增施铵态氮对北方冬季基质栽培普通白菜根系特性及养分利用的影响

公华锐 骆洪义 亓艳艳 庞晓燕 王旭鹏 李国辉

（土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018）

普通白菜具有生长速度快、生产周期短、抗寒能力强等特点，是北方地区冬季重要的设施栽培蔬菜之一。由于普通白菜复种指数高、栽培周期短，因此对N肥的需求量较大（袁伟 等，2010；刘玉学 等，2013）；为了追求高产，在栽培过程中N素过量供应的现象十分严重，不仅造成了资源浪费、环境污染，还严重影响蔬菜的安全与品质。因此合理配置N素供应、降低N素对环境的压力，同时保证蔬菜产量与品质，是目前蔬菜栽培中的重要目标；其中改变N素供应结构，适量提高NH4+-N供应比例是实现这一目标的有效途径（Dortch &Conway，1984；Plett et al.，2018）。从理论上讲，作物吸收NH4+-N消耗的能量少，能直接参与N素代谢；而吸收的NO3--N经过还原为NH4+-N才能进一步参与代谢过程，会消耗更多的能量，对植株生长不利（Yang et al.，2009）。张英鹏等（2005）、陈磊等（2010）研究表明，在叶菜类蔬菜的栽培中，以硝态氮营养为主、合理的增铵营养，不仅能够提高蔬菜产量、降低蔬菜可食用部分的硝酸盐含量，还能够提高N素利用效率，降低由N肥流失对环境造成的负面影响。增铵营养显著降低了菠菜体内的硝酸盐含量与草酸含量，且能够改变叶片中游离氨基酸的组成，进而改善菠菜的营养品质（汪建飞等，2007）；混合N源还能够促进叶菜类蔬菜的N素代谢活性，且相比NO3--N，NH4+-N营养对根系N素运转的促进作用更强（Matraszek，2008）。因此，合理配置N素形态是改善叶菜类蔬菜对N素利用的关键因素。

我国设施菜地在常年高强度连作下土壤质量已经严重下降，而基质栽培不仅能够为蔬菜生长提供合理的根系生长环境，还能有效防治土传病害（李婷婷 等，2013），已经逐渐成为北方设施蔬菜的重要栽培模式。在北方设施蔬菜基质栽培中，有机栽培基质容重低、孔隙度大、保水性差，对作物根系生长的机械压迫小（郭世荣，2005）；同时，在我国北方地区由于季节温差大，低温胁迫会抑制作物对NO3--N的吸收，增加NH4+-N比例能提高作物N素吸收量（张淑英 等，2017）；且设施菜地氨挥发与土壤温度、施N量存在正相关关系（龚巍巍等，2011），冬季增铵能够降低氨挥发，提高N素利用效率。本试验以传统营养液硝铵比例为基础，在相同的N素供应量下，以全量NO3--N供应为对照，增加NH4+-N比例，探究增铵营养在冬季对基质栽培普通白菜根系生长、根系活力、根系N素代谢关键酶活性、根系形态特征等根系特性的影响，以及增铵营养对普通白菜N素消耗、养分吸收、产量及品质的影响，以期为叶菜类蔬菜在北方冬季的合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年12月至2016年1月在山东省泰安市岱岳区蔬菜栽培基地冬暖式大棚内进行，地处北纬 36.04～36.25°、东经 117.16～117.21°，属暖温带季风气候，全年平均温度12.8 ℃，日照总量2 360 h，无霜期195 d。供试普通白菜品种为上海鸡毛菜（南京小白菜良种种植中心提供）；供试有机栽培基质为高温灭菌复合基质（草炭、混合发酵物、珍珠岩、蛭石体积比为2∶1∶1∶1）容重0.59 g·cm-3，有机质含量 14.97%，全 N 4.35 g·kg-1，-N 11.43 mg·kg-1，NH4+-N 1.87 mg·kg-1。 栽培期间棚内温度环境如图1所示。

