李慧霞 铃木茂敏 张冬梅 路亚南 吕福虎 刘明星 杨瑞 郑于莉

摘要：在2个不同生长季，采用营养液定量栽培管理方法，研究限制供应营养液对菠菜产量和养分利用的影响。在相同硝酸盐浓度处理下，设定EC（对照，整个生育期始终保持设定N浓度为4.5 mmol/L）、WAN（从试验开始提供所有养分）和AWAN（每隔3 d供应营养液总量的1/7）等3个处理，对水培菠菜在2个生长季的生长、养分吸收和利用效率等进行研究。结果显示，不同季节EC处理下叶长、叶宽、地上部鲜质量等均明显大于其他处理，其中地上部鲜质量在4月达到了32.1 g/株，显著高于商品规格。2个生长季各处理下，硝态氮和各离子吸收效率整体表现为EC>AWAN>WAN，且相同定量管理法各营养元素离子吸收效率4月大于11月。但是，2个生长季EC和WAN处理显著提高了氮元素利用效率。说明在不更换营养液和节约肥料的情况下，营养液定量管理（WAN处理）更适合菠菜长季节水培生长。

关键词：营养液定量管理;硝酸盐;养分利用率;水培菠菜;产量

中图分类号：S636.104 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）24-0147-07

收稿日期：2021-04-07

基金项目：内蒙古自治区包头市青年创新人才项目;内蒙古自治区科技计划项目（编号：NM2019BT021）。

作者简介：李慧霞（1984—），女，山西浑源人，博士，助理研究员，主要从事设施蔬菜栽培生理研究。E-mail：243049122@qq.com。

菠菜（Spinacia oleracea L.）是藜科菠菜属一年生草本植物，富含维生素、矿物质、纤维素等，是我国最重要的叶菜类蔬菜之一。随着人们生活水平的不断提高，消费者对健康、安全的高品质蔬菜产品需求越来越大。在过去的几十年中，水培蔬菜由于其品质优良、无污染等优点，在设施栽培中得到了广泛的应用。然而，在传统的无土栽培中，种植者通常是通过提供大量的营养液和较高浓度的养分来保持蔬菜的快速生长，但是在施肥或灌溉下过度使用养分可能导致环境污染，如淋洗或反硝化而使地下水养分富集[1-3]。另一方面，过量施用营养液也会降低养分利用效率，破坏蔬菜营养生长与生殖生长之间的平衡[4]。因此，许多研究通过农艺管理方法来提高养分利用效率，例如通过控制营养液的施用时期、用量和来源[5-7]等。此外，菠菜、生菜等绿叶蔬菜比其他蔬菜更容易积累硝酸盐，这也给消费者带来了潜在的健康问题。因此，植物养分的充分利用是蔬菜高产优质栽培的关键。

氮是植物吸收的主要养分之一，在植物代谢和生长中起着核心作用[8]，而NO-3-N是无土栽培中最常见和最容易促进生物量增加的氮源[9]。研究表明，有许多因素影响硝酸盐的吸收和积累能力，如遗传因素、环境和栽培方法[10-12]等。因此，合理的氮素管理是提高氮素利用率、减少植物硝酸盐积累的关键。一些研究表明，改变氮的供应形态（硝态氮/铵态氮）[13-14]，或在收获前几天降低营养液中的氮浓度或中断氮供应[15-17]能降低植物硝酸盐含量。此外，一些研究在几种水培蔬菜栽培中采用营养液定量管理（QNM）方法[18-20]，即在不降低产量的前提下，通过有限的营养供应来种植植物，被认为是在短时期内栽培叶菜类蔬菜较为有效的方法。因此，应用QNM法可以提高叶菜类蔬菜养分利用效率，降低植株体内积累的硝酸盐含量，减少养分的排放和减轻对环境的负面影响。

大多数学者研究了田间作物的养分利用效率，但提高养分的吸收和利用效率对水培植物也同样重要[21-23]。事实上，增加氮肥浓度可以增加氮的吸收，这种增加对叶绿素浓度、光合速率、叶片生长、叶片总数量和干物质积累都有积极的影响[24]。然而，增加施氮量会降低总氮利用效率并导致氮素过量摄入[25]。因此，植物高效吸收和利用养分可以大大提高肥料效率，降低投入成本，防止养分流失到环境中[6]，这与QNM方法是一致的。

