椰糠栽培下水肥处理对菜心养分吸收和产量的影响
2023-06-07李艳红张长远谢玉明史亮亮郑锦荣
杨 鑫，聂 俊，李艳红，张长远，谢玉明，史亮亮，郑锦荣
（广东省农业科学院设施农业研究所，广东 广州 510640）
【研究意义】菜心（Brassica campestrisL.ssp.chinesisvar.Utilis Tsen et Lee）是十字花科芸薹属草本植物，其适应性强、生长周期短且可以周年性生产，在设施蔬菜栽培中占据重要地位［1］。此外，菜心以花薹为主要食用部位，营养丰富、口感脆嫩、风味独特，深受广大消费者的喜爱。近年来，菜心的市场需求量逐渐增加，种植面积不断扩大，开展菜心水分和养分管理调控理论和技术研究，探索配套的水肥栽培措施对于菜心的周年性平衡供应具有重要意义。【前人研究进展】椰糠作为一种可再生的环保型栽培基质，吸水通气性强、酸碱性适中，可很大程度上节约蔬菜栽培成本，克服土壤连作障碍，被广泛应用于设施园艺无土栽培中［2-4］。水分和养分是蔬菜栽培中的主要限制因素，合理的水分和养分管理是提高植株水分、养分利用效率，节约农业用水，避免肥料浪费，降低菜心栽培成本的重要途径［5-6］。张婧等［4］在无土栽培幼苗中发现，将椰糠加入草炭复合基质中，可在一定程度上降低基质的保水性能，导致番茄幼苗的株高、叶面积下降，尤其在高温下椰糠容易出现缺水现象，阻碍作物生长发育。而椰糠基质中水分过多时，根际环境透气性差，阻碍根系呼吸，进而抑制植株的生长，甚至导致根系腐烂坏死，适度的水分亏缺不仅可以有效促进植株的生长，还可以提高根系对水分、养分的吸收能力，进而对作物的产量积累产生一定的影响［7-8］。钟泽等［9］研究了不同施肥量对椰糠栽培下番茄植株生长和产量的影响，发现过高的施肥量会对植株的养分吸收产生不利影响，显著降低番茄的产量。因此，以椰糠为栽培基质进行无土栽培时，其肥水管理对于植株的农艺性状和产量积累尤为重要。前人研究主要集中在光质、高温胁迫以及喷施外源激素等对菜心农艺性状及产量的影响［10-13］，而对椰糠栽培下水肥调控对菜心养分吸收利用和产量影响的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】为探明水肥调控对椰糠栽培下菜心生长的影响，本试验以菜心为研究对象，在椰糠栽培条件下，研究不同灌水处理和养分处理对菜心生长、产量、氮磷钾吸收量及水分利用效率的影响，以期明确椰糠栽培下菜心的水分和养分需求规律，为椰糠栽培下的资源合理利用，菜心栽培的科学管理、周年均衡供应、优质高产提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试材料为早熟菜心品种油青四九。
1.2 试验方法
试验在广东省农业科学院白云试验基地智能温室展开，采用盆栽试验，栽培盆的体积为3 L（直径18 cm、深度15 cm），每盆装有基质190 g（椰糠∶珍珠岩=3∶1），基质最大持水量为1 100 g，基质表面均匀覆盖一层珍珠岩，防止基质表面的水分蒸发。试验设置3 个灌水处理［I］：I1（55%～ 60%基质最大持水量）、I2（75%～ 80%基质最大持水量）、I3（95%～ 100%基质最大持水量）；以及3 种养分处理［F］：F1（1/2 倍山崎营养液浓度），F2（1 倍山崎营养液浓度）、F3（3/2 倍山崎营养液浓度），并将对应浓度的营养液于试验开始前以基肥的形式施入盆中，每盆2 L，共9个处理，每个处理32 盆。菜心于三叶一心时进行移栽，在菜心移栽缓苗1 周后开始灌水处理，每天上午9：00—10：00 进行称重灌水，记录灌水前后质量，灌水处理持续到菜心收获为止。在灌水处理开始后，每周收获一次菜心植株，每个处理随机取8 盆进行收获，在菜心齐花口时收获所有植株。
1.2.1 农艺性状测定 使用便携式叶绿素仪（SPAD-502PLUS）测定叶片的SPAD 值；使用直尺测量薹高、叶长和开展度；使用游标卡尺测量菜心的薹粗和叶宽；使用Li-3100C 叶面积仪测定植株的叶面积；使用精度为0.01 g 的电子天平测定薹鲜质量，随后置于烘箱105℃杀青15 min后，在80℃下烘干至恒重，并使用精度为0.001 g的电子天平测定薹干质量。
