氮素形态对基质栽培娃娃菜品质的影响

Effect of nitrogen forms on the quality of mini Chinese cabbage cultivated on substrate

摘要

目的 探究不同氮素形态对基质栽培娃娃菜品质的影响，为基质栽培娃娃菜科学施用氮肥提供参考依据。 方法 试验采用基质盆栽方式，以不施肥为对照（CK），施肥处理保持总氮水平一致，设置4个氮素形态及配比，分别是全铵态氮（T₁）、铵态氮和硝态氮各50%（T₂）、全硝态（T₃）、尿素（T₄），采收后测定娃娃菜可溶性糖、可溶性蛋白、VC、硝酸盐、可滴定酸以及矿物质元素的含量。 结果 施用铵态氮可显著提高娃娃菜中可溶性糖的含量，T₁和T₂较CK分别增加134.1%和48.35%。与其他处理相比，铵态氮和硝态氮各50%配施显著提高娃娃菜中可溶性蛋白和VC含量。施肥会增加娃娃菜中硝酸盐的水平，各处理硝酸盐含量T₃>T₂>T₁>T₄>CK，硝态氮更容易引起娃娃菜中硝酸盐水平的升高，配施铵态氮可降低硝酸盐的含量。氮素形态对娃娃菜矿质元素含量影响不一致，全硝态氮处理下娃娃菜中K、Ca和Mg的含量最高，较CK分别增加161.9%、30.7%和68.2%。铵态氮和硝态氮各50%配施更有利于N、P、Mn和Zn的积累，Cu和Fe在单一氮素形态铵态氮下含量最高。 结论 铵态氮和硝态氮各50%配施可显著增加娃娃菜中可溶性蛋白和VC的含量，可溶性糖的含量较高，硝酸盐含量较低，有利于养分的积累，获得较高的品质，可以作为基质栽培娃娃菜中氮肥施用的参考。

Abstract

Objective The study was conducted to investigate the effect of different nitrogen forms on the quality of mini Chinese cabbage cultivated on substrate，providing scientific reference to nitrogen fertilizer application in Brassica pekinensis cultivation on substrate. Method The experiment was conducted in pots with substrate.Four nitrogen forms and proportions were set with no fertilization as the control(CK)，i.e.，the total ammonium nitrogen (T₁)，50% ammonium nitrogen and 50% nitrate nitrogen (T₂)，the total nitrate (T₃) and urea (T₄)，which had the same level of total nitrogen.After harvesting，the contents of soluble sugar，soluble protein，VC，nitrate，titratable acid and mineral elements were determined. Result Application of ammonium nitrogen significantly increased the content of soluble sugar in mini Chinese cabbage.Compared with the CK，the soluble sugar of the treated plants in T₁ and T₂ significantly increased by 134.1% and 48.35%，respectively.The combined application of 50% ammonium nitrogen and 50% nitrate nitrogen significantly increased the contents of soluble protein and VC in mini Chinese cabbage in comparison with other treatments.The fertilization increased the nitrate level in mini Chinese cabbage，and the nitrate content in different treatments ranked as following: T₃>T₂>T₁>T₄>CK.It was more likely that Nitrate nitrogen caused the increase of nitrate level in B.pekinensis，and that the combined application of ammonium and nitrate nitrogen reduced the nitrate content.The effect of nitrogen forms on the mineral element contents was inconsistent among different treatments.The contents of K，Ca and Mg were the highest under the treatment with total nitrate nitrogen，which increased 161.9%，30.7% and 68.2%，respectively，compared with the CK.The 50% ammonium nitrogen and 50% nitrate nitrogen were favorable to N，P，Mn and Zn accumulation，and the contents of Cu and Fe were the highest under total ammonium nitrogen treatment. Conclusion The combined application of 50% ammonium nitrogen and 50% nitrate nitrogen significantly increased the contents of soluble protein and VC in mini Chinese cabbage，of which the soluble sugar content is higher and the nitrate content is lower.Therefore，the treatment was beneficial to nutrient accumulation and quality，and the results could be used as a reference for nitrogen fertilizer application in the substrate cultivation of mini Chinese cabbage.

