微潤灌施下施氮方式對(duì)空心菜生長及水氮利用效率的影響

王瑞軍，申麗霞，孫雪嵐，李京玲，孟 涵，李慧敏

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

0 引 言

氮素是植物體內(nèi)最重要的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，也是限制植物生長的主要因素，空心菜等葉菜類植物對(duì)硝態(tài)氮有較高的吸收和利用效率，雖然硝態(tài)氮對(duì)葉片和植物根系的生長、以及葉綠素的含量等都有顯著的影響作用，并且可以直接被植物吸收，但是當(dāng)硝態(tài)氮肥料施加過量時(shí)，植物體內(nèi)會(huì)積累過量硝態(tài)氮，影響植物品質(zhì)，還會(huì)導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮淋溶[1]。目前中國設(shè)施蔬菜施肥普遍存在氮素施用過多的問題，大部分地區(qū)氮肥平均施用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出推薦量[2-4]。灌溉施肥時(shí)選擇合適的水氮配比，利用水肥耦合效應(yīng)可提高水分和肥料利用率，避免施肥過量造成土壤污染和肥料流失[5]。

微潤灌溉是一種高效節(jié)水的連續(xù)灌溉技術(shù)，以半透膜的內(nèi)外水勢差作為驅(qū)動(dòng)力，使水分子通過埋藏地下的微潤管緩慢滲出到作物根區(qū)土壤，在作物根區(qū)形成一個(gè)均勻的濕潤體。微潤灌溉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)水肥一體化，灌水量可與作物耗水量相匹配，節(jié)水增產(chǎn)效果顯著，已有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究[6-8]。

目前關(guān)于微潤灌溉施肥技術(shù)的研究主要以辣椒、番茄等茄果類植物為研究對(duì)象。樊耀等[9]研究不同施氮濃度下辣椒生長發(fā)育狀況，發(fā)現(xiàn)適宜辣椒生長的施氮濃度是500 mg/L。魏歡等[10]探究了不同施肥模式對(duì)大棚番茄土壤有效磷淋失的影響，發(fā)現(xiàn)將微潤灌溉與減量施肥結(jié)合可有效阻控大棚番茄土壤中有效磷的縱向淋溶。然而，在微潤灌溉施肥模式下，對(duì)種植葉菜類植物方面的研究較少，故本試驗(yàn)以空心菜為研究對(duì)象，探究微潤灌溉條件下不同施氮方式對(duì)空心菜生長及土壤氮素運(yùn)移的影響，填補(bǔ)微潤灌溉施肥技術(shù)在葉菜類植物生長方向研究的空缺。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

試驗(yàn)區(qū)位于山西省太原理工大學(xué)迎西校區(qū)。太原市位于大陸內(nèi)部，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年日照充足，總時(shí)數(shù)在2 200 h 以上，氣溫8.10～11 ℃，積溫2 375～3 121 ℃。無霜期153～178 d，晝夜溫差大，氣候干燥。

本試驗(yàn)選擇在日光塑料大棚中種植空心菜，在木質(zhì)種植箱中播撒種子，每個(gè)種植箱種植密度相同，于2021年6月19日播種，7月25日收獲。試驗(yàn)所用土壤為黏壤土，砂粒（0.020 mm＜d≤2.000 mm）、粉粒（0.002 mm＜d≤0.020 mm）、黏粒（d≤0.002 mm）、分別占37.68%、42.13%、20.19%，土壤容重為1.30 g/cm3，初始硝態(tài)氮含量為0.64 mg/kg，灌溉水為經(jīng)過簡單過濾的城市自來水。本試驗(yàn)所用塑料大棚屬單拱鋼架保溫型大棚，兩側(cè)有可開閉的透氣網(wǎng)，可為蔬菜的生長創(chuàng)造適宜的小氣候環(huán)境。

