納米肥料助劑與氮肥配施對白菜生長、產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤酶活性的影響

劉少泉， 劉智， 遲永偉， 孫權(quán)， 王銳， 周喜榮

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏永寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，寧夏 永寧 750100)

在以高產(chǎn)為目標(biāo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系下，化肥施用在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)上發(fā)揮關(guān)鍵性作用[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國每年化肥用量達4 300萬t，占全世界的1/3，氮肥利用率為30%～35%，磷肥為10%～25%，鉀肥為35%～50%，遠低于世界發(fā)達國家水平，肥料損失問題嚴(yán)重，長期施用化肥造成土壤和地下水環(huán)境污染，逐漸威脅到農(nóng)業(yè)健康發(fā)展[2-3]。為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)部提出的“一控兩減三基本”的目標(biāo)[4]，選擇增施環(huán)境友好型納米肥料助劑，降低化肥施用量，提高化肥利用率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，改善土壤環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)健康發(fā)展。

納米肥料屬于納米生物技術(shù)的一個分支，是用納米材料技術(shù)構(gòu)建形成的一種新型含納米碳的全新肥料，包括納米結(jié)構(gòu)肥料及納米材料包膜控釋肥料等[5-6]。水潤性納米肥料顆粒與土壤接觸面積大，一方面有快速吸水，增加水的溶解能力、提升水的細(xì)胞生物透性、提升植物對肥料吸收，降低施入化肥的流失和固定[7-8]；另一方面能增強作物的光合作用，提高作物根系對養(yǎng)分的吸收，改善土壤環(huán)境，刺激根系生長，促進作物生長發(fā)育、提升產(chǎn)量及改善品質(zhì)[9-10]。有學(xué)者研究報道，施用納米氫氧化鎂大白菜產(chǎn)量較CK提升6.50%～20.98%[11]；西葫蘆產(chǎn)量增幅達15.7%～33.3%[12]；噴施納米微肥辣椒產(chǎn)量較對照增加了11.7%～18.0%[13]；施用納米增效尿素和納米增效碳酸氫銨的冬小麥分別較對照增產(chǎn)24.6%和34.2%[14]；施用納米增效肥的處理大豆幼苗株高明顯高于常規(guī)施肥處理，且葉色深綠[15]；施氮肥添加納米碳和減氮施肥添加納米碳處理較CK增產(chǎn)20.28%和14.02%，氮肥利用率均高于常規(guī)氮肥和減氮肥處理[16]。適量納米肥料能提高肥料利用率和作物產(chǎn)量，但這些研究主要集中于產(chǎn)量和肥效上。

本研究以麥后復(fù)種“小義和秋”白菜為對象，通過增施納米肥料助劑的同時減施氮肥進行田間試驗，測定白菜生育期田間農(nóng)藝性狀、品質(zhì)及采收期土壤酶活性，探究納米肥料助劑和氮肥配施對白菜的綜合影響，為氮肥減施增效，以及納米肥料助劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2019年7月中旬至10月中旬進行，試驗地位于寧夏回族自治區(qū)永寧縣楊和鎮(zhèn)南北全村(106°20′E，38°29′N)，屬于中溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候，年度光照充足，歷年平均日照時長超過2 851 h，平均日照時長為7.8～8.3 h，歷年平均降雨量180～250 mm，歷年平均蒸發(fā)量1 580 mm，歷年平均氣溫8.7 ℃，歷年≥10℃的有效積溫約3 200 ℃，無霜期130～210 d。7—9月是銀川平原的雨季，且此時期溫度適宜、光照時間長，對白菜的生長發(fā)育極為有利。

