减氮和氮硅配施对辣椒产量、营养品质及养分吸收利用的影响

张 帆,崔云浩,秦志翔,王芽芽,张 毅,石 玉

(山西农业大学 园艺学院,山西太谷 030801)

氮素是蔬菜作物生长发育必需的大量元素之一[1],可参与植物体蛋白质、核酸、叶绿素等含氮有机物的合成,进而影响植物的生长发育及果实品质的形成,因此,土壤供应氮素的水平是限制作物产量及果实品质的重要因素,土壤中的氮素主要以硝态氮的形式被植物直接吸收利用,少部分则以铵态氮的形式吸收利用[2]。毕晓庆等[3]研究表明,在植物生殖生长期缺失氮素会导致落花落果,叶片早衰,进而影响果实品质和产量。当植物吸收氮素过多时,大量光合产物被用于含氮有机物合成,限制碳水化合物的合成与积累,进而影响植物营养生长和生殖生长的平衡[4]。例如,氮素水平过高导致三叶青贪青生长,茎秆纤细,生殖生长被抑制[5];过量施氮会导致梨净光合速率下降,阻碍果实糖分合成,硝酸盐在叶片、果实中大量积累,影响碳水化合物的合成与积累,导致坐果率下降,果实品质低下[6]。此外,过量施氮还会促进樱桃果实内的糖转化为氨基酸,降低果实内糖含量[7]。

近年来,中国设施蔬菜氮肥施用量高达850.5 kg/hm2,为氮肥推荐量的1.9倍[1],作物每生长季从土壤中吸收的平均氮肥量为230 kg/hm2,而氮肥剩余量可达324 kg/hm2,氮肥利用率平均仅为18.6%,土壤中未被作物吸收的氮素则以NH3挥发、反硝化作用及淋洗等形式释放到大气或土壤环境中[8],不仅会导致作物的氮素利用率大幅降低,土壤有机质含量下降,速效养分富集,土壤次生盐渍化严重,还会出现土壤贫瘠、离子毒害等现象,土壤中残留的氮素经过淋溶沉积进入地下水或在反硝化作用下产生NO释放到空气中,污染空气,对环境造成严重破坏[1]。目前,国内外关于辣椒的氮肥施用已有大量研究,近年来,设施辣椒实际生产中氮肥的投入施用量仍在迅速上升[1],过量的氮肥施入严重影响了辣椒的氮肥利用效率,普遍导致辣椒果实产量下降,果实中的糖分、蛋白质、维生素等营养物质含量下降,硝酸盐、亚硝酸盐含量增加[9]。因此,研究减施氮肥对辣椒产量、果实品质及氮素吸收利用的影响机制,可为辣椒的增产提质和氮肥的减量增效提供理论基础。

硅(silicon,Si)是地壳中含量第二高的元素,主要以硅酸盐结晶的形态存在于土壤中,近年来已有研究发现,硅对植物生长发育有益,影响植物体内许多新陈代谢过程[10]。硅可以沉积在植物叶片表皮形成角质-硅双层,在叶脉间形成矩形硅化细胞,在茎秆表面形成含硅体,增强叶片机械强度与茎秆刚性,进而提高植物抗病虫害能力,促进茎秆增粗防止倒伏[11]。此外,硅还可促进植物根系生长,提高根系细胞的亲水性和水分传导,从而显著促进了植物根系对土壤矿质元素的吸收利用[12]。瞿翔等[13]研究表明,硅可以提高土壤有效磷含量,有效缓解玉米体内的缺素胁迫;袁源远等[14]研究发现,硅肥能够促进水稻生长发育,改善光合作用与养分吸收利用能力。目前,硅肥在水稻、玉米等农作物的实际生产应用已有大量研究,而在辣椒等双子叶植物生产实践中的应用研究还有待进一步深入。该研究以辣椒(CapsicumannuumL.)为试材,通过设置氮肥减施下配施硅肥试验,探讨硅肥对辣椒产量、果实品质及氮素吸收利用的影响,以筛选出最佳的施肥组合,为辣椒增产提质提供理论基础与技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验设计

本试验在山西农业大学园艺试验站及实验大楼进行。选用辣椒品种‘奥黛丽’为试材,将幼苗装至72孔穴盘中进行苗期管理,待幼苗长至三叶一心时定植于装有不同肥料处理的基质营养钵(30 cm×30 cm×40 cm)内,缓苗1周后,每隔3 d浇灌1次营养液(营养液配方采用日本山崎甜椒营养液配方),每次150 mL,采用滴灌方式每隔1 d浇1次水,并及时进行疏花疏果、整枝打岔及病虫害防治。

