2017, Vol. 23 
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蔬菜含有丰富的维生素 C、类胡萝卜素、可溶性糖、氨基酸、类黄酮以及酚类等营养物质，是人类不可缺少的食物[1]。钾素在蔬菜生长发育过程中具有重要的营养生理功能，主要是调节多种酶的活性、促进光合产物的运输、提高碳氮代谢水平、改善细胞渗透调节、增强抗逆性，对蔬菜品质的形成非常关键[2]。蔬菜对氮磷钾三要素养分的需求以钾素最多，其次是氮素。然而蔬菜生产中菜农过多施用氮磷肥、轻视钾肥的现象较为普遍，限制了蔬菜高产优质可持续发展[3]。我国化学钾肥资源不足，迄今钾肥自给率约 40% 左右，且常规作物生产中钾肥利用率小于 45%[4]。在我国提高化学钾肥利用效率、降低生产成本、发展优质农业已成为近年来肥料科学研究的热点，探索钾肥高效利用新途径成为不少研究者的追求目标[5–6]。因此，开展本项研究具有重要的理论与生产实践意义。
从肥料产品角度看，目前肥料高效利用技术措施主要有缓/控释技术、在肥料中配施增效剂等。纳米材料具备晶粒尺寸小、比表面积大、吸附能力强等特性，添加到肥料中可以增加肥料的吸附，减少肥料的流失和固定，促进植物生长发育，提高肥料利用率[7–8]。近年来，在肥料改性和施用技术研究方面已应用到纳米材料，如将纳米材料作为肥料包膜材料、结构材料等新型肥料应用[9–11]，纳米材料直接应用于水稻、小麦、玉米、花生、蔬菜、果树等取得了明显的增产效益[12–14]。纳米氢氧化镁是一种粒径介于 82～127 nm 的新型氢氧化镁，不仅可增加肥料的吸附，减少肥料的流失和固定，还可以增加植物必需元素镁的输入等[15]，但迄今该方面的研究尚无报道。本研究选择对钾素养分需求较多的白菜作为对象，将微量纳米氢氧化镁混合到肥料中同时施用，探讨低量施钾条件下配施微量 (氮磷钾肥总量 0.3% 和 0.5%) 的纳米氢氧化镁对白菜产量、抗氧化酶活性等的影响，筛选纳米氢氧化镁适宜用量，为白菜施肥中合理配合施用纳米氢氧化镁提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料于 2014 年 9 月～2015 年 1 月在西南大学1号玻璃温室中进行盆栽试验，供试土壤为采自重庆市九龙坡区含谷镇蔬菜基地的酸性紫色土，其基本农化性状：pH 5.54、有机质 20.5 g/kg、碱解氮 135 mg/kg、有效磷 29.8 mg/kg、速效钾 107 mg/kg、交换性镁 118 mg/kg；供试作物为大白菜，品种为浙江双耐白菜一代杂交，生育期为 60～70 天。供试肥料为尿素 (N 46%)、磷酸二氢铵 (P2O552%；N 12%)、硫酸钾 (K2O 52%)、纳米氢氧化镁 (粒径范围为 82～127 nm，由郑州大学提供)。
1.2 试验设计试验设置 5 个处理 (表 1)，6 次重复，随机排列。试验采用 17.7 cm × 12 cm (直径 × 高) 的塑料盆钵，每盆装土 1.8 kg。各处理均施 N 200 mg/kg 和 P2O5100 mg/kg。试验时将磷肥、钾肥、纳米氢氧化镁 (氮磷钾肥总用量的 0.3% 和 0.5%) 做基肥充分混匀后一次性施入，氮肥按 30%、40%、30% 分三次追施。在 70% 的田间持水量下平衡 5 天后播种，白菜出苗后多次间苗，三叶期每盆定苗 3 株。根据土壤水分状况每 1～2 天浇灌 1 次水，以保持土壤达到田间持水量的 70% 左右，并进行常规栽培管理。
| 表1 盆栽试验方案和施肥量 (mg/kg，soil) Table 1 Scheme and dosage of fertilizers in the pot experiment |
