氮素水平對(duì)基質(zhì)栽培娃娃菜光合生理 產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

高艷，喬亞麗，趙兆，張坤，胡琳莉*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.唐山開灤第一中學(xué)，河北 唐山 063000）

娃娃菜（Brassica pekinensis）屬十字花科蕓薹屬白菜亞種，又稱微型大白菜，其食用方便、風(fēng)味獨(dú)特、品質(zhì)優(yōu)良、口感脆嫩，富含多種礦物質(zhì)和膳食纖維，且具有生長(zhǎng)期短、易栽培、耐貯運(yùn)等優(yōu)良特性，因此，深受廣大消費(fèi)者和菜農(nóng)的青睞，種植經(jīng)濟(jì)效益較高。隨著市場(chǎng)需求的不斷變化，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)是當(dāng)前娃娃菜育種的主要目標(biāo)[1]。氮素對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要影響，在一定范圍內(nèi)施用氮肥能夠提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)等[2]。但是目前由于人們片面追求高產(chǎn)，盲目大量施用氮肥，雖然在一定程度上提高了作物產(chǎn)量，但也造成了資源浪費(fèi)、肥料利用率下降、產(chǎn)品質(zhì)量降低、生態(tài)環(huán)境條件惡化等不良后果[3]。因此，提高氮肥利用率，減少環(huán)境污染是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上面臨的主要難題之一。

氮素主要通過對(duì)光合作用、呼吸作用以及一些代謝酶的影響來對(duì)植物營養(yǎng)特性產(chǎn)生影響，氮是葉綠素的主要組成成分，施用氮肥一般能促進(jìn)植物葉片葉綠素的合成。增施氮肥后，高產(chǎn)春大豆凈光合速率明顯增加[4]。在適宜施氮量范圍內(nèi)，提高氮素水平可促進(jìn)葉片含氮量和CO2同化速率增加；但是超出范圍后繼續(xù)增施氮肥，會(huì)導(dǎo)致葉片同化速率降低。不同形態(tài)的氮素對(duì)蔬菜葉片光合速率的影響不同[5]。增施氮肥可有效提高蔬菜產(chǎn)量，但過量施肥會(huì)對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育帶來負(fù)面影響，如導(dǎo)致植株長(zhǎng)勢(shì)變?nèi)?、抗逆性降低、肥料利用率降低，甚至?dǎo)致干燒心病的發(fā)生等[6～8]。

2014年巨曉棠等[9]對(duì)我國農(nóng)田氮肥的施用現(xiàn)狀、問題及趨勢(shì)進(jìn)行分析后指出，合理施用氮肥主要包括施肥量、施肥時(shí)期、施肥方法和肥料品種4個(gè)方面，這四者既相互聯(lián)系又相互影響，但對(duì)目標(biāo)產(chǎn)量和品質(zhì)起決定與關(guān)鍵作用的是合理施肥量。Badr等[10]研究表明，在干旱區(qū)種植結(jié)構(gòu)和氮素供應(yīng)水平對(duì)番茄產(chǎn)量、氮素利用率以及水分利用率有顯著影響。大量研究結(jié)果表明，施氮水平對(duì)養(yǎng)分吸收分配利用以及作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有顯著影響[11～13]。盡管目前在大多數(shù)作物上進(jìn)行了氮素水平的肥效試驗(yàn)，但在基質(zhì)盆栽條件下施氮水平對(duì)娃娃菜生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)調(diào)控的研究尚未見報(bào)道。因此，采用基質(zhì)盆栽方法，研究不同氮素水平對(duì)娃娃菜生長(zhǎng)、光合生理、產(chǎn)量和品質(zhì)以及光合參數(shù)的影響，旨為基質(zhì)栽培娃娃菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供施肥參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)品種為蘭州地區(qū)主栽的高原夏菜娃娃菜品種“惠農(nóng)金娃娃”。栽培基質(zhì)為商品基質(zhì)（甘肅綠能瑞奇有限公司提供），養(yǎng)分含量為全氮3.253 g/kg、全磷2.40 g/kg、全鉀5.57 g/kg，其中堿解氮162.67 mg/kg、有效磷6.67 mg/kg、速效鉀0.13 mg/kg。試驗(yàn)所用氮肥為尿素（N含量46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O5含量17%），鉀肥為硫酸鉀（K2O含量51%），均購自湖北凱龍楚興化工集團(tuán)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2018年7～10月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代玻璃溫室中進(jìn)行，娃娃菜采用基質(zhì)盆栽。6月30日育苗；7月25日移栽，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的娃娃菜幼苗單株定植于裝有基質(zhì)1.5 kg/盆的花盆（外徑25 cm、內(nèi)徑21.5 cm、高16.5 cm）中。試驗(yàn)氮素水平設(shè)5個(gè)處理，其中，N0為不施氮肥（CK），N2為優(yōu)化施氮量[14]，N1、N3、N4的氮肥施用量分別為優(yōu)化施氮量減少50%、增加50%、增加100%（表1）。氮肥和鉀肥2種肥料50%作為基肥施入基質(zhì)，50%于蓮座期追施；磷肥一次性基施。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理6盆，5次重復(fù)。娃娃菜其他管理方法均相同，9月25日采收。

