腐植酸尿素对土壤矿质氮含量及生菜品质的影响

钱成宇 郭景丽 任荣奎 徐灵颖 续勇波

摘    要：為探究腐植酸尿素对蔬菜品质的影响，以半结球生菜为指示作物，设CK（不施氮肥）、T1（常规尿素）、T2（腐植酸尿素）、T3（商品有机肥）4个处理，测定根际和非根际土壤铵态氮、硝态氮含量及变化，以及生菜硝酸盐、草酸、亚硝酸盐、可溶性总糖、维生素C含量等品质指标，采用隶属函数法评价腐植酸尿素对生菜品质的综合影响。结果表明，与非根际土壤结果一致，腐植酸尿素处理的平均根际土壤矿质氮（铵态氮+硝态氮）含量（w）为137.77 mg·kg-1，高于其他处理，且以硝态氮为主。随着种植茬数增加，腐植酸尿素处理的土壤铵态氮、硝态氮富集率由正转负。腐植酸尿素处理的生菜可食部分鲜质量显著高于常规尿素处理。土壤铵态氮含量与可食部分鲜质量呈显著正相关，蔬菜硝酸盐含量与土壤硝态氮含量呈显著正相关。综上所述，腐植酸尿素有利于高品质蔬菜生产，但其对土壤铵态氮、硝态氮的调控机制仍需进一步研究。

关键词：生菜；腐植酸尿素；矿质氮形态；根际土壤；品质

中图分类号：S636.2 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2024）01-110-07

Impacts of humic acid urea on soil mineral N content and quality of lettuce

QIAN Chengyu1， 2， GUO Jingli3， REN Rongkui3， XU Lingying2， XU Yongbo4

（1. College of Resources and Environment， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， Yunnan， China; 2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture/Changshu National Agro-Ecosystem Observation and Research Station/Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， Jiangsu， China; 3. Henan Xinlianxin Chemical Industry Group Co.， LTD， Xinxiang 453731， Henan， China; 4. College of Tobacco Science， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， Yunnan， China）

Abstract： To investigate the impact of humic acid urea on vegetable quality， semi-heading lettuce was chosen as the indicator crop， and four treatments were implemented： CK （no nitrogen fertilizer）， T1 （conventional urea）， T2 （humic acid urea）， and T3 （commercial organic manure）. We measured the ammonium and nitrate nitrogen content and changes in both rhizosphere and non-rhizosphere soils， as well as various indicators of lettuce quality， including nitrate， oxalic acid， nitrite， soluble total sugar， and vitamin C. Using the membership function method， we analyzed the comprehensive effect of humic acid urea on lettuce quality. The results showed that the average mineral nitrogen content （ammonium nitrogen + nitrate nitrogen）in the rhizosphere soils under humic acid urea treatment was 137.77 mg·kg-1， consistent with the results in non-rhizosphere soils. The nitrate nitrogen was the main soil mineral nitrogen type under humic acid urea treatment. The enrichment rates of soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen change from positive to negative followed the increase of cultivation. The fresh mass of the edible portion and the average quality membership function values under humic acid urea treatment was higher compared with common urea treatment. The correlation analysis showed that the soil ammonium nitrogen was significantly positive correlated with fresh weight of edible part， and the vegetable nitrate was significantly positive correlated with soil nitrate nitrogen. To sum up， humic acid urea is beneficial to high quality vegetable production， but its regulation mechanism of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in soil needs further studied.

Key words： Lettuce; Humic acid urea; Mineral nitrogen types; Rhizosphere soil; Quality

随着国民经济飞速发展，我国的蔬菜需求量不断增加。截至2022年底，我国蔬菜播种面积达到2 237.5万hm2，与1985年末的475万hm2相比增加了4倍[1-2]。与此同时，《中国统计年鉴》[2]表明，截至2021年，我国的人均蔬菜年占有量达到549.10 kg，而蔬菜的人均年消费量只有109.8 kg，我国蔬菜生产仍处于饱和状态。我国蔬菜生产已经从低层次的“温饱需求”逐步向高层次的“高品质的综合需求”迈进。氮素是蔬菜需求量最大的矿质营养元素，在蔬菜生长和发育过程中起到重要作用。氮素可以通过影响蔬菜体内碳、氮代谢过程，进而影响硝酸盐、可溶性糖、维生素C含量等，改变蔬菜品质[3-4]。过量施氮会降低蔬菜维生素C含量和含糖量，增加蔬菜体内的有害物质[5-8]。因此，依靠提高氮肥用量改良蔬菜品质已经处于“瓶颈”状态，新型肥料研发迫在眉睫。

