氮素水平对基质栽培娃娃菜光合生理 产量及品质的影响

高艳，乔亚丽，赵兆，张坤，胡琳莉*

（1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；2.唐山开滦第一中学，河北 唐山 063000）

娃娃菜（Brassica pekinensis）属十字花科芸薹属白菜亚种，又称微型大白菜，其食用方便、风味独特、品质优良、口感脆嫩，富含多种矿物质和膳食纤维，且具有生长期短、易栽培、耐贮运等优良特性，因此，深受广大消费者和菜农的青睐，种植经济效益较高。随着市场需求的不断变化，高产优质是当前娃娃菜育种的主要目标[1]。氮素对作物生长发育具有重要影响，在一定范围内施用氮肥能够提高作物产量和品质等[2]。但是目前由于人们片面追求高产，盲目大量施用氮肥，虽然在一定程度上提高了作物产量，但也造成了资源浪费、肥料利用率下降、产品质量降低、生态环境条件恶化等不良后果[3]。因此，提高氮肥利用率，减少环境污染是当前农业生产上面临的主要难题之一。

氮素主要通过对光合作用、呼吸作用以及一些代谢酶的影响来对植物营养特性产生影响，氮是叶绿素的主要组成成分，施用氮肥一般能促进植物叶片叶绿素的合成。增施氮肥后，高产春大豆净光合速率明显增加[4]。在适宜施氮量范围内，提高氮素水平可促进叶片含氮量和CO2同化速率增加；但是超出范围后继续增施氮肥，会导致叶片同化速率降低。不同形态的氮素对蔬菜叶片光合速率的影响不同[5]。增施氮肥可有效提高蔬菜产量，但过量施肥会对蔬菜生长发育带来负面影响，如导致植株长势变弱、抗逆性降低、肥料利用率降低，甚至导致干烧心病的发生等[6～8]。

2014年巨晓棠等[9]对我国农田氮肥的施用现状、问题及趋势进行分析后指出，合理施用氮肥主要包括施肥量、施肥时期、施肥方法和肥料品种4个方面，这四者既相互联系又相互影响，但对目标产量和品质起决定与关键作用的是合理施肥量。Badr等[10]研究表明，在干旱区种植结构和氮素供应水平对番茄产量、氮素利用率以及水分利用率有显著影响。大量研究结果表明，施氮水平对养分吸收分配利用以及作物产量和品质具有显著影响[11～13]。尽管目前在大多数作物上进行了氮素水平的肥效试验，但在基质盆栽条件下施氮水平对娃娃菜生长、产量和品质调控的研究尚未见报道。因此，采用基质盆栽方法，研究不同氮素水平对娃娃菜生长、光合生理、产量和品质以及光合参数的影响，旨为基质栽培娃娃菜高产优质生产提供施肥参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验品种为兰州地区主栽的高原夏菜娃娃菜品种“惠农金娃娃”。栽培基质为商品基质（甘肃绿能瑞奇有限公司提供），养分含量为全氮3.253 g/kg、全磷2.40 g/kg、全钾5.57 g/kg，其中碱解氮162.67 mg/kg、有效磷6.67 mg/kg、速效钾0.13 mg/kg。试验所用氮肥为尿素（N含量46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5含量17%），钾肥为硫酸钾（K2O含量51%），均购自湖北凯龙楚兴化工集团有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验于2018年7～10月在甘肃农业大学现代玻璃温室中进行，娃娃菜采用基质盆栽。6月30日育苗；7月25日移栽，选择长势一致的娃娃菜幼苗单株定植于装有基质1.5 kg/盆的花盆（外径25 cm、内径21.5 cm、高16.5 cm）中。试验氮素水平设5个处理，其中，N0为不施氮肥（CK），N2为优化施氮量[14]，N1、N3、N4的氮肥施用量分别为优化施氮量减少50%、增加50%、增加100%（表1）。氮肥和钾肥2种肥料50%作为基肥施入基质，50%于莲座期追施；磷肥一次性基施。采用随机区组设计，每处理6盆，5次重复。娃娃菜其他管理方法均相同，9月25日采收。

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

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 植株形态指标。分别于娃娃菜定植当天以及定植后第15天、第30天和第54天，测定株幅、叶面积（外叶）和叶片数；娃娃菜进入结球期开始，统计株高。其中，株幅测定和计算参照胡琳莉等[15]方法；叶面积根据标记植株的叶长和叶宽，通过公式计算得到：