表1 不同處理的施肥方案 （g/盆）Table 1 Fertilization schemes for different treatments

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.2.1 植株形態(tài)指標(biāo)。分別于娃娃菜定植當(dāng)天以及定植后第15天、第30天和第54天，測(cè)定株幅、葉面積（外葉）和葉片數(shù)；娃娃菜進(jìn)入結(jié)球期開始，統(tǒng)計(jì)株高。其中，株幅測(cè)定和計(jì)算參照胡琳莉等[15]方法；葉面積根據(jù)標(biāo)記植株的葉長(zhǎng)和葉寬，通過公式計(jì)算得到：

式中，k為換算系數(shù)；π為圓周率；A為葉長(zhǎng)（cm）；B為葉寬（cm）。

1.2.2.2 產(chǎn)量指標(biāo)。將采收的娃娃菜分為地上和地下兩部分，用電子天平分別稱量鮮重，整株鮮重（地上部鮮重＋地下部鮮重）即為生物產(chǎn)量；之后將地上部分去掉外葉，稱量其銷售產(chǎn)品的鮮重，即為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。計(jì)算經(jīng)濟(jì)系數(shù)（經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量/生物產(chǎn)量）。

1.2.2.3 品質(zhì)指標(biāo)。依照高俊鳳[16]的方法，測(cè)定娃娃菜產(chǎn)品的硝酸鹽、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、有機(jī)酸和Vc含量。其中，硝酸鹽含量測(cè)定采用硝基水楊酸法；可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白質(zhì)含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法；有機(jī)酸含量定采用NaOH堿式滴定法；Vc含量測(cè)定采用2，6-二氯靛酚滴定法。

1.2.2.4 光合參數(shù)指標(biāo)。在娃娃菜結(jié)球末期（9月10日）9：00～11：00，測(cè)定娃娃菜功能葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）。測(cè)定時(shí)，儀器參數(shù)設(shè)定：光照由LED光源提供，光照強(qiáng)度1 000μmol/（m2·s）；CO2由外界環(huán)境提供，濃度（400±5）μmol/mol；溫度25℃，濕度80%。每處理測(cè)定均3個(gè)重復(fù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 利用Excel 2010軟件作圖；利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素水平對(duì)娃娃菜植株形態(tài)的影響

2.1.1 株高 氮素水平對(duì)娃娃菜株高有顯著影響（圖1）。隨著氮素水平的提高，定植后第30天和第54天的株高均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，且均以N1處理株高最大，與N2和N3處理差異不顯著，但顯著＞CK和N4處理，其中第54天的株高（27.3 cm）較CK高8%；均以N4處理株高最小，其中定植后第54天的株高顯著＜CK和其他施氮處理。表明適量施氮（N1、N2和N3處理）可促進(jìn)娃娃菜株高生長(zhǎng)，其中N1處理效果顯著；過量施氮（N4處理）會(huì)抑制娃娃菜株高生長(zhǎng)。

2.1.2 株幅 氮素水平對(duì)娃娃菜株幅有顯著影響（圖2）。娃娃菜生長(zhǎng)中后期，隨著氮素水平的提高，株幅均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中定植后第30天，N1處理的株幅（1 593.38 cm2）最大且顯著＞CK（增幅為17%）和其他氮素水平處理，N4處理的株幅為施氮處理最小但也顯著＞CK；定植后第54天，N3處理的株幅最大且顯著＞CK和其他氮素水平處理，N4處理的株幅為所有處理最小且顯著＜CK。表明適量施氮可促進(jìn)娃娃菜株幅增大，其中定植后第30天N1處理株幅最大、第54天N3處理株幅最大；過量施氮（N4處理）不利于娃娃菜生長(zhǎng)，到生長(zhǎng)后期抑制作用明顯。

