不同氮磷钾浓度对水培芹菜农艺性状及光合特性的影响

王 昊,贾丽丽*,刘洁霞,段奥其,尹 莲,丁 旭,束 胜,熊爱生**

(1南京农业大学园艺学院,南京 210095;2作物遗传与种质创新国家重点实验室,南京 210095;3农业农村部华东地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室,南京 210095;4南京农业大学(宿迁)设施园艺研究院,宿迁 223800)

芹菜栽培历史悠久,品种丰富,在日常饮食和蔬菜市场中占据重要地位。芹菜叶柄是主要的食用部位,风味独特、营养丰富、可促进食欲。芹菜也是医药、食品和化工行业芹菜素和香精油的主要来源[1-4]。此外,芹菜抗寒性较强,且栽培技术简单,在我国已实现周年生产供应[5]。

氮磷钾是植物生长发育必不可少的营养成分,在调控作物生长和光合能力方面发挥着重要作用[6]。合理施用氮磷钾肥能够增强植物的光合作用,促进光合产物的转化,改善作物的农艺性状。研究发现,K+浓度在0—12 mmol∕L时,草莓幼苗农艺性状及净光合速率随K+浓度的增加而增加,均在12 mmol∕L时最大[7]。张蕙琪等[8]研究表明,在N、P2O5和K2O肥施用量分别为225 kg∕hm2、100 kg∕hm2和60 kg∕hm2时,谷子的光合特性最优,产量最高。农艺性状的改善与植物产量息息相关,芹菜单株质量与单株叶片数、叶柄数等农艺性状呈正相关[9]。磷肥处理会增加大豆的株高、茎粗、地上部单株干物质积累量、净光合速率和气孔导度,从而提升大豆产量[10]。施用合理的氮磷钾肥不但能够提高植物的产量,而且有利于减少环境污染和节省成本等。

目前有关芹菜氮磷钾肥施用的研究主要集中在大田试验方面,针对水培芹菜中氮磷钾推荐施用量的研究较少。芹菜土壤和设施土壤栽培与水培存在较大的区别,水培条件下芹菜的营养物质主要通过营养液供应,能够更清晰地反映芹菜对不同营养元素吸收的特点。深入研究水培条件下不同氮磷钾浓度处理对芹菜农艺性状和光合特性的影响,对于实现芹菜生产的精准控制具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年6—12月在南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室伞形科蔬菜作物实验室人工气候生长室进行。试验材料为‘津南实芹’(‘Jinnan Shiqin’)和‘金黄芹菜’(‘Jinhuang Qincai’)。‘津南实芹’纤维含量少、品质佳,且抗逆性强,在适宜的气候和栽培条件下,我国各地均可种植。‘金黄芹菜’纤维含量较少、质地较为脆嫩、口感好、香味浓,且抗病性强、产量高,在我国大部分地区均可栽培种植。

1.2 处理方法

将‘津南实芹’和‘金黄芹菜’种子撒播在装有有机基质∶蛭石∶珍珠岩为2∶2∶1(体积比)的盆(13.5 cm×12 cm×12 cm)中,并置于人工气候生长室中,常规苗期管理,生长50 d时,将长势均匀的芹菜苗种植于装有不同氮磷钾浓度营养液的水培箱(35 cm×20 cm×8.5 cm)中。参照乔源[11]的研究,氮肥浓度设置5 mmol∕L、8 mmol∕L和11 mmol∕L三个梯度;磷肥浓度设置0.3 mmol∕L、0.6 mmol∕L和0.9 mmol∕L三个梯度;钾肥浓度设置3 mmol∕L、5 mmol∕L和7 mmol∕L三个梯度,以自来水作为对照组(CK),具体的营养液配方见表1(大量元素配方)和表2(微量元素配方),自来水中的元素含量见表3[12]。将种植好的水培芹菜放在人工气候室培养,每天通氧16 h,每5 d换1次营养液,营养液pH为5.5—6.5。水培40 d采收。

表1 不同氮磷钾浓度营养液配方Table 1 Formula of nutrient solution with different NPK concentrations

表2 微量元素配方Table 2 Microelement formula

表3 自来水基本性质[12]Table 3 Fundamental properties of tap water μg·mL-1

1.3 测定内容与方法

1.3.1 农艺性状的测定

采收后,测量各处理芹菜单株质量、株高、小叶长、小叶宽、叶片数、叶柄数、叶柄宽、叶柄厚和根长,每个处理随机选取5株进行统计分析,取平均值。

1.3.2 光合指标的测定

采收后,使用Li-6400便携式光合仪分别测定各处理芹菜最顶端叶片的净光合速率和胞间CO2浓度。每处理随机选4株测量,每株重复测量3次,取平均值。

1.4 数据处理

用Excel 2010和SPSS 24.0软件对数据进行整理分析;采用单因素方差分析和Duncan's多重比较方法进行差异显著性分析;用Pearson相关系数判断数据的相关强度。

