曹 兵，王學(xué)霞，倪小會(huì)，陳延華，文方芳，劉自飛，張夢(mèng)佳，左 強(qiáng)，鄒國(guó)元，張雪蓮

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，北京 100097；2.北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.北京市土肥工作站，北京 100029)

蔬菜富含纖維、微量元素、維生素、碳水化合物和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在人類膳食結(jié)構(gòu)中占有非常重要的地位。目前，我國(guó)的蔬菜種植面積占全球耕地面積的1.7%，蔬菜總產(chǎn)量約占全世界的1/2[1]。為了追求更高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，種植戶在蔬菜生產(chǎn)中往往投入大量肥料(尤其是化肥)[1-3]。黃紹文等[4]對(duì)我國(guó)蔬菜生產(chǎn)中化肥施用量的研究表明，蔬菜生產(chǎn)中氮、磷、鉀肥總用量普遍超量，化肥(N+P2O5+K2O)投入量是全國(guó)農(nóng)作物化肥施用量的3.3倍，超過推薦量的1.5～5.9倍。其結(jié)果是導(dǎo)致了較低的肥料利用率，大量養(yǎng)分流失和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染[1，3，5-6]。上述問題已嚴(yán)重制約了我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

為了解決速效性化肥與農(nóng)作物之間的養(yǎng)分供需矛盾，包括控釋肥在內(nèi)的增效型肥料(Enhanced-efficiency fertilizers)研發(fā)與應(yīng)用近年來日益受到重視[7]，增效型肥料的突出優(yōu)點(diǎn)包括增產(chǎn)、提高氮肥利用率和減少氮素?fù)p失[8]?？蒯尫释ㄟ^表面透水率低的疏水性薄膜調(diào)控，養(yǎng)分釋放可以延長(zhǎng)至數(shù)月甚至更長(zhǎng)[9]，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)分釋放與作物吸收同步；而且能夠采用輕簡(jiǎn)化的一次性施肥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效、省工節(jié)肥、減少環(huán)境污染等[9]。Yang等[10]采用Meta-analysis對(duì)控釋尿素施用效果的研究表明，作物平均增產(chǎn)7.7%，增收6.4%，氮素吸收增加12.6%，氮素?fù)p失降低24.3%～45.9%。國(guó)內(nèi)在糧食作物(水稻、玉米和小麥)上已大量施用控釋肥，大多以控釋摻混肥的形式并采用一次性種肥同播方式，增產(chǎn)、節(jié)肥、提高氮肥利用率和減少氮素?fù)p失的效果良好[11-12]。相對(duì)來說，控釋肥在蔬菜上的應(yīng)用偏少，由于菜地特定環(huán)境條件(包括更恒定的溫度和水的有效性)更有利于控釋肥養(yǎng)分釋放和蔬菜吸收，因此控釋肥在蔬菜上往往有較好的增產(chǎn)效應(yīng)[13]。劉曉霞等[14]研究表明，在小青菜上減量施用控釋肥，可以提高產(chǎn)量和植株N、P、K養(yǎng)分含量。董亮等[15]研究發(fā)現(xiàn)，控釋肥在減氮情況下仍能增加大白菜產(chǎn)量和改善品質(zhì)，而且能減少氮素向深層土壤的淋溶損失。

