換液方式對生菜霧培營養液氮素利用的影響

畢 菲，張 蕾，姚寧寧，扎貝特，于海業

(1.吉林大學生物與農業工程學院，吉林 長春 130022；2.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，吉林 長春 130022)

換液方式對生菜霧培營養液氮素利用的影響

畢 菲1，2，張 蕾1，2，姚寧寧1，2，扎貝特1，2，于海業1，2

(1.吉林大學生物與農業工程學院，吉林 長春 130022；2.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室，吉林 長春 130022)

為提高氣霧栽培營養液使用效率、降低廢棄營養液環境污染風險，從霧培營養液管理角度，以意大利生菜為研究對象，采用不同換液方式，研究了生菜生長過程中不同形態氮素的利用情況.結果表明：生菜移苗后21～30 d，營養液氮素，特別是硝氮(NO3-N)消耗較少，而消耗氮素的銨硝比例提高，適當降低該階段營養液硝氮比例或提高氨氮比例，可一定程度上節省氮肥投入；隨營養液循環使用時間的延長，營養液中不同形態氮素間存在明顯的相互轉化，并可能出現不同濃度的亞硝氮(NO2-N)；消耗的NO3-N存在植物吸收、形態轉化等多個去向，僅以硝氮計量營養液氮素損失率并不能全面反映營養液被植物利用的效率；除氮素吸收速率對植物硝酸鹽積累存在影響外，生長中后期硝氮供應不足對植物體內氮素的有效轉化同樣存在較大影響；三種換液方式對比，定期完全更換營養液的方法對降低蔬菜產品硝酸鹽含量，提高植物氮素吸收、轉化效率最有利.

霧培；營養液；生菜；氮素

我國傳統集約化蔬菜種植復種指數高、氮肥使用量大，造成土壤的快速退化，特別是硝酸鹽積累問題嚴重.[1]無土栽培作為可持續農業的主要組成部分之一，可有效避免作物連作帶來的土壤問題.無土栽培營養液氮素(N)的合理供應對降低農業投入成本及廢棄營養液的環境污染風險具有重要意義.[2]

無土栽培中營養液的循環供液方式僅通過補充礦物質元素調節電導率(EC)值，不向環境中排放任何廢棄營養液，因而水肥利用率較高，且不造成環境污染，但基于其存在傳播根病的危險及養分難于精確調控，目前除在荷蘭，循環供液法被強制使用外，該封閉種植系統很少被用于商業生產領域.開放式供液多用于基質栽培，多余營養液不進行回收，管理更簡單，肥料元素量更易控制，因而被廣泛應用于蔬菜生產和花卉種植.除此之外，近年來國外學者針對營養液栽培，還提出一種半封閉系統栽培的營養液管理方式，在這一栽培系統中，循環營養液會被部分更換，以此避免營養液中部分離子濃度超過毒害閾值并盡量降低系統向環境中的N排放量.[3]

氣霧栽培又稱噴霧培或氣培，是無固體基質培中的一種重要栽培方式，是目前無土栽培生產中水氣矛盾解決最好的一種栽培方式.[4]氣霧栽培的營養液是典型的循環利用方式，在科學研究試驗中，通常采用定期換液的半封閉管理方式.本文從霧培營養液管理角度，通過研究不同的換液方式，探討了生菜生長不同階段的氮素利用率，為進一步提高氣霧栽培中營養液的使用效率及蔬菜產品產量、品質奠定了理論基礎.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為意大利生菜(LactucasativaL.var.ramosaHort.)，購于吉林省科豐種業有限公司.

1.2 試驗方法

試驗在吉林大學生物與農業工程學院試驗玻璃溫室(E125.35°，N43.88°)內進行.試驗時間為2013年8月23日—10月12日.培養箱育苗20 d后移栽定植到霧培栽培桶中，每桶定植9棵，種植30 d后收獲.栽培期劃分前、中、后3個生長階段，每個生長階段為10 d.試驗期間白天每20 min供液5 min，夜晚每小時供液10 min.營養液每10 d更換或調節一次.3種換液方式為：方式1，完全更換營養液；方式2，更換1/2體積營養液；方式3，根據測定的EC值調節營養液，控制EC值在2 000～3 000 μs/cm.

