減氮和氮硅配施對辣椒產(chǎn)量、營養(yǎng)品質及養(yǎng)分吸收利用的影響

張 帆,崔云浩,秦志翔,王芽芽,張 毅,石 玉

(山西農(nóng)業(yè)大學 園藝學院,山西太谷 030801)

氮素是蔬菜作物生長發(fā)育必需的大量元素之一[1],可參與植物體蛋白質、核酸、葉綠素等含氮有機物的合成,進而影響植物的生長發(fā)育及果實品質的形成,因此,土壤供應氮素的水平是限制作物產(chǎn)量及果實品質的重要因素,土壤中的氮素主要以硝態(tài)氮的形式被植物直接吸收利用,少部分則以銨態(tài)氮的形式吸收利用[2]。畢曉慶等[3]研究表明,在植物生殖生長期缺失氮素會導致落花落果,葉片早衰,進而影響果實品質和產(chǎn)量。當植物吸收氮素過多時,大量光合產(chǎn)物被用于含氮有機物合成,限制碳水化合物的合成與積累,進而影響植物營養(yǎng)生長和生殖生長的平衡[4]。例如,氮素水平過高導致三葉青貪青生長,莖稈纖細,生殖生長被抑制[5];過量施氮會導致梨凈光合速率下降,阻礙果實糖分合成,硝酸鹽在葉片、果實中大量積累,影響碳水化合物的合成與積累,導致坐果率下降,果實品質低下[6]。此外,過量施氮還會促進櫻桃果實內(nèi)的糖轉化為氨基酸,降低果實內(nèi)糖含量[7]。

近年來,中國設施蔬菜氮肥施用量高達850.5 kg/hm2,為氮肥推薦量的1.9倍[1],作物每生長季從土壤中吸收的平均氮肥量為230 kg/hm2,而氮肥剩余量可達324 kg/hm2,氮肥利用率平均僅為18.6%,土壤中未被作物吸收的氮素則以NH3揮發(fā)、反硝化作用及淋洗等形式釋放到大氣或土壤環(huán)境中[8],不僅會導致作物的氮素利用率大幅降低,土壤有機質含量下降,速效養(yǎng)分富集,土壤次生鹽漬化嚴重,還會出現(xiàn)土壤貧瘠、離子毒害等現(xiàn)象,土壤中殘留的氮素經(jīng)過淋溶沉積進入地下水或在反硝化作用下產(chǎn)生NO釋放到空氣中,污染空氣,對環(huán)境造成嚴重破壞[1]。目前,國內(nèi)外關于辣椒的氮肥施用已有大量研究,近年來,設施辣椒實際生產(chǎn)中氮肥的投入施用量仍在迅速上升[1],過量的氮肥施入嚴重影響了辣椒的氮肥利用效率,普遍導致辣椒果實產(chǎn)量下降,果實中的糖分、蛋白質、維生素等營養(yǎng)物質含量下降,硝酸鹽、亞硝酸鹽含量增加[9]。因此,研究減施氮肥對辣椒產(chǎn)量、果實品質及氮素吸收利用的影響機制,可為辣椒的增產(chǎn)提質和氮肥的減量增效提供理論基礎。

硅(silicon,Si)是地殼中含量第二高的元素,主要以硅酸鹽結晶的形態(tài)存在于土壤中,近年來已有研究發(fā)現(xiàn),硅對植物生長發(fā)育有益,影響植物體內(nèi)許多新陳代謝過程[10]。硅可以沉積在植物葉片表皮形成角質-硅雙層,在葉脈間形成矩形硅化細胞,在莖稈表面形成含硅體,增強葉片機械強度與莖稈剛性,進而提高植物抗病蟲害能力,促進莖稈增粗防止倒伏[11]。此外,硅還可促進植物根系生長,提高根系細胞的親水性和水分傳導,從而顯著促進了植物根系對土壤礦質元素的吸收利用[12]。瞿翔等[13]研究表明,硅可以提高土壤有效磷含量,有效緩解玉米體內(nèi)的缺素脅迫;袁源遠等[14]研究發(fā)現(xiàn),硅肥能夠促進水稻生長發(fā)育,改善光合作用與養(yǎng)分吸收利用能力。目前,硅肥在水稻、玉米等農(nóng)作物的實際生產(chǎn)應用已有大量研究,而在辣椒等雙子葉植物生產(chǎn)實踐中的應用研究還有待進一步深入。該研究以辣椒(CapsicumannuumL.)為試材,通過設置氮肥減施下配施硅肥試驗,探討硅肥對辣椒產(chǎn)量、果實品質及氮素吸收利用的影響,以篩選出最佳的施肥組合,為辣椒增產(chǎn)提質提供理論基礎與技術參考。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

