蔣靜靜，常曉曉，胡曉輝

（西北農(nóng)林科技大學園藝學院/農(nóng)業(yè)部西北設施園藝工程重點實驗室，陜西楊凌712100）

氮作為必需的生命體元素，能參與植物體內(nèi)各種代謝過程。同時，作為重要的營養(yǎng)元素，氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中施用量最大的化學肥料，決定了作物產(chǎn)量的高低和品質(zhì)的優(yōu)劣[1]。長期以來，我國的氮肥用量一直居世界首位，過多或不合理施用氮肥，造成了氮肥利用率降低、增產(chǎn)效益下降、生產(chǎn)成本增加、生態(tài)環(huán)境受到污染等一系列問題[2]。同時，氮肥施用過多還易導致農(nóng)產(chǎn)品硝酸鹽富集從而影響消費者身體健康，因此，如何科學合理施用氮肥成為無公害、高品質(zhì)蔬菜生產(chǎn)的關鍵。

近年來，不少學者研究了元素配施及其不同用量對溫室栽培黃瓜的養(yǎng)分吸收、積累及產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，對黃瓜的合理施肥起到了積極的指導作用。黃瓜對水肥需求量較大，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為取得較高的經(jīng)濟效益，盲目增加灌水和施肥，不僅制約了黃瓜品質(zhì)與產(chǎn)量的進一步提升，而且對生態(tài)環(huán)境也構(gòu)成了威脅[3]。近年來，設施栽培土壤連作障礙、土壤鹽堿化程度日趨加重，基質(zhì)栽培以其具有理化性質(zhì)穩(wěn)定[4]，能夠擺脫土壤束縛，便于對廢舊基質(zhì)回收、處理、再次利用等優(yōu)勢，成為未來設施栽培發(fā)展的新方向?，F(xiàn)有研究對黃瓜最適氮肥施用量報道較多[5-7]，但在基質(zhì)栽培條件下探尋黃瓜最適氮肥施用量和肥料利用率的研究較少。并且在此基礎上以不同生育時期為劃分期，探究黃瓜氮（N）、磷（P）、鉀（K）養(yǎng)分吸收量的研究尚未見報道。在此背景下，本試驗采用基質(zhì)袋培種植方式，分析比較在不同生育時期、不同供氮水平下黃瓜養(yǎng)分吸收、分配和肥料利用率特性，旨在明確不同供氮水平下植株的養(yǎng)分需求特性，以期為黃瓜基質(zhì)袋培的科學施氮提供理論支撐和技術(shù)指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試黃瓜品種：春優(yōu)1號（Cucumis sativas L.vs.Chunyou No.1），亞洲密刺型早熟品種。

供試基質(zhì)：腐熟的有機復合肥（牛糞+菇渣）與珍珠巖、蛭石的混合物，按照1∶1∶1的質(zhì)量比混勻。供試基質(zhì)的基本理化性質(zhì)如下：pH值7.24，電導率（electrical conductivity,EC）0.23 mS/cm，全氮22.6 g/kg，全磷5.41 g/kg，全鉀15.98 g/kg，速效氮188 mg/kg，速效磷431.2 mg/kg，速效鉀10.45 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2015年4月30日—7月12日在西北農(nóng)林科技大學南園藝場塑料大棚內(nèi)進行。采用基質(zhì)袋栽培方式，每袋定植1株黃瓜，并利用滴灌設備將黃瓜生長所需養(yǎng)分以營養(yǎng)液的形式施入?；|(zhì)栽培袋規(guī)格為24 cm×48 cm，基質(zhì)體積為5 L/袋。定植密度為3 000株/667 m2，以1.5×104kg/667 m2為生產(chǎn)目標，計算出每株黃瓜的N、P、K元素施用量分別為0.023、0.015和0.032 kg。以此設置4個供氮試驗處理，其中：以不施氮肥的營養(yǎng)液澆灌處理為對照，CK；澆灌所需氮肥量70%的處理為低氮處理，N1；澆灌所需氮肥量100%的處理為中氮處理，N2；澆灌所需氮肥量130%的處理為高氮處理，N3。選用含有80.08 g/L Ca（NO3）2·4H2O 和 4.52 g/L NH4NO3的 A母液供應氮肥，選用含有146 g/L KH2PO4、KCl和49.3 g/L MgSO4·7H2O的B母液供應磷和鉀肥。根瓜坐住后開始不同氮素水平的供應，4個試驗處理中磷、鉀肥用量一致，在開花坐果期和結(jié)果期分別施入總營養(yǎng)液量的40%和60%，即開花坐果期和結(jié)果期單株每天供應B液量分別為10和15 mL。每個處理3次重復，隨機區(qū)組排列。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 植株干物質(zhì)量和養(yǎng)分含量的測定

