浙江大学学报(农业与生命科学版)  2018, Vol. 44 Issue (6): 678-686
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蒋静静, 常晓晓, 胡晓辉. 供氮水平对基质袋培黄瓜养分吸收分配和产量的影响[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版), 2018, 44(6): 678-686. DOI:10.3785/j.issn.1008-9209.2017.12.121
JIANG Jingjing, CHANG Xiaoxiao, HU Xiaohui. Effects of nitrogen supply level on nutrient absorption, distribution and yield of cucumber grown in substrate bag culture system[J]. Journal of Zhejiang University(Agriculture & Life Sciences), 2018, 44(6): 678-686.  DOI: 10.3785/j.issn.1008-9209.2017.12.121.
供氮水平对基质袋培黄瓜养分吸收分配和产量的影响[PDF全文]
蒋静静, 常晓晓, 胡晓辉    
西北农林科技大学园艺学院/农业部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌 712100
基金项目: 十三五国家重点研发计划(2016YFD0201005);陕西省重点研发计划(2018TSCXL-NY-05-01);陕西省科技统筹创新工程计划(2015KTTSNY03-03);陕西杨凌示范区产学研用协同创新重大项目(2018CXY-08, 2017CXY-07)
通信作者 (Corresponding author): 胡晓辉(https://orcid.org/0000-0003-1298-9250)，Tel:+86-29-87081192，E-mail: hxh1977@163.com
第一作者 (First author): 蒋静静(https://orcid.org/0000-0003-2933-1084)，E-mail: wszgdjj@126.com
收稿日期(Received): 2017-12-12; 接受日期(Accepted): 2018-03-07
摘要: 采用基质袋培种植方式，设置对照(CK，施氮量0 kg/株)、低氮(N1，施氮量0.016 kg/株)、中氮(N2，0.023 kg/株)和高氮(N3，0.030 kg/株)4种供氮水平，研究氮素供应水平对黄瓜植株养分吸收、分配和产量的影响。结果表明：随着供氮量的增加，黄瓜对氮、磷、钾元素的累积量均呈先升后降的变化趋势，表明合理增施氮肥有利于提高黄瓜对氮、磷、钾元素的吸收，特别是能显著提高结果盛期黄瓜对氮、磷、钾元素的累积。在整个生育期，黄瓜对钾的吸收量最高，氮次之，磷最少，其中以中氮处理的产量最高。各处理黄瓜氮肥利用率为21.3%~27.8%，且随施氮量的增加呈开口向下的抛物线变化趋势。选用叶面积、茎粗、干物质量和产量等指标对吸氮量进行通径分析，结果表明，产量可作为衡量黄瓜吸氮量的第一指标。综上所述，在磷、钾肥供应量不变的基础上，中氮处理(施氮量0.023 kg/株)为黄瓜基质袋培相对较适宜的供氮水平。
关键词: 基质袋培    供氮水平    黄瓜    养分吸收    产量    通径分析    
Effects of nitrogen supply level on nutrient absorption, distribution and yield of cucumber grown in substrate bag culture system
JIANG Jingjing, CHANG Xiaoxiao, HU Xiaohui    
College of Horticulture, Northwest A & F University/Key Laboratory of Protected Horticultural Engineering in Northwest, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi, China
Abstract: The experiment was conducted to study the effects of different nitrogen supply levels on nutrient uptake, distribution and yield of cucumber grown in substrate bag culture system. The different supply nitrogen treatments were as follows: the control (CK, 0 kg N per plant), low nitrogen (N1, 0.016 kg N per plant), medium nitrogen (N2, 0.023 kg N per plant) and high nitrogen (N3, 0.030 kg N per plant). Results showed that the accumulation of nitrogen, phosphorus and potassium in cucumber increased at first and then decreased with the increase of nitrogen supply, indicating that reasonable nitrogen level was beneficial for cucumber to improve the absorption of nitrogen, phosphorus and potassium, especially significantly enhanced the absorption of nitrogen, phosphorus and potassium in fruiting period of cucumber. In the whole growth period, cucumbers had the highest absorption rate of potassium, followed by nitrogen, and then phosphorus. The yield was the highest with the medium nitrogen treatment. The utilization rates of nitrogen in cucumber were between 21.3% and 27.8% with different treatments, which increased in early stage and then decreased later with the increase of nitrogen. Using the path analysis of leaf area, stem diameter, dry matter quality and yield of cucumber, the results illustrated that yield could be used as the first index of nitrogen uptake. In the whole, the medium nitrogen treatment (0.023 kg N per plant) is relatively appropriate nitrogen supply level for cucumber substrate bag culture.
Key words: substrate bag culture    nitrogen supply level    cucumber    nutrient absorption    yield    path analysis    