之前Takei等曾報道过在不影响菠菜生长的情况下限制硝酸盐的供应可以生产商品规格的菠菜[26]，本试验通过不同QNM方法和不同生长季对水培菠菜进行研究，从而找出不同季节适合水培菠菜的最佳营养液管理方法，以最大效率地利用营养液和解决肥料浪费问题，为实际生产提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

菠菜（Okame，Takii Seed Co.，日本京都）种子播种在128穴穴盘中，基质比例为5 ∶4 ∶1（蛭石 ∶泥炭藓 ∶稻壳），每穴1粒种子。种子萌发第1张真叶长出后，以1/2倍基本营养液施肥至第5张真叶展开，基本营养液组成为5.250 mmol/L NO3-、0.750 mmol/L NH4+、3.350 mmol/L K、1.125 mmol/L P、1.875 mmol/L Ca和1.125 mmol/L Mg。3周后，将长势一致的幼苗移栽到4 cm×4 cm×10 cm的塑料网钵中，用1倍浓度的营养液施肥3 d后定植在60 cm×60 cm×5 cm水培容器中，并放置在泡沫塑料盖板上，深液流技术（DFT）系统供液，营养液循环总量为20 L。每处理14株，重复3次，株距12.5 cm。

1.2 试验处理

试验设置3个处理，春季（4月）和秋季（11月）处理一致，分别为：EC（对照，整个生长期始终保持N浓度4.5 mmol/L），采用人工调节营养液电导率，每隔3 d恢复1次，每隔6 d完全更换1次营养液;全量营养处理（WAN），在开始时添加所有必需的营养素;累积全量营养素处理（AWAN），每隔3 d补充1/7的矿质营养素。WAN和AWAN处理硝酸盐供应总量为399 mg/株，根据之前的研究结果计算得出，生物量在21 d的产量达到最大值25 g[26]。营养液配方：4.500 mmol/L NO-3-N、2.250 mmol/L K、2.250 mmol/L Ca、1.125 mmol/L Mg、1.125 mmol/L P、1.125 mmol/L Na。

1.3 测定项目及方法

2个生长季DFT系统的流速均设置为5 min。保持pH值在6.0左右，每隔3 d补充1次水分，水量保持在20 L。在调整过程中，记录补充的水和营养储备液的体积，以计算水和营养液的投入。调整前后采集营养液样品进行无机分析。试验结束时称量植株鲜质量，然后在烘箱中于80 ℃干燥，测量干质量并研磨用于测定无机离子含量。采用光学反射法（RQflex plus 10;德国达姆施塔特默克公司）测定菠菜植株硝酸盐含量，用火焰光度计（ANA-10KL;日本东京光电株式会社）测定K和Na浓度，用原子吸收分光光度计测定Ca和Mg浓度（ANA-182F;日本东京光电株式会社），采用凯氏定氮法测定全氮含量，采用钒钼黄比色法-紫外分光光度计测定P浓度。

硝酸盐含量测定取样2次（定植后10 d和 21 d），分别测定地上部和地下部硝酸盐含量，并将地上部叶片平均三等分，分别为上部叶片、中部叶片和中部叶柄、下部叶片和下部叶柄。

各营养元素利用效率按照Eckstein等的方法[27]计算如下：

元素利用效率=[（m2-m1）/（T2-T1）]×[（lnN2-lnN1）/（N2-N1）]。

式中：m1、m2分别为植株干物质积累量;T1、T2为取样时间;N1、N2为植株所吸收的元素量。

试验于日本名古屋市名城大学温室内进行，试验期间4月白天和夜间的平均温度为23 ℃，最高为30 ℃，最低为18 ℃;11月平均温度为21 ℃，最高为25 ℃，最低为16 ℃。

