張 帆,崔云浩,秦志翔,王芽芽,張 毅,石 玉
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院,山西太谷 030801)
氮素是蔬菜作物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量元素之一[1],可參與植物體蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素等含氮有機(jī)物的合成,進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育及果實(shí)品質(zhì)的形成,因此,土壤供應(yīng)氮素的水平是限制作物產(chǎn)量及果實(shí)品質(zhì)的重要因素,土壤中的氮素主要以硝態(tài)氮的形式被植物直接吸收利用,少部分則以銨態(tài)氮的形式吸收利用[2]。畢曉慶等[3]研究表明,在植物生殖生長(zhǎng)期缺失氮素會(huì)導(dǎo)致落花落果,葉片早衰,進(jìn)而影響果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。當(dāng)植物吸收氮素過(guò)多時(shí),大量光合產(chǎn)物被用于含氮有機(jī)物合成,限制碳水化合物的合成與積累,進(jìn)而影響植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的平衡[4]。例如,氮素水平過(guò)高導(dǎo)致三葉青貪青生長(zhǎng),莖稈纖細(xì),生殖生長(zhǎng)被抑制[5];過(guò)量施氮會(huì)導(dǎo)致梨凈光合速率下降,阻礙果實(shí)糖分合成,硝酸鹽在葉片、果實(shí)中大量積累,影響碳水化合物的合成與積累,導(dǎo)致坐果率下降,果實(shí)品質(zhì)低下[6]。此外,過(guò)量施氮還會(huì)促進(jìn)櫻桃果實(shí)內(nèi)的糖轉(zhuǎn)化為氨基酸,降低果實(shí)內(nèi)糖含量[7]。
近年來(lái),中國(guó)設(shè)施蔬菜氮肥施用量高達(dá)850.5 kg/hm2,為氮肥推薦量的1.9倍[1],作物每生長(zhǎng)季從土壤中吸收的平均氮肥量為230 kg/hm2,而氮肥剩余量可達(dá)324 kg/hm2,氮肥利用率平均僅為18.6%,土壤中未被作物吸收的氮素則以NH3揮發(fā)、反硝化作用及淋洗等形式釋放到大氣或土壤環(huán)境中[8],不僅會(huì)導(dǎo)致作物的氮素利用率大幅降低,土壤有機(jī)質(zhì)含量下降,速效養(yǎng)分富集,土壤次生鹽漬化嚴(yán)重,還會(huì)出現(xiàn)土壤貧瘠、離子毒害等現(xiàn)象,土壤中殘留的氮素經(jīng)過(guò)淋溶沉積進(jìn)入地下水或在反硝化作用下產(chǎn)生NO釋放到空氣中,污染空氣,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[1]。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于辣椒的氮肥施用已有大量研究,近年來(lái),設(shè)施辣椒實(shí)際生產(chǎn)中氮肥的投入施用量仍在迅速上升[1],過(guò)量的氮肥施入嚴(yán)重影響了辣椒的氮肥利用效率,普遍導(dǎo)致辣椒果實(shí)產(chǎn)量下降,果實(shí)中的糖分、蛋白質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量下降,硝酸鹽、亞硝酸鹽含量增加[9]。因此,研究減施氮肥對(duì)辣椒產(chǎn)量、果實(shí)品質(zhì)及氮素吸收利用的影響機(jī)制,可為辣椒的增產(chǎn)提質(zhì)和氮肥的減量增效提供理論基礎(chǔ)。
硅(silicon,Si)是地殼中含量第二高的元素,主要以硅酸鹽結(jié)晶的形態(tài)存在于土壤中,近年來(lái)已有研究發(fā)現(xiàn),硅對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有益,影響植物體內(nèi)許多新陳代謝過(guò)程[10]。硅可以沉積在植物葉片表皮形成角質(zhì)-硅雙層,在葉脈間形成矩形硅化細(xì)胞,在莖稈表面形成含硅體,增強(qiáng)葉片機(jī)械強(qiáng)度與莖稈剛性,進(jìn)而提高植物抗病蟲(chóng)害能力,促進(jìn)莖稈增粗防止倒伏[11]。此外,硅還可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng),提高根系細(xì)胞的親水性和水分傳導(dǎo),從而顯著促進(jìn)了植物根系對(duì)土壤礦質(zhì)元素的吸收利用[12]。瞿翔等[13]研究表明,硅可以提高土壤有效磷含量,有效緩解玉米體內(nèi)的缺素脅迫;袁源遠(yuǎn)等[14]研究發(fā)現(xiàn),硅肥能夠促進(jìn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育,改善光合作用與養(yǎng)分吸收利用能力。