过氧化脲及尿素配比对水培上海青生长及品质的影响①

王 瑞，李奕林，喻 敏，施卫明1,

过氧化脲及尿素配比对水培上海青生长及品质的影响①

王 瑞1,2,3，李奕林2，喻 敏1*，施卫明1,2

(1 佛山科学技术学院国际膜生物学与环境研究中心，广东佛山 528000；2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008；3 中国科学院大学，北京 100049)

水培蔬菜中硝酸盐富集及供氧状况是当前水培体系亟待解决的问题。为降低水培上海青ssp. Chinensis(L.)硝酸盐含量，本研究分别通过部分尿素替代日本园试配方中硝酸盐，以及不同过氧化脲(UHP)与尿素配比的方式，探究减硝增氧对水培叶菜生长及品质的影响。首先以30%、40%、50%、100% 尿素替代硝态氮来优化日本园试配方，其中50% 尿素替代处理能显著提高叶菜产量，同时对根系有明显促生作用。然后在此基础上以10%、30%、50% 和80%UHP替代改良日本园试配方中的尿素，从而确定UHP、尿素及硝态氮的最佳比例。结果表明：随着UHP浓度的增加，营养液中溶解氧浓度显著增加，与对照相比，施用UHP的处理溶解氧浓度提高7.63% ～ 39.70%。与对照相比，30%UHP处理增产27.65%，总根长、根表面积、根粗、根体积及根尖数分别增加24.68%、36.92%、16.90%、28.19% 和28.89%，但高浓度(50% 和80%)UHP处理显著抑制上海青生长。30%UHP处理显著提高上海青叶绿素含量及VC含量，与对照相比，分别增加71.25% 和34.91%。随着UHP浓度的增加，上海青叶片硝酸盐含量呈下降趋势，与对照相比，10%、30%、50% 和80%UHP处理硝酸盐含量显著降低3.89%、9.69%、22.71% 和26.87%。因此，在蔬菜水培栽培管理中，适量增氧减硝能够刺激根系发育，同时有利于提高上海青的产量及品质，其中UHP∶尿素∶硝酸盐中氮含量比例为3∶7∶10为最佳配比。

水培；上海青；过氧化脲；尿素；品质

在蔬菜水培营养液配方中，日本园试配方的叶菜类蔬菜产量显著高于Hoagland’s营养液配方[1]，但日本园试配方中硝态氮含量高于Hoagland’s营养液配方。由于蔬菜根系对硝态氮的吸收量大于其体内还原同化量，叶菜类蔬菜极易富集硝酸盐，虽无害于植物本身，却易危害人体健康[2]。现在已有一些关于酰胺态氮进行部分替代硝态氮的研究。任广涛等[3]以不同比例酰胺态氮替代日本园试配方中的无机氮(硝态氮和铵态氮)培养叶用莴苣，随着酰胺态氮浓度的增加，叶用莴苣体内硝酸盐含量有降低的趋势，酰胺态氮占全氮15% 处理的莴苣产量最高。尿素作为一种酰胺态氮，不能作为唯一氮源用于水培，尿素用量过大时容易造成铵盐中毒，导致蔬菜生长缓慢。研究表明，用尿素作为唯一氮源的营养液栽培生菜时，生菜叶片在生长后期出现萎蔫，新叶边缘焦枯，根系变黑腐烂[4]。

氧是维持植物正常呼吸的重要因子，作物根系需要充足的氧气供应才能维持正常的新陈代谢，而水中的氧气供给只有空气的十万分之一，在水培中经常由于根际缺氧而使作物生长缓慢，水分及养分吸收能力减弱，从而影响地上部分生长，导致产量下降，造成经济损失[5-6]。因此，供氧状况是水培系统中技术管理的关键[7]。当前水培的增氧措施主要包括营养液流动法、喷雾法、滴灌法、微纳米气泡技术等利用机械和物理的方法增加营养液与空气的接触机会，增加氧在营养液中的扩散能力，从而提高营养液中氧气的含量[8]。研究表明，微纳米气泡的曝气增氧能有效促进水培生菜根系的生长发育，与营养液循环流动处理相比，生菜增产37.3% ～ 45.9%[6]。周云鹏等[9]通过微纳米气泡加氧灌溉对温室水培蔬菜的研究结果表明，微纳米气泡灌溉可以提高水培蔬菜产量及品质，促进根系发育，适宜的加氧灌溉质量浓度为10 ～ 20 mg/L。目前关于化学增氧的研究报道相对较少。但有研究表明，以过氧化氢为氧气来源的增氧剂对植物生长有促进作用[10]。对水培或淹水木瓜施用过氧化氢或过氧化钙可以缓解低氧胁迫，根部区域的富氧环境促进淹水后木瓜的复苏[11]。目前所用的增氧剂包括过氧化氢、过氧化钙、过氧化钠、过氧化脲(urea hydrogen peroxide，UHP)等，由于过氧化氢、过氧化钙及过氧化钠的过氧化物含活性氧量较少、稳定性差[12]，本试验将UHP作为增氧剂。UHP是尿素和过氧化氢所形成的加合物，常温下稳定性好，活性氧含量高、释放可控。为探究UHP增氧减硝对水培上海青的影响，本试验改良日本园试配方，首先确定尿素替代硝酸盐的最佳用量，然后在此基础上以UHP替代部分尿素，确定UHP、尿素及硝态氮的最佳比例，从而为减少蔬菜硝酸盐含量、改善水培的氧气环境提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