图1 试验期间冬暖式大棚内温度变化趋势

1.2 试验设计

采用单因素完全随机设计，在N素供应（17.33 mmol·L-1）水平一致的前提下，设4个增铵比例：0（CK）、25%、40%、60%，分别记为A0、A25、A40、A60，其中 NO3--N 来源为 Ca（NO3）2·4H2O、KNO3，NH4+-N 来 源 为 NH4H2PO4、（NH4）2SO4。营养液配方采用基于荷兰Hoagland的改进配方（Hoagland & Arnon，1950）， 其 他 大 量 元 素含 量 为 P 1.33 mmol·L-1、K 4.0 mmol·L-1、Ca 4.0 mmol·L-1、Mg 2.0 mmol·L-1；微量元素用量为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，盆直径50 cm、高40 cm，每盆填入复合基质20 kg，每处理10盆，3次重复。2015年12月1日撒播，出苗后间苗，每盆保留长势一致的4株壮苗，幼苗现第2对真叶后（2015年12月16日）开始计算生长时期。营养液现用现配，pH调节至5.5～6.1，加入双氰胺（7 μmol·L-1）作为硝化抑制剂以保证营养液中NH4+-N的稳定。营养液浇灌参照基质湿度变化，每次每盆1 L；在计算生长期后的第30天采收（2016年1月16日）。栽培期间除定期浇灌营养液外，每周浇1次清水，每盆总灌溉量及营养液用量如表1所示。

表1 栽培期间每盆营养液用量

1.3 测定项目

分别在计算生长期后的0、10、20、30 d采用土钻取基质样品，用于测定NO3--N、NH4+-N含量。分别于10、20、30 d每处理随机选取4～6株普通白菜，整株取样，取样时要保证根系的完整，地上部植株洗净、105 ℃杀青后75 ℃烘干至恒重并研磨，测定植株N素含量；植株地下根系部分用流水洗净，吸水纸吸干附着水分，一部分烘干测定根系干物质量，一部分取新鲜根毛样品测定根系活力及相关N素代谢关键酶活性。

2016年1月16日，剩余普通白菜全部采收并称质量、记录株数，计算单株质量。然后，每处理分别取5～8株新鲜根系样品，完整根系部分洗净沥干水分后，采用LA-S分析扫描仪与万深植物根系分析系统进行根部扫描、分析根部形态特征。取地上部分洗净沥干水分，称量鲜质量；之后，一部分新鲜样品取可食用部分用于测定品质指标；一部分样品分为地上叶片部分与地下根系部分，洗净沥干水分，105 ℃杀青后75 ℃烘干至恒重并分别称取干物质量，之后研磨过筛，用于测定植株主要元素含量。

普通白菜根系活力及相关酶活性测定：根系活力测定采用TTC-脱氢酶还原法；硝酸还原酶（NR）活性测定采用活体法，以1 h内还原的亚硝酸盐量表示；谷氨酰胺合成酶（GS）活性以每毫克酶蛋白在1 h内催化生成的γ-谷氨酰基异羟肟酸与铁络合的产物在540 nm处的吸光值表示（李合生，2000；赵世杰，2002）。品质指标测定：硝酸盐含量测定采用水杨酸-H2SO4显色法；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；VC含量测定采用2，6-二氯靛酚滴定法；有机酸含量测定采用标准碱滴定法（李合生，2000；赵世杰，2002）。植株元素含量测定：经H2SO4-H2O2消解后，使用Smartchem200全自动智能化学分析仪测定植株全N及全P含量，采用火焰光度法测定全K含量。基质NO3--N、NH4+-N含量测定：新鲜基质样品经CaCl2浸提后，采用连续流动分析仪（AA3）测定。

1.4 数据处理

N素利用效率相关计算：假设盆栽基质总质量不变，即基质干质量均为20 kg。NO3--N消耗量（mg）=阶段NO3--N使用量-（阶段NO3--N含量差值×基质干质量）；NH4+-N消耗量（mg）的计算同上述方法。氮肥偏生产力（nitrogen partial factor productivity，NPFP，g·g-1）=单株质量 /单株氮肥施用量（郭淑霞和龚元石，2011）。

试验数据采用Microsoft Excel 2016软件进行计算；利用SPSS Statistics 23.0软件进行统计分析；运用LSD法进行差异显著性检验；采用SigmaPlot 12.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同增铵处理对普通白菜根系生长及根系活力的影响

增铵处理对普通白菜根系生长及根系活力的影响显著（图2）。在生长期第10天，根系干物质量随着增铵比例的提高而降低，此后直到收获A25处理的根系干物质量均为最高，在第20、30天分别到达8.2、9.2 g；在整个生长期A60处理的根系干物质量始终显著低于其他处理。根系活力随着增铵比例的增加而降低，在整个生长期对照（A0）的根系活力均显著高于各增铵处理，比A60处理提高了28.4%～83.7%。