铵态氮和硝态氮是蔬菜吸收氮素的主要形态[9-11]，其含量多少与蔬菜品质密切相关。有研究认为，土壤中硝态氮含量高，生长的作物总生物量和根冠比较高，有助于根系中可溶性糖的累积和相关代谢酶活性的提高[12]；土壤铵态氮含量过高则可能会出现铵盐毒害现象[13]。但也有学者研究发现，硝态氮作为主要氮源，会增加蔬菜可食部分的硝酸盐含量，对健康造成潜在威胁[14]。施肥的本质是土壤养分库扩容。相较于普通尿素，新型尿素对土壤铵态氮、硝态氮的影响有何差异，目前尚不明确。这一差异对生菜品质有何影响并不清楚。

腐植酸是一类高分子物质，具有较强的吸附性能和生物活性，与尿素结合可以抑制脲酶活性，减缓尿素水解，同时将养分固定在根际来促进作物吸收，从而提高养分利用效率[15]。此外，腐植酸还在调控土壤氨有效性、保蓄土壤铵和通过酸化作用降低氨挥发等方面具有重要作用[16]。蔬菜生长所需的氮素有超过一半来自于土壤[4，17]，肥料投入土壤后并未被作物完全吸收，肥料中大部分养分会滞留在土壤中，成为土壤养分库的一部分。因此，笔者的研究以蔬菜品质为出发点，以生菜作为指示作物，通过观察一次性施肥后连续3季不同施肥处理（尿素、腐植酸尿素、商品有机肥）根际和非根际土壤铵态氮、硝态氮含量变化及其对生菜品质的影响，为腐植酸尿素在高质量蔬菜生产中的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2021年4月至2022年3月在江苏省南京市中国科学院南京土壤研究所温室进行。供试生菜为半结球生菜（全年耐抽薹生菜，购自山东威尔种子有限公司）。供试土壤来自于江苏省南京市溧水区高塘村普朗克有机农场处于转化期的设施菜地土壤，转化之前为水稻田。土壤类型为黄棕壤，土壤有机碳含量（w，后同）7.01 g·kg-1、全氮含量0.59 g·kg-1、碱解氮含量65.48 mg·kg-1、有效磷含量4.82 mg·kg-1、速效钾含量111.00 mg·kg-1。采集0～20 cm土壤风干研磨过2 mm筛备用。试验所用的普通尿素和腐植酸尿素为河南心连心化学工业集团股份有限公司提供的普通尿素（含N 45.6%）和腐植酸尿素（含N 42.8%，腐植酸含量2.7%）。供试有机肥为当地商品有机肥（主要成分为鸡粪肥，有机质含量≥15%）。

1.2 试验设计

试验设置CK（不施氮肥）、T1（常规尿素）、T2（腐植酸尿素）、T3（商品有机肥）4个处理，每个处理4次重复，完全随机排列。按照等量氮、磷、钾设置试验，氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）投入量分别为180、180和280 kg·hm-2，所有处理均采用一次性施入方式，试验期间不再追肥。试验共种植3季，每季收获后休耕。试验采用直径25 cm、高25 cm的圆柱筒，盆底铺上60目尼龙网，先装入深5 cm的土作为底层土，将1 kg土与对应的肥料混匀放入300目根际袋（高20 cm，周长30 cm），随后在袋外填充剩余土壤，保持土壤含水量为田间持水量的60%左右。待稳定5 d后播种，每个根际袋中心距离土表0.5 cm处放入6粒种子，待种子出芽后，在幼苗2叶期进行间苗至每盆1株，株行距为50 cm×50 cm。长至15～20片叶收获（2021年7月29日、2021年12月1日、2022年3月8日）。每季收获后，利用根际袋将生菜移出，利用抖根法取20 g根际土壤，其余根际土放回盆内同时采集非根区20 g土壤，置于4 ℃冰柜以供后续分析；将生菜按照根、叶分开，分别测定生物量，对叶片品质进行进一步分析，每个样品4次重复。