蔬菜品种选用不结球白菜中青菜类的一个品种，上海青ssp. Chinensis(L.)，购自南京。

1.2 试验设计

将上海青种子用1% 次氯酸钠表面消毒15 min，漂洗后在25℃去离子水中浸泡过夜，播种于蛭石–草炭基质中培养。待种子长出2 ～ 3片真叶后，将其转移至装有1/2浓度的日本园试营养液的周转箱中培养，培养9 d(每3 d更换1次营养液)后将上海青移入尿素替代部分硝态氮的日本园试配方营养液中培养。试验采用日本园试配方为对照，在总含氮量不变的前提下用尿素代替硝酸钙，设置尿素替代硝酸盐比例为30%、40%、50% 和100% 处理，为了保证所有处理中硝态氮用量一致(氮含量为224 mg/L)，以硝酸补充余下的氮(其配方详见表1)。所配营养液以1 mol/L的氢氧化钠溶液调至pH 5.8。微量元素采用通用配方，25 mg/L Fe·EDTA，2.86 mg/L H2BO3，0.22 mg/L ZnSO4·7H2O，0.08 mg/L CuSO4·7H2O，2.13 mg/L MnSO4·4H2O，0.025 mg/L (NH4)6MoO24·4H2O。试验共5个处理，每个处理重复3次，随机排列。每个处理用1 L烧杯(烧杯缠上黑色不透光胶带)，每个烧杯定植2株上海青，每3 d换1次营养液，无增氧措施。45 d收获时测定上海青的产量，从而确定尿素的最佳用量。试验于中国科学院南京土壤研究所进行，光照培养箱光照时间16 h，光强为300 μmol/(m2·s)，白天温度25℃，夜间20℃，相对湿度为67%。

表1 不同尿素及硝态氮配比的营养液配方

在上述试验的基础上，选取50% 尿素替代日本园试配方中的硝酸盐进行以下试验。种子萌发处理同上述试验。以日本园试配方为对照，基于等氮量原则(所有处理施氮量一致)，以硝酸钾、尿素和UHP为氮源，UHP设置4个浓度，分别以10%、30%、50% 和80%UHP替代尿素(其配方详见表2)，微量元素采用通用配方，同上。所配营养液以1 mol/L的氢氧化钠溶液调至pH 5.8。试验共5个处理，每个处理重复3次，随机排列。并设置不种上海青的5个处理，监测3 d内不同处理营养液的溶解氧浓度。于收获期(45 d)测定上海青产量、根系指标(总根长、根表面积、根体积、根直径、根尖数)、叶绿素含量、品质指标(硝酸盐含量、VC含量)。试验地点及培养条件同上，无其他增氧措施。

表2 不同UHP及尿素配比的营养液配方

1.3 分析测定方法

采用WinRHIZO(Pro 2012)根系分析系统测定根系指标；采用丹麦Unisense微电极系统(OX50，ø=40 ～ 60 μm)测定营养液中溶解氧浓度；采用叶绿素仪CCM-200(Opti-Sciences，美国)测定叶绿素含量，叶绿素仪数值与叶片中叶绿素含量相关性较高，可用于测定叶绿素[13]；采用分光光度法测定(GB 5009.33—2016)硝酸盐含量[14]；采用2,6-二氯靛酚滴定法测定(GB/T 5009.86—2016)VC含量[15]。

1.4 数据处理

使用Excel 2003 程序和SPSS statistics 20 统计分析软件进行数据处理，Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同尿素及硝态氮配比对上海青生长的影响

