不同氮磷鉀濃度對水培芹菜農(nóng)藝性狀及光合特性的影響

王 昊,賈麗麗*,劉潔霞,段奧其,尹 蓮,丁 旭,束 勝,熊愛生**

(1南京農(nóng)業(yè)大學園藝學院,南京 210095;2作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點實驗室,南京 210095;3農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東地區(qū)園藝作物生物學與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室,南京 210095;4南京農(nóng)業(yè)大學(宿遷)設(shè)施園藝研究院,宿遷 223800)

芹菜栽培歷史悠久,品種豐富,在日常飲食和蔬菜市場中占據(jù)重要地位。芹菜葉柄是主要的食用部位,風味獨特、營養(yǎng)豐富、可促進食欲。芹菜也是醫(yī)藥、食品和化工行業(yè)芹菜素和香精油的主要來源[1-4]。此外,芹菜抗寒性較強,且栽培技術(shù)簡單,在我國已實現(xiàn)周年生產(chǎn)供應(yīng)[5]。

氮磷鉀是植物生長發(fā)育必不可少的營養(yǎng)成分,在調(diào)控作物生長和光合能力方面發(fā)揮著重要作用[6]。合理施用氮磷鉀肥能夠增強植物的光合作用,促進光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化,改善作物的農(nóng)藝性狀。研究發(fā)現(xiàn),K+濃度在0—12 mmol∕L時,草莓幼苗農(nóng)藝性狀及凈光合速率隨K+濃度的增加而增加,均在12 mmol∕L時最大[7]。張蕙琪等[8]研究表明,在N、P2O5和K2O肥施用量分別為225 kg∕hm2、100 kg∕hm2和60 kg∕hm2時,谷子的光合特性最優(yōu),產(chǎn)量最高。農(nóng)藝性狀的改善與植物產(chǎn)量息息相關(guān),芹菜單株質(zhì)量與單株葉片數(shù)、葉柄數(shù)等農(nóng)藝性狀呈正相關(guān)[9]。磷肥處理會增加大豆的株高、莖粗、地上部單株干物質(zhì)積累量、凈光合速率和氣孔導度,從而提升大豆產(chǎn)量[10]。施用合理的氮磷鉀肥不但能夠提高植物的產(chǎn)量,而且有利于減少環(huán)境污染和節(jié)省成本等。

目前有關(guān)芹菜氮磷鉀肥施用的研究主要集中在大田試驗方面,針對水培芹菜中氮磷鉀推薦施用量的研究較少。芹菜土壤和設(shè)施土壤栽培與水培存在較大的區(qū)別,水培條件下芹菜的營養(yǎng)物質(zhì)主要通過營養(yǎng)液供應(yīng),能夠更清晰地反映芹菜對不同營養(yǎng)元素吸收的特點。深入研究水培條件下不同氮磷鉀濃度處理對芹菜農(nóng)藝性狀和光合特性的影響,對于實現(xiàn)芹菜生產(chǎn)的精準控制具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年6—12月在南京農(nóng)業(yè)大學作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點實驗室傘形科蔬菜作物實驗室人工氣候生長室進行。試驗材料為‘津南實芹’(‘Jinnan Shiqin’)和‘金黃芹菜’(‘Jinhuang Qincai’)。‘津南實芹’纖維含量少、品質(zhì)佳,且抗逆性強,在適宜的氣候和栽培條件下,我國各地均可種植?！瘘S芹菜’纖維含量較少、質(zhì)地較為脆嫩、口感好、香味濃,且抗病性強、產(chǎn)量高,在我國大部分地區(qū)均可栽培種植。

