施氮對設(shè)施栽培金針菜產(chǎn)量、品質(zhì)和鉀吸收利用的影響

張國偉，王曉婧，周玲玲，劉瑞顯*，楊長琴

（1 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所/農(nóng)業(yè)部長江下游棉花與油菜重點實驗室，江蘇南京 210014；2 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院宿遷農(nóng)科所，江蘇宿遷 223800）

金針菜又名黃花菜，是百合科萱草屬多年生草本宿根植物，其花蕾具有較高營養(yǎng)價值，可健腦、抗衰、降膽固醇，是一種受消費(fèi)者喜愛的藥食同源蔬菜。長期以來，露天栽培金針菜技術(shù)存在產(chǎn)量低、品質(zhì)差和上市晚等缺點，而金針菜設(shè)施栽培技術(shù)具有產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)和上市早等優(yōu)點，推廣面積逐年增大，但金針菜的施肥技術(shù)研究仍缺少系統(tǒng)性。相關(guān)研究表明，采用合適的品種和肥料調(diào)控措施，可以進(jìn)一步提高設(shè)施栽培金針菜的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。

施氮是作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要調(diào)控措施，但是過量施入氮肥后，不僅降低氮素利用效率，還影響到鉀的吸收和利用[3-4]。鉀在植物體內(nèi)以K+形態(tài)存在，具有較強(qiáng)的移動性，充足的鉀供應(yīng)可以提高植物葉片光合磷酸化效率，促進(jìn)碳水化合物的合成和運(yùn)輸，鉀營養(yǎng)不足則降低葉片中碳水化合物形成和養(yǎng)分向生殖器官的運(yùn)輸，用于生殖器官發(fā)育并形成碳水化合物的鉀的減少是導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低和品質(zhì)變劣的主要因素之一[5]，而氮和鉀之間也存在互作效應(yīng)，適量施氮可以促進(jìn)鉀的吸收，過量施氮則降低鉀的肥料利用效率[6]，此外，氮鉀比例失調(diào)還可以影響植株體內(nèi)激素平衡，降低自由基清除能力，進(jìn)而降低產(chǎn)量[7]。由于鉀的上述生理功能，作物對鉀的吸收、積累和分配特點關(guān)系到作物的產(chǎn)量形成與施肥技術(shù)的確定。大量研究認(rèn)為植物生物量或養(yǎng)分累積特征符合Logistic模型，栽培措施對其累積模型的基本形態(tài)影響較小，但對最大累積速率、最大累積速率出現(xiàn)時間和持續(xù)時間等特征值影響較大[8-9]，因此可以通過分析模型的特征值來了解植物的養(yǎng)分吸收規(guī)律。

與露地栽培相比，設(shè)施栽培特殊的溫度、光強(qiáng)和濕度會引起養(yǎng)分吸收和利用的差異。周玲玲等[10]研究認(rèn)為，與露地栽培相比，設(shè)施栽培提高了金針菜的產(chǎn)量與品質(zhì)，但針對設(shè)施栽培金針菜鉀吸收利用的研究尚未見報道。張國偉等[11]研究認(rèn)為合理施氮量可以提高大田作物鉀的利用效率和產(chǎn)量。而對施氮量如何影響設(shè)施栽培金針菜鉀吸收利用和產(chǎn)量品質(zhì)形成仍需進(jìn)一步研究。

