負(fù)壓灌溉下施鉀促進(jìn)紫葉生菜生長和 根際微生物多樣性的研究

高 翔，張淑香，龍懷玉

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

紫葉生菜（Lactuca sativa L.）為菊科萵苣屬草本植物，其富含維生素A、維生素C、花青素和食物纖維，以及碘和鋅等多種營養(yǎng)元素和物質(zhì)［1-2］。紫葉生菜適宜在濕潤和肥沃的土壤中生長［1-2］。因此，為了保證作物在種植過程有充足的水分和養(yǎng)分，本研究選用負(fù)壓灌溉水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行種植紫葉生菜，其設(shè)備能持續(xù)不斷的為作物供應(yīng)適量的水分和養(yǎng)分，把出水器埋在作物根際周圍，利用土壤的基質(zhì)勢(shì)來補(bǔ)充作物蒸騰所造成的水分損失，將土壤含水量保持在合理的范圍之內(nèi)，也避免了水分的無效蒸發(fā)和滲漏，從而提高作物的水分和養(yǎng)分利用效率，以及作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［3-4］。

鉀是植物生長必需的三大元素之一，能有效調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的水勢(shì)和氣孔的開閉，促進(jìn)光合作用和光合產(chǎn)物的運(yùn)輸［5］。鉀肥不但能夠增加作物產(chǎn)量，而且能夠提高作物品質(zhì)［6-7］。據(jù)研究報(bào)道，在西瓜、茄子、菠菜、黃瓜、豆角、番茄、大白菜上施用鉀肥均能顯著提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［3，5］。但過量施用化學(xué)肥料，容易造成作物的產(chǎn)量和品質(zhì)的降低，還會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，以及造成環(huán)境的污染［3，7］。

本研究以紫葉生菜為試驗(yàn)材料，利用負(fù)壓灌溉水肥一體化系統(tǒng)，研究了不同鉀肥施用量對(duì)紫葉生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)、養(yǎng)分的吸收、鉀肥利用效率、抗氧化性及根際微生物多樣性的影響，以期為負(fù)壓灌溉下種植紫葉生菜和施用鉀肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

土培盆栽試驗(yàn)于2017 年4 月至6 月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室內(nèi)進(jìn)行，從播種到收獲紫葉生菜共40d。供試土壤為砂壤質(zhì)潮土，其基本理化性質(zhì)：pH 值7.56，容重1.43g/cm3，有機(jī)質(zhì)1.73%，有效磷13.8mg/kg，速效鉀96.6mg/kg，堿解氮98.1g/kg。選用紫葉生菜進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置采用負(fù)壓灌溉水肥一體化系統(tǒng)（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所專利，ZL201110093923.2）［3-4］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在種植盆（長42cm，寬30cm，高26cm）中進(jìn)行，每盆裝入30kg土壤。共設(shè)5 個(gè)鉀水平，分別為無鉀K0（不施用鉀肥），K150（鉀肥施用量為150kg/hm2），K225（鉀肥施用量為225kg/hm2），K300（鉀肥施用量為300kg/hm2），K450（鉀肥施用量為450kg/hm2），按照田間施鉀量進(jìn)行換算，每盆加入硫酸鉀分別為0、9.6、14.4、19.2、28.8g。除了鉀素，其他營養(yǎng)液配方按照趙秀娟等［3］的方法配置，將配置好的營養(yǎng)液及不同濃度的鉀肥一次性加入負(fù)壓灌溉的儲(chǔ)水器中，按照其系統(tǒng)原理可自動(dòng)供水供肥，每天可記錄儲(chǔ)水罐中水分刻度的下降即為耗水量，通過統(tǒng)計(jì)，紫葉生菜的整個(gè)生育期共耗水13000cm3/盆。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