1.2 試驗(yàn)裝置

大棚空心菜種植試驗(yàn)裝置見圖1，主要包括活動(dòng)支架、高位穩(wěn)壓水箱、木質(zhì)種植箱、PE 輸水管、進(jìn)出口閥門、微潤管等。高位水箱尺寸為70 cm×35 cm×35 cm（長×寬×高），側(cè)面標(biāo)有刻度；種植箱尺寸為90 cm×45 cm×40 cm（長×寬×高），微潤管埋深15 cm，間距30 cm。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 The figures of experiment installing

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)種植作物為空心菜，肥料為硝酸銨鈣，本試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理。施氮方式分別為全生育期不施氮（CK）；全生育期施氮濃度為300 mg/L（T1）；生長前期施氮濃度為300 mg/L，中后期施氮濃度分別為600 mg/L（T2）、900 mg/L（T3）和1 200 mg/L（T4）。其中，0 mg/L 為不施用氮肥的對(duì)照組，試驗(yàn)具體設(shè)計(jì)見表1。5組處理壓力水頭為1.5 m，微潤管間距為30 cm，微潤管埋深為15 cm，各處理設(shè)置3 組重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間根據(jù)水箱體積計(jì)算肥料質(zhì)量，用電子天平稱取肥料均勻溶解于水箱，每4 d補(bǔ)充水肥溶液。

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Experimental treatments

1.4 試驗(yàn)方法及測定指標(biāo)

由于空心菜生長周期較短，本試驗(yàn)4 d 測量一次作物及土壤指標(biāo)。

作物測定指標(biāo)包括空心菜的株高、莖粗及SPAD 值（葉綠素相對(duì)含量）。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，SPAD 值與葉綠素含量呈線性相關(guān)關(guān)系，且其相關(guān)性達(dá)到極顯著水平[11-13]。本試驗(yàn)采用日產(chǎn)便攜式SPAD-502 型葉綠素儀測定葉片的SPAD 值。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每次測量時(shí)，隨機(jī)選取3株長勢均勻的植株，用卷尺測量其株高，用游標(biāo)卡尺測量其莖粗。在生育期結(jié)束后，隨機(jī)測量5 株植株的質(zhì)量，并用種植密度折算為單位面積產(chǎn)量，按公式計(jì)算氮肥農(nóng)學(xué)利用效率：

式中：η為氮肥農(nóng)學(xué)利用效率；w為施用氮肥后的產(chǎn)量，g/m2；w0為未施氮肥的產(chǎn)量，g/m2。

每隔4 d 測量水箱中水位，兩次測得水位差即為單個(gè)時(shí)間段的微潤管出流量。并用公式計(jì)算灌溉水分生產(chǎn)率：

式中：α為灌溉水分生產(chǎn)率；w為產(chǎn)量，g/m2；p為空心菜全生育期的微潤管出流量，L。

土壤測定指標(biāo)為土壤硝態(tài)氮含量。在距離微潤管埋藏位置水平距離5 cm 處取3 個(gè)測點(diǎn)，分別取5、10、15 cm 深度的土壤，用于測定土壤中硝態(tài)氮含量，本實(shí)驗(yàn)采用紫外分光光度計(jì)測定土壤中硝態(tài)氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)每組處理重復(fù)3 次，采用SPSS 26.0 和Microsoft Excel 2019進(jìn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮方式對(duì)植物生長情況的影響

