生物刺激素在不结球白菜氮肥减施增效中的效果评价

赵吉莹,吴 震,侯喜林,袁建玉,齐迎斌,吴翠云,蒋芳玲*

(1 南京农业大学园艺学院,南京 210095;2 张家港市农业科技教育站,苏州 215600)

不结球白菜(Brassica campestrisssp.chinensisMakino)含有丰富的矿物质、维生素、蛋白质等人体所需的营养物质,是人们饮食结构中重要的组成部分[1]。 不结球白菜在我国特别是东部沿海地区广泛种植,由于其生长迅速、栽培方式简单、适应性强,可周年生产,复种面积极高[2]。 蔬菜作物根系阳离子代换量高,需肥量大,生产中为获得高产,常过量使用氮肥,对农田环境造成不利的影响[3-5],且氮肥的过量投入易导致叶菜中硝酸盐积累,对人体健康产生潜在危害[6-7],因此,不结球白菜氮肥减施技术的研究显得尤为重要。

生物刺激素是包含功能性物质或∕和微生物及其次生代谢产物的一类物质[8],从种子萌发到植物成熟的整个过程中均可发挥作用,其对植物的作用主要表现为以下几点:一是少量应用时,可促进植物生长和发育,改善品质,在黄瓜[9]、茄子[9]、空心菜[9]、辣椒[10]、苹果[11]、葡萄[12]等园艺作物上应用均取得了良好的效果;二是有助于改善植物营养效率,即促进植物对养分的吸收,同时减少养分的流失[13-14];三是作为土壤改良剂可改善土壤结构与功能,从而促进植物的生长发育[15-16]。 由于我国减氮技术研究起步较晚[17],在不结球白菜中,减氮条件下喷施生物刺激素应用效果的研究报道较少,其对产量、品质和经济效益的影响尚缺乏研究。

本试验在减氮20%的基础上,在叶面分别喷施4 种不同的生物刺激素,比较减氮条件下其对不结球白菜生长、光合、产量和品质的影响,并对其经济效益进行分析,以期筛选出适宜的生物刺激素,为生物刺激素在不结球白菜化肥减量增效技术中的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验于2019 年4—6 月在江苏农博园基地进行,该园区为北亚热带季风气候,年均气温15—18 ℃,年降水量1 070 mm 左右。 供试地前茬作物为不结球白菜,供试前土壤pH 为4.6,EC 值为37.5 mS∕cm,全氮含量为 1.67 mg∕g,碱解氮含量为53.5 mg∕kg,有效磷含量为 42.82 mg∕kg,速效钾含量为 188 mg∕kg,有机质含量为 20.76 mg∕kg。

供试作物为不结球白菜品种‘改良金品28’,种子由江苏省江蔬种苗科技有限公司生产。 该品种植株直立、长势旺、产量高、耐热耐湿抗病性强,适宜春夏季播种。

供试肥料尿素(含氮46%)由灵谷化工集团有限公司生产,过磷酸钙(含P2O512%)由江苏美乐肥料有限公司生产,硫酸钾(含K2O 52%)由中国农业生产资料集团生产。

供试生物刺激素为:(1)“扶斯特”动物蛋白氨基酸叶面肥(以下简称“扶斯特”),氨基酸质量浓度≥100 g∕L,微量元素(Fe+Mn+Zn+B)质量浓度≥20 g∕L,由江阴市联业生物科技有限公司生产,以猪毛为主要原料在高温下酸解后螯合微量元素制成;(2)“碧护”(赤·吲乙·芸苔)(以下简称“碧护”),总有效成分含量0.136%;赤霉酸含量0.135%,吲哚乙酸含量0.000 52%,芸苔素内酯含量0.000 31%,由德国阿格福莱农林环境生物技术股份有限公司生产;(3)海藻精原粉(以下简称“海藻精”),主要成分为天然养分NPK、微量元素、植物生长素、细胞分裂素、赤霉素、海藻酸、海藻多酚等,由山东绿陇生物技术有限公司生产;(4)“展叶灵”,主要成分为侧孢芽孢杆菌、壳寡糖和微量元素,由山东绿陇生物技术有限公司生产。

