增施銨態(tài)氮對(duì)北方冬季基質(zhì)栽培普通白菜根系特性及養(yǎng)分利用的影響

公華銳 駱洪義 亓艷艷 龐曉燕 王旭鵬 李國輝

（土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018）

普通白菜具有生長(zhǎng)速度快、生產(chǎn)周期短、抗寒能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是北方地區(qū)冬季重要的設(shè)施栽培蔬菜之一。由于普通白菜復(fù)種指數(shù)高、栽培周期短，因此對(duì)N肥的需求量較大（袁偉 等，2010；劉玉學(xué) 等，2013）；為了追求高產(chǎn)，在栽培過程中N素過量供應(yīng)的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，不僅造成了資源浪費(fèi)、環(huán)境污染，還嚴(yán)重影響蔬菜的安全與品質(zhì)。因此合理配置N素供應(yīng)、降低N素對(duì)環(huán)境的壓力，同時(shí)保證蔬菜產(chǎn)量與品質(zhì)，是目前蔬菜栽培中的重要目標(biāo)；其中改變N素供應(yīng)結(jié)構(gòu)，適量提高NH4+-N供應(yīng)比例是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑（Dortch &Conway，1984；Plett et al.，2018）。從理論上講，作物吸收NH4+-N消耗的能量少，能直接參與N素代謝；而吸收的NO3--N經(jīng)過還原為NH4+-N才能進(jìn)一步參與代謝過程，會(huì)消耗更多的能量，對(duì)植株生長(zhǎng)不利（Yang et al.，2009）。張英鵬等（2005）、陳磊等（2010）研究表明，在葉菜類蔬菜的栽培中，以硝態(tài)氮營養(yǎng)為主、合理的增銨營養(yǎng)，不僅能夠提高蔬菜產(chǎn)量、降低蔬菜可食用部分的硝酸鹽含量，還能夠提高N素利用效率，降低由N肥流失對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響。增銨營養(yǎng)顯著降低了菠菜體內(nèi)的硝酸鹽含量與草酸含量，且能夠改變?nèi)~片中游離氨基酸的組成，進(jìn)而改善菠菜的營養(yǎng)品質(zhì)（汪建飛等，2007）；混合N源還能夠促進(jìn)葉菜類蔬菜的N素代謝活性，且相比NO3--N，NH4+-N營養(yǎng)對(duì)根系N素運(yùn)轉(zhuǎn)的促進(jìn)作用更強(qiáng)（Matraszek，2008）。因此，合理配置N素形態(tài)是改善葉菜類蔬菜對(duì)N素利用的關(guān)鍵因素。

我國設(shè)施菜地在常年高強(qiáng)度連作下土壤質(zhì)量已經(jīng)嚴(yán)重下降，而基質(zhì)栽培不僅能夠?yàn)槭卟松L(zhǎng)提供合理的根系生長(zhǎng)環(huán)境，還能有效防治土傳病害（李婷婷 等，2013），已經(jīng)逐漸成為北方設(shè)施蔬菜的重要栽培模式。在北方設(shè)施蔬菜基質(zhì)栽培中，有機(jī)栽培基質(zhì)容重低、孔隙度大、保水性差，對(duì)作物根系生長(zhǎng)的機(jī)械壓迫?。ü罉s，2005）；同時(shí)，在我國北方地區(qū)由于季節(jié)溫差大，低溫脅迫會(huì)抑制作物對(duì)NO3--N的吸收，增加NH4+-N比例能提高作物N素吸收量（張淑英 等，2017）；且設(shè)施菜地氨揮發(fā)與土壤溫度、施N量存在正相關(guān)關(guān)系（龔巍巍等，2011），冬季增銨能夠降低氨揮發(fā)，提高N素利用效率。本試驗(yàn)以傳統(tǒng)營養(yǎng)液硝銨比例為基礎(chǔ)，在相同的N素供應(yīng)量下，以全量NO3--N供應(yīng)為對(duì)照，增加NH4+-N比例，探究增銨營養(yǎng)在冬季對(duì)基質(zhì)栽培普通白菜根系生長(zhǎng)、根系活力、根系N素代謝關(guān)鍵酶活性、根系形態(tài)特征等根系特性的影響，以及增銨營養(yǎng)對(duì)普通白菜N素消耗、養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，以期為葉菜類蔬菜在北方冬季的合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2015年12月至2016年1月在山東省泰安市岱岳區(qū)蔬菜栽培基地冬暖式大棚內(nèi)進(jìn)行，地處北緯 36.04～36.25°、東經(jīng) 117.16～117.21°，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，全年平均溫度12.8 ℃，日照總量2 360 h，無霜期195 d。供試普通白菜品種為上海雞毛菜（南京小白菜良種種植中心提供）；供試有機(jī)栽培基質(zhì)為高溫滅菌復(fù)合基質(zhì)（草炭、混合發(fā)酵物、珍珠巖、蛭石體積比為2∶1∶1∶1）容重0.59 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)含量 14.97%，全 N 4.35 g·kg-1，-N 11.43 mg·kg-1，NH4+-N 1.87 mg·kg-1。 栽培期間棚內(nèi)溫度環(huán)境如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)期間冬暖式大棚內(nèi)溫度變化趨勢(shì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，在N素供應(yīng)（17.33 mmol·L-1）水平一致的前提下，設(shè)4個(gè)增銨比例：0（CK）、25%、40%、60%，分別記為A0、A25、A40、A60，其中 NO3--N 來源為 Ca（NO3）2·4H2O、KNO3，NH4+-N 來 源 為 NH4H2PO4、（NH4）2SO4。營養(yǎng)液配方采用基于荷蘭Hoagland的改進(jìn)配方（Hoagland & Arnon，1950）， 其 他 大 量 元 素含 量 為 P 1.33 mmol·L-1、K 4.0 mmol·L-1、Ca 4.0 mmol·L-1、Mg 2.0 mmol·L-1；微量元素用量為MnSO4·4H2O 2.13 mg·L-1、H3BO32.86 mg·L-1、ZnSO4·7H2O 0.22 mg·L-1、CuSO4·5H2O 0.05 mg·L-1、（NH4）6Mo7O24·4H2O 0.02 mg·L-1、Na2Fe-EDTA 50 mg·L-1。