分別在苗期（2015年4月30日—5月20日）、結(jié)果初期（2015年5月21日—6月15日）和結(jié)果盛期（2015年6月16日—7月12日）進行破壞性取樣。將采集的黃瓜植株按營養(yǎng)器官分類，在烘箱內(nèi)105℃條件下殺青30 min，之后在80℃條件下烘干至恒量，稱量，記錄干物質(zhì)量。植株干樣用小型粉碎機粉碎，過0.5 mm篩，濃H2SO4-H2O2消煮，消煮液采用高分辨自動化學分析儀（AA3，SEAL公司，德國）測定全氮和全磷含量，用火焰光度計（M410，sherwood公司，英國）測定全鉀含量。

1.3.2 硝酸鹽含量和產(chǎn)量的測定

果實硝酸鹽含量采用沸水浸提，濃硫酸-水楊酸法測定。在黃瓜采收期內(nèi)，每次收獲時將測產(chǎn)區(qū)內(nèi)的成熟果實稱量，并計算單株產(chǎn)量。

1.3.3 各生育期養(yǎng)分累積量和氮肥利用率的計算

各生育期的氮、磷、鉀養(yǎng)分累積量＝后一時期養(yǎng)分吸收量-前一時期養(yǎng)分吸收量。

氮肥利用率（nitrogen use efficiency,NUE）=（單株施氮處理的氮素累積量-單株不施氮處理的氮素累積量）/施氮量×100%。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行顯著性分析（P≤0.05），用Excel 2010軟件完成圖表制作，用DPS 7.5軟件實現(xiàn)通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供氮水平的營養(yǎng)液對黃瓜氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收和分配的影響

2.1.1 不同供氮水平的營養(yǎng)液對黃瓜氮吸收和分配的影響

養(yǎng)分的吸收和分配直接影響著作物的生長和發(fā)育，從而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。本試驗不同供氮處理對各器官氮素累積都有影響，且不同生育期表現(xiàn)有差異（表1）。在黃瓜苗期，葉是氮素的累積中心，其次為莖和根，其累積量分別占總累積量的74.3%、13.9%和11.8%。表明在黃瓜營養(yǎng)生長階段，葉片對氮素的累積較多，此時葉片的生長對氮肥需求較大。結(jié)果初期和盛期，果實變?yōu)榈乩鄯e中心。結(jié)果初期氮素在黃瓜植株地上器官中累積情況由大到小依次為：果實、葉、莖。結(jié)果盛期氮素累積情況表現(xiàn)為果實＞莖＞葉，且果實的氮素分配率隨施氮量的增加而增加，表現(xiàn)為N3＞N2＞N1＞CK，中氮處理（N2）和高氮處理（N3）果實氮素累積量占整株氮素累積量的比例可高達95%和96%，氮素累積量分別為CK的8.25倍和8.26倍。

表1 黃瓜對氮素的吸收和分配Table1 N absorption and distribution in cucumber plant

在整個生育期內(nèi)，黃瓜植株對氮素總累積量基本隨施氮量的增加而上升，結(jié)果初期低氮處理（N1）、中氮處理（N2）和高氮處理（N3）氮素總的累積量分別為對照處理（CK）的2.3倍、2.5倍和2.6倍；結(jié)果盛期分別為對照處理（CK）的3.8倍、6.8倍和6.7倍。結(jié)果盛期中氮處理（N2）和高氮處理（N3）間氮素總累積量差異不顯著，而高氮處理（N3）的氮素總累積量值低于中氮處理（N2）。