氮作为必需的生命体元素, 能参与植物体内各种代谢过程。同时, 作为重要的营养元素, 氮肥是农业生产过程中施用量最大的化学肥料, 决定了作物产量的高低和品质的优劣[1]。长期以来, 我国的氮肥用量一直居世界首位, 过多或不合理施用氮肥, 造成了氮肥利用率降低、增产效益下降、生产成本增加、生态环境受到污染等一系列问题[2]。同时, 氮肥施用过多还易导致农产品硝酸盐富集从而影响消费者身体健康, 因此, 如何科学合理施用氮肥成为无公害、高品质蔬菜生产的关键。

近年来, 不少学者研究了元素配施及其不同用量对温室栽培黄瓜的养分吸收、积累及产量、品质的影响, 对黄瓜的合理施肥起到了积极的指导作用。黄瓜对水肥需求量较大, 而在农业生产中为取得较高的经济效益, 盲目增加灌水和施肥, 不仅制约了黄瓜品质与产量的进一步提升, 而且对生态环境也构成了威胁[3]。近年来, 设施栽培土壤连作障碍、土壤盐碱化程度日趋加重, 基质栽培以其具有理化性质稳定[4], 能够摆脱土壤束缚, 便于对废旧基质回收、处理、再次利用等优势, 成为未来设施栽培发展的新方向。现有研究对黄瓜最适氮肥施用量报道较多[5-7], 但在基质栽培条件下探寻黄瓜最适氮肥施用量和肥料利用率的研究较少。并且在此基础上以不同生育时期为划分期, 探究黄瓜氮(N)、磷(P)、钾(K)养分吸收量的研究尚未见报道。在此背景下, 本试验采用基质袋培种植方式, 分析比较在不同生育时期、不同供氮水平下黄瓜养分吸收、分配和肥料利用率特性, 旨在明确不同供氮水平下植株的养分需求特性, 以期为黄瓜基质袋培的科学施氮提供理论支撑和技术指导。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试黄瓜品种:春优1号(Cucumis sativas L. vs. Chunyou No. 1), 亚洲密刺型早熟品种。

供试基质:腐熟的有机复合肥(牛粪+菇渣)与珍珠岩、蛭石的混合物, 按照1:1:1的质量比混匀。供试基质的基本理化性质如下:pH值7.24, 电导率(electrical conductivity, EC)0.23 mS/cm, 全氮22.6 g/ kg, 全磷5.41 g/kg, 全钾15.98 g/kg, 速效氮188 mg/ kg, 速效磷431.2 mg/kg, 速效钾10.45 g/kg。

1.2 试验设计

试验于2015年4月30日-7月12日在西北农林科技大学南园艺场塑料大棚内进行。采用基质袋栽培方式, 每袋定植1株黄瓜, 并利用滴灌设备将黄瓜生长所需养分以营养液的形式施入。基质栽培袋规格为24 cm×48 cm, 基质体积为5 L/袋。定植密度为3 000株/667 m2, 以1.5×104 kg/667 m2为生产目标, 计算出每株黄瓜的N、P、K元素施用量分别为0.023、0.015和0.032 kg。以此设置4个供氮试验处理, 其中:以不施氮肥的营养液浇灌处理为对照, CK; 浇灌所需氮肥量70%的处理为低氮处理, N1; 浇灌所需氮肥量100%的处理为中氮处理, N2; 浇灌所需氮肥量130%的处理为高氮处理, N3。选用含有80.08 g/L Ca(NO3)2·4H2O和4.52 g/L NH4NO3的A母液供应氮肥, 选用含有146 g/L KH2PO4、KCl和49.3 g/L MgSO4·7H2O的B母液供应磷和钾肥。根瓜坐住后开始不同氮素水平的供应, 4个试验处理中磷、钾肥用量一致, 在开花坐果期和结果期分别施入总营养液量的40%和60%, 即开花坐果期和结果期单株每天供应B液量分别为10和15 mL。每个处理3次重复, 随机区组排列。

