氮素水平對基質栽培娃娃菜光合生理 產量及品質的影響

高艷，喬亞麗，趙兆，張坤，胡琳莉*

（1.甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070；2.唐山開灤第一中學，河北 唐山 063000）

娃娃菜（Brassica pekinensis）屬十字花科蕓薹屬白菜亞種，又稱微型大白菜，其食用方便、風味獨特、品質優良、口感脆嫩，富含多種礦物質和膳食纖維，且具有生長期短、易栽培、耐貯運等優良特性，因此，深受廣大消費者和菜農的青睞，種植經濟效益較高。隨著市場需求的不斷變化，高產優質是當前娃娃菜育種的主要目標[1]。氮素對作物生長發育具有重要影響，在一定范圍內施用氮肥能夠提高作物產量和品質等[2]。但是目前由于人們片面追求高產，盲目大量施用氮肥，雖然在一定程度上提高了作物產量，但也造成了資源浪費、肥料利用率下降、產品質量降低、生態環境條件惡化等不良后果[3]。因此，提高氮肥利用率，減少環境污染是當前農業生產上面臨的主要難題之一。

氮素主要通過對光合作用、呼吸作用以及一些代謝酶的影響來對植物營養特性產生影響，氮是葉綠素的主要組成成分，施用氮肥一般能促進植物葉片葉綠素的合成。增施氮肥后，高產春大豆凈光合速率明顯增加[4]。在適宜施氮量范圍內，提高氮素水平可促進葉片含氮量和CO2同化速率增加；但是超出范圍后繼續增施氮肥，會導致葉片同化速率降低。不同形態的氮素對蔬菜葉片光合速率的影響不同[5]。增施氮肥可有效提高蔬菜產量，但過量施肥會對蔬菜生長發育帶來負面影響，如導致植株長勢變弱、抗逆性降低、肥料利用率降低，甚至導致干燒心病的發生等[6～8]。

2014年巨曉棠等[9]對我國農田氮肥的施用現狀、問題及趨勢進行分析后指出，合理施用氮肥主要包括施肥量、施肥時期、施肥方法和肥料品種4個方面，這四者既相互聯系又相互影響，但對目標產量和品質起決定與關鍵作用的是合理施肥量。Badr等[10]研究表明，在干旱區種植結構和氮素供應水平對番茄產量、氮素利用率以及水分利用率有顯著影響。大量研究結果表明，施氮水平對養分吸收分配利用以及作物產量和品質具有顯著影響[11～13]。盡管目前在大多數作物上進行了氮素水平的肥效試驗，但在基質盆栽條件下施氮水平對娃娃菜生長、產量和品質調控的研究尚未見報道。因此，采用基質盆栽方法，研究不同氮素水平對娃娃菜生長、光合生理、產量和品質以及光合參數的影響，旨為基質栽培娃娃菜高產優質生產提供施肥參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗品種為蘭州地區主栽的高原夏菜娃娃菜品種“惠農金娃娃”。栽培基質為商品基質（甘肅綠能瑞奇有限公司提供），養分含量為全氮3.253 g/kg、全磷2.40 g/kg、全鉀5.57 g/kg，其中堿解氮162.67 mg/kg、有效磷6.67 mg/kg、速效鉀0.13 mg/kg。試驗所用氮肥為尿素（N含量46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O5含量17%），鉀肥為硫酸鉀（K2O含量51%），均購自湖北凱龍楚興化工集團有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2018年7～10月在甘肅農業大學現代玻璃溫室中進行，娃娃菜采用基質盆栽。6月30日育苗；7月25日移栽，選擇長勢一致的娃娃菜幼苗單株定植于裝有基質1.5 kg/盆的花盆（外徑25 cm、內徑21.5 cm、高16.5 cm）中。試驗氮素水平設5個處理，其中，N0為不施氮肥（CK），N2為優化施氮量[14]，N1、N3、N4的氮肥施用量分別為優化施氮量減少50%、增加50%、增加100%（表1）。氮肥和鉀肥2種肥料50%作為基肥施入基質，50%于蓮座期追施；磷肥一次性基施。采用隨機區組設計，每處理6盆，5次重復。娃娃菜其他管理方法均相同，9月25日采收。

表1 不同處理的施肥方案 （g/盆）Table 1 Fertilization schemes for different treatments

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 植株形態指標。分別于娃娃菜定植當天以及定植后第15天、第30天和第54天，測定株幅、葉面積（外葉）和葉片數；娃娃菜進入結球期開始，統計株高。其中，株幅測定和計算參照胡琳莉等[15]方法；葉面積根據標記植株的葉長和葉寬，通過公式計算得到：

