引用本文
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CAO Bing, WANG Xuexia, NI Xiaohui, CHEN Yanhua, WEN Fangfang, LIU Zifei, ZHANG Mengjia, ZUO Qiang, ZOU Guoyuan, ZHANG Xuelian. Effects of Controlled Release Blended Fertilizer with Application Rate Reduction on Head Lettuce[J].Geological Survey of China, 2022,37(2): 104-111.  
doi: 10.7668/hbnxb.20192345
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控释掺混肥在结球生菜上的减量施用效应
曹兵1,2, 王学霞1,2, 倪小会1,2, 陈延华1,2, 文方芳3, 刘自飞3, 张梦佳3, 左强1,2, 邹国元1,2, 张雪莲3
1.北京市农林科学院 植物营养与资源环境研究所,北京 100097
2.北京市缓控释肥料工程技术研究中心,北京 100097
3.北京市土肥工作站,北京 100029
通讯作者:张雪莲(1982—),女,四川达州人,高级农艺师,博士,主要从事农田化肥面源污染防控技术研究与推广。

作者简介:曹 兵(1970—),男,湖北宜都人,副研究员,博士,主要从事植物营养与新型肥料研究。

收稿日期: 2021-12-20
基金资助: 北京市农林科学院青年基金(QNJJ201907); 北京市农林科学院创新能力建设专项(KJCX20190302); 北京市农林科学院创新平台建设(PT2021-16); 北京市农林科学院财政追加项目(CZZJ202208); 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102-001)
摘要

为探索露地结球生菜轻简高效的养分管理措施,选择京郊生菜种植园区,设置不施氮对照(CK)、常规施肥(CF)、常规减肥(-20%CF)和控释掺混肥(-20%CU)4个处理,研究了控释掺混肥一次性减量施肥对结球生菜产量、品质、叶片生理特征、养分吸收、土壤硝态氮残留的影响。结果表明,与常规施肥相比,在氮、磷、钾肥减量20%的情况下,控释掺混肥处理的结球生菜总产量和经济产量分别提高2.32%和3.28%,硝酸盐含量显著降低29.98%。在结球生菜生长期内,控释掺混肥处理在不同生育期(苗期、莲座期、结球中期和收获期)的结球生菜叶片叶绿素含量和氮代谢酶活性(谷氨酸合成酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酸脱氢酶和谷氨酰胺合成酶)与常规施肥差异不大,在结球生菜收获后,所有处理在0~100 cm土体内的残留硝酸盐含量总体不高,相对来说,控释掺混肥处理有一定的硝酸盐淋洗风险。综上所述,控释掺混肥一次性减量施肥在稳定结球生菜产量的前提下,可显著提升生菜品质,在规模化结球生菜生产中具有较大的应用价值。

关键词: 结球生菜; 控释掺混肥; 氮肥利用率; 生理特征
中图分类号:S636.2;S143 文献标志码:A 文章编号:1000-7091(2022)02-0104-08
Effects of Controlled Release Blended Fertilizer with Application Rate Reduction on Head Lettuce
CAO Bing1,2, WANG Xuexia1,2, NI Xiaohui1,2, CHEN Yanhua1,2, WEN Fangfang3, LIU Zifei3, ZHANG Mengjia3, ZUO Qiang1,2, ZOU Guoyuan1,2, ZHANG Xuelian3
1.Institute of Plant Nutrition,Resources and Environment,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097,China
2.Beijing Engineering Technology Research Center for Slow,Controlled-Release Fertilizer, Beijing 100097,China
3.Beijing Soil and Fertilizer Extension Service Station,Beijing 100029,China
Abstract

In order to explore a simple and efficient nutrient management method for open field head lettuce production,a field experiment was carried out in lettuce planting park of Beijing suburb.No nitrogen(CK),conventional fertilization(CF),conventional fertilization with 20% rate reduction of N,P and K(-20%CF),as well as controlled release blended fertilizer with 20% rate reduction of N,P and K(-20%CU)were included in this experiment.The effects of single basal application of controlled-release blended fertilizer on yield,quality,nutrient absorption,physiological characteristics of leaves,and soil nitrate nitrogen residue were investigated.The results showed that compared to CF,the total yield and economic yield of lettuce of-20%CU were increased by 2.32% and 3.28%,respectively;nitrate content of lettuce was significantly decreased by 29.98%.During the growth period of heading lettuce,the chlorophyll content and nitrogen metabolism enzyme activities(glutamate synthase,nitrate reductase,nitrite reductase,glutamate synthase,glutamate dehydrogenase and glutamine synthase)of the leaves of heading lettuce treated with controlled release blended fertilizer at different growth stages(seedling stage,rosette stage,middle heading stage and harvest stage)were not different from those of conventional fertilization.At harvest,the residual nitrate content in 0-100 cm soil of all treatments was generally not high,but the treatment of controlled-release blended fertilizer had a certain risk of nitrate leaching.In conclusion,single basal application of controlled release blended fertilizer with application rate reduction can significantly improve the quality of lettuce,the premise of stabilizing the yield of head lettuce.It has great prospective in large-scale production of head lettuce.