2.1.2 不同供氮水平的營養(yǎng)液對黃瓜磷吸收和分配的影響

黃瓜植株對磷的總累積量與氮、鉀兩元素相比較小，最大不超過1 252.5 mg/株（表2）。整體而言，磷元素的累積同氮元素的累積特征基本相似。在苗期，磷元素的累積中心與氮元素保持一致，在葉片中的累積量占全株比例達59.8%；結(jié)果初期磷素在各器官中的分配、累積情況表現(xiàn)為果實＞葉片＞莖＞根；結(jié)果盛期為果實＞莖＞根＞葉片（N1處理除外）。結(jié)果期黃瓜對磷素總累積量同氮素有所不同，結(jié)果初期對照處理（CK）、低氮處理（N1）和中氮處理（N2）之間無差異且顯著高于高氮處理（N3）；結(jié)果盛期磷素總累積量隨施氮量的增加呈先升后降再升的變化趨勢，低氮處理（N1）累積最大，極顯著高于對照處理（CK）。表明適量的施用氮肥有利于作物對磷素的累積和吸收。結(jié)果盛期各處理黃瓜植株磷素的累積量分別為結(jié)果初期各相同處理的1.2倍（CK）、4.1倍（N1）、3.7倍（N2）和4.7倍（N3），其中果實磷素的累積量占生長盛期總累積量的79.7%～97.5%。說明隨結(jié)果期的延伸，植株將更多的磷素營養(yǎng)持續(xù)不斷分配到果實中。

表2 黃瓜對磷素的吸收和分配Table2 P absorption and distribution in cucumber plant

2.1.3 不同供氮水平的營養(yǎng)液對黃瓜鉀吸收和分配的影響

同氮、磷元素相類似，苗期鉀元素的累積中心為葉，占到總積累量的54.0%；結(jié)果期果實為鉀素的累積中心，在各器官中所占比例率為49.7%～96.5%（表3）。自苗期之后，黃瓜果實中的鉀元素含量遠高于葉片是黃瓜對鉀元素累積的顯著特點。黃瓜對鉀元素的吸收、分配同氮、磷元素存在明顯的不同：結(jié)果期植株對鉀素的總累積量明顯大于氮素和磷素，N3處理結(jié)果盛期的累積總量達7 227.9 mg/株，分別為氮元素和磷元素累積量的1.59倍、6.48倍；結(jié)果初期鉀素的總累積量隨施氮量的增加而下降，對照處理（CK）顯著高于低氮處理（N1）、中氮處理（N2）和高氮處理（N3）；結(jié)果盛期鉀素總的累積量隨施氮量的增加表現(xiàn)出明顯的上升趨勢 ，且處理 N1、N2、N3顯著高于對照處理（CK），但低氮處理（N1）、中氮處理（N2）和高氮處理（N3）間差異不顯著。

2.2 不同供氮水平的營養(yǎng)液對黃瓜產(chǎn)量和肥料利用率的影響

植物光合作用的產(chǎn)物主要供應營養(yǎng)器官和生殖器官（果實）的生長，依據(jù)“庫—源”關系，黃瓜果實作為光合作用的“庫”容量，它能客觀反映由于不同施氮量所產(chǎn)生的植物同化能力的差異。如表4所示，黃瓜產(chǎn)量、氮素的吸收量及氮肥利用率均隨供氮量的增加呈開口向下的拋物線狀，中氮處理（N2）得到最優(yōu)值，分別為7 728 kg/667 m2、17.64 kg/667 m2和27.8%。與對照處理（CK）相比，N1、N2和N3處理的磷元素吸收量均顯著增加，中氮處理（N2）和高氮處理（N3）同低氮處理（N1）相比有下降趨勢。黃瓜植株對鉀元素的吸收隨施氮量的增加而增加，但N1、N2和N3處理間無顯著差異。

表3 黃瓜對鉀素的累積和分配Table3 K absorption and distribution in cucumber plant

表4 不同處理黃瓜的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收利用狀況Table4 Yield,nutrient uptake and N use efficiency of cucumber under different treatments

2.3 不同供氮水平的營養(yǎng)液對黃瓜果實硝酸鹽含量的影響

黃瓜果實中硝酸含量隨供氮水平的增加表現(xiàn)出明顯的上升趨勢（圖1）。對照處理（CK）的黃瓜硝酸鹽含量為187.4 mg/kg，而低氮處理（N1）、中氮處理（N2）和高氮處理（N3）黃瓜硝酸鹽含量顯著高于CK處理，分別是CK處理的2.2倍、2.6倍和3.6倍，低氮處理（N1）和中氮處理（N2）黃瓜的硝酸鹽含量之間無顯著差異，且顯著小于高氮處理（N3）。