根据当地实际每生产1 000 kg辣椒需要4.8 kg氮(N)、0.9 kg磷(P)、5.4 kg钾(K),计算辣椒整个生长期N、P、K需求量,确定N、P、K肥正常用量分别为391,211,231 kg/hm2,根据氮肥减施比例设置正常施氮量(N1.0)、60%施氮量(氮肥减施40%,N0.6)、40%施氮量(氮肥减施60%,N0.4)和不施氮肥(N0)4个供氮水平。定植时将不同处理氮、磷、钾肥按比例与基质混合用作底肥。待进入辣椒花期,于16:00—18:00进行1.5 mmol/L硅酸钠(施硅浓度由预实验筛选得出)根施处理,每周1次,每株500 mL,直至果实成熟,以不施硅为对照。试验共组成8个(4×2)氮肥、硅肥配施处理组合。待辣椒果实成熟且达到采收标准后,采收成熟度均匀一致的果实,于-80 ℃超低温冰箱保存,用于品质指标测定。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 果实产量

待辣椒果实成熟且达到采收标准后,每隔7 d按单株采收成熟度一致的果实,共采收3批,每批采收5株并进行称重,计算单株产量。每个处理3次重复。

1.2.2 果实营养品质

可溶性糖含量采用蒽酮乙酸乙酯法测定[15],可滴定酸含量采用酸碱滴定法测定[15];糖酸比为可溶性糖含量与可滴定酸含量之比;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定[15];硝酸盐含量采用水杨酸—硫酸比色法测定[15];维生素C含量采用钼蓝比色法测定[15]。每个处理3次重复。

1.2.3 果实和基质中矿质元素含量

取成熟的辣椒果实,洗净擦干后置于烘箱内先105 ℃杀青15 min,后于65 ℃烘干至恒重,过100目筛并制备干样;同时,将相应处理的栽培基质分装至敞口塑料袋中,待自然风干后过100目筛并制备干样。称取0.2 g烘干样品,用H2SO4-H2O2消煮法制备消煮液,采用火焰原子吸收分光光度计(AA-6200,日本SHIMADZU)测定果实中K、Ca、Mg元素含量,每个处理3次重复。N元素质量分数采用靛酚蓝比色法[16]测定,P元素质量分数采用钼锑抗比色法[16]测定。

1.2.4 辣椒氮肥农学利用效率

依据以上测定结果计算氮肥农学利用效率=(施氮区作物产量-未施氮区作物产量)/氮肥施用量。

1.3 数据分析

采用 SPSS 21.0统计软件进行果实产量、品质及养分吸收指标在处理间的差异显著性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 减氮和施硅对辣椒果实产量的影响

从图1来看,随供氮水平的降低,不施硅和施硅处理辣椒果实产量均呈先升高后降低的变化趋势,且均在N0.6(N0.6+Si)处理下达到最大值,其果实产量比相应的正常供氮处理N1.0(N1.0+Si)显著提高19.93%(5.04%);而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)处理的果实产量均显著低于相应正常供氮处理N1.0(N1.0+Si),降幅分别达到60.27%(41.56%)和82.94%(70.78%)。

N1.0为正常供氮;N1.0+Si为正常供氮配施1.5 mmol/L Si;N0.6为60%供氮(氮肥减施40%);N0.6+Si为60%供氮配施1.5 mmol/L Si;N0.4为40%供氮(氮肥减施60%);N0.4+Si为40%供氮配施1.5 mmol/L Si;N0为不施氮肥;N0+Si为不施氮肥配施1.5 mmol/L Si。不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05),使用Ducan新复极差法进行多重比较。下同。

与单一供氮处理相比,各配施硅肥处理的辣椒果实产量均显著提高。可见,辣椒果实产量在减施40%氮肥后会发生显著变化,但若进一步减施氮肥则会大幅显著降低;配施硅肥会不同程度提高各施氮水平下辣椒果实产量,但增幅存在差异。

