15N同位素示蹤技術研究辣椒器官氮素分配特性和基質氮素運移規律

曹超群，張國斌，胡琳莉，強浩然，馬國禮，杜淼鑫，李雨桐

(1.甘肅農業大學 園藝學院，甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州新區農業科技開發有限責任公司，甘肅 蘭州 730070；3.哈密市伊州區種業研究開發中心，新疆 哈密 839000)

辣椒(CapsicumannuumL.)為茄科辣椒屬，屬于我國設施蔬菜主栽作物之一[1]。氮肥的施用是限制植物生長的重要因素，不合理施用氮會降低肥料利用率，并使殘留氮素向下遷移，引發地下水污染，造成環境污染[2-3]。15N示蹤技術是研究土壤-作物體系中氮素遷移、分配的重要方法，通過研究不同水氮處理下蔬菜對氮素吸收、利用及氮素去向可為田間管理提供理論依據，并揭示氮素的來源與去向途徑[4-6]。

水分不足或過量均可抑制蔬菜正常生長，降低氮肥利用率[7]。向友珍[8]研究了滴灌施肥對甜椒水氮耦合效應的影響，結果表明，適當協調灌水與氮肥施用量會對甜椒正常的生長發育起促進作用，且可提高水分利用率。所以，合理地協調水、氮供應在農業生產中顯得尤其重要。呂劍[9]在研究日光溫室基質栽培番茄中發現60%～70%下限的灌水更有利于植株生物量的積累，而80%的灌水條件下會增加辣椒植株徒長速率。由于水分作為氮素運移的載體，氮素的淋失量與灌水量有密切關系，所以合理控制灌水量能夠有效降低番茄在盛果期的氮素流失量[10]。于紅梅等[11]在研究不同水氮管理對蔬菜地硝態氮淋洗中表明，控制灌水可以減少水分漏滲量，當土壤含水量在50%～80%，NO3--N的淋洗量較弱。邢英英等[12]、孫楊[13]、史書強等[14]研究表明，土壤含水量較高會引起土壤鹽漬化，栽培基質中含水量與水分運移規律對基質中鹽分的分布規律有密切關系：蒸騰及基質表層蒸發等共同作用可引起土壤鹽分向上遷移。柴付軍等[15]研究表明，對于含鹽較低的土壤中，高頻滴灌和低頻滴灌對棉花產量沒有顯著差異。前人關于水氮互作的研究，大多是以露地栽培蔬菜為研究對象，而露地種植有許多不可控的環境因素。目前，利用同位素示蹤技術研究不同灌水條件對日光溫室氮素遷移和分配特性的影響鮮見報道。本試驗在日光溫室條件下，以基質栽培辣椒為研究對象，采用15N同位素示蹤技術研究2種不同灌水下限條件下，基質中氮素運移積累規律、氮素的吸收利用及其在辣椒各器官中的分配特性，為日光溫室辣椒基質栽培水肥精準管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料是由甘肅省農科院蔬菜研究所選育的 隴椒10號(甘肅省設施辣椒主栽品種)。供試肥料有硝酸鉀(K2O 46.3%)、過磷酸鈣(P2O512%)、尿素(N 46%)以及由上海化工研究院提供的豐度為50.30%的K15NO3。栽培基質中草炭、蛭石、育苗基質(體積比)=1∶1∶2。栽培基質理化性狀見表1。

表1 基質理化性狀Tab.1 Substrate physicochemical properties

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗設計 2017年3-9月，本試驗于甘肅農業大學日光溫室進行，在處理后第90 天拉秧并開始測定指標。試驗設2因子2水平：灌水量分別為田間持水量的60%，80%；從栽培基質表面向下5～10 cm或15～20 cm深處標記15N。灌溉方式采用膜下滴灌，由水表控制灌水量。試驗設4個處理，處理組合見表2。

表2 試驗處理方案Tab.2 Experimental treatment

1.2.215N標記方式與栽培槽設置 試驗采用槽式栽培，栽培槽大小為4 m×0.48 m×0.30 m(長×寬×高)，在槽底鋪襯1層有出水孔的塑料薄膜(圖1)。每槽基質用量為0.5 m3，裝填高度為25 cm，標記時將15.2 g外源 K15NO3(15N 1 060 mg，標記氮占總施氮量的1.7%)與相應層次基質混合均勻后填入栽培槽(圖1)。采用膜下滴灌灌溉，每3槽(3個重復)為一個小區，每小區面積為3×3.84 m×0.48 m=5.53 m2，選擇生長健壯且大小一致的辣椒苗雙行定植，每小區共定植辣椒42株。

