蔣靜靜,常曉曉,胡曉輝
(西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌712100)
氮作為必需的生命體元素,能參與植物體內(nèi)各種代謝過(guò)程。同時(shí),作為重要的營(yíng)養(yǎng)元素,氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中施用量最大的化學(xué)肥料,決定了作物產(chǎn)量的高低和品質(zhì)的優(yōu)劣[1]。長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)的氮肥用量一直居世界首位,過(guò)多或不合理施用氮肥,造成了氮肥利用率降低、增產(chǎn)效益下降、生產(chǎn)成本增加、生態(tài)環(huán)境受到污染等一系列問(wèn)題[2]。同時(shí),氮肥施用過(guò)多還易導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品硝酸鹽富集從而影響消費(fèi)者身體健康,因此,如何科學(xué)合理施用氮肥成為無(wú)公害、高品質(zhì)蔬菜生產(chǎn)的關(guān)鍵。
近年來(lái),不少學(xué)者研究了元素配施及其不同用量對(duì)溫室栽培黃瓜的養(yǎng)分吸收、積累及產(chǎn)量、品質(zhì)的影響,對(duì)黃瓜的合理施肥起到了積極的指導(dǎo)作用。黃瓜對(duì)水肥需求量較大,而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為取得較高的經(jīng)濟(jì)效益,盲目增加灌水和施肥,不僅制約了黃瓜品質(zhì)與產(chǎn)量的進(jìn)一步提升,而且對(duì)生態(tài)環(huán)境也構(gòu)成了威脅[3]。近年來(lái),設(shè)施栽培土壤連作障礙、土壤鹽堿化程度日趨加重,基質(zhì)栽培以其具有理化性質(zhì)穩(wěn)定[4],能夠擺脫土壤束縛,便于對(duì)廢舊基質(zhì)回收、處理、再次利用等優(yōu)勢(shì),成為未來(lái)設(shè)施栽培發(fā)展的新方向?,F(xiàn)有研究對(duì)黃瓜最適氮肥施用量報(bào)道較多[5-7],但在基質(zhì)栽培條件下探尋黃瓜最適氮肥施用量和肥料利用率的研究較少。并且在此基礎(chǔ)上以不同生育時(shí)期為劃分期,探究黃瓜氮(N)、磷(P)、鉀(K)養(yǎng)分吸收量的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。在此背景下,本試驗(yàn)采用基質(zhì)袋培種植方式,分析比較在不同生育時(shí)期、不同供氮水平下黃瓜養(yǎng)分吸收、分配和肥料利用率特性,旨在明確不同供氮水平下植株的養(yǎng)分需求特性,以期為黃瓜基質(zhì)袋培的科學(xué)施氮提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。
供試黃瓜品種:春優(yōu)1號(hào)(Cucumis sativas L.vs.Chunyou No.1),亞洲密刺型早熟品種。
供試基質(zhì):腐熟的有機(jī)復(fù)合肥(牛糞+菇渣)與珍珠巖、蛭石的混合物,按照1∶1∶1的質(zhì)量比混勻。供試基質(zhì)的基本理化性質(zhì)如下:pH值7.24,電導(dǎo)率(electrical conductivity,EC)0.23 mS/cm,全氮22.6 g/kg,全磷5.41 g/kg,全鉀15.98 g/kg,速效氮188 mg/kg,速效磷431.2 mg/kg,速效鉀10.45 g/kg。