采用盆栽方式，盆直徑50 cm、高40 cm，每盆填入復(fù)合基質(zhì)20 kg，每處理10盆，3次重復(fù)。2015年12月1日撒播，出苗后間苗，每盆保留長(zhǎng)勢(shì)一致的4株壯苗，幼苗現(xiàn)第2對(duì)真葉后（2015年12月16日）開始計(jì)算生長(zhǎng)時(shí)期。營養(yǎng)液現(xiàn)用現(xiàn)配，pH調(diào)節(jié)至5.5～6.1，加入雙氰胺（7 μmol·L-1）作為硝化抑制劑以保證營養(yǎng)液中NH4+-N的穩(wěn)定。營養(yǎng)液澆灌參照基質(zhì)濕度變化，每次每盆1 L；在計(jì)算生長(zhǎng)期后的第30天采收（2016年1月16日）。栽培期間除定期澆灌營養(yǎng)液外，每周澆1次清水，每盆總灌溉量及營養(yǎng)液用量如表1所示。

表1 栽培期間每盆營養(yǎng)液用量

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

分別在計(jì)算生長(zhǎng)期后的0、10、20、30 d采用土鉆取基質(zhì)樣品，用于測(cè)定NO3--N、NH4+-N含量。分別于10、20、30 d每處理隨機(jī)選取4～6株普通白菜，整株取樣，取樣時(shí)要保證根系的完整，地上部植株洗凈、105 ℃殺青后75 ℃烘干至恒重并研磨，測(cè)定植株N素含量；植株地下根系部分用流水洗凈，吸水紙吸干附著水分，一部分烘干測(cè)定根系干物質(zhì)量，一部分取新鮮根毛樣品測(cè)定根系活力及相關(guān)N素代謝關(guān)鍵酶活性。

2016年1月16日，剩余普通白菜全部采收并稱質(zhì)量、記錄株數(shù)，計(jì)算單株質(zhì)量。然后，每處理分別取5～8株新鮮根系樣品，完整根系部分洗凈瀝干水分后，采用LA-S分析掃描儀與萬深植物根系分析系統(tǒng)進(jìn)行根部掃描、分析根部形態(tài)特征。取地上部分洗凈瀝干水分，稱量鮮質(zhì)量；之后，一部分新鮮樣品取可食用部分用于測(cè)定品質(zhì)指標(biāo)；一部分樣品分為地上葉片部分與地下根系部分，洗凈瀝干水分，105 ℃殺青后75 ℃烘干至恒重并分別稱取干物質(zhì)量，之后研磨過篩，用于測(cè)定植株主要元素含量。