圖2 氮素水平對(duì)娃娃菜不同時(shí)期株幅的影響Fig.2 Effect of nitrogen levels on growth width of mini Chinese cabbage at different stages

2.1.3 葉片數(shù) 氮素水平對(duì)不同時(shí)期娃娃菜的葉片數(shù)影響程度不同，其中對(duì)生長(zhǎng)前期的葉片數(shù)影響不大；對(duì)生長(zhǎng)后期（定植后第54天）的葉片數(shù)有顯著影響，葉片數(shù)隨著氮素水平的提高而逐漸降低，其中N1和N2處理指標(biāo)值較高，二者差異不顯著，且均與CK差異也不顯著，但三者均顯著＞N3和N4處理（圖3）。總體來看，施氮過量（N3和N4處理）會(huì)導(dǎo)致娃娃菜外葉提前衰老死亡，至生長(zhǎng)后期葉片數(shù)明顯減少；適量施氮（N1和N2處理）可延緩?fù)尥薏送馊~衰老，保持較多的葉片數(shù)，其中N1處理效果好且較為經(jīng)濟(jì)。

圖3 氮素水平對(duì)娃娃菜不同時(shí)期葉片數(shù)的影響Fig.3 Effect of different nitrogen levels on leaf number of mini Chinese cabbage at different stages

2.1.4 葉面積 在第54天測(cè)量時(shí)，最外層葉片有萎蔫甚至凋落的現(xiàn)象，因此沒有該組數(shù)據(jù)。氮素水平對(duì)娃娃菜葉面積有顯著影響（圖4）。隨著氮素水平的提高，定植后第15天的葉面積總體呈降低趨勢(shì)，其中N1和N2處理指標(biāo)值較高，二者差異不顯著，且均與CK差異也不顯著，但三者均顯著＞N3和N4處理；定植后第30天的葉面積呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中N2處理的葉面積（286.11 cm2）最大，與N1處理差異不顯著，且二者均與CK差異也不顯著，但三者均顯著＞N3和N4處理。表明適量施氮（N1和N2處理）可促進(jìn)娃娃菜生長(zhǎng)，葉片增大，其中N1處理效果較好且較為經(jīng)濟(jì)；較多施氮（N3和N4處理）反而會(huì)明顯抑制娃娃菜的生長(zhǎng)。

2.2 氮素水平對(duì)娃娃菜產(chǎn)量的影響

圖4 氮素水平對(duì)娃娃菜不同時(shí)期葉面積的影響Fig.4 Effect of nitrogen levels on leaf area of mini Chinese cabbage at different stages

氮素水平對(duì)娃娃菜生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均有顯著影響（表2）。隨著氮素水平的提高，娃娃菜的地上部鮮重呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中N1處理的指標(biāo)值最大，且顯著＞除N2之外的其他處理；地下部鮮重呈逐漸降低趨勢(shì)，且僅N2與N3處理差異不顯著，而其他處理之間的差異均達(dá)到了顯著水平；生物產(chǎn)量呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中N1處理的指標(biāo)值（708.96 g）最大，顯著＞其他處理，較CK增加48%；經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與地上部鮮重的變化趨勢(shì)一致，也呈先增加后降低的趨勢(shì)，其中N1處理的指標(biāo)值（310.00 g/株）最大，顯著＞其他處理，較CK增加61%?？梢钥闯觯琋1處理效果最好，較少施氮即可明顯提高娃娃菜的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

施氮處理的經(jīng)濟(jì)系數(shù)為0.33～0.44，其中N1處理最大且＞CK，N4處理最小且＜CK，其他3個(gè)氮素水平處理與CK相同。表明N1處理可提高娃娃菜的經(jīng)濟(jì)系數(shù)，過度施氮（N4處理）會(huì)導(dǎo)致娃娃菜經(jīng)濟(jì)系數(shù)大幅度降低。

