水氮耦合對(duì)河西綠洲娃娃菜生長(zhǎng)與生理生化指標(biāo)的影響①

陳修斌，楊　彬*，鐘玉鳳，許耀照，李翊華，徐學(xué)軍

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水氮耦合對(duì)河西綠洲娃娃菜生長(zhǎng)與生理生化指標(biāo)的影響①

陳修斌1，楊彬1*，鐘玉鳳1，許耀照1，李翊華1，徐學(xué)軍2

(1河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，甘肅張掖734000；2蘭州市農(nóng)業(yè)科技研究推廣中心，蘭州 730010)

以娃娃菜的品種“春寶黃”為材料，采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，研究了不同水氮用量處理(水分處理：充分灌溉A1，輕度虧水A2，中度虧水A3；氮肥處理：經(jīng)驗(yàn)施氮量N1，優(yōu)化施氮量N2，零施氮量N3)對(duì)娃娃菜生長(zhǎng)與生理生化指標(biāo)的影響。結(jié)果表明：處理A1N2的娃娃菜植株，在外葉數(shù)、球葉數(shù)、橫莖、縱徑、生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等形態(tài)性狀指標(biāo)上表現(xiàn)最優(yōu)，其值分別為7.37片、39.73片、15.48 cm、28.92 cm、208.99 t/hm2和64.12 t/hm2；同時(shí)，葉片丙二醛(MDA)含量最低為1.15 μmol/g；其根系活力最強(qiáng)，過(guò)氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性最高，分別為269.8 μg/(g·h)、515 U/(g·min)和418 U/g。各處理對(duì)娃娃菜生物學(xué)產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、根系活力、POD和SOD高低影響的大小順序均為：A1N2>A2N2>A3N2>A1N1>A2N1>A3N1>A1N3>A2N3>A3N3。

水氮耦合；娃娃菜；生長(zhǎng)；生理生化指標(biāo)

張掖市地處河西走廊中部，屬溫帶大陸性氣候，境內(nèi)地勢(shì)平坦，光熱資源充足，年日照總時(shí)數(shù)3 000 h以上。黑河縱貫全市，另有井水和河水的互補(bǔ)，是傳統(tǒng)的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)。近年來(lái)，隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，高原夏菜已成為農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，至2014年，全市高原夏菜基地面積達(dá)到3.75萬(wàn)hm2[1]。娃娃菜(是十字花科蕓薹屬白菜亞種的一種袖珍型小株白菜，為張掖市種植的高原夏菜主要種類(lèi)之一，隨著市場(chǎng)對(duì)娃娃菜需求量的增加，其種植規(guī)模逐年擴(kuò)大，已成為西北地區(qū)娃娃菜種植的主要產(chǎn)區(qū)。