試驗(yàn)于2015年4月30日—7月12日在西北農(nóng)林科技大學(xué)南園藝場(chǎng)塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。采用基質(zhì)袋栽培方式,每袋定植1株黃瓜,并利用滴灌設(shè)備將黃瓜生長(zhǎng)所需養(yǎng)分以營(yíng)養(yǎng)液的形式施入。基質(zhì)栽培袋規(guī)格為24 cm×48 cm,基質(zhì)體積為5 L/袋。定植密度為3 000株/667 m2,以1.5×104kg/667 m2為生產(chǎn)目標(biāo),計(jì)算出每株黃瓜的N、P、K元素施用量分別為0.023、0.015和0.032 kg。以此設(shè)置4個(gè)供氮試驗(yàn)處理,其中:以不施氮肥的營(yíng)養(yǎng)液澆灌處理為對(duì)照,CK;澆灌所需氮肥量70%的處理為低氮處理,N1;澆灌所需氮肥量100%的處理為中氮處理,N2;澆灌所需氮肥量130%的處理為高氮處理,N3。選用含有80.08 g/L Ca(NO3)2·4H2O 和 4.52 g/L NH4NO3的 A母液供應(yīng)氮肥,選用含有146 g/L KH2PO4、KCl和49.3 g/L MgSO4·7H2O的B母液供應(yīng)磷和鉀肥。根瓜坐住后開(kāi)始不同氮素水平的供應(yīng),4個(gè)試驗(yàn)處理中磷、鉀肥用量一致,在開(kāi)花坐果期和結(jié)果期分別施入總營(yíng)養(yǎng)液量的40%和60%,即開(kāi)花坐果期和結(jié)果期單株每天供應(yīng)B液量分別為10和15 mL。每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。
1.3.1 植株干物質(zhì)量和養(yǎng)分含量的測(cè)定
分別在苗期(2015年4月30日—5月20日)、結(jié)果初期(2015年5月21日—6月15日)和結(jié)果盛期(2015年6月16日—7月12日)進(jìn)行破壞性取樣。將采集的黃瓜植株按營(yíng)養(yǎng)器官分類(lèi),在烘箱內(nèi)105℃條件下殺青30 min,之后在80℃條件下烘干至恒量,稱(chēng)量,記錄干物質(zhì)量。植株干樣用小型粉碎機(jī)粉碎,過(guò)0.5 mm篩,濃H2SO4-H2O2消煮,消煮液采用高分辨自動(dòng)化學(xué)分析儀(AA3,SEAL公司,德國(guó))測(cè)定全氮和全磷含量,用火焰光度計(jì)(M410,sherwood公司,英國(guó))測(cè)定全鉀含量。
1.3.2 硝酸鹽含量和產(chǎn)量的測(cè)定
果實(shí)硝酸鹽含量采用沸水浸提,濃硫酸-水楊酸法測(cè)定。在黃瓜采收期內(nèi),每次收獲時(shí)將測(cè)產(chǎn)區(qū)內(nèi)的成熟果實(shí)稱(chēng)量,并計(jì)算單株產(chǎn)量。
1.3.3 各生育期養(yǎng)分累積量和氮肥利用率的計(jì)算
各生育期的氮、磷、鉀養(yǎng)分累積量=后一時(shí)期養(yǎng)分吸收量-前一時(shí)期養(yǎng)分吸收量。
氮肥利用率(nitrogen use efficiency,NUE)=(單株施氮處理的氮素累積量-單株不施氮處理的氮素累積量)/施氮量×100%。
1.3.4 數(shù)據(jù)處理
試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性分析(P≤0.05),用Excel 2010軟件完成圖表制作,用DPS 7.5軟件實(shí)現(xiàn)通徑分析。
2.1.1 不同供氮水平的營(yíng)養(yǎng)液對(duì)黃瓜氮吸收和分配的影響
養(yǎng)分的吸收和分配直接影響著作物的生長(zhǎng)和發(fā)育,從而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。本試驗(yàn)不同供氮處理對(duì)各器官氮素累積都有影響,且不同生育期表現(xiàn)有差異(表1)。在黃瓜苗期,葉是氮素的累積中心,其次為莖和根,其累積量分別占總累積量的74.3%、13.9%和11.8%。表明在黃瓜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段,葉片對(duì)氮素的累積較多,此時(shí)葉片的生長(zhǎng)對(duì)氮肥需求較大。結(jié)果初期和盛期,果實(shí)變?yōu)榈乩鄯e中心。結(jié)果初期氮素在黃瓜植株地上器官中累積情況由大到小依次為:果實(shí)、葉、莖。結(jié)果盛期氮素累積情況表現(xiàn)為果實(shí)>莖>葉,且果實(shí)的氮素分配率隨施氮量的增加而增加,表現(xiàn)為N3>N2>N1>CK,中氮處理(N2)和高氮處理(N3)果實(shí)氮素累積量占整株氮素累積量的比例可高達(dá)95%和96%,氮素累積量分別為CK的8.25倍和8.26倍。