1.2 試驗材料

供試品種為寧夏主栽的“小義和秋”白菜；供試土壤為人為土土綱、旱耕人為土亞綱、正常旱耕人為土(灌淤土)土類，0～20 cm土壤基本化學(xué)性質(zhì)為pH 8.62，全鹽0.43 g·kg-1有機質(zhì)16.95 g·kg-1，全氮0.98 g·kg-1，全磷0.76 g·kg-1，堿解氮40.16 mg·kg-1，有效磷24.54 mg·kg-1，速效鉀139.38 mg·kg-1。供試肥料：基肥①由寧夏潤禾豐生物科技有限公司生產(chǎn)的水溶性三元復(fù)合肥(16-18-17)，m(N)+m(P2O5)+m(K2O)≥51%，基肥②納米肥料助劑由中科院微生物研究所提供(納米肥料助劑由膨潤土經(jīng)過球磨過篩所制)追肥由寧夏潤禾豐生物科技有限公司生產(chǎn)的粉末狀尿素[CO(NH2)2]，m(N)≥46.0%。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)5個處理：345 kg·hm-2氮肥(CK，常規(guī)施肥)、37.5 kg·hm-2納米肥料助劑+345 kg·hm-2氮肥(T1)、75 kg·hm-2納米肥料助劑+300 kg·hm-2氮肥(T2，減氮13%)、112.5 kg·hm-2納米肥料助劑+255 kg·hm-2氮肥(T3，減氮26%)、150 kg·hm-2納米肥料助劑+210 kg·hm-2氮肥(T4，減氮39%)。每個處理重復(fù)3次，共15個小區(qū)，小區(qū)面積34 m×1.45 m，具體施肥量見表1。三元復(fù)合肥和納米肥料助劑基施，氮肥追施。播前整地設(shè)區(qū)，起壟鋪設(shè)滴灌帶。覆膜點播，種植株間距28 cm×20 cm，每壟206株，種植密度41 715株·hm-2，整個生育期滴灌6次，單次滴灌量10～25 m3，苗期4～6片葉時噴藥預(yù)防蚜蟲，苗期后噴藥2次預(yù)防菜青蟲等。

表1 各處理具體施肥量Table 1 Specific fertilization amount of each treatment kg·hm-2

1.4 測定項目和方法

1.4.1 土壤基本化學(xué)性質(zhì)的測定 試驗處理前采用5點取樣，取0～20 cm土層土樣，自然風(fēng)干、研磨、過篩、裝袋備用。pH值采用電位法測定，全鹽采用DDS-11電導(dǎo)率儀測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，全磷采用釩鉬黃比色法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定[17]。

1.4.2 田間白菜生長農(nóng)藝性狀的測定 在9月4日(蓮座期)、9月18日(結(jié)球前期)、10月5日(結(jié)球后期)及10月16日(成熟期)生育時期采白菜全株樣品用蒸餾水沖干凈，在烘箱105 ℃殺青0.5 h，然后在80 ℃下烘干，及時稱干物質(zhì)量。在8月18日(苗期)、9月4日(蓮座期)、9月18日(結(jié)球前期)、10月5日(結(jié)球后期)及10月16日(成熟期)用0.5 m直尺分別測量白菜株高，葉綠素用SPAD-502便攜式葉綠素儀測量。從9月4日(蓮座期)開始測定白菜外葉、中葉及內(nèi)葉葉綠素含量。從9月4日(蓮座期)開始對外葉進行計數(shù)。10月16日(成熟期)測量球橫徑和縱徑。

1.4.3 白菜產(chǎn)量的測定 白菜采收時，每個處理稱取大小均勻的20株地上部鮮質(zhì)量。根據(jù)小區(qū)種植密度，計算出小區(qū)產(chǎn)量，取其平均值，折算成公頃產(chǎn)量。

1.4.4 白菜品質(zhì)的測定 白菜采收時，不同處理選取具有代表性的白菜均勻取菜葉榨汁備用，可溶性固形物采用手持折光儀測定，可溶性糖采用蒽酮比色法測定，Vc采用2，4-二硝基苯肼比色法測定，硝酸鹽采用硫酸-水楊酸比色法測定[18]。