圖1 15N標記與栽培槽示意圖Fig.1 15N marking and cultivation trough schematic

1.2.3 施肥與田間管理 目標產量為7.5 kg/m2，按當地農肥施用量每生產1 000 kg辣椒需吸收純N 4.8 kg，P2O50.9 kg，K2O54 kg(即N∶P2O5∶K2O=1∶0.2∶1.2)[16]。磷肥作基肥一次性施入，鉀肥與氮肥作基肥施入一次，然后分別在辣椒1、2、4穗果膨大期隨水施入。試驗通過烘干法來監測基質水分動態含量變化[9，17]。當基質水分含量降至灌水下限時，可通過公式M=r×p×s×h×θf×(q1-q2)/η，將其補充至灌溉上限。各小區灌水量具體見表3。

式中:M. 灌水量，m3；r.基質容重，0.23 g/cm3；p.基質濕潤比，取85%；s.灌水面積，5.53 m2；h.灌水計劃層，0.25 m；θf.田間持水量，105%；q1.灌水相對田間持水量上限，100%；q2.灌水相對田間持水量下限，80%，60%；η.水分利用系數，100%。

表3 處理組灌水量Tab.3 Irrigation volume of treatment group

1.3 樣品測定

1.3.1 植株樣品采集 于2017年9月7日(處理90 d)采集樣品，各處理分別采集9株，將其分為根、莖、葉、果實，把植株洗凈并做好標記。將植株各器官于105 ℃作殺青處理30 min，80 ℃烘干至恒質量，然后稱其地上部干質量。再取辣椒各器官干樣品進行粉碎、研磨，用于植株各器官的全氮和15N豐度的測定。

1.3.2 基質樣品采集 植株和基質樣品同時采集。基質分4層(每5 cm為一層)取樣，相同層面隨機選取4個采集點，將各個重復的4個層面的基質樣品分別裝入自封袋，最后將樣品帶回實驗室自然風干后過80 mm篩備用。通過MAT253質譜儀 (楊凌啟翔生物科技有限公司測定) 測定基質和植株樣品的15N豐度；采用 K1100全自動凱氏定氮儀測定全氮含量。

1.4 計算公式[9，18]

基質15N殘留量=基質全氮15N原子百分超×基質各層全氮含量；15N的吸收量=植株吸氮量×植株15N豐度；15N的利用率=15N的吸收量/標記氮帶入15N的量×100%。

1.5 數據處理

應用SPSS 19.0、Origin 8.5和Excel 2010等軟件進行數據分析與統計。

2 結果與分析

2.1 不同處理下辣椒植株生物量及吸氮量

如表4所示，相同灌水條件下，植株總生物量隨著15N標記深度的加深呈下降趨勢。60%的灌水下限植株總生物量比80%的灌水下限顯著增高了72.3%(5～10 cm)，82.4%(10～15 cm)，平均高77.4%。

由表5可得，W80F15處理植株總氮含量比W60F15處理降低了36.0%，W80F5處理植株的總氮含量較W60F5處理下降了41.3%。處理W80F5中辣椒果實含氮量隨著標記深度的加深，較W80F15處理顯著增加了83.3%；在W60F5處理下，辣椒莖、葉、果實中的氮素含量較處理W60F15分別增加了22.2%，22.0%，35.7%。由此表明，同一灌水條件下基質層5～10 cm處的氮素可促進辣椒植株的吸收與利用。辣椒莖、葉、果中氮素含量最高的處理均是W60F5。不同處理下辣椒植株各器官的含氮量為莖<果<葉。

表4 辣椒不同處理地上部分的生物量Tab.4 Above group biomass of pepper affected by different treatments g/株

注：同列中不同字母表示差異達0.05顯著水平。表5-7同。

Note： Different letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level. The same as Tab.5-7.

表5 不同處理辣椒地上部含氮量Tab.5 Different treatment of nitrogen content in the upper part of pepper g/株

2.2 辣椒植株對不同標記深度的15N的吸收和利用

如表6所示，同一灌水下限條件下，莖、果及植株總15N吸收量和利用率隨著15N標記深度從5～10 cm下降到15～20 cm，均顯著下降，而葉片中15N的吸收量和利用率與之相反。在W60F15處理下，辣椒各器官對15N總利用率較W80F15處理顯著增加了2.66百分點；W60F5處理下，辣椒植株15N總利用率較W80F5處理顯著增加了2.52百分點，植株總15N的吸收量與利用率在W80F5處理下較W80F15顯著增加了49.3%和0.86百分點；W60F5植株所吸收的15N總量較W60F15處理顯著增加了17.7%。W60F5處理下，辣椒15N利用率最高，為5.44%。基質中15N隨著較高灌水(80%灌水下限)下滲，加大其淋失量，從而減小植株吸收利用率。

表6 辣椒對不同基質深度標記15N的吸收量和利用率Tab.6 Uptake and utilization rate of 15N by pepper from different substrate layers

