氮肥施用量对甘蓝穴盘苗生长发育的影响

Study on the Effect of Nitrogen Application Rate on the Growth and Development of Wild Cabbage Seedlings

摘要

以中甘21号甘蓝品种为试验材料，选用98孔穴盘，设置9个不同氮肥浓度水平，分别为0（CK）、1（T1）、2（T2）、3（T3）、4（T4）、5（T5）、6（T6）、7（T7）、8（T8） mmol·L^－1，研究不同氮肥浓度对甘蓝苗期生长、根系特征、光合特性、荧光特性的影响，筛选甘蓝苗期最佳氮肥浓度。结果表明：随着施用氮肥浓度升高，甘蓝苗期株高、叶面积和Φ_PSⅡ逐渐增大，而茎直径、单株质量、根系特征值、光合特性指标均呈先升后降的趋势，氮肥浓度过低或过高，均会影响甘蓝苗期生长。对16个指标进行主成分分析，共获得3个主成分：氮素质量比、蒸腾速率和根平均直径。结合隶属函数分析表明，9个氮肥浓度对甘蓝生长发育的影响从高到低依次为T3、T5、T4、T7、T6、T2、T8、T1、CK，甘蓝苗期氮肥最佳浓度为3 mmol·L^－1。

Graphical abstract

关键词

氮肥 / 甘蓝 / 苗期 / 营养液

Key words

nitrogen fertilizer / wild cabbage / seedling / nutrient solution

甘蓝属于十字花科芸薹属，又称卷心菜、包菜、圆白菜等，其抗病性强且营养价值高，是全世界广泛栽培的蔬菜作物之一^[1]。甘蓝生长周期短，耐寒、耐旱性强，且产量高，适合在“十年九旱”的宁夏南部山区推广种植，目前在该地区已形成了较大规模的甘蓝产业，是地区重要的农业经济支柱之一^[2-3]。由于该地区农户过度追求产量最大化而盲目过量施用化肥，尤其大量施用尿素等化肥，这不仅造成所产甘蓝品质下降、病虫害加重和土壤肥力衰退，还使得农户前期投入大，经济效益降低^[4-5]。

在植物生长周期中，植物须要吸收氮、磷、钾、碳、氢、氧、钙、镁等多种营养元素^[6]，其中氮是植株生长发育不可缺少的重要元素，与作物的产量、生长势和品质等指标息息相关。植物氮含量的高低是判断作物生长发育的核心要素，有研究表明，在一定范围内增加有效氮含量可以促进作物对碳同化物质的吸收以及作物生长，但当超过阈值时，不仅对作物生长发育不利，而且对环境有负面影响^[7]。有研究表明，当外加氮过量时不仅不会增加森林土壤碳贮量和生态系统生产力，反而会导致土壤酸化，致使K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺流失以及N₂O大量排放，对生态系统造成严重破坏^[8]。因此，在保证甘蓝生产效益最大化的同时，合理调控氮肥施用量，优化氮肥使用效率，使氮肥对土壤的危害最小化，是地区农业追求的目标^[9]，这也对促进宁夏南部地区甘蓝产业发展具有重要意义。

1 试验

1.1 试验材料

供试甘蓝品种为京甘21号，由中国农科院蔬菜花卉所甘蓝育种课题组提供。

1.2 试验设计

试验于2022年7月3日在宁夏大学农科实训基地玻璃温室开展。选用98孔穴盘育苗，在穴盘内填充基质（基质配比：m_泥炭∶m_蛭石∶m_珍珠岩=3∶1∶1），轻度抚压并刮平基质，在每个穴格中放1粒种子，用基质覆盖，并将基质表面轻轻刮平，浇透水后置于育苗床，用覆膜盖严保湿。播种3 d后种子发芽，去掉覆膜，每天定时定量浇灌清水500 mL；4 d后定时定量浇灌营养液，营养液用量依据甘蓝种苗生长情况和天气情况而定，其他管理正常。

试验采用营养液基质栽培，共设置9个不同氮肥浓度水平，以不施氮肥为对照（CK），其他元素质量浓度保持一致。采用1/2单位的日本园式营养液配方配制营养液，具体数值见表1、表2。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 甘蓝生长指标的测定

在甘蓝播种后第35天，在穴盘相同区域取样，选取生长状态相近的甘蓝苗6株，测量株高、茎直径、叶面积、单株质量。其中，以基质表面为起点作为甘蓝植株基部，使用直尺测量自然直立状态下基部到顶部的距离，作为株高；使用游标卡尺测量距离基部1.5 cm处的茎直径；使用LI-3000C叶面积仪测量甘蓝生长点下第2片真叶的叶面积；使用千分之一电子天平分别称量6株甘蓝植株的单株质量，取平均值；使用MRS-9600 TFU2L型扫描仪扫描测定各处理的根长度、根体积、根平均直径、根表面积，重复6次。

