不同氮磷鉀濃度對水培芹菜農藝性狀及光合特性的影響

王 昊,賈麗麗*,劉潔霞,段奧其,尹 蓮,丁 旭,束 勝,熊愛生**

(1南京農業大學園藝學院,南京 210095;2作物遺傳與種質創新國家重點實驗室,南京 210095;3農業農村部華東地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室,南京 210095;4南京農業大學(宿遷)設施園藝研究院,宿遷 223800)

芹菜栽培歷史悠久,品種豐富,在日常飲食和蔬菜市場中占據重要地位。芹菜葉柄是主要的食用部位,風味獨特、營養豐富、可促進食欲。芹菜也是醫藥、食品和化工行業芹菜素和香精油的主要來源[1-4]。此外,芹菜抗寒性較強,且栽培技術簡單,在我國已實現周年生產供應[5]。

氮磷鉀是植物生長發育必不可少的營養成分,在調控作物生長和光合能力方面發揮著重要作用[6]。合理施用氮磷鉀肥能夠增強植物的光合作用,促進光合產物的轉化,改善作物的農藝性狀。研究發現,K+濃度在0—12 mmol∕L時,草莓幼苗農藝性狀及凈光合速率隨K+濃度的增加而增加,均在12 mmol∕L時最大[7]。張蕙琪等[8]研究表明,在N、P2O5和K2O肥施用量分別為225 kg∕hm2、100 kg∕hm2和60 kg∕hm2時,谷子的光合特性最優,產量最高。農藝性狀的改善與植物產量息息相關,芹菜單株質量與單株葉片數、葉柄數等農藝性狀呈正相關[9]。磷肥處理會增加大豆的株高、莖粗、地上部單株干物質積累量、凈光合速率和氣孔導度,從而提升大豆產量[10]。施用合理的氮磷鉀肥不但能夠提高植物的產量,而且有利于減少環境污染和節省成本等。

目前有關芹菜氮磷鉀肥施用的研究主要集中在大田試驗方面,針對水培芹菜中氮磷鉀推薦施用量的研究較少。芹菜土壤和設施土壤栽培與水培存在較大的區別,水培條件下芹菜的營養物質主要通過營養液供應,能夠更清晰地反映芹菜對不同營養元素吸收的特點。深入研究水培條件下不同氮磷鉀濃度處理對芹菜農藝性狀和光合特性的影響,對于實現芹菜生產的精準控制具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年6—12月在南京農業大學作物遺傳與種質創新國家重點實驗室傘形科蔬菜作物實驗室人工氣候生長室進行。試驗材料為‘津南實芹’(‘Jinnan Shiqin’)和‘金黃芹菜’(‘Jinhuang Qincai’)。‘津南實芹’纖維含量少、品質佳,且抗逆性強,在適宜的氣候和栽培條件下,我國各地均可種植。‘金黃芹菜’纖維含量較少、質地較為脆嫩、口感好、香味濃,且抗病性強、產量高,在我國大部分地區均可栽培種植。

1.2 處理方法

將‘津南實芹’和‘金黃芹菜’種子撒播在裝有有機基質∶蛭石∶珍珠巖為2∶2∶1(體積比)的盆(13.5 cm×12 cm×12 cm)中,并置于人工氣候生長室中,常規苗期管理,生長50 d時,將長勢均勻的芹菜苗種植于裝有不同氮磷鉀濃度營養液的水培箱(35 cm×20 cm×8.5 cm)中。參照喬源[11]的研究,氮肥濃度設置5 mmol∕L、8 mmol∕L和11 mmol∕L三個梯度;磷肥濃度設置0.3 mmol∕L、0.6 mmol∕L和0.9 mmol∕L三個梯度;鉀肥濃度設置3 mmol∕L、5 mmol∕L和7 mmol∕L三個梯度,以自來水作為對照組(CK),具體的營養液配方見表1(大量元素配方)和表2(微量元素配方),自來水中的元素含量見表3[12]。將種植好的水培芹菜放在人工氣候室培養,每天通氧16 h,每5 d換1次營養液,營養液pH為5.5—6.5。水培40 d采收。

表1 不同氮磷鉀濃度營養液配方Table 1 Formula of nutrient solution with different NPK concentrations

表2 微量元素配方Table 2 Microelement formula

表3 自來水基本性質[12]Table 3 Fundamental properties of tap water μg·mL-1

1.3 測定內容與方法

1.3.1 農藝性狀的測定

采收后,測量各處理芹菜單株質量、株高、小葉長、小葉寬、葉片數、葉柄數、葉柄寬、葉柄厚和根長,每個處理隨機選取5株進行統計分析,取平均值。

1.3.2 光合指標的測定

采收后,使用Li-6400便攜式光合儀分別測定各處理芹菜最頂端葉片的凈光合速率和胞間CO2濃度。每處理隨機選4株測量,每株重復測量3次,取平均值。

1.4 數據處理

用Excel 2010和SPSS 24.0軟件對數據進行整理分析;采用單因素方差分析和Duncan's多重比較方法進行差異顯著性分析;用Pearson相關系數判斷數據的相關強度。