植株產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分吸收的測(cè)定：收獲后，測(cè)定每盆紫葉生菜的總鮮重，為產(chǎn)量；然后分別測(cè)定植株的品質(zhì)，維生素C 含量測(cè)定采用2，6-二氯酚靛酚法，可溶性糖采用蒽酮比色法，花青素采用分光光度法（500nm 處比色），硝酸鹽含量測(cè)定采用水楊酸比色法；作物的氮磷鉀含量的測(cè)定分別為：氮用2300 自動(dòng)定氮儀測(cè)定（Kjedahl2300，F(xiàn)OSS，Sweden），磷用鉬銻抗比色法測(cè)定，鉀用火焰光度法測(cè)定。植物吸收的全氮、磷、鉀量為植株干重乘以其植株氮、磷、鉀的濃度［3］。

鉀肥利用效率的分析［3］：鉀肥貢獻(xiàn)率（K contribution rate KCR，%）=（施鉀處理產(chǎn)量-不施鉀處理產(chǎn)量）/施鉀處理產(chǎn)量×100；鉀肥農(nóng)學(xué)利用率（K2O agronomic efficiency KAE，kg/kg）=（施鉀處理產(chǎn)量-不施鉀處理產(chǎn)量）/鉀肥用量。鉀肥吸收利用率（K2O recovery efficiency，KRE，%）=（施鉀處理植株總吸鉀量-不施鉀處理植株總吸鉀量）/鉀肥用量×100。

抗氧化酶和酚類的測(cè)定［3］：總酚和類黃酮：取0.3g 樣品剪成1mm 的小塊，加入5mL 含有1%HCl 的甲醇溶液，提取24h，取0.1mL 提取液定容至5mL 搖勻。用分光光度計(jì)測(cè)定（總酚）280nm，（類黃酮）325nm處OD 值。抗氧化酶液提取及測(cè)定：1g 樣品放入預(yù)冷的研缽中，分次加入4mL的0.05mol/L、pH 值7.0 磷酸緩沖液（內(nèi)含1%PVP、1mL mol/L EDTA），在冰浴中研磨成勻漿，放入離心管。勻漿液于4oC 下低溫離心機(jī)10000r/min 離心20min，保存于-80oC 冰箱備用。然后按照趙秀娟等［3］的方法測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）和苯丙氨酸裂解酶（PAL）。

土壤根際微生物多樣性的測(cè)定：利用土壤微生物高通量測(cè)序技術(shù)，分析根際土壤中的多樣性豐富度（OTU 和Chao1）和香農(nóng)指數(shù)（Shannon diversity）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel2016 進(jìn)行平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，并且利用SAS9.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 負(fù)壓灌溉下鉀肥對(duì)紫葉生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

負(fù)壓灌溉下施鉀肥顯著提高了紫葉生菜的產(chǎn)量（表1），K300 處理的產(chǎn)量最高，K225 和K450 處理其次，不施鉀肥的K0 處理最低。其中，K300 比K0 處理產(chǎn)量顯著提高了212.8%，且比施鉀量最高的K450 處理提高了40.7%。說明在負(fù)壓灌溉下施鉀能提高紫葉生菜的產(chǎn)量，但施用的鉀肥量不是越多越好。

在負(fù)壓灌溉條件下，施鉀肥顯著提高了紫葉生菜的品質(zhì)（表1）。由表1 可見，K300 處理的維生素C、可溶性糖是最高的，不施鉀肥的K0 處理最低，K300 比K0 處理的維生素C 和可溶性糖分別提高了16.5%和16.7%。花青素含量隨著鉀肥施用量的提高而增加，K450 最高，無鉀肥施用的K0最低，但是K225、K300 和K450 三者之間差異不顯著。在硝酸鹽上，K300 處理的硝酸鹽含量最低，比K150 處理的硝酸鹽含量降低了30.5%。綜合品質(zhì)分析，K300 處理的品質(zhì)最好，不施用鉀肥的K0處理最差。

表1 不同鉀肥用量對(duì)紫葉生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.2 負(fù)壓灌溉下鉀肥對(duì)紫葉生菜養(yǎng)分含量的影響