表1 黃瓜對(duì)氮素的吸收和分配Table1 N absorption and distribution in cucumber plant
在整個(gè)生育期內(nèi),黃瓜植株對(duì)氮素總累積量基本隨施氮量的增加而上升,結(jié)果初期低氮處理(N1)、中氮處理(N2)和高氮處理(N3)氮素總的累積量分別為對(duì)照處理(CK)的2.3倍、2.5倍和2.6倍;結(jié)果盛期分別為對(duì)照處理(CK)的3.8倍、6.8倍和6.7倍。結(jié)果盛期中氮處理(N2)和高氮處理(N3)間氮素總累積量差異不顯著,而高氮處理(N3)的氮素總累積量值低于中氮處理(N2)。
2.1.2 不同供氮水平的營(yíng)養(yǎng)液對(duì)黃瓜磷吸收和分配的影響
黃瓜植株對(duì)磷的總累積量與氮、鉀兩元素相比較小,最大不超過(guò)1 252.5 mg/株(表2)。整體而言,磷元素的累積同氮元素的累積特征基本相似。在苗期,磷元素的累積中心與氮元素保持一致,在葉片中的累積量占全株比例達(dá)59.8%;結(jié)果初期磷素在各器官中的分配、累積情況表現(xiàn)為果實(shí)>葉片>莖>根;結(jié)果盛期為果實(shí)>莖>根>葉片(N1處理除外)。結(jié)果期黃瓜對(duì)磷素總累積量同氮素有所不同,結(jié)果初期對(duì)照處理(CK)、低氮處理(N1)和中氮處理(N2)之間無(wú)差異且顯著高于高氮處理(N3);結(jié)果盛期磷素總累積量隨施氮量的增加呈先升后降再升的變化趨勢(shì),低氮處理(N1)累積最大,極顯著高于對(duì)照處理(CK)。表明適量的施用氮肥有利于作物對(duì)磷素的累積和吸收。結(jié)果盛期各處理黃瓜植株磷素的累積量分別為結(jié)果初期各相同處理的1.2倍(CK)、4.1倍(N1)、3.7倍(N2)和4.7倍(N3),其中果實(shí)磷素的累積量占生長(zhǎng)盛期總累積量的79.7%~97.5%。說(shuō)明隨結(jié)果期的延伸,植株將更多的磷素營(yíng)養(yǎng)持續(xù)不斷分配到果實(shí)中。
表2 黃瓜對(duì)磷素的吸收和分配Table2 P absorption and distribution in cucumber plant
2.1.3 不同供氮水平的營(yíng)養(yǎng)液對(duì)黃瓜鉀吸收和分配的影響
同氮、磷元素相類(lèi)似,苗期鉀元素的累積中心為葉,占到總積累量的54.0%;結(jié)果期果實(shí)為鉀素的累積中心,在各器官中所占比例率為49.7%~96.5%(表3)。自苗期之后,黃瓜果實(shí)中的鉀元素含量遠(yuǎn)高于葉片是黃瓜對(duì)鉀元素累積的顯著特點(diǎn)。黃瓜對(duì)鉀元素的吸收、分配同氮、磷元素存在明顯的不同:結(jié)果期植株對(duì)鉀素的總累積量明顯大于氮素和磷素,N3處理結(jié)果盛期的累積總量達(dá)7 227.9 mg/株,分別為氮元素和磷元素累積量的1.59倍、6.48倍;結(jié)果初期鉀素的總累積量隨施氮量的增加而下降,對(duì)照處理(CK)顯著高于低氮處理(N1)、中氮處理(N2)和高氮處理(N3);結(jié)果盛期鉀素總的累積量隨施氮量的增加表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì) ,且處理 N1、N2、N3顯著高于對(duì)照處理(CK),但低氮處理(N1)、中氮處理(N2)和高氮處理(N3)間差異不顯著。