1.2.1 營養液配制

營養液中大量元素配制采用日本園式配方，微量元素配制采用霍蘭德通用配方.為了保證分析的有效性，營養液配制用水采用蒸餾水.

1.2.2 采樣時間及方式

每10 d換液前采集250 mL營養液樣品用于測試.對采集的樣品進行N素指標檢測.殺青前一次性檢測植物生理、生長及品質指標.

1.2.3 測試指標及方法

酸堿度(pH)、電導率(EC)、空氣溫度采用試驗室自主開發的在線采集裝置測定，取正午12：00時數據進行分析.總氮(GN)含量采用過硫酸鉀氧化法、氨氮(NH4-N)含量采用納氏試劑光度法、硝氮(NO3-N)含量采用酚二磺酸光度法測定.葉片硝氮含量采用水楊酸比色法測定.試驗中采用的所有化學藥品均為分析純(AR)，試驗用水為二次蒸餾水.

2 結果分析與評價

2.1 生菜不同生長階段對不同形態氮素的需求

圖1 不同換液方式下營養液氮素的消耗

根據圖1，生菜各生長階段NH4-N和NO3-N的消耗利用率變化規律一致，均呈現第一階段消耗率最高，第二與第三階段消耗率較低的趨勢，這一現象符合植物生長旺盛期對氮素需求量較大、隨生長速度降低氮素的需求量也降低的規律.為有效評價生菜不同生長階段對氮素的需求，僅針對定期完全換液方式(方式1)下，營養液氮素消耗率進行詳細分析：三個階段NH4-N和NO3-N消耗率比值分別為4.75∶1，6.13∶1和5.14∶1.第二階段與第三階段消耗的銨硝比較高，特別是第二階段.基于方式1是定期完全換液，消耗率之比與消耗量之比變化規律一致；試驗中后期營養液氮素，特別是NO3-N消耗量較少，而消耗氮素的銨硝比有所提高，因此，配方中可適當降低NO3-N含量或提高NH4-N含量，以滿足植物需求.在實際種植時可根據生菜氮素消耗率變化調整中后期氮素供應量，實現節能增效.

2.2 不同換液方式對各形態氮素消耗率的影響

2.2.1 各形態氮素消耗率

NH4-N：不同換液方式下，除方式3生菜移栽后的第二和第三階段(21～30 d)外，生菜對NH4-N的吸收利用率一直較高，特別是第一階段，各換液方式的NH4-N消耗率均最高.方式3中出現的NH4-N消耗率為負值，表明此種換液方式下，營養液存在其他氮素形式向NH4-N的轉化，導致營養液中NH4-N量的增加.

NO3-N：不同換液方式下，生菜移栽后的第一階段NO3-N消耗率最高.方式2和方式3在第二階段出現了NO3-N消耗率為負值的現象，表明有新的NO3-N生成，證明營養液中存在氮素間的相互轉化.特別是方式2中同時存在NO3-N和NH4-N為負值的情況，表明氮素形態的轉化不僅局限于這兩種形態，很可能還存在亞硝態氮(NO2-N).

GN：對于方式3的第二階段，在NO3-N和NH4-N均為負值的情況下，GN消耗率為正值，表明營養液中很可能由于氮素間的轉化，出現另外一種植物可吸收利用的氮素形態.

以上結論表明，無土栽培營養液中消耗的NO3-N存在植物吸收、形態轉化等多個去向，因此僅以硝氮計量營養液氮素損失率并不能全面反映營養液中氮素被植物利用的效率.