1.2 處理方法

將‘津南實芹’和‘金黃芹菜’種子撒播在裝有有機基質(zhì)∶蛭石∶珍珠巖為2∶2∶1(體積比)的盆(13.5 cm×12 cm×12 cm)中,并置于人工氣候生長室中,常規(guī)苗期管理,生長50 d時,將長勢均勻的芹菜苗種植于裝有不同氮磷鉀濃度營養(yǎng)液的水培箱(35 cm×20 cm×8.5 cm)中。參照喬源[11]的研究,氮肥濃度設(shè)置5 mmol∕L、8 mmol∕L和11 mmol∕L三個梯度;磷肥濃度設(shè)置0.3 mmol∕L、0.6 mmol∕L和0.9 mmol∕L三個梯度;鉀肥濃度設(shè)置3 mmol∕L、5 mmol∕L和7 mmol∕L三個梯度,以自來水作為對照組(CK),具體的營養(yǎng)液配方見表1(大量元素配方)和表2(微量元素配方),自來水中的元素含量見表3[12]。將種植好的水培芹菜放在人工氣候室培養(yǎng),每天通氧16 h,每5 d換1次營養(yǎng)液,營養(yǎng)液pH為5.5—6.5。水培40 d采收。

表1 不同氮磷鉀濃度營養(yǎng)液配方Table 1 Formula of nutrient solution with different NPK concentrations

表2 微量元素配方Table 2 Microelement formula

表3 自來水基本性質(zhì)[12]Table 3 Fundamental properties of tap water μg·mL-1

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀的測定

采收后,測量各處理芹菜單株質(zhì)量、株高、小葉長、小葉寬、葉片數(shù)、葉柄數(shù)、葉柄寬、葉柄厚和根長,每個處理隨機選取5株進行統(tǒng)計分析,取平均值。

1.3.2 光合指標的測定

采收后,使用Li-6400便攜式光合儀分別測定各處理芹菜最頂端葉片的凈光合速率和胞間CO2濃度。每處理隨機選4株測量,每株重復測量3次,取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010和SPSS 24.0軟件對數(shù)據(jù)進行整理分析;采用單因素方差分析和Duncan's多重比較方法進行差異顯著性分析;用Pearson相關(guān)系數(shù)判斷數(shù)據(jù)的相關(guān)強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜形態(tài)特征的影響

不同氮磷鉀濃度處理下芹菜形態(tài)特征如圖1所示?！蚰蠈嵡邸仓觐伾珵榫G色,‘金黃芹菜’植株偏黃綠色。施用氮磷鉀肥后,水培條件下‘津南實芹’和‘金黃芹菜’的株高、葉片數(shù)和葉柄數(shù)等均高于對照,但不同濃度處理間無顯著差異。

圖1 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜形態(tài)特征的影響Fig.1 Effects of different NPK concentrations on morphological characteristics of hydroponic celery

2.2 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜農(nóng)藝性狀的影響

2.2.1 不同氮濃度對水培芹菜農(nóng)藝性狀的影響

‘津南實芹’和‘金黃芹菜’在不同濃度氮肥處理下的農(nóng)藝性狀如表4所示。除根長外,‘津南實芹’各項農(nóng)藝指標均高于對照,且差異顯著?！蚰蠈嵡邸瘑沃曩|(zhì)量、葉柄數(shù)和株高均在11 mmol∕L氮肥處理下最大,分別是對照的5.19倍、1.33倍和1.86倍。

表4 不同氮濃度對水培芹菜農(nóng)藝性狀的影響Table 4 Effects of different N concentrations on agronomic characteristics of hydroponic celery

‘金黃芹菜’單株質(zhì)量、葉片數(shù)、小葉長、小葉寬和葉柄寬隨氮肥處理濃度的增加而增加,在11 mmol∕L時達到最大,其單株質(zhì)量是對照的2.22倍。其株高在8 mmol∕L氮肥濃度處理時最大,是對照的1.30倍。

2.2.2 不同磷濃度對水培芹菜農(nóng)藝性狀的影響

在磷肥處理下,芹菜各個農(nóng)藝性狀如表5所示?！蚰蠈嵡邸瘑沃曩|(zhì)量、葉片數(shù)和株高均在0.3 mmol∕L時最大,分別為對照的3.83、2.25和1.59倍;葉柄數(shù)、葉柄寬和葉柄厚在0.6 mmol∕L時最大;小葉長和小葉寬在0.9 mmol∕L時最大,且顯著高于對照。

表5 不同磷濃度對水培芹菜農(nóng)藝性狀的影響Table 5 Effects of different P concentrations on agronomic characteristics of hydroponic celery