图2 不同增铵处理对普通白菜根系生长及根系活力的影响

2.2 不同增铵处理对普通白菜根系形态的影响

由表2可知，各增铵处理对普通白菜根系形态特征影响显著。随着NH4+-N比例的增加，根系总长呈先升后降的趋势，A40处理的根系总长最高，显著高于对照和其他处理。A25处理的根系表面积、体积、平均直径均为最高，3个指标各处理排序均为A25＞A40＞A0（CK）＞A60。根尖数在0～40%的增铵范围内处理间无显著差异，且均显著高于A60处理。

表2 不同增铵处理下普通白菜根系形态特征

2.3 不同增铵处理对普通白菜根系N素代谢关键酶活性的影响

各增铵处理对普通白菜根系N素代谢关键酶活性影响显著（图3）。高比例的NO3--N供应显著提高根系中硝酸还原酶（NR）活性，在生长期第20天各处理间差异最大，其中对照（A0）的NR活性最高，达到8.8 μg·g-1·h-1（FW）；随着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）活性随NH4+-N比例的提高呈上升趋势，其中A60处理整个生长期GS活性均为最高〔16.9～23.9μmol·g-1·h-1（FW）〕，比对照提高了141.6%～201.7%。

2.4 不同增铵处理对普通白菜养分吸收的影响

各增铵处理对普通白菜NO3--N与NH4+-N的消耗量影响显著（表3）。从N素整体消耗量来看，各处理对NO3--N与NH4+-N的消耗量均与各自NO3--N与NH4+-N供给比例呈正比。但在普通白菜生长期的0～10 d，A25处理的NO3--N消耗量最高，比对照增加了31.1%，即增铵营养促进了NO3--N的消耗；在20～30 d，增铵比例0～40%范围内各处理间NO3--N消耗量无显著差异，且均显著高于A60处理。对照（A0）的氮肥偏生产力（NPFP）最高，显著高于A25和A60处理。

图3 不同增铵处理对普通白菜根系N素代谢关键酶活性的影响

表3 不同增铵处理对普通白菜N素消耗量及氮肥偏生产力的影响

表4 不同增铵处理对普通白菜营养元素含量的影响

由表4可知，普通白菜地上部N素含量各增铵处理间无显著差异，而地下部N素含量以A40处理最高（30.94 mg·g-1），且显著高于对照和其他处理。不同比例NH4+-N处理对地上部P素含量无显著影响，地下部P素含量排序为A40＞A60＞A25＞A0（CK），增铵40%、60%处理地下部P素含量较对照显著提高了31.4%、20.1%。地上部及地下部K素含量均随着NH4+-N比例的提高呈现下降趋势。

2.5 不同增铵处理对普通白菜单株质量及品质的影响

由表5可知，普通白菜单株质量各处理排序为A0（CK）＞A40＞A25＞A60，相较于对照，增铵处理单株质量下降了7.1%～10.5%。A40处理的地上部干物质量与对照无显著差异，但显著高于A25与A60处理。随着NH4+-N比例提高，硝酸盐含量呈现下降趋势，A60处理比对照显著降低了26.0%；可溶性糖含量呈上升态势，A60处理比对照显著提高了52.7%。对照（A0）的VC含量最高，显著高于各增铵处理，各增铵处理间VC含量无显著差异。增铵处理对有机酸含量无显著影响。