2.2.2 機理分析

氮循環是土壤生態系統元素循環的核心之一，其主要過程包括生物固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用，均由微生物所驅動.[5]在無基質的無土栽培中，植物需要的氮素主要由營養液中添加的NH4-N和NO3-N提供，但隨著種植時間的延長，根系分泌物量的增加與噴霧對根系的沖刷，營養液中微生物的繁殖是不可避免的.這些微生物中同樣存在影響氮素循環的種類，特別是氨化作用、硝化作用和反硝化作用的存在，使氮素形態間出現相互轉化.方式2和方式3的換液方法導致部分或大部分營養液被長期循環利用，而這種長期循環利用的結果會使微生物數量迅速增加，從而導致氮素形態轉化愈發明顯，更有可能造成營養液中NO2-N濃度的增加.嚴明渝等[6]在闡述SUDS水健康與底棲無脊椎動物的關系時，也發現了沉淀物中NO2-N和NO3-N間存在極顯著的負相關關系；由于NO2-N的出現，誘導植物產生亞硝酸氧化酶，把營養液中的NO2-N氧化NO3-N，從而造成循環使用的營養液中氮素形態不斷轉化.

NO3-N、NH4-N和NO2-N均屬于植物能夠吸收利用的氮素形式[7-8]，當不同形態氮素間存在相互轉化，且NO2-N作為氮素吸收的主要形式時，可出現NO3-N、NH4-N消耗率為負而營養液總氮消耗量為正的情況.但是，NO2-N作為植物可利用的氮素形態之一，其濃度過高時，將對植物產生毒害作用.

2.3 氮素的消耗速率與葉片硝酸鹽積累

圖2 不同形態氮素的消耗速率

不同換液方式下生菜生長各階段各形態氮素消耗速率的比較結果如圖2所示.由圖2可見，所有換液方式各形態氮素消耗最大速率均出現在生菜移栽后的第一生長階段，而生菜生長的第二階段是NO3-N吸收速率最低的時期，該結果與Albornoz等[9]的研究具有一定的相似性.各換液方式在生長第一階段的NO3-N消耗速率相近.方式1氨氮消耗速率變化不大.NO3-N 消耗會導致H+的消耗，NH4-N消耗會釋放H+，導致營養液pH出現降低與升高的波動.本研究3種不同換液方式中，栽培生菜的葉片硝酸鹽含量分別為：1 814，2 092和3 241 mg/kg.其中，方式3生菜的硝酸鹽含量已超過中華人民共和國國家標準GB18406.1—2001《農產品安全質量——無公害蔬菜安全要求》.因此，方式3雖然在營養液使用量方面較節約，但其循環供液方式造成氮素形態轉化，降低了植物對氮素的有效利用，導致栽培生菜硝酸鹽超標.此外，蔬菜對硝氮的吸收速率過快，超過硝氮在植物體內向氨氮轉化的速率，也可能造成硝酸鹽積累.但本研究結論表明，營養液循環使用造成的生長中后期硝氮供應不足對生菜氮素有效吸收利用同樣存在較大的影響.

3 結論

(1) 生菜移苗后21～30 d，營養液氮素特別是硝氮，消耗較少，而消耗氮素的銨硝比例提高，因此，該階段采用的配方中可適當降低硝氮比例或提高氨氮比例，滿足植物需求.

(2) 隨營養液循環使用的時間延長，營養液中不同形態氮素間存在明顯的相互轉化，并可能出現濃度不同的NO2-N.

(3) 消耗的NO3-N存在植物吸收、形態轉化等多個去向，因而僅以硝氮計量營養液氮素損失率并不能全面反映營養液被植物利用的效率.

(4) 除氮素吸收速率對植物硝酸鹽積累存在影響外，生長中后期硝氮供應不足對植物體內氮素的有效轉化同樣存在較大影響.

三種換液方式對比，定期完全更換營養液的方法對降低蔬菜產品硝酸鹽含量，提高植物氮素吸收、轉化效率仍然最有利，但基于該方法會產生大量廢液，剩余營養液的再利用研究對提高蔬菜無土栽培生產經濟效益，降低廢液排放可能造成的環境風險具有重要意義.