2.3 氮素水平對(duì)娃娃菜品質(zhì)的影響

氮素水平對(duì)娃娃菜品質(zhì)有顯著影響（表3）。隨著氮素水平的提高，娃娃菜的可溶糖含量呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中N3處理的指標(biāo)值最大，與N1和N2處理差異不顯著，但三者均顯著＞CK和N4處理；可溶性蛋白質(zhì)含量呈不斷增加趨勢(shì)，施肥條件下指標(biāo)值均顯著＞CK，其中N2、N3和N4處理差異不顯著但均顯著＞CK和N1處理，而N1處理的指標(biāo)值也顯著＞CK；有機(jī)酸含量呈增加—降低—增加的變化趨勢(shì)，其中N4處理的指標(biāo)值顯著較高，而其他處理之間差異均不顯著；Vc含量呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中N2處理的指標(biāo)值最大，與N1處理差異不顯著，但二者均顯著＞CK和其他2個(gè)氮素水平處理，而N3與N4處理差異不顯著但二者指標(biāo)值均略＜CK；硝酸鹽含量呈不斷增加趨勢(shì)，施肥條件下指標(biāo)值均顯著＞CK，其中N1與N2處理差異不顯著，但均顯著＜其他2個(gè)氮素水平處理。施氮處理下娃娃菜的硝酸鹽含量為580.04～1161.18 mg/g，雖然較CK明顯升高，但均符合國家標(biāo)準(zhǔn)（≤3 000 mg/kg）[17]?？傮w來看，N1處理效果較好，不僅可有效提高娃娃菜的營養(yǎng)物質(zhì)含量，且還可使硝酸鹽含量保持在較低水平。

2.4 氮素水平對(duì)娃娃菜光合參數(shù)的影響

氮素水平對(duì)娃娃菜光合參數(shù)有顯著影響（表4）。隨著氮素水平的提高，娃娃菜的凈光合速率呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中N1處理的指標(biāo)值最高，顯著＞其他處理，較CK提高120%；蒸騰速率呈不斷增大趨勢(shì)，其中N1處理的指標(biāo)值與CK差異不顯著，但二者均顯著＜其他3個(gè)氮素水平處理，而N3與N4處理差異不顯著但顯著＞N2處理；氣孔導(dǎo)度呈先降低后增加的變化趨勢(shì)，其中N1處理的指標(biāo)值最小，且顯著＜其他處理；胞間CO2濃度呈先降低后升高的變化趨勢(shì)，其中N4處理的指標(biāo)值最大，與CK差異不顯著，但二者均顯著＞其他3個(gè)氮素水平處理，而N1與N2處理差異不顯著但二者均顯著＞N3處理?？傮w來看，N1處理效果最好，可有效提高娃娃菜的光合性能。

表4 氮素水平對(duì)娃娃菜光合參數(shù)的影響Table 4 Effect of different nitrogen levels on photosynthetic parameters of mini Chinese cabbage

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

氮是植物所需礦質(zhì)營養(yǎng)中需求量很大的元素之一[18，19]，直接影響植物的光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育，并最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[20～22]。

3.1.1 氮素水平對(duì)娃娃菜生長(zhǎng)、光合作用及產(chǎn)量的影響 農(nóng)藝性狀是植株生長(zhǎng)發(fā)育過程中內(nèi)在協(xié)調(diào)性的最直接外在表現(xiàn)。光合作用是作物產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)[23]，氮肥水平對(duì)作物產(chǎn)量的影響與光合作用密切相關(guān)[24，25]。本研究結(jié)果顯示，N1處理的娃娃菜凈光合速率最大，葉面積和株幅較大，葉片數(shù)較多。較大的株幅有利于植株更好地利用光能，提高光合性能，進(jìn)而增大功能葉的葉面積。影響光合速率的因素主要有2種：一種是氣孔因素；另一種是非氣孔因素，即卡爾文循環(huán)中的限速酶活性。本研究結(jié)果表明，隨著氮素水平的提高，娃娃菜的光合效率呈先升高后降低的趨勢(shì)變化，其中N1處理的葉片凈光合速率最大、氣孔導(dǎo)度最小，N0處理的葉片凈光合速率最低、胞間CO2濃度高（與最高值差異不顯著）、氣孔導(dǎo)度較大，說明不施氮條件下凈光合速率主要是由非氣孔因素決定的。研究顯示，當(dāng)?shù)仞B(yǎng)分供應(yīng)超過一定量時(shí)會(huì)抑制Rubisco的活性，適宜的氮肥用量可有效增強(qiáng)植物的光合效率[26，27]。氮肥不足是限制作物高產(chǎn)的主要因素，在一定施氮量范圍內(nèi)大白菜產(chǎn)量隨著施氮量的增加而提高，當(dāng)超過閾值后繼續(xù)增施氮肥則產(chǎn)量開始降低[28]。本試驗(yàn)結(jié)果與前人觀點(diǎn)相似，隨著氮素水平的提高，娃娃菜的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均呈先升高后降低的趨勢(shì)變化，其中N1處理的娃娃菜生長(zhǎng)發(fā)育最佳，生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均最大且顯著＞CK和其他氮素水平處理，分別較不施氮對(duì)照提高了48%和61%；N4處理的娃娃菜生長(zhǎng)發(fā)育最差，生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均為所有處理最低，且顯著＜CK和其他氮素水平處理。高氮水平下產(chǎn)量下降，一方面是由于光合作用較低，葉面積降低，影響了干物質(zhì)的積累；另一方面是由于氮肥濃度太高造成娃娃菜燒心，影響產(chǎn)量。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)濟(jì)系數(shù)在N1處理下最大，N4處理下最小。早期研究顯示，氮肥使用過多會(huì)導(dǎo)致土壤中的氮鈣比降低，也會(huì)引起生理缺鈣，造成娃娃菜干燒心病嚴(yán)重發(fā)生，降低娃娃菜的經(jīng)濟(jì)系數(shù)[29]。綜合分析氮素水平對(duì)娃娃菜生長(zhǎng)、光合作用及產(chǎn)量的影響，認(rèn)為娃娃菜生長(zhǎng)發(fā)育、光合參數(shù)及產(chǎn)量達(dá)到最佳的適宜施氮水平為N1處理，即施氮量為優(yōu)化施氮量的50%。