1.4 数据处理

用Excel 2010软件进行数据计算和绘图，采用SPSS 19进行方差分析和差异显著性检验（Duncan’s新复极差法，α=0.05）。

2 結果与分析

2.1 不同营养液定量管理法对菠菜生长与营养含量的影响

2个生长季（4月和11月）叶长和叶宽总体表现为EC>AWAN>WAN。地上部鲜质量、根鲜质量、地上部干质量EC处理最大，其中，地上部鲜质量4月和11月分别达到了32.1、22.2 g/株，且WAN和AWAN处理在不同生长季地上部鲜质量、根鲜质量和地上部干质量差异不显著。2个生长季WAN和AWAN处理的根冠比大于EC处理，且4月份的差异显著。各生长指标总体表现为4月>11月，但11月各处理下产量均低于25 g/株，说明达到标准鲜质量还需延长生长周期（表1）。

2个生长季不同处理营养离子吸收量、吸收率见表2。4月菠菜收获后，各处理对NO3-N和K的吸收量、吸收率趋于完全或略高于供应量，N和K的吸收率分别为供应量的101%～128%和94%～128%，然而11月各处理N和K没有被完全吸收，特别是WAN和AWAN处理仍有残留，说明夏季气温高、光照充足更有利于各离子的吸收。2个生长季其他养分（Ca、Mg、P、Na）的吸收量、吸收率总体表现为EC>AWAN>WAN，EC处理的Ca和Mg吸收量最大，特别是4月Mg被完全吸收，说明较高的EC值能促进Ca和Mg的吸收。

2.2 不同营养液定量管理法对营养液各离子吸收和利用的影响

由图1可见，2个生长季不同处理的初始EC值（元素利用效率）分别为94、95、28 mS/m，且在处理开始时缓慢增加。4月EC和WAN处理的EC值在生育中后期变化迅速，而在此期间产量也积累较快。WAN和AWAN处理营养液供应总量相同，生长结束后EC值接近。而11月各处理EC值变化较4月缓慢，WAN处理在定植6 d后略有上升后缓慢下降，生长结束后AWAN处理EC值大于WAN处理。

由图2可见，4月各处理在生长中后期对硝态氮的吸收较为明显，其中WAN处理在定植后6～12 d 对N的需求急剧增加，到12 d后营养液中硝态氮已经被完全吸收，WAN处理在生长后期处于N亏缺的状态;AWAN处理硝态氮含量在定植12 d后被完全吸收，虽然后期每隔3 d补充营养液，但是在下一回补给前也被完全吸收。11月各处理营养液中硝态氮变化较4月缓慢，WAN和AWAN处理在整个生长过程中分别处于缓慢下降和缓慢上升状态，生长结束后硝态氮含量AWAN处理大于WAN处理。

由图3可见，菠菜在4月和11月生长前期对K的需求不大，各处理均有缓慢上升，之后开始下降，其中4月WAN处理在定植6 d后持续下降，直到生长结束后略有剩余，AWAN处理在12 d后营养液中的K含量已趋于吸收完全。11月营养液中K的含量变化较缓慢，直到生长结束后各处理的K含量趋于一致。

2个生长季不同处理单位干质量各离子含量见表3。11月各处理N、K和Mg含量分别大于4月各处理。其中，由于2个生长季EC处理持续供应大于标准量的N（399 mg），全N含量明显大于WAN和AWAN处理，且相同处理下，11月份的N含量明显大于4月各处理。K含量整体表现为11月份各处理大于4月，且WAN处理K含量最小。2个生长季Ca含量EC处理最小，说明高盐浓度不利于Ca的积累。相同处理不同季节Mg、P和Na的含量变化较小，说明其受季节的影响不大。N和K的元素利用效率表现为EC和WAN处理较大，特别是11月显著大于AWAN处理。2个生长季Ca、P的利用效率WAN处理显著高于EC和AWAN处理。2个生长季不同处理对菠菜吸水量影响不显著，且4月吸水量大于11月，这与菠菜生长量保持一致。

2.3 不同营养液定量管理法对菠菜硝酸盐含量的影响

由图4可见，2个生长季第1次收获（10 d）时，硝酸盐含量主要集中分布在上部叶、中部叶柄和下部叶柄中，此外，各处理根的硝酸盐含量较高。4月第2次收获（21 d）时，EC处理由于持续供应 NO-3-N，叶柄中仍保持较多的硝酸盐含量，但WAN和AWAN处理，由于后期营养液中NO-3-N处于亏缺状态，菠菜各个部位（地上部和地下部）硝酸盐含量处于较低水平。11月第2次收获时，由于各处理营养液中NO-3-N有部分残留，菠菜各部位硝酸盐含量仍集中分布在上部叶、中部叶柄、下部叶柄和根中。