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试验进行 68 天后收获，取地上部分，分别用自来水、蒸馏水快速冲洗干净，植株表面水分再用吸水纸吸干，称鲜质量。取新鲜样品测定叶片叶绿素、抗氧化活性系统酶活性和维生素 C 含量，用白菜可食用部分测定可溶性糖、氨基酸和硝酸盐含量。另取新鲜样品杀青后于 65℃ 条件下烘干，测定干重、总酚、类黄酮、全氮、全磷、全钾和全镁养分含量。
1.3 测定项目和方法 1.3.1 白菜生长生理指标的测定叶绿素 a、b，类胡萝卜素以及叶绿素总量采用 80% 丙酮提取—分光光度法测定；超氧化物歧化酶 (SOD) 活性采用氮蓝四唑 (Nitrobluetetrazolium，NBT) 光化还原法测定；过氧化物酶 (POD) 活性采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶 (CAT) 活性采用 H2O2显色分光光度法测定[16]。
1.3.2 白菜植株养分指标的测定植株样品经 H2SO4-H2O2消化，全氮用蒸馏法测定，全磷用钒钼黄比色法测定，全钾用火焰光度法测定，全镁用原子吸收分光光度法测定[17]。
1.3.3 白菜品质成分指标的测定可溶性糖采用 3,5-二硝基水杨酸比色法测定，维生素 C 采用 2,6-二氯靛酚滴定法测定，游离氨基酸采用水合茚三酮比色法测定，硝酸盐含量采用紫外分光光度法测定[17]。总酚采用 Folin-Ciocalteu 比色法测定，类黄铜采用铝盐显色法测定[18]。
1.4 数据处理钾肥偏生产力 (PFPK，g/g) = 施钾处理白菜产量/钾肥用量
钾肥农学效率 (AEK，g/g) = (施钾处理白菜产量 – 不施钾处理白菜产量)/钾肥用量
钾肥生理效率 (PEK，g/g) = (施钾处理白菜产量 – 不施钾肥处理白菜产量)/(施钾处理植株钾积累量 – 不施钾处理植株钾积累量)
钾肥利用率 (REK) = (施钾处理植株钾积累量 – 不施钾处理植株钾积累量)/钾肥用量 × 100%
植株氮 (磷、钾、镁) 吸收量 (mg/pot) = 植株氮 (磷、钾、镁) 含量 × 植株干重
试验数据用 Excel 和 SPSS 软件进行统计和分析，方差分析的差异显著性采用新复极差法 (SSR 法即 Duncan 法) 进行平均数的多重比较。
2 结果与分析 2.1 低钾配施纳米氢氧化镁对白菜产量的影响表 2可见，LK + Mg1和 LK + Mg2处理白菜产量较低量钾处理 (LK) 极显著提高了 21.5% 和 20.6%，较 MK 处理分别显著增加了 8.3% 和 7.4%。LK + Mg1处理增产效果好于 LK + Mg2处理。
| 表2 不同施肥处理白菜产量 (g/pot) Table 2 Yield of Chinese cabbage in different fertilizer treatments |
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表 3可见，低量施钾条件下配施纳米氢氧化镁的白菜叶绿素含量均显著高于其他处理。与 LK 处理相比，LK + Mg1和 LK + Mg2处理显著提高了白菜叶绿素 a、叶绿素 b、叶绿素总量和叶绿素 a/b 值，增加值在 4.0% 以上，效果与适量钾处理相当。两个镁加入水平处理间结果差异不显著。
| 表3 不同施肥处理白菜叶绿素含量 Table 3 Chlorophyll content of Chinese cabbage in different fertilizer treatments |