分别在4个时期（播种后14、21、28、35 d）将采集的甘蓝叶片放入烘箱，在105 ℃下烘干30 min杀青。将烘干好的叶片进行浓硫酸消煮定容，使用凯氏定氮仪测定4个时期叶片全氮含量并记录。

1.3.2 甘蓝叶片光合指标及叶绿素含量测定

在甘蓝播种后第35天，选择在晴天08：00使用便携式光合作用仪（LI-6400 XT）测定叶片光合指标。设定测量参数，相对湿度为75%，设定叶室光量子通量为800 μmol·m^－2·s^－1，温度为25 ℃。选取各处理长势一致的幼苗，测量生长点下第2片真叶的蒸腾速率（T_r）、净光合速率（P_n）、气孔导度（G_s）、胞间二氧化碳浓度（C_i）。使用便携式叶绿素仪（SPAD-502 Plus，柯尼卡美能达）测量甘蓝第2片真叶叶绿素SPAD值。测量时选择无病虫害的叶片，避开主叶脉，取单片叶3个不同的位置测量取平均值，每个处理重复6次。

为测量光合酶，提供9个处理足够数量的叶组织（n=3）。测量植物Rubisco活化酶（RCA）、二磷酸核酮糖羧化酶（RubisCO）、果糖-1，6-二磷酸酶（FBPase）、景天庚酮糖-1，7-二磷酸酶（SBPase）、转酮醇酶（TK）酶含量。使用上海酶联生物技术有限公司生产的商业检测试剂盒进行测定，用ELISA读取器（Multiskan MS，Labsystems 325，赫尔辛基，芬兰）进行酶含量检测。

1.3.3 甘蓝叶片荧光参数的测定

在甘蓝播种后第35天，使用OS-1P型叶绿素荧光仪（OPTI-Sciences，美国），测定甘蓝叶片叶绿素荧光参数。在各处理穴盘相同区域取样，选取长势均匀一致的甘蓝第2片真叶，在叶脉两侧的位置测定。测量前叶片暗处理20 min，避开叶脉测量PSⅡ原初光能转换效率（F_v/F_m）和PSⅡ实际光合效率（Φ_PSⅡ），每个处理重复5次。

1.3.4 数据处理

采用Excel 2016整理数据，SPSS 25.0对处理间的差异显著性进行单因素ANOVA方差分析（α=0.05），多重比较采用Duncan’s新复极差法，不同字母表示处理间差异达5%显著水平（P<0.05），图表中数据为平均数±标准误，利用Origin 2019b处理数据并作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥浓度对甘蓝生长的影响

不同氮肥浓度对甘蓝生长的影响如图1所示。随着氮肥浓度升高，甘蓝株高和叶面积逐渐增加，在氮肥为8 mmol·L^-1时达到最高值，此时株高为23.04 cm，比CK高123.7%，叶面积比CK高133.77%，说明高浓度氮肥对甘蓝的株高和叶面积生长有促进作用。当氮肥浓度为3 mmol·L^-1时，甘蓝茎直径最大，比CK高17.44%，T1与T3之间差异显著。甘蓝的单株质量随着氮肥浓度的增加呈先升后降的趋势，T7的单株质量最大，为16.93 g，而T8的单株质量有所降低，二者差异显著，可见超过氮肥浓度阈值对甘蓝的生长发育有抑制作用。

2.2 不同氮肥浓度对甘蓝根系生长的影响

由图2可知，氮肥浓度的升高对甘蓝根系特征的影响显著，整体呈先上升后下降的趋势。T3的根系最长，为851.18 cm，比CK高49.99%，T1的根长比CK高4.81%，而最大氮肥浓度T8的根长相较于CK增长了27.92%，T1与T2、T3、T4之间差异显著，与其他处理差异不显著。甘蓝的根表面积、根体积均随着氮肥浓度的升高而增长，二者在氮浓度为7 mmol·L^－1时达到最高值；而根平均直径在T6下最大，这三者都在超过适宜浓度氮肥处理下受到抑制。可见，氮肥浓度过高会限制甘蓝根系的生长发育。

2.3 不同氮肥浓度对甘蓝光合作用和光合酶的影响

由表3可知，随着氮肥浓度的升高，甘蓝的光合特性指标呈现先上升后下降的趋势，P_n、T_r、C_i都在T3下达到最高值。对于P_n，T1和T8与T3之间差异显著；对于T_r，T8比CK高25%，而T3比CK高312.5%，差异显著；对于C_i，低浓度氮肥处理比高浓度氮肥处理更高，并且T8与T2、T3、T4间差异显著；G_s在T4下达到最高值。可见，甘蓝的光合特性指标均在高氮环境中受到了限制。

