微潤灌施下施氮方式對空心菜生長及水氮利用效率的影響

王瑞軍，申麗霞，孫雪嵐，李京玲，孟 涵，李慧敏

（太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024）

0 引 言

氮素是植物體內最重要的礦質營養元素，也是限制植物生長的主要因素，空心菜等葉菜類植物對硝態氮有較高的吸收和利用效率，雖然硝態氮對葉片和植物根系的生長、以及葉綠素的含量等都有顯著的影響作用，并且可以直接被植物吸收，但是當硝態氮肥料施加過量時，植物體內會積累過量硝態氮，影響植物品質，還會導致土壤硝態氮淋溶[1]。目前中國設施蔬菜施肥普遍存在氮素施用過多的問題，大部分地區氮肥平均施用量遠遠超出推薦量[2-4]。灌溉施肥時選擇合適的水氮配比，利用水肥耦合效應可提高水分和肥料利用率，避免施肥過量造成土壤污染和肥料流失[5]。

微潤灌溉是一種高效節水的連續灌溉技術，以半透膜的內外水勢差作為驅動力，使水分子通過埋藏地下的微潤管緩慢滲出到作物根區土壤，在作物根區形成一個均勻的濕潤體。微潤灌溉技術可實現水肥一體化，灌水量可與作物耗水量相匹配，節水增產效果顯著，已有許多學者對其進行研究[6-8]。

目前關于微潤灌溉施肥技術的研究主要以辣椒、番茄等茄果類植物為研究對象。樊耀等[9]研究不同施氮濃度下辣椒生長發育狀況，發現適宜辣椒生長的施氮濃度是500 mg/L。魏歡等[10]探究了不同施肥模式對大棚番茄土壤有效磷淋失的影響，發現將微潤灌溉與減量施肥結合可有效阻控大棚番茄土壤中有效磷的縱向淋溶。然而，在微潤灌溉施肥模式下，對種植葉菜類植物方面的研究較少，故本試驗以空心菜為研究對象，探究微潤灌溉條件下不同施氮方式對空心菜生長及土壤氮素運移的影響，填補微潤灌溉施肥技術在葉菜類植物生長方向研究的空缺。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

試驗區位于山西省太原理工大學迎西校區。太原市位于大陸內部，屬暖溫帶大陸性季風氣候，全年日照充足，總時數在2 200 h 以上，氣溫8.10～11 ℃，積溫2 375～3 121 ℃。無霜期153～178 d，晝夜溫差大，氣候干燥。

本試驗選擇在日光塑料大棚中種植空心菜，在木質種植箱中播撒種子，每個種植箱種植密度相同，于2021年6月19日播種，7月25日收獲。試驗所用土壤為黏壤土，砂粒（0.020 mm＜d≤2.000 mm）、粉粒（0.002 mm＜d≤0.020 mm）、黏粒（d≤0.002 mm）、分別占37.68%、42.13%、20.19%，土壤容重為1.30 g/cm3，初始硝態氮含量為0.64 mg/kg，灌溉水為經過簡單過濾的城市自來水。本試驗所用塑料大棚屬單拱鋼架保溫型大棚，兩側有可開閉的透氣網，可為蔬菜的生長創造適宜的小氣候環境。

1.2 試驗裝置

大棚空心菜種植試驗裝置見圖1，主要包括活動支架、高位穩壓水箱、木質種植箱、PE 輸水管、進出口閥門、微潤管等。高位水箱尺寸為70 cm×35 cm×35 cm（長×寬×高），側面標有刻度；種植箱尺寸為90 cm×45 cm×40 cm（長×寬×高），微潤管埋深15 cm，間距30 cm。

圖1 試驗裝置Fig.1 The figures of experiment installing

1.3 試驗設計

試驗種植作物為空心菜，肥料為硝酸銨鈣，本試驗共設5個處理。施氮方式分別為全生育期不施氮（CK）；全生育期施氮濃度為300 mg/L（T1）；生長前期施氮濃度為300 mg/L，中后期施氮濃度分別為600 mg/L（T2）、900 mg/L（T3）和1 200 mg/L（T4）。其中，0 mg/L 為不施用氮肥的對照組，試驗具體設計見表1。5組處理壓力水頭為1.5 m，微潤管間距為30 cm，微潤管埋深為15 cm，各處理設置3 組重復試驗。試驗期間根據水箱體積計算肥料質量，用電子天平稱取肥料均勻溶解于水箱，每4 d補充水肥溶液。