生菜(LactucasativeL.)又稱西生菜、圓生菜，屬于速生葉菜，富含纖維素和Vc，可促進(jìn)消化作用、提高人體免疫力，生食口感清脆，深受消費(fèi)者喜愛，并且廣泛供應(yīng)于中高端快餐行業(yè)。近年來，生菜種植面積逐漸擴(kuò)大[16]，據(jù)調(diào)查，北京市2018年生菜種植面積為3 733 hm2，占蔬菜總面積的10.5%[17]；2020年生菜種植面積達(dá)4 066 hm2，占蔬菜總播種面積的10.7%。葉類蔬菜生產(chǎn)中過量施用化肥的問題較為普遍[16，18]。目前，控釋肥在蔬菜上的研究多集中在產(chǎn)量和品質(zhì)方面，而對(duì)控釋肥在蔬菜上的綜合效應(yīng)研究則相對(duì)較少。本研究擬以露地結(jié)球生菜為研究對(duì)象，探討在減肥條件下，控釋摻混肥一次性施肥對(duì)生菜產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分吸收、生菜生理特征、施肥經(jīng)濟(jì)效益、土壤硝態(tài)氮?dú)埩舻木C合影響，旨在為生菜養(yǎng)分高效管理和施肥技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)布置在位于北京市通州區(qū)的北京永盛園農(nóng)業(yè)種植中心。試驗(yàn)地土壤母質(zhì)為沖積土，土壤類型為潮土，質(zhì)地為輕壤土。0～20 cm土壤耕層養(yǎng)分狀況：含堿解氮134.6 mg/kg，速效磷180.0 mg/kg，速效鉀710.0 mg/kg，有機(jī)質(zhì)18.0 g/kg，pH值8.0。

1.2 試驗(yàn)材料

供試結(jié)球生菜品種為射手101。包膜尿素由北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所自制，25 ℃水浸泡條件下氮素累積釋放80%所需時(shí)間為45 d(圖1)。

圖1 包膜尿素氮素釋放特征Fig.1 Nitrogen release profile of coated urea

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為不施氮對(duì)照(CK)、常規(guī)施肥(CF)、常規(guī)減肥(-20%CF)和控釋摻混肥(-20%CU)。其中CK、-20%CF和-20%CU處理的磷、鉀肥用量相同，-20%CF和-20%CU處理的N、P2O5、K2O用量較CF均減少20%，小區(qū)面積60 m2，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列。CF和-20%CF處理采用底施復(fù)合肥加追施水溶肥的模式，追肥時(shí)間分別為蓮座期(9月15日)、結(jié)球初期(9月21日)和結(jié)球中期(9月30日)，CF處理化肥施用量分別為176 kg/hm2(N)、98 kg/hm2(P2O5)和230 kg/hm2(K2O)。-20%CU處理將所有肥料摻混后采用一次性施肥，不同處理施肥方案詳見表1。此外，園區(qū)生菜生產(chǎn)分為春茬(3—5月)和秋茬(8—10月)，每年秋茬生菜收獲后底施商品有機(jī)肥30 t/hm2。2020年8月25日定植，10月12日收獲，采用東西向栽培，壟間距1 m，壟上寬60 cm，溝40 cm，每公頃定植67 500株。

試驗(yàn)地塊采用水肥一體化滴灌。整個(gè)生育期灌水量945 m3/hm2，包括：定植水375 m3/hm2，緩苗水120 m3/hm2，常規(guī)施肥(CK)處理每隔10 d左右追肥灌溉一次，共3次，每次施肥灌溉150 m3/hm2，其余處理澆等量清水。

表1 施肥方案Tab.1 Schedule of chemical fertilizer application kg/hm2

1.4 項(xiàng)目測(cè)定及方法

1.4.1 產(chǎn)量和養(yǎng)分含量測(cè)定 收獲時(shí)，每小區(qū)取20顆生菜，稱質(zhì)量并計(jì)算總產(chǎn)量，隨后按照銷售標(biāo)準(zhǔn)處理后計(jì)算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。從樣品中取3顆生菜，切碎混勻后烘干稱干質(zhì)量，然后將烘干樣粉碎并混勻后取少量混合樣，采用H2SO4-H2O2消化，分別用半微量凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定全氮、全磷和全鉀含量[19]。

氮肥利用率用差減法計(jì)算：氮肥利用率(Nitrogen utility efficiency，NUE)=(施氮區(qū)作物吸氮量-無氮區(qū)作物吸氮量)/施氮量×100%。

1.4.2 生菜品質(zhì)分析 收獲時(shí)每小區(qū)隨機(jī)取3顆生菜，生菜每顆切1/2，3顆勻后取樣，分別用2，6-二氯靛酚滴定法和紫外分光光度法測(cè)定硝酸鹽和Vc含量[20]。