1.4.5 土壤酶活性的測定 堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，蔗糖酶采用3.5-二硝基水楊酸顯色法測定，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定[19-20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

對所測定的數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件進行整理，SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析，并對各處理白菜指標(biāo)進行顯著性檢驗，顯著性水平為(P<0.05，n=5)Origin 2018軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米肥料助劑與氮肥配施對白菜干物質(zhì)量變化的影響

各生育時期不同處理干物質(zhì)量變化如圖1所示。在各采樣周期內(nèi)，白菜干物質(zhì)量變化呈“S”型遞增趨勢，蓮座期干物質(zhì)量最少，在32.89～35.86 g·株-1，成熟期干物質(zhì)量最大，在422.17～448.78 g·株-1，各生育時期干物質(zhì)量不同，其從大到小為成熟期>結(jié)球后期>結(jié)球前期>蓮座期；蓮座期納米肥料助劑處理干物質(zhì)量與CK處理差異顯著，干物質(zhì)量均高于CK處理；結(jié)球前期T2處理干物質(zhì)量最大，為49.37 g·株-1，T1和T2與T3和T4處理存在顯著差異，納米肥料助劑處理較CK處理干物質(zhì)量提高14.20%～24.10%；結(jié)球后期T2處理干物質(zhì)量最大，為259.84 g·株-1，與各處理存在顯著差異，T1～T4處理較CK處理干物質(zhì)量提高17.96%～20.94%；成熟期T2處理干物質(zhì)量最大，與各處理間存在顯著差異，T1～T4處理較CK處理干物質(zhì)量提高1.22%～6.31%。

注：圖中小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 納米肥料助劑與氮肥配施對白菜田間農(nóng)藝性狀的影響

不同處理對白菜株高及外葉數(shù)如表2所示。隨生育期的延長，各處理株高呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。蓮座期以后T1～T4處理株高均高于CK，苗期的株高無顯著性差異，蓮座期T1～T4白菜株高較CK處理增加8.07%～20.41%，T2和T4處理白菜株高無顯著性差異，T2處理株高最高；結(jié)球前期T1～T4白菜株高較CK處理增加1.72%～7.54%，T3和T4處理白菜株高無顯著性差異，T2處理株高最高；結(jié)球后期T1～T4白菜株高較CK處理增加2.39%～7.92%，T1～T4處理之間無顯著差異，T2處理株高最高，為41.55 cm；成熟期T1～T4白菜株高較CK增加1.67%～4.80%，T1～T4處理之間無顯著差異，T2處理株高最高，為42.13 cm；蓮座期T1～T4白菜外葉數(shù)無任何差異；結(jié)球前期各處理白菜外葉數(shù)差異性較小，T1和T4無顯著性差異，較CK差異顯著，T1和T2無顯著性差異；結(jié)球后期T1～T4白菜外葉數(shù)較CK處理增加6.80%～15.18%，T1～T4較CK處理差異顯著；成熟期T1～T4白菜外葉數(shù)均無顯著差異，與CK處理差異顯著，較CK增加6.98%～15.90%。

不同處理對白菜整個生育期SPAD值如表3所示。各處理苗期SPAD值均無顯著性差異，隨生育期的延長，外葉及中葉SPAD值呈現(xiàn)逐漸升高又降低的趨勢，外葉均在結(jié)球前后期達到峰值，中葉均在結(jié)球后期達到峰值，各處理內(nèi)葉SPAD值在整個生育期變化均不明顯。蓮座期、結(jié)球前期及結(jié)球后期葉片SPAD值外葉>中葉>內(nèi)葉，蓮座期T2和T4處理外葉與CK處理差異顯著，T1和T3處理無顯著差異，T2處理SPAD值最大，為48.96，T2～T4中葉與CK和T1差異顯著，T1～T4處理均高于CK，較CK增加1.15%～13.92%，T1～T4內(nèi)葉較CK差異顯著，較CK增加2.80%～6.24%，T1～T4處理無顯著差異；結(jié)球前期T2處理SPAD值最大，除T3處理外，各處理均高于CK處理，較CK處理增加12.90%～27.60%，T1～T4處理中葉SPAD值均高于CK，較CK增加1.55%～10.54%，T1～T4處理無顯著差異，T1處理SPAD值最大，為47.50，各處理內(nèi)葉均無顯著差異；結(jié)球后期T1～T4處理外葉SPAD值均高于CK，較CK增加1.72%～10.18%，T1和T2處理無顯著差異，T3和T4處理無顯著差異，中葉SPAD值均高于CK，較CK增加3.18%～14.62%，T3和T4處理無顯著差異，T1處理SPAD值最大，為50.10，內(nèi)葉各處理無顯著差異，但T1處理SPAD值最大；成熟期各處理外葉、中葉及內(nèi)葉SPAD值均無顯著性差異，T1～T4處理SPAD值大小排序為中葉>外葉>內(nèi)葉。