2.2 减氮和施硅对辣椒果实品质的影响

2.2.1 Vc和可溶性蛋白含量

由图2,A、B可知,随供氮水平的降低,不施硅和施硅处理辣椒果实Vc、可溶性蛋白含量均呈先升高后降低的变化趋势,并均在N0.6(N0.6+Si)处理下达到最大值,此时它们的Vc、可溶性蛋白含量均比相应的N1.0(N1.0+Si)处理分别显著提高23.66%(15.33%)、5.37%(9.01%);而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)处理的果实Vc、可溶性蛋白含量均大幅度显著低于相应N1.0(N1.0+Si)处理,N0(N0+Si)处理又显著低于相应的N0.4(N0.4+Si)处理。与单一施氮处理相比较,各配施硅肥处理辣椒果实中Vc和可溶性蛋白含量大多进一步显著提高,但提高幅度在各施氮水平间存在差异,增幅分别在16.57%～35.63%和3.61%～9.85%之间。可见,辣椒果实Vc和可溶性蛋白含量在减施40%氮肥后显著提高,但若进一步减施氮肥则会大幅显著降低;配施硅肥会显著提高各施氮水平下辣椒果实Vc和可溶性蛋白含量。

图2 减氮和施硅处理下辣椒果实品质指标的变化

2.2.2 可溶性糖和可滴定酸含量

图2,C、D显示,随供氮水平的降低,不施硅和施硅处理辣椒果实的可溶性糖含量均呈先升高后降低的变化趋势,并均在N0.6(N0.6+Si)处理下达到最大值,此时比相应的N1.0(N1.0+Si)处理显著提高6.91%(7.06%),而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)处理均显著低于相应正常供氮处理,降幅分别为32.53%(19.86%)和44.05%(45.12%);辣椒果实的可滴定酸含量则均呈先降低再升高的变化趋势,并均在N0.6(N0.6+Si)处理下达到最小值,此时比相应的N1.0(N1.0+Si)处理显著降低了29.03%(36.15%),而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)处理均显著高于相应正常供氮处理。与单一施氮处理相比较,各配施硅肥处理辣椒果实的可溶性糖含量大多显著提高,而其可滴定酸含量均显著降低,降幅在25.77%～39.07%。可见,在减施40%氮肥后辣椒果实可溶性糖含量有所提高,且可滴定酸含量显著降低,但若进一步减施氮肥,则可溶性糖含量会大幅显著降低,且可滴定酸含量大幅显著升高;配施硅肥会显著提高各施氮水平下辣椒果实可溶性糖含量,同时显著降低其可滴定酸含量。

2.2.3 硝酸盐含量和糖酸比

图2,E、F显示,在氮肥减施条件下,不施硅和施硅处理辣椒果实的硝酸盐含量相比于N1.0(N1.0+Si)处理均显著降低,降幅在56.76%～75.30%;同时,它们的糖酸比均在N0.6(N0.6+Si)处理下达到最大值,比相应的N1.0(N1.0+Si)处理显著提高了50.94%(58.18%),而在N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)处理下比N1.0(N1.0+Si)处理分别显著降低73.58%(69.15%)和85.91%(87.54%)。与单一施氮处理相比,各配施硅肥处理辣椒果实的硝酸盐含量显著降低25.56%～49.92%,而其辣椒果实的糖酸比均有不同程度提高,并在N0.6与N0.6+Si处理间增幅最大,显著提高了81.23%。可见,氮肥减施后辣椒果实的硝酸盐含量会显著降低,且辣椒果实的糖酸比在减施40%氮肥后显著提高,进一步减施氮肥则会大幅显著降低;配施硅肥会显著降低各施氮水平下辣椒果实的硝酸盐含量,同时会不同程度提高其糖酸比。

2.3 各施肥处理对辣椒果实几种矿质大量元素含量的影响

由表1可知,随供氮水平的降低,不施硅和施硅处理辣椒果实的矿质大量元素含量均呈先上升后降低的变化趋势,并均在N0.6(N0.6+Si)处理下达到最大值,此时其果实的Ca、K、N与P元素含量比相应N1.0(N1.0+Si)处理分别显著提高18.57%(40.88%)、4.67%(2.55%)、12.66%(6.59%)和10.82%(4.88%);而N0.4(N0.4+Si)和N0(N0+Si)处理的果实大量元素含量均大多比相应N1.0(N1.0+Si)处理大幅度显著降低。与单一施氮处理相比较,各配施硅肥处理辣椒果实的矿质大量元素含量均显著提高,并在N0.6与N0.6+Si处理间提升幅度最大。可见,辣椒果实的矿质大量元素含量在减施40%氮肥后显著提高,进一步减施氮肥则会大幅显著降低;配施硅肥会不同程度提高各施氮水平下辣椒果实的矿质大量元素含量。