2 結果與分析

2.1 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜形態特征的影響

不同氮磷鉀濃度處理下芹菜形態特征如圖1所示。‘津南實芹’植株顏色為綠色,‘金黃芹菜’植株偏黃綠色。施用氮磷鉀肥后,水培條件下‘津南實芹’和‘金黃芹菜’的株高、葉片數和葉柄數等均高于對照,但不同濃度處理間無顯著差異。

圖1 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜形態特征的影響Fig.1 Effects of different NPK concentrations on morphological characteristics of hydroponic celery

2.2 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜農藝性狀的影響

2.2.1 不同氮濃度對水培芹菜農藝性狀的影響

‘津南實芹’和‘金黃芹菜’在不同濃度氮肥處理下的農藝性狀如表4所示。除根長外,‘津南實芹’各項農藝指標均高于對照,且差異顯著。‘津南實芹’單株質量、葉柄數和株高均在11 mmol∕L氮肥處理下最大,分別是對照的5.19倍、1.33倍和1.86倍。

表4 不同氮濃度對水培芹菜農藝性狀的影響Table 4 Effects of different N concentrations on agronomic characteristics of hydroponic celery

‘金黃芹菜’單株質量、葉片數、小葉長、小葉寬和葉柄寬隨氮肥處理濃度的增加而增加,在11 mmol∕L時達到最大,其單株質量是對照的2.22倍。其株高在8 mmol∕L氮肥濃度處理時最大,是對照的1.30倍。

2.2.2 不同磷濃度對水培芹菜農藝性狀的影響

在磷肥處理下,芹菜各個農藝性狀如表5所示。‘津南實芹’單株質量、葉片數和株高均在0.3 mmol∕L時最大,分別為對照的3.83、2.25和1.59倍;葉柄數、葉柄寬和葉柄厚在0.6 mmol∕L時最大;小葉長和小葉寬在0.9 mmol∕L時最大,且顯著高于對照。

表5 不同磷濃度對水培芹菜農藝性狀的影響Table 5 Effects of different P concentrations on agronomic characteristics of hydroponic celery

‘金黃芹菜’單株質量、葉片數、株高、小葉長和小葉寬均隨磷肥施用濃度的增加,呈先上升再下降的趨勢,在0.6 mmol∕L時達到最大值,其單株質量和株高分別為對照的2.16倍和1.26倍。

2.2.3 不同鉀濃度對水培芹菜農藝性狀的影響

鉀肥處理下的芹菜根長明顯低于對照(表6)。‘津南實芹’單株質量、株高、小葉長和小葉寬隨鉀肥處理濃度的增加呈先上升再下降的趨勢,在鉀肥處理濃度為5 mmol∕L時最大。

表6 不同鉀濃度對水培芹菜農藝性狀的影響Table 6 Effects of different K concentrations on agronomic characteristics of hydroponic celery

‘金黃芹菜’單株質量、葉片數和葉柄數隨鉀肥處理濃度的增加呈先上升再下降的趨勢,在鉀肥處理濃度為5 mmol∕L時最大,分別為對照的2.16倍、1.57倍和1.56倍;在鉀肥處理濃度為3 mmol∕L時,株高最大,但與其余兩個施肥處理無顯著差異。

2.2.4 不同氮磷鉀水平與水培芹菜農藝性狀的相關性分析

由表7可知,除‘津南實芹’根長外,‘津南實芹’和‘金黃芹菜’的各項農藝性狀均與氮肥施用量呈正相關,說明在一定范圍內施氮量的增加會促進芹菜除根長以外各個農藝性狀的生長。

表7 不同氮磷鉀水平與水培芹菜農藝性狀的相關性Table 7 Correlation between different levels of NPK and agronomic traits of hydroponic celery

‘津南實芹’小葉長和小葉寬與磷肥施用水平高度正相關,但其余農藝性狀與磷肥施用水平呈負相關。除株高和葉柄厚,‘金黃芹菜’的各個農藝性狀均與磷肥施用水平呈正相關。

‘津南實芹’單株質量、葉片數、株高、小葉寬、葉柄寬和葉柄厚均與鉀肥施用水平呈負相關。‘金黃芹菜’小葉長和小葉寬與鉀肥施用濃度高度正相關,說明施鉀量的增加對‘金黃芹菜’小葉的生長具有促進作用。