式中，k为换算系数；π为圆周率；A为叶长（cm）；B为叶宽（cm）。

1.2.2.2 产量指标。将采收的娃娃菜分为地上和地下两部分，用电子天平分别称量鲜重，整株鲜重（地上部鲜重＋地下部鲜重）即为生物产量；之后将地上部分去掉外叶，称量其销售产品的鲜重，即为经济产量。计算经济系数（经济产量/生物产量）。

1.2.2.3 品质指标。依照高俊凤[16]的方法，测定娃娃菜产品的硝酸盐、可溶性蛋白质、可溶性糖、有机酸和Vc含量。其中，硝酸盐含量测定采用硝基水杨酸法；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；有机酸含量定采用NaOH碱式滴定法；Vc含量测定采用2，6-二氯靛酚滴定法。

1.2.2.4 光合参数指标。在娃娃菜结球末期（9月10日）9：00～11：00，测定娃娃菜功能叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO2浓度（Ci）。测定时，仪器参数设定：光照由LED光源提供，光照强度1 000μmol/（m2·s）；CO2由外界环境提供，浓度（400±5）μmol/mol；温度25℃，湿度80%。每处理测定均3个重复。

1.2.3 数据统计分析 利用Excel 2010软件作图；利用SPSS 20.0软件进行数据的方差分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 氮素水平对娃娃菜植株形态的影响

2.1.1 株高 氮素水平对娃娃菜株高有显著影响（图1）。随着氮素水平的提高，定植后第30天和第54天的株高均呈先增加后降低的变化趋势，且均以N1处理株高最大，与N2和N3处理差异不显著，但显著＞CK和N4处理，其中第54天的株高（27.3 cm）较CK高8%；均以N4处理株高最小，其中定植后第54天的株高显著＜CK和其他施氮处理。表明适量施氮（N1、N2和N3处理）可促进娃娃菜株高生长，其中N1处理效果显著；过量施氮（N4处理）会抑制娃娃菜株高生长。

2.1.2 株幅 氮素水平对娃娃菜株幅有显著影响（图2）。娃娃菜生长中后期，随着氮素水平的提高，株幅均呈先增加后降低的变化趋势，其中定植后第30天，N1处理的株幅（1 593.38 cm2）最大且显著＞CK（增幅为17%）和其他氮素水平处理，N4处理的株幅为施氮处理最小但也显著＞CK；定植后第54天，N3处理的株幅最大且显著＞CK和其他氮素水平处理，N4处理的株幅为所有处理最小且显著＜CK。表明适量施氮可促进娃娃菜株幅增大，其中定植后第30天N1处理株幅最大、第54天N3处理株幅最大；过量施氮（N4处理）不利于娃娃菜生长，到生长后期抑制作用明显。

图2 氮素水平对娃娃菜不同时期株幅的影响Fig.2 Effect of nitrogen levels on growth width of mini Chinese cabbage at different stages

2.1.3 叶片数 氮素水平对不同时期娃娃菜的叶片数影响程度不同，其中对生长前期的叶片数影响不大；对生长后期（定植后第54天）的叶片数有显著影响，叶片数随着氮素水平的提高而逐渐降低，其中N1和N2处理指标值较高，二者差异不显著，且均与CK差异也不显著，但三者均显著＞N3和N4处理（图3）。总体来看，施氮过量（N3和N4处理）会导致娃娃菜外叶提前衰老死亡，至生长后期叶片数明显减少；适量施氮（N1和N2处理）可延缓娃娃菜外叶衰老，保持较多的叶片数，其中N1处理效果好且较为经济。

图3 氮素水平对娃娃菜不同时期叶片数的影响Fig.3 Effect of different nitrogen levels on leaf number of mini Chinese cabbage at different stages

2.1.4 叶面积 在第54天测量时，最外层叶片有萎蔫甚至凋落的现象，因此没有该组数据。氮素水平对娃娃菜叶面积有显著影响（图4）。随着氮素水平的提高，定植后第15天的叶面积总体呈降低趋势，其中N1和N2处理指标值较高，二者差异不显著，且均与CK差异也不显著，但三者均显著＞N3和N4处理；定植后第30天的叶面积呈先增加后降低的变化趋势，其中N2处理的叶面积（286.11 cm2）最大，与N1处理差异不显著，且二者均与CK差异也不显著，但三者均显著＞N3和N4处理。表明适量施氮（N1和N2处理）可促进娃娃菜生长，叶片增大，其中N1处理效果较好且较为经济；较多施氮（N3和N4处理）反而会明显抑制娃娃菜的生长。