‘金黃芹菜’單株質(zhì)量、葉片數(shù)、株高、小葉長和小葉寬均隨磷肥施用濃度的增加,呈先上升再下降的趨勢,在0.6 mmol∕L時達到最大值,其單株質(zhì)量和株高分別為對照的2.16倍和1.26倍。

2.2.3 不同鉀濃度對水培芹菜農(nóng)藝性狀的影響

鉀肥處理下的芹菜根長明顯低于對照(表6)?！蚰蠈嵡邸瘑沃曩|(zhì)量、株高、小葉長和小葉寬隨鉀肥處理濃度的增加呈先上升再下降的趨勢,在鉀肥處理濃度為5 mmol∕L時最大。

表6 不同鉀濃度對水培芹菜農(nóng)藝性狀的影響Table 6 Effects of different K concentrations on agronomic characteristics of hydroponic celery

‘金黃芹菜’單株質(zhì)量、葉片數(shù)和葉柄數(shù)隨鉀肥處理濃度的增加呈先上升再下降的趨勢,在鉀肥處理濃度為5 mmol∕L時最大,分別為對照的2.16倍、1.57倍和1.56倍;在鉀肥處理濃度為3 mmol∕L時,株高最大,但與其余兩個施肥處理無顯著差異。

2.2.4 不同氮磷鉀水平與水培芹菜農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

由表7可知,除‘津南實芹’根長外,‘津南實芹’和‘金黃芹菜’的各項農(nóng)藝性狀均與氮肥施用量呈正相關(guān),說明在一定范圍內(nèi)施氮量的增加會促進芹菜除根長以外各個農(nóng)藝性狀的生長。

表7 不同氮磷鉀水平與水培芹菜農(nóng)藝性狀的相關(guān)性Table 7 Correlation between different levels of NPK and agronomic traits of hydroponic celery

‘津南實芹’小葉長和小葉寬與磷肥施用水平高度正相關(guān),但其余農(nóng)藝性狀與磷肥施用水平呈負相關(guān)。除株高和葉柄厚,‘金黃芹菜’的各個農(nóng)藝性狀均與磷肥施用水平呈正相關(guān)。

‘津南實芹’單株質(zhì)量、葉片數(shù)、株高、小葉寬、葉柄寬和葉柄厚均與鉀肥施用水平呈負相關(guān)。‘金黃芹菜’小葉長和小葉寬與鉀肥施用濃度高度正相關(guān),說明施鉀量的增加對‘金黃芹菜’小葉的生長具有促進作用。

2.3 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜光合特性的影響

與對照相比,施肥處理后的‘津南實芹’胞間CO2濃度均不同程度降低,凈光合速率均有提高?！蚰蠈嵡邸瘍艄夂纤俾孰S氮處理濃度的增加而增加,隨磷處理濃度的增加逐漸下降,隨鉀處理濃度的增加呈先上升再下降的趨勢,分別在氮、磷、鉀濃度為11 mmol∕L、0.3 mmol∕L和5 mmol∕L時最大。‘金黃芹菜’凈光合速率隨氮處理濃度的增加呈先上升再下降的趨勢,在8 mmol∕L的氮肥處理下達最大值,顯著高于對照;隨磷處理濃度的增加而增加,在鉀肥處理下無明顯變化,在磷、鉀濃度分別為0.9 mmol∕L和3 mmol∕L時最大。

表8 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜光合特性的影響Table 8 Effects of different NPK concentrations on photosynthetic characteristics of hydroponic celery