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与 LK 处理相比，LK + Mg1和 LK + Mg2处理白菜维生素 C 含量差异不显著，类胡萝卜素、总酚和类黄酮含量增加显著，LK + Mg2处理白菜类胡萝卜素含量、类黄酮含量分别增加了 7.6% 和 20.0%，LK + Mg1处理白菜总酚含量增加了 6.2%，与 MK 处理效果相当 (表 4)。LK + Mg1处理类胡萝卜素含量、类黄酮含量低于 LK + Mg2处理，可能是由于其白菜产量高导致的稀释作用。
| 表4 不同施肥处理白菜抗氧化物质含量 Table 4 Antioxidant content of Chinese cabbage in different fertilizer treatments |
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较之 LK 处理，低钾配施纳米氢氧化镁可以显著提高白菜酶类抗氧化物质活性，其中，对 SOD 的作用最大，增加了 18.8% 和 19.8%；CAT 次之，增加了 17.4% 和 19.6%；对 POD 的作用最小，增加了 10.7%～11.2% (表 4)。两个配施纳米氢氧化镁处理中，以 LK + Mg2处理白菜 SOD 和 CAT 活性提高比率最大，LK + Mg1处理白菜的 POD 活性提高最大，这与该处理对白菜总酚含量提高作用最大、白菜产量最高具有一致性。
2.4 低钾配施纳米氢氧化镁对白菜养分含量、吸收量及钾肥利用效率的影响 2.4.1 纳米氢氧化镁对白菜氮磷镁养分含量、吸收量的影响与 LK 处理相比，低钾配施纳米氢氧化镁显著降低了白菜氮素的含量，但显著提高了氮素的吸收量，LK + Mg1和 LK + Mg2的氮素吸收量分别显著增加了 9.1% 和 10.2%，二者之间差异不显著 (表 5)。表明低钾配施镁降低白菜的氮素含量是因生物产量的大幅度增加导致的 (表 2)。
| 表5 不同施肥处理白菜养分含量以及吸收量 Table 5 Nutrient contents and uptake of Chinese cabbage in different fertilizer treatments |
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与 LK 处理相比，LK + Mg1处理显著提高了白菜磷素的养分含量，磷素吸收量与 MK 处理效果相当，LK + Mg2处理的磷素含量与 LK 处理差异不显著，但磷素吸收量仍显著增加，但效果显著低于 LK + Mg1处理 (表 5)。
与 LK 处理相比，低钾配施纳米氢氧化镁能显著提高白菜镁素的养分含量和吸收量，LK + Mg2处理显著高于其他处理，但镁含量显著低于对照。
2.4.2 纳米氢氧化镁对白菜钾含量、吸收量及利用效率的影响表 6可见，与 LK 相比，低钾配施纳米氢氧化镁对白菜钾素含量影响不大，但吸收量显著提高，并以 LK + Mg1处理作用显著大于 LK + Mg2处理。与适量钾处理相比，低钾配施镁处理白菜的钾含量和吸收量显著降低。虽然适钾处理白菜植株钾素含量和吸收量显著高于其他处理，但该处理的白菜生物产量极显著低于低钾配施纳米氢氧化镁处理 (表 2)，表明常规施钾量造成白菜一定程度的钾素奢侈吸收[19]。与 LK 处理相比，低钾配施纳米氢氧化镁能显著提高白菜钾素偏生产力、钾素农学效率和钾素利用率，以 LK + Mg1处理的作用最大 (提高 23.7%、77.6% 和 25.0%)。低量施钾条件下配施纳米氢氧化镁同样显著提高白菜钾素生理效率，其中 LK + Mg2处理增加作用最大 (达 36.5%)。