1.2.2 养分含量测定 将烘干的植物样研磨成细粉过筛后，用硫酸-过氧化氢消煮法制备待测液。全氮含量采用水杨酸钠比色法测定，全磷含量采用钼酸铵分光光度法测定，全钾含量采用火焰分光光度法测定，各器官元素吸收量（mg/plant）＝元素含量×菜心各器官干物质的积累量［14］。
1.2.3 产量及水分利用效率测定 菜心成熟后收获菜心植株，每个处理收获8 盆，并使用精确度为0.01 g 的电子天平记录每株鲜质量（以薹鲜质量作为产量指标）和干质量，计算灌水处理开始到收获期的耗水量，水分利用效率（kg/m3）＝植株干物质的积累量/植株耗水量。
1.3 数据处理
试验采用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理和图表绘制，采用SPSS 25.0 统计软件进行数据的方差分析、相关性分析及主成分分析。
2 结果与分析
2.1 菜心农艺性状对水肥处理的响应
由表1 可知，不同灌水处理和养分处理对菜心农艺性状具有不同程度的影响。忽略养分处理可以发现，灌水处理显著影响了植株薹高，相比充分灌溉的I3 处理，I1 处理下菜心植株的薹高下降11.8%。同时，水分亏缺处理（I1 和I2）显著提高菜心根长，且I1 和I2 较I3 分别高出25.7%、42.4%。然而，不同灌水处理对植株的叶长、叶宽、开展度、叶面积、根表面积、薹粗以及SPAD 值并无显著影响。相比灌水处理，养分处理对菜心农艺性状的影响更加显著，除根长和SPAD 值外，植株的叶长、叶宽、叶面积、开展度、根表面积、薹高及薹粗均对养分处理具有显著的响应。从表1 可以发现，随着营养液浓度的降低，菜心的叶长、叶宽、开展度、叶面积、薹高及薹粗均逐渐下降，与F3相比，F1 处理植株叶长、叶宽、开展度、叶面积、薹高及薹粗显著降低，且分别下降17.1%、20.5%、34.4%、43.2%、14.5%、21.5%。而灌水处理和养分处理对菜心的各农艺性状没有明显的交互效应。
表1 不同水肥处理下菜心的农艺性状Table 1 Agronomic characters of Chinese flowering cabbage under different water and fertilizer treatments
2.2 菜心氮磷钾含量对水肥处理的响应
由表2 可知，不同处理下菜心叶、薹和根部氮磷钾含量对灌水处理和养分处理的响应差异比较明显，灌水处理仅对菜心根部氮、钾含量有显著影响，且I1 处理条件下根部氮和钾的含量最低。而养分处理则显著影响了叶片中氮、钾含量以及薹和根部氮、磷、钾含量，其中各器官中氮含量均随着营养液浓度的提高而逐渐增加，相比F1 处理，F2处理的叶、薹、根部氮的含量分别提高13.3%、29.9%、26.1%，F3 处理菜心叶、薹、根部氮含量分别提高16.7%、34.3%、45.1%，差异显著（P<0.05）。薹和根部磷的含量也随营养液浓度的提高而呈现出增加趋势，且F2、F3处理植株薹中磷含量分别高出F1 处理22.4%、25.9%，根部磷含量分别高出F1 处理41.5%、46.3%，差异显著。然而，菜心叶片中磷的含量和各器官钾的含量则没有明显的变化规律。表2中方差分析结果表明灌水处理和养分处理仅对菜心根部氮的含量具有显著的交互效应。
表2 不同水肥处理下菜心各器官氮磷钾的含量Table 2 Nitrogen,phosphorus and potassium contents in various parts of Chinese flowering cabbage under different water and fertilizer treatments
2.3 菜心氮磷钾吸收对水肥处理的响应