在娃娃菜生產(chǎn)中，大多采用大水大肥管理模式，不僅引起水氮流失嚴(yán)重，土壤鹽漬化發(fā)生，而且也導(dǎo)致娃娃菜產(chǎn)量和品質(zhì)下降，已成為影響蔬菜產(chǎn)業(yè)和土壤實(shí)現(xiàn)高效可持續(xù)利用的障礙。在農(nóng)作物生產(chǎn)中，土壤中水分和氮素是影響植株生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累的最主要因素之一[2], 土壤中水分及氮素含量的變化會(huì)直接影響植株的生長(zhǎng)與發(fā)育[3-6]，從而對(duì)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)造成影響[7-9]。有關(guān)在河西綠洲生態(tài)氣候環(huán)境下，不同水氮條件對(duì)娃娃菜生長(zhǎng)與生理生化指標(biāo)的研究缺少系統(tǒng)報(bào)道。本研究在不同灌水、施氮條件下，探討土壤不同水氮用量對(duì)娃娃菜生長(zhǎng)指標(biāo)與生理生化指標(biāo)變化之間的關(guān)系，以期為娃娃菜生產(chǎn)管理中實(shí)現(xiàn)水肥科學(xué)調(diào)控和節(jié)水節(jié)肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年3—7月在張掖市甘州區(qū)梁家墩鎮(zhèn)高原夏菜生產(chǎn)基地內(nèi)進(jìn)行。供試土壤為灌漠土，0 ~ 20 cm耕層有機(jī)質(zhì)含量為7.86 g/kg，堿解氮53.26 mg/kg，有效磷8.73 mg/kg，速效鉀146.16 mg/kg，pH為7.18，全鹽1.21 g/kg，容重1.36 g/cm3，陽(yáng)離子交換量(CEC)為14.65 cmol/kg，質(zhì)地砂壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)[10]，A因素為水分處理，設(shè)3個(gè)水平，A1：充分灌溉為65% ~ 75%(占田間持水量百分比)；A2：輕度虧水為55% ~ 65%；A3：中度虧水為45% ~ 55%。B因素為施氮肥處理，設(shè)3個(gè)水平，N1：經(jīng)驗(yàn)施氮量(N 450 kg/hm2)，依據(jù)調(diào)查張掖市的甘州區(qū)、高臺(tái)、臨澤等縣區(qū)的5個(gè)娃娃菜生產(chǎn)基地的氮肥用量確定；N2：優(yōu)化施氮量(N 300 kg/hm2)，依據(jù)=--[11]確定，式中，表示追施氮量(kg/hm2)，表示氮素供應(yīng)目標(biāo)值(kg/hm2)，表示(0 ~ 20 cm)土層NO– 3-N 含量(kg/hm2)，表示灌溉水帶入氮量(kg/hm2)；N3：零施氮量(N 0 kg/hm2)[12-13]，共9個(gè)處理，3次重復(fù)(表1)。

表1 水氮處理模式

1.3 試驗(yàn)種植

供試的娃娃菜品種為春寶黃，由北京中農(nóng)綠亨種子科技有限公司提供。于2016年3月15日采用日光溫室育苗，4月25日定植，株距25 cm，行距45 cm，畦高15 ~ 20 cm，每畦長(zhǎng)8 m，寬0.8 m，每畦栽植2行，每公頃定植88 935株，采用高畦膜下滴灌技術(shù)，不同小區(qū)間深埋40 cm地膜，小區(qū)面積為6.4 m2。試驗(yàn)前各處理一次性施入硫酸鉀(含K2O 51 g/kg) 270 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣675 kg/hm2。氮肥由尿素(含氮 46 g/kg)提供，由山東華魯恒升化工股份有限公司生產(chǎn)，各處理氮肥按其用量的不同在娃娃菜的蓮座前期、中期和末期等量隨滴灌施入，試驗(yàn)中，水分的控制參考韋澤秀等[14]介紹的方法進(jìn)行。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

1.4.1 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定 于收獲時(shí)，每個(gè)重復(fù)各隨機(jī)選取3株，各處理計(jì)9株，分別統(tǒng)計(jì)單株葉數(shù)、縱徑、橫莖、生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等性狀。葉數(shù)是指總?cè)~數(shù)，分別統(tǒng)計(jì)外葉數(shù)(含幼苗葉、蓮座葉)和球葉數(shù)；葉球的橫徑和縱徑用游標(biāo)卡尺測(cè)定；生物學(xué)產(chǎn)量的測(cè)定方法是在取樣植株一側(cè)，挖深為40 cm、寬30 cm的溝，把地上部葉球連同根系一同挖出，用塑料袋包扎帶回實(shí)驗(yàn)室，將根部泥土沖洗干凈后，用吸水紙將根上的水分擦干凈，用天平稱(chēng)取整個(gè)植株的重量；經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)方法，用刀沿短縮莖距莖盤(pán)1/3處切開(kāi)葉球與地下部分，按市場(chǎng)的要求，剝?nèi)ト~球的蓮座葉和外層球葉后用天平稱(chēng)量。

1.4.2 生理生化指標(biāo)測(cè)定 于收獲時(shí)，各處理隨機(jī)選取3株，根系活力的測(cè)定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法，根樣切取主根頂端部位，以TTC還原強(qiáng)度表示根系活力[15]。參照李合生[16]的方法測(cè)定生化指標(biāo)，丙二醛(MDA)含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法；超氧化物歧化酶(SOD)活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法，以抑制NBT光化學(xué)還原的50% 的酶量為1個(gè)酶活性單位；過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚氧化法，以每分鐘OD470變化0.1為1個(gè)酶活單位；MDA、SOD和POD等指標(biāo)的測(cè)定部位是葉片，方法是選用剝?nèi)ド徸~和外層球葉后的葉球，所有參試樣品，均以自外向里的第三片葉進(jìn)行取樣。