目前,硅肥在水稻、玉米等農(nóng)作物的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用已有大量研究,而在辣椒等雙子葉植物生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用研究還有待進(jìn)一步深入。該研究以辣椒(CapsicumannuumL.)為試材,通過(guò)設(shè)置氮肥減施下配施硅肥試驗(yàn),探討硅肥對(duì)辣椒產(chǎn)量、果實(shí)品質(zhì)及氮素吸收利用的影響,以篩選出最佳的施肥組合,為辣椒增產(chǎn)提質(zhì)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)參考。
本試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗(yàn)站及實(shí)驗(yàn)大樓進(jìn)行。選用辣椒品種‘奧黛麗’為試材,將幼苗裝至72孔穴盤(pán)中進(jìn)行苗期管理,待幼苗長(zhǎng)至三葉一心時(shí)定植于裝有不同肥料處理的基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缽(30 cm×30 cm×40 cm)內(nèi),緩苗1周后,每隔3 d澆灌1次營(yíng)養(yǎng)液(營(yíng)養(yǎng)液配方采用日本山崎甜椒營(yíng)養(yǎng)液配方),每次150 mL,采用滴灌方式每隔1 d澆1次水,并及時(shí)進(jìn)行疏花疏果、整枝打岔及病蟲(chóng)害防治。
根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際每生產(chǎn)1 000 kg辣椒需要4.8 kg氮(N)、0.9 kg磷(P)、5.4 kg鉀(K),計(jì)算辣椒整個(gè)生長(zhǎng)期N、P、K需求量,確定N、P、K肥正常用量分別為391,211,231 kg/hm2,根據(jù)氮肥減施比例設(shè)置正常施氮量(N1.0)、60%施氮量(氮肥減施40%,N0.6)、40%施氮量(氮肥減施60%,N0.4)和不施氮肥(N0)4個(gè)供氮水平。定植時(shí)將不同處理氮、磷、鉀肥按比例與基質(zhì)混合用作底肥。待進(jìn)入辣椒花期,于16:00—18:00進(jìn)行1.5 mmol/L硅酸鈉(施硅濃度由預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選得出)根施處理,每周1次,每株500 mL,直至果實(shí)成熟,以不施硅為對(duì)照。試驗(yàn)共組成8個(gè)(4×2)氮肥、硅肥配施處理組合。待辣椒果實(shí)成熟且達(dá)到采收標(biāo)準(zhǔn)后,采收成熟度均勻一致的果實(shí),于-80 ℃超低溫冰箱保存,用于品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。
1.2.1 果實(shí)產(chǎn)量
待辣椒果實(shí)成熟且達(dá)到采收標(biāo)準(zhǔn)后,每隔7 d按單株采收成熟度一致的果實(shí),共采收3批,每批采收5株并進(jìn)行稱(chēng)重,計(jì)算單株產(chǎn)量。每個(gè)處理3次重復(fù)。
1.2.2 果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)
可溶性糖含量采用蒽酮乙酸乙酯法測(cè)定[15],可滴定酸含量采用酸堿滴定法測(cè)定[15];糖酸比為可溶性糖含量與可滴定酸含量之比;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定[15];硝酸鹽含量采用水楊酸—硫酸比色法測(cè)定[15];維生素C含量采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定[15]。每個(gè)處理3次重復(fù)。
1.2.3 果實(shí)和基質(zhì)中礦質(zhì)元素含量
取成熟的辣椒果實(shí),洗凈擦干后置于烘箱內(nèi)先105 ℃殺青15 min,后于65 ℃烘干至恒重,過(guò)100目篩并制備干樣;同時(shí),將相應(yīng)處理的栽培基質(zhì)分裝至敞口塑料袋中,待自然風(fēng)干后過(guò)100目篩并制備干樣。稱(chēng)取0.2 g烘干樣品,用H2SO4-H2O2消煮法制備消煮液,采用火焰原子吸收分光光度計(jì)(AA-6200,日本SHIMADZU)測(cè)定果實(shí)中K、Ca、Mg元素含量,每個(gè)處理3次重復(fù)。N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用靛酚藍(lán)比色法[16]測(cè)定,P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用鉬銻抗比色法[16]測(cè)定。