3 討論

長期較高的光合速率是植物獲得高產(chǎn)的條件之一,而葉片是植物的主要光合場所,是植物合成有機物的主要器官[13],葉片光合效率影響植物的生長發(fā)育及干物質(zhì)的積累[14]。合理施用氮磷鉀肥有利于植物葉面積增大,葉片數(shù)增多以及株高增加,使植物獲得更多的光能,從而提高植物的產(chǎn)量。在芹菜生長過程中,不同濃度氮磷鉀處理對芹菜農(nóng)藝性狀有著不同的影響。水培‘津南實芹’和‘金黃芹菜’施肥處理后的單株質(zhì)量、葉片數(shù)、株高、小葉長和小葉寬等農(nóng)藝性狀高于對照,而根長則低于對照。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn):除根長外,‘津南實芹’和‘金黃芹菜’各個農(nóng)藝性狀均與氮肥水平呈正相關(guān),說明氮肥處理有利于促進除根長外各個農(nóng)藝性狀的生長。喬源[11]研究結(jié)果顯示,‘四季香毛芹菜’地上部分鮮重在氮磷鉀濃度分別為8 mmol∕L、0.8 mmol∕L和5 mmol∕L時就已達到飽和。在本試驗中,芹菜單株質(zhì)量和株高與磷肥和鉀肥的施用濃度呈負相關(guān)或不相關(guān)。出現(xiàn)這種結(jié)果可能原因是‘津南實芹’和‘金黃芹菜’對施氮量的需求范圍較廣,對磷肥和鉀肥施用量的需求范圍較小所致。作物生長所需氮磷鉀肥的施用存在一定的范圍,超過這個范圍作物產(chǎn)量不但不會上升,還會下降,這便是肥料施用“報酬遞減律”[15-16]。此外,本試驗只在單因素水平上對芹菜的農(nóng)藝性狀進行了研究,而植物的生長發(fā)育還受各營養(yǎng)元素的相互影響[17],環(huán)境因素的不同也會導致植物對營養(yǎng)元素吸收出現(xiàn)差異。

施肥處理能夠提高植物的光合活性,適量的氮磷鉀肥可提高桑樹和銀杏凈光合速率,缺乏或過量施肥則會抑制其光合作用[18-19]。本試驗結(jié)果表明,施肥能顯著降低水培芹菜胞間二氧化碳濃度,增強凈光合速率,但在不同品種芹菜之間存在差異。‘津南實芹’凈光合速率在氮、磷、鉀濃度分別為11 mmol∕L、0.3 mmol∕L和5 mmol∕L時達到最大,而‘金黃芹菜’在氮磷鉀濃度分別為8 mmol∕L、0.9 mmol∕L和3 mmol∕L時達到最大。其原因可能是芹菜對光能的需求量存在品種差異,且試驗操作細節(jié)和環(huán)境條件的差異也可能導致誤差出現(xiàn)。

本試驗采用水培的方式,可嚴格把控氮磷鉀的濃度,更直觀地表現(xiàn)芹菜生長過程中的農(nóng)藝性狀差異。本研究表明,相比于增施氮肥,有效減少磷肥的含量更利于增加‘津南實芹’的植株高度。而‘金黃芹菜’的株高與鉀肥的施用量的相關(guān)性比氮肥更高。此外,高祖明等[20]研究發(fā)現(xiàn),少磷比多氮更易引起葉菜硝酸鹽的積累。

氮磷鉀元素在植物體內(nèi)相互影響、相互作用,共同促進植物的生長發(fā)育。研究表明,增加磷肥不僅可以促進苜蓿對磷素的吸收,還能不同程度地提高其對鈣和鉀的吸收[21]。而增施鉀肥可提高作物對氮素的利用效率[22]。相反,缺鉀會影響植物對氮和磷的吸收[23]。在生產(chǎn)中,適量的氮肥配合高磷肥有利于增加何首烏產(chǎn)量[24]。芹菜農(nóng)藝性狀是一個動態(tài)的綜合性狀,其影響因素不僅包括品種、栽培技術(shù)、環(huán)境條件和氮磷鉀肥的施用量,還包括氮磷鉀肥之間的相互作用,這些因素相互關(guān)聯(lián)、相互制約。因此,為提高水培芹菜的產(chǎn)量,還需從品種、環(huán)境、多種營養(yǎng)元素的選擇與配合使用等方面進一步深入探索[25-26]。本文著重研究了氮磷鉀單因素的施用對水培芹菜生長發(fā)育的影響,可為水培芹菜的高效栽培提供理論基礎(chǔ),對實現(xiàn)田間芹菜高效生產(chǎn)具有指導意義。