1.2 试验设计

不结球白菜常规施肥量参考常规生产确定,按照氮肥(纯氮)180 kg∕hm2、磷肥(P2O5)45 kg∕hm2、钾肥(K2O)45 kg∕hm2折合成相应化肥施用量。 共设置18 个处理:常规施肥+喷施清水为对照(CK);减少20%氮肥施用量+喷施清水为对照2(N2),即氮肥(纯氮)施用量为144 kg∕hm2,磷、钾肥不变,其他处理详见表1。

表1 各处理施肥方案Table 1 Fertilization scheme of each treatments

每个处理设3 个小区作为重复,高畦栽培,畦长为7 m,畦宽为1.5 m(包括沟宽0.3 m),每小区面积为10.5 m2,随机区组排列。 氮、磷、钾肥作为基肥一次性撒施在试验小区内,生物刺激素作为追肥,在生长期采用叶面喷施。 不结球白菜种子于2019 年4 月2 日进行人工撒播,用种量为266.8 kg∕hm2,待植株长至3 叶1 心时(2019 年4 月23 日)开始喷施生物刺激素,喷施的湿润程度以叶片表面充分湿润但无液滴凝聚下落为度,每7 d 喷施1 次(视天气情况适当调整),共喷施3 次。

1.3 项目测定与方法

1.3.1 不结球白菜生长指标

播种后40 d,参照李锡香等[18]的方法测定植株株高、株幅、最大叶叶长和叶宽、叶柄长和叶柄宽。 参照王亚晨[19]的方法测定不结球白菜植株地上部干重和地下部干重。

1.3.2 不结球白菜产量及经济效益分析

播种后42 d,每个小区选取1 个50 cm×50 cm 的正方形,按生产上的采收习惯,对不结球白菜去老叶和根后称重,测定产量。

经济效益的计算:不结球白菜的价格按采收时批发价计算。 “扶斯特”价格为6 元(人民币,下同)∕瓶(1 瓶 500 g),“碧护”价格为 11 元∕袋(1 袋 3 g),“海藻精”价格为 50 元∕瓶(1 瓶 400 g),“展叶灵”价格为200 元∕kg。

总产值=产量×单价;生产成本=土地成本+种子成本+无机肥料成本+用水成本+人工成本+农药成本+生物刺激素成本;经济效益=总产值-生产成本。

1.3.3 叶片光合参数

光合特性测定:第3 次喷施后,于第4 天晴天的上午(2019 年5 月11 日)使用Li-6400 型便携式光合作用测定系统(LI-COR Inc.,美国)测定叶片光合指标,每小区选择3 株生长一致的植株,选取从外往里第2 轮叶序上发育完全的功能叶,于上午9:00—11:00 测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr),光量子通量密度(PFD)设定为 1 000 μmol∕(m2·s),温度为(25 ±1)℃,CO2浓度为(390 ±10)μL∕L。

叶绿素a(Chl.a)和叶绿素b(Chl.b)含量参照Arnon[20]的方法测定。

1.3.4 不结球白菜品质指标

于采收期测定不结球白菜品质指标。 硝酸盐含量用水杨酸比色法[21]测定;可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝G-250 染色法[21]测定;维生素C(VC)含量用红菲罗啉比色法[22]测定;纤维素含量用蒽酮比色法[23]测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 软件进行数据统计与分析,使用Duncan 新复极差法进行多重比较;采用Origin 2017 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 减氮喷施生物刺激素对不结球白菜生长的影响

由表2 可知,与CK 相比,减氮20%处理对不结球白菜株高、株幅、最大叶叶长和叶宽、叶柄长和叶柄宽均没有显著影响;喷施生物刺激素处理后,不结球白菜株高以H400 处理增加最明显,其次为Z4000 处理,较N2 处理分别增加5.37%和4.70%,但与CK 差异不显著;株幅以H400 和Z4000 处理增加显著,与N2 处理相比增幅分别达21.32%和25.38%,但与CK 差异不显著;喷施生物刺激素处理对最大叶各项指标均没有显著影响。

表2 减氮20%条件下喷施生物刺激素对不结球白菜生长特性的影响Table 2 Effects of foliar-spraying biostimulants on the growth characteristics of non-heading Chinese cabbage under the condition of 20% nitrogen reduction