1.4.3 產(chǎn)量指標(biāo)測(cè)定 于收獲期，按不同處理統(tǒng)計(jì)匯總經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，最后折合成每公頃產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用 DPS 9.50 和 Microsoft Excel 2003 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與分析，采用Duncan’s 法進(jìn)行差異顯著性分析，顯著性水平設(shè)置為 α = 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)娃娃菜形態(tài)指標(biāo)與產(chǎn)量的影響

從表1可以看出，在充分灌溉條件下，當(dāng)采用優(yōu)化施氮量時(shí)，其組成的水氮組合A1N2，娃娃菜在外葉數(shù)、球葉數(shù)、橫莖、縱徑、生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等性狀指標(biāo)上顯著高于其他處理，分別為7.37片、39.73片、15.48 cm、28.92 cm、208.99 t/hm2和64.12 t/hm2。由優(yōu)化施氮量組成的水氮組合A1N2、A2N2和A3N2處理，其產(chǎn)量高于由經(jīng)驗(yàn)施氮量組成的水氮組合A1N1、A2N1和A3N1處理；而由經(jīng)驗(yàn)施氮量組成的水氮組合又高于由零施氮量組成的水氮組合A1N3、A2N3和A3N3處理，處理之間呈現(xiàn)不同程度差異。各處理對(duì)生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量影響的大小順序?yàn)锳1N2>A2N2>A3N2>A1N1>A2N1>A3N1>A1N3> A2N3>A3N3。

從水分、氮肥及其交互作用對(duì)娃娃菜葉片數(shù)、橫莖、縱徑、生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量影響的雙因子方差分析來(lái)看，水分對(duì)娃娃菜葉片外葉數(shù)、球葉數(shù)、橫莖和縱徑的影響呈現(xiàn)極顯著或顯著差異，而對(duì)生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量影響不顯著；氮肥對(duì)生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量影響呈顯著差異水平；水氮耦合效應(yīng)對(duì)生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量影響較大，對(duì)外葉數(shù)、球葉數(shù)、橫莖和縱徑影響不顯著(表1)。說(shuō)明水肥耦合表現(xiàn)較強(qiáng)互作效應(yīng)，成為影響娃娃菜產(chǎn)量形成的主導(dǎo)因子。

2.2 不同處理對(duì)娃娃菜根系活力和MDA含量影響

由圖1可以看出，在不同灌溉條件下，采用優(yōu)化施氮量時(shí)，其組成的水氮組合A1N2、A2N2、A3N2，其娃娃菜根系活力明顯高于其他處理，不同處理之間呈現(xiàn)一定程度差異，尤其是以充分灌溉和優(yōu)化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜根系活力最高，其值為269.8 μg/(g·h)。而采用充分灌溉、輕度虧水、中度虧水的灌水量分別與零施氮量構(gòu)成的水氮處理A1N3、A2N3、A3N3，其根系活力普遍較低，以采用中度虧水和零施氮量的處理A3N3，其根系活力最低，其值為125.4 μg/(g·h)。從圖2可知，以采用中度虧水和零施氮量的處理A3N3，娃娃菜葉片MDA含量最高，為2.99 μmol/g，以充分灌溉和優(yōu)化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜葉片MDA含量最低，其值為1.15 μmol/g，不同處理之間呈現(xiàn)顯著差異。

表1 不同處理對(duì)娃娃菜形態(tài)指標(biāo)與產(chǎn)量的影響

注：同列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母不同表示處理間差異達(dá)到<0.05顯著水平，* 表示達(dá)到<0.05顯著水平，** 表示達(dá)到<0.01顯著水平，下同。

(圖中小寫(xiě)字母不同表示處理間差異達(dá)到P<0.05顯著水平，下同)