負(fù)壓灌溉條件下，當(dāng)鉀肥用量為300kg/hm2時(shí)，生菜對(duì)營養(yǎng)的吸收量最高。由表2 可見，K300處理植株對(duì)全氮磷鉀的吸收量是最高的，不施鉀肥的K0 處理最低，K300 比K0 處理的全氮磷鉀吸收量分別提高了255%、236%和1036%。而當(dāng)施肥量為450kg/hm2時(shí)，其植株對(duì)氮磷鉀的吸收量對(duì)比K300 處理反而降低，說明過量施用鉀肥限制了植物對(duì)營養(yǎng)的吸收。

2.3 負(fù)壓灌溉下鉀肥利用率的分析

當(dāng)鉀肥用量為300kg/hm2時(shí)，其鉀肥貢獻(xiàn)率、鉀肥農(nóng)學(xué)利用率和鉀肥吸收利用率均為最高，K225處理其次（表3）。K300 處理的鉀肥貢獻(xiàn)率、鉀肥農(nóng)學(xué)利用率和鉀肥吸收利用率比K150 處理分別提高107%、230%和216%。同時(shí)，施肥量最高的K450 處理，反而降低了鉀肥對(duì)紫葉生菜的貢獻(xiàn)率和利用率。

表3 不同鉀肥用量對(duì)紫葉生菜水分和鉀肥利用率的影響

2.4 負(fù)壓灌溉下鉀肥對(duì)紫葉生菜抗氧化酶和酚類的影響

在負(fù)壓灌溉條件下，施鉀肥顯著提高了紫葉生菜的抗氧化酶和酚類的含量（表4）。K300 處理在SOD 和PAL 指標(biāo)上均表現(xiàn)出較高的抗氧化能力，顯著高于K0 和K450 處理。例如K300 處理在SOD上分別比K0 和K450 顯著提高10.6%和47.1%。在總酚和類黃酮指標(biāo)上，施鉀肥處理均高于無鉀肥的K0 處理，其中K225 和K300 的含量最高。

表4 不同鉀肥用量對(duì)紫葉生菜抗氧化酶和酚類含量的影響

2.5 負(fù)壓灌溉下鉀肥對(duì)紫葉生菜根際微生物多樣性的影響

從表5 可看出，施鉀提高了紫葉生菜土壤根際微生物的多樣性。在Chao1 指標(biāo)上，K300 處理的數(shù)值是最高的，比K0 和K150 分別顯著提高了31%和17%，雖然K450 的施鉀量是最高的，但是Chao1指數(shù)卻比K300 下降了14%。OTU 和Shannon指標(biāo)有相同的趨勢(shì)，在K300 處理上，比K0 和K150 的OTU 分別顯著提高了23%和16%，而K450 處理卻顯著降低。說明施用鉀肥能增加紫葉生菜根際土壤的微生物多樣性，但并不是施用鉀肥越多，其微生物多樣性就越高。