由表3可以看出，不同处理间上海青叶片数无显著差异。50% 尿素处理上海青产量(地上部鲜重)明显高于其他处理，与CK相比，50% 尿素处理产量增加5.13%；而100% 尿素处理产量最低，与CK相比，100% 尿素处理产量降低12.21%。与CK相比，50% 尿素处理的上海青根鲜重显著增加35.95%。由此，本试验初步筛选50% 尿素替代部分硝态氮。

表3 不同尿素及硝态氮配比对水培上海青生物量的影响

注：同列不同小写字母表示处理间差异在<0.05水平显著，下同。

2.2 不同UHP与尿素配比对营养液溶解氧浓度的影响

监测3 d内不同处理营养液的溶解氧浓度，可见，添加UHP后营养液中溶解氧浓度始终高于CK，且溶解氧浓度随着UHP浓度的增加而增加(图1)。UHP在水中缓慢释放氧气，在8 h时，溶解氧浓度最高，各处理表现为80%UHP(336.26 μmol/L)>50%UHP (312.71 μmol/L)>30%UHP(288.41 μmol/L)>10%UHP (267.24 μmol/L)>CK，不同处理间差异显著(<0.05)。此后，随着时间的推移，溶解氧浓度呈降低趋势。

图1 不同UHP与尿素配比营养液溶解氧浓度

2.3 不同UHP与尿素配比对上海青生长的影响

由图2A可以看出，30%UHP处理上海青产量与其余各处理之间差异达到了显著水平，与CK相比，30%UHP处理增产27.65%；10%UHP处理和CK的产量无显著差异；50%UHP和80%UHP处理出现明显减产效应，相对于CK，分别显著减产8.45% 和15.19%，但二者之间无显著性差异。30%UHP和10%UHP处理的根鲜重显著高于CK，较CK分别增加18.83% 和59.26%(图2B)；50%UHP处理与CK根鲜重无显著差异，80%UHP处理根鲜重较CK显著减少20.14%。与CK相比，30%UHP处理的根冠比显著提高25.15%，其他处理根冠比与CK无显著性差异(图2C)。

2.4 不同UHP与尿素配比对上海青根系发育的影响

增氧可以有效促进蔬菜根系发育，其中30%UHP处理显著提高蔬菜根系总根长、根表面积、根粗、根体积及根尖数。与CK相比，30%UHP处理根系总根长增加24.68%、根表面积增加36.92%、根粗增加16.9%、根体积增加28.19%、根尖数增加28.89%。但50%UHP及80%UHP处理显示出对蔬菜根系发育有明显抑制作用(表4)。与CK相比，50%UHP处理根平均直径显著减少10.13%；80%UHP处理根表面积显著减少3.3%、根平均直径减少15.2%、根体积减少13.87%、根尖数减少8.63%(表4)。

2.5 不同UHP与尿素配比对上海青叶片叶绿素指数的影响

从图3可以看出，30%UHP处理的叶绿素含量较其他处理的差异达到了显著水平(<0.05)，其叶绿素含量最高，较CK增加71.25%；10%UHP处理和CK的叶绿素含量次之，二者之间无显著差异；50%UHP和80%UHP处理叶绿素含量开始下降，与CK相比，分别降低9.89% 和13.57%，其中80%UHP处理与CK的叶绿素含量差异达显著水平(<0.05)。

(图中不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05)，下同)

表4 不同UHP与尿素配比对上海青根系发育的影响

图3 不同UHP与尿素配比对上海青相对叶绿素含量的影响

2.6 不同UHP与尿素配比对上海青品质的影响

随着UHP用量的增加，叶片硝酸盐含量呈现明显降低趋势(图4A)，说明UHP替代硝态氮可明显降低上海青硝酸盐含量，与CK相比，30%UHP、50%UHP 和80%UHP处理分别降低9.69%、22.71% 和26.87%。各处理VC含量大小顺序是30%UHP> 10%UHP>CK>50%UHP>80%UHP(图4B)，与CK相比，30%UHP处理VC含量显著增加34.91%，50%UHP和80%UHP处理VC含量显著降低8.34% 和19.63%，水培营养液配方中适量的UHP含量可以提高蔬菜VC含量。

