腐植酸對水培生菜產量和水分及養分利用的影響

李興杰，李志軍，胡笑濤，楊 鑫(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

近年來，隨著我國的經濟、文化等各方面的快速發展，農業的發展更是面臨著人口、資源、環境、食品安全的巨大壓力和社會需求不斷上升的嚴峻挑戰。無土栽培作為一種現代化農業高新技術，表現出廣闊的發展前景和巨大的開發潛力，它不受地理、氣候等自然條件影響，作物生長周期短、污染少，土地利用率和作物產量可達露天生產的數倍甚至幾十倍[1]。營養液的配制是無土栽培的核心技術之一，營養液的組成和濃度直接影響作物生長發育的速率[2]。傳統的營養液配方大體可分為兩個發展階段，第一個階段是如Hoagland、日本山崎等著名的純無機營養液配方；第二個階段是在純無機營養液基礎上添加有機成分設計出的高級的無機-有機營養液[3]。

腐植酸(Humic acid,HA)，是由動植物殘體經過微生物的分解和合成以及地球化學的一系列過程形成的由芳香族及其多種官能團構成的天然有機高分子聚合物[4]。腐植酸作為自然界中廣泛存在的大分子有機物質，廣泛應用于農、林、牧、石油、化工等各大領域。當今農業環境污染與食品源頭安全問題已經成為全球關注的焦點，腐植酸與食品源頭中的土壤、肥料、農藥、水等密切相關[5]。對我國進行生態農業建設、無公害農業生產、綠色食品、無污染環保食品生產具有重大意義。

已有大量研究表明，腐植酸憑借其獨特的生化特性，能使土壤中速效氮和速效鉀的含量有所提高，改善了小白菜、番茄、葡萄、甘薯等作物的礦質營養條件，提高了作物產量[6-9]。但用無機-腐植酸復合營養液栽培作物鮮有研究，且集中在對產量和品質的影響，未涉及到對作物水分及養分利用的作用效應。必須考慮到土壤栽培和無土栽培的不同之處，將腐植酸添加到無機營養液中，排除土壤、微生物等干擾因素，在前人研究的基礎上探討腐植酸的作用效應。

在山崎配方中添加不同濃度的腐植酸，探討腐植酸對生菜產量、水分養分利用的影響，為腐植酸在水培領域的研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗環境與材料

試驗于2015年4-5月在西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室人工光植物工廠里進行，試驗過程中控制溫度為19～23 ℃，光照強度為2 500 Lx，光照時間為12 h/d。

供試品種為香港玻璃脆散葉生菜。腐植酸鈉，化學純，黑色粉末，易溶于水，上海阿拉丁化工公司生產。其重要參數如下：水溶HAd%：56.4%；干燥失重：23.2%；灰分：21.5%；pH:9.9；電導率：1.63 mS/cm；總氮：0.14 mg/g；鉀：0.63 mg/g；鈣：0.08 mg/g；鎂：0.41 mg/g。

1.2 試驗設計

1.2.1營養液處理

試驗無機營養液采用日本山崎配方營養液[10]，大量元素含量為：Ca(NO3)2·4H2O：236 mg/kg，KNO3：404 mg/kg ，MgSO4·7H2O：123 mg/kg，NH4H2PO4：57 mg/kg，微量元素采用通用配方[10]，其中EDTA-NaFe含量為40 mg/L。以日本山崎配方營養液為對照(CK)，在此基礎上添加不同濃度的腐植酸(將腐植酸鈉濃度折合成純腐植酸)，共設置6個試驗處理：A: 對照，山崎全營養液； B: 山崎+0.28 mg/g 腐植酸； C: 山崎+0.56 mg/g腐植酸； D: 山崎+0.84 mg/g腐植酸；E:山崎+1.13 mg/g腐植酸；F:山崎+1.41 mg/g腐植酸。

1.2.2育苗與管理

采用育苗移栽方式，2015年4月16日生菜長出4～5葉時，清水洗凈根部后用海綿包裹定植于水培箱上，水培箱內徑規格為：28.5 cm×23 cm×15 cm，試驗開始時每個水培箱中營養液為7 L，每箱3株，每個處理設置6只培養箱，開始試驗處理，并用1 mmol/L的H2SO4或者1 mmol/L的NaOH調節營養液的pH至5.5～6.5(適宜生菜生長的pH值范圍)，此后不再調節營養液的pH，生長中后期利用充氣泵供氧，處理后40 d收獲生菜。

本試驗采用的營養液濃度較低，營養液全部用蓋板遮住，每次取樣用營養液較少，故蒸發和取樣造成的營養液減少可忽略不計。因而，測定營養液質量的減少量即可認為是生菜的消耗水量，營養液中礦質元素的減少量即可認為是生菜的吸收元素量。

1.3 測定項目與方法

試驗處理后，每10 d分別從3只水培箱中各取一株共3株長勢相近的生菜，將地上部分和地下部分分開取樣，測量生菜的根及葉片鮮質量和干質量。采用精確度為0.01 g的電子天平稱量各自鮮重，采用精確度為0.001 g的電子天平測得生菜各部分干重。