1.2.4 辣椒氮肥農(nóng)學(xué)利用效率
依據(jù)以上測(cè)定結(jié)果計(jì)算氮肥農(nóng)學(xué)利用效率=(施氮區(qū)作物產(chǎn)量-未施氮區(qū)作物產(chǎn)量)/氮肥施用量。
采用 SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)及養(yǎng)分吸收指標(biāo)在處理間的差異顯著性分析和主成分分析。
從圖1來(lái)看,隨供氮水平的降低,不施硅和施硅處理辣椒果實(shí)產(chǎn)量均呈先升高后降低的變化趨勢(shì),且均在N0.6(N0.6+Si)處理下達(dá)到最大值,其果實(shí)產(chǎn)量比相應(yīng)的正常供氮處理N1.0(N1.0+Si)顯著提高19.93%(5.04%);而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理的果實(shí)產(chǎn)量均顯著低于相應(yīng)正常供氮處理N1.0(N1.0+Si),降幅分別達(dá)到60.27%(41.56%)和82.94%(70.78%)。
N1.0為正常供氮;N1.0+Si為正常供氮配施1.5 mmol/L Si;N0.6為60%供氮(氮肥減施40%);N0.6+Si為60%供氮配施1.5 mmol/L Si;N0.4為40%供氮(氮肥減施60%);N0.4+Si為40%供氮配施1.5 mmol/L Si;N0為不施氮肥;N0+Si為不施氮肥配施1.5 mmol/L Si。不同小寫(xiě)字母表示各處理間差異顯著(P<0.05),使用Ducan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。下同。
與單一供氮處理相比,各配施硅肥處理的辣椒果實(shí)產(chǎn)量均顯著提高。可見(jiàn),辣椒果實(shí)產(chǎn)量在減施40%氮肥后會(huì)發(fā)生顯著變化,但若進(jìn)一步減施氮肥則會(huì)大幅顯著降低;配施硅肥會(huì)不同程度提高各施氮水平下辣椒果實(shí)產(chǎn)量,但增幅存在差異。
2.2.1 Vc和可溶性蛋白含量
由圖2,A、B可知,隨供氮水平的降低,不施硅和施硅處理辣椒果實(shí)Vc、可溶性蛋白含量均呈先升高后降低的變化趨勢(shì),并均在N0.6(N0.6+Si)處理下達(dá)到最大值,此時(shí)它們的Vc、可溶性蛋白含量均比相應(yīng)的N1.0(N1.0+Si)處理分別顯著提高23.66%(15.33%)、5.37%(9.01%);而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理的果實(shí)Vc、可溶性蛋白含量均大幅度顯著低于相應(yīng)N1.0(N1.0+Si)處理,N0(N0+Si)處理又顯著低于相應(yīng)的N0.4(N0.4+Si)處理。與單一施氮處理相比較,各配施硅肥處理辣椒果實(shí)中Vc和可溶性蛋白含量大多進(jìn)一步顯著提高,但提高幅度在各施氮水平間存在差異,增幅分別在16.57%~35.63%和3.61%~9.85%之間??梢?jiàn),辣椒果實(shí)Vc和可溶性蛋白含量在減施40%氮肥后顯著提高,但若進(jìn)一步減施氮肥則會(huì)大幅顯著降低;配施硅肥會(huì)顯著提高各施氮水平下辣椒果實(shí)Vc和可溶性蛋白含量。
圖2 減氮和施硅處理下辣椒果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的變化
2.2.2 可溶性糖和可滴定酸含量
圖2,C、D顯示,隨供氮水平的降低,不施硅和施硅處理辣椒果實(shí)的可溶性糖含量均呈先升高后降低的變化趨勢(shì),并均在N0.6(N0.6+Si)處理下達(dá)到最大值,此時(shí)比相應(yīng)的N1.0(N1.0+Si)處理顯著提高6.91%(7.06%),而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理均顯著低于相應(yīng)正常供氮處理,降幅分別為32.53%(19.86%)和44.05%(45.12%);辣椒果實(shí)的可滴定酸含量則均呈先降低再升高的變化趨勢(shì),并均在N0.6(N0.6+Si)處理下達(dá)到最小值,此時(shí)比相應(yīng)的N1.0(N1.0+Si)處理顯著降低了29.03%(36.15%),而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理均顯著高于相應(yīng)正常供氮處理。與單一施氮處理相比較,各配施硅肥處理辣椒果實(shí)的可溶性糖含量大多顯著提高,而其可滴定酸含量均顯著降低,降幅在25.77%~39.07%??梢?jiàn),在減施40%氮肥后辣椒果實(shí)可溶性糖含量有所提高,且可滴定酸含量顯著降低,但若進(jìn)一步減施氮肥,則可溶性糖含量會(huì)大幅顯著降低,且可滴定酸含量大幅顯著升高;配施硅肥會(huì)顯著提高各施氮水平下辣椒果實(shí)可溶性糖含量,同時(shí)顯著降低其可滴定酸含量。