1.3 测定方法

生菜品质指标测定，主要包括叶片硝酸盐、亚硝酸盐、草酸、可溶性总糖、维生素C、粗蛋白含量和全磷、全钾元素含量，采用紫外分光光度法测定硝酸盐含量[18]；采用盐酸萘乙二胺法测定亚硝酸盐含量[19]；采用铁络合比色法测定草酸含量[20]；采用蒽酮比色法测定可溶性总糖含量[20]；采用分光光度法测定维生素C含量[20]；采用Kjeltec 8200半自動定氮仪测定植物全氮、粗蛋白含量[21]；采用电感耦合等离子体质谱仪测定全磷、全钾含量[21]。采用隶属函数法（membership function）对生菜品质进行分析，平均隶属函数值越大，综合品质越好[22]，计算公式如下：

R（Xi）=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）；

式中，Xi为指标测定值，Xmin、Xmax为某一指标的最小值和最大值。

土壤样品分析：利用AA3连续流动分析仪测定根际和非根际土壤铵态氮、硝态氮含量[23]。利用“富集率（enrichment ratio，E）”表示根际对土壤铵态氮、硝态氮的富集程度。E值越大，根际效应越强，计算公式如下[24]：

E = [（根际养分含量-非根际养分含量）/非根际养分含量]×100%。

1.4 数据分析

采用Excel 2013对试验数据进行处理，采用IBM SPSS Statistics 23对试验结果进行统计分析，采用Excel 2013进行图表绘制，以LSD最小显著差异法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤铵态氮、硝态氮的影响

从表1可以看出，不同处理在第一季到第三季的根际土壤铵态氮、非根际土壤铵态氮含量均呈先升后降的趋势。在第一季，T3处理的根际土壤铵态氮含量最高（2.55 mg·kg-1），其次是CK处理（2.52 mg·kg-1）、T1处理（1.34 mg·kg-1），T2处理最低，为0.94 mg·kg-1。第二季各处理的根际土壤铵态氮含量总体呈上升趋势，含量高低顺序为T3 （4.60 mg·kg-1）>T2 （4.56 mg·kg-1）> CK （3.76 mg·kg-1）>T1（3.72 mg·kg-1）。与根际土壤铵态氮不同，第二季的非根际土壤铵态氮含量高低顺序为CK （9.76 mg·kg-1）>T2（5.70 mg·kg-1） > T3（5.12 mg·kg-1）>T1（4.52 mg·kg-1）。第三季各处理根际和非根际土壤铵态氮含量均无显著差异。就硝态氮含量而言，在第一季，无论是根际还是非根际土壤硝态氮含量均以T2处理最高，分别为400.51、273.70 mg·kg-1，T1处理次之，CK和T3处理最低。第二季不同施肥处理下根际土壤硝态氮含量高低顺序为T1 （13.26 mg·kg-1）>T3（11.23 mg·kg-1）>CK（5.87 mg·kg-1）>T2（5.53 mg·kg-1）；非根际土壤硝态氮含量高低顺序为T1（68.75 mg·kg-1）>T2（15.11 mg·kg-1）>T3（10.61 mg·kg-1）>CK（2.31 mg·kg-1）。第三季T1处理的根际和非根际土壤硝态氮含量要显著高于其他处理。

根际是植物-土壤生态系统进行养分交换的活跃微域，富集率可以较好地反映根际对土壤养分的富集程度。由表1可知，除T3处理外，各处理的土壤铵态氮富集率随种植季延长由正转负且逐渐趋于稳定。其中，在第一季土壤铵态氮富集率高低表现为：CK（3.18%）>T1（1.22%）>T2（0.04%）>T3 （-0.76%）。第二季T3处理的土壤铵态氮富集率最高，其次为T2和T1处理，CK最低。第三季各处理间的土壤铵态氮富集率与第二季的结果相似。就土壤硝态氮富集率而言，第一季T1、T2处理的土壤硝态氮富集率显著高于T3和CK处理。第二季和第三季CK处理的土壤硝态氮富集率均显著高于其他处理。综上可知，随着种植季的延长土壤氮富集率会逐渐趋于稳定；此外，施肥会明显改变土壤铵态氮和硝态氮富集特征。