3 讨论

在用尿素代替硝酸盐试验中，50% 尿素替代硝酸盐效果最好，与CK相比，上海青产量提高5.13%(表3)。吕国华等[16]在Hoagland’s营养液配方中以酰胺态氮部分取代硝态氮，显著提高了大白菜产量，在适宜氮素用量下，以硝态氮∶酰胺态氮为1∶1时产量最高，同时可显著降低大白菜硝酸盐含量。本研究50%尿素替代硝酸盐的结果与之一致；而100% 尿素替代硝酸盐处理上海青减产12.21%(表3)。刘菊莲和李建设[17]的研究表明，选用日本园试配方水培小白菜，加尿素能够降低营养液pH，40% 尿素替代硝酸盐处理的小白菜产量最高，并且能够有效降低叶片硝酸盐含量并提高小白菜的品质；100% 尿素处理产量最低。本研究完全用尿素替代硝酸盐的结果与之一致，即水培营养液中尿素含量过高会抑制蔬菜的生长。这可能是因为：①尿素通过微生物水解后被作物所吸收利用，在水培条件下，虽然作物可以以分子态吸收尿素，但作物体内脲酶活性相对较低，从而仅能同化根系吸收的部分尿素[18]；②尿素易水解成铵态氮，作物吸收铵态氮后可能导致营养液的pH急剧下降，引起根部病害的同时也会减少作物对养分的吸收[19-20]；③尿素水解的一些有毒副产物，例如氰酸铵和氨基甲酸铵，或制造过程的副产物，如缩二脲，也可能会对作物造成损害[21]。

图4 不同UHP与尿素配比对上海青硝酸盐含量(A)和VC含量(B)的影响

本试验在明确尿素替代硝酸盐的最佳配比后，使用不同比例的UHP替代尿素，试验结果表明，随着UHP浓度的增加，上海青产量呈现先上升后下降的趋势，以30%UHP替代尿素的增产效果最为显著，与CK相比，30%UHP处理的上海青产量提高27.65%。这说明30%UHP处理可以改善水培系统中的通气状况，3 d 内的监测结果也表明，UHP在水中缓慢释放氧气，30%UHP处理的溶解氧浓度为262.36 ～ 288.41 μmol/L，显著高于CK(223.78 ～ 249.0 μmol/L，<0.05，图1)，能够为蔬菜生长创造适宜的根际氧环境。50%UHP和80%UHP处理抑制上海青的生长，与CK相比，产量下降8.45% 和15.19%(图2A)。高强等[22]也在研究UHP对甜瓜生长的影响中发现，1 m3水分别加入1.1和2.1 kg UHP处理的平均单果质量均小于对照。这可能是因为UHP浓度过高会由于其具有较强的氧化性而对蔬菜根系生长造成伤害(表4)，从而造成减产。赵霞等[23]研究不同根际溶氧量对水稻生长的影响发现，与中氧处理(溶解氧含量为2.3 ～ 5.5 mg/L)相比，高氧处理(溶解氧含量为65 ～ 8.0 mg/L)将减弱增氧对水稻根系生长及干物质积累的促进作用。这种现象的产生可能与根系表面较高浓度的溶氧量促使活性氧的产生从而抑制根系生长有关。氧气浓度的提高能够促进蔬菜的有氧呼吸，但持续高氧浓度下，植物生长会产生不同程度的氧伤害，影响其生长发育[9]。蔬菜根系作为最先感知增氧的部位，在80%UHP处理下，根长、根粗以及根数量均显著减少。研究表明，高浓度外源H2O2会抑制拟南芥根系的生长[24]，当H2O2浓度为2 mmol/L时，拟南芥根系停止生长[25]。由此可以得出，氧调控根系形态特征变化可能是导致上海青产量差异的主要原因之一。与CK相比，30%UHP处理无论根系总根长、根表面积、根粗、根体积以及根尖数均显著增加(表4)。30%UHP处理对根系的显著促生作用使蔬菜吸收更多养分进而促进上海青地上部产量的形成，这与前人的研究结果一致。张慧娟等[6]利用微纳米气泡技术水培紫叶生菜，加氧处理的紫叶生菜植株高于对照，叶片丰满肥大，单株根长比对照组显著增加13.6%(<0.05)。因此，可以认为水培条件下施用UHP可以达到和增氧灌溉同样的促进蔬菜根系生长的作用，其中30%UHP替代尿素效果最优。