1.3 测定项目和方法 1.3.1 植株干物质量和养分含量的测定

分别在苗期(2015年4月30日-5月20日)、结果初期(2015年5月21日-6月15日)和结果盛期(2015年6月16日-7月12日)进行破坏性取样。将采集的黄瓜植株按营养器官分类, 在烘箱内105℃条件下杀青30 min, 之后在80℃条件下烘干至恒量, 称量, 记录干物质量。植株干样用小型粉碎机粉碎, 过0.5 mm筛, 浓H2SO4-H2O2消煮, 消煮液采用高分辨自动化学分析仪(AA3, SEAL公司, 德国)测定全氮和全磷含量, 用火焰光度计(M410, sherwood公司, 英国)测定全钾含量。

1.3.2 硝酸盐含量和产量的测定

果实硝酸盐含量采用沸水浸提, 浓硫酸-水杨酸法测定。在黄瓜采收期内, 每次收获时将测产区内的成熟果实称量, 并计算单株产量。

1.3.3 各生育期养分累积量和氮肥利用率的计算

各生育期的氮、磷、钾养分累积量=后一时期养分吸收量-前一时期养分吸收量。

氮肥利用率(nitrogen use efficiency, NUE)=(单株施氮处理的氮素累积量-单株不施氮处理的氮素累积量)/施氮量×100%。

1.3.4 数据处理

试验数据用SPSS 20.0统计软件进行显著性分析(P ≤ 0.05), 用Excel 2010软件完成图表制作, 用DPS 7.5软件实现通径分析。

2 结果与分析 2.1 不同供氮水平的营养液对黄瓜氮、磷、钾养分吸收和分配的影响 2.1.1 不同供氮水平的营养液对黄瓜氮吸收和分配的影响

养分的吸收和分配直接影响着作物的生长和发育, 从而影响作物的产量和品质。本试验不同供氮处理对各器官氮素累积都有影响, 且不同生育期表现有差异(表 1)。在黄瓜苗期, 叶是氮素的累积中心, 其次为茎和根, 其累积量分别占总累积量的74.3%、13.9%和11.8%。表明在黄瓜营养生长阶段, 叶片对氮素的累积较多, 此时叶片的生长对氮肥需求较大。结果初期和盛期, 果实变为氮素累积中心。结果初期氮素在黄瓜植株地上器官中累积情况由大到小依次为:果实、叶、茎。结果盛期氮素累积情况表现为果实>茎>叶, 且果实的氮素分配率随施氮量的增加而增加, 表现为N3>N2>N1>CK, 中氮处理(N2)和高氮处理(N3)果实氮素累积量占整株氮素累积量的比例可高达95%和96%, 氮素累积量分别为CK的8.25倍和8.26倍。

表1 黄瓜对氮素的吸收和分配 Table 1 N absorption and distribution in cucumber plant
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在整个生育期内, 黄瓜植株对氮素总累积量基本随施氮量的增加而上升, 结果初期低氮处理(N1)、中氮处理(N2)和高氮处理(N3)氮素总的累积量分别为对照处理(CK)的2.3倍、2.5倍和2.6倍; 结果盛期分别为对照处理(CK)的3.8倍、6.8倍和6.7倍。结果盛期中氮处理(N2)和高氮处理(N3)间氮素总累积量差异不显著, 而高氮处理(N3)的氮素总累积量值低于中氮处理(N2)。

