味物质的种类与数量，猪粪有助于具有水果香味和花香味的挥发性物质，如2-异丁基噻唑、β-紫罗酮、3-甲基丁醇和 3-甲基丁醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮在果实内的积累，且以化肥、猪粪和秸秆三者配施的处理效果最佳[33]。王萍等[34]的研究也表明，施用生物有机肥与钙肥提高了萝卜异硫氰酸酯类和醚类物质等特征性挥发物质的含量。松花菜的风味主要取决于其花球中特征性挥发物质的成分与含量。据报道，花椰菜特殊硫磺气味的产生物质为甲硫醇、二甲基三硫化物、二甲基硫醚和甲硫醇甲酯等，青香味的产生物质为己醛、2-辛烯醛、壬醛和癸醛等，柑橘-水果香味的产生物质为D-柠檬烯、庚醛、壬醛和癸醛等[35]。松花菜是含有抗癌活性物质的蔬菜，尽管其有益于健康，但仍有许多人拒绝食用，令人讨厌的“味道”(包括气味与食用时的苦味)是人们不愿食用的重要原因[36]。本研究发现，适宜的平衡施肥配施生物有机肥的处理可促进具有清香、果香和花香味物质的积累，增加松花菜花球中壬醛、β-紫罗酮、香叶基丙酮的含量，且T2处理下壬醛的相对含量达到本试验条件下的最高水平。T4处理提高了松花菜花球中反-2-己烯醛、异硫氰酸甲酯、β-紫罗酮等具有芳香味的特征性物质的含量。消费者对松花菜的接受程度与其硫化物的刺激性气味和苦味呈负相关，然而松花菜中的某些硫化物已被证明具有抗癌功能；因此，需要找到一个折衷的方案，优化硫化物的浓度，使其能被消费者接受。本研究发现，平衡施肥配施生物有机肥可以改变松花菜内挥发性风味物质的种类和数量，有助于提高松花菜花球中具有香味物质的含量，减少刺激性气味。这一发现可为松花菜的改良研究提供思路与借鉴

松花菜花球品质包括多项评价指标。主成分分析通过降维的方法把多个相互关联的指标简化为互不相关的综合性指标，同时使这些综合性指标能够尽可能多地表达原有指标的信息，避免了重复信息的干扰，有助于我们全面、直观地判断其综合品质[37-38]。本试验运用主成分分析对不同施肥处理下松花菜花球的品质进行综合评价，结果显示，T3处理得分最高，品质最优，其他处理从高到低依次为T2、T4、CK2、T1处理，CK1处理的得分最低。

综上，相比常规施肥，适宜的生物有机肥配施化肥的处理可提高松花菜花球的营养物质含量，增加花球中挥发性物质的种类和含量，是实现松花菜化肥减施增效、改善营养品质和风味品质的有效途径。在本试验条件下，平衡施肥配施6 000 kg·hm-2生物有机肥处理效果最佳，与CK2相比，松花菜花球的维生素C含量显著提高17.6%，Ca、Fe含量分别显著增加36.8%和18.4%；同时，花球中的挥发性物质总量增加12种，特征香气物质含量增加。