CCI值与叶片中叶绿素含量相关性较高，可用于表征植物相对叶绿素含量[13]。随着氧质量浓度增加，叶绿素含量呈现先升高后降低趋势。与CK相比，30%UHP处理叶绿素含量显著增加71.25%，50%UHP和80%UHP处理叶绿素含量分别减少9.89% 和13.57%(图3A)。这可能是由于高氧处理下植株生长过快，营养液中营养元素供给不足从而使叶绿素含量相对较低[26]。叶绿素是植物光合作用吸收光能的主要物质，其含量高低与植物的光合速率密切相关[27]，叶绿素含量降低会影响上海青叶片光合性能和干物质的积累，从而导致减产。硝酸盐含量的高低是衡量蔬菜品质的一个重要指标，从图4A可以看出，随着UHP用量的增加，硝酸盐含量呈现明显降低趋势，表明用UHP替代硝态氮可明显降低蔬菜叶片硝酸盐含量。在UHP和尿素总氮量不变的情况下，随着UHP比例增加，叶片的硝酸盐含量反而降低，这可能是因为在低浓度UHP处理下，由于蔬菜的生物量增加引起的稀释效应；而在高浓度UHP处理下，蔬菜根系发育受到抑制，对养分的吸收利用效率低导致的。而VC含量随UHP浓度的增加呈现先升高后下降的趋势(图4B)，与CK相比，30%UHP处理VC含量显著增加34.91%，表明适量的UHP含量能够改善上海青VC含量，提高上海青品质。

4 结论

尿素可以作为氮源替代水培营养液中部分硝酸盐，尿素浓度过高会抑制蔬菜的生长，以50% 尿素替代日本园试配方中的硝态氮提高上海青产量的效果最为显著。UHP作为化学增氧剂可以改善水培的通气环境，其溶解氧浓度维持在262.36 ～ 288.41 μmol/L可以促进上海青根系发育、提高产量及品质，但UHP浓度过高会抑制上海青生长发育，导致减产。可见，在蔬菜水培栽培管理中，适量增氧减硝能够刺激根系发育，提高上海青的产量及品质，UHP∶尿素∶硝酸盐中氮含量比例为3∶7∶10为最佳配比，与对照相比，此配比上海青增产27.65%、叶绿素含量及VC含量分别增加71.25% 和34.91%，硝酸盐累积量减少9.66%。

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Effects of Urea Hydrogen Peroxide and Urea Ratios on Growth ofin Hydroponic Culture

WANG Rui1,2,3, LI Yilin2, YU Min1*, SHI Weiming1,2

(1 International Research Center for Membrane Biology and Environment, Foshan University, Foshan, Guangdong 528000, China; 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Nitrate enrichment and oxygen supply in hydroponic vegetables are urgent problems that need to be solved in the current hydroponic system. In order to reduce the nitrate content ofssp. Chinensis (L.) in hydroponic culture, firstly, urea was used to replace partial nitrate in the Japanese garden test nutrition solution, and then different ratios of urea-hydrogen peroxide (UHP) to urea were designed to study the effects of nitrate reduction and increment oxygen on the growth and quality ofin hydroponic. First of all, 30%, 40%, 50% and 100% urea were used to replace nitrate to optimize the Japanese garden test nutrition solution. Compared to the control treatment, 50% urea substitution treatment significantly increased the yield and had a significant effect on root growth of. Furthermore, 10%, 30%, 50% and 80%UHP were used to replace partial urea in the modified Japanese garden test nutrition solution to determine the best ratio of UHP to urea and nitrate. The results showed that with increase of UHP concentration, the dissolved oxygen concentration in the nutrient solution increased significantly by 7.63%–39.70% compared with the control. Moreover, the yield of 30%UHP treatment increased by 27.65% compared with the control, as well as the total root length, root surface area, average root diameter, root volume and root tip number respectively increased by 24.68%, 36.92%, 16.90%, 28.19% and 28.89%, however the growth ofsignificantly inhibited in 50% and 80% of UHP treatments. Chlorophyll and VC contents in 30%UHP treatment were significantly increased by 71.25% and 34.91%, respectively, than the control. With increase of UHP concentration, the nitrate content of leaves showed a downward trend, nitrate content significantly decreased by 3.86%, 9.69%, 22.71% and 26.87% respectively in 10%, 30%, 50% and 80%UHP treatments compared with the control. It was concluded that appropriate nitrate reduction and increment of oxygen could stimulate root development, improve yield and quality of. The optimized ratio of nitrogen content in UHP︰urea︰nitrate was 3︰7︰10.

Hydroponics;; Urea-hydrogen peroxide; Urea; Quality

S636

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.004

王瑞, 李奕林, 喻敏, 等. 过氧化脲及尿素配比对水培上海青生长及品质的影响. 土壤, 2022, 54(2): 240–246.

国家自然科学基金面上项目(31872957)资助。

(yumin@fosu.edu.cn)

王瑞(1993—)，女，山东枣庄人，博士研究生，主要从事蔬菜养分高效利用生理机制及菜地养分面源污染研究。E-mail: rwang@issas.ac.cn