2.4 生長指標、產(chǎn)量與吸氮量間的通徑分析

通徑分析是應用通徑系數(shù)分析方法，在相關分析與回歸分析的基礎上，進一步研究因變量與自變量之間的數(shù)量關系，并將相關系數(shù)分解為直接作用系數(shù)和間接作用系數(shù)，以揭示各個因素對因變量的相對重要性。因此，通徑分析比相關分析和回歸分析更為精確，同時能考慮到原因?qū)Y(jié)果的影響，使多變量資料的統(tǒng)計分析更為合理。本文以生長和產(chǎn)量指標為自變量，以吸氮量（Y，mg/plant）為因變量，用DPS軟件進行逐步回歸分析，并根據(jù)方程的顯著性，再進行通徑分析，以找到對產(chǎn)量貢獻最大的直接作用因子和間接作用因子。最后選取葉面積（X1，cm2）、莖粗（X2，mm）、干物質(zhì)量（X3，g/plant）和產(chǎn)量（X4，g/plant）為自變量進行分析。采用逐步回歸的方法建立最優(yōu)回歸方程，獲得通徑系數(shù)?；貧w方程如下：

從分析結(jié)果可知，線性回歸方程顯著（P=0.000 3≤0.05），表明對Y和X的通徑分析有意義。由通徑系數(shù)可以得出 X1、X2、X3、X4對 Y 的直接作用分別為：P1y=-0.028、P2y=0.206、P3y=0.387、P4y=-0.472。

表5為自變量間、自變量與因變量間的簡單相關系數(shù)。通過對吸氮量與各自變量間的相關分析，發(fā)現(xiàn)除莖粗（X2）之外，吸氮量與葉面積（X1）、干物質(zhì)量（X3）、產(chǎn)量（X4）之間的相關性均達到顯著水平。說明吸氮量與上述各因素間相互作用、相互影響。

圖1 不同氮素水平對黃瓜果實硝酸鹽含量的影響Fig.1 Effects of different nitrogen levels on nitrate content of cucumber fruit

表5 各變量間的相關系數(shù)Table5 Correlation coefficient between the variables

表6為簡單相關系數(shù)與間接通徑系數(shù)的關系。由直接和間接通徑系數(shù)可知，產(chǎn)量對吸氮量的直接作用系數(shù)最大，干物質(zhì)量通過產(chǎn)量對吸氮量的間接作用系數(shù)次之。葉面積和莖粗對吸氮量的直接通徑系數(shù)值都有較低值，且二者通過對方對吸氮量產(chǎn)生的間接作用系數(shù)值也較低。但葉面積對吸氮量的間接作用較大，其中通過干物質(zhì)量和產(chǎn)量對吸氮量的間接通徑系數(shù)分別為0.324和0.384。且產(chǎn)量通過干物質(zhì)量對吸氮量的間接作用系數(shù)也有較大值，為0.370。

通過表6的綜合比較可知，在不同施氮條件下，植株的葉面積（X1）、莖粗（X2）、干物質(zhì)量（X3）及產(chǎn)量（X4）之間通過互相作用才能增加黃瓜的吸氮量，產(chǎn)量對黃瓜吸氮量有重要作用，可作為評價吸氮量的第一指標。

3 討論

氮素在植株內(nèi)的累積量與施氮量、氮肥利用率等因素有關。在不同供氮條件下，本試驗的黃瓜植株對氮、磷元素的吸收隨施氮量的增加大致均呈先上升后下降的變化趨勢，這一特點與棉花[8]、玉米[9]、加工番茄[10]、甜瓜[11]等其他作物的養(yǎng)分吸收規(guī)律表現(xiàn)一致。在苗期，黃瓜植株以葉為營養(yǎng)中心，伴隨生育期的延長，植株對氮、磷、鉀的吸收、分配發(fā)生了相應變化，結(jié)果期營養(yǎng)中心向果實轉(zhuǎn)移。岳文俊等[12]對甜瓜的研究也有類似報道。在不同施氮條件下果實產(chǎn)量與施氮量的相關系數(shù)為0.956，達到顯著水平，說明產(chǎn)量是由果實的累積量決定的，提高生物量向果實的分配可以增加產(chǎn)量。因此，研究不同的施氮量對黃瓜干物質(zhì)量的累積、分配對提高黃瓜的經(jīng)濟效益有重要意義。本研究中，結(jié)果盛期對照處理（CK）根系中的鉀素累積量出現(xiàn)負值，推測可能與鉀元素的再利用性有關，在鉀素吸收能力下降的情況下，根系中的鉀素轉(zhuǎn)移至果實，優(yōu)先供應生殖生長。結(jié)果初期和結(jié)果盛期黃瓜果實對鉀素的累積量明顯高于氮和磷，莖稈對鉀的吸收也明顯高于氮、磷，這都與鉀元素參與光合產(chǎn)物向貯存器官運輸和促進莖稈維管束發(fā)育有關[13]。