由表3 可知,氮肥减量20%时,不结球白菜地下部干重显著降低,而地上部干重与CK 相比差异不显著。 喷施生物刺激素后,“扶斯特”“碧护”“海藻精”“展叶灵”最优处理的地上部干重较N2 处理分别增加了11.02%、24.29%、27.12%和18.27%,但与N2 处理和CK 差异均未达到显著水平。 对于地下部而言,减氮20%使地下部干重较CK 显著下降,喷施生物刺激素后各处理地下部干重仍显著低于CK。

表3 减氮20%条件下喷施生物刺激素对不结球白菜地上、地下部干重的影响Table 3 Effects of foliar-spraying biostimulants on aboveground and underground dry weight of non-heading Chinese cabbage under the condition of 20% nitrogen reduction

2.2 减氮喷施生物刺激素对不结球白菜产量和经济效益的影响

由图1 可知,氮肥减少20%,不结球白菜单位面积产量与常规施肥差异不显著。 减氮20%条件下喷施不同浓度生物刺激素,Z4000 处理的单位面积产量最高,为8.77 kg∕m2,较CK 增产14.88%,较N2 处理增产13.87%,差异显著;H400 和H800 处理的单位面积产量与CK 和N2 处理相比也显著增加,较CK 分别增产13.03%和11.63%;“扶斯特”和“碧护”处理下F2400 和B100 处理产量较高,分别为8.07 kg∕m2和7.77 kg∕m2,与CK 相比增幅分别为5.78%和1.76%,但差异未达显著水平。 综上,4 种不同生物刺激素,增产效果最好的是Z4000 处理,其次是H400 处理。

图1 减氮20%条件下喷施不同生物刺激素对不结球白菜单位面积产量的影响Fig.1 Effects of foliar-spraying biostimulants on the yield per unit area of non-heading Chinese cabbage under the condition of 20% nitrogen reduction

减氮20%条件下喷施“海藻精”和“展叶灵”,可显著提高不结球白菜的产量,但在减少无机肥料成本的同时却增加了生物刺激素和人工成本,因此,对其经济效益进行了分析。 由表4 可知,Z4000 处理效益最高,较 CK 增收123 667.30 元∕hm2;其次为 H400 处理,增收122 922.43 元∕hm2;而“扶斯特”和“碧护”最高增收仅 114 053.60 元∕hm2和 108 523.73 元∕hm2。

表4 减氮20%条件下喷施生物刺激素对不结球白菜经济效益的影响Table 4 Effects of foliar-spraying biostimulants on economic benefit of non-heading Chinese cabbage under the condition of 20% nitrogen reduction

2.3 减氮喷施生物刺激素对叶片光合特性的影响

由图2A 可知,减氮20%对不结球白菜Pn没有显著影响,减氮20%条件下叶面喷施生物刺激素可显著提高其Pn(B25 处理除外),与CK 相比,喷施不同浓度“扶斯特”“碧护”“海藻精”“展叶灵”时,各处理Pn分别提高了29.51%—43.81%、17.14%—34.8%、33.53%—37.71%和28.58%—36.25%。

图2 减氮20%条件下喷施生物刺激素对不结球白菜叶片光合参数的影响Fig.2 Effects of foliar-spraying biostimulants on photosynthetic parameters of non-heading Chinese cabbage under the condition of 20% nitrogen reduction

由图2B 可知,减氮20%处理,不结球白菜Gs与CK 差异不显著;喷施“扶斯特”后,Gs随“扶斯特”浓度的增加而增加,F600、F1200 和 F2400 处理的Gs分别上升到 0.545 mmol∕(m2·s)、0.554 mmol∕(m2·s)和0.584 mmol∕(m2·s),与 CK 差异显著;喷施“碧护”后,Gs随“碧护”浓度先增加后减小,B100 处理的Gs最高,增幅达61.4%,与CK 差异显著,其余处理与CK 差异不显著;喷施“海藻精”后,Gs随其浓度变化也表现出先增后减的趋势,H800 处理的Gs最高,其次是 H1600 处理,分别为 0.578 mmol∕(m2·s)和0.550 mmol∕(m2·s),与 CK 差异显著;喷施不同浓度“展叶灵”后,Z2000 和 Z8000 处理的Gs与 CK 存在显著差异,分别增加43.51%和46.15%;其余处理与CK 差异不显著。