試驗處理后，每5 d從其中3只水培箱中取1次營養液，每次取營養液50 mL，測定營養液中氮、磷、鉀、鈣和鎂濃度，并稱量營養液的質量。在營養液水分和養分方面，使用精度為1 g的電子天平稱取營養液重量；總氮濃度采用過硫酸鉀消煮法測定,總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法測定，金屬元素鉀、鈣、鎂濃度都用原子吸收分光光度法[11]測定。

根據生菜階段干物質積累量和耗水量計算水分利用效率(WUE)[12]

(1)

式中：WUE為水分利用效率，g/L；Y為生菜干物質重，g；TET為耗水量，L。

生菜礦質元素利用效率(NUE)[13]采用式(2～4)計算：

(3)

NUE=YNER

(4)

式中：NUP為植株礦質元素吸收量，mg/株；NC為礦質元素濃度，mg/L；h為營養液水深，cm；S為水培箱底面積，cm2；NUE為植株礦質元素利用效率，g/g。

試驗數據處理采用EXCEL軟件進行一般計算和作圖，統計分析采用SPSS17.0軟件，LSD法(P<0.05)進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 腐植酸對生菜產量的影響

生菜地上部分和根干鮮重隨著腐植酸添加濃度的增加逐漸增大，均在腐植酸濃度為1.41 mg/g時達最大，如表1所示。在腐植酸濃度為1.41 mg/g時，生菜的地上鮮重顯著高于對照組和0.84 mg/g腐植酸處理，分別高出52.3%和13.7%。生菜在1.13 mg/g腐植酸處理下，地上鮮重和根鮮重分別比1.41 mg/g處理下降3.72%和5.68%。增加腐植酸濃度，生菜地上干重和根干重逐漸增加，在腐植酸濃度為1.41 mg/g時，生菜地上干重和根干重分別比對照組明顯增加87.2%和43.7%，促進生菜的生長。這4個指標在0.28 mg/g腐植酸處理和對照組之間差異均不顯著，這可能是腐植酸酸添加濃度小，尚未充分發揮其增產效應的原因。

表1 腐植酸對水培生菜產量的影響Tab.1 Effects of humic acid on the output of hydroponic lettuce

2.2 腐植酸對生菜水分利用的影響

在生菜的整個生育期內，不同腐植酸濃度處理對生菜干物質積累和水分的消耗產生不同的影響，各生育階段每消耗1L水積累的干物質量(即水分利用效率)，如圖1所示。從圖1可以看出，不同腐植酸濃度處理的生菜，其在不同生長期對水分消耗的變化規律基本相同，都隨著水培天數的延長，水分利用效率逐漸增大。其中，1.41 mg/g腐植酸處理在生菜生育后期的水分利用效率增幅分別為前兩個階段的3.4倍、2.3倍。對照組和0.28 mg/g腐植酸處理下的水分利用效率變化基本相同，在0.56～1.41 mg/g腐植酸濃度下，隨著腐植酸濃度的增加，生菜各生長階段水分利用效率都逐漸增大，收獲時各處理水分利用效率分別為對照組的134%、179%、196%、233%。

圖1 不同腐植酸濃度處理的生菜水分利用效率的變化Fig.1 Vartation of WUE by lettuce when treated with different humic acid concentration

2.3 腐植酸對生菜養分利用的影響

2.3.1腐植酸對生菜礦質元素利用效率的影響

腐植酸培養40 d后，由營養液中礦質元素的含量和干物質含量計算出全生育階段5種主要礦質元素利用效率如表2所示。從表2可知：隨著腐植酸添加濃度的增加，生菜對氮、磷、鉀、鈣、鎂元素的利用效率提高，當腐植酸添加濃度為1.41 mg/g時，各元素的礦質元素利用效率均達到最大，各元素利用率分別顯著高于對照55.84%、69.71%、74.08%、51.14、70.93%。生菜對磷和鈣的利用效率較高，對氮和鉀元素的利用效率較低。

表2 不同腐植酸濃度下水培生菜礦質元素利用效率 mg/kgTab.2 Use efficiencies of mineral elements of hydroponic lettuce under different humic acid concentrations

2.3.2腐植酸對氮、磷含量動態吸收的影響

從圖2(a)可以看出，生菜對氮元素動態吸收趨勢來看，腐植酸濃度對生菜氮元素吸收量的影響不顯著，各腐植酸濃度處理對營養液氮元素吸收的規律相似，各階段的吸收量差別不大，營養液中總氮量在生菜定植后10～20 d和采收前10 d劇烈下降，該時段吸收氮元素量較多，這兩個時段生菜總氮吸收量占全生育期氮吸收量的66%，平均每天生菜吸收為11.17 mg/L，這兩個階段是生菜需氮量最大的時期。