2.2.3 硝酸鹽含量和糖酸比
圖2,E、F顯示,在氮肥減施條件下,不施硅和施硅處理辣椒果實(shí)的硝酸鹽含量相比于N1.0(N1.0+Si)處理均顯著降低,降幅在56.76%~75.30%;同時(shí),它們的糖酸比均在N0.6(N0.6+Si)處理下達(dá)到最大值,比相應(yīng)的N1.0(N1.0+Si)處理顯著提高了50.94%(58.18%),而在N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理下比N1.0(N1.0+Si)處理分別顯著降低73.58%(69.15%)和85.91%(87.54%)。與單一施氮處理相比,各配施硅肥處理辣椒果實(shí)的硝酸鹽含量顯著降低25.56%~49.92%,而其辣椒果實(shí)的糖酸比均有不同程度提高,并在N0.6與N0.6+Si處理間增幅最大,顯著提高了81.23%??梢?jiàn),氮肥減施后辣椒果實(shí)的硝酸鹽含量會(huì)顯著降低,且辣椒果實(shí)的糖酸比在減施40%氮肥后顯著提高,進(jìn)一步減施氮肥則會(huì)大幅顯著降低;配施硅肥會(huì)顯著降低各施氮水平下辣椒果實(shí)的硝酸鹽含量,同時(shí)會(huì)不同程度提高其糖酸比。
由表1可知,隨供氮水平的降低,不施硅和施硅處理辣椒果實(shí)的礦質(zhì)大量元素含量均呈先上升后降低的變化趨勢(shì),并均在N0.6(N0.6+Si)處理下達(dá)到最大值,此時(shí)其果實(shí)的Ca、K、N與P元素含量比相應(yīng)N1.0(N1.0+Si)處理分別顯著提高18.57%(40.88%)、4.67%(2.55%)、12.66%(6.59%)和10.82%(4.88%);而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理的果實(shí)大量元素含量均大多比相應(yīng)N1.0(N1.0+Si)處理大幅度顯著降低。與單一施氮處理相比較,各配施硅肥處理辣椒果實(shí)的礦質(zhì)大量元素含量均顯著提高,并在N0.6與N0.6+Si處理間提升幅度最大??梢?jiàn),辣椒果實(shí)的礦質(zhì)大量元素含量在減施40%氮肥后顯著提高,進(jìn)一步減施氮肥則會(huì)大幅顯著降低;配施硅肥會(huì)不同程度提高各施氮水平下辣椒果實(shí)的礦質(zhì)大量元素含量。
表1 減氮和施硅處理下辣椒果實(shí)幾種礦質(zhì)大量元素含量
圖3顯示,不施硅(施硅)處理辣椒的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率隨著施氮量降低均先上升后降低,并在N0.6(N0.6+Si)處理下比相應(yīng)的N1.0(N1.0+Si)處理顯著提高68.97%(76.01%),而在N0.4(N0.4+Si)處理下不僅顯著低于相應(yīng)N0.6(N0.6+Si)處理60.27%(76.01%),也比正常供氮處理不同程度降低;與單一施氮處理相比較,各配施硅肥處理辣椒的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率均不同程度提高,但均未達(dá)到顯著水平。可見(jiàn),辣椒的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率在減施40%氮肥后顯著提高,而進(jìn)一步減施氮肥則會(huì)大幅降低,且在各施氮水平下配施硅肥也會(huì)不同程度提高。
圖3 減氮和施硅處理下辣椒氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的變化
為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同減氮與氮、硅配施處理對(duì)辣椒產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及養(yǎng)分吸收利用的影響效應(yīng),對(duì)主要的11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表2),除可滴定酸外,其余10個(gè)指標(biāo)間均呈不同程度顯著相關(guān),因此可進(jìn)一步對(duì)11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。
表2 辣椒產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及養(yǎng)分吸收利用的11項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性分析