由图2C 可知,减氮20%处理或减氮20%并喷施生物刺激素处理,各处理的Ci与CK 均没有显著差异。

由图2D 可知,减氮20%处理对不结球白菜Tr没有显著影响;喷施“扶斯特”后,各处理的Tr与CK 和N2 处理相比均显著上升,较CK 增加44.09%—62.06%;喷施“碧护”后,B50 和B100 处理的Tr较CK 显著上升,增幅分别达43.17%和81.68%;喷施“海藻精”后,H400 和H800 处理的Tr较CK 显著上升,增幅分别达52.78%和80.88%;喷施“展叶灵”后,Z4000 和Z8000 处理的Tr较CK 显著上升,增幅分别达57.86%和78.08%;其余处理与CK 没有显著差异。

从表5 可见,与CK 和N2处理相比,本试验中生物刺激素处理对叶绿素含量没有显著影响。

表5 减氮20%条件下喷施生物刺激素对不结球白菜叶片叶绿素含量的影响Table 5 Effects of foliar-spraying biostimulants on chlorophyll content of non-heading Chinese cabbage under the condition of 20% nitrogen reduction mg·g -1

2.4 减氮喷施生物刺激素对不结球白菜品质的影响

由图3A 可知,减少20%氮肥施用量,不结球白菜的硝酸盐含量为466.4 mg∕kg,与CK 相比显著下降;喷施生物刺激素后,各处理的硝酸盐含量仍显著低于CK,其中F600、F1200、F2400、B100、H400 处理的硝酸盐含量较N2 处理也显著下降。

由图3B 可知,N2 处理的VC 含量仅为59.52 mg∕(100 g),与CK 相比显著降低;喷施生物刺激素后,各处理的VC 含量与N2 处理相比均显著增加,其中喷施“扶斯特”后,F2400 处理的VC 含量最高;喷施“碧护”后,B100 处理的VC 含量最高,且较CK 显著上升,增幅达3.52%;喷施“海藻精”或“展叶灵”后,各处理与CK 差异均不显著。

由图3C 可知,N2 处理的不结球白菜纤维素含量与CK 差异不显著,喷施“扶斯特”后,F1200 和F2400处理的纤维素含量显著下降,较CK 降低13.25%和17.17%;喷施“碧护”后,B100 处理纤维素含量下降最明显,B200 处理反而上升;喷施“海藻精”后,H200、H400 和H800 处理的纤维素含量无显著变化,但H1600 处理的纤维素含量显著上升;喷施“展叶灵”后,Z4000 和Z8000 处理的纤维素含量无显著变化,但Z1000 和Z2000 处理的纤维素含量显著上升。

图3 减氮20%条件下喷施生物刺激素对不结球白菜品质的影响Fig.3 Effects of foliar-spraying biostimulants on the quality of non-heading Chinese cabbage under the condition of 20% nitrogen reduction

由图3D 可知,减氮20%处理对可溶性蛋白含量影响不显著,喷施生物刺激素后,各处理与CK 和N2处理差异也不显著。 不同生物刺激素之间,“碧护”的最佳处理B100 的可溶性蛋白含量显著低于其他3种生物刺激素的最佳处理(F1200、H400 和Z2000),而F1200、H400 和Z2000 处理之间差异不显著。