Keyword: Head lettuce; Controlled release blended fertilizer; Nitrogen utility efficiency; Physiological characteristics

蔬菜富含纤维、微量元素、维生素、碳水化合物和蛋白质等营养物质, 在人类膳食结构中占有非常重要的地位。目前, 我国的蔬菜种植面积占全球耕地面积的1.7%, 蔬菜总产量约占全世界的1/2[1]。为了追求更高的经济回报, 种植户在蔬菜生产中往往投入大量肥料(尤其是化肥)[1, 2, 3]。黄绍文等[4]对我国蔬菜生产中化肥施用量的研究表明, 蔬菜生产中氮、磷、钾肥总用量普遍超量, 化肥(N+P2O5+K2O)投入量是全国农作物化肥施用量的3.3倍, 超过推荐量的1.5~5.9倍。其结果是导致了较低的肥料利用率, 大量养分流失和日益严重的环境污染[1, 3, 5, 6]。上述问题已严重制约了我国蔬菜产业的可持续发展。

为了解决速效性化肥与农作物之间的养分供需矛盾, 包括控释肥在内的增效型肥料(Enhanced-efficiency fertilizers)研发与应用近年来日益受到重视[7], 增效型肥料的突出优点包括增产、提高氮肥利用率和减少氮素损失[8]。控释肥通过表面透水率低的疏水性薄膜调控, 养分释放可以延长至数月甚至更长[9], 实现了养分释放与作物吸收同步; 而且能够采用轻简化的一次性施肥技术, 实现增产增效、省工节肥、减少环境污染等[9]。Yang等[10]采用Meta-analysis对控释尿素施用效果的研究表明, 作物平均增产7.7%, 增收6.4%, 氮素吸收增加12.6%, 氮素损失降低24.3%~45.9%。国内在粮食作物(水稻、玉米和小麦)上已大量施用控释肥, 大多以控释掺混肥的形式并采用一次性种肥同播方式, 增产、节肥、提高氮肥利用率和减少氮素损失的效果良好[11, 12]。相对来说, 控释肥在蔬菜上的应用偏少, 由于菜地特定环境条件(包括更恒定的温度和水的有效性)更有利于控释肥养分释放和蔬菜吸收, 因此控释肥在蔬菜上往往有较好的增产效应[13]。刘晓霞等[14]研究表明, 在小青菜上减量施用控释肥, 可以提高产量和植株N、P、K养分含量。董亮等[15]研究发现, 控释肥在减氮情况下仍能增加大白菜产量和改善品质, 而且能减少氮素向深层土壤的淋溶损失。

生菜(Lactuca sative L.)又称西生菜、圆生菜, 属于速生叶菜, 富含纤维素和Vc, 可促进消化作用、提高人体免疫力, 生食口感清脆, 深受消费者喜爱, 并且广泛供应于中高端快餐行业。近年来, 生菜种植面积逐渐扩大[16], 据调查, 北京市2018年生菜种植面积为3 733 hm2, 占蔬菜总面积的10.5%[17]; 2020年生菜种植面积达4 066 hm2, 占蔬菜总播种面积的10.7%。叶类蔬菜生产中过量施用化肥的问题较为普遍[16, 18]。目前, 控释肥在蔬菜上的研究多集中在产量和品质方面, 而对控释肥在蔬菜上的综合效应研究则相对较少。本研究拟以露地结球生菜为研究对象, 探讨在减肥条件下, 控释掺混肥一次性施肥对生菜产量、品质、养分吸收、生菜生理特征、施肥经济效益、土壤硝态氮残留的综合影响, 旨在为生菜养分高效管理和施肥技术提供理论基础和参考依据。

1 材料和方法
1.1 试验地概况

试验布置在位于北京市通州区的北京永盛园农业种植中心。试验地土壤母质为冲积土, 土壤类型为潮土, 质地为轻壤土。0~20 cm土壤耕层养分状况:含碱解氮134.6 mg/kg, 速效磷180.0 mg/kg, 速效钾710.0 mg/kg, 有机质18.0 g/kg, pH值8.0。