1.4.3 土壤硝態(tài)氮測(cè)定 生菜收獲時(shí)取0～100 cm土壤樣品(每20 cm一層)，每小區(qū)取3個(gè)點(diǎn)，將同層土樣混合。新鮮土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后過5 mm篩，土壤硝態(tài)氮采用氯化鈣提取-連續(xù)流動(dòng)分析儀(Auto Analyzer 3，BRAN LUEBBE)測(cè)定。

1.4.4 植物酶活性分析 生菜葉片硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脫氫酶(GDH)均利用試劑盒(南京建成生物工程研究所)進(jìn)行測(cè)定。

1.4.5 葉片葉綠素含量測(cè)定 葉綠素含量采用丙酮浸提法測(cè)定[21]，用打孔器在每個(gè)樣品同樣位置取葉片組織稱質(zhì)量，加入80%丙酮、少許碳酸鈣和石英砂研磨勻漿，轉(zhuǎn)移到50 mL棕色容量瓶，定容后用分光光度計(jì)分別測(cè)定溶液在663，645 nm的吸光度。

Ca=12.7A663-2.69A645

①

Cb=22.9A645-4.68A663

②

CT=Ca+Cb=20.2A645+8.02A663

③

其中，Ca、Cb和CT分別為待測(cè)液體中葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素質(zhì)量濃度，單位為mg/L，A663和A645分別為溶液在663，645 nm的吸光度。最后再根據(jù)取樣量和定容體積計(jì)算葉片中葉綠素含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013、Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)生菜產(chǎn)量品質(zhì)的影響

由表2可知，各處理結(jié)球生菜總產(chǎn)量在56.8～60.1 t/hm2，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量在36.7～38.4 t/hm2，處理間差異不顯著(P>0.05)。與常規(guī)施肥(CF)處理相比，減肥20%底追結(jié)合(-20%CF)處理的生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別增加1.00%和1.35%，減肥20%控釋摻混肥一次性底施(-20%CU)處理的生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別增加2.32%和3.28%；并且，等養(yǎng)分投入下，-20%CU較-20%CF處理的生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別增加1.37%和1.91%。

從表2還可以看出，減肥處理顯著降低了生菜的硝酸鹽含量(P<0.05)，-20%CU和-20%CF處理的生菜硝酸鹽含量分別較CF處理顯著降低21.10%和29.98%(P<0.05)，-20%CF和-20%CU處理的生菜硝酸鹽含量差異不顯著(P>0.05)。不同處理間的生菜Vc含量差異不顯著(P>0.05)。

上述結(jié)果說明，過量施肥不僅未增加生菜產(chǎn)量，還造成生菜硝酸鹽含量增加，降低了生菜品質(zhì)。相反，減肥20%結(jié)合控釋摻混肥一次性底施不僅保證了生菜產(chǎn)量穩(wěn)定，還顯著降低硝酸鹽含量，提高了生菜品質(zhì)，具有很大的優(yōu)越性。

表2 不同處理的生菜產(chǎn)量和品質(zhì)Tab.2 Yield and quality of lettuce of different treatments

2.2 不同施肥處理對(duì)生菜養(yǎng)分吸收的影響

由表3可知，施氮不同程度增加了結(jié)球生菜吸氮量，其中-20%CU處理較CK顯著提高47.25%(P<0.05)；在3個(gè)施氮處理中，控釋摻混肥處理(-20%CU)的生菜吸氮量顯著高于等肥量常規(guī)減肥處理(-20%CF)(P<0.05)，且高于常規(guī)施肥，但差異不顯著(P>0.05)。-20%CU處理的氮肥利用率較-20%CF處理提高17.96百分點(diǎn)；另外，處理間生菜磷、鉀吸收量差異則不顯著(P>0.05)。

表3 生菜養(yǎng)分吸收和氮肥利用率Tab.3 Nutrient absorption of lettuce and N utility efficiency