表5 不同鉀肥用量對(duì)紫葉生菜根際微生物多樣性的影響

3 討論

3.1 負(fù)壓灌溉下施鉀促進(jìn)紫葉生菜的生長

研究結(jié)果表明，利用負(fù)壓灌溉水肥一體化系統(tǒng)種植紫葉生菜，施鉀能顯著提高其產(chǎn)量和品質(zhì)，當(dāng)施鉀量為300kg/hm2時(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)最好，對(duì)養(yǎng)分的吸收量最高（表1 和表2）。本研究結(jié)果與趙秀娟等［3］的研究結(jié)果相符合，合理施鉀提高了小油菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，這是由于鉀是作物生長必需的大量營養(yǎng)元素之一，鉀能提高光合效率，促進(jìn)同化產(chǎn)物的運(yùn)輸，以及蛋白質(zhì)和脂肪的合成，最終提高了作物干物質(zhì)的積累［3，8］。同時(shí)，鉀在植物碳和氮代謝過程中起重要的調(diào)節(jié)作用，能提高作物的可溶性糖和維生素C 的含量，及對(duì)促進(jìn)硝酸鹽的還原，降低硝酸鹽含量，從而提高作物的品質(zhì)［8-10］。合理施用鉀肥，能顯著提高紫葉生菜對(duì)養(yǎng)分的吸收（表2），這是由于合理施用鉀肥可以提高作物對(duì)氮的吸收，但是過量施用鉀肥后，植物對(duì)鉀具有奢侈吸收的特點(diǎn)，這是由于高濃度的鉀離子能使原生質(zhì)膠體保持較高的水化度和粘滯性，從而抑制了植株對(duì)Ca2+和Mg2+的吸收，降低植株體內(nèi)的代謝和生物合成［3，8-9］。本研究也發(fā)現(xiàn)相同的趨勢(shì)，當(dāng)施鉀量為450kg/hm2時(shí)，其產(chǎn)量、品質(zhì)和營養(yǎng)吸收量反而比300kg/hm2有所下降，而且其鉀肥的利用率顯著低于300kg/hm2處理。

3.2 負(fù)壓灌溉下適量施鉀提高紫葉生菜的抗氧化能力

鉀元素具有提高植物對(duì)抗逆境脅迫的能力［6，11-12］。當(dāng)植物受到生物或環(huán)境脅迫時(shí)，可通過調(diào)節(jié)自身的酚類代謝來抵御脅迫［6-7］。例如，噴施鉀肥能顯著提高小麥葉片中酚類物質(zhì)的含量，從而降低小麥白粉病的發(fā)病率［11］；施鉀能提高酚類物質(zhì)代謝中關(guān)鍵酶PAL 和PPO 活性，而PPO 可以促進(jìn)細(xì)胞木質(zhì)化，從而提高作物的抗病性［7，13-14］。本研究發(fā)現(xiàn)，合理施用鉀肥能顯著提高植株中的抗氧化酶活性，以及總酚和類黃酮的含量，而當(dāng)施鉀量為300kg/hm2時(shí)，其活性和含量較高，但是過量施用鉀反而降低了紫葉生菜的抗氧化能力（表4）。

3.3 負(fù)壓灌溉下合理施鉀提高紫葉生菜根際微生物的多樣性

根際微生物對(duì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)形成有著密切的關(guān)系［15-17］，施鉀肥還能提高作物根際土壤微生物的多樣性，但是養(yǎng)分供應(yīng)過量或不足，均影響微生物的正常生理活動(dòng)［16-17］。趙秀娟等［17］研究發(fā)現(xiàn)，油菜的根際土壤微生物多樣性與作物的產(chǎn)量呈正相關(guān)。本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施用鉀肥提高了根際土壤的微生物多樣性，特別是在施鉀肥量為300kg/hm2時(shí)多樣性指數(shù)最高（表5），這由于高質(zhì)量的土壤通常表現(xiàn)出較高的微生物多樣性［18］，同時(shí)由于適宜的鉀肥供應(yīng)，能滿足作物根系和根際微生物對(duì)養(yǎng)分的需求，協(xié)同促進(jìn)作物的生長。土壤根際微生物的種類復(fù)雜，施鉀提高了哪類微生物類群的含量以及功能作用，仍有待深入探討。

4 結(jié)論

本研究利用負(fù)壓灌溉水肥一體化系統(tǒng)在不同鉀肥用量下種植紫葉生菜，研究結(jié)果表明，當(dāng)鉀肥施用量為300kg/hm2時(shí)，能顯著提高紫葉生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，提高了植株的全氮磷鉀含量和鉀肥的吸收利用效率；也增加了抗氧化能力和根際微生物的多樣性。但是鉀肥施用量為450kg/hm2時(shí)，其產(chǎn)量和品質(zhì)反而降低。因此，負(fù)壓灌溉下適宜地施用鉀肥能顯著提高紫葉生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，這為設(shè)施園藝的可持續(xù)性發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。