2.3 不同處理對(duì)娃娃菜POD和SOD活性影響

從圖3可以看出，處理A1N2、A2N2、A3N2組成的水氮組合，其POD活性明顯高于其他處理，以充分灌溉和優(yōu)化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜葉片POD活性最高，其值為515U/(g·min)；處理A1N3、A2N3、A3N3的娃娃菜葉片POD活性較低，尤其是采用中度虧水和零施氮量的處理A3N3，其POD活性最低，其值為336 U/(g·min)；各處理POD活性大小順序?yàn)锳1N2>A2N2>A3N2>A1N1>A2N1> A3N1>A1N3>A2N3>A3N3。由圖4可以看出，以充分灌溉和優(yōu)化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜葉片SOD活性最高，其值為418 U/g；以采用中度虧水和零施氮量的處理A3N3，其SOD活性最低，其值為232 U/g；各處理娃娃菜葉片SOD的活性呈現(xiàn)一定差異，其大小的變化規(guī)律與POD變化相似。

圖2 不同處理對(duì)娃娃菜MDA含量的影響

圖3 不同處理對(duì)娃娃菜葉片POD活性的影響

Fig. 3 POD activities in cabbage leaves under different treatmentsn

3 討論

根系活力大小一定程度上反映了植株吸收養(yǎng)分能力的強(qiáng)弱。一般情況下，根系活力越高，吸收養(yǎng)分的能力越強(qiáng)[17]。本試驗(yàn)中，以充分灌溉和優(yōu)化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜根系活力最高，這表明處理A1N2水氮組合，水分和氮肥的耦合作用呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，而其他處理水氮配比失衡，影響了娃娃菜對(duì)養(yǎng)分與水分的吸收，導(dǎo)致根系活力降低[18]。丙二醛(MDA)是膜質(zhì)過(guò)氧化的最終產(chǎn)物，其含量大小可以反映植物遭受逆境傷害的程度，含量越高表明受傷害程度越大[19]。試驗(yàn)中以水氮組合A1N2組成的處理，娃娃菜葉片MDA含量最低，說(shuō)明娃娃菜的細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度低，受傷害小，抗逆性強(qiáng)，這可能是由于不同水氮用量不同，從而導(dǎo)致水氮配比不平衡，水分和氮肥的耦合作用呈現(xiàn)拮抗作用所致[20-21]。過(guò)氧化物酶(POD)是細(xì)胞膜系統(tǒng)的保護(hù)酶，當(dāng)植物生長(zhǎng)在受到不良環(huán)境條件影響時(shí)，對(duì)保持體內(nèi)代謝平衡起著重要的作用[22]。從試驗(yàn)結(jié)果看，各處理POD活性大小不同，主要由于水氮用量的不同，導(dǎo)致土壤環(huán)境中的離子濃度含量也不盡相同，土壤在水氮用量虧水或過(guò)多的條件下，使土壤產(chǎn)生了脅迫環(huán)境，從而反映在植株體葉片上，表現(xiàn)出的POD活性強(qiáng)弱的差異。超氧化物歧化酶(SOD)能清除活性氧自由基，保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)，其活性大小可以反映細(xì)胞對(duì)鹽害逆境的適應(yīng)能力[23]，在正常條件下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除維持一定的動(dòng)態(tài)平衡，受細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)[24]。本試驗(yàn)中，由不同水氮用量構(gòu)成了不同的土壤環(huán)境，采用充分灌溉、輕度虧水、中度虧水的灌水量分別與零施氮量構(gòu)成的水氮處理A1N3、A2N3、A3N3以及充分灌溉、輕度虧水、中度虧水的灌水量分別與經(jīng)驗(yàn)氮量構(gòu)成的水氮處理A1N1、A2N1、A3N1，其組成的土壤溶液產(chǎn)生了一定的脅迫環(huán)境，以處理A3N3的娃娃菜葉片MDA含量最高；處理A1N2娃娃菜葉片MDA含量最低，根系活力、POD和SOD活性最強(qiáng)，這主要是由于當(dāng)植物受到逆境脅迫時(shí)，植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與抗氧化保護(hù)系統(tǒng)之間的平衡將被打破，從而會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)活性氧物質(zhì)大量積累，干擾細(xì)胞代謝，破壞細(xì)胞膜的功能[25]。同時(shí)也表明：處理A3N3構(gòu)成的土壤溶液產(chǎn)生較嚴(yán)重的環(huán)境脅迫，而處理A1N2組成的水氮溶液環(huán)境最適宜于娃娃菜生長(zhǎng)。