圖2分別為不同施氮濃度下空心菜株高、莖粗隨時(shí)間的變化情況?？梢钥闯觯煌幚砜招牟说闹旮?、莖粗變化曲線均呈“S”形，即“慢～快～慢”，符合植物生長曲線。播種后8～16 d，不同處理株高、莖粗差異不顯著，這是因?yàn)榇藭r(shí)空心菜處于幼苗期，葉面積小，光合速率低，加上幼苗根系不發(fā)達(dá)，導(dǎo)致生長緩慢。播種后16～32 d，T1 至T4 處理株高、莖粗曲線增長斜率明顯大于8～16 d，這是因?yàn)榭招牟诉M(jìn)入快速生長期，空心菜葉面積不斷增大，根系不斷生長，空心菜光合速率和吸水吸肥能力增強(qiáng)，生長速率明顯加快。播種后36 d，不同處理株高表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞T4＞CK，莖粗T2＞T3＞T1＞T4＞CK，株高和莖粗均隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。這說明施加適量氮肥可以給空心菜提供充足的養(yǎng)分，促進(jìn)其生長，但氮肥濃度過高會(huì)使這種促進(jìn)效果減弱。綜上所述，在1.5 m 壓力水頭下，T2 處理最適宜空心菜生長。

圖2 不同處理空心菜株高、莖粗隨時(shí)間的變化Fig.2 Changes in height and stem thickness of hollow cabbage plants with time in different treatments

2.2 施氮方式對(duì)SPAD值的影響

葉綠素作為綠色蔬菜植物進(jìn)行光合作用的主要色素，可以反映植物的光合能力，為進(jìn)一步探究施氮方式對(duì)空心菜生長狀況的影響，本試驗(yàn)對(duì)葉片SPAD 值進(jìn)行探究。圖3為不同處理下空心菜SPAD 值隨時(shí)間的變化趨勢。從圖3可以看到，整個(gè)生育期，CK 處理的SPAD 值始終比施加氮肥處理的小，說明施加氮肥可以增加空心菜葉綠素含量。CK 處理的SPAD值在20 d達(dá)到峰值，T1至T4處理的SPAD 值在24 d達(dá)到峰值。播種后16～24 d，除CK 處理，T1 至T4 處理的SPAD 值呈上升趨勢。播種后24 d，T1 至T4 處理的SPAD 值分別比CK 處理大32.51%、47.35%、68.20%、97.53%，說明SPAD 值隨施氮量的增大而增大。這是因?yàn)殡S著施氮量的增大，水分運(yùn)輸至根區(qū)土壤的氮素增加，使土壤中氮有效性增加，并且微潤灌溉下土壤水分充足，空心菜養(yǎng)分運(yùn)輸效率也會(huì)得到顯著提高，在水肥耦合作用下，空心菜可以吸收更多的氮元素，然后快速有效地運(yùn)輸至莖和葉片器官，葉片氮濃度就會(huì)顯著升高，表現(xiàn)為空心菜SPAD 值的增大。播種后24～36 d，T3、T4 處理的SPAD 值迅速下降至平穩(wěn)狀態(tài)，CK、T1 和T2 處理SPAD 值緩慢下降。

圖3 不同處理空心菜葉片SPAD值隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes in SPAD values of empty cabbage leaves with time for different treatments