1.2 试验材料

供试结球生菜品种为射手101。包膜尿素由北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所自制, 25 ℃水浸泡条件下氮素累积释放80%所需时间为45 d(图1)。

图1 包膜尿素氮素释放特征Fig.1 Nitrogen release profile of coated urea

1.3 试验设计

田间试验设4个处理, 分别为不施氮对照(CK)、常规施肥(CF)、常规减肥(-20%CF)和控释掺混肥(-20%CU)。其中CK、-20%CF和-20%CU处理的磷、钾肥用量相同, -20%CF和-20%CU处理的N、P2O5、K2O用量较CF均减少20%, 小区面积60 m2, 每个处理3次重复, 随机排列。CF和-20%CF处理采用底施复合肥加追施水溶肥的模式, 追肥时间分别为莲座期(9月15日)、结球初期(9月21日)和结球中期(9月30日), CF处理化肥施用量分别为176 kg/hm2(N)、98 kg/hm2(P2O5)和230 kg/hm2(K2O)。-20%CU处理将所有肥料掺混后采用一次性施肥, 不同处理施肥方案详见表1。此外, 园区生菜生产分为春茬(3— 5月)和秋茬(8— 10月), 每年秋茬生菜收获后底施商品有机肥30 t/hm2。2020年8月25日定植, 10月12日收获, 采用东西向栽培, 垄间距1 m, 垄上宽60 cm, 沟40 cm, 每公顷定植67 500株。

表1 施肥方案 Tab.1 Schedule of chemical fertilizer applicationkg/hm2

试验地块采用水肥一体化滴灌。整个生育期灌水量945 m3/hm2, 包括:定植水375 m3/hm2, 缓苗水120 m3/hm2, 常规施肥(CK)处理每隔10 d左右追肥灌溉一次, 共3次, 每次施肥灌溉150 m3/hm2, 其余处理浇等量清水。

1.4 项目测定及方法

1.4.1 产量和养分含量测定 收获时, 每小区取20颗生菜, 称质量并计算总产量, 随后按照销售标准处理后计算经济产量。从样品中取3颗生菜, 切碎混匀后烘干称干质量, 然后将烘干样粉碎并混匀后取少量混合样, 采用H2SO4-H2O2消化, 分别用半微量凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度计法测定全氮、全磷和全钾含量[19]。

氮肥利用率用差减法计算:氮肥利用率(Nitrogen utility efficiency, NUE)=(施氮区作物吸氮量-无氮区作物吸氮量)/施氮量× 100%。

1.4.2 生菜品质分析 收获时每小区随机取3颗生菜, 生菜每颗切1/2, 3颗匀后取样, 分别用2, 6-二氯靛酚滴定法和紫外分光光度法测定硝酸盐和Vc含量[20]。

1.4.3 土壤硝态氮测定 生菜收获时取0~100 cm土壤样品(每20 cm一层), 每小区取3个点, 将同层土样混合。新鲜土样带回实验室后过5 mm筛, 土壤硝态氮采用氯化钙提取-连续流动分析仪(Auto Analyzer 3, BRAN LUEBBE)测定。

1.4.4 植物酶活性分析 生菜叶片硝酸还原酶(NR)、亚硝酸还原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)均利用试剂盒(南京建成生物工程研究所)进行测定。

1.4.5 叶片叶绿素含量测定 叶绿素含量采用丙酮浸提法测定[21], 用打孔器在每个样品同样位置取叶片组织称质量, 加入80%丙酮、少许碳酸钙和石英砂研磨匀浆, 转移到50 mL棕色容量瓶, 定容后用分光光度计分别测定溶液在663, 645 nm的吸光度。

Ca=12.7A663-2.69A645 ①

Cb=22.9A645-4.68A663 ②

CT=Ca+Cb=20.2A645+8.02A663 ③

其中, Ca、Cb和CT分别为待测液体中叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素质量浓度, 单位为mg/L, A663和A645分别为溶液在663, 645 nm的吸光度。最后再根据取样量和定容体积计算叶片中叶绿素含量。

1.5 数据处理

采用Excel 2013、Origin 8.5软件进行数据处理和图形绘制, 用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析
2.1 不同处理对生菜产量品质的影响

由表2可知, 各处理结球生菜总产量在56.8~60.1 t/hm2, 经济产量在36.7~38.4 t/hm2, 处理间差异不显著(P> 0.05)。与常规施肥(CF)处理相比, 减肥20%底追结合(-20%CF)处理的生菜总产量和经济产量分别增加1.00%和1.35%, 减肥20%控释掺混肥一次性底施(-20%CU)处理的生菜总产量和经济产量分别增加2.32%和3.28%; 并且, 等养分投入下, -20%CU较-20%CF处理的生菜总产量和经济产量分别增加1.37%和1.91%。