本試驗在山西農(nóng)業(yè)大學園藝試驗站及實驗大樓進行。選用辣椒品種‘奧黛麗’為試材,將幼苗裝至72孔穴盤中進行苗期管理,待幼苗長至三葉一心時定植于裝有不同肥料處理的基質營養(yǎng)缽(30 cm×30 cm×40 cm)內(nèi),緩苗1周后,每隔3 d澆灌1次營養(yǎng)液(營養(yǎng)液配方采用日本山崎甜椒營養(yǎng)液配方),每次150 mL,采用滴灌方式每隔1 d澆1次水,并及時進行疏花疏果、整枝打岔及病蟲害防治。

根據(jù)當?shù)貙嶋H每生產(chǎn)1 000 kg辣椒需要4.8 kg氮(N)、0.9 kg磷(P)、5.4 kg鉀(K),計算辣椒整個生長期N、P、K需求量,確定N、P、K肥正常用量分別為391,211,231 kg/hm2,根據(jù)氮肥減施比例設置正常施氮量(N1.0)、60%施氮量(氮肥減施40%,N0.6)、40%施氮量(氮肥減施60%,N0.4)和不施氮肥(N0)4個供氮水平。定植時將不同處理氮、磷、鉀肥按比例與基質混合用作底肥。待進入辣椒花期,于16:00—18:00進行1.5 mmol/L硅酸鈉(施硅濃度由預實驗篩選得出)根施處理,每周1次,每株500 mL,直至果實成熟,以不施硅為對照。試驗共組成8個(4×2)氮肥、硅肥配施處理組合。待辣椒果實成熟且達到采收標準后,采收成熟度均勻一致的果實,于-80 ℃超低溫冰箱保存,用于品質指標測定。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 果實產(chǎn)量

待辣椒果實成熟且達到采收標準后,每隔7 d按單株采收成熟度一致的果實,共采收3批,每批采收5株并進行稱重,計算單株產(chǎn)量。每個處理3次重復。

1.2.2 果實營養(yǎng)品質

可溶性糖含量采用蒽酮乙酸乙酯法測定[15],可滴定酸含量采用酸堿滴定法測定[15];糖酸比為可溶性糖含量與可滴定酸含量之比;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法測定[15];硝酸鹽含量采用水楊酸—硫酸比色法測定[15];維生素C含量采用鉬藍比色法測定[15]。每個處理3次重復。

1.2.3 果實和基質中礦質元素含量

取成熟的辣椒果實,洗凈擦干后置于烘箱內(nèi)先105 ℃殺青15 min,后于65 ℃烘干至恒重,過100目篩并制備干樣;同時,將相應處理的栽培基質分裝至敞口塑料袋中,待自然風干后過100目篩并制備干樣。稱取0.2 g烘干樣品,用H2SO4-H2O2消煮法制備消煮液,采用火焰原子吸收分光光度計(AA-6200,日本SHIMADZU)測定果實中K、Ca、Mg元素含量,每個處理3次重復。N元素質量分數(shù)采用靛酚藍比色法[16]測定,P元素質量分數(shù)采用鉬銻抗比色法[16]測定。