收获期，菜心叶、薹及根部氮磷钾的吸收量如表3 所示。结果表明，仅菜心根部磷和钾的吸收量受到灌水处理的显著影响，且灌水量减少会降低根部磷和钾的吸收量，相比I3，I1 和I2 处理植株根部磷的吸收量均降低14.3%，其中I1 与I3 差异显著，而钾的吸收量分别降低28.1%、19.3%，差异显著，不同灌水处理对菜心叶片和薹中氮磷钾的吸收量没有显著影响。忽略灌水处理，由表3 可知，菜心各器官氮磷钾的吸收量均受到养分处理的显著影响，随着营养液浓度的增加，各部分氮磷钾的吸收量均呈现出逐渐提高的趋势。此外，灌水处理和养分处理的交互效应显著影响菜心叶片中氮磷钾的吸收量以及根部磷和钾的吸收量，而对菜心薹中氮磷钾吸收量的影响均未达到显著水平。
表3 不同水肥处理下菜心各器官氮磷钾的吸收量Table 3 Nitrogen,phosphorus and potassium uptake in various part of Chinese flowering cabbage under different water and fertilizer treatments
2.4 菜心水分利用效率及产量对水肥处理的响应
花薹是菜心主要的产量构成部分，本试验以薹鲜质量作为产量指标，由表4 可见，灌水处理和养分处理均对菜心的耗水量、水分利用效率及产量具有显著影响，且对耗水量和产量具有明显的交互作用。忽略养分处理差异时，菜心的耗水量和产量均随灌水量的减少而降低，与I3 相比，I1 和I2 处理植株的耗水量分别降低28.8%、14.6%，产量分别降低16.7%、11.1%。相反，菜心的水分利用效率随着灌水量的减少而增加，I1和I2 处理的水分利用效率较I3 分别提高30.2%、16.3%。而忽略灌水处理时，随着营养液浓度的降低，菜心的耗水量、水分利用效率及产量均呈现出逐渐降低的趋势，F1和F2 处理的耗水量、水分利用效率及产量均显著低于F3，其中F1 最低，且较F3 分别降低17.2%、28.1%、51.9%。另外，I1F3、I2F3 和I3F3 分别为I1、I2 和I3 条件下水充分利用效率和产量最高的处理，且相应耗水量表现为I1F3
表4 不同水肥处理下菜心的耗水量、水分利用效率及产量Table 4 Water consumption,water use efficiency and yield of Chinese flowering cabbage under different water and fertilizer treatments
2.5 菜心农艺性状的相关性分析
菜心各农艺性状之间的相关分析结果如表5所示；菜心叶片开展度与叶长呈极显著正相关，相关系数达0.83；而叶面积与开展度的相关系数达0.77，呈极显著正相关；根长与根表面积之间也存在强相关性，相关系数达0.84；菜心产量与叶长、叶面积、开展度、根表面积、薹高、薹粗均显著相关，且菜心产量与叶长、叶宽和开展度的相关系数均达0.70 以上，呈极显著正相关，其中产量与叶面积的相关系数最大、达0.86。
表5 菜心农艺性状的相关性分析Table 5 Correlation analysis of agronomic characters of Chinese flowering cabbage
2.6 菜心养分吸收和产量性状的主成分分析
通过主成分分析法对不同水肥条件下菜心的产量、水分利用效率及氮磷钾的吸收进行综合评价，并基于PCA 综合得分情况进行排名。结果（表6）表明，综合得分排名前3 位的依次是I2F3、I3F3、I1F3，均有F3 处理。F2 处理（I2F2、I3F2、I1F2）的综合得分居于中间3 位，而F1 处理（I1F1、I3F1、I2F1）的综合得分位居最后3 位，表明养分处理对菜心生长和产量的综合影响效果更加明显。
表6 菜心农艺性状的主成分分析Table 6 PCA results of agronomic characters of Chinese flowering cabbage
3 讨论
3.1 水肥处理对菜心生长和产量的影响