2.2 不同施肥处理对生菜产量、品质的影响

由表2可知，T2处理的生菜可食部分鲜质量显著高于其他3个处理。硝酸盐、亚硝酸盐和草酸含量越高，蔬菜可食用风险越大。T1和T2处理的生菜硝酸盐含量高于CK和T3处理，分别为1 645.96和1 514.08 mg·kg-1，但各处理之间差异并未达到显著水平。T1处理的生菜亚硝酸盐含量最高，为2.18 mg·kg-1，较CK处理提高20.44%。T3处理硝酸盐和亚硝酸盐含量均为最低，分别为648.33、0.64 mg·kg-1。生菜草酸含量各处理之间并未达到显著差异水平。可溶性糖和維生素C含量对蔬菜口感和人体健康具有重要意义，数值越高，蔬菜风味和营养品质越高。不同处理的可溶性糖含量最高为T2处理，为41.06 mg·g-1，较CK、T1、T3处理可溶性糖含量分别增加17.45%、9.06%和49.31%。除T1处理外，CK、T2和T3处理的维生素C含量无显著差异。生菜粗蛋白、全磷、全钾含量可以反映作物对土壤养分的吸收效率，CK处理的粗蛋白含量显著低于其他处理，不同处理间的全磷、全钾含量无显著差异。

为缩小单一指标对综合风味品质的影响偏差，采用隶属函数法对各处理指标的隶属函数值进行分析，来评价不同施肥处理对生菜风味品质的影响效果。笔者的研究将可溶性糖、维生素C含量归为有利风味品质指标类，将硝酸盐、亚硝酸盐和草酸含量归为不利风味品质指标类。通过将有利指标类和不利指标类的平均隶属函数值进行差减，发现平均隶属函数值最高的处理为T3，CK处理次之，其次是T2处理，T1处理最低。这说明相较于施用普通尿素，腐植酸尿素和纯有机肥处理均有利于提高蔬菜风味品质（表3）。

2.3 土壤铵态氮、硝态氮与生菜品质之间的关系

由表4可知，生菜可食部分鲜质量与根际土壤铵态氮含量、非根际土壤铵态氮含量之间均呈极显著或显著正相关，与非根际土壤硝态氮含量呈极显著负相关。生菜硝酸盐含量、粗蛋白含量与根际土壤硝态氮含量、非根际土壤硝态氮含量、硝态氮富集率均呈极显著或显著正相关。生菜草酸含量与土壤铵态氮含量、硝态氮富集率均呈显著或极显著正相关，与非根际土壤铵态氮含量呈极显著负相关。维生素C含量与根际土壤硝态氮含量、非根际土壤硝态氮含量均呈显著或极显著负相关。生菜全磷含量与根际土壤铵态氮含量、硝态氮含量和非根际土壤硝态氮含量均呈极显著正相关。生菜全钾含量与土壤铵态氮、硝态氮富集率均呈极显著正相关。上述结果表明，生菜产量和品质受土壤铵态氮、硝态氮含量的调控。