普通白菜根系活力及相關(guān)酶活性測(cè)定：根系活力測(cè)定采用TTC-脫氫酶還原法；硝酸還原酶（NR）活性測(cè)定采用活體法，以1 h內(nèi)還原的亞硝酸鹽量表示；谷氨酰胺合成酶（GS）活性以每毫克酶蛋白在1 h內(nèi)催化生成的γ-谷氨酰基異羥肟酸與鐵絡(luò)合的產(chǎn)物在540 nm處的吸光值表示（李合生，2000；趙世杰，2002）。品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定：硝酸鹽含量測(cè)定采用水楊酸-H2SO4顯色法；可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法；VC含量測(cè)定采用2，6-二氯靛酚滴定法；有機(jī)酸含量測(cè)定采用標(biāo)準(zhǔn)堿滴定法（李合生，2000；趙世杰，2002）。植株元素含量測(cè)定：經(jīng)H2SO4-H2O2消解后，使用Smartchem200全自動(dòng)智能化學(xué)分析儀測(cè)定植株全N及全P含量，采用火焰光度法測(cè)定全K含量?；|(zhì)NO3--N、NH4+-N含量測(cè)定：新鮮基質(zhì)樣品經(jīng)CaCl2浸提后，采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

N素利用效率相關(guān)計(jì)算：假設(shè)盆栽基質(zhì)總質(zhì)量不變，即基質(zhì)干質(zhì)量均為20 kg。NO3--N消耗量（mg）=階段NO3--N使用量-（階段NO3--N含量差值×基質(zhì)干質(zhì)量）；NH4+-N消耗量（mg）的計(jì)算同上述方法。氮肥偏生產(chǎn)力（nitrogen partial factor productivity，NPFP，g·g-1）=單株質(zhì)量 /單株氮肥施用量（郭淑霞和龔元石，2011）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行計(jì)算；利用SPSS Statistics 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；運(yùn)用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；采用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同增銨處理對(duì)普通白菜根系生長(zhǎng)及根系活力的影響

增銨處理對(duì)普通白菜根系生長(zhǎng)及根系活力的影響顯著（圖2）。在生長(zhǎng)期第10天，根系干物質(zhì)量隨著增銨比例的提高而降低，此后直到收獲A25處理的根系干物質(zhì)量均為最高，在第20、30天分別到達(dá)8.2、9.2 g；在整個(gè)生長(zhǎng)期A60處理的根系干物質(zhì)量始終顯著低于其他處理。根系活力隨著增銨比例的增加而降低，在整個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)照（A0）的根系活力均顯著高于各增銨處理，比A60處理提高了28.4%～83.7%。

圖2 不同增銨處理對(duì)普通白菜根系生長(zhǎng)及根系活力的影響

2.2 不同增銨處理對(duì)普通白菜根系形態(tài)的影響

由表2可知，各增銨處理對(duì)普通白菜根系形態(tài)特征影響顯著。隨著NH4+-N比例的增加，根系總長(zhǎng)呈先升后降的趨勢(shì)，A40處理的根系總長(zhǎng)最高，顯著高于對(duì)照和其他處理。A25處理的根系表面積、體積、平均直徑均為最高，3個(gè)指標(biāo)各處理排序均為A25＞A40＞A0（CK）＞A60。根尖數(shù)在0～40%的增銨范圍內(nèi)處理間無顯著差異，且均顯著高于A60處理。

表2 不同增銨處理下普通白菜根系形態(tài)特征

2.3 不同增銨處理對(duì)普通白菜根系N素代謝關(guān)鍵酶活性的影響

各增銨處理對(duì)普通白菜根系N素代謝關(guān)鍵酶活性影響顯著（圖3）。高比例的NO3--N供應(yīng)顯著提高根系中硝酸還原酶（NR）活性，在生長(zhǎng)期第20天各處理間差異最大，其中對(duì)照（A0）的NR活性最高，達(dá)到8.8 μg·g-1·h-1（FW）；隨著NH4+-N比例的提高，NR活性下降了22.7%～42.7%。根系中谷氨酰胺合成酶（GS）活性隨NH4+-N比例的提高呈上升趨勢(shì)，其中A60處理整個(gè)生長(zhǎng)期GS活性均為最高〔16.9～23.9μmol·g-1·h-1（FW）〕，比對(duì)照提高了141.6%～201.7%。