從圖2(b)可以看出，腐植酸對生菜磷元素吸收量的影響顯著，定植初期，隨著腐植酸濃度的增大，營養液中磷元素的含量減少，這可能是由于腐植酸和磷肥進行絡合的原因。在整個生育期內，定植后10 d和第20～30 d磷元素的降幅最小，這兩個階段吸收磷元素的量僅占全生育期吸磷量的11.36%，平均每天生菜吸收為0.20 mg/L。隨著腐植酸濃度的增大，生菜全生育期營養液中磷元素含量逐漸減少，對照組磷含量變化最大，為7.17 mg/L。

2.3.3腐植酸對鉀、鈣和鎂含量動態吸收的影響

從圖2(c)可以看出，不同生育階段不同腐植酸濃度下生菜吸鉀量有一定的差異。定植初期吸鉀量最少，除了1.41 mg/g腐植酸處理在采收前10 d吸鉀量達到最大外，其他處理都在5月6日-5月16日這一時間段的吸收量最大，對照組、0.28、0.56、0.84、1.13、1.41 mg/g腐植酸的吸鉀量分別達到總鉀吸收量的39.97%、33.87%、45.02%、41.04%、42.03%和39.01%。生菜在后兩個生育階段吸收量最大，占總吸鉀量的69.21%。

從圖2(d)可以看出，腐植酸濃度處理營養液中鈣的變化很顯著，整個生育階段，隨著腐植酸濃度的升高，營養液中鈣元素含量逐漸減少。隨著生菜生長日期的延長，營養液中鈣含量呈現先減小后增加的趨勢，在5月6日營養液中鈣量最少。這可能與腐植酸的絡合作用以及根系分泌物有關。

從圖2(e)可以看出，腐植酸濃度處理下的營養液中鎂的含量變化很顯著，整個生育階段，隨著腐植酸濃度的升高，營養液中鎂含量逐漸減少。且隨著生菜生長日期的延長，營養液中鎂元素含量不斷增加，在收獲時營養液中鎂含量最高，這說明各生育階段生菜吸收的鈣都比根系釋放的多。

圖2 不同腐植酸濃度處理的營養液的氮、磷、鉀、鈣、鎂濃度的動態變化Fig.2 Danamics of N,P,K,Ca,Mg concentrations of nutrient solution under different different humic acid concentrations

3 討 論

生菜產量與腐植酸生理活性是密切相關的，其作用機理比較復雜[14,15]。腐植酸能夠促進植株生長，提高作物產量，與高家合和趙日明等研究一致[16,17]。本試驗表明，隨著腐植酸濃度的增加，生菜地上和地下部分干鮮重逐漸增大，腐植酸濃度為1.41 mg/g時，獲得最大產量，葉鮮重為47.71 g/株。周崇峻[18]等研究表明，在山崎配方中添加1.16～3.48 mg/g濃度的腐植酸可以顯著增加生菜的商品生物量和根重，與本試驗結論相同。

大量研究表明，腐植酸能夠提高作物光合作用，同時能夠縮小葉面氣孔張開度、有效減少水分蒸騰，降低氣孔阻力，進而提高水分利用效率[19,20]。本試驗表明，在整個生育期中，隨著水培天數的增加，生菜水分利用效率不斷增大，隨著腐植酸添加濃度的增加，生菜的水分利用效率逐漸增大，對無機養分的元素利用效率逐漸增大，每消耗1 L水積累的干物質量以1.41 mg/g腐植酸處理最多，且該處理的各元素利用效率最大。

腐植酸能有效促進作物對氮、磷、鉀等元素的吸收利用，提高了礦質元素生產效率，提高了作物產量[21]。趙鳳亮[22]等研究表明，施用適宜的腐植酸提高了氮素利用率，增加了油麥菜的生物量。但也有一些研究表明，添加腐植酸提高了肥料利用率，但對生菜的增產效果不明顯[23]。本試驗選用的腐植酸濃度較低，對各礦質元素動態吸收趨勢的影響都不顯著，其中，生菜對N和P的吸收能力比吸收Ca和Mg的能力強，且不同營養液處理，其吸收無機養分的能力不同。在整個生育期，營養液中的Ca和Mg含量有上升的趨勢，這可能是根系分泌的有機物中這兩者的含量大于了根系吸收養分含量的原因。

4 結 語

(1)腐植酸濃度在0～1.41 mg/g內，隨著其濃度的增加，生菜地上部和地上下鮮干重隨之增加。

(2)腐植酸能夠提高生菜的水分利用效率。以1.41 mg/g腐植酸處理的水分利用效率最高。

(3)高濃度的腐植酸(1.41 mg/g)能夠發揮增氮解磷促鉀作用，能顯著提高主要礦質元素利用效率。

(4)總體上，在生育后期，生菜吸收礦質元素較多，各處理間吸收礦質元素的規律基本一致。隨著生菜的生長，營養液中氮、磷、鉀含量逐漸減少，鈣含量呈現先減少后增加的趨勢，鎂含量則逐漸增加，在1.41 mg/g時營養液中鎂含量達到最大。

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