2.2 氮素水平对娃娃菜产量的影响

图4 氮素水平对娃娃菜不同时期叶面积的影响Fig.4 Effect of nitrogen levels on leaf area of mini Chinese cabbage at different stages

氮素水平对娃娃菜生物产量和经济产量均有显著影响（表2）。随着氮素水平的提高，娃娃菜的地上部鲜重呈先增加后降低的变化趋势，其中N1处理的指标值最大，且显著＞除N2之外的其他处理；地下部鲜重呈逐渐降低趋势，且仅N2与N3处理差异不显著，而其他处理之间的差异均达到了显著水平；生物产量呈先增加后降低的变化趋势，其中N1处理的指标值（708.96 g）最大，显著＞其他处理，较CK增加48%；经济产量与地上部鲜重的变化趋势一致，也呈先增加后降低的趋势，其中N1处理的指标值（310.00 g/株）最大，显著＞其他处理，较CK增加61%。可以看出，N1处理效果最好，较少施氮即可明显提高娃娃菜的生物产量和经济产量。

施氮处理的经济系数为0.33～0.44，其中N1处理最大且＞CK，N4处理最小且＜CK，其他3个氮素水平处理与CK相同。表明N1处理可提高娃娃菜的经济系数，过度施氮（N4处理）会导致娃娃菜经济系数大幅度降低。

2.3 氮素水平对娃娃菜品质的影响

氮素水平对娃娃菜品质有显著影响（表3）。随着氮素水平的提高，娃娃菜的可溶糖含量呈先增加后降低的变化趋势，其中N3处理的指标值最大，与N1和N2处理差异不显著，但三者均显著＞CK和N4处理；可溶性蛋白质含量呈不断增加趋势，施肥条件下指标值均显著＞CK，其中N2、N3和N4处理差异不显著但均显著＞CK和N1处理，而N1处理的指标值也显著＞CK；有机酸含量呈增加—降低—增加的变化趋势，其中N4处理的指标值显著较高，而其他处理之间差异均不显著；Vc含量呈先增加后降低的变化趋势，其中N2处理的指标值最大，与N1处理差异不显著，但二者均显著＞CK和其他2个氮素水平处理，而N3与N4处理差异不显著但二者指标值均略＜CK；硝酸盐含量呈不断增加趋势，施肥条件下指标值均显著＞CK，其中N1与N2处理差异不显著，但均显著＜其他2个氮素水平处理。施氮处理下娃娃菜的硝酸盐含量为580.04～1161.18 mg/g，虽然较CK明显升高，但均符合国家标准（≤3 000 mg/kg）[17]。总体来看，N1处理效果较好，不仅可有效提高娃娃菜的营养物质含量，且还可使硝酸盐含量保持在较低水平。

2.4 氮素水平对娃娃菜光合参数的影响

氮素水平对娃娃菜光合参数有显著影响（表4）。随着氮素水平的提高，娃娃菜的净光合速率呈先增加后降低的变化趋势，其中N1处理的指标值最高，显著＞其他处理，较CK提高120%；蒸腾速率呈不断增大趋势，其中N1处理的指标值与CK差异不显著，但二者均显著＜其他3个氮素水平处理，而N3与N4处理差异不显著但显著＞N2处理；气孔导度呈先降低后增加的变化趋势，其中N1处理的指标值最小，且显著＜其他处理；胞间CO2浓度呈先降低后升高的变化趋势，其中N4处理的指标值最大，与CK差异不显著，但二者均显著＞其他3个氮素水平处理，而N1与N2处理差异不显著但二者均显著＞N3处理。总体来看，N1处理效果最好，可有效提高娃娃菜的光合性能。

表4 氮素水平对娃娃菜光合参数的影响Table 4 Effect of different nitrogen levels on photosynthetic parameters of mini Chinese cabbage