表2 不同处理的生菜产量和品质 Tab.2 Yield and quality of lettuce of different treatments

从表2还可以看出, 减肥处理显著降低了生菜的硝酸盐含量(P< 0.05), -20%CU和-20%CF处理的生菜硝酸盐含量分别较CF处理显著降低21.10%和29.98%(P< 0.05), -20%CF和-20%CU处理的生菜硝酸盐含量差异不显著(P> 0.05)。不同处理间的生菜Vc含量差异不显著(P> 0.05)。

上述结果说明, 过量施肥不仅未增加生菜产量, 还造成生菜硝酸盐含量增加, 降低了生菜品质。相反, 减肥20%结合控释掺混肥一次性底施不仅保证了生菜产量稳定, 还显著降低硝酸盐含量, 提高了生菜品质, 具有很大的优越性。

2.2 不同施肥处理对生菜养分吸收的影响

由表3可知, 施氮不同程度增加了结球生菜吸氮量, 其中-20%CU处理较CK显著提高47.25%(P< 0.05); 在3个施氮处理中, 控释掺混肥处理(-20%CU)的生菜吸氮量显著高于等肥量常规减肥处理(-20%CF)(P< 0.05), 且高于常规施肥, 但差异不显著(P> 0.05)。-20%CU处理的氮肥利用率较-20%CF处理提高17.96百分点; 另外, 处理间生菜磷、钾吸收量差异则不显著(P> 0.05)。

表3 生菜养分吸收和氮肥利用率 Tab.3 Nutrient absorption of lettuce and N utility efficiency
2.3 不同施肥处理对土壤剖面残留硝态氮分布的影响

从结球生菜收获后土壤剖面硝态氮分布来看, 1.0 m土体内残留硝态氮含量总体不高, 均未超过地下水源饮用水硝酸盐含量(以N计)20 mg/L的安全阈值, 其中在生菜根系密集区(0~40 cm)的残留硝态氮均低于5 mg/kg(图2)。在40 cm以下土层中, 硝态氮含量呈现出明显增加的趋势, 其中施氮处理更为明显, 尤其是-20%CU处理在100 cm土层处的硝态氮含量已接近15 mg/kg, 存在硝态氮淋溶的风险。

图2 不同处理土壤硝态氮残留量分布变化Fig.2 Soil residual nitrate distribution under different treatments

2.4 不同施肥处理对生菜生理指标的影响

在结球生菜苗期, 各处理间叶绿素含量无显著差异(P> 0.05); 与CK相比, 在莲座期和结球中期, 施氮处理均显著提高了生菜叶绿素含量(P< 0.05); 收获期-20%CU处理也显著提高了生菜叶绿素含量(图3)(P< 0.05), 由此可见, 氮肥施用对于叶绿素提高效果明显。在生菜整个生育期, 施氮处理间的叶绿素含量差异不显著(P> 0.05), 不同氮肥剂型、施肥方法和用量对叶绿素含量影响不明显。

图3 不同生育期结球生菜叶绿素含量动态变化
不同小写字母表示处理差异显著(P< 0.05)。图4同。Fig.3 The chlorophyll content pattern of lettuce in different growth period
The different lowercase letters indicate significant differences between different treatment(P< 0.05).The same as Fig.4.

在结球生菜苗期, 除了CF处理的谷氨酸合成酶(GOGAT)显著高于CK处理以外(P< 0.05), 各处理间生菜叶片的硝酸还原酶(NR)、亚硝酸还原酶(NiR)、谷氨酸合成酶(GOGAT)、谷氨酸脱氢酶(GDH)和谷氨酰胺合成酶(GS)(以鲜质量计)差异不显著(P> 0.05)(图4)。在莲座期, 与CK相比, CF处理显著增加了NiR、GOGAT、GDH和GS活性(P< 0.05), -20%CF处理显著增加了NR、NiR、GDH活性(P< 0.05), -20%CU处理显著增加了除GS外4种的酶活性(P< 0.05)。结球中期, 除-20%CF处理的GOGAT活性与CK无显著差异以外(P> 0.05), 其余施氮处理均显著增加5种酶活性(P< 0.05)。收获期, 各施氮处理较CK均显著提高了叶片5种酶活性(P< 0.05)。

图4 结球生菜不同生育期氮代谢酶活性变化Fig.4 Pattern of nitrogen metabolism enzymes activities in lettuce at different growth stages