2.1.2 不同供氮水平的营养液对黄瓜磷吸收和分配的影响

黄瓜植株对磷的总累积量与氮、钾两元素相比较小, 最大不超过1 252.5 mg/株(表 2)。整体而言, 磷元素的累积同氮元素的累积特征基本相似。在苗期, 磷元素的累积中心与氮元素保持一致, 在叶片中的累积量占全株比例达59.8%;结果初期磷素在各器官中的分配、累积情况表现为果实>叶片>茎>根; 结果盛期为果实>茎>根>叶片(N1处理除外)。结果期黄瓜对磷素总累积量同氮素有所不同, 结果初期对照处理(CK)、低氮处理(N1)和中氮处理(N2)之间无差异且显著高于高氮处理(N3); 结果盛期磷素总累积量随施氮量的增加呈先升后降再升的变化趋势, 低氮处理(N1)累积最大, 极显著高于对照处理(CK)。表明适量的施用氮肥有利于作物对磷素的累积和吸收。结果盛期各处理黄瓜植株磷素的累积量分别为结果初期各相同处理的1.2倍(CK)、4.1倍(N1)、3.7倍(N2)和4.7倍(N3), 其中果实磷素的累积量占生长盛期总累积量的79.7%~97.5%。说明随结果期的延伸, 植株将更多的磷素营养持续不断分配到果实中。

表2 黄瓜对磷素的吸收和分配 Table 2 P absorption and distribution in cucumber plant
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2.1.3 不同供氮水平的营养液对黄瓜钾吸收和分配的影响

同氮、磷元素相类似, 苗期钾元素的累积中心为叶, 占到总积累量的54.0%;结果期果实为钾素的累积中心, 在各器官中所占比例率为49.7%~ 96.5%(表 3)。自苗期之后, 黄瓜果实中的钾元素含量远高于叶片是黄瓜对钾元素累积的显著特点。黄瓜对钾元素的吸收、分配同氮、磷元素存在明显的不同:结果期植株对钾素的总累积量明显大于氮素和磷素, N3处理结果盛期的累积总量达7 227.9 mg/株, 分别为氮元素和磷元素累积量的1.59倍、6.48倍; 结果初期钾素的总累积量随施氮量的增加而下降, 对照处理(CK)显著高于低氮处理(N1)、中氮处理(N2)和高氮处理(N3); 结果盛期钾素总的累积量随施氮量的增加表现出明显的上升趋势, 且处理N1、N2、N3显著高于对照处理(CK), 但低氮处理(N1)、中氮处理(N2)和高氮处理(N3)间差异不显著。

表3 黄瓜对钾素的累积和分配 Table 3 K absorption and distribution in cucumber plant
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2.2 不同供氮水平的营养液对黄瓜产量和肥料利用率的影响

植物光合作用的产物主要供应营养器官和生殖器官(果实)的生长, 依据"库-源"关系, 黄瓜果实作为光合作用的"库"容量, 它能客观反映由于不同施氮量所产生的植物同化能力的差异。如表 4所示, 黄瓜产量、氮素的吸收量及氮肥利用率均随供氮量的增加呈开口向下的抛物线状, 中氮处理(N2)得到最优值, 分别为7 728 kg/667 m2、17.64 kg/667 m2和27.8%。与对照处理(CK)相比, N1、N2和N3处理的磷元素吸收量均显著增加, 中氮处理(N2)和高氮处理(N3)同低氮处理(N1)相比有下降趋势。黄瓜植株对钾元素的吸收随施氮量的增加而增加, 但N1、N2和N3处理间无显著差异。

表4 不同处理黄瓜的产量和养分吸收利用状况 Table 4 Yield, nutrient uptake and N use efficiency of cucumber under different treatments
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2.3 不同供氮水平的营养液对黄瓜果实硝酸盐含量的影响