2 结果与分析

2.1 不同氮磷钾浓度对水培芹菜形态特征的影响

不同氮磷钾浓度处理下芹菜形态特征如图1所示。‘津南实芹’植株颜色为绿色,‘金黄芹菜’植株偏黄绿色。施用氮磷钾肥后,水培条件下‘津南实芹’和‘金黄芹菜’的株高、叶片数和叶柄数等均高于对照,但不同浓度处理间无显著差异。

图1 不同氮磷钾浓度对水培芹菜形态特征的影响Fig.1 Effects of different NPK concentrations on morphological characteristics of hydroponic celery

2.2 不同氮磷钾浓度对水培芹菜农艺性状的影响

2.2.1 不同氮浓度对水培芹菜农艺性状的影响

‘津南实芹’和‘金黄芹菜’在不同浓度氮肥处理下的农艺性状如表4所示。除根长外,‘津南实芹’各项农艺指标均高于对照,且差异显著。‘津南实芹’单株质量、叶柄数和株高均在11 mmol∕L氮肥处理下最大,分别是对照的5.19倍、1.33倍和1.86倍。

表4 不同氮浓度对水培芹菜农艺性状的影响Table 4 Effects of different N concentrations on agronomic characteristics of hydroponic celery

‘金黄芹菜’单株质量、叶片数、小叶长、小叶宽和叶柄宽随氮肥处理浓度的增加而增加,在11 mmol∕L时达到最大,其单株质量是对照的2.22倍。其株高在8 mmol∕L氮肥浓度处理时最大,是对照的1.30倍。

2.2.2 不同磷浓度对水培芹菜农艺性状的影响

在磷肥处理下,芹菜各个农艺性状如表5所示。‘津南实芹’单株质量、叶片数和株高均在0.3 mmol∕L时最大,分别为对照的3.83、2.25和1.59倍;叶柄数、叶柄宽和叶柄厚在0.6 mmol∕L时最大;小叶长和小叶宽在0.9 mmol∕L时最大,且显著高于对照。

表5 不同磷浓度对水培芹菜农艺性状的影响Table 5 Effects of different P concentrations on agronomic characteristics of hydroponic celery

‘金黄芹菜’单株质量、叶片数、株高、小叶长和小叶宽均随磷肥施用浓度的增加,呈先上升再下降的趋势,在0.6 mmol∕L时达到最大值,其单株质量和株高分别为对照的2.16倍和1.26倍。

2.2.3 不同钾浓度对水培芹菜农艺性状的影响

钾肥处理下的芹菜根长明显低于对照(表6)。‘津南实芹’单株质量、株高、小叶长和小叶宽随钾肥处理浓度的增加呈先上升再下降的趋势,在钾肥处理浓度为5 mmol∕L时最大。

表6 不同钾浓度对水培芹菜农艺性状的影响Table 6 Effects of different K concentrations on agronomic characteristics of hydroponic celery

‘金黄芹菜’单株质量、叶片数和叶柄数随钾肥处理浓度的增加呈先上升再下降的趋势,在钾肥处理浓度为5 mmol∕L时最大,分别为对照的2.16倍、1.57倍和1.56倍;在钾肥处理浓度为3 mmol∕L时,株高最大,但与其余两个施肥处理无显著差异。

2.2.4 不同氮磷钾水平与水培芹菜农艺性状的相关性分析

由表7可知,除‘津南实芹’根长外,‘津南实芹’和‘金黄芹菜’的各项农艺性状均与氮肥施用量呈正相关,说明在一定范围内施氮量的增加会促进芹菜除根长以外各个农艺性状的生长。

表7 不同氮磷钾水平与水培芹菜农艺性状的相关性Table 7 Correlation between different levels of NPK and agronomic traits of hydroponic celery

‘津南实芹’小叶长和小叶宽与磷肥施用水平高度正相关,但其余农艺性状与磷肥施用水平呈负相关。除株高和叶柄厚,‘金黄芹菜’的各个农艺性状均与磷肥施用水平呈正相关。

‘津南实芹’单株质量、叶片数、株高、小叶宽、叶柄宽和叶柄厚均与钾肥施用水平呈负相关。‘金黄芹菜’小叶长和小叶宽与钾肥施用浓度高度正相关,说明施钾量的增加对‘金黄芹菜’小叶的生长具有促进作用。