圖4 不同處理對(duì)娃娃菜葉片SOD活性的影響

氮素是植物蛋白質(zhì)、氨基酸、葉綠素和次生代謝物質(zhì)的基本組成元素，水是肥效發(fā)揮的關(guān)鍵，水分和養(yǎng)分對(duì)作物生長(zhǎng)的作用并不是孤立的，而是相互作用相互影響[26]，合理水氮管理是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提高、協(xié)同資源高效利用的重要途徑。本試驗(yàn)中，以充分灌溉和優(yōu)化施氮量組成的水氮組合A1N2，其生物學(xué)產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高，說(shuō)明本處理的水氮用量最適宜于娃娃菜生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)水分和氮素營(yíng)養(yǎng)的需求，其他處理由于水、氮配比失衡，影響了娃娃菜對(duì)水、氮的吸收與利用，只有合理的水肥配比，才能達(dá)到“以肥調(diào)水、以水促肥”，促進(jìn)作物增產(chǎn)的效果[27]。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)條件下，探討了不同水氮用量組合(水分處理：充分灌溉A1，輕度虧水A2，中度虧水A3；氮肥處理：經(jīng)驗(yàn)施氮量N1，優(yōu)化施氮量N2，零施氮量N3)對(duì)娃娃菜生長(zhǎng)及生理生化指標(biāo)的影響，結(jié)果表明：以充分灌溉和優(yōu)化施氮量組成的水氮組合處理A1N2的娃娃菜植株，在葉片數(shù)、橫莖、縱徑、生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等形態(tài)性狀指標(biāo)上表現(xiàn)最優(yōu)，其值分別為39.73片、15.48 cm、28.92 cm、208.99 t/hm2和64.12 t/hm2；同時(shí)，其根系活力最強(qiáng)，葉片內(nèi)丙二醛(MDA)含量最低，過(guò)氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性最高。各處理對(duì)娃娃菜生物學(xué)產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、根系活力、POD和SOD高低影響的大小順序均為：A1N2>A2N2>A3N2>A1N1>A2N1> A3N1>A1N3>A2N3>A3N3。

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Effects of Water and Nitrogen Coupling on Growth and Physiological and Biochemical Indexes of Baby Cabbage in Hexi Oasis

CHEN Xiubin1, YANG Bin1*, ZHONG Yufeng1, XU Yaozhao1, LI Yihua1, XU Xuejun2

(1 School of Agriculture and Biotechnology, Hexi University, Zhangye, Gansu 734000, China; 2 Agricultural Science and Technology Research Extension Center of Lanzhou, Lanzhou 730010, China)

Using the variety “Chunbao Huang” of baby Chinese cabbage as material, the effects of different water and nitrogen treatments on the growth and physiological and biochemical indexes of cabbage were studied. The results showed that the cabbage under A1N2 treatment was the best in the morphological traits including number of outer leaves, number of leaflets, transverse stem, vertical diameter, biological yield and economic yield, and the values were 7.37, 39.73, 15.48 cm, 28.92 cm and 208.99 t/hm2and 64.12 t/hm2, respectively. At the same time, the content of MDA in the leaves was 1.15 μmol/g, the root activity was the strongest, the activities of peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD) were the highest, 269.8 μg/(g·h), 515 U/(g·min) and 418 U/g, respectively. The effects of the treatments on biological yield, economic yield, root activity, POD and SOD were in the order of A1N2> A2N2> A3N2> A1N1> A2N1> A3N1> A1N3> A2N3> A3N3

Water nitrogen coupling; Baby cabbage; Growth; Physiological biochemical index

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510740001)，甘肅省高校協(xié)同創(chuàng)新科技團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017C-18)和甘肅省科技支撐計(jì)劃—農(nóng)業(yè)類(lèi)項(xiàng)目(144NKCA241)資助。

(745713105@qq.com)

陳修斌(1968—)，男，河南鄧州人，碩士，教授，主要從事園藝植物栽培方面的研究。E-mail: chenxiubin2003@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2019.02.006

S634.3

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