2.3 基質中15N含量的累積與損失

由表7得知，15N的回收量是植株中15N的量加0～20 cm基質層中存留15N的量；15N損失量等于標記K15NO3帶入15N的量減去15N的回收量。在灌水下限為60%(W60)的條件下，基質中15N的累積量隨著15N標記深度的加深，顯著降低了19.0%；灌水下限為80%(W80)的處理下，基質中15N的積累量變化隨著15N標記層的加深沒有顯著差異。分析15N總回收量得知，W60F5處理下15N回收量較W80F5處理顯著增加了23.8%；W60F15處理15N總回收量較W80F15顯著增高了11.5%。就15N的損失率得知，W80F5處理15N損失率為29.42%，較W80F15減少了7.12百分點；W60F5較W60F15處理15N的損失率顯著減少了16.38百分點；15N標記層于5～10 cm處，W60F5處理15N損失率較W80F5顯著減少了16.79百分點；當15N標記層于15～20 cm處，W60F15處理15N損失率較W80F15顯著減少7.53百分點。

表7 辣椒0～20 cm基質層中15N的回收與損失情況Tab.7 Recovery and loss of 15N in the 0-20 cm substrate layer

注：15.2 g K15NO3中含有15N 1 060 mg。

Note：15.2 g K15NO3contains15N 1 060 mg.

2.4 不同基質層15N的遷移與分布

同一折線中不同字母代表差異達5%顯著水平。Different letters in the same line indicate significant difference at 5% level.

3 結論與討論

高水氮處理促進了植株的營養生長，抑制植株生殖生長[18]。合理的灌溉與施氮可以改變植物根系的生長與分布，促使根系對水氮的吸收從而提高地上部生物量的積累[19]。龔江等[4]通過研究膜下滴灌水氮耦合對棉花生長的影響，結果表明，膜下滴灌對棉花干物質的積累影響較大，而施氮量對干物質的影響較小，在棉花整個生育期施氮對棉花的影響作用小于灌水作用。張振賢等[20]認為,在大白菜的蓮座期，灌水下限為40%～80%，葉面積及干質量都隨灌水下限的提高呈遞增趨勢，大于 80%則稍有下降。本試驗結果表明，隨著灌水下限的下降，植株總生物量呈增大趨勢，與呂劍等[9，21]的研究結果相一致。辣椒植株的含氮量與植株總生物量的變化趨勢基本一致。張永麗等[22]研究結果表明,適當提高灌水量，有利于植株對氮素的吸收與利用，但過高的灌水會導致氮素利用率下降。正如本試驗結果，60%的灌水下限更有利于植株對氮素的吸收。不同灌水處理對小麥各器官氮素的運移分配影響不盡相同。本試驗利用15N標記法研究植株各器氮素吸收情況，結果表明,不同灌水下限與15N標記層次對植株各器官15N的吸收量依次表現為葉>果>莖。董雯怡等[23]通過研究毛白楊對15N 標記銨態氮和硝態氮的吸收能力，結果表明,氮素在毛白楊器官中的分配量差異顯著，含量多少依次為莖<根<葉，且葉片的數量和生物量積累最多，說明葉的光合作用強從而導致其對15N吸收最高。與本試驗研究結果有差異，原因可能與基質灌水下限及測定的時間有關，不同灌水下限會影響根毛的數量與質量，結果盛期辣椒需要較多氮素供其生殖生長，所以果實的氮含量高于莖、根。氣候和田間管理等因素會影響氮素的分布與損失情況，左紅娟[24]通過對肥料氮利用與去向研究表明，土壤中氮肥損失率為11.3%～48.3%，正如本研究所示，在灌水下限為60%的條件下，在標記層5～10 cm處，15N損失率為12.63%，當標記層為15～20 cm時，15N損失率為29.01%；在80%灌水下限下，W80F5與W80F15處理15N的損失率分別為29.42%，36.54%。本研究與王春輝等[2]研究結果一致。董雯怡等[23]采用15N示蹤法研究毛白楊苗木對氮素的吸收及分配，結果發現,0～40 cm土層中土壤殘留氮占殘留氮總量的60.3%～76.5%。左紅娟[24]研究發現，隨土層深度的加深，標記氮在土壤中的殘留率顯著下降。試驗研究結果顯示，60%的灌水下限減弱了水分向深層的運移量，從而增大15～20cm處15N的損失率。

各處理辣椒植株各器官的全氮含量大小依次為葉>果>莖。辣椒植株對15N利用率表現為W60F5>W60F15>W80F5>W80F15。灌水下限60%或80%時，隨著15N標記層的下降，15N在基質層中的殘留量逐漸下降，損失率顯著增高。W60F5更有利于植株對氮素吸收與利用。