表2 不同處理對白菜株高和外葉數(shù)的影響Table 2 Effects of different treatments on plant height and number of outer leaves of Chinese cabbage

表3 不同處理對白菜SPAD值的影響Table 3 Effects of different treatments on SPAD value of Chinese cabbage

不同處理對成熟期白菜的產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)如表4所示。納米肥料助劑處理較CK差異明顯，球縱徑較CK增加12.19%～56.60%，從大到小排序為T1>T2>T4>T3>CK；球橫徑較CK增加1.22%～25.91%，從大到小排序為T2>T4>T1>T3>CK；T3處理單株毛菜質(zhì)量最大，為5.64 kg·株-1，較CK增加了27.89%，與T3和T4及CK處理差異顯著，各處理單株毛菜質(zhì)量從大到小排序為T2>T1>T3>T4>CK。

表4 不同處理對白菜產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)的影響Table 4 Effects of different treatments on cabbage yield-related indicators of Chinese cabbage

2.3 納米肥料助劑與氮肥配施對白菜毛產(chǎn)量和產(chǎn)值的影響

不同處理白菜毛產(chǎn)量和產(chǎn)值如表5所示。在CK處理的基礎(chǔ)上，增施納米肥料助劑減施氮肥毛菜產(chǎn)量較CK處理差異明顯，T1～T4處理毛菜產(chǎn)量均高于CK，較CK增加3.98%～32.24%，其中減氮肥13%+75 kg·hm-2納米肥料助劑的T2處理產(chǎn)量表現(xiàn)最為突出，為235.44 t·hm-2，產(chǎn)值最大，為58 859.87元·hm-2，其他排序為T1>T3>T4>CK。

2.4 納米肥料助劑與氮肥配施對白菜品質(zhì)的影響

不同處理白菜品質(zhì)的影響如表6所示。增施納米肥料與減施氮肥對白菜品質(zhì)影響不明顯，可溶性固形物先升高后降低，其中T1處理的可溶性固形物含量最高，為4.91%，較CK增加1.88%，T4處理的可溶性固形物含量最低，為4.70%，與CK，T1及T4處理差異顯著；可溶性糖含量不同處理間差異不顯著，T3處理最高，T2處理最高；VC含量不同處理間未產(chǎn)生明顯影響，但T1處理VC含量最高，為474.3 mg·kg-1，較CK增加6.68%；硝酸鹽含量隨納米肥料助劑的增加而降低，但不同處理間硝酸鹽含量無顯著差異，由大到小排序為CK>T1>T2>T3>T4。