2.3 不同施肥處理對(duì)土壤剖面殘留硝態(tài)氮分布的影響

從結(jié)球生菜收獲后土壤剖面硝態(tài)氮分布來看，1.0 m土體內(nèi)殘留硝態(tài)氮含量總體不高，均未超過地下水源飲用水硝酸鹽含量(以N計(jì))20 mg/L的安全閾值，其中在生菜根系密集區(qū)(0～40 cm)的殘留硝態(tài)氮均低于5 mg/kg(圖2)。在40 cm以下土層中，硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，其中施氮處理更為明顯，尤其是-20%CU處理在100 cm土層處的硝態(tài)氮含量已接近15 mg/kg，存在硝態(tài)氮淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 不同處理土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅糠植甲兓疐ig.2 Soil residual nitrate distribution under different treatments

2.4 不同施肥處理對(duì)生菜生理指標(biāo)的影響

在結(jié)球生菜苗期，各處理間葉綠素含量無顯著差異(P>0.05)；與CK相比，在蓮座期和結(jié)球中期，施氮處理均顯著提高了生菜葉綠素含量(P<0.05)；收獲期-20%CU處理也顯著提高了生菜葉綠素含量(圖3)(P<0.05)，由此可見，氮肥施用對(duì)于葉綠素提高效果明顯。在生菜整個(gè)生育期，施氮處理間的葉綠素含量差異不顯著(P>0.05)，不同氮肥劑型、施肥方法和用量對(duì)葉綠素含量影響不明顯。

不同小寫字母表示處理差異顯著(P<0.05)。圖4同。The different lowercase letters indicate significant differences between different treatment(P<0.05).The same as Fig.4.

在結(jié)球生菜苗期，除了CF處理的谷氨酸合成酶(GOGAT)顯著高于CK處理以外(P<0.05)，各處理間生菜葉片的硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酸合成酶(GOGAT)、谷氨酸脫氫酶(GDH)和谷氨酰胺合成酶(GS)(以鮮質(zhì)量計(jì))差異不顯著(P>0.05)(圖4)。在蓮座期，與CK相比，CF處理顯著增加了NiR、GOGAT、GDH和GS活性(P<0.05)，-20%CF處理顯著增加了NR、NiR、GDH活性(P<0.05)，-20%CU處理顯著增加了除GS外4種的酶活性(P<0.05)。結(jié)球中期，除-20%CF處理的GOGAT活性與CK無顯著差異以外(P>0.05)，其余施氮處理均顯著增加5種酶活性(P<0.05)。收獲期，各施氮處理較CK均顯著提高了葉片5種酶活性(P<0.05)。

在結(jié)球生菜整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)，施氮處理間的氮代謝酶活性無顯著差異，肥料用量和施肥方法對(duì)酶活性影響不大。生菜生育期內(nèi)氮代謝酶活性變化特征與葉綠素類似(圖3)，施氮對(duì)酶活性的影響主要在生菜生長(zhǎng)中后期比較明顯。

圖4 結(jié)球生菜不同生育期氮代謝酶活性變化Fig.4 Pattern of nitrogen metabolism enzymes activities in lettuce at different growth stages

3 結(jié)論與討論

我國(guó)蔬菜生產(chǎn)具有復(fù)種指數(shù)高、施肥(有機(jī)肥和化肥)量大的特點(diǎn)[3-4，22]，過量的氮、磷、鉀養(yǎng)分投入不僅降低了肥料的利用效率，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[18]；因此，蔬菜生產(chǎn)中減肥的潛力較大?？蒯寭交旆始饶軡M足作物全生育期的養(yǎng)分需求，一次性施肥又能有效降低肥料投入成本[23]，增產(chǎn)增收和提高氮肥利用率的效應(yīng)明顯[24-25]。本研究中，與常規(guī)分次施肥相比，采用一次性施肥的控釋摻混肥在減肥20%的情況下，結(jié)球生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別增加2.32%和3.28%。與Guo等[26]在小青菜上的研究結(jié)果類似，同時(shí)與控釋肥在蔬菜上平均增產(chǎn)7%接近[13]，說明控釋肥對(duì)蔬菜產(chǎn)量和氮素吸收的提升效果優(yōu)于速效性化肥[27]。另外，本研究中，不同處理間結(jié)球生菜產(chǎn)量和磷、鉀吸收量差異并不顯著，可能與試驗(yàn)地大量施用化肥和有機(jī)肥有關(guān)，土壤基礎(chǔ)肥力較高，對(duì)肥料效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生較大影響[13]。