3 结论与讨论

本试验表明,减氮20%对不结球白菜单位面积产量、地上部干重以及株高、株幅、最大叶等生长指标均没有显著有影响,只是使地下部干重显著降低,这与王亚晨[19]研究结果一致,说明生产中确实存在氮肥过量的现象,适当的减少氮肥施用,对经济产量并不会造成负面影响。 对其进行生物刺激素处理后发现,仅400 mg∕L“海藻精”和4 000 mg∕L“展叶灵”处理的不结球白菜株高和株幅增加显著,且以4 000 mg∕L“展叶灵”处理增产效果最好,经济效益也最高,其次为400 mg∕L“海藻精”处理,说明生物刺激素的成分与浓度在同一作物上效果不同。 “展叶灵”主要成分为侧孢芽孢杆菌和壳寡糖,侧孢芽孢杆菌有较强的解磷能力,并且能产生高活性的酶类、激素等多种次生代谢物质[24-25],而壳寡糖具有促进植物营养元素吸收、诱导吲哚乙酸合成、提高光合作用等功能[26],两种成分的组合可能使其在不结球白菜上表现出加性效应,增产效果更佳;“海藻精”含有能够被植物快速吸收的丰富的多糖和氨基酸,以及植物生长必需的天然氮磷钾和多种植物激素,此外,其中的海藻酸类物质还能螯合微量元素,增加养分利用效率[27-28]。 而“扶斯特”以猪毛为原料,在高温下酸解并螯合微量元素制成,“碧护”的主要成分为几类植物生长调节剂,两者的成分相对单一,这些可能是“海藻精”和“展叶灵”的增产效果优于“扶斯特”和“碧护”的主要原因。

光合作用是植物自身储藏养分与能量的主要来源[29],光合产物的积累是形成产量的基础。 本试验中,减氮20%处理对不结球白菜Pn、Gs、Ci、Tr均未产生显著影响,这与对产量的影响表现一致。 生物刺激素处理能够促进气孔开放,有效增加二氧化碳吸收和水分进出,从而提高净光合速率和蒸腾速率,这与前人研究结果一致[30-33]。 同种生物刺激素处理下,各处理间Pn和Gs没有显著差异,说明本试验中生物刺激素浓度对该两者影响不大。 同时,“扶斯特”的浓度对Tr的影响也不大,但在其他3 种生物刺激素中,分别为100 mg∕L“碧护”、800 mg∕L“海藻精”以及8 000 mg∕L“展叶灵”处理的Tr最大,同时,B50 与 B100处理差异不显著,H400 与H800 处理差异不显著,Z4000 和Z8000 处理差异不显著。 蒸腾速率的提高能够加快植物水分代谢,促进生长,是实现增产的原因之一。 而各处理Ci没有显著变化,可能是二氧化碳吸收速率与利用速率一致的结果。 光合色素是植物将无机物转变成有机物的关键介质,氮是叶绿素的主要成分,本试验中,减氮20%处理对叶绿素a 和叶绿素b 没有显著影响,充分证实生产中常规施氮量富余的现象,生物刺激素处理后,各处理叶绿素a 和叶绿素b 含量没有显著影响,这与在草莓[34]、秋葵[35]和甜瓜[36]上的试验结果相似。 但段春慧等[37]、崔海花等[32]研究表明,生物刺激素有缓解叶绿素降解,提高叶绿素含量的作用,与本试验有所差异,可能是所用生物刺激素产品不同,成分和浓度的差异导致的。 综上,净光合速率和蒸腾速率的提高,可能是H400 和Z4000 处理实现增产的重要原因。

不结球白菜系鲜食性蔬菜,维生素C、可溶性蛋白、可溶性糖、纤维素和硝酸盐含量是评价蔬菜品质的重要指标[38]。 本试验中,减氮20%处理使硝酸盐含量显著下降的同时,VC 含量也下降显著。 喷施生物刺激素后,增产效果最佳的4 000 mg∕L“展叶灵”处理不仅降低了硝酸盐含量,还使VC、纤维素和可溶性蛋白含量维持在常规施肥的水平,这与欧阳寿强等[39]、雷菲等[40]的研究结果相似;增产效果较好的400 mg∕L“海藻精”处理,不仅使VC、纤维素和可溶性蛋白含量维持在常规水平,还使硝酸盐含量较减氮20%处理进一步下降,这可能是因为叶面吸收的氨基酸等小分子有机物在植物体内积累,直接作为氮源利用,从而抑制了根部对硝态氮的吸收[41]。

综上所述,减氮20%基础上,喷施400 mg∕L“海藻精”和4 000 mg∕L“展叶灵”综合效果最佳,可通过提高净光合速率和蒸腾速率实现氮肥减施增效的目的,较CK 分别增产13.03%和14.88%,每公顷分别增收122 922.43 元和123 667.30 元,对改善品质也起到一定作用,显著降低了硝酸盐含量,并维持了VC、纤维素和可溶性蛋白含量。