由表3可知,前2個(gè)主成分的初始特征值大于1,因而提取出了2個(gè)主成分,其中第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為80.70%,第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為9.11%。根據(jù)各主成分的特征值與載荷矩陣(表4)分析,果實(shí)的硝酸鹽含量和N元素含量對(duì)第1主成分的影響最大,果實(shí)的可溶性糖、可滴定酸、可溶性蛋白、硝酸鹽、P元素、Ca元素與Mg元素含量對(duì)第2主成分的影響較大。以特征向量為權(quán)重,根據(jù)主成分矩陣得出主成分函數(shù)(y1,y2)表達(dá)式(1)和(2):
表3 主成分總方差解釋
表4 主成分分析的各因子載荷矩陣
y1=0.329x1+0.328x2+0.326x3+0.330x4-0.140x5-0.333x6+0.333x7+0.291x8+0.316x9+0.318x10+0.226x11
(1)
y2=-0.034x1+0.04x2+0.119x3-0.087x4+0.889x5+0.096x6-0.032x7+0.102x8+0.028x9+0.085x10+0.398x11
(2)
根據(jù)主成分函數(shù)表達(dá)式得出11個(gè)指標(biāo)在各處理的綜合得分(表5),其中N0.6+Si處理的綜合得分明顯高于其他處理,N1.0和N0.6處理次之,N1.0+Si處理再次,其余處理均為負(fù)值。因此,N0.6+Si處理對(duì)辣椒產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及養(yǎng)分吸收利用的促進(jìn)效果最佳。
表5 辣椒產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及養(yǎng)分吸收利用的11項(xiàng)指標(biāo)的綜合得分
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)硅肥在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究越來(lái)越廣泛,目前,硅被普遍認(rèn)為是對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有益的營(yíng)養(yǎng)元素[26]。有研究表明,適量施用硅肥對(duì)果實(shí)發(fā)育和養(yǎng)分積累有積極作用,最終促進(jìn)增產(chǎn)。本研究結(jié)果表明,與單一供氮相比,氮硅配施后辣椒的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率及果實(shí)營(yíng)養(yǎng)元素積累顯著提高,果實(shí)產(chǎn)量顯著增加,且在氮肥減施40%下配施硅肥(N0.6+Si)促進(jìn)效果最佳。硅元素可有效維持土壤肥力,促進(jìn)土壤中的元素移動(dòng),進(jìn)而增強(qiáng)作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收,有研究發(fā)現(xiàn),硅可以顯著促進(jìn)果實(shí)中K元素的吸收利用[27]。Alsaeedi等[28]的研究表明,施硅處理下黃瓜果實(shí)中鉀元素含量顯著提高,有利于植物維持離子穩(wěn)態(tài),調(diào)節(jié)滲透平衡,控制氣孔開(kāi)度,提高植物抗逆性,進(jìn)而影響果實(shí)的養(yǎng)分吸收利用。因此,減施氮肥下配施硅肥與正常供氮相比進(jìn)一步促進(jìn)了辣椒根系生長(zhǎng)發(fā)育,提高了辣椒根系對(duì)氮素的吸收利用,進(jìn)而促進(jìn)辣椒果實(shí)的養(yǎng)分吸收和積累,提高辣椒產(chǎn)量。
綜上所述,與正常供氮水平相比,氮肥減施40%更有利于促進(jìn)辣椒果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育與品質(zhì)指標(biāo)積累,提高辣椒果實(shí)產(chǎn)量,顯著改善了果實(shí)品質(zhì);辣椒在氮肥減施40%條件下的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率更高,同時(shí)辣椒果實(shí)對(duì)大量礦質(zhì)元素的有效吸收效果更佳。在不同供氮水平下配施1.5 mmol/L的硅肥,能進(jìn)一步促進(jìn)辣椒果實(shí)產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的提高,同時(shí)進(jìn)一步提高辣椒果實(shí)對(duì)大量礦質(zhì)元素的積累,因而施硅有效改善了辣椒在高氮與氮素缺素條件下的生長(zhǎng)狀態(tài),降低了高氮和缺氮的危害。綜合考慮,本研究中氮肥減施40%的條件下配施1.5 mmol/L的外源硅肥對(duì)辣椒產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及礦質(zhì)元素的吸收利用的促進(jìn)效果最佳。