硝酸鹽和Vc含量對(duì)蔬菜品質(zhì)影響較大，蔬菜硝酸鹽累積到一定水平會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生潛在危害[28]，而各類新鮮蔬菜則是人體所需Vc主要來源[29]。施肥對(duì)蔬菜硝酸鹽含量、Vc含量和蔬菜品質(zhì)影響較大[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，控釋摻混肥較常規(guī)施肥顯著降低了結(jié)球生菜硝酸鹽含量，這與董亮等[15]和丁文雅等[30]在蔬菜上施用控釋肥可以不同程度地降低硝酸鹽含量的結(jié)果類似?？赡茉蚴强蒯尫试谕寥乐谐掷m(xù)釋放和轉(zhuǎn)化，可以為蔬菜生長(zhǎng)提供更適宜的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮比例，而合適的銨硝比對(duì)于降低蔬菜硝酸鹽含量尤為重要[30]。

氮是構(gòu)成葉綠素和氮轉(zhuǎn)化酶的主要元素，施氮能夠提高作物葉綠素含量和氮素轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶的活性，顯著促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)運(yùn)[31-33]?？蒯寭交旆手械乃傩У涂蒯尩謩e滿足作物生長(zhǎng)前期和中后期的氮素營(yíng)養(yǎng)，從而保障了作物高產(chǎn)的氮素需求[34]。本研究中，與常規(guī)施肥相比，采用一次性施肥和化肥減量的控釋摻混肥并沒有降低結(jié)球生菜不同生育期的葉綠素含量和氮轉(zhuǎn)化酶活性，與郭萍等[35]和姬景紅等[36]在玉米上的研究結(jié)果一致。進(jìn)一步結(jié)合控釋摻混肥較常規(guī)施肥的結(jié)球生菜產(chǎn)量略有提升的結(jié)果來看，控釋摻混肥的氮素供應(yīng)、生菜對(duì)氮素吸收和轉(zhuǎn)化優(yōu)于常規(guī)施肥，而常規(guī)施肥則可能存在過量施氮的問題，因?yàn)槭┑砍^一定閾值后，增加氮肥用量反而會(huì)造成葉綠素含量和氮轉(zhuǎn)化酶活性降低[37-38]。

結(jié)球生菜收獲后0～100 cm土壤剖面殘留硝態(tài)氮含量未高于20 mg/L，但施氮處理在60～100 cm土層的硝態(tài)氮含量明顯偏高，尤其是控釋摻混肥處理在100 cm土層處的硝態(tài)氮含量達(dá)到了15 mg/L。由于蔬菜的根系主要分布在0～30 cm土層，對(duì)深層土壤中的養(yǎng)分吸收能力弱[22]，因此，根層以下的硝態(tài)氮淋洗風(fēng)險(xiǎn)較高。本研究中，控釋摻混肥處理的殘留土壤硝態(tài)氮含量高于速效性化肥，淋失風(fēng)險(xiǎn)更高，與通常研究中控釋肥能降低硝酸鹽淋洗的結(jié)果不同[10，15]，其可能原因包括控釋摻混肥一次性施肥較常規(guī)分次施肥投入氮量高[39]，生菜生長(zhǎng)期溫度從高至低加速了控釋肥在中前期的氮素釋放[40]，以及前期雨水偏多利于硝態(tài)氮向下淋洗和遷移[39]；因此，為了避免一次性施肥導(dǎo)致的硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)增加，選用前期養(yǎng)分釋放速率較低的控釋肥更有利于抑制硝態(tài)氮淋洗損失[41]。

本研究在露地結(jié)球生菜生產(chǎn)中，采用控釋摻混肥一次性減量施肥(氮、磷、鉀減量20%)的輕簡(jiǎn)化施肥措施，相比于常規(guī)分次施肥，生菜總產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量保持穩(wěn)定，生菜硝酸鹽含量顯著降低29.98%。