植物光合作用的產(chǎn)物主要供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官(果實(shí))的生長(zhǎng),依據(jù)“庫(kù)—源”關(guān)系,黃瓜果實(shí)作為光合作用的“庫(kù)”容量,它能客觀(guān)反映由于不同施氮量所產(chǎn)生的植物同化能力的差異。如表4所示,黃瓜產(chǎn)量、氮素的吸收量及氮肥利用率均隨供氮量的增加呈開(kāi)口向下的拋物線(xiàn)狀,中氮處理(N2)得到最優(yōu)值,分別為7 728 kg/667 m2、17.64 kg/667 m2和27.8%。與對(duì)照處理(CK)相比,N1、N2和N3處理的磷元素吸收量均顯著增加,中氮處理(N2)和高氮處理(N3)同低氮處理(N1)相比有下降趨勢(shì)。黃瓜植株對(duì)鉀元素的吸收隨施氮量的增加而增加,但N1、N2和N3處理間無(wú)顯著差異。
表3 黃瓜對(duì)鉀素的累積和分配Table3 K absorption and distribution in cucumber plant
表4 不同處理黃瓜的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收利用狀況Table4 Yield,nutrient uptake and N use efficiency of cucumber under different treatments
黃瓜果實(shí)中硝酸含量隨供氮水平的增加表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)(圖1)。對(duì)照處理(CK)的黃瓜硝酸鹽含量為187.4 mg/kg,而低氮處理(N1)、中氮處理(N2)和高氮處理(N3)黃瓜硝酸鹽含量顯著高于CK處理,分別是CK處理的2.2倍、2.6倍和3.6倍,低氮處理(N1)和中氮處理(N2)黃瓜的硝酸鹽含量之間無(wú)顯著差異,且顯著小于高氮處理(N3)。
通徑分析是應(yīng)用通徑系數(shù)分析方法,在相關(guān)分析與回歸分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究因變量與自變量之間的數(shù)量關(guān)系,并將相關(guān)系數(shù)分解為直接作用系數(shù)和間接作用系數(shù),以揭示各個(gè)因素對(duì)因變量的相對(duì)重要性。因此,通徑分析比相關(guān)分析和回歸分析更為精確,同時(shí)能考慮到原因?qū)Y(jié)果的影響,使多變量資料的統(tǒng)計(jì)分析更為合理。本文以生長(zhǎng)和產(chǎn)量指標(biāo)為自變量,以吸氮量(Y,mg/plant)為因變量,用DPS軟件進(jìn)行逐步回歸分析,并根據(jù)方程的顯著性,再進(jìn)行通徑分析,以找到對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大的直接作用因子和間接作用因子。最后選取葉面積(X1,cm2)、莖粗(X2,mm)、干物質(zhì)量(X3,g/plant)和產(chǎn)量(X4,g/plant)為自變量進(jìn)行分析。采用逐步回歸的方法建立最優(yōu)回歸方程,獲得通徑系數(shù)?;貧w方程如下:
從分析結(jié)果可知,線(xiàn)性回歸方程顯著(P=0.000 3≤0.05),表明對(duì)Y和X的通徑分析有意義。由通徑系數(shù)可以得出 X1、X2、X3、X4對(duì) Y 的直接作用分別為:P1y=-0.028、P2y=0.206、P3y=0.387、P4y=-0.472。
表5為自變量間、自變量與因變量間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)。通過(guò)對(duì)吸氮量與各自變量間的相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)除莖粗(X2)之外,吸氮量與葉面積(X1)、干物質(zhì)量(X3)、產(chǎn)量(X4)之間的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平。說(shuō)明吸氮量與上述各因素間相互作用、相互影響。