2.3 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜光合特性的影響

與對照相比,施肥處理后的‘津南實芹’胞間CO2濃度均不同程度降低,凈光合速率均有提高。‘津南實芹’凈光合速率隨氮處理濃度的增加而增加,隨磷處理濃度的增加逐漸下降,隨鉀處理濃度的增加呈先上升再下降的趨勢,分別在氮、磷、鉀濃度為11 mmol∕L、0.3 mmol∕L和5 mmol∕L時最大。‘金黃芹菜’凈光合速率隨氮處理濃度的增加呈先上升再下降的趨勢,在8 mmol∕L的氮肥處理下達最大值,顯著高于對照;隨磷處理濃度的增加而增加,在鉀肥處理下無明顯變化,在磷、鉀濃度分別為0.9 mmol∕L和3 mmol∕L時最大。

表8 不同氮磷鉀濃度對水培芹菜光合特性的影響Table 8 Effects of different NPK concentrations on photosynthetic characteristics of hydroponic celery

3 討論

長期較高的光合速率是植物獲得高產的條件之一,而葉片是植物的主要光合場所,是植物合成有機物的主要器官[13],葉片光合效率影響植物的生長發育及干物質的積累[14]。合理施用氮磷鉀肥有利于植物葉面積增大,葉片數增多以及株高增加,使植物獲得更多的光能,從而提高植物的產量。在芹菜生長過程中,不同濃度氮磷鉀處理對芹菜農藝性狀有著不同的影響。水培‘津南實芹’和‘金黃芹菜’施肥處理后的單株質量、葉片數、株高、小葉長和小葉寬等農藝性狀高于對照,而根長則低于對照。相關性分析發現:除根長外,‘津南實芹’和‘金黃芹菜’各個農藝性狀均與氮肥水平呈正相關,說明氮肥處理有利于促進除根長外各個農藝性狀的生長。喬源[11]研究結果顯示,‘四季香毛芹菜’地上部分鮮重在氮磷鉀濃度分別為8 mmol∕L、0.8 mmol∕L和5 mmol∕L時就已達到飽和。在本試驗中,芹菜單株質量和株高與磷肥和鉀肥的施用濃度呈負相關或不相關。出現這種結果可能原因是‘津南實芹’和‘金黃芹菜’對施氮量的需求范圍較廣,對磷肥和鉀肥施用量的需求范圍較小所致。作物生長所需氮磷鉀肥的施用存在一定的范圍,超過這個范圍作物產量不但不會上升,還會下降,這便是肥料施用“報酬遞減律”[15-16]。此外,本試驗只在單因素水平上對芹菜的農藝性狀進行了研究,而植物的生長發育還受各營養元素的相互影響[17],環境因素的不同也會導致植物對營養元素吸收出現差異。

施肥處理能夠提高植物的光合活性,適量的氮磷鉀肥可提高桑樹和銀杏凈光合速率,缺乏或過量施肥則會抑制其光合作用[18-19]。本試驗結果表明,施肥能顯著降低水培芹菜胞間二氧化碳濃度,增強凈光合速率,但在不同品種芹菜之間存在差異。‘津南實芹’凈光合速率在氮、磷、鉀濃度分別為11 mmol∕L、0.3 mmol∕L和5 mmol∕L時達到最大,而‘金黃芹菜’在氮磷鉀濃度分別為8 mmol∕L、0.9 mmol∕L和3 mmol∕L時達到最大。其原因可能是芹菜對光能的需求量存在品種差異,且試驗操作細節和環境條件的差異也可能導致誤差出現。

本試驗采用水培的方式,可嚴格把控氮磷鉀的濃度,更直觀地表現芹菜生長過程中的農藝性狀差異。本研究表明,相比于增施氮肥,有效減少磷肥的含量更利于增加‘津南實芹’的植株高度。而‘金黃芹菜’的株高與鉀肥的施用量的相關性比氮肥更高。此外,高祖明等[20]研究發現,少磷比多氮更易引起葉菜硝酸鹽的積累。

氮磷鉀元素在植物體內相互影響、相互作用,共同促進植物的生長發育。研究表明,增加磷肥不僅可以促進苜蓿對磷素的吸收,還能不同程度地提高其對鈣和鉀的吸收[21]。而增施鉀肥可提高作物對氮素的利用效率[22]。相反,缺鉀會影響植物對氮和磷的吸收[23]。在生產中,適量的氮肥配合高磷肥有利于增加何首烏產量[24]。芹菜農藝性狀是一個動態的綜合性狀,其影響因素不僅包括品種、栽培技術、環境條件和氮磷鉀肥的施用量,還包括氮磷鉀肥之間的相互作用,這些因素相互關聯、相互制約。因此,為提高水培芹菜的產量,還需從品種、環境、多種營養元素的選擇與配合使用等方面進一步深入探索[25-26]。本文著重研究了氮磷鉀單因素的施用對水培芹菜生長發育的影響,可為水培芹菜的高效栽培提供理論基礎,對實現田間芹菜高效生產具有指導意義。