Graphical abstract

关键词

娃娃菜 / 氮素形态 / 基质栽培 / 品质 / 矿质元素

Key words

mini Chinese cabbage / nitrogen form / cultivation with substrate / quality / mineral element

娃娃菜（Brassica pekinensis）是一种袖珍型小株白菜，属十字花科芸薹属白菜亚种，为半耐寒性蔬菜，由于其经济效益显著，是目前高原夏菜的主栽品种之一。氮是重要的结构物质，是植物蛋白质、氨基酸、叶绿素，以及一些具有特殊功能的次生代谢物的重要组分，影响植物生长发育、产量和品质形成、生殖等重要生理过程^［1］。大多数植物吸收和利用的氮素主要是无机态氮，无机态氮包括硝态氮和铵态氮^［2］，氮素形态不同，对植物生理代谢过程影响不同，从而对植物生长和品质产生不同的效应^［3］。施用硝态氮肥会增加蔬菜对硝酸盐的吸收，提高蔬菜中硝酸盐含量，而施用铵态氮肥可降低蔬菜中硝酸盐的含量^［4-6］。王晋等^［7］研究了铵态氮和硝态氮配比对水培油麦菜品质的影响，结果表明，油麦菜地上部硝酸盐含量与营养液中硝态氮的比例呈正相关关系，且各处理均达到无公害蔬菜的标准，随着营养液中铵态氮比例的增加，油麦菜地上部有机酸含量先降低后升高，且在硝铵态氮配比为5∶5时最低，可溶性糖含量在全铵态氮处理下含量最高，而可溶性蛋白质含量在硝铵态氮配比为5∶5时最高。马英杰^［8］认为不同氮素处理后，叶菜体内硝酸盐积累在所有氮素形态中铵态氮素处理最低，硝态氮素处理最高；用不同硝铵比例氮素时，处理中施用硝铵比为1∶1处理最低，硝铵比为1∶2处理次之，硝铵比为2∶1处理最高。张婧等^［9］的研究表明与单一硝态氮相比，在营养液中添加铵态氮可以降低辣椒果实中的硝酸盐含量，铵硝配比为25∶75时，果实中维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白含量均显著高于铵硝配比为0∶100的处理。

近年来，蔬菜的品质已成为消费群体和科研人员共同关注的问题，描述娃娃菜品质的指标有可溶性糖、有机酸、VC等，目前对娃娃菜叶球中矿质元素含量的报道较少。相关研究表明，植物生长所必须的17种元素中，14种都是矿质元素，这些元素首先被根部从土壤溶液中吸收，然后根据不同器官的需求转移到不同的器官和组织中^［10］。元素种类、含量与植物生长发育密切相关，它既可以直接参与到新陈代谢过程中，也可以改变植株的形态和生物化学特性，进而对产量及果实品质产生较大影响^［11］。各种矿质营养的绝对含量以及它们之间的相互作用，决定着果实可溶性固形物、VC、有机酸含量以及果实大小、着色程度、果实耐贮性等品质^［12］。不同的作物喜不同的氮素形态，作物的高产优质以充足的养分吸收为前提^［13］，目前在大田土壤栽培条件下，不同氮素形态对娃娃菜品质影响的研究较多，而基质栽培以省工省力、优质高效、环保少污染等优点正在逐渐被广大菜农认可，也是发展有机农业的有效途径。因此，本研究在施肥处理等氮量的条件下，研究不同氮形态对基质盆栽娃娃菜品质的影响，以期为基质栽培娃娃菜生长确定适宜的氮素形态，提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以秋玉黄娃娃菜为试材，购自北京四海种业有限责任公司，试验所用基质为甘肃绿能有限公司生产的商品基质。

1.2 试验设计

娃娃菜种子置于人工气候箱中进行催芽，人工气候箱为黑暗条件下25 ℃，催芽18 h后，待种子露白后播种于50孔育苗穴盘，幼苗长至三叶一心时，选取大小一致、无病虫害、生长健壮的娃娃菜幼苗定植到装有1.9 kg基质的花盆中（高15 cm，直径24 cm），每个花盆均定植一株。生长至四叶一心进行处理。

试验采用随机区组设计，共设置5个处理，分别为不施肥（CK）、铵态氮∶硝态氮=100∶0（T₁）、铵态氮：硝态氮=50∶50（T₂）、铵态氮：硝态氮=0∶100（T₃）、尿素（T₄），每小区10盆，重复3次。肥料配比和用量见表1，施肥处理中每盆娃娃菜施入N 3.8 g、P₂O₅ 0.84 g、K₂O 12.28 g，纯过磷酸钙7 g/株作为底肥一次性施入，娃娃菜定植后缓苗6 d施入其他肥料总量的20%，40%于莲座期追施，40%于结球初期追施，各处理间田间管理均一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 娃娃菜营养品质