水是作物生长的基本条件，直接影响作物的生长发育。菜心是以薹为主要食用部分的蔬菜，本试验发现亏缺灌溉可显著降低菜心的薹高，其叶长、开展度也有不同程度的减小（差异不显著），而菜心产量与薹高、叶长及开展度均显著正相关，导致菜心产量减少。同时，相比充分灌溉，水分亏缺处理下菜心根长显著增加。早期研究表明，水分亏缺下，植株为获得更多水分，降低水分胁迫对其生长产生的负面影响，会将较多的同化物运输给根系，为根系的伸长生长创造有利条件，但同时也会促使分配到植株地上部的营养物质减少，在一定程度上抑制地上部生长，进而导致减产［15］，这也是水分亏缺下菜心产量下降的一个原因。另外，水分亏缺会降低叶片气孔导度，抑制叶片光合作用，对作物产量的积累产生一定负面影响［16-17］。水分亏缺作为一种有效的节水灌溉手段，可以在较低产量损失下有效提高作物的水分利用效率［18-19］。本试验中，亏缺灌溉显著降低了菜心的耗水量，提高了菜心的水分利用效率，这与前人研究结果［20］一致，水分亏缺可以增加根系中脱落酸（ABA）的合成，进而诱导叶片气孔关闭，减少叶片的蒸腾耗散［21-22］，从而有助于植株提高水分利用效率。
菜心栽培中，养分的合理施用对于植株的生长发育和产量积累至关重要［23-24］。本研究中，不同养分处理对菜心的农艺性状产生不同程度的影响，相比常规营养液浓度（F2），1/2 营养液浓度（F1）降低了植株的叶长、叶宽、叶面积、开展度、根表面积、薹高及薹粗，相反，上述指标在3/2 营养液浓度（F3）处理下均显著提高，菜心产量也表现出相同规律，表明营养液浓度的提高有效促进了菜心的生长和产量的积累。基质中的养分含量是限制作物产量的重要因素，营养液浓度的增加提高了基质中氮磷钾含量，为植株生长提供了充足营养，且氮、钾含量的提高可以促进植株碳的同化和叶绿素的合成，增强叶片光合作用［25-27］，进而对菜心产量的提高产生积极效应。
3.2 水肥处理对菜心氮磷钾吸收和分配的影响
养分作为植株体的重要组成部分，直接参与植株的生理生化过程。水分亏缺处理会导致基质中矿质元素向根系表面的迁移减少［28］，减小叶片蒸腾速率［29］，降低质流，进而对部分营养元素的吸收产生不利影响。本研究中，水分亏缺降低了菜心根部对钾的吸收，对叶片和薹中氮磷钾的吸收没有显著影响。然而，不同养分处理对菜心各器官的氮磷钾吸收均造成显著影响。氮磷钾是植株生长的必需元素，不同养分处理直接影响了基质中氮磷钾的含量，进而影响植株对氮磷钾的吸收和分配过程。各养分处理中，F3 处理基质中的氮磷钾含量最高，显著增大了菜心的叶面积，有利于叶片的光合作用和光合产物的积累，而光合产物的积累又可以进一步促进根系对基质中养分的吸收［30］，F3 处理下菜心的根长和根表面积也显著增大，增强了植株的养分吸收能力，从而提高菜心各器官中氮磷钾的吸收量。另外，菜心各器官对钾的吸收量要高于氮和磷的吸收量，与前人研究结果［30］一致，这或许与钾在植株中的离子存在形态有关。比较菜心植株各器官氮磷钾的吸收状况发现，薹和叶片中氮和钾的吸收量均显著高于根部氮和钾的吸收量，这可能是由于氮和钾参与了叶片的光合作用，可以促进光合产物的运输和积累［31-33］，有效提高了菜心薹和叶的干物质量，进而增加了薹和叶中氮和钾的吸收量，为菜心的产量积累提供了有利条件。
4 结论
综上所述，椰糠栽培下水肥处理对菜心农艺性状、水分利用效率和氮磷钾的吸收具有不同程度的影响，水分亏缺处理（I1 和I2）降低了菜心的产量，但显著提高了植株的水分利用效率。同时，营养液浓度的增加显著促进了菜心的生长，并促进植株耗水量、氮磷钾吸收和水分利用效率的提高。此外，灌水处理和养分处理的交互作用显著影响了菜心的耗水量和水分利用效率，耗水量和水分利用效率最高的处理分别为 I3F3 和I1F3。总体来看，本研究中产量排前三的处理组依次是I3F3、I3F2 和I2F3，但差异不显著；通过主成分分析对各处理菜心的水分利用效率、养分吸收及产量进行综合评价发现，I2F3 处理的综合得分最高，表明I2F3 在未明显降低菜心产量的同时对菜心的综合影响效果最优，表明适当的水分亏缺和较高的营养液浓度是促进菜心高产、节水的有效策略。