式中，k為換算系數；π為圓周率；A為葉長（cm）；B為葉寬（cm）。

1.2.2.2 產量指標。將采收的娃娃菜分為地上和地下兩部分，用電子天平分別稱量鮮重，整株鮮重（地上部鮮重＋地下部鮮重）即為生物產量；之后將地上部分去掉外葉，稱量其銷售產品的鮮重，即為經濟產量。計算經濟系數（經濟產量/生物產量）。

1.2.2.3 品質指標。依照高俊鳳[16]的方法，測定娃娃菜產品的硝酸鹽、可溶性蛋白質、可溶性糖、有機酸和Vc含量。其中，硝酸鹽含量測定采用硝基水楊酸法；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白質含量測定采用考馬斯亮藍G-250染色法；有機酸含量定采用NaOH堿式滴定法；Vc含量測定采用2，6-二氯靛酚滴定法。

1.2.2.4 光合參數指標。在娃娃菜結球末期（9月10日）9：00～11：00，測定娃娃菜功能葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）。測定時，儀器參數設定：光照由LED光源提供，光照強度1 000μmol/（m2·s）；CO2由外界環境提供，濃度（400±5）μmol/mol；溫度25℃，濕度80%。每處理測定均3個重復。

1.2.3 數據統計分析 利用Excel 2010軟件作圖；利用SPSS 20.0軟件進行數據的方差分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 氮素水平對娃娃菜植株形態的影響

2.1.1 株高 氮素水平對娃娃菜株高有顯著影響（圖1）。隨著氮素水平的提高，定植后第30天和第54天的株高均呈先增加后降低的變化趨勢，且均以N1處理株高最大，與N2和N3處理差異不顯著，但顯著＞CK和N4處理，其中第54天的株高（27.3 cm）較CK高8%；均以N4處理株高最小，其中定植后第54天的株高顯著＜CK和其他施氮處理。表明適量施氮（N1、N2和N3處理）可促進娃娃菜株高生長，其中N1處理效果顯著；過量施氮（N4處理）會抑制娃娃菜株高生長。

2.1.2 株幅 氮素水平對娃娃菜株幅有顯著影響（圖2）。娃娃菜生長中后期，隨著氮素水平的提高，株幅均呈先增加后降低的變化趨勢，其中定植后第30天，N1處理的株幅（1 593.38 cm2）最大且顯著＞CK（增幅為17%）和其他氮素水平處理，N4處理的株幅為施氮處理最小但也顯著＞CK；定植后第54天，N3處理的株幅最大且顯著＞CK和其他氮素水平處理，N4處理的株幅為所有處理最小且顯著＜CK。表明適量施氮可促進娃娃菜株幅增大，其中定植后第30天N1處理株幅最大、第54天N3處理株幅最大；過量施氮（N4處理）不利于娃娃菜生長，到生長后期抑制作用明顯。

圖2 氮素水平對娃娃菜不同時期株幅的影響Fig.2 Effect of nitrogen levels on growth width of mini Chinese cabbage at different stages

2.1.3 葉片數 氮素水平對不同時期娃娃菜的葉片數影響程度不同，其中對生長前期的葉片數影響不大；對生長后期（定植后第54天）的葉片數有顯著影響，葉片數隨著氮素水平的提高而逐漸降低，其中N1和N2處理指標值較高，二者差異不顯著，且均與CK差異也不顯著，但三者均顯著＞N3和N4處理（圖3）。總體來看，施氮過量（N3和N4處理）會導致娃娃菜外葉提前衰老死亡，至生長后期葉片數明顯減少；適量施氮（N1和N2處理）可延緩娃娃菜外葉衰老，保持較多的葉片數，其中N1處理效果好且較為經濟。

圖3 氮素水平對娃娃菜不同時期葉片數的影響Fig.3 Effect of different nitrogen levels on leaf number of mini Chinese cabbage at different stages

2.1.4 葉面積 在第54天測量時，最外層葉片有萎蔫甚至凋落的現象，因此沒有該組數據。氮素水平對娃娃菜葉面積有顯著影響（圖4）。隨著氮素水平的提高，定植后第15天的葉面積總體呈降低趨勢，其中N1和N2處理指標值較高，二者差異不顯著，且均與CK差異也不顯著，但三者均顯著＞N3和N4處理；定植后第30天的葉面積呈先增加后降低的變化趨勢，其中N2處理的葉面積（286.11 cm2）最大，與N1處理差異不顯著，且二者均與CK差異也不顯著，但三者均顯著＞N3和N4處理。表明適量施氮（N1和N2處理）可促進娃娃菜生長，葉片增大，其中N1處理效果較好且較為經濟；較多施氮（N3和N4處理）反而會明顯抑制娃娃菜的生長。