娃娃菜采收后，取内叶进行品质测定。可溶性糖含量用蒽酮比色法测定^［14］，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定^［14］，VC采用2，6-二氯淀粉钠染色法测定^［14］，硝酸盐含量采用硝基水杨酸法^［14］，可滴定酸采用酸碱滴定法测定^［14］。每个处理3次重复。

1.3.2 矿质元素

娃娃菜采收后取内叶105 ℃杀青15 min，80 ℃烘干，用植物组织粉碎机研磨。称取烘干样0.5 g，样品前处为湿式消解（H₂SO₄-H₂O₂消煮法）；K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn元素测定采用原子吸收光谱法^［15］，N用凯氏定氮法测定，Ｐ元素的测定采用钼锑抗比色法^［16］。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理及作图，SPSS 25.0软件进行单因素分析、主成分分析，采用 Duncan’s 法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 氮素形态对基质栽培娃娃菜可滴定酸含量的影响

图1-A中可以看出，施肥会不同程度提高娃娃菜可滴定酸含量，且不同氮素形态对可滴定酸含量影响不同。全硝态氮处理下娃娃菜可滴定酸含量最高，达0.79%，较CK处理显著提高39.40%，且显著高于全铵态氮处理、铵态氮和铵态氮硝态氮各50%配施处理以及尿素处理，全铵态氮处理、全硝态氮处理之间差异不显著。

2.2 氮素形态对基质栽培娃娃菜可溶性蛋白含量的影响

从图1-B可以看出，施肥处理可以显著提高娃娃菜中可溶性蛋白含量。与单一形态氮素相比，配比施肥更有利于娃娃菜可溶性蛋白的形成，铵硝配施处理下娃娃菜可溶性蛋白含量最高，达2.56 mg/g，较CK相比显著提高48.1%，且显著高于全铵态氮处理，全硝态氮处理和尿素处理间无显著性差异。

2.3 氮素形态对基质栽培娃娃菜抗坏血酸含量的影响

从图1-C可以看出，铵态氮和硝态氮配施T₂处理下娃娃菜中抗坏血酸含量最高。达72.75 mg/kg，较CK显著增加37.03%，较全铵态氮处理显著增加了31.46%。

2.4 氮素形态对基质栽培娃娃菜硝酸盐含量的影响

从图1-D可知，施肥明显增加了娃娃菜中硝酸盐的含量。其中全硝处理（T₃）硝酸盐含量最高，与全硝处理相比较，增加铵态氮肥有助于降低叶片中硝酸盐含量，全铵处理显著下降44.61%，铵态氮和硝态氮各50%配施处理显著下降16.33%，尿素处理和全铵处理之间无显著差异。

2.5 氮素形态对基质栽培娃娃菜可溶性糖含量的影响

从图1-E可以看出，单施铵态氮（T₁）、硝态氮（T₃）、铵态氮和硝态氮各50%配施（T₂）显著提高了娃娃菜中的可溶性糖的含量，各施肥处理中，可溶性糖含量T₁>T₂>T₃>T₄，全铵态氮处理下，娃娃菜中可溶性糖含量最高，达2.17%，比T₂、T₃分别显著提高57.8%和95.46%，尿素处理下可溶性糖含量低于CK。

2.6 氮素形态对娃娃菜大量元素和中量元素含量的影响

由表1可知，施肥可以显著提高娃娃菜叶片中大中量元素含量。娃娃菜叶片中N和P元素含量表现出一致的变化趋势，在铵态氮和硝态氮各50%配施时含量最高，尿素处理下含量最低，其中N元素较CK增加69.65%，较全铵态氮处理T₁、全硝态氮处理T₃、尿素处理T₄分别增加8.85%、2.91%、13.81%，P元素在全铵态氮和全硝态氮处理下无明显差异。除N元素外，娃娃菜叶片中K元素含量最高，并且硝态氮更有利于K元素的积累，全硝态氮T₃处理下K元素含量最高，达到10.03 g/kg，为全铵态氮处理的1.28倍、铵态氮和硝态氮各50%配施处理的1.08倍。硝态氮对Ca元素和Mg元素的吸收表现出明显的促进作用，Ca元素在全铵态氮处理和尿素处理下差异并不明显，Mg元素在铵态氮和硝态氮各50%配施、全铵态氮和尿素处理之间无显著差异。以上结果说明娃娃菜中不同大中量矿质元素的积累与氮素形态有关。