本研究采用統(tǒng)計模型的方法研究施氮量對設(shè)施栽培金針菜鉀吸收利用和產(chǎn)量品質(zhì)形成的影響，以期為設(shè)施栽培金針菜的養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2015至2017年在江蘇省宿遷市丁嘴鎮(zhèn)(118°56′E，33°86′N) 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院金針菜試驗基地進(jìn)行。供試土壤為粘質(zhì)土，2015—2016和2016—2017年試驗地0—20 cm土層土壤pH值分別為6.5和6.7、有機(jī)質(zhì)12.2和12.8 g/kg、全氮1.08和1.12 g/kg、NH4+-N 26.4和 28.1 mg/kg、NO3--N 19.4和20.2 mg/kg、速效磷36.2和34.5 mg/kg、速效鉀132.1和128 mg/kg。供試品種為江蘇省特色品種‘大烏嘴'，2014年3月起壟移栽幼苗，覆蓋反光地膜并鋪設(shè)滴灌帶，每穴2株，設(shè)置行距0.75 m，株距0.20 m，折合密度66700穴/hm2。所用單體拱形大棚長90 m、寬6.0 m、高2.5 m。設(shè)N 0、50、100、150和200 kg/hm25 個施氮量，氮肥在生育期中分兩次施用，其中基肥與薹肥施用比例3∶2，全生育期P2O5和K2O用量分別均為120 kg/hm2(磷鉀肥施用量為該地區(qū)常規(guī)施用水平)，全部作為基肥，所用肥料為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。小區(qū)長9 m，寬6 m，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，采用膜下滴灌技術(shù)精確控制施肥量。其中棚膜于每年12月5日覆蓋，次年5月1日去除棚膜進(jìn)入露天栽培方式。其它管理按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培要求進(jìn)行。

1.2 測定項目與方法

在盛蕾期時，每個處理選取大小一致的花蕾40個測定蕾長、蕾寬和單蕾重，之后低溫保存測定花蕾品質(zhì)性狀，采用考馬斯亮藍(lán)法測定蛋白質(zhì)含量[12]，采用硫酸蒽酮比色法測定可溶性糖含量[12]，福林酚比色法測定多酚含量[12]，硝酸鋁比色法測定總黃酮含量[13]，磷鉬雜多酸光度法測定VC含量[14]，茚三酮比色法測定游離氨基酸含量[12]，原子吸收分光光度法測定鈣含量[12]，液相色譜法測定秋水仙堿含量[15]。在開花末期統(tǒng)計單株花蕾數(shù)量，計算理論產(chǎn)量。

分別于出苗 (3月1日) 后1、20、40、60、80、100、120和140 d在每小區(qū)取生長發(fā)育一致的1穴植株，3次重復(fù)，在 105℃殺青30 min后，80℃烘至恒量，稱生物量。樣品粉碎后用原子吸收分光光度法測定鉀含量[12]，再根據(jù)干物質(zhì)量計算鉀累積量。

1.3 金針菜鉀素累積特征值的計算方法

根據(jù)前人研究結(jié)果，植物鉀累積量的增長過程可用Logistic曲線進(jìn)行模擬，其基本模型為W=Wm/(1 +aebt)。式中，W為單株生物量，Wm為單株生物量理論最大值，t為生長天數(shù)，a，b均為參數(shù)。分別對模型求1階、2階和3階導(dǎo)數(shù)，可得相應(yīng)生長曲線的最快生長時段的起始時間 (t1)、終止時間 (t2)、最大相對生長速率 (Vm) 及其出現(xiàn)時間 (tm)，最終可以計算出快速累積期持續(xù)時間 (T)[16]，其中：

1.4 生物量和鉀經(jīng)濟(jì)系數(shù)、鉀生產(chǎn)效率

生物量經(jīng)濟(jì)系數(shù) = 蕾生物量/總生物量

鉀經(jīng)濟(jì)系數(shù) = 蕾的鉀累積量/鉀總累積量

鉀吸收比例 = 不同生育階段鉀吸收量/收獲期鉀累積量 × 100%

鉀生產(chǎn)效率 (kg/kg) = 產(chǎn)量/鉀積累量

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件處理數(shù)據(jù)和作圖，用SPSS 11.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，用LSD法 (α = 0.05)進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對金針菜產(chǎn)量的效應(yīng)分析

由圖1可見，隨施氮量增加，金針菜產(chǎn)量呈先上升后降低趨勢，且在N 150～200 kg/hm2時產(chǎn)量最高。金針菜產(chǎn)量的變化趨勢可用二次曲線進(jìn)行擬合，對擬合方程求導(dǎo)可得到金針菜產(chǎn)量的邊際產(chǎn)量變化曲線，即每公頃增加1 kg氮量所增加的金針菜產(chǎn)量。當(dāng)施N量為153.8 kg/hm2(2015～2016) 和167.9 kg/hm2(2016～2017) 時邊際產(chǎn)量降低為零。