表1 試驗處理Tab.1 Experimental treatments

1.4 試驗方法及測定指標

由于空心菜生長周期較短，本試驗4 d 測量一次作物及土壤指標。

作物測定指標包括空心菜的株高、莖粗及SPAD 值（葉綠素相對含量）。許多學者研究發現，SPAD 值與葉綠素含量呈線性相關關系，且其相關性達到極顯著水平[11-13]。本試驗采用日產便攜式SPAD-502 型葉綠素儀測定葉片的SPAD 值。為減小實驗誤差，每次測量時，隨機選取3株長勢均勻的植株，用卷尺測量其株高，用游標卡尺測量其莖粗。在生育期結束后，隨機測量5 株植株的質量，并用種植密度折算為單位面積產量，按公式計算氮肥農學利用效率：

式中：η為氮肥農學利用效率；w為施用氮肥后的產量，g/m2；w0為未施氮肥的產量，g/m2。

每隔4 d 測量水箱中水位，兩次測得水位差即為單個時間段的微潤管出流量。并用公式計算灌溉水分生產率：

式中：α為灌溉水分生產率；w為產量，g/m2；p為空心菜全生育期的微潤管出流量，L。

土壤測定指標為土壤硝態氮含量。在距離微潤管埋藏位置水平距離5 cm 處取3 個測點，分別取5、10、15 cm 深度的土壤，用于測定土壤中硝態氮含量，本實驗采用紫外分光光度計測定土壤中硝態氮含量。

1.5 數據處理

本試驗每組處理重復3 次，采用SPSS 26.0 和Microsoft Excel 2019進對數據進行分析、作圖。

2 結果與分析

2.1 施氮方式對植物生長情況的影響

圖2分別為不同施氮濃度下空心菜株高、莖粗隨時間的變化情況。可以看出，不同處理空心菜的株高、莖粗變化曲線均呈“S”形，即“慢～快～慢”，符合植物生長曲線。播種后8～16 d，不同處理株高、莖粗差異不顯著，這是因為此時空心菜處于幼苗期，葉面積小，光合速率低，加上幼苗根系不發達，導致生長緩慢。播種后16～32 d，T1 至T4 處理株高、莖粗曲線增長斜率明顯大于8～16 d，這是因為空心菜進入快速生長期，空心菜葉面積不斷增大，根系不斷生長，空心菜光合速率和吸水吸肥能力增強，生長速率明顯加快。播種后36 d，不同處理株高表現為T2＞T1＞T3＞T4＞CK，莖粗T2＞T3＞T1＞T4＞CK，株高和莖粗均隨施氮量的增加呈現先增大后減小的規律。這說明施加適量氮肥可以給空心菜提供充足的養分，促進其生長，但氮肥濃度過高會使這種促進效果減弱。綜上所述，在1.5 m 壓力水頭下，T2 處理最適宜空心菜生長。

圖2 不同處理空心菜株高、莖粗隨時間的變化Fig.2 Changes in height and stem thickness of hollow cabbage plants with time in different treatments