張祥明等[14]研究表明，在磷鉀供應量一定的條件下，適當?shù)氖┑磕艽龠M水稻對鉀素的吸收和積累，施氮量過高反而不利于鉀的吸收。侯云鵬等[15]研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥可以明顯提高氮、磷、鉀元素的吸收量，但隨施氮水平的提高，各生育期表現(xiàn)并不一致。景立權(quán)等[16]研究認為，過高或過低的氮肥施用量不利于氮、磷、鉀的吸收利用及產(chǎn)量的提高。本試驗結(jié)果表明：隨施氮量的增加，植株對氮和磷的吸收呈先增加后降低的趨勢，與上述研究存在差異，推測其原因可能是施氮過量促使植株自我保護機制啟動，是植物對外界的一種自我反應，進而降低了對氮、磷的吸收；對鉀的吸收表現(xiàn)為持續(xù)增長，但增長速率表現(xiàn)為先快后慢，與上述研究差異較大，這可能同基質(zhì)的基礎養(yǎng)分情況、作物種類等因素有關。

本試驗各處理以硝態(tài)氮的形式供應氮素。已有研究表明，硝酸鹽在人體內(nèi)可以被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽有致癌作用[17]。王立河等[18]對黃瓜的研究表明，果實中硝酸鹽含量隨施氮量的增加呈上升趨勢；牛曉麗等[19]對番茄的研究也表明，增施氮肥顯著提升番茄果實硝酸鹽含量。硝酸鹽含量是蔬菜安全品質(zhì)監(jiān)控的重要指標。本試驗中果實硝酸鹽含量受施氮量的變化表現(xiàn)出明顯差異，表明硝酸鹽含量除受其遺傳物質(zhì)的影響外，還與植株生長的外界環(huán)境和營養(yǎng)狀況密切相關[20]。根據(jù)國家對無公害蔬菜安全要求——瓜果類蔬菜硝酸鹽以NO3-計≤438 mg/kg（GB 18406.1—2001），對試驗得到的黃瓜安全品質(zhì)進行評價，在大棚種植條件下高氮處理（N3）黃瓜硝酸鹽含量不達標，不宜食用，在大棚黃瓜種植過程中應高度重視。

黃瓜的產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收和氮素的利用率都與施氮量有關。隨著施氮量的增加黃瓜的產(chǎn)量呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，與李立昆等[3]的研究結(jié)論相一致，符合不同蔬菜對氮素的需求都有一個最適范圍，低于或超過這個范圍不僅不利于生長且產(chǎn)量會降低的結(jié)論[21]。運用葉面積（X1）、莖粗（X2）、干物質(zhì)量（X3）和產(chǎn)量（X4）等指標對吸氮量（Y）進行通徑分析，可以更直觀地反映吸氮量的高低，通過綜合比較，產(chǎn)量可作為衡量吸氮量的第一指標。

表6 簡單相關系數(shù)的分解Table6 Decomposition of the simple correlation coefficient

4 結(jié)論

在本試驗條件下中氮處理（N2）黃瓜產(chǎn)量為7 728 kg/667 m2，吸氮量達到 17.64 kg/667 m2，肥料利用率為27.8%，全都達到最高值；且磷素和鉀素的吸收量有較大值，分別為4.04和26.30 kg/667 m2。綜合分析比較，在磷、鉀肥用量不變的基礎上，N2處理（0.023 kg/株）的黃瓜生長健壯，產(chǎn)量最高，各方面表現(xiàn)較好。運用通徑分析，通過綜合比較，產(chǎn)量可作為評價吸氮量的第一指標。