水氮耦合對河西綠洲娃娃菜生長與生理生化指標的影響①

陳修斌，楊　彬*，鐘玉鳳，許耀照，李翊華，徐學軍

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水氮耦合對河西綠洲娃娃菜生長與生理生化指標的影響①

陳修斌1，楊彬1*，鐘玉鳳1，許耀照1，李翊華1，徐學軍2

(1河西學院農業與生物技術學院，甘肅張掖734000；2蘭州市農業科技研究推廣中心，蘭州 730010)

以娃娃菜的品種“春寶黃”為材料，采用雙因素隨機區組設計，研究了不同水氮用量處理(水分處理：充分灌溉A1，輕度虧水A2，中度虧水A3；氮肥處理：經驗施氮量N1，優化施氮量N2，零施氮量N3)對娃娃菜生長與生理生化指標的影響。結果表明：處理A1N2的娃娃菜植株，在外葉數、球葉數、橫莖、縱徑、生物學產量和經濟產量等形態性狀指標上表現最優，其值分別為7.37片、39.73片、15.48 cm、28.92 cm、208.99 t/hm2和64.12 t/hm2；同時，葉片丙二醛(MDA)含量最低為1.15 μmol/g；其根系活力最強，過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性最高，分別為269.8 μg/(g·h)、515 U/(g·min)和418 U/g。各處理對娃娃菜生物學產量、經濟產量、根系活力、POD和SOD高低影響的大小順序均為：A1N2>A2N2>A3N2>A1N1>A2N1>A3N1>A1N3>A2N3>A3N3。

水氮耦合；娃娃菜；生長；生理生化指標

張掖市地處河西走廊中部，屬溫帶大陸性氣候，境內地勢平坦，光熱資源充足，年日照總時數3 000 h以上。黑河縱貫全市，另有井水和河水的互補，是傳統的綠洲農業區。近年來，隨著農村產業結構的調整，高原夏菜已成為農民增收、農業增效的主導產業，至2014年，全市高原夏菜基地面積達到3.75萬hm2[1]。娃娃菜(是十字花科蕓薹屬白菜亞種的一種袖珍型小株白菜，為張掖市種植的高原夏菜主要種類之一，隨著市場對娃娃菜需求量的增加，其種植規模逐年擴大，已成為西北地區娃娃菜種植的主要產區。

在娃娃菜生產中，大多采用大水大肥管理模式，不僅引起水氮流失嚴重，土壤鹽漬化發生，而且也導致娃娃菜產量和品質下降，已成為影響蔬菜產業和土壤實現高效可持續利用的障礙。在農作物生產中，土壤中水分和氮素是影響植株生長和干物質積累的最主要因素之一[2], 土壤中水分及氮素含量的變化會直接影響植株的生長與發育[3-6]，從而對作物的產量及品質造成影響[7-9]。有關在河西綠洲生態氣候環境下，不同水氮條件對娃娃菜生長與生理生化指標的研究缺少系統報道。本研究在不同灌水、施氮條件下，探討土壤不同水氮用量對娃娃菜生長指標與生理生化指標變化之間的關系，以期為娃娃菜生產管理中實現水肥科學調控和節水節肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年3—7月在張掖市甘州區梁家墩鎮高原夏菜生產基地內進行。供試土壤為灌漠土，0 ~ 20 cm耕層有機質含量為7.86 g/kg，堿解氮53.26 mg/kg，有效磷8.73 mg/kg，速效鉀146.16 mg/kg，pH為7.18，全鹽1.21 g/kg，容重1.36 g/cm3，陽離子交換量(CEC)為14.65 cmol/kg，質地砂壤。

1.2 試驗設計

采用雙因素隨機區組設計[10]，A因素為水分處理，設3個水平，A1：充分灌溉為65% ~ 75%(占田間持水量百分比)；A2：輕度虧水為55% ~ 65%；A3：中度虧水為45% ~ 55%。B因素為施氮肥處理，設3個水平，N1：經驗施氮量(N 450 kg/hm2)，依據調查張掖市的甘州區、高臺、臨澤等縣區的5個娃娃菜生產基地的氮肥用量確定；N2：優化施氮量(N 300 kg/hm2)，依據=--[11]確定，式中，表示追施氮量(kg/hm2)，表示氮素供應目標值(kg/hm2)，表示(0 ~ 20 cm)土層NO– 3-N 含量(kg/hm2)，表示灌溉水帶入氮量(kg/hm2)；N3：零施氮量(N 0 kg/hm2)[12-13]，共9個處理，3次重復(表1)。