表5 不同處理對白菜產(chǎn)量和產(chǎn)值的影響Table 5 Output and output value of Chinese cabbage

表6 不同處理對白菜品質(zhì)的影響Table 6 The quality of Chinese cabbage

2.5 增施納米肥料助劑與減施氮肥對土壤酶活性的影響

不同處理對土壤酶活性如表7所示。納米肥料與氮肥配施對土壤酶活有所差異，堿性磷酸酶呈逐漸降低趨勢，過氧化氫酶和脲酶及蔗糖酶呈先增加后降低趨勢。從施肥量來看，施肥量越多，堿性磷酸酶活性越強，CK處理堿性磷酸酶與T1～T4差異顯著，T1～T4處理較CK處理降低5.61%～18.36%，CK處理堿性磷酸酶值最大，為16.94 mg·g-1·d-1，T1～T4處理無顯著差異，各處理堿性磷酸酶活性從大到小為CK>T1>T2>T3>T4；過氧化氫酶活性均高于CK處理，分別提高了1.72%，13.79%，11.21%和2.59%，其中T2處理最大與CK和T1處理無顯著差異，T3和T4處理無顯著差異；T1處理脲酶活性值最大，較CK提高了1.07%，其次是T2～T4處理分別降低7.37%,11.52%及25.65%；T1～T4處理蔗糖酶活性較CK處理明顯增加，其中T2處理表現(xiàn)最為突出，提高了18.80%，其次為T1處理，提高14.98%，T3和T4處理提高最小，分別為13.89%和11.99%，T1～T3處理無顯著差異。

表7 不同處理對土壤酶活性的影響Table 7 Effects of different treatments on soil enzyme activity

3 討論與結(jié)論

納米肥料助劑具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)[21-22]，能減少化肥的流失與固定，增強植物對肥料的吸收，從而調(diào)節(jié)植物生長，提高抗逆性，促進植株健康生長，穩(wěn)定產(chǎn)量和改善品質(zhì)[8-9]。納米肥料對植物生長發(fā)育的效應(yīng)已有多個相關(guān)驗證。相關(guān)研究表明，在柑橘上施用納米碳增效劑產(chǎn)量顯著增加[23]；不同尿素用量添加納米碳后可增加大豆干物質(zhì)積累量，提升豆苗相對生長速率，使產(chǎn)量顯著增加[24]；任巍等[25]研究發(fā)現(xiàn)，施用琉璃納米肥的水稻株高和穗粒均增加，產(chǎn)量較常規(guī)施肥提高6.9%；HONG等[26]，ZHENG等[27]研究發(fā)現(xiàn)，納米TiO2能促進葉綠素形成，減緩菠菜葉綠體衰老，促進生長發(fā)育，提升產(chǎn)量。施用緩釋納米肥的青椒株高和莖稈直徑較空白處理增幅達12.2%和12.3%[28]。本試驗通過減量氮肥配施不同用量納米肥料助劑，發(fā)現(xiàn)納米肥料助劑與氮肥配施能促進白菜生長，提升產(chǎn)量。較常規(guī)施肥成熟期干物質(zhì)量提高1.22%～6.31%，株高增加1.67%～4.80%，外葉數(shù)增加6.98%～15.90%，SPAD值在結(jié)球前后期達到峰值，納米肥料助劑成熟期為中葉>外葉>內(nèi)葉，常規(guī)施肥為外葉>中葉>內(nèi)葉，球縱徑增加12.19%～56.60%、橫徑增加1.22%～25.91%，單株毛菜質(zhì)量增加0.68%～27.89%，產(chǎn)量增加3.98%～32.24%。可能是納米肥料具有的特殊結(jié)構(gòu)，與水混合后變成超導(dǎo)體進入土壤，促進植株根系對水分吸收，添加到水溶性復(fù)合肥中，其催化性能夠增加肥料的釋放程度[29]。納米肥料中納米碳攜帶的大量陽離子會使氮肥和土壤中的NH4+存在于植株根系周圍，降低施入肥料的損失，促進白菜對氮肥的吸收利用，有利于白菜整個生育期中生長發(fā)育，其株高、外葉數(shù)、干物質(zhì)量、產(chǎn)量性狀指標(biāo)也相應(yīng)增加。SPAD值可以反映白菜氮素營養(yǎng)的豐缺狀況，苗期氮肥施用量相同，各處理無顯著差異，結(jié)球前后期氮肥施用量大的處理，其SPAD相應(yīng)較大。這與朱麗麗等[30]研究結(jié)果基本一致。