2.2 施氮方式對SPAD值的影響

葉綠素作為綠色蔬菜植物進行光合作用的主要色素，可以反映植物的光合能力，為進一步探究施氮方式對空心菜生長狀況的影響，本試驗對葉片SPAD 值進行探究。圖3為不同處理下空心菜SPAD 值隨時間的變化趨勢。從圖3可以看到，整個生育期，CK 處理的SPAD 值始終比施加氮肥處理的小，說明施加氮肥可以增加空心菜葉綠素含量。CK 處理的SPAD值在20 d達到峰值，T1至T4處理的SPAD 值在24 d達到峰值。播種后16～24 d，除CK 處理，T1 至T4 處理的SPAD 值呈上升趨勢。播種后24 d，T1 至T4 處理的SPAD 值分別比CK 處理大32.51%、47.35%、68.20%、97.53%，說明SPAD 值隨施氮量的增大而增大。這是因為隨著施氮量的增大，水分運輸至根區土壤的氮素增加，使土壤中氮有效性增加，并且微潤灌溉下土壤水分充足，空心菜養分運輸效率也會得到顯著提高，在水肥耦合作用下，空心菜可以吸收更多的氮元素，然后快速有效地運輸至莖和葉片器官，葉片氮濃度就會顯著升高，表現為空心菜SPAD 值的增大。播種后24～36 d，T3、T4 處理的SPAD 值迅速下降至平穩狀態，CK、T1 和T2 處理SPAD 值緩慢下降。

圖3 不同處理空心菜葉片SPAD值隨時間的變化Fig.3 Changes in SPAD values of empty cabbage leaves with time for different treatments

2.3 施氮方式對土壤硝態氮含量的影響

圖4為不同處理土壤硝態氮含量隨時間的變化情況。由圖4可知，在空心菜整個生長發育階段，不同處理土壤硝態氮含量隨時間增加均先增長后下降，出現一個峰值，且施氮濃度越高，峰值出現的時間越晚，整個空心菜生育期CK 處理的硝態氮含量曲線始終位于最下方。經對比分析發現，播種后4～16 d，所有處理的空心菜硝態氮含量都迅速增長，這是由于空心菜此時處于幼苗期，根系生長不完善，對硝態氮的吸收能力弱，加上空心菜生長前期對氮肥需求較低，所以隨水分運移到土壤中的氮素不斷積累，土壤中硝態氮含量迅速增加。4～8 d，T1 處理與其他施氮處理變化趨勢不一致，可能是因為試驗前T1 處理微潤管空氣未排盡，使微潤管出流量減少，造成T1處理土壤硝態氮含量略低。播種后16～36 d，不同處理的硝態氮含量差異顯著，此時空心菜進入生長旺盛期，根系發育完備，對氮素吸收能力增強，需水需肥量大，施加氮肥較多的T3、T4 處理硝態氮含量仍迅速上升，T2 處理硝態氮含量先緩慢增加后再小幅度下降至穩定狀態，施加氮肥較少的T1處理硝態氮含量先保持不變再迅速下降至穩定狀態，不施肥的CK 處理緩慢下降至穩定狀態。說明當氮肥濃度過高時，空心菜在生長階段消耗硝態氮的速度低于硝態氮積累的速度，造成土壤硝態氮含量不斷增加，既抑制了空心菜的生長，又對空心菜品質造成影響，同時會對環境造成污染。本試驗中T1、T2 處理土壤硝態氮含量較低，不會造成土壤中硝態氮的過量堆積。

圖4 不同處理土壤硝態氮含量變化情況Fig.4 Changes in nitrate-nitrogen content of soil in different treatments

2.4 灌溉水分生產率及氮肥農學利用效率

表2反映了不同處理的產量、微潤管出流量、灌溉水分生產率及氮肥農學利用效率。從表2可以看出，不同處理空心菜產量顯著不同，各處理空心菜產量：T2＞T3＞T1＞T4＞CK；除CK 處理，T1 至T4 處理微潤管出流量顯著不同，各處理微潤管出流量：T4＞T3＞T2＞T1，微潤管出流量隨施氮量增加而增大；除CK與T4處理，其余處理空心菜灌溉水分生產率顯著不同，各處理空心菜灌溉水分生產率：T2＞T1＞T3＞CK＞T4。從產量角度看，本試驗施加氮肥的4個處理組均顯著高于CK 處理，說明施加氮肥對空心菜增產效果顯著，但隨著氮肥濃度增大，空心菜產量變小；從灌溉水分生產率角度看，施肥適中的T2 處理數值最大，施肥濃度偏大的T4 處理與CK 無顯著差異，說明過量施加氮肥增產效果有限，反而會使灌溉水分生產率下降。T1至T4處理施氮量差異顯著，T1、T2處理氮肥農學利用效率顯著高于其他處理，T4 處理氮肥農學利用效率最低。綜合分析，雖然T1、T2 處理氮肥農學利用效率無顯著差異，但T2處理的灌溉水分生產率和產量顯著高于T1處理，綜上所述，種植空心菜水肥利用效率最高、增產效果最優的處理為T2處理。