[1] ZHU T B， ZHANG J B， CAI Z C， et al. The N transformation mechanism for rapid nitrate accumulation in soils under intensive vegetable cultivation[J]. Journal of Soils and Sediments，2011， 11：1178-1189.

[2] 關頌娜， 吳鳳芝， 姜爽. 不同氮素水平對不同氮效率黃瓜生長及其根際土壤酶活性的影響[J]. 作物學報，2013， 39(1)：68-72.

[3] MASSA D， INCROCCI L， MAGGINI R， et al. Strategies to decrease water drainage and nitrate emission from soilless cultures of greenhouse tomato[J]. Agriculture Water Management， 2010， 97：971-980.

[4] 郭士榮.無土栽培學[M]. 北京：中國農業出版社，2011.

[5] 賀紀正， 張麗梅. 土壤氮素轉化的關鍵微生物過程及機制[J]. 微生物學通報， 2013， 40(1)：98-108.

[6] 嚴明渝， 劉惠清， 王靈芝. SUDS水健康與底棲無脊椎動物的關系[J]. 東北師大學報(自然科學版)， 2012， 44(2)：107-113

[7] 鐘開新， 王亞琴. 植物氮素吸收與轉運的研究進展[J]. 廣西植物， 2011， 31(3)：414-417.

[8] 董守坤， 劉麗君， 馬春梅，等. 利用標記研究銨態氮與硝態氮對大豆的營養作用[J].大豆科學， 2012， 31(6)：911-914.

[9] ALBORNOZ， FRANCISCO， HEINRICH LIETH J， et al. Effect of different day and mNight nutrient solution concentrations on growth， photosynthesis， and leaf NO3-content of aeroponically grown lettuce.[J]. Chinlean Journal of Agricultural Research， 2014， 74 (2)：240-245.

(責任編輯：方 林)

Effect of replacing nutrient solution mode on nitrogen utilization for aeroponic lettuce

BI Fei1，2， ZHANG Lei1，2， YAO Ning-ning1，2， Chabite1，2， YU Hai-ye1，2

(1.College of Biological and Agricultural Engineering， Jilin University， Changchun 130022， China；2.Key Laboratory of Bionic Engineer， Ministry of Education， Jilin University， Changchun 130022， China)

In this paper，LactucasativaL.var.ramosaHort. is selected as the object， and different modes of replacing nutrient solution are adopted to study the nitrogen utilization. Results show that nitrogen， especially nitrate nitrogen (NO3-N) in the nutrient solution is less consumed， while the consumed ammonia nitrogen (NH4-N) to NO3-N ratio is increased from 21 to 30 days. Therefore， NO3-N should be appropriately reduced or NH4-N be appropriately increased in the formula at this stage to meet plant demand and save fertilizer. The longer nutrient solution is recycled， more obvious nitrogen form transformation is discovered， and the different concentration of nitrite nitrogen (NO2-N) is appeared in the nutrient solution. It is not sufficient to reflect the plant utilization of nutrient solution based solely on the loss rate of nitrogen. In addition， absorption rate of nitrogen， inadequate supplies of nitrate nitrogen at the middle and the latest stage of growth also have great influence on effective absorption and utilization of plant nitrogen. Replacing complete nutrient solution is the most favorable to reduce the nitrate content in vegetable products and improve plant nitrogen uptake and conversion. But it will produce large waste liquid.

aeroponic cultivation；nutrient solution；lettuce；nitrogen

1000-1832(2015)04-0133-04

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.028

2015-01-07

“十二五”農村領域國家科技計劃課題(2013AA103005-04)；國家水體污染控制與治理科技重大專項基金資助項目(2014ZX07201011).

畢菲(1987—)，女，碩士研究生；通訊作者：張蕾(1979—)，女，博士，副教授，主要從事農業生物環境研究.

X 322 [學科代碼] 610·3010

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