由表4可知，T6、T7的RubisCO酶含量显著高于其他处理，而T8处理与CK无显著差异；T3处理下，RCA酶含量达到最大值，为48.49 U∙L^－1，比CK高34.59%；SBPase酶、FBPase酶均在T2下含量最高而后逐渐下降；对于TK酶，CK、T8处理与其他处理之间存在显著性差异。可见，高浓度的氮肥抑制了RCA酶、FBPase、SBPase酶、TK酶的生成。

2.4 不同氮肥浓度对甘蓝叶绿素SPAD值和荧光特性的影响

如表5所示，随着氮肥浓度升高，甘蓝叶片的叶绿素SPAD值在T3下达到最大值，为32.89，比CK高42.32%，T4—T8的叶绿素SPAD值不断降低。叶绿素荧光特性是体现PSⅡ反应中心良好状态的重要指标，可鉴定植物在逆境的相关能力^[10]。甘蓝的原初光能转换效率（F_v/F_m）在T5下最高，而后下降；实际光合效率Φ_PSⅡ随着氮肥浓度升高而不断增大，在各氮肥浓度处理间差异不显著。可见氮素对Φ_PSⅡ有促进作用。

2.5 不同时期甘蓝叶片氮素累积量

由图3可知，甘蓝叶片氮素累积量在4个时期呈现不同规律。整体看，T7的甘蓝叶片氮素累积量最高，T8次之，CK最少。7~14 d时，T5的累积量最高，与T4差异不显著，与其他处理均差异显著，比CK高142.6%，说明甘蓝前期对氮肥的需求量不高。14~21 d时，T7的氮素累积量最高，比CK高114.44%，而T5比CK高100.22%。21~28 d时T8的叶片氮素累积量最高，比CK高111.95%，说明随着甘蓝生长，对氮肥的需求量逐渐增大。28~35 d时，T7的氮素累积量最高，比CK高172.82%，与T8无差异；而T1的氮素累积量最低，比CK高18.35%。这说明氮肥浓度过低不利于甘蓝叶片氮素的累积，而超过氮肥浓度阈值也不利于叶片氮素的累积。

2.6 不同氮肥浓度对甘蓝生长影响的综合评价

对不同氮肥浓度下甘蓝的的16个生长指标X₁（株高）、X₂（茎直径）、X₃（叶面积）、X₄（单株质量）、X₅（净光合速率）、X₆（气孔导度）、X₇（胞间CO₂浓度）、X₈（蒸腾速率）、X₉（根平均直径）、X₁₀（根长度）、X₁₁（根表面积）、X₁₂（根体积）、X₁₃（氮素质量比）、X₁₄（叶绿素SPAD值）、X₁₅[原初光能转换效率（F_v/F_m）]、X₁₆[实际光合效率（Φ_PSⅡ）]进行主成分分析，获得3个主成分，贡献率分别是61.60%、25.37%、6.54%，贡献率之和达93.51%，表达式分别是：

Y₁=0.29X₁+0.20X₂+0.27X₃+0.30X₄+0.21X₅+0.19X₆－0.18X₇+0.04X₈+0.23X₉+0.22X₁₀－0.06X₁₁－0.21X₁₂－0.14X₁₃+0.21X₁₄+0.13X₁₅－0.22X₁₆，

Y₂=－0.14X₁+0.37X₂－0.20X₃－0.15X₄+0.31X₅+0.23X₆+0.37X₇+0.47X₈－0.17X₉+0.35X₁₀－0.06X₁₁－0.21X₁₂－0.14X₁₃+0.21X₁₄+0.13X₁₅－0.02X₁₆，

Y₃=－0.19X₁+0.14X₂－0.22X₃+0.00X₄－0.39X₅－0.22X₆+0.02X₇+0.20X₈+0.53X₉+0.03X₁₀－0.28X₁₁+0.11X₁₂－0.01X₁₃+0.15X₁₄+0.16X₁₅－0.49X₁₆。

主成分分析中，一般认为大于0.3的载荷就是显著的^[11]。由表6可知，第1主成分中X₁₃系数（0.952）大于其他因子；第2主成分中X₈（0.940）最大，第3主成分中X₉（0.541）最大，用这3项主要指标代表不同氮肥浓度对甘蓝生长的综合影响。

为了评估不同氮肥浓度对甘蓝生长发育的影响，采用隶属函数分析法对影响甘蓝生长发育的指标进行综合评价，平均隶属函数综合得分越高，说明该处理对甘蓝苗期的生长发育最适宜。结合主成分分析，提取氮素质量比、蒸腾速率、根平均直径3个主成分代表甘蓝生长状况。由表7可知，9个处理综合评价得分最高的是T3（平均隶属函数值为0.81），并且综合得分大于0.7的有T7、T6、T5、T4、T2。不同氮肥浓度对甘蓝生长发育的影响由低到高依次为CK、T1、T8、T2、T6、T7、T4、T5、T3。