3.1.2 氮素水平對(duì)娃娃菜品質(zhì)的影響 蔬菜中硝酸鹽含量過高會(huì)嚴(yán)重危害人體健康[30]，其含量與蔬菜品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)。蔬菜中的硝酸鹽含量與施氮量呈正相關(guān)，諸多研究表明，蔬菜硝酸鹽含量增加的主要原因是氮肥施入過量[31，32]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)將降低蔬菜中的硝酸鹽含量作為施氮技術(shù)的重點(diǎn)。本研究結(jié)果表明，施用氮肥后娃娃菜硝酸鹽含量較不施氮肥顯著增加，且指標(biāo)值隨著施氮量的逐漸增大而遞增，但含量仍在安全范圍之內(nèi)[30]，僅就施氮條件下娃娃菜的硝酸鹽含量而言，N1處理最低。本研究結(jié)果表明，增施氮肥可顯著提高娃娃菜的可溶性蛋白質(zhì)含量，指標(biāo)值隨著施氮水平的不斷提高而逐漸增大?？扇苄蕴鞘歉叩戎参锏闹饕夂袭a(chǎn)物，在植物體物質(zhì)代謝中具有重要作用[33]。本研究結(jié)果表明，適量施氮（N1、N2、N3處理）可以顯著提高娃娃菜的可溶性糖含量，過度施氮會(huì)導(dǎo)致娃娃菜可溶性糖含量降低。檸檬酸、蘋果酸、草酸、乙酸、酒石酸、琥珀酸和丙二酸等為植物組織中常見的有機(jī)酸組分，這些有機(jī)酸的存在會(huì)促進(jìn)植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收、提高根系有效營養(yǎng)濃度，因此研究植物組織中各有機(jī)酸組分對(duì)指導(dǎo)科學(xué)施肥具有重要作用[34]。植物有機(jī)酸含量受環(huán)境條件和栽培措施的影響，主要包括光照、水分、營養(yǎng)元素、溫度等，其中氮素作為主要的營養(yǎng)元素，是通過影響植物體內(nèi)的氮代謝而對(duì)植物的有機(jī)酸代謝進(jìn)行調(diào)控[35]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，適量施氮（N1、N2和N3處理）可提高娃娃菜的可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、有機(jī)酸和Vc含量，且將硝酸鹽含量保持在較低水平，使品質(zhì)更佳，其中N1處理效果較好且較為經(jīng)濟(jì)。

3.2 結(jié)論

在基質(zhì)盆栽條件下，當(dāng)過磷酸鈣和硫酸鉀施肥量分別為5.52 g/盆和2.76 g/盆時(shí)，娃娃菜最佳施氮水平為尿素1.72 g/盆。該施肥條件下，娃娃菜的植株形態(tài)、光合參數(shù)、產(chǎn)量以及品質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到最佳。