| 表6 不同施肥处理白菜钾素含量、吸收量和利用效率 Table 6 K contents, uptake and use efficiency of Chinese cabbage in different fertilizer treatments |
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与 LK 处理相比，LK + Mg1处理显著降低了白菜可溶性糖和氨基酸含量 (表 7)，LK + Mg2处理作用不显著；低钾配施纳米氢氧化镁可显著降低白菜硝酸盐含量，其效果与 MK 处理相当。
| 表7 不同施肥处理白菜品质 Table 7 Nutritional quality of Chinese cabbage in different fertilizer treatments |
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绿色植物光能利用率高低取决于叶片叶绿素含量多少，而作为植物生理指标之一的叶片叶绿素含量能反映植物整个生育期间的营养状况及干物质累积能力[20]，提高叶片叶绿素含量是肥料配施纳米物质提高作物产量的重要机理之一。在氮肥中配施纳米膨润土可以显著提高白菜叶绿素含量[21]，本试验在低量施钾条件下配施纳米氢氧化镁同样可以显著提高白菜叶绿素含量。这可能是纳米氢氧化镁对所施用基础氮肥 (尿素) 的缓释效应，有利于减少氮素损失，增加对 NH4+的强烈吸附，促进植株体氮素的吸收[22]，这与白菜氮养分吸收量增加是一致的，表明在低量施钾条件下配施纳米氢氧化镁可以协调白菜中叶绿素含量与氮素养分吸收的平衡，促进白菜的生长发育，有利于提高光合效率，为白菜产量的提高提供物质基础。较之低量和适量施钾处理，配施纳米氢氧化镁显著提高白菜产量，这可归因于纳米氢氧化镁晶粒尺寸小 (82～127 nm)、比表面积大、吸附能力强等特性[23]，增加了对肥料的吸附作用，有利于肥料氮、磷、钾养分协调供应以满足白菜生长过程中的营养需要。同时纳米氢氧化镁中含有的营养元素镁是植物叶绿素的主要组成部分，也可能对白菜生长和产量的形成产生正效应。
3.2 低钾配施纳米氢氧化镁对作物抗氧化活性的影响蔬菜可以有效的降低人体心血管病和癌症等慢性病，主要是基于植株体内含有多种抗氧化作用的生物活性物质，如抗坏血酸、类胡萝卜素、类黄酮和总酚等非酶类抗氧化物质以及 SOD、POD 和 CAT 等酶类抗氧化物质。其中维生素 C、类胡萝卜素、类黄酮和总酚等非酶类活性物质是所有高等植物中含有的次生代谢物，不仅对植物的品质、色泽、风味和抗逆性有一定的影响，还具有天然的抗氧化活性作用[24–25]，而 SOD、POD 和 CAT 等酶类活性物质共同组成植物体内的活性氧清除系统，有效清除植物体内的自由基和过氧化物。酶类抗氧化物质活性的强弱可以衡量蔬菜抗氧化能力状况[26–27]。氮磷钾镁等营养元素可以调控抗坏血酸、类胡萝卜素、总酚、类黄酮等非酶类活性物质以及 POD、SOD 和 CAT 等酶类活性物质产生。本研究中低量施钾条件下配施纳米氢氧化镁的白菜维生素 C 含量降低，可能是生物量减少引起的稀释效应。而配施高量纳米氢氧化镁处理 (LK + Mg2)的白菜类胡萝卜素、总酚、类黄酮含量和 SOD、POD、CAT 活性的提高作用大，且均能达到适量钾肥处理 (MK) 的作用效果 (处理间差异显著)，与白菜磷、钾等营养元素变化呈现一致性。这可能是纳米氢氧化镁提高了作物体内磷、钾养分的吸收和转运，促进非酶类以及酶类等次生代谢物质的产生，从而增加了作物的抗氧化能力。