在结球生菜整个生长期内, 施氮处理间的氮代谢酶活性无显著差异, 肥料用量和施肥方法对酶活性影响不大。生菜生育期内氮代谢酶活性变化特征与叶绿素类似(图3), 施氮对酶活性的影响主要在生菜生长中后期比较明显。

3 结论与讨论

我国蔬菜生产具有复种指数高、施肥(有机肥和化肥)量大的特点[3, 4, 22], 过量的氮、磷、钾养分投入不仅降低了肥料的利用效率, 而且造成了严重的环境污染[18]; 因此, 蔬菜生产中减肥的潜力较大。控释掺混肥既能满足作物全生育期的养分需求, 一次性施肥又能有效降低肥料投入成本[23], 增产增收和提高氮肥利用率的效应明显[24, 25]。本研究中, 与常规分次施肥相比, 采用一次性施肥的控释掺混肥在减肥20%的情况下, 结球生菜总产量和经济产量分别增加2.32%和3.28%。与Guo等[26]在小青菜上的研究结果类似, 同时与控释肥在蔬菜上平均增产7%接近[13], 说明控释肥对蔬菜产量和氮素吸收的提升效果优于速效性化肥[27]。另外, 本研究中, 不同处理间结球生菜产量和磷、钾吸收量差异并不显著, 可能与试验地大量施用化肥和有机肥有关, 土壤基础肥力较高, 对肥料效应也会产生较大影响[13]。

硝酸盐和Vc含量对蔬菜品质影响较大, 蔬菜硝酸盐累积到一定水平会对人类健康产生潜在危害[28], 而各类新鲜蔬菜则是人体所需Vc主要来源[29]。施肥对蔬菜硝酸盐含量、Vc含量和蔬菜品质影响较大[22]。本研究发现, 控释掺混肥较常规施肥显著降低了结球生菜硝酸盐含量, 这与董亮等[15]和丁文雅等[30]在蔬菜上施用控释肥可以不同程度地降低硝酸盐含量的结果类似。可能原因是控释肥在土壤中持续释放和转化, 可以为蔬菜生长提供更适宜的铵态氮和硝态氮比例, 而合适的铵硝比对于降低蔬菜硝酸盐含量尤为重要[30]。

氮是构成叶绿素和氮转化酶的主要元素, 施氮能够提高作物叶绿素含量和氮素转化关键酶的活性, 显著促进氮素转运[31, 32, 33]。控释掺混肥中的速效氮和控释氮分别满足作物生长前期和中后期的氮素营养, 从而保障了作物高产的氮素需求[34]。本研究中, 与常规施肥相比, 采用一次性施肥和化肥减量的控释掺混肥并没有降低结球生菜不同生育期的叶绿素含量和氮转化酶活性, 与郭萍等[35]和姬景红等[36]在玉米上的研究结果一致。进一步结合控释掺混肥较常规施肥的结球生菜产量略有提升的结果来看, 控释掺混肥的氮素供应、生菜对氮素吸收和转化优于常规施肥, 而常规施肥则可能存在过量施氮的问题, 因为施氮量超过一定阈值后, 增加氮肥用量反而会造成叶绿素含量和氮转化酶活性降低[37, 38]。

结球生菜收获后0~100 cm土壤剖面残留硝态氮含量未高于20 mg/L, 但施氮处理在60~100 cm土层的硝态氮含量明显偏高, 尤其是控释掺混肥处理在100 cm土层处的硝态氮含量达到了15 mg/L。由于蔬菜的根系主要分布在0~30 cm土层, 对深层土壤中的养分吸收能力弱[22], 因此, 根层以下的硝态氮淋洗风险较高。本研究中, 控释掺混肥处理的残留土壤硝态氮含量高于速效性化肥, 淋失风险更高, 与通常研究中控释肥能降低硝酸盐淋洗的结果不同[10, 15], 其可能原因包括控释掺混肥一次性施肥较常规分次施肥投入氮量高[39], 生菜生长期温度从高至低加速了控释肥在中前期的氮素释放[40], 以及前期雨水偏多利于硝态氮向下淋洗和迁移[39]; 因此, 为了避免一次性施肥导致的硝态氮淋失风险增加, 选用前期养分释放速率较低的控释肥更有利于抑制硝态氮淋洗损失[41]。

本研究在露地结球生菜生产中, 采用控释掺混肥一次性减量施肥(氮、磷、钾减量20%)的轻简化施肥措施, 相比于常规分次施肥, 生菜总产量和经济产量保持稳定, 生菜硝酸盐含量显著降低29.98%。

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