2.2 氮素水平對娃娃菜產量的影響

圖4 氮素水平對娃娃菜不同時期葉面積的影響Fig.4 Effect of nitrogen levels on leaf area of mini Chinese cabbage at different stages

氮素水平對娃娃菜生物產量和經濟產量均有顯著影響（表2）。隨著氮素水平的提高，娃娃菜的地上部鮮重呈先增加后降低的變化趨勢，其中N1處理的指標值最大，且顯著＞除N2之外的其他處理；地下部鮮重呈逐漸降低趨勢，且僅N2與N3處理差異不顯著，而其他處理之間的差異均達到了顯著水平；生物產量呈先增加后降低的變化趨勢，其中N1處理的指標值（708.96 g）最大，顯著＞其他處理，較CK增加48%；經濟產量與地上部鮮重的變化趨勢一致，也呈先增加后降低的趨勢，其中N1處理的指標值（310.00 g/株）最大，顯著＞其他處理，較CK增加61%。可以看出，N1處理效果最好，較少施氮即可明顯提高娃娃菜的生物產量和經濟產量。

施氮處理的經濟系數為0.33～0.44，其中N1處理最大且＞CK，N4處理最小且＜CK，其他3個氮素水平處理與CK相同。表明N1處理可提高娃娃菜的經濟系數，過度施氮（N4處理）會導致娃娃菜經濟系數大幅度降低。

2.3 氮素水平對娃娃菜品質的影響

氮素水平對娃娃菜品質有顯著影響（表3）。隨著氮素水平的提高，娃娃菜的可溶糖含量呈先增加后降低的變化趨勢，其中N3處理的指標值最大，與N1和N2處理差異不顯著，但三者均顯著＞CK和N4處理；可溶性蛋白質含量呈不斷增加趨勢，施肥條件下指標值均顯著＞CK，其中N2、N3和N4處理差異不顯著但均顯著＞CK和N1處理，而N1處理的指標值也顯著＞CK；有機酸含量呈增加—降低—增加的變化趨勢，其中N4處理的指標值顯著較高，而其他處理之間差異均不顯著；Vc含量呈先增加后降低的變化趨勢，其中N2處理的指標值最大，與N1處理差異不顯著，但二者均顯著＞CK和其他2個氮素水平處理，而N3與N4處理差異不顯著但二者指標值均略＜CK；硝酸鹽含量呈不斷增加趨勢，施肥條件下指標值均顯著＞CK，其中N1與N2處理差異不顯著，但均顯著＜其他2個氮素水平處理。施氮處理下娃娃菜的硝酸鹽含量為580.04～1161.18 mg/g，雖然較CK明顯升高，但均符合國家標準（≤3 000 mg/kg）[17]。總體來看，N1處理效果較好，不僅可有效提高娃娃菜的營養物質含量，且還可使硝酸鹽含量保持在較低水平。

2.4 氮素水平對娃娃菜光合參數的影響

氮素水平對娃娃菜光合參數有顯著影響（表4）。隨著氮素水平的提高，娃娃菜的凈光合速率呈先增加后降低的變化趨勢，其中N1處理的指標值最高，顯著＞其他處理，較CK提高120%；蒸騰速率呈不斷增大趨勢，其中N1處理的指標值與CK差異不顯著，但二者均顯著＜其他3個氮素水平處理，而N3與N4處理差異不顯著但顯著＞N2處理；氣孔導度呈先降低后增加的變化趨勢，其中N1處理的指標值最小，且顯著＜其他處理；胞間CO2濃度呈先降低后升高的變化趨勢，其中N4處理的指標值最大，與CK差異不顯著，但二者均顯著＞其他3個氮素水平處理，而N1與N2處理差異不顯著但二者均顯著＞N3處理。總體來看，N1處理效果最好，可有效提高娃娃菜的光合性能。

表4 氮素水平對娃娃菜光合參數的影響Table 4 Effect of different nitrogen levels on photosynthetic parameters of mini Chinese cabbage