表1 水氮處理模式

1.3 試驗種植

供試的娃娃菜品種為春寶黃，由北京中農綠亨種子科技有限公司提供。于2016年3月15日采用日光溫室育苗，4月25日定植，株距25 cm，行距45 cm，畦高15 ~ 20 cm，每畦長8 m，寬0.8 m，每畦栽植2行，每公頃定植88 935株，采用高畦膜下滴灌技術，不同小區間深埋40 cm地膜，小區面積為6.4 m2。試驗前各處理一次性施入硫酸鉀(含K2O 51 g/kg) 270 kg/hm2，過磷酸鈣675 kg/hm2。氮肥由尿素(含氮 46 g/kg)提供，由山東華魯恒升化工股份有限公司生產，各處理氮肥按其用量的不同在娃娃菜的蓮座前期、中期和末期等量隨滴灌施入，試驗中，水分的控制參考韋澤秀等[14]介紹的方法進行。

1.4 測定項目

1.4.1 形態指標測定 于收獲時，每個重復各隨機選取3株，各處理計9株，分別統計單株葉數、縱徑、橫莖、生物學產量和經濟產量等性狀。葉數是指總葉數，分別統計外葉數(含幼苗葉、蓮座葉)和球葉數；葉球的橫徑和縱徑用游標卡尺測定；生物學產量的測定方法是在取樣植株一側，挖深為40 cm、寬30 cm的溝，把地上部葉球連同根系一同挖出，用塑料袋包扎帶回實驗室，將根部泥土沖洗干凈后，用吸水紙將根上的水分擦干凈，用天平稱取整個植株的重量；經濟產量的統計方法，用刀沿短縮莖距莖盤1/3處切開葉球與地下部分，按市場的要求，剝去葉球的蓮座葉和外層球葉后用天平稱量。

1.4.2 生理生化指標測定 于收獲時，各處理隨機選取3株，根系活力的測定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法，根樣切取主根頂端部位，以TTC還原強度表示根系活力[15]。參照李合生[16]的方法測定生化指標，丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑(NBT)法，以抑制NBT光化學還原的50% 的酶量為1個酶活性單位；過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創木酚氧化法，以每分鐘OD470變化0.1為1個酶活單位；MDA、SOD和POD等指標的測定部位是葉片，方法是選用剝去蓮座葉和外層球葉后的葉球，所有參試樣品，均以自外向里的第三片葉進行取樣。

1.4.3 產量指標測定 于收獲期，按不同處理統計匯總經濟產量，最后折合成每公頃產量。

1.5 數據分析

采用 DPS 9.50 和 Microsoft Excel 2003 軟件進行數據計算與分析，采用Duncan’s 法進行差異顯著性分析，顯著性水平設置為 α = 0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理對娃娃菜形態指標與產量的影響

從表1可以看出，在充分灌溉條件下，當采用優化施氮量時，其組成的水氮組合A1N2，娃娃菜在外葉數、球葉數、橫莖、縱徑、生物學產量和經濟產量等性狀指標上顯著高于其他處理，分別為7.37片、39.73片、15.48 cm、28.92 cm、208.99 t/hm2和64.12 t/hm2。由優化施氮量組成的水氮組合A1N2、A2N2和A3N2處理，其產量高于由經驗施氮量組成的水氮組合A1N1、A2N1和A3N1處理；而由經驗施氮量組成的水氮組合又高于由零施氮量組成的水氮組合A1N3、A2N3和A3N3處理，處理之間呈現不同程度差異。各處理對生物學產量和經濟產量影響的大小順序為A1N2>A2N2>A3N2>A1N1>A2N1>A3N1>A1N3> A2N3>A3N3。

從水分、氮肥及其交互作用對娃娃菜葉片數、橫莖、縱徑、生物學產量和經濟產量影響的雙因子方差分析來看，水分對娃娃菜葉片外葉數、球葉數、橫莖和縱徑的影響呈現極顯著或顯著差異，而對生物學產量和經濟產量影響不顯著；氮肥對生物學產量和經濟產量影響呈顯著差異水平；水氮耦合效應對生物學產量和經濟產量影響較大，對外葉數、球葉數、橫莖和縱徑影響不顯著(表1)。說明水肥耦合表現較強互作效應，成為影響娃娃菜產量形成的主導因子。