2.7 氮素形态对娃娃菜微量元素含量的影响

由表3可知，施肥处理明显提高娃娃菜叶片中微量元素含量。全铵态氮T₁处理下娃娃菜中Fe元素含量最高，达到387 mg/kg，显著高于全硝态氮处理T₃、尿素处理T₄和CK，与铵态氮和硝态氮各50%配施T₂处理无显著差异。Mn元素和Zn元素在含量上表现出一致性，施用硝态氮会显著促进这两种元素的积累，这表明硝态氮肥比其它形态的氮肥更能促进娃娃菜对Mn和Zn这2种元素的吸收。Mn和Zn 2种元素在全硝态氮处理T₃和铵态氮硝态氮各50%配施T₂处理之间无显著差异，尿素处理下2种元素的积累量均高于全铵态氮处理。铵态氮和硝态氮各50%配施T₂处理与尿素处理T₄下娃娃菜叶片中Cu元素的含量与CK相比无显著差异，全铵态氮处理T₁与全硝态氮处理T₃下Cu元素的含量无显著差异，较CK分别提高76.0%和65.5%。

2.8 不同氮素形态处理下娃娃菜叶片中矿质元素含量主成分分析及综合评价

主成分分析是实现降维的一种统计方法，在损失较少信息前提下，用少数变量尽可能多地反映原来变量的信息，以9种矿质元素含量为分析指标，对不同氮素形态娃娃菜中9种矿质元素含量进行主成分分析得到主成分特征值、贡献率和累积贡献率（表3）。如表3所示，研究中按照累积贡献率大于85%及特征值大于１的原则，选择了３个主成分，结果如表3所示，第1主成分特征值为5.932，代表不同氮素形态处理下9种矿质元素含量65.915%的信息；第2主成分特征值为1.554，代表不同氮素形态处理下9种矿质元素含量17.264%的信息，第3主成分特征值为0.944，代表不同氮素形态处理下9种矿质元素含量10.489%的信息，前３个主成分累计方差贡献率为93.667%，说明这３个主成分反映了原始变量94%的信息．因此提取前３个主成分代替原9个指标评价不同氮素形态娃娃菜矿质元素含量．对娃娃菜矿质元素含量评价的指标由最初的9方面降为３个彼此不相关的主成分，达到了降维的目的，降维之后易于对多个指标进行简化综合分析。

用各矿质元素的主成分载荷除以相对应主成分特征值的开平方根，得到３个主成分中每个矿质元素所对应的系数即特征向量（表5），以特征向量为权重构建３个主成分的表达函数式：

Z₁=0.39X₁＋0.37X₂＋0.40X₃＋0.38X₄＋0.34X₅＋0.17X₆＋0.12X₇＋0.37X₈+0.34X₉

Z₂=0.13X₁+0.16X₂-0.02X₃-0.13X₄-0.22X₅+0.54X₆+0.71X₇-0.25X₈-0.19X₉

Z₃=-0.06X₁-0.33X₂+0.08X₃+0.21X₄+0.46X₅+0.59X₆-0.34X₇-0.21X₈-0.33X₉

在以上3个表达式中，Z₁、Z₂和Z₃表示第1主成分、第2主成分和第3主成分，X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈、及X₉分别为标准化的N、P、K、Ca、Mg、Cu、Fe、Mn及Zn含量，以各个主成分对应的方差贡献率作为权重。由主成分得分和对应的权重线性加权求和得到综合评价函数如下：

综合得分Y=0.53×Z₁+0.22×Z₂+0.15×Z₃

根据主成分综合得分模型，可计算出不同氮素处理下娃娃菜9种矿质元素的综合得分和排序（表6），综合得分由高到低依次为全硝态氮处理T₁、铵态氮和硝态氮各50%处理T₂、 全铵态氮处理T₁、尿素处理T₄、不施肥对照CK。