3 結論與討論

3.1 討論

氮是植物所需礦質營養中需求量很大的元素之一[18，19]，直接影響植物的光合作用和生長發育，并最終影響作物產量和品質[20～22]。

3.1.1 氮素水平對娃娃菜生長、光合作用及產量的影響 農藝性狀是植株生長發育過程中內在協調性的最直接外在表現。光合作用是作物產量形成的生理基礎[23]，氮肥水平對作物產量的影響與光合作用密切相關[24，25]。本研究結果顯示，N1處理的娃娃菜凈光合速率最大，葉面積和株幅較大，葉片數較多。較大的株幅有利于植株更好地利用光能，提高光合性能，進而增大功能葉的葉面積。影響光合速率的因素主要有2種：一種是氣孔因素；另一種是非氣孔因素，即卡爾文循環中的限速酶活性。本研究結果表明，隨著氮素水平的提高，娃娃菜的光合效率呈先升高后降低的趨勢變化，其中N1處理的葉片凈光合速率最大、氣孔導度最小，N0處理的葉片凈光合速率最低、胞間CO2濃度高（與最高值差異不顯著）、氣孔導度較大，說明不施氮條件下凈光合速率主要是由非氣孔因素決定的。研究顯示，當氮素養分供應超過一定量時會抑制Rubisco的活性，適宜的氮肥用量可有效增強植物的光合效率[26，27]。氮肥不足是限制作物高產的主要因素，在一定施氮量范圍內大白菜產量隨著施氮量的增加而提高，當超過閾值后繼續增施氮肥則產量開始降低[28]。本試驗結果與前人觀點相似，隨著氮素水平的提高，娃娃菜的生物產量和經濟產量均呈先升高后降低的趨勢變化，其中N1處理的娃娃菜生長發育最佳，生物產量和經濟產量均最大且顯著＞CK和其他氮素水平處理，分別較不施氮對照提高了48%和61%；N4處理的娃娃菜生長發育最差，生物產量和經濟產量均為所有處理最低，且顯著＜CK和其他氮素水平處理。高氮水平下產量下降，一方面是由于光合作用較低，葉面積降低，影響了干物質的積累；另一方面是由于氮肥濃度太高造成娃娃菜燒心，影響產量。本試驗結果顯示，經濟系數在N1處理下最大，N4處理下最小。早期研究顯示，氮肥使用過多會導致土壤中的氮鈣比降低，也會引起生理缺鈣，造成娃娃菜干燒心病嚴重發生，降低娃娃菜的經濟系數[29]。綜合分析氮素水平對娃娃菜生長、光合作用及產量的影響，認為娃娃菜生長發育、光合參數及產量達到最佳的適宜施氮水平為N1處理，即施氮量為優化施氮量的50%。

3.1.2 氮素水平對娃娃菜品質的影響 蔬菜中硝酸鹽含量過高會嚴重危害人體健康[30]，其含量與蔬菜品質呈負相關。蔬菜中的硝酸鹽含量與施氮量呈正相關，諸多研究表明，蔬菜硝酸鹽含量增加的主要原因是氮肥施入過量[31，32]。因此，在實際生產中，應將降低蔬菜中的硝酸鹽含量作為施氮技術的重點。本研究結果表明，施用氮肥后娃娃菜硝酸鹽含量較不施氮肥顯著增加，且指標值隨著施氮量的逐漸增大而遞增，但含量仍在安全范圍之內[30]，僅就施氮條件下娃娃菜的硝酸鹽含量而言，N1處理最低。本研究結果表明，增施氮肥可顯著提高娃娃菜的可溶性蛋白質含量，指標值隨著施氮水平的不斷提高而逐漸增大。可溶性糖是高等植物的主要光合產物，在植物體物質代謝中具有重要作用[33]。本研究結果表明，適量施氮（N1、N2、N3處理）可以顯著提高娃娃菜的可溶性糖含量，過度施氮會導致娃娃菜可溶性糖含量降低。檸檬酸、蘋果酸、草酸、乙酸、酒石酸、琥珀酸和丙二酸等為植物組織中常見的有機酸組分，這些有機酸的存在會促進植物對礦質元素的吸收、提高根系有效營養濃度，因此研究植物組織中各有機酸組分對指導科學施肥具有重要作用[34]。植物有機酸含量受環境條件和栽培措施的影響，主要包括光照、水分、營養元素、溫度等，其中氮素作為主要的營養元素，是通過影響植物體內的氮代謝而對植物的有機酸代謝進行調控[35]。本試驗結果表明，適量施氮（N1、N2和N3處理）可提高娃娃菜的可溶性糖、可溶性蛋白質、有機酸和Vc含量，且將硝酸鹽含量保持在較低水平，使品質更佳，其中N1處理效果較好且較為經濟。

3.2 結論

在基質盆栽條件下，當過磷酸鈣和硫酸鉀施肥量分別為5.52 g/盆和2.76 g/盆時，娃娃菜最佳施氮水平為尿素1.72 g/盆。該施肥條件下，娃娃菜的植株形態、光合參數、產量以及品質指標均達到最佳。