3.3 低钾配施氢氧化镁对作物养分含量、吸收量和利用效率的影响氮作为植物营养三要素之首，在植物生长发育过程中起着十分关键的作用，常将其称做生命元素[28]。磷素是植物体内重要化合物的组成元素之一，如构成蛋白质、核酸、磷脂等，磷含量增加意味着蔬菜营养品质提高[29]。蔬菜是一类需钾较多的作物，其需钾量大大高于氮素，生产上增施钾肥有助于蔬菜产量和品质提高[30]。尿素中配施纳米碳、膨润土能促进水稻对氮、磷、钾等养分吸收[31]，而低量施钾条件下配施纳米氢氧化镁同样能显著提高白菜氮、磷、钾养分吸收量、镁养分吸收量和钾素利用率，并以配施纳米氢氧化镁低量的处理 (LK + Mg1) 提高作用大 (达 9.6% 以上)，这可能是纳米氢氧化镁对尿素的缓释效应，有利于减少氮素损失，促进植株体氮素的吸收。镁元素是植物叶绿素的主要成分，直接影响植物光合作用。有研究认为，植物镁含量 ≤ 2 g/kg 为缺乏，≥ 4 g/kg 为适宜[32]，本试验中在低钾基础上配施纳米氢氧化镁后，白菜叶片中镁含量增加到 4.11 g/kg 和 4.62 g/kg，较单一施钾肥处理 (LK 和 MK) 更有利于白菜产量的提高。有研究提出，土壤交换性镁含量缺乏水平为 ≤ 80 mg/kg，低量水平为 80～120 mg/kg，适量水平为 120～300 mg/kg[33]，本试验的供试土壤交换性镁含量 (118 mg/kg) 属偏低水平。因此，在土壤交换性镁较低和低量施钾条件下，配施微量纳米氢氧化镁可以显著提高白菜镁养分含量和吸收量，从而有利于提高白菜叶绿素含量 (表 3)，改善光合作用，促进生长发育，最终使白菜达到高产。分析纳米氢氧化镁促进作物氮磷钾镁等养分吸收的原因，可能是由于纳米材料的表面效应和小尺寸效应，增加了对肥料养分的吸附能力，减少肥料养分的流失、淋失和固定[23]。有研究表明，纳米材料可改变水分子结构和形态，提高其活性，在水分不断被植物吸收的过程中可携带大量营养元素进入植物体内，达到营养植物的目的[34]。
3.4 低钾配施氢氧化镁对作物营养品质的影响蔬菜中游离氨基酸、可溶性糖和硝酸盐含量是评价其营养品质的指标，可以反映蔬菜的口感、风味和安全性。本试验低钾配施低量纳米氢氧化镁显著降低白菜氨基酸和可溶性糖含量，没有达到产量与品质的同步提高，而配施高量纳米氢氧化镁 (LK + Mg2) 对白菜氨基酸和可溶性糖含量无影响，该处理较低钾处理 (LK) 增产 20.6%，显然氨基酸和可溶性糖累积量亦大幅度增加，其中可溶性糖的增加可能是由于纳米氢氧化镁提高了白菜中可溶性糖的供应量，抑制了可溶性糖向淀粉的转化或促进淀粉向可溶性糖的转化。本研究中配施纳米氢氧化镁对白菜卫生品质硝酸盐含量的降低作用十分突出，提高了白菜食用安全性。在蔬菜施肥中配施微量纳米氢氧化镁是否也能显著降低其它叶类蔬菜硝酸盐含量，值得深入开展研究。
4 结论对于供试土壤和作物，降低钾的施用量会显著降低白菜的产量、品质和养分利用效率。低钾配施适宜的纳米氢氧化镁可显著提高白菜叶绿素含量与氮素吸收，促进白菜生长发育，极显著提高盆栽白菜产量，效果堪比适量钾处理。
低钾配施纳米氢氧化镁可显著提高白菜类胡萝卜素、总酚、类黄酮等非酶类抗氧化活性物质含量和 SOD、POD、CAT 等酶类抗氧化活性物质含量，增加抗氧化能力，提高白菜氮磷钾镁养分含量、吸收量和钾素利用效率，降低白菜硝酸盐含量，但对品质影响不显著。
综合白菜生物产量、生理活性、养分吸收和品质效应，在钾施用量降低一半的前提下，配施氮磷钾肥总量 0.3% 的纳米氢氧化镁效果最佳，可在白菜栽培中应用。
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