3 结论与讨论

3.1 讨论

氮是植物所需矿质营养中需求量很大的元素之一[18，19]，直接影响植物的光合作用和生长发育，并最终影响作物产量和品质[20～22]。

3.1.1 氮素水平对娃娃菜生长、光合作用及产量的影响 农艺性状是植株生长发育过程中内在协调性的最直接外在表现。光合作用是作物产量形成的生理基础[23]，氮肥水平对作物产量的影响与光合作用密切相关[24，25]。本研究结果显示，N1处理的娃娃菜净光合速率最大，叶面积和株幅较大，叶片数较多。较大的株幅有利于植株更好地利用光能，提高光合性能，进而增大功能叶的叶面积。影响光合速率的因素主要有2种：一种是气孔因素；另一种是非气孔因素，即卡尔文循环中的限速酶活性。本研究结果表明，随着氮素水平的提高，娃娃菜的光合效率呈先升高后降低的趋势变化，其中N1处理的叶片净光合速率最大、气孔导度最小，N0处理的叶片净光合速率最低、胞间CO2浓度高（与最高值差异不显著）、气孔导度较大，说明不施氮条件下净光合速率主要是由非气孔因素决定的。研究显示，当氮素养分供应超过一定量时会抑制Rubisco的活性，适宜的氮肥用量可有效增强植物的光合效率[26，27]。氮肥不足是限制作物高产的主要因素，在一定施氮量范围内大白菜产量随着施氮量的增加而提高，当超过阈值后继续增施氮肥则产量开始降低[28]。本试验结果与前人观点相似，随着氮素水平的提高，娃娃菜的生物产量和经济产量均呈先升高后降低的趋势变化，其中N1处理的娃娃菜生长发育最佳，生物产量和经济产量均最大且显著＞CK和其他氮素水平处理，分别较不施氮对照提高了48%和61%；N4处理的娃娃菜生长发育最差，生物产量和经济产量均为所有处理最低，且显著＜CK和其他氮素水平处理。高氮水平下产量下降，一方面是由于光合作用较低，叶面积降低，影响了干物质的积累；另一方面是由于氮肥浓度太高造成娃娃菜烧心，影响产量。本试验结果显示，经济系数在N1处理下最大，N4处理下最小。早期研究显示，氮肥使用过多会导致土壤中的氮钙比降低，也会引起生理缺钙，造成娃娃菜干烧心病严重发生，降低娃娃菜的经济系数[29]。综合分析氮素水平对娃娃菜生长、光合作用及产量的影响，认为娃娃菜生长发育、光合参数及产量达到最佳的适宜施氮水平为N1处理，即施氮量为优化施氮量的50%。

3.1.2 氮素水平对娃娃菜品质的影响 蔬菜中硝酸盐含量过高会严重危害人体健康[30]，其含量与蔬菜品质呈负相关。蔬菜中的硝酸盐含量与施氮量呈正相关，诸多研究表明，蔬菜硝酸盐含量增加的主要原因是氮肥施入过量[31，32]。因此，在实际生产中，应将降低蔬菜中的硝酸盐含量作为施氮技术的重点。本研究结果表明，施用氮肥后娃娃菜硝酸盐含量较不施氮肥显著增加，且指标值随着施氮量的逐渐增大而递增，但含量仍在安全范围之内[30]，仅就施氮条件下娃娃菜的硝酸盐含量而言，N1处理最低。本研究结果表明，增施氮肥可显著提高娃娃菜的可溶性蛋白质含量，指标值随着施氮水平的不断提高而逐渐增大。可溶性糖是高等植物的主要光合产物，在植物体物质代谢中具有重要作用[33]。本研究结果表明，适量施氮（N1、N2、N3处理）可以显著提高娃娃菜的可溶性糖含量，过度施氮会导致娃娃菜可溶性糖含量降低。柠檬酸、苹果酸、草酸、乙酸、酒石酸、琥珀酸和丙二酸等为植物组织中常见的有机酸组分，这些有机酸的存在会促进植物对矿质元素的吸收、提高根系有效营养浓度，因此研究植物组织中各有机酸组分对指导科学施肥具有重要作用[34]。植物有机酸含量受环境条件和栽培措施的影响，主要包括光照、水分、营养元素、温度等，其中氮素作为主要的营养元素，是通过影响植物体内的氮代谢而对植物的有机酸代谢进行调控[35]。本试验结果表明，适量施氮（N1、N2和N3处理）可提高娃娃菜的可溶性糖、可溶性蛋白质、有机酸和Vc含量，且将硝酸盐含量保持在较低水平，使品质更佳，其中N1处理效果较好且较为经济。

3.2 结论

在基质盆栽条件下，当过磷酸钙和硫酸钾施肥量分别为5.52 g/盆和2.76 g/盆时，娃娃菜最佳施氮水平为尿素1.72 g/盆。该施肥条件下，娃娃菜的植株形态、光合参数、产量以及品质指标均达到最佳。