黄瓜果实中硝酸含量随供氮水平的增加表现出明显的上升趋势(图 1)。对照处理(CK)的黄瓜硝酸盐含量为187.4 mg/kg, 而低氮处理(N1)、中氮处理(N2)和高氮处理(N3)黄瓜硝酸盐含量显著高于CK处理, 分别是CK处理的2.2倍、2.6倍和3.6倍, 低氮处理(N1)和中氮处理(N2)黄瓜的硝酸盐含量之间无显著差异, 且显著小于高氮处理(N3)。

各处理符号表示的含义详见表 1注。短栅上的不同小写字母表示在P＜0.05水平差异有统计学意义。 Please see the footnote of Table 1 for the details of each treatment symbol. The different lowercase letters above bars indicate significant difference at the 0.05 probability level. 图1 不同氮素水平对黄瓜果实硝酸盐含量的影响 Fig. 1 Effects of different nitrogen levels on nitrate content of cucumber fruit
2.4 生长指标、产量与吸氮量间的通径分析

通径分析是应用通径系数分析方法, 在相关分析与回归分析的基础上, 进一步研究因变量与自变量之间的数量关系, 并将相关系数分解为直接作用系数和间接作用系数, 以揭示各个因素对因变量的相对重要性。因此, 通径分析比相关分析和回归分析更为精确, 同时能考虑到原因对结果的影响, 使多变量资料的统计分析更为合理。本文以生长和产量指标为自变量, 以吸氮量(Y, mg/plant)为因变量, 用DPS软件进行逐步回归分析, 并根据方程的显著性, 再进行通径分析, 以找到对产量贡献最大的直接作用因子和间接作用因子。最后选取叶面积(X1, cm2)、茎粗(X2, mm)、干物质量(X3, g/plant)和产量(X4, g/plant)为自变量进行分析。采用逐步回归的方法建立最优回归方程, 获得通径系数。回归方程如下:

Y=-6 550.979-1.092X1+3 656.326X2+132.848X3+ 1.208X4.

从分析结果可知, 线性回归方程显著(P=0.000 3 ≤ 0.05), 表明对Y和X的通径分析有意义。由通径系数可以得出X1、X2、X3、X4对Y的直接作用分别为:

P1y=-0.028、P2y=0.206、P3y=0.387、P4y=-0.472。

表 5为自变量间、自变量与因变量间的简单相关系数。通过对吸氮量与各自变量间的相关分析, 发现除茎粗(X2)之外, 吸氮量与叶面积(X1)、干物质量(X3)、产量(X4)之间的相关性均达到显著水平。说明吸氮量与上述各因素间相互作用、相互影响。

表5 各变量间的相关系数 Table 5 Correlation coefficient between the variables
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表 6为简单相关系数与间接通径系数的关系。由直接和间接通径系数可知, 产量对吸氮量的直接作用系数最大, 干物质量通过产量对吸氮量的间接作用系数次之。叶面积和茎粗对吸氮量的直接通径系数值都有较低值, 且二者通过对方对吸氮量产生的间接作用系数值也较低。但叶面积对吸氮量的间接作用较大, 其中通过干物质量和产量对吸氮量的间接通径系数分别为0.324和0.384。且产量通过干物质量对吸氮量的间接作用系数也有较大值, 为0.370。

表6 简单相关系数的分解 Table 6 Decomposition of the simple correlation coefficient
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通过表 6的综合比较可知, 在不同施氮条件下, 植株的叶面积(X1)、茎粗(X2)、干物质量(X3)及产量(X4)之间通过互相作用才能增加黄瓜的吸氮量, 产量对黄瓜吸氮量有重要作用, 可作为评价吸氮量的第一指标。