2.2 不同處理對娃娃菜根系活力和MDA含量影響

由圖1可以看出，在不同灌溉條件下，采用優化施氮量時，其組成的水氮組合A1N2、A2N2、A3N2，其娃娃菜根系活力明顯高于其他處理，不同處理之間呈現一定程度差異，尤其是以充分灌溉和優化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜根系活力最高，其值為269.8 μg/(g·h)。而采用充分灌溉、輕度虧水、中度虧水的灌水量分別與零施氮量構成的水氮處理A1N3、A2N3、A3N3，其根系活力普遍較低，以采用中度虧水和零施氮量的處理A3N3，其根系活力最低，其值為125.4 μg/(g·h)。從圖2可知，以采用中度虧水和零施氮量的處理A3N3，娃娃菜葉片MDA含量最高，為2.99 μmol/g，以充分灌溉和優化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜葉片MDA含量最低，其值為1.15 μmol/g，不同處理之間呈現顯著差異。

表1 不同處理對娃娃菜形態指標與產量的影響

注：同列數據小寫字母不同表示處理間差異達到<0.05顯著水平，* 表示達到<0.05顯著水平，** 表示達到<0.01顯著水平，下同。

(圖中小寫字母不同表示處理間差異達到P<0.05顯著水平，下同)

2.3 不同處理對娃娃菜POD和SOD活性影響

從圖3可以看出，處理A1N2、A2N2、A3N2組成的水氮組合，其POD活性明顯高于其他處理，以充分灌溉和優化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜葉片POD活性最高，其值為515U/(g·min)；處理A1N3、A2N3、A3N3的娃娃菜葉片POD活性較低，尤其是采用中度虧水和零施氮量的處理A3N3，其POD活性最低，其值為336 U/(g·min)；各處理POD活性大小順序為A1N2>A2N2>A3N2>A1N1>A2N1> A3N1>A1N3>A2N3>A3N3。由圖4可以看出，以充分灌溉和優化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜葉片SOD活性最高，其值為418 U/g；以采用中度虧水和零施氮量的處理A3N3，其SOD活性最低，其值為232 U/g；各處理娃娃菜葉片SOD的活性呈現一定差異，其大小的變化規律與POD變化相似。

圖2 不同處理對娃娃菜MDA含量的影響

圖3 不同處理對娃娃菜葉片POD活性的影響

Fig. 3 POD activities in cabbage leaves under different treatmentsn

3 討論

根系活力大小一定程度上反映了植株吸收養分能力的強弱。一般情況下，根系活力越高，吸收養分的能力越強[17]。本試驗中，以充分灌溉和優化施氮量組成的水氮組合A1N2，娃娃菜根系活力最高，這表明處理A1N2水氮組合，水分和氮肥的耦合作用呈現協同效應，而其他處理水氮配比失衡，影響了娃娃菜對養分與水分的吸收，導致根系活力降低[18]。丙二醛(MDA)是膜質過氧化的最終產物，其含量大小可以反映植物遭受逆境傷害的程度，含量越高表明受傷害程度越大[19]。試驗中以水氮組合A1N2組成的處理，娃娃菜葉片MDA含量最低，說明娃娃菜的細胞膜脂過氧化程度低，受傷害小，抗逆性強，這可能是由于不同水氮用量不同，從而導致水氮配比不平衡，水分和氮肥的耦合作用呈現拮抗作用所致[20-21]。過氧化物酶(POD)是細胞膜系統的保護酶，當植物生長在受到不良環境條件影響時，對保持體內代謝平衡起著重要的作用[22]。從試驗結果看，各處理POD活性大小不同，主要由于水氮用量的不同，導致土壤環境中的離子濃度含量也不盡相同，土壤在水氮用量虧水或過多的條件下，使土壤產生了脅迫環境，從而反映在植株體葉片上，表現出的POD活性強弱的差異。超氧化物歧化酶(SOD)能清除活性氧自由基，保護細胞膜系統，其活性大小可以反映細胞對鹽害逆境的適應能力[23]，在正常條件下，植物體內活性氧的產生和清除維持一定的動態平衡，受細胞代謝的調節[24]。本試驗中，由不同水氮用量構成了不同的土壤環境，采用充分灌溉、輕度虧水、中度虧水的灌水量分別與零施氮量構成的水氮處理A1N3、A2N3、A3N3以及充分灌溉、輕度虧水、中度虧水的灌水量分別與經驗氮量構成的水氮處理A1N1、A2N1、A3N1，其組成的土壤溶液產生了一定的脅迫環境，以處理A3N3的娃娃菜葉片MDA含量最高；處理A1N2娃娃菜葉片MDA含量最低，根系活力、POD和SOD活性最強，這主要是由于當植物受到逆境脅迫時，植物體內活性氧產生與抗氧化保護系統之間的平衡將被打破，從而會導致植物細胞內活性氧物質大量積累，干擾細胞代謝，破壞細胞膜的功能[25]。同時也表明：處理A3N3構成的土壤溶液產生較嚴重的環境脅迫，而處理A1N2組成的水氮溶液環境最適宜于娃娃菜生長。