2.3 不同氮磷钾浓度对水培芹菜光合特性的影响

与对照相比,施肥处理后的‘津南实芹’胞间CO2浓度均不同程度降低,净光合速率均有提高。‘津南实芹’净光合速率随氮处理浓度的增加而增加,随磷处理浓度的增加逐渐下降,随钾处理浓度的增加呈先上升再下降的趋势,分别在氮、磷、钾浓度为11 mmol∕L、0.3 mmol∕L和5 mmol∕L时最大。‘金黄芹菜’净光合速率随氮处理浓度的增加呈先上升再下降的趋势,在8 mmol∕L的氮肥处理下达最大值,显著高于对照;随磷处理浓度的增加而增加,在钾肥处理下无明显变化,在磷、钾浓度分别为0.9 mmol∕L和3 mmol∕L时最大。

表8 不同氮磷钾浓度对水培芹菜光合特性的影响Table 8 Effects of different NPK concentrations on photosynthetic characteristics of hydroponic celery

3 讨论

长期较高的光合速率是植物获得高产的条件之一,而叶片是植物的主要光合场所,是植物合成有机物的主要器官[13],叶片光合效率影响植物的生长发育及干物质的积累[14]。合理施用氮磷钾肥有利于植物叶面积增大,叶片数增多以及株高增加,使植物获得更多的光能,从而提高植物的产量。在芹菜生长过程中,不同浓度氮磷钾处理对芹菜农艺性状有着不同的影响。水培‘津南实芹’和‘金黄芹菜’施肥处理后的单株质量、叶片数、株高、小叶长和小叶宽等农艺性状高于对照,而根长则低于对照。相关性分析发现:除根长外,‘津南实芹’和‘金黄芹菜’各个农艺性状均与氮肥水平呈正相关,说明氮肥处理有利于促进除根长外各个农艺性状的生长。乔源[11]研究结果显示,‘四季香毛芹菜’地上部分鲜重在氮磷钾浓度分别为8 mmol∕L、0.8 mmol∕L和5 mmol∕L时就已达到饱和。在本试验中,芹菜单株质量和株高与磷肥和钾肥的施用浓度呈负相关或不相关。出现这种结果可能原因是‘津南实芹’和‘金黄芹菜’对施氮量的需求范围较广,对磷肥和钾肥施用量的需求范围较小所致。作物生长所需氮磷钾肥的施用存在一定的范围,超过这个范围作物产量不但不会上升,还会下降,这便是肥料施用“报酬递减律”[15-16]。此外,本试验只在单因素水平上对芹菜的农艺性状进行了研究,而植物的生长发育还受各营养元素的相互影响[17],环境因素的不同也会导致植物对营养元素吸收出现差异。

施肥处理能够提高植物的光合活性,适量的氮磷钾肥可提高桑树和银杏净光合速率,缺乏或过量施肥则会抑制其光合作用[18-19]。本试验结果表明,施肥能显著降低水培芹菜胞间二氧化碳浓度,增强净光合速率,但在不同品种芹菜之间存在差异。‘津南实芹’净光合速率在氮、磷、钾浓度分别为11 mmol∕L、0.3 mmol∕L和5 mmol∕L时达到最大,而‘金黄芹菜’在氮磷钾浓度分别为8 mmol∕L、0.9 mmol∕L和3 mmol∕L时达到最大。其原因可能是芹菜对光能的需求量存在品种差异,且试验操作细节和环境条件的差异也可能导致误差出现。

本试验采用水培的方式,可严格把控氮磷钾的浓度,更直观地表现芹菜生长过程中的农艺性状差异。本研究表明,相比于增施氮肥,有效减少磷肥的含量更利于增加‘津南实芹’的植株高度。而‘金黄芹菜’的株高与钾肥的施用量的相关性比氮肥更高。此外,高祖明等[20]研究发现,少磷比多氮更易引起叶菜硝酸盐的积累。

氮磷钾元素在植物体内相互影响、相互作用,共同促进植物的生长发育。研究表明,增加磷肥不仅可以促进苜蓿对磷素的吸收,还能不同程度地提高其对钙和钾的吸收[21]。而增施钾肥可提高作物对氮素的利用效率[22]。相反,缺钾会影响植物对氮和磷的吸收[23]。在生产中,适量的氮肥配合高磷肥有利于增加何首乌产量[24]。芹菜农艺性状是一个动态的综合性状,其影响因素不仅包括品种、栽培技术、环境条件和氮磷钾肥的施用量,还包括氮磷钾肥之间的相互作用,这些因素相互关联、相互制约。因此,为提高水培芹菜的产量,还需从品种、环境、多种营养元素的选择与配合使用等方面进一步深入探索[25-26]。本文着重研究了氮磷钾单因素的施用对水培芹菜生长发育的影响,可为水培芹菜的高效栽培提供理论基础,对实现田间芹菜高效生产具有指导意义。