3 讨论

氮素在植株内的累积量与施氮量、氮肥利用率等因素有关。在不同供氮条件下, 本试验的黄瓜植株对氮、磷元素的吸收随施氮量的增加大致均呈先上升后下降的变化趋势, 这一特点与棉花[8]、玉米[9]、加工番茄[10]、甜瓜[11]等其他作物的养分吸收规律表现一致。在苗期, 黄瓜植株以叶为营养中心, 伴随生育期的延长, 植株对氮、磷、钾的吸收、分配发生了相应变化, 结果期营养中心向果实转移。岳文俊等[12]对甜瓜的研究也有类似报道。在不同施氮条件下果实产量与施氮量的相关系数为0.956, 达到显著水平, 说明产量是由果实的累积量决定的, 提高生物量向果实的分配可以增加产量。因此, 研究不同的施氮量对黄瓜干物质量的累积、分配对提高黄瓜的经济效益有重要意义。本研究中, 结果盛期对照处理(CK)根系中的钾素累积量出现负值, 推测可能与钾元素的再利用性有关, 在钾素吸收能力下降的情况下, 根系中的钾素转移至果实, 优先供应生殖生长。结果初期和结果盛期黄瓜果实对钾素的累积量明显高于氮和磷, 茎秆对钾的吸收也明显高于氮、磷, 这都与钾元素参与光合产物向贮存器官运输和促进茎秆维管束发育有关[13]。

张祥明等[14]研究表明, 在磷钾供应量一定的条件下, 适当的施氮量能促进水稻对钾素的吸收和积累, 施氮量过高反而不利于钾的吸收。侯云鹏等[15]研究发现, 施用氮肥可以明显提高氮、磷、钾元素的吸收量, 但随施氮水平的提高, 各生育期表现并不一致。景立权等[16]研究认为, 过高或过低的氮肥施用量不利于氮、磷、钾的吸收利用及产量的提高。本试验结果表明:随施氮量的增加, 植株对氮和磷的吸收呈先增加后降低的趋势, 与上述研究存在差异, 推测其原因可能是施氮过量促使植株自我保护机制启动, 是植物对外界的一种自我反应, 进而降低了对氮、磷的吸收; 对钾的吸收表现为持续增长, 但增长速率表现为先快后慢, 与上述研究差异较大, 这可能同基质的基础养分情况、作物种类等因素有关。

本试验各处理以硝态氮的形式供应氮素。已有研究表明, 硝酸盐在人体内可以被转化为亚硝酸盐, 而亚硝酸盐有致癌作用[17]。王立河等[18]对黄瓜的研究表明, 果实中硝酸盐含量随施氮量的增加呈上升趋势; 牛晓丽等[19]对番茄的研究也表明, 增施氮肥显著提升番茄果实硝酸盐含量。硝酸盐含量是蔬菜安全品质监控的重要指标。本试验中果实硝酸盐含量受施氮量的变化表现出明显差异, 表明硝酸盐含量除受其遗传物质的影响外, 还与植株生长的外界环境和营养状况密切相关[20]。根据国家对无公害蔬菜安全要求——瓜果类蔬菜硝酸盐以NO3-计≤ 438 mg/kg(GB 18406.1-2001), 对试验得到的黄瓜安全品质进行评价, 在大棚种植条件下高氮处理(N3)黄瓜硝酸盐含量不达标, 不宜食用, 在大棚黄瓜种植过程中应高度重视。

黄瓜的产量、养分吸收和氮素的利用率都与施氮量有关。随着施氮量的增加黄瓜的产量呈现出先升后降的趋势, 与李立昆等[3]的研究结论相一致, 符合不同蔬菜对氮素的需求都有一个最适范围, 低于或超过这个范围不仅不利于生长且产量会降低的结论[21]。运用叶面积(X1)、茎粗(X2)、干物质量(X3)和产量(X4)等指标对吸氮量(Y)进行通径分析, 可以更直观地反映吸氮量的高低, 通过综合比较, 产量可作为衡量吸氮量的第一指标。

4 结论

在本试验条件下中氮处理(N2)黄瓜产量为7 728 kg/667 m2, 吸氮量达到17.64 kg/667 m2, 肥料利用率为27.8%, 全都达到最高值; 且磷素和钾素的吸收量有较大值, 分别为4.04和26.30 kg/667 m2。综合分析比较, 在磷、钾肥用量不变的基础上, N2处理(0.023 kg/株)的黄瓜生长健壮, 产量最高, 各方面表现较好。运用通径分析, 通过综合比较, 产量可作为评价吸氮量的第一指标。

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