2.4 不同增銨處理對(duì)普通白菜養(yǎng)分吸收的影響

各增銨處理對(duì)普通白菜NO3--N與NH4+-N的消耗量影響顯著（表3）。從N素整體消耗量來看，各處理對(duì)NO3--N與NH4+-N的消耗量均與各自NO3--N與NH4+-N供給比例呈正比。但在普通白菜生長(zhǎng)期的0～10 d，A25處理的NO3--N消耗量最高，比對(duì)照增加了31.1%，即增銨營養(yǎng)促進(jìn)了NO3--N的消耗；在20～30 d，增銨比例0～40%范圍內(nèi)各處理間NO3--N消耗量無顯著差異，且均顯著高于A60處理。對(duì)照（A0）的氮肥偏生產(chǎn)力（NPFP）最高，顯著高于A25和A60處理。

圖3 不同增銨處理對(duì)普通白菜根系N素代謝關(guān)鍵酶活性的影響

表3 不同增銨處理對(duì)普通白菜N素消耗量及氮肥偏生產(chǎn)力的影響

表4 不同增銨處理對(duì)普通白菜營養(yǎng)元素含量的影響

由表4可知，普通白菜地上部N素含量各增銨處理間無顯著差異，而地下部N素含量以A40處理最高（30.94 mg·g-1），且顯著高于對(duì)照和其他處理。不同比例NH4+-N處理對(duì)地上部P素含量無顯著影響，地下部P素含量排序?yàn)锳40＞A60＞A25＞A0（CK），增銨40%、60%處理地下部P素含量較對(duì)照顯著提高了31.4%、20.1%。地上部及地下部K素含量均隨著NH4+-N比例的提高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.5 不同增銨處理對(duì)普通白菜單株質(zhì)量及品質(zhì)的影響

由表5可知，普通白菜單株質(zhì)量各處理排序?yàn)锳0（CK）＞A40＞A25＞A60，相較于對(duì)照，增銨處理單株質(zhì)量下降了7.1%～10.5%。A40處理的地上部干物質(zhì)量與對(duì)照無顯著差異，但顯著高于A25與A60處理。隨著NH4+-N比例提高，硝酸鹽含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，A60處理比對(duì)照顯著降低了26.0%；可溶性糖含量呈上升態(tài)勢(shì)，A60處理比對(duì)照顯著提高了52.7%。對(duì)照（A0）的VC含量最高，顯著高于各增銨處理，各增銨處理間VC含量無顯著差異。增銨處理對(duì)有機(jī)酸含量無顯著影響。

表5 不同增銨處理對(duì)普通白菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

3 結(jié)論與討論

前人研究證明，適宜范圍內(nèi)的增銨營養(yǎng)能夠促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)發(fā)育（Kudoyarova et al.，1997；宋海星和李生秀，2005）。本試驗(yàn)中，相對(duì)于全硝態(tài)氮處理，增銨25%處理顯著提高了普通白菜根系干物質(zhì)量，有利于根系形態(tài)發(fā)育，但是繼續(xù)增加NH4+-N比例，特別在60%增銨水平下根系總長(zhǎng)、根系表面積、根系體積顯著降低。王波等（2006）研究表明，25%增銨處理顯著增加了生菜根系干物質(zhì)量以及根系表面積等形態(tài)指標(biāo)；但50%的增銨比例對(duì)生菜根系生長(zhǎng)并無顯著的抑制作用，說明不同蔬菜種類之間對(duì)銨毒害的承受能力存在差異。此外，根系活力反映著植物根系新陳代謝活動(dòng)的強(qiáng)弱，有研究證實(shí)根系氮素吸收能力與根系活力存在高度相關(guān)性（Liu et al.，2008；徐國偉 等，2017），并與N素用量也存在正相關(guān)關(guān)系。本試驗(yàn)中，普通白菜的根系活力以及NR活性均隨NH4+-N比例的增加而下降。采用TTC法測(cè)定的根系活力僅以脫氫酶作為根系活力的表征（Zhao et al.，2010），且脫氫酶主要受根系呼吸作用的影響。一般植物對(duì)NO3--N的吸收過程，相對(duì)于NH4+-N的吸收消耗更多的ATP（Zhou et al.，2007），刺激根系呼吸，從而影響TTC法測(cè)定的根系活力。在NO3--N的還原過程中，主要由根系吸收后運(yùn)輸?shù)饺~肉細(xì)胞中進(jìn)行還原（Lea & Miflin，1974），而根系主要吸收的NH4+-N大部分在根部通過谷氨酰胺酶（GS）與谷氨酸合成酶（GOGAT）途徑同化（Lewis et al.，1982），因此根系GS活性高于NR活性，NH4+-N比例越高根系GS活性越高。NR作為NO3--N還原過程中的限速酶，其活性隨著NH4+-N比例增加而降低。本試驗(yàn)中普通白菜根系中NR、GS活性同樣遵循這一結(jié)果。