施用納米肥料助劑可以提高作物產(chǎn)量，對改善作物品質(zhì)也有一定作用。納米肥料助劑與氮肥配施相較于單施氮肥而言，可以提升產(chǎn)量構(gòu)成因素，提升作物群體質(zhì)量，進而達到作物的增產(chǎn)目的，有效地降低化肥投入。但納米肥料助劑與氮肥用量不同，對作物品質(zhì)影響也各有不同?？掠么旱萚31]研究在甜瓜上施用納米有機肥，結(jié)果顯示,納米肥處理甜瓜可溶性固形物含量、可溶性糖含量、VC含量、及肉質(zhì)指標(biāo)均好于CK處理，較CK分別增加了1.76%，2.08%及4.83%;高艷明等[32]研究發(fā)現(xiàn)，白菜硝酸鹽含量基本隨施氮量的增加而增加。而在本研究中，納米肥料助劑處理較CK處理白菜可溶性固形物增加-2.49%～1.88%，不同處理之間可溶性糖與VC含量影響不明顯，但VC含量均高于CK處理，較CK增加1.37%～6.68%。這與前人研究有不同之處，出現(xiàn)此差異的原因可能與白菜的品種或者試驗區(qū)土壤的理化性質(zhì)有關(guān)。另外，納米肥料其特殊的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)，進入土壤后保證了白菜對所需養(yǎng)分的持續(xù)有效供應(yīng)，間接增強了地上部光合效率，養(yǎng)分運輸能力加快，促進有機物穩(wěn)步積累，促進白菜生長，從而改善了白菜品質(zhì)。白菜隨氮肥用量的增加其體內(nèi)硝酸鹽含量基本隨之增加。這與前人研究基本一致?？赡茉蚴堑视昧吭黾油寥乐械南跛猁}殘留量也隨之增加，白菜體內(nèi)硝酸鹽累積量也就增加。

土壤酶活是土壤生態(tài)系統(tǒng)中極為重要的組成部分，與土壤肥力的演變和形成息息相關(guān)。本研究表明，施肥量越多，堿性磷酸酶活性越強，較常規(guī)施肥減氮肥配施納米肥料助劑堿性磷酸酶降低5.61%～18.36%，過氧化氫酶增加1.72%～13.79%，脲酶活性增加-25.65%～1.07%，蔗糖酶增加11.99%～18.80%。滕青等[28]研究發(fā)現(xiàn)，施納米肥料過氧化氫酶活性增加13.3%～21.3%，脲酶活性增加12.1%～26.8%；趙鑫[33]發(fā)現(xiàn)，施用納米碳肥30 d后，土壤脲酶增長4.6%～13.0%，過氧化氫酶增長27.6%～100.5%，土壤磷酸酶增長-1.1%～12.6%，蔗糖酶增長 5.4%～16.2%。本研究的堿性磷酸酶活性與前人研究結(jié)果有所不同，可能與土壤磷素轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。隨施氮量的減少堿性磷酸相應(yīng)降低，施用納米肥料助劑增加了白菜根系活力、根系分泌物及土壤微生物數(shù)量，改善了土壤環(huán)境，間接增加了過氧化氫酶和蔗糖酶活性，脲酶活性與氮肥用量有關(guān)，施用量越多脲酶活性越強。這與GRIERSON等[34]和郭新送等[35]研究結(jié)果基本一致。

本研究通過當(dāng)年田間試驗，得出結(jié)論適量增施納米肥料助劑，并適度減施氮肥，可促進白菜生長發(fā)育，提高白菜產(chǎn)量，相應(yīng)改善白菜品質(zhì)，提升土壤酶活性。本研究只是針對納米肥料助劑對白菜當(dāng)年相關(guān)指標(biāo)進行初探，對多年影響有待進一步深入探究。