1.2.4 辣椒氮肥農(nóng)學利用效率

依據(jù)以上測定結果計算氮肥農(nóng)學利用效率=(施氮區(qū)作物產(chǎn)量-未施氮區(qū)作物產(chǎn)量)/氮肥施用量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用 SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行果實產(chǎn)量、品質及養(yǎng)分吸收指標在處理間的差異顯著性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 減氮和施硅對辣椒果實產(chǎn)量的影響

從圖1來看,隨供氮水平的降低,不施硅和施硅處理辣椒果實產(chǎn)量均呈先升高后降低的變化趨勢,且均在N0.6(N0.6+Si)處理下達到最大值,其果實產(chǎn)量比相應的正常供氮處理N1.0(N1.0+Si)顯著提高19.93%(5.04%);而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理的果實產(chǎn)量均顯著低于相應正常供氮處理N1.0(N1.0+Si),降幅分別達到60.27%(41.56%)和82.94%(70.78%)。

N1.0為正常供氮;N1.0+Si為正常供氮配施1.5 mmol/L Si;N0.6為60%供氮(氮肥減施40%);N0.6+Si為60%供氮配施1.5 mmol/L Si;N0.4為40%供氮(氮肥減施60%);N0.4+Si為40%供氮配施1.5 mmol/L Si;N0為不施氮肥;N0+Si為不施氮肥配施1.5 mmol/L Si。不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05),使用Ducan新復極差法進行多重比較。下同。

與單一供氮處理相比,各配施硅肥處理的辣椒果實產(chǎn)量均顯著提高?？梢?辣椒果實產(chǎn)量在減施40%氮肥后會發(fā)生顯著變化,但若進一步減施氮肥則會大幅顯著降低;配施硅肥會不同程度提高各施氮水平下辣椒果實產(chǎn)量,但增幅存在差異。

2.2 減氮和施硅對辣椒果實品質的影響

2.2.1 Vc和可溶性蛋白含量

由圖2,A、B可知,隨供氮水平的降低,不施硅和施硅處理辣椒果實Vc、可溶性蛋白含量均呈先升高后降低的變化趨勢,并均在N0.6(N0.6+Si)處理下達到最大值,此時它們的Vc、可溶性蛋白含量均比相應的N1.0(N1.0+Si)處理分別顯著提高23.66%(15.33%)、5.37%(9.01%);而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理的果實Vc、可溶性蛋白含量均大幅度顯著低于相應N1.0(N1.0+Si)處理,N0(N0+Si)處理又顯著低于相應的N0.4(N0.4+Si)處理。與單一施氮處理相比較,各配施硅肥處理辣椒果實中Vc和可溶性蛋白含量大多進一步顯著提高,但提高幅度在各施氮水平間存在差異,增幅分別在16.57%～35.63%和3.61%～9.85%之間?？梢?辣椒果實Vc和可溶性蛋白含量在減施40%氮肥后顯著提高,但若進一步減施氮肥則會大幅顯著降低;配施硅肥會顯著提高各施氮水平下辣椒果實Vc和可溶性蛋白含量。

圖2 減氮和施硅處理下辣椒果實品質指標的變化

2.2.2 可溶性糖和可滴定酸含量

圖2,C、D顯示,隨供氮水平的降低,不施硅和施硅處理辣椒果實的可溶性糖含量均呈先升高后降低的變化趨勢,并均在N0.6(N0.6+Si)處理下達到最大值,此時比相應的N1.0(N1.0+Si)處理顯著提高6.91%(7.06%),而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理均顯著低于相應正常供氮處理,降幅分別為32.53%(19.86%)和44.05%(45.12%);辣椒果實的可滴定酸含量則均呈先降低再升高的變化趨勢,并均在N0.6(N0.6+Si)處理下達到最小值,此時比相應的N1.0(N1.0+Si)處理顯著降低了29.03%(36.15%),而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理均顯著高于相應正常供氮處理。與單一施氮處理相比較,各配施硅肥處理辣椒果實的可溶性糖含量大多顯著提高,而其可滴定酸含量均顯著降低,降幅在25.77%～39.07%。可見,在減施40%氮肥后辣椒果實可溶性糖含量有所提高,且可滴定酸含量顯著降低,但若進一步減施氮肥,則可溶性糖含量會大幅顯著降低,且可滴定酸含量大幅顯著升高;配施硅肥會顯著提高各施氮水平下辣椒果實可溶性糖含量,同時顯著降低其可滴定酸含量。