圖 1 施氮量與金針菜產(chǎn)量與邊際產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 1 Relationship between nitrogen application rate and yield and nitrogen marginal yield of daylily

2.2 施氮量對金針菜花蕾性狀的影響

由表1可知，施氮量顯著影響花蕾性狀，隨施氮量增加，花蕾長、花蕾寬和花蕾重顯著增加，在增加到一定程度時趨于穩(wěn)定。單株花蕾數(shù)隨施氮量增加呈先升高后降低趨勢，且在N 100或150 kg/hm2時最大。

2.3 施氮量對金針菜品質(zhì)性狀的影響

由表2可知，施氮量顯著影響金針菜品質(zhì)，隨施氮量增加，氨基酸和可溶性糖持續(xù)增加，秋水仙堿含量在升高到一定程度后趨于穩(wěn)定，VC和鈣含量呈先增加后降低趨勢，且在N 100 kg/hm2時最高，而多酚和黃酮含量則呈降低趨勢。

2.4 施氮量對金針菜生物量和鉀累積與分配的影響

隨施氮量增加，總生物量和總鉀累積量持續(xù)增加，而花蕾的生物量和鉀累積量則在升高到一定程度后趨于穩(wěn)定，而生物量和鉀的經(jīng)濟(jì)系數(shù)隨施氮量增加呈先升高后降低趨勢，且在N 50 kg/hm2時達(dá)到最高 (表 3)。

表 1 不同施氮量下金針菜產(chǎn)量性狀Table 1 Yield traits of daylily under different N application rates

表 2 施氮量對金針菜品質(zhì)性狀的影響Table 2 Effects of nitrogen application rate on quality traits of daylily

2.5 施氮量對金針菜鉀濃度和累積動態(tài)的影響

由圖2可見，隨著施氮量增加，植株鉀濃度逐漸升高。不同施氮量下金針菜的鉀濃度均隨生育進(jìn)程呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，變化范圍為1.8%～2.8%，對返青后80天后的鉀濃度降低時段數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析表明，鉀濃度隨時間的變化趨勢可以用負(fù)指數(shù)函數(shù)方程 (y=ae-bx) 進(jìn)行擬合。由表4可知，隨施氮量增加，金針菜鉀濃度衰減方程的a值 (初始值) 均持續(xù)升高，即鉀濃度升高；b值 (下降速率) 呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢。隨著生育進(jìn)程，金針菜鉀累積量的變化符合Logistic生長曲線。數(shù)據(jù)擬合分析可得到鉀累積動態(tài)模型的特征值 (表5)，隨施氮量增加，最大累積速率持續(xù)增加，而最大累積速率出現(xiàn)時間提前，快速累積持續(xù)時間縮短。

2.6 施氮量對金針菜不同生育階段鉀吸收量和吸收比例的影響

隨施氮量升高，抽薹—現(xiàn)蕾期的鉀吸收量呈升高趨勢，返青期和返青—抽薹期鉀吸收量在升高到一定程度后趨于穩(wěn)定。隨施氮量增加，鉀吸收比例變化規(guī)律在不同生育期間差異較大，返青期呈降低趨勢，返青—抽薹期呈先升高后降低趨勢，且在N 100 kg/hm2時最高，抽薹—現(xiàn)蕾期則呈持續(xù)升高趨勢(表 6)。

表 3 施氮量對金針菜鉀累積和分配的影響 (2016—2017)Table 3 K accumulation and distribution of daylily plant under different nitrogen application rates

圖 2 施氮量對金針菜植株鉀濃度和鉀累積量的影響 (2016—2017)Fig. 2 Effects of nitrogen application rate on potassium concentration of daylily plant

表 4 不同施氮量下金針菜鉀濃度擬合方程參數(shù)(2016—2017)Table 4 Parameters of fitting equations for K concentration of daylily under different N application rates