3 讨论与结论

一般认为施氮肥能提高作物产量，但植物吸收氮量取决于植物生长阶段、品种和环境条件等多个因素。菠菜在收获前的几天内，降低硝酸盐或硝态氮肥料的供给，不会影响菠菜的生长，还能提高菠菜的产量，降低叶片中的NO-3含量，增加维生素C的含量[14-17]。丸尾提出了QNM法[20]，即通过设置较低的营养元素供给，菠菜植株的生物量没有降低，但是硝酸盐含量降低。本试验基于标准养分供应下的菠菜，在4月达到了商业产量（25 g/株），但在11月产量有所下降，表明低温弱光环境下菠菜收获所需的平均天数比高温条件下长[28]。另一方面，缓释和控氮肥料（AWAN处理）对增加生物量影响不大，但可以有效防止高盐积累和减缓植株转化硝酸盐的速度[25]。

植物氮代谢过程中硝酸盐消失最快，这为植物能够在短时间内动员氮以维持氮的代谢提供了证据[29]。但也有报道表明，在氮饥饿后，植物的氮浓度下降不是由于氮缺乏，而是由于当植物变得更大时所需的结构材料数量的增加所致，即植株的生长速率显著快于其对各元素的吸收速率而造成“稀释”作用[21，30]。本研究相同供氮水平下植株含氮量4月小于11月，特别是4月WAN和AWAN处理，这与处理后期NO-3-N处于亏缺状态保持一致，但菠菜整株硝酸盐含量也最少，所以植株硝酸盐含量的减少不是由于地上部质量的增加，而是营养液硝态氮急剧减少，植株必须消耗自身养分来满足其生长所致。

绿叶蔬菜中的硝酸盐大部分是自然产生的，受植物种类、光照强度、温度和栽培等因素的影响。大多数研究表明，冬季硝酸盐含量高于春季[31]，这是由于硝酸盐含量呈昼夜节律，白天减少，晚上恢复[32-33]，因此，在光周期短或弱光条件下，硝酸盐的吸收超過还原[10]。也有研究表明，菠菜中硝酸盐含量在高温条件下较高[25，34]，夏季硝酸盐浓度呈明显增加趋势[28，35]。2个生长季相同处理硝酸盐吸收量4月均大于11月，但11月叶柄和根中硝态氮含量较高，说明低光周期延缓了菠菜植株对NO-3-N的吸收和转化，导致了硝态氮的积累。此外，11月供氮量相同的EC处理上部叶、叶柄和根系硝酸盐含量较WAN处理高，吸收量也最低，说明低光周期和缓慢供给使植株对硝态氮的同化延迟，导致体内硝态氮积累增加。

提高养分吸收和利用效率是促进作物生长、提高养分利用效率的2种途径[36]。在土壤或无土栽培中，最佳施肥管理方法可以有效地提高养分利用效率。许多研究者针对不同大田作物（马铃薯、向日葵、水稻等）最佳施氮量做了大量研究[37-40]，即在最适的施肥条件下，作物产量最大，肥效利用率最高。无土栽培较大田作物养分吸收和利用更为简单[21，41]，养分供给和吸收等可以人为控制，但受季节等环境因素的影响较大。本研究缓释供给比正常施肥增加了养分的吸收效率，但是元素利用效率较正常施用低，产量也没有明显增加，这与大田作物研究结果[42-43]不一致，张玉树等研究表明控释肥料可增加作物产量，改善品质，提高肥料利用率[42]。这也许和大田复杂的养分环境有关，缓释供应在不同季节养分利用有待进一步研究。

蔬菜无土栽培可在设施内周年生产，但不同季节蔬菜生长受温度、光照等环境因素影响较大，特别是生长周期较短（21～30 d）的叶菜类，一年内可以连续生产。因此，合理的施肥管理方法和栽培技术是设施安全生产的关键。本研究限制硝酸盐供应不仅不影响菠菜的产量，而且提高了元素利用效率，降低了植株体内硝酸盐的含量，这些结果为建立设施水培蔬菜周年栽培技术和优化灌溉管理提供了基础数据。

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