表1 减氮和施硅处理下辣椒果实几种矿质大量元素含量

2.4 减氮和施硅对辣椒氮肥农学利用效率的影响

图3显示,不施硅(施硅)处理辣椒的氮肥农学利用效率随着施氮量降低均先上升后降低,并在N0.6(N0.6+Si)处理下比相应的N1.0(N1.0+Si)处理显著提高68.97%(76.01%),而在N0.4(N0.4+Si)处理下不仅显著低于相应N0.6(N0.6+Si)处理60.27%(76.01%),也比正常供氮处理不同程度降低;与单一施氮处理相比较,各配施硅肥处理辣椒的氮肥农学利用效率均不同程度提高,但均未达到显著水平。可见,辣椒的氮肥农学利用效率在减施40%氮肥后显著提高,而进一步减施氮肥则会大幅降低,且在各施氮水平下配施硅肥也会不同程度提高。

图3 减氮和施硅处理下辣椒氮肥农学利用效率的变化

2.5 各氮硅配施处理效应的综合评价

为进一步评价不同减氮与氮、硅配施处理对辣椒产量、营养品质及养分吸收利用的影响效应,对主要的11个指标进行相关性分析(表2),除可滴定酸外,其余10个指标间均呈不同程度显著相关,因此可进一步对11个指标进行主成分分析。

表2 辣椒产量、营养品质及养分吸收利用的11项指标的相关性分析

由表3可知,前2个主成分的初始特征值大于1,因而提取出了2个主成分,其中第1主成分的方差贡献率为80.70%,第2主成分的方差贡献率为9.11%。根据各主成分的特征值与载荷矩阵(表4)分析,果实的硝酸盐含量和N元素含量对第1主成分的影响最大,果实的可溶性糖、可滴定酸、可溶性蛋白、硝酸盐、P元素、Ca元素与Mg元素含量对第2主成分的影响较大。以特征向量为权重,根据主成分矩阵得出主成分函数(y1,y2)表达式(1)和(2):

表3 主成分总方差解释

表4 主成分分析的各因子载荷矩阵

y1=0.329x1+0.328x2+0.326x3+0.330x4-0.140x5-0.333x6+0.333x7+0.291x8+0.316x9+0.318x10+0.226x11

(1)

y2=-0.034x1+0.04x2+0.119x3-0.087x4+0.889x5+0.096x6-0.032x7+0.102x8+0.028x9+0.085x10+0.398x11

(2)

根据主成分函数表达式得出11个指标在各处理的综合得分(表5),其中N0.6+Si处理的综合得分明显高于其他处理,N1.0和N0.6处理次之,N1.0+Si处理再次,其余处理均为负值。因此,N0.6+Si处理对辣椒产量、营养品质及养分吸收利用的促进效果最佳。

表5 辣椒产量、营养品质及养分吸收利用的11项指标的综合得分

3 讨 论

近年来,国内外对硅肥在农业上的应用研究越来越广泛,目前,硅被普遍认为是对植物生长发育有益的营养元素[26]。有研究表明,适量施用硅肥对果实发育和养分积累有积极作用,最终促进增产。本研究结果表明,与单一供氮相比,氮硅配施后辣椒的氮肥农学利用效率及果实营养元素积累显著提高,果实产量显著增加,且在氮肥减施40%下配施硅肥(N0.6+Si)促进效果最佳。硅元素可有效维持土壤肥力,促进土壤中的元素移动,进而增强作物对营养元素的吸收,有研究发现,硅可以显著促进果实中K元素的吸收利用[27]。Alsaeedi等[28]的研究表明,施硅处理下黄瓜果实中钾元素含量显著提高,有利于植物维持离子稳态,调节渗透平衡,控制气孔开度,提高植物抗逆性,进而影响果实的养分吸收利用。因此,减施氮肥下配施硅肥与正常供氮相比进一步促进了辣椒根系生长发育,提高了辣椒根系对氮素的吸收利用,进而促进辣椒果实的养分吸收和积累,提高辣椒产量。

综上所述,与正常供氮水平相比,氮肥减施40%更有利于促进辣椒果实的生长发育与品质指标积累,提高辣椒果实产量,显著改善了果实品质;辣椒在氮肥减施40%条件下的氮肥农学利用效率更高,同时辣椒果实对大量矿质元素的有效吸收效果更佳。在不同供氮水平下配施1.5 mmol/L的硅肥,能进一步促进辣椒果实产量与营养品质的提高,同时进一步提高辣椒果实对大量矿质元素的积累,因而施硅有效改善了辣椒在高氮与氮素缺素条件下的生长状态,降低了高氮和缺氮的危害。综合考虑,本研究中氮肥减施40%的条件下配施1.5 mmol/L的外源硅肥对辣椒产量、营养品质及矿质元素的吸收利用的促进效果最佳。