表2 不同處理產量、灌溉水分生產率及氮肥農學利用效率Tab.2 Yield irrigation water productivity and agronomic efficiency of nitrogen fertilizer use of different treatments

3 討 論

水分和肥料是農業生產中影響作物生長發育及產量的兩大重要因素。本試驗結合空心菜生長變化情況，對空心菜葉片SPAD 值進行分析，發現T3、T4 處理生長發育較差，但SPAD值較高，究其原因可能是T3、T4處理施氮量較大，土壤養分過高抑制了空心菜葉片的生長，葉片短小造成葉片內葉綠素聚集，表現為葉色較深，SPAD 值大。有研究表明可以利用SPAD 值判斷蔬菜葉片氮肥水平從而得到適宜施氮量[14,15]，本試驗得到T2 處理空心菜長勢最好，水肥利用率最高，T2 處理的SPAD 值波動較小，在空心菜生長中后期T2 處理SPAD 值一直位于36～42之間，可以利用該范圍判斷空心菜葉片氮肥水平，當SPAD 值小于該范圍，說明空心菜缺氮，可適時補充氮肥；當SPAD 值大于該范圍，說明空心菜氮素充足，可以適量減小施氮量。結合不同處理土壤硝態氮含量變化情況，T3、T4 處理SPAD 值較大，發現在空心菜生長中后期T3、T4 處理土壤硝態氮含量迅速增加堆積，可能會造成土壤污染，T1、T2處理SPAD值較小，土壤硝態氮含量較低，不會產生硝態氮積累現象。

李義林等[16]進行室內土箱模擬試驗，發現增加肥液質量濃度會使累積入滲量和濕潤體體積變大，本試驗發現在種植作物條件下，除CK 處理外，施氮量越大，相應的微潤管出流量也越大，與李義林等[16]室內土箱模擬得出結論相似，但除此之外，本試驗還發現施加少量氮的T1 處理比CK 處理出流量少，原因可能是CK 處理的空心菜缺少氮肥，只能通過吸收更多水分保證自身生長速率，說明種植作物條件下，少量施氮可以達到節水目的。本試驗發現0～15 cm 土層硝態氮含量隨施氮量增加而增大，施氮量過多時會造成土壤硝態氮積累，與王振華等[17]結論一致。

大多數研究表明，水肥耦合的協同效應存在一個閾值，高于閾值，增加水肥投入會使增產效應不明顯，甚至導致減產，同時會增加水肥投入成本，造成土壤污染；低于閾值，增加水肥投入可以增加水肥利用率，使增產效果得到充分發揮[18]。不同施氮方式會對微潤管的濕潤體體積及根區土壤水氮時空分布產生影響，導致植物根系對水肥的吸收利用不同，進而影響植物生長及水肥利用效率。本試驗研究發現，空心菜產量隨施氮量增加呈現單峰曲線，T2 處理能顯著提高空心菜的產量、灌溉水分生產率及氮肥農學利用效率。

4 結 論

本試驗以空心菜為研究對象，設置不同施氮量，探究相同壓力水頭下施氮量不同對微潤灌溉灌水量、空心菜生長狀況、水氮利用情況的影響，得到以下結論：

（1）空心菜生長中后期增大施氮濃度至600 mg/L 范圍內，可以促進空心菜生長發育，超出該濃度范圍后，增大施氮濃度反而會減弱該促進效果。

（2）空心菜葉片SPAD 值隨施氮量的增加而增大，與空心菜生長發育情況沒有顯著相關性；土壤硝態氮含量隨施氮量的增加而增大，施氮量過大會造成土壤硝態氮累積。

（3）空心菜的灌溉水分生產率、產量、氮肥農學利用效率均隨施氮量增加呈單峰曲線變化。本試驗中T2 處理可以最大程度發揮水氮耦合效應，達到高產優質高效的目的，可以為微潤灌溉大棚空心菜的種植提供參考。