2.3 施氮方式對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響

圖4為不同處理土壤硝態(tài)氮含量隨時(shí)間的變化情況。由圖4可知，在空心菜整個(gè)生長發(fā)育階段，不同處理土壤硝態(tài)氮含量隨時(shí)間增加均先增長后下降，出現(xiàn)一個(gè)峰值，且施氮濃度越高，峰值出現(xiàn)的時(shí)間越晚，整個(gè)空心菜生育期CK 處理的硝態(tài)氮含量曲線始終位于最下方。經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，播種后4～16 d，所有處理的空心菜硝態(tài)氮含量都迅速增長，這是由于空心菜此時(shí)處于幼苗期，根系生長不完善，對(duì)硝態(tài)氮的吸收能力弱，加上空心菜生長前期對(duì)氮肥需求較低，所以隨水分運(yùn)移到土壤中的氮素不斷積累，土壤中硝態(tài)氮含量迅速增加。4～8 d，T1 處理與其他施氮處理變化趨勢不一致，可能是因?yàn)樵囼?yàn)前T1 處理微潤管空氣未排盡，使微潤管出流量減少，造成T1處理土壤硝態(tài)氮含量略低。播種后16～36 d，不同處理的硝態(tài)氮含量差異顯著，此時(shí)空心菜進(jìn)入生長旺盛期，根系發(fā)育完備，對(duì)氮素吸收能力增強(qiáng)，需水需肥量大，施加氮肥較多的T3、T4 處理硝態(tài)氮含量仍迅速上升，T2 處理硝態(tài)氮含量先緩慢增加后再小幅度下降至穩(wěn)定狀態(tài)，施加氮肥較少的T1處理硝態(tài)氮含量先保持不變?cè)傺杆傧陆抵练€(wěn)定狀態(tài)，不施肥的CK 處理緩慢下降至穩(wěn)定狀態(tài)。說明當(dāng)?shù)蕽舛冗^高時(shí)，空心菜在生長階段消耗硝態(tài)氮的速度低于硝態(tài)氮積累的速度，造成土壤硝態(tài)氮含量不斷增加，既抑制了空心菜的生長，又對(duì)空心菜品質(zhì)造成影響，同時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。本試驗(yàn)中T1、T2 處理土壤硝態(tài)氮含量較低，不會(huì)造成土壤中硝態(tài)氮的過量堆積。

圖4 不同處理土壤硝態(tài)氮含量變化情況Fig.4 Changes in nitrate-nitrogen content of soil in different treatments

2.4 灌溉水分生產(chǎn)率及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率

表2反映了不同處理的產(chǎn)量、微潤管出流量、灌溉水分生產(chǎn)率及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。從表2可以看出，不同處理空心菜產(chǎn)量顯著不同，各處理空心菜產(chǎn)量：T2＞T3＞T1＞T4＞CK；除CK 處理，T1 至T4 處理微潤管出流量顯著不同，各處理微潤管出流量：T4＞T3＞T2＞T1，微潤管出流量隨施氮量增加而增大；除CK與T4處理，其余處理空心菜灌溉水分生產(chǎn)率顯著不同，各處理空心菜灌溉水分生產(chǎn)率：T2＞T1＞T3＞CK＞T4。從產(chǎn)量角度看，本試驗(yàn)施加氮肥的4個(gè)處理組均顯著高于CK 處理，說明施加氮肥對(duì)空心菜增產(chǎn)效果顯著，但隨著氮肥濃度增大，空心菜產(chǎn)量變??；從灌溉水分生產(chǎn)率角度看，施肥適中的T2 處理數(shù)值最大，施肥濃度偏大的T4 處理與CK 無顯著差異，說明過量施加氮肥增產(chǎn)效果有限，反而會(huì)使灌溉水分生產(chǎn)率下降。T1至T4處理施氮量差異顯著，T1、T2處理氮肥農(nóng)學(xué)利用效率顯著高于其他處理，T4 處理氮肥農(nóng)學(xué)利用效率最低。綜合分析，雖然T1、T2 處理氮肥農(nóng)學(xué)利用效率無顯著差異，但T2處理的灌溉水分生產(chǎn)率和產(chǎn)量顯著高于T1處理，綜上所述，種植空心菜水肥利用效率最高、增產(chǎn)效果最優(yōu)的處理為T2處理。

表2 不同處理產(chǎn)量、灌溉水分生產(chǎn)率及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率Tab.2 Yield irrigation water productivity and agronomic efficiency of nitrogen fertilizer use of different treatments