2.2.3 硝酸鹽含量和糖酸比

圖2,E、F顯示,在氮肥減施條件下,不施硅和施硅處理辣椒果實的硝酸鹽含量相比于N1.0(N1.0+Si)處理均顯著降低,降幅在56.76%～75.30%;同時,它們的糖酸比均在N0.6(N0.6+Si)處理下達到最大值,比相應的N1.0(N1.0+Si)處理顯著提高了50.94%(58.18%),而在N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理下比N1.0(N1.0+Si)處理分別顯著降低73.58%(69.15%)和85.91%(87.54%)。與單一施氮處理相比,各配施硅肥處理辣椒果實的硝酸鹽含量顯著降低25.56%～49.92%,而其辣椒果實的糖酸比均有不同程度提高,并在N0.6與N0.6+Si處理間增幅最大,顯著提高了81.23%?？梢?氮肥減施后辣椒果實的硝酸鹽含量會顯著降低,且辣椒果實的糖酸比在減施40%氮肥后顯著提高,進一步減施氮肥則會大幅顯著降低;配施硅肥會顯著降低各施氮水平下辣椒果實的硝酸鹽含量,同時會不同程度提高其糖酸比。

2.3 各施肥處理對辣椒果實幾種礦質大量元素含量的影響

由表1可知,隨供氮水平的降低,不施硅和施硅處理辣椒果實的礦質大量元素含量均呈先上升后降低的變化趨勢,并均在N0.6(N0.6+Si)處理下達到最大值,此時其果實的Ca、K、N與P元素含量比相應N1.0(N1.0+Si)處理分別顯著提高18.57%(40.88%)、4.67%(2.55%)、12.66%(6.59%)和10.82%(4.88%);而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)處理的果實大量元素含量均大多比相應N1.0(N1.0+Si)處理大幅度顯著降低。與單一施氮處理相比較,各配施硅肥處理辣椒果實的礦質大量元素含量均顯著提高,并在N0.6與N0.6+Si處理間提升幅度最大?？梢?辣椒果實的礦質大量元素含量在減施40%氮肥后顯著提高,進一步減施氮肥則會大幅顯著降低;配施硅肥會不同程度提高各施氮水平下辣椒果實的礦質大量元素含量。

表1 減氮和施硅處理下辣椒果實幾種礦質大量元素含量

2.4 減氮和施硅對辣椒氮肥農(nóng)學利用效率的影響

圖3顯示,不施硅(施硅)處理辣椒的氮肥農(nóng)學利用效率隨著施氮量降低均先上升后降低,并在N0.6(N0.6+Si)處理下比相應的N1.0(N1.0+Si)處理顯著提高68.97%(76.01%),而在N0.4(N0.4+Si)處理下不僅顯著低于相應N0.6(N0.6+Si)處理60.27%(76.01%),也比正常供氮處理不同程度降低;與單一施氮處理相比較,各配施硅肥處理辣椒的氮肥農(nóng)學利用效率均不同程度提高,但均未達到顯著水平?？梢?辣椒的氮肥農(nóng)學利用效率在減施40%氮肥后顯著提高,而進一步減施氮肥則會大幅降低,且在各施氮水平下配施硅肥也會不同程度提高。

圖3 減氮和施硅處理下辣椒氮肥農(nóng)學利用效率的變化

2.5 各氮硅配施處理效應的綜合評價

為進一步評價不同減氮與氮、硅配施處理對辣椒產(chǎn)量、營養(yǎng)品質及養(yǎng)分吸收利用的影響效應,對主要的11個指標進行相關性分析(表2),除可滴定酸外,其余10個指標間均呈不同程度顯著相關,因此可進一步對11個指標進行主成分分析。