表 5 施氮量對金針菜鉀累積動態(tài)特征值的影響(2016—2017)Table 5 Effect of N application rate on eigenvalues of potassium accumulation models of daylily

表 6 不同施氮量下金針菜不同生育階段鉀吸收量和吸收比例 (2016—2017)Table 6 K uptake and uptake percentage of daylilyat at different growth stages under different N application rate

2.7 施氮量對金針菜鉀吸收量和鉀吸收邊際效應(yīng)的影響

隨施氮量增加，金針菜鉀吸收量變化規(guī)律可用Logistic方程擬合 (圖3)，通過對方程求導(dǎo)可以得出氮對鉀吸收的邊際效應(yīng) (每增施1 kg氮促進(jìn)鉀的吸收量)?？梢钥闯?，隨著施氮量的增加，鉀吸收的邊際效應(yīng)呈先升高后降低趨勢，在施氮量為32.5 kg/hm2時達(dá)到最大。

圖 3 施氮量對金針菜植株鉀累積量的影響 (2016—2017)Fig. 3 Effects of N application rate on K accumulation amount of daylily plant

2.8 鉀吸收量對金針菜產(chǎn)量和生產(chǎn)效率的影響

金針菜產(chǎn)量對鉀吸收量的響應(yīng)可用二次曲線擬合，最高產(chǎn)量時理論吸鉀量為53.0 kg/hm2。對二次方程求導(dǎo)可得到鉀的生產(chǎn)效率 (每吸收1 kg鉀可生產(chǎn)的金針菜產(chǎn)量)，隨鉀吸收量的升高，鉀的生產(chǎn)效率呈線性降低(圖4)。

圖 4 鉀吸收量與金針菜產(chǎn)量和鉀生產(chǎn)效率的關(guān)系 (2016—2017)Fig. 4 Relationship of between daylily potassium accumulation and yield and prduction efficiency of potassium

3 討論

合理施氮是調(diào)控作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要措施之一，本研究中，隨施氮量升高，金針菜產(chǎn)量和鉀吸收的邊際效應(yīng)均呈先升高后降低趨勢，基于產(chǎn)量最高和最大鉀吸收邊際效應(yīng)的的施氮量分別在N 153～167 kg/hm2和32.5 kg/hm2，這表明在金針菜理論產(chǎn)量最高時，鉀吸收的邊際效應(yīng)已經(jīng)開始降低，這與張國偉等[11]在棉花上的研究一致。兼顧生產(chǎn)和環(huán)境因素效益，本研究認(rèn)為該地區(qū) (蘇北徐淮地區(qū)) 適宜施氮量為100～150 kg/hm2，該水平顯著低于趙曉玲等[17]在甘肅慶陽地區(qū)的推薦量為N 276 kg/hm2，其原因可能與慶陽地區(qū)采用露地栽培模式，且土壤貧瘠，保肥保水能力較差，肥料利用率較低有關(guān)。

花蕾長和寬、花蕾重是金針菜主要的產(chǎn)量性狀指標(biāo)，VC、游離氨基酸、可溶性糖、鈣和黃酮含量是金針菜的主要品質(zhì)指標(biāo)，而秋水仙堿是引起金針菜中毒的關(guān)鍵指標(biāo)。本研究中隨施氮量增加盡管花蕾長和寬及花蕾重呈增加趨勢，但是單株花蕾數(shù)在施肥量高于150 kg/hm2時顯著降低，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。此外，隨施氮量增加，VC和鈣含量呈先增加后降低趨勢，且在N 100 kg/hm2時最高，而秋水仙堿含量呈增加趨勢，且在達(dá)到一定程度后趨于穩(wěn)定，這與付開聰?shù)萚18]認(rèn)為氮、磷和鉀缺乏導(dǎo)致秋水仙堿含量降低的研究相符，多酚和黃酮含量隨施氮量升高呈降低趨勢，也與藏小云等[19]認(rèn)為氮肥過多可以誘導(dǎo)蕎麥葉片黃酮含量降低的研究相符，其原因可能與高氮誘導(dǎo)苯丙氨酸解氨酶活性顯著降低阻礙黃酮合成有關(guān)[20]。