3 讨论

3.1 氮素形态对娃娃菜品质的影响

蔬菜是人们生活中必不可少的副食品，蔬菜品质的好坏关系到人们的饮食健康。本试验研究发现，全硝态氮T₃处理下可滴定酸含量最高，全铵态氮T₁处理和铵态氮硝态氮各50%配施T₂处理下娃娃菜中可滴定酸含量降低，但两者之间无显著差异，这与汪建飞^［17］在菠菜中的研究结果一致。周相助等^［18］的研究发现，硝态氮：铵态氮=7∶3较全铵态氮或全硝态氮更有利于植物的生长，铵态氮有利于水培叶用莴苣总有机酸的积累，但不利于叶用莴苣的生长，与本试验结果不一致，可能原因是在基质栽培全硝态氮处理条件下，娃娃菜长势好，更有利于有机酸的积累。可溶性蛋白是植物重要的生理生化指标，也是植物体内氮素存在的主要形式，本试验中，铵态氮和硝态氮各50%配施T₂处理下娃娃菜中可溶性蛋白含量和抗坏血酸含量最高，可溶性蛋白为全铵态氮处理T₁和全硝态氮处理T₃的1.15倍和1.23倍，抗坏血酸为全铵态氮处理T₁和全硝态氮处理T₃的1.3倍和1.19倍，这表明铵硝配施更有利于提高娃娃菜的可溶性蛋白和抗坏血酸含量，周箬涵等^［19］在大田试验中发现，硝态氮：铵态氮在5∶5~3∶7时更利于增加娃娃菜可溶性蛋白含量，与本试验研究结果一致。娃娃菜叶片中可溶性糖的含量在全铵态氮T₁处理下最高，与铵态氮硝态氮各50% T₂处理下差异并不显著，说明铵态氮较硝态氮有利于娃娃菜中可溶性糖的形成，与周箬涵^［19］的研究结果一致，与隋利等^［20］的研究结果不一致，他在紫苏上的研究结果表明硝态氮处理更有利于可溶性糖的积累，可能原因是不同氮素形态在不同作物体内代谢途径差异大造成的。

硝酸盐含量是蔬菜重要的安全品质，硝酸盐主要通过食用蔬菜进入人体^［21］，陈巍等^［22］研究表明，适当配施铵态氮较纯硝态氮能降低小白菜硝酸盐积累；刘赵帆等^［23］指出，当硝态氮：铵态氮处于3∶7~5∶5范围内时可以减少花椰菜花球中硝酸盐的积累，本试验中硝酸盐含量在全硝态氮处理下最高，施用铵态氮可显著降低硝酸盐的水平，这与前人研究结果一致。此外，本试验中各处理娃娃菜叶球中硝酸盐含量处在范围，均低于国家标准^［24］。

3.2 氮素形态对娃娃菜矿质元素含量的影响

人类栽培和利用蔬菜除了获得必需的维生素外，还可补充大量人体必需的矿质营养元素^［25］。果实中矿质元素含量与土壤养分具有直接关系，但同时受自身营养吸收、运转和分配等因素影响。同一种矿质元素在不同种类、不同品种果品中的含量差异很大^［26］。本试验研究得出，娃娃菜中含有丰富的矿质元素，其中大量元素N、P和微量元素Mn、Zn在铵态氮硝态氮各50%配施T2处理下含量最高，大中量元素K、Ca和Mg在全硝态氮处理下含量最高，微量元素Fe和Cu在全铵态氮处理下含量最高。张富仓等^［27］研究发现，营养液中铵态氮与硝态氮的比例降低增加了大白菜对K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的吸收，说明硝态氮的吸收有利于促进阳离子的吸收，与本试验结果中全硝态氮下娃娃菜对K、Ca、Mg的吸收量最大一致，但是其他元素的含量并不是在全硝态氮下最高，发生这种现象的原因可能是因为一方面植物吸收硝态氮和铵态氮后，根系pH发生变化，影响其对矿质元素的吸收，进而影响其含量；另一方面铵根离子可能与阳离子有竞争作用，其机理还有待进一步探讨。主成分分析是利用正交变换来对一系列可能相关的变量的观测值进行线性变换，从而投影为一系列线性不相关变量的值，这些不相关变量称为主成分，本试验通过主成分分析，进一步计算不同氮素形态下娃娃菜中9种矿质元素的综合得分，排名由高到低依次为T₃>T₂>T₁>T₄>CK，这与朱小梅等^［25］的观点一致，铵盐所造成的生理酸性较强而迅速，植物本身很难抵抗，同时蔬菜作物过多吸收铵态氮，会产生NH₃毒害引起生育障碍，并抑制Ca^2＋、Mg²⁺的吸收，导致生长不良。

4 结论

综上所述，不同氮素形态对基质栽培娃娃菜的品质均有不同程度的影响，当铵态氮和硝态氮各50%配施时，娃娃菜叶片中的可溶性蛋白和抗坏血酸的含量最高，并且有利于N、P、Mn和Zn元素的积累，可作为娃娃菜基质栽培的施肥参考依据。

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基金资助

甘肃省教育厅“双一流”科研重点项目(GSSYLXM-02)

中央引导地方科技发展专项(ZCYD-2020-5)

国家大宗蔬菜产业技术体系项目(CARS-23-C-07)