3 讨论

氮素作为参与植物生长发育的重要物质，在调控植物生理代谢方面有着重要作用^[12]。有关研究显示，施加氮肥可以有效促进作物干物质和氮素的积累^[13]。本试验中，氮肥浓度的升高促进了甘蓝苗期株高、叶面积及实际光合效率Φ_PSⅡ的增长，且均大于未施氮处理，说明施加氮肥有助于甘蓝生长，但当施加氮肥超过一定阈值时，甘蓝幼苗的茎直径、根系特征值、光合与荧光特性及光合酶均呈现先上升后下降的趋势，这与赵风华等^[14]试验得出的过量摄入氮肥会显著抑制小麦生长的结果相近。

本试验中，施用氮肥对甘蓝的株高有促进作用，而茎直径的生长却受到抑制，氮肥过多会导致甘蓝徒长，茎秆变细，这与胡文河等^[15]试验得出的过量氮肥导致苗期作物徒长的结论相符。随着施用氮肥浓度的升高，甘蓝根体积、根表面积在7 mmol·L^－1氮肥浓度下达到最高值。合适的氮肥浓度可以促进不定根分化以及根尖形成，加速根表面积生长发育，构建良好的根系形态，便于吸收更多氮素，这与韩颜隆等^[16]、戢林^[17]试验得出的对苜蓿和水稻施加适量氮肥可以显著增加根表面积的结论相符。实际生产中，根系发育良好与作物获得高产密切相关，朱天琦等^[18]认为根系发育良好可为作物地上部分提供充足的养分，以获得更大产量，并且产量与根体积和根表面积密切相关。本试验中，T7处理下的根系体积与根表面积最大，且单株质量最大，这与前者结论相符。氮肥通过影响根体积、根平均直径进而影响根表面积，而过量施用氮肥会对根系生长发育产生抑制，致使根系特征指标下降。

研究发现，植物叶片的氮素含量影响着光合特性，在一定阈值内，P_n随着叶片氮素含量增加，而在超过阈值的高氮环境下，叶片P_n反而下降^[19]。本试验中，甘蓝叶片氮素质量比不断增加，35 d时T7处理下的氮素质量比最高，但叶片的P_n、T_r、C_i和叶绿素SPAD值却均在T3处理下达到最高值，而后随着氮肥浓度的升高甘蓝的光合特性逐渐下降，说明T3处理的氮肥浓度适宜于甘蓝苗期的光合作用，而供氮水平的提高对叶片气孔的开闭造成了影响，致使气孔导度下降，使胞间CO₂浓度降低。同时，光合酶活性的高低也影响着植株光合作用，坚天才等^[20]研究发现光合酶含量的高低和氮肥浓度密切相关，合理的氮环境可延缓叶片衰老，同时增强光合酶的活性^[21]，过量的氮肥抑制了植株叶片各类光合酶的活性，进而抑制了光合作用。

叶绿素荧光特性在表达植物光系统对电子的转运和分配方面具有非常重要的意义，可以反映植物整体光学性能^[22-24]。正常情况下植株的F_v/F_m恒定在0.832±0.004，但在受到胁迫时比值会显著降低^[25]。本试验中，甘蓝在低氮浓度下F_v/F_m较低，表明植株受到了氮胁迫，而超过5 mmol·L^－1的高氮浓度也会导致F_v/F_m下降，说明氮素重度胁迫会使PSⅡ原初光能转换效率显著降低；PSⅡ反应中心会在热胁迫下失活，继而致使系统过量激发导致结构损伤，Φ_PSⅡ随着氮肥浓度的升高而逐渐增大，说明氮素会影响光反应Ⅱ系统的开放程度，适量氮素有利于提高作物有机物的累计速率，同时还可促进碳同化的运转效率，为暗反应提供所需能量^[26]，有利于增加电子传递效率。

4 结论

对苗期甘蓝施加不同浓度氮肥发现，氮肥浓度过低和过高均不利于甘蓝苗期的生长，3 mmol·L^－1浓度下甘蓝茎直径、根长度、净光合速率、蒸腾速率、胞间CO₂浓度、RCA酶、叶绿素SPAD值均处于最高水平。因此，在日本园式营养液配方的基础上，营养液氮肥浓度保持在3 mmol·L^－1左右对甘蓝的生长最为有利。

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基金资助

2021年国家重点研发专项“部省联动项目“黄花菜、高山蔬菜产业关键技术研究与应用示范”(2021YFD1600300┫”)