圖4 不同處理對娃娃菜葉片SOD活性的影響

氮素是植物蛋白質、氨基酸、葉綠素和次生代謝物質的基本組成元素，水是肥效發揮的關鍵，水分和養分對作物生長的作用并不是孤立的，而是相互作用相互影響[26]，合理水氮管理是實現產量提高、協同資源高效利用的重要途徑。本試驗中，以充分灌溉和優化施氮量組成的水氮組合A1N2，其生物學產量與經濟產量最高，說明本處理的水氮用量最適宜于娃娃菜生長過程中對水分和氮素營養的需求，其他處理由于水、氮配比失衡，影響了娃娃菜對水、氮的吸收與利用，只有合理的水肥配比，才能達到“以肥調水、以水促肥”，促進作物增產的效果[27]。

4 結論

本試驗條件下，探討了不同水氮用量組合(水分處理：充分灌溉A1，輕度虧水A2，中度虧水A3；氮肥處理：經驗施氮量N1，優化施氮量N2，零施氮量N3)對娃娃菜生長及生理生化指標的影響，結果表明：以充分灌溉和優化施氮量組成的水氮組合處理A1N2的娃娃菜植株，在葉片數、橫莖、縱徑、生物學產量和經濟產量等形態性狀指標上表現最優，其值分別為39.73片、15.48 cm、28.92 cm、208.99 t/hm2和64.12 t/hm2；同時，其根系活力最強，葉片內丙二醛(MDA)含量最低，過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性最高。各處理對娃娃菜生物學產量、經濟產量、根系活力、POD和SOD高低影響的大小順序均為：A1N2>A2N2>A3N2>A1N1>A2N1> A3N1>A1N3>A2N3>A3N3。

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Effects of Water and Nitrogen Coupling on Growth and Physiological and Biochemical Indexes of Baby Cabbage in Hexi Oasis

CHEN Xiubin1, YANG Bin1*, ZHONG Yufeng1, XU Yaozhao1, LI Yihua1, XU Xuejun2

(1 School of Agriculture and Biotechnology, Hexi University, Zhangye, Gansu 734000, China; 2 Agricultural Science and Technology Research Extension Center of Lanzhou, Lanzhou 730010, China)

Using the variety “Chunbao Huang” of baby Chinese cabbage as material, the effects of different water and nitrogen treatments on the growth and physiological and biochemical indexes of cabbage were studied. The results showed that the cabbage under A1N2 treatment was the best in the morphological traits including number of outer leaves, number of leaflets, transverse stem, vertical diameter, biological yield and economic yield, and the values were 7.37, 39.73, 15.48 cm, 28.92 cm and 208.99 t/hm2and 64.12 t/hm2, respectively. At the same time, the content of MDA in the leaves was 1.15 μmol/g, the root activity was the strongest, the activities of peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD) were the highest, 269.8 μg/(g·h), 515 U/(g·min) and 418 U/g, respectively. The effects of the treatments on biological yield, economic yield, root activity, POD and SOD were in the order of A1N2> A2N2> A3N2> A1N1> A2N1> A3N1> A1N3> A2N3> A3N3

Water nitrogen coupling; Baby cabbage; Growth; Physiological biochemical index

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201510740001)，甘肅省高校協同創新科技團隊支持計劃資助項目(2017C-18)和甘肅省科技支撐計劃—農業類項目(144NKCA241)資助。

(745713105@qq.com)

陳修斌(1968—)，男，河南鄧州人，碩士，教授，主要從事園藝植物栽培方面的研究。E-mail: chenxiubin2003@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2019.02.006

S634.3

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