圖1 不同氮素水平對(duì)黃瓜果實(shí)硝酸鹽含量的影響Fig.1 Effects of different nitrogen levels on nitrate content of cucumber fruit
表5 各變量間的相關(guān)系數(shù)Table5 Correlation coefficient between the variables
表6為簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)與間接通徑系數(shù)的關(guān)系。由直接和間接通徑系數(shù)可知,產(chǎn)量對(duì)吸氮量的直接作用系數(shù)最大,干物質(zhì)量通過(guò)產(chǎn)量對(duì)吸氮量的間接作用系數(shù)次之。葉面積和莖粗對(duì)吸氮量的直接通徑系數(shù)值都有較低值,且二者通過(guò)對(duì)方對(duì)吸氮量產(chǎn)生的間接作用系數(shù)值也較低。但葉面積對(duì)吸氮量的間接作用較大,其中通過(guò)干物質(zhì)量和產(chǎn)量對(duì)吸氮量的間接通徑系數(shù)分別為0.324和0.384。且產(chǎn)量通過(guò)干物質(zhì)量對(duì)吸氮量的間接作用系數(shù)也有較大值,為0.370。
通過(guò)表6的綜合比較可知,在不同施氮條件下,植株的葉面積(X1)、莖粗(X2)、干物質(zhì)量(X3)及產(chǎn)量(X4)之間通過(guò)互相作用才能增加黃瓜的吸氮量,產(chǎn)量對(duì)黃瓜吸氮量有重要作用,可作為評(píng)價(jià)吸氮量的第一指標(biāo)。
氮素在植株內(nèi)的累積量與施氮量、氮肥利用率等因素有關(guān)。在不同供氮條件下,本試驗(yàn)的黃瓜植株對(duì)氮、磷元素的吸收隨施氮量的增加大致均呈先上升后下降的變化趨勢(shì),這一特點(diǎn)與棉花[8]、玉米[9]、加工番茄[10]、甜瓜[11]等其他作物的養(yǎng)分吸收規(guī)律表現(xiàn)一致。在苗期,黃瓜植株以葉為營(yíng)養(yǎng)中心,伴隨生育期的延長(zhǎng),植株對(duì)氮、磷、鉀的吸收、分配發(fā)生了相應(yīng)變化,結(jié)果期營(yíng)養(yǎng)中心向果實(shí)轉(zhuǎn)移。岳文俊等[12]對(duì)甜瓜的研究也有類(lèi)似報(bào)道。在不同施氮條件下果實(shí)產(chǎn)量與施氮量的相關(guān)系數(shù)為0.956,達(dá)到顯著水平,說(shuō)明產(chǎn)量是由果實(shí)的累積量決定的,提高生物量向果實(shí)的分配可以增加產(chǎn)量。因此,研究不同的施氮量對(duì)黃瓜干物質(zhì)量的累積、分配對(duì)提高黃瓜的經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。本研究中,結(jié)果盛期對(duì)照處理(CK)根系中的鉀素累積量出現(xiàn)負(fù)值,推測(cè)可能與鉀元素的再利用性有關(guān),在鉀素吸收能力下降的情況下,根系中的鉀素轉(zhuǎn)移至果實(shí),優(yōu)先供應(yīng)生殖生長(zhǎng)。結(jié)果初期和結(jié)果盛期黃瓜果實(shí)對(duì)鉀素的累積量明顯高于氮和磷,莖稈對(duì)鉀的吸收也明顯高于氮、磷,這都與鉀元素參與光合產(chǎn)物向貯存器官運(yùn)輸和促進(jìn)莖稈維管束發(fā)育有關(guān)[13]。