3 討 論

水分和肥料是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中影響作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的兩大重要因素。本試驗(yàn)結(jié)合空心菜生長變化情況，對(duì)空心菜葉片SPAD 值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)T3、T4 處理生長發(fā)育較差，但SPAD值較高，究其原因可能是T3、T4處理施氮量較大，土壤養(yǎng)分過高抑制了空心菜葉片的生長，葉片短小造成葉片內(nèi)葉綠素聚集，表現(xiàn)為葉色較深，SPAD 值大。有研究表明可以利用SPAD 值判斷蔬菜葉片氮肥水平從而得到適宜施氮量[14,15]，本試驗(yàn)得到T2 處理空心菜長勢最好，水肥利用率最高，T2 處理的SPAD 值波動(dòng)較小，在空心菜生長中后期T2 處理SPAD 值一直位于36～42之間，可以利用該范圍判斷空心菜葉片氮肥水平，當(dāng)SPAD 值小于該范圍，說明空心菜缺氮，可適時(shí)補(bǔ)充氮肥；當(dāng)SPAD 值大于該范圍，說明空心菜氮素充足，可以適量減小施氮量。結(jié)合不同處理土壤硝態(tài)氮含量變化情況，T3、T4 處理SPAD 值較大，發(fā)現(xiàn)在空心菜生長中后期T3、T4 處理土壤硝態(tài)氮含量迅速增加堆積，可能會(huì)造成土壤污染，T1、T2處理SPAD值較小，土壤硝態(tài)氮含量較低，不會(huì)產(chǎn)生硝態(tài)氮積累現(xiàn)象。

李義林等[16]進(jìn)行室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)增加肥液質(zhì)量濃度會(huì)使累積入滲量和濕潤體體積變大，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在種植作物條件下，除CK 處理外，施氮量越大，相應(yīng)的微潤管出流量也越大，與李義林等[16]室內(nèi)土箱模擬得出結(jié)論相似，但除此之外，本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)施加少量氮的T1 處理比CK 處理出流量少，原因可能是CK 處理的空心菜缺少氮肥，只能通過吸收更多水分保證自身生長速率，說明種植作物條件下，少量施氮可以達(dá)到節(jié)水目的。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)0～15 cm 土層硝態(tài)氮含量隨施氮量增加而增大，施氮量過多時(shí)會(huì)造成土壤硝態(tài)氮積累，與王振華等[17]結(jié)論一致。

大多數(shù)研究表明，水肥耦合的協(xié)同效應(yīng)存在一個(gè)閾值，高于閾值，增加水肥投入會(huì)使增產(chǎn)效應(yīng)不明顯，甚至導(dǎo)致減產(chǎn)，同時(shí)會(huì)增加水肥投入成本，造成土壤污染；低于閾值，增加水肥投入可以增加水肥利用率，使增產(chǎn)效果得到充分發(fā)揮[18]。不同施氮方式會(huì)對(duì)微潤管的濕潤體體積及根區(qū)土壤水氮時(shí)空分布產(chǎn)生影響，導(dǎo)致植物根系對(duì)水肥的吸收利用不同，進(jìn)而影響植物生長及水肥利用效率。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，空心菜產(chǎn)量隨施氮量增加呈現(xiàn)單峰曲線，T2 處理能顯著提高空心菜的產(chǎn)量、灌溉水分生產(chǎn)率及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)以空心菜為研究對(duì)象，設(shè)置不同施氮量，探究相同壓力水頭下施氮量不同對(duì)微潤灌溉灌水量、空心菜生長狀況、水氮利用情況的影響，得到以下結(jié)論：

（1）空心菜生長中后期增大施氮濃度至600 mg/L 范圍內(nèi)，可以促進(jìn)空心菜生長發(fā)育，超出該濃度范圍后，增大施氮濃度反而會(huì)減弱該促進(jìn)效果。

（2）空心菜葉片SPAD 值隨施氮量的增加而增大，與空心菜生長發(fā)育情況沒有顯著相關(guān)性；土壤硝態(tài)氮含量隨施氮量的增加而增大，施氮量過大會(huì)造成土壤硝態(tài)氮累積。

（3）空心菜的灌溉水分生產(chǎn)率、產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率均隨施氮量增加呈單峰曲線變化。本試驗(yàn)中T2 處理可以最大程度發(fā)揮水氮耦合效應(yīng)，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的目的，可以為微潤灌溉大棚空心菜的種植提供參考。