3 讨论与结论

影响蔬菜生产的因素有很多，其中以氮为主的矿质营养吸收对蔬菜产量、品质维持至关重要[25]。土壤氮素是蔬菜氮素的主要来源，其中铵态氮和硝态氮作为作物氮素吸收的主要来源，其含量多少与蔬菜健康生长密切相关。本研究结果表明，就第一季而言，施用腐植酸尿素的根际土壤铵态氮含量显著低于其他处理，纯有机肥处理的土壤铵态氮含量最高；第二季腐植酸尿素处理的根际土壤铵态氮含量高于普通尿素处理，非根际土壤铵态氮含量高于普通尿素处理和有机肥处理。就硝态氮而言，施用腐植酸尿素后，第一季土壤硝态氮含量显著高于其他处理，第二季土壤硝态氮含量显著低于普通尿素处理。这种变化可能与腐植酸本身的特性有关：一方面，腐植酸尿素中的腐植酸作为一种尿素增效剂，可为硝化细菌等提供生长必需的碳源和能量，促使铵态氮向硝态氮转化[26]；另一方面，腐植酸能够与尿素反应形成腐植酸-脲络合物，增强对土壤铵态氮和硝态氮的吸附作用，收到缓释效果[27]。此外，随着种植茬数的增加，施用腐植酸尿素的根际土壤铵态氮、硝态氮含量逐渐低于非根际土壤。这可能是由于本试验中采用一次施肥观察后续肥效的方式，第二季开始土壤没有额外的氮源投入，蔬菜对根际土壤矿质氮需求不变，导致根际土壤铵态氮、硝态氮含量减少。由此可见，腐植酸尿素对土壤铵态氮、硝态氮的调控作用与土壤本身矿质氮含量关系密切。有机肥处理的铵态氮富集率随种植茬数增加，可能是后期有机肥矿化分解释放矿质氮，在蔬菜氮素需求不变的情况下导致土壤矿质氮总量增加，进而使得铵态氮逐渐富集。

本研究结果表明，相较于普通尿素，施用腐植酸尿素可以提高蔬菜产量，改善蔬菜品质。此外，相较于CK处理，施用氮肥处理的生菜生物量和品质指标值并未发生显著增加。这说明，在笔者的研究中，土壤氮素供应总量并非是生菜产量和品质的关键因素，不同施肥处理生菜品质差异可能与土壤铵态氮、硝态氮形态有关。笔者研究分析了土壤氮素与生菜产量、品质的相关关系，发现土壤铵态氮含量与生菜可食用部分的鲜质量呈显著正相关。这与车旭升等[28]在西蓝花土壤中试验结果相一致，铵态氮肥作用效果要优于硝态氮肥。这可能是由于蔬菜吸收高度氧化态的硝态氮后，只有通过还原作用转化为铵态氮，才能参与进一步的代谢过程，促进生长发育。就蔬菜品质而言，蔬菜硝酸盐含量与根际土壤硝态氮、非根际土壤硝态氮含量和硝态氮富集率呈显著正相关。这说明土壤硝态氮作为主要氮源，会增加蔬菜可食部分的硝酸盐含量[14]。蔬菜的草酸含量与非根际土壤铵態氮含量呈显著负相关，与土壤铵态氮、硝态氮富集率呈显著正相关，这说明根际土壤矿质氮富集效应越明显，蔬菜草酸过量风险越高。此外，铵态氮含量增加可能会抑制蔬菜草酸积累[29-30]，这是由于铵态氮同化所需的能量较少，作物更易获取自身利用的氮素，吸收的铵态氮直接与有机酸结合后形成氨基酸或者酞胺[10，31]。此外，高硝态氮还可能会减少蔬菜维生素C含量，造成品质退化。从上述结果可知，提高土壤铵态氮含量更有利于蔬菜增产和品质改良。公华锐等[32]在北方冬季设施栽培环境的高温灭菌混合基质（草炭、混合发酵物、珍珠岩、蛭石）研究中也发现，与全量硝态氮相比，随着铵态氮比例不断增高，白菜的硝酸盐含量下降幅度可达26%，可溶性糖含量增加幅度可达53%，铵态氮比例增加到40%时效果最好。Petropoulos等[10]在泥炭和珍珠岩混合基质上分析了棘豆风味品质对铵态氮、硝态氮的响应，结果表明，与100%硝态氮相比，铵态氮比例增加到50%～75%，总糖含量增加25.8%～28.8%，草酸含量下降5%～6%。

综上所述，与常规尿素相比，腐植酸尿素可以改善蔬菜风味，有利于高品质蔬菜生产，在后续新型尿素研发工作中，要充分利用腐植酸的结构特性，关注其对土壤矿化、硝化的作用机制和效果，为进一步提高农产品产量和品质提供理论依据。

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