張祥明等[14]研究表明,在磷鉀供應(yīng)量一定的條件下,適當(dāng)?shù)氖┑磕艽龠M(jìn)水稻對(duì)鉀素的吸收和積累,施氮量過(guò)高反而不利于鉀的吸收。侯云鵬等[15]研究發(fā)現(xiàn),施用氮肥可以明顯提高氮、磷、鉀元素的吸收量,但隨施氮水平的提高,各生育期表現(xiàn)并不一致。景立權(quán)等[16]研究認(rèn)為,過(guò)高或過(guò)低的氮肥施用量不利于氮、磷、鉀的吸收利用及產(chǎn)量的提高。本試驗(yàn)結(jié)果表明:隨施氮量的增加,植株對(duì)氮和磷的吸收呈先增加后降低的趨勢(shì),與上述研究存在差異,推測(cè)其原因可能是施氮過(guò)量促使植株自我保護(hù)機(jī)制啟動(dòng),是植物對(duì)外界的一種自我反應(yīng),進(jìn)而降低了對(duì)氮、磷的吸收;對(duì)鉀的吸收表現(xiàn)為持續(xù)增長(zhǎng),但增長(zhǎng)速率表現(xiàn)為先快后慢,與上述研究差異較大,這可能同基質(zhì)的基礎(chǔ)養(yǎng)分情況、作物種類(lèi)等因素有關(guān)。
本試驗(yàn)各處理以硝態(tài)氮的形式供應(yīng)氮素。已有研究表明,硝酸鹽在人體內(nèi)可以被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽,而亞硝酸鹽有致癌作用[17]。王立河等[18]對(duì)黃瓜的研究表明,果實(shí)中硝酸鹽含量隨施氮量的增加呈上升趨勢(shì);牛曉麗等[19]對(duì)番茄的研究也表明,增施氮肥顯著提升番茄果實(shí)硝酸鹽含量。硝酸鹽含量是蔬菜安全品質(zhì)監(jiān)控的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中果實(shí)硝酸鹽含量受施氮量的變化表現(xiàn)出明顯差異,表明硝酸鹽含量除受其遺傳物質(zhì)的影響外,還與植株生長(zhǎng)的外界環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)狀況密切相關(guān)[20]。根據(jù)國(guó)家對(duì)無(wú)公害蔬菜安全要求——瓜果類(lèi)蔬菜硝酸鹽以NO3-計(jì)≤438 mg/kg(GB 18406.1—2001),對(duì)試驗(yàn)得到的黃瓜安全品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),在大棚種植條件下高氮處理(N3)黃瓜硝酸鹽含量不達(dá)標(biāo),不宜食用,在大棚黃瓜種植過(guò)程中應(yīng)高度重視。
黃瓜的產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收和氮素的利用率都與施氮量有關(guān)。隨著施氮量的增加黃瓜的產(chǎn)量呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),與李立昆等[3]的研究結(jié)論相一致,符合不同蔬菜對(duì)氮素的需求都有一個(gè)最適范圍,低于或超過(guò)這個(gè)范圍不僅不利于生長(zhǎng)且產(chǎn)量會(huì)降低的結(jié)論[21]。運(yùn)用葉面積(X1)、莖粗(X2)、干物質(zhì)量(X3)和產(chǎn)量(X4)等指標(biāo)對(duì)吸氮量(Y)進(jìn)行通徑分析,可以更直觀(guān)地反映吸氮量的高低,通過(guò)綜合比較,產(chǎn)量可作為衡量吸氮量的第一指標(biāo)。
表6 簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)的分解Table6 Decomposition of the simple correlation coefficient
在本試驗(yàn)條件下中氮處理(N2)黃瓜產(chǎn)量為7 728 kg/667 m2,吸氮量達(dá)到 17.64 kg/667 m2,肥料利用率為27.8%,全都達(dá)到最高值;且磷素和鉀素的吸收量有較大值,分別為4.04和26.30 kg/667 m2。綜合分析比較,在磷、鉀肥用量不變的基礎(chǔ)上,N2處理(0.023 kg/株)的黃瓜生長(zhǎng)健壯,產(chǎn)量最高,各方面表現(xiàn)較好。運(yùn)用通徑分析,通過(guò)綜合比較,產(chǎn)量可作為評(píng)價(jià)吸氮量的第一指標(biāo)。