植株中養(yǎng)分向生殖器官的運(yùn)輸與產(chǎn)量和品質(zhì)形成密切相關(guān)[11]，本研究中，隨施氮量增加總生物量和總鉀累積量持續(xù)增加，但是生物量經(jīng)濟(jì)系數(shù)和鉀經(jīng)濟(jì)系數(shù)呈先升高后降低趨勢，表明適量施氮可以促進(jìn)干物質(zhì)和鉀分布于花蕾，而過量施氮則導(dǎo)致干物質(zhì)和鉀分布于營養(yǎng)器官，這也與前人在棉花[21]和馬鈴薯[22]的研究一致。

植物體內(nèi)鉀參與眾多代謝過程，棉株中鉀濃度的變化與碳水化合物的形成和養(yǎng)分向生殖器官的運(yùn)輸密切相關(guān)。本研究表明，隨生育進(jìn)程，金針菜抽薹后 (返青80 d后) 的鉀濃度變化可用負(fù)指數(shù)函數(shù)方程擬合，隨施氮量增加，鉀濃度衰減方程的a值 (初始值) 均持續(xù)升高，即鉀濃度升高，而b值 (下降速率) 呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢，表明施氮降低了金針菜生育后期鉀濃度的下降速率。進(jìn)一步分析表明，隨施氮量增加，鉀累積量變化曲線的最大累積速率持續(xù)增加，而最大累積速率出現(xiàn)時間提前，快速累積持續(xù)時間縮短，這說明施氮改變了鉀的累積特征，低氮處理下盡管鉀的快速累積時間相對較長，但是最大累積速率較低，最大累積速率出現(xiàn)時間較遲，最終植株矮小，鉀總累積量偏低，高氮處理下金針菜植株的最大累積速率出現(xiàn)時間較早，利于搭建豐產(chǎn)架子，盡管快速累積持續(xù)時間偏短，但是最大累積速率較大，最終抽薹和現(xiàn)蕾相對集中，鉀的總累積量較高。植株鉀的吸收隨施氮量的動態(tài)變化可用Logistic曲線描述[23]，對其求導(dǎo)可以得到氮對鉀吸收的邊際效應(yīng)。本研究中，隨施氮量增加，氮對鉀吸收的邊際效應(yīng)呈先升高后降低趨勢，而鉀吸收的生產(chǎn)效率則呈直線降低趨勢，這也說明高氮處理下金針菜植株鉀的吸收效率和生產(chǎn)效率均較低。

金針菜生育前期吸收的鉀主要是促進(jìn)營養(yǎng)器官生長，后期吸收的鉀則對產(chǎn)量和品質(zhì)形成至關(guān)重要。本研究中施氮量過低增加了抽薹期之前鉀的吸收比例，降低了抽薹—現(xiàn)蕾期的鉀吸收比例，導(dǎo)致后期鉀供應(yīng)不足，進(jìn)而影響品質(zhì)形成；過量施氮雖然增加了金針菜抽薹—現(xiàn)蕾期鉀的吸收比例，使抽薹—現(xiàn)蕾期鉀的濃度和吸收量顯著增加，但是過高鉀濃度反饋促進(jìn)了氮的吸收，導(dǎo)致金針菜營養(yǎng)生長過旺，降低肥料利用效率。

4 結(jié)論

在施氮量N 100～150 kg/hm2范圍內(nèi)，干物質(zhì)和鉀素在花蕾中的分配比例較高，鉀含量和累積量協(xié)調(diào)，利于高產(chǎn)形成。施氮量高于N 150 kg/hm2導(dǎo)致金針菜產(chǎn)量增幅下降，鉀吸收的邊際效應(yīng)和鉀的生產(chǎn)效率較低；施氮量低于N 100 kg/hm2降低干物質(zhì)和鉀累積量，不利于高產(chǎn)形成。綜合考慮產(chǎn)量、品質(zhì)和鉀的吸收利用規(guī)律，推薦N 100～150 kg/hm2為蘇北徐淮地區(qū)設(shè)施栽培金針菜最優(yōu)施氮量。