表2 辣椒產(chǎn)量、營養(yǎng)品質及養(yǎng)分吸收利用的11項指標的相關性分析

由表3可知,前2個主成分的初始特征值大于1,因而提取出了2個主成分,其中第1主成分的方差貢獻率為80.70%,第2主成分的方差貢獻率為9.11%。根據(jù)各主成分的特征值與載荷矩陣(表4)分析,果實的硝酸鹽含量和N元素含量對第1主成分的影響最大,果實的可溶性糖、可滴定酸、可溶性蛋白、硝酸鹽、P元素、Ca元素與Mg元素含量對第2主成分的影響較大。以特征向量為權重,根據(jù)主成分矩陣得出主成分函數(shù)(y1,y2)表達式(1)和(2):

表3 主成分總方差解釋

表4 主成分分析的各因子載荷矩陣

y1=0.329x1+0.328x2+0.326x3+0.330x4-0.140x5-0.333x6+0.333x7+0.291x8+0.316x9+0.318x10+0.226x11

(1)

y2=-0.034x1+0.04x2+0.119x3-0.087x4+0.889x5+0.096x6-0.032x7+0.102x8+0.028x9+0.085x10+0.398x11

(2)

根據(jù)主成分函數(shù)表達式得出11個指標在各處理的綜合得分(表5),其中N0.6+Si處理的綜合得分明顯高于其他處理,N1.0和N0.6處理次之,N1.0+Si處理再次,其余處理均為負值。因此,N0.6+Si處理對辣椒產(chǎn)量、營養(yǎng)品質及養(yǎng)分吸收利用的促進效果最佳。

表5 辣椒產(chǎn)量、營養(yǎng)品質及養(yǎng)分吸收利用的11項指標的綜合得分

3 討 論

近年來,國內(nèi)外對硅肥在農(nóng)業(yè)上的應用研究越來越廣泛,目前,硅被普遍認為是對植物生長發(fā)育有益的營養(yǎng)元素[26]。有研究表明,適量施用硅肥對果實發(fā)育和養(yǎng)分積累有積極作用,最終促進增產(chǎn)。本研究結果表明,與單一供氮相比,氮硅配施后辣椒的氮肥農(nóng)學利用效率及果實營養(yǎng)元素積累顯著提高,果實產(chǎn)量顯著增加,且在氮肥減施40%下配施硅肥(N0.6+Si)促進效果最佳。硅元素可有效維持土壤肥力,促進土壤中的元素移動,進而增強作物對營養(yǎng)元素的吸收,有研究發(fā)現(xiàn),硅可以顯著促進果實中K元素的吸收利用[27]。Alsaeedi等[28]的研究表明,施硅處理下黃瓜果實中鉀元素含量顯著提高,有利于植物維持離子穩(wěn)態(tài),調節(jié)滲透平衡,控制氣孔開度,提高植物抗逆性,進而影響果實的養(yǎng)分吸收利用。因此,減施氮肥下配施硅肥與正常供氮相比進一步促進了辣椒根系生長發(fā)育,提高了辣椒根系對氮素的吸收利用,進而促進辣椒果實的養(yǎng)分吸收和積累,提高辣椒產(chǎn)量。

綜上所述,與正常供氮水平相比,氮肥減施40%更有利于促進辣椒果實的生長發(fā)育與品質指標積累,提高辣椒果實產(chǎn)量,顯著改善了果實品質;辣椒在氮肥減施40%條件下的氮肥農(nóng)學利用效率更高,同時辣椒果實對大量礦質元素的有效吸收效果更佳。在不同供氮水平下配施1.5 mmol/L的硅肥,能進一步促進辣椒果實產(chǎn)量與營養(yǎng)品質的提高,同時進一步提高辣椒果實對大量礦質元素的積累,因而施硅有效改善了辣椒在高氮與氮素缺素條件下的生長狀態(tài),降低了高氮和缺氮的危害。綜合考慮,本研究中氮肥減施40%的條件下配施1.5 mmol/L的外源硅肥對辣椒產(chǎn)量、營養(yǎng)品質及礦質元素的吸收利用的促進效果最佳。