增銨營養(yǎng)作為提高N素利用效率的重要途徑之一，主要由于提高NH4+-N比例能夠促進(jìn)作物對(duì)N素的吸收。本試驗(yàn)中，各增銨處理均提高了植株體內(nèi)的N素含量，且在25%增銨比例下還能在普通白菜生長(zhǎng)初期提高NO3--N的消耗量。在前人對(duì)普通白菜（小白菜）、紅花苗菜等的研究中，認(rèn)為在25%～60%的NH4+-N比例內(nèi)，植株N素吸收量與N素利用效率均高于全NO3--N供應(yīng)（Cao et al.，2015；胡喜巧 等，2016）。本試驗(yàn)中，40%增銨處理普通白菜的氮肥偏生產(chǎn)力與全硝營養(yǎng)無顯著差異，25%、60%增銨處理普通白菜的氮肥偏生產(chǎn)力顯著低于全硝態(tài)氮處理，可能是由于增銨營養(yǎng)提高了植株N素含量，而沒有對(duì)單株質(zhì)量及地上部干物質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。此外，增銨營養(yǎng)降低了普通白菜植株的K素含量，已有報(bào)道指出植物對(duì)NH4+-N的吸收會(huì)影響根系對(duì)K+、Mg2+、Ca2+等陽離子的吸收（Szydelkorabska et al.，2014），這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。P素在普通白菜地上部、地下部的含量受增銨營養(yǎng)的影響不同，這與牛振明等（2013）對(duì)娃娃菜的研究結(jié)果一致，增銨營養(yǎng)提高了娃娃菜根部與葉白部分的P素含量，而對(duì)葉片中的P素含量無顯著影響。

當(dāng)前對(duì)于葉菜類蔬菜的研究中，普遍認(rèn)為在NO3--N為主的氮素供應(yīng)中，增加適量的NH4+-N能夠提高產(chǎn)量，且不同蔬菜最高產(chǎn)量下所適宜的NH4+-N比例不同。汪建飛等（2007）研究表明，在25%的增銨比例下菠菜產(chǎn)量最高；陳巍等（2004）對(duì)小白菜的研究得出50%的增銨營養(yǎng)增產(chǎn)最明顯。本試驗(yàn)中，40%增銨比例普通白菜的單株質(zhì)量與地上部干物質(zhì)量與對(duì)照無顯著差異，而60%增銨比例普通白菜的單株質(zhì)量與地上部干物質(zhì)量顯著低于對(duì)照全硝營養(yǎng)?？赡苡捎谑艿蜏孛{迫，普通白菜本身生長(zhǎng)受到抑制，產(chǎn)量低于常溫栽培（羅斌 等，2017），因此增銨營養(yǎng)的增產(chǎn)效果不明顯。本試驗(yàn)結(jié)果還表明，增銨營養(yǎng)顯著降低了普通白菜體內(nèi)的硝酸鹽含量，這與前人對(duì)于增銨營養(yǎng)降低硝酸鹽在植物體內(nèi)積累的研究結(jié)果一致。一方面認(rèn)為植物對(duì)于NH4+-N的吸收干擾了對(duì)NO3--N的吸收，從而降低了植株體內(nèi)硝酸鹽的來源（Li et al.，2013）；另一方面認(rèn)為，高比例NH4+-N提高了GS活性，從而提高了對(duì)NO3--N的還原能力，降低了硝酸鹽的積累（Peuke & Kaiser，1996）。本試驗(yàn)中，增銨處理顯著提高了普通白菜中的可溶性糖含量，降低了VC含量，這與前人對(duì)小白菜（馬慶旭 等，2015）、菠菜（汪建飛 等，2007）等的研究結(jié)果一致，均認(rèn)為是NH4+-N參與糖代謝、酸代謝產(chǎn)生的影響。

綜上所述，在北方冬季設(shè)施栽培的背景下，相對(duì)全硝態(tài)氮素供應(yīng)，增銨營養(yǎng)對(duì)普通白菜單株質(zhì)量沒有顯著影響，但能夠提高植株的N素吸收量。從產(chǎn)量、N素利用效率以及營養(yǎng)品質(zhì)的角度綜合考量，以NO3--N為主（17.33 mmol·L-1）配施40% NH4+-N，能夠?qū)崿F(xiàn)普通白菜設(shè)施栽培的優(yōu)質(zhì)高效。