表5 不同增铵处理对普通白菜产量及品质的影响

3 结论与讨论

前人研究证明，适宜范围内的增铵营养能够促进植物根系生长发育（Kudoyarova et al.，1997；宋海星和李生秀，2005）。本试验中，相对于全硝态氮处理，增铵25%处理显著提高了普通白菜根系干物质量，有利于根系形态发育，但是继续增加NH4+-N比例，特别在60%增铵水平下根系总长、根系表面积、根系体积显著降低。王波等（2006）研究表明，25%增铵处理显著增加了生菜根系干物质量以及根系表面积等形态指标；但50%的增铵比例对生菜根系生长并无显著的抑制作用，说明不同蔬菜种类之间对铵毒害的承受能力存在差异。此外，根系活力反映着植物根系新陈代谢活动的强弱，有研究证实根系氮素吸收能力与根系活力存在高度相关性（Liu et al.，2008；徐国伟 等，2017），并与N素用量也存在正相关关系。本试验中，普通白菜的根系活力以及NR活性均随NH4+-N比例的增加而下降。采用TTC法测定的根系活力仅以脱氢酶作为根系活力的表征（Zhao et al.，2010），且脱氢酶主要受根系呼吸作用的影响。一般植物对NO3--N的吸收过程，相对于NH4+-N的吸收消耗更多的ATP（Zhou et al.，2007），刺激根系呼吸，从而影响TTC法测定的根系活力。在NO3--N的还原过程中，主要由根系吸收后运输到叶肉细胞中进行还原（Lea & Miflin，1974），而根系主要吸收的NH4+-N大部分在根部通过谷氨酰胺酶（GS）与谷氨酸合成酶（GOGAT）途径同化（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作为NO3--N还原过程中的限速酶，其活性随着NH4+-N比例增加而降低。本试验中普通白菜根系中NR、GS活性同样遵循这一结果。

增铵营养作为提高N素利用效率的重要途径之一，主要由于提高NH4+-N比例能够促进作物对N素的吸收。本试验中，各增铵处理均提高了植株体内的N素含量，且在25%增铵比例下还能在普通白菜生长初期提高NO3--N的消耗量。在前人对普通白菜（小白菜）、红花苗菜等的研究中，认为在25%～60%的NH4+-N比例内，植株N素吸收量与N素利用效率均高于全NO3--N供应（Cao et al.，2015；胡喜巧 等，2016）。本试验中，40%增铵处理普通白菜的氮肥偏生产力与全硝营养无显著差异，25%、60%增铵处理普通白菜的氮肥偏生产力显著低于全硝态氮处理，可能是由于增铵营养提高了植株N素含量，而没有对单株质量及地上部干物质量产生显著影响。此外，增铵营养降低了普通白菜植株的K素含量，已有报道指出植物对NH4+-N的吸收会影响根系对K+、Mg2+、Ca2+等阳离子的吸收（Szydelkorabska et al.，2014），这与本试验结果一致。P素在普通白菜地上部、地下部的含量受增铵营养的影响不同，这与牛振明等（2013）对娃娃菜的研究结果一致，增铵营养提高了娃娃菜根部与叶白部分的P素含量，而对叶片中的P素含量无显著影响。

当前对于叶菜类蔬菜的研究中，普遍认为在NO3--N为主的氮素供应中，增加适量的NH4+-N能够提高产量，且不同蔬菜最高产量下所适宜的NH4+-N比例不同。汪建飞等（2007）研究表明，在25%的增铵比例下菠菜产量最高；陈巍等（2004）对小白菜的研究得出50%的增铵营养增产最明显。本试验中，40%增铵比例普通白菜的单株质量与地上部干物质量与对照无显著差异，而60%增铵比例普通白菜的单株质量与地上部干物质量显著低于对照全硝营养。可能由于受低温胁迫，普通白菜本身生长受到抑制，产量低于常温栽培（罗斌 等，2017），因此增铵营养的增产效果不明显。本试验结果还表明，增铵营养显著降低了普通白菜体内的硝酸盐含量，这与前人对于增铵营养降低硝酸盐在植物体内积累的研究结果一致。一方面认为植物对于NH4+-N的吸收干扰了对NO3--N的吸收，从而降低了植株体内硝酸盐的来源（Li et al.，2013）；另一方面认为，高比例NH4+-N提高了GS活性，从而提高了对NO3--N的还原能力，降低了硝酸盐的积累（Peuke & Kaiser，1996）。本试验中，增铵处理显著提高了普通白菜中的可溶性糖含量，降低了VC含量，这与前人对小白菜（马庆旭 等，2015）、菠菜（汪建飞 等，2007）等的研究结果一致，均认为是NH4+-N参与糖代谢、酸代谢产生的影响。

综上所述，在北方冬季设施栽培的背景下，相对全硝态氮素供应，增铵营养对普通白菜单株质量没有显著影响，但能够提高植株的N素吸收量。从产量、N素利用效率以及营养品质的角度综合考量，以NO3--N为主（17.33 mmol·L-1）配施40% NH4+-N，能够实现普通白菜设施栽培的优质高效。