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      植物生理調(diào)節(jié)劑對四種蔬菜硝酸鹽積累和產(chǎn)量的影響

      2011-04-16 02:57:04曾曉蓉肖和艾吳金水李寶珍
      關(guān)鍵詞:油麥寧鄉(xiāng)空心菜

      曾曉蓉,肖和艾,吳金水,李寶珍,李 霞

      (1.中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室湖南長沙410125;2.中國科學院研究生院,北京100049)

      蔬菜是人們生活必需的重要食品,但蔬菜易富集土壤中硝酸鹽而導致污染。已有研究表明人體吸收的硝酸鹽有85%來自于蔬菜[1],經(jīng)常食用硝酸鹽含量高的蔬菜對人體健康具有很大的影響,蔬菜硝酸鹽含量已引起人們的廣泛關(guān)注,被作為蔬菜質(zhì)量安全的重要指標之一[2]。隨著蔬菜地化學氮肥的長期大量使用,不僅使土壤中硝酸鹽含量不斷增加而導致環(huán)境風險,而且蔬菜的硝酸鹽含量也不斷提高,特別是在城郊區(qū)蔬菜地更為突出。因此,減少化肥投入已成為農(nóng)業(yè)環(huán)境保護和蔬菜質(zhì)量安全的研究熱點。潘潔等[3]研究表明,盆栽和田間條件下施用硝化抑制劑可使大白菜硝酸鹽含量分別降低20%和40%,產(chǎn)量增加47%和8%,田間條件噴施微量元素也可降低大白菜硝酸鹽含量。葛彩霞等[4]試驗結(jié)果表明,噴施錳、鉬、鋅等微量元素可顯著降低小白菜、莧菜、水蘿卜和萵筍的硝酸鹽含量,而且其產(chǎn)量可增加5%~10%。還有研究表明,采用一些氨基酸替代水培液中硝酸鹽,可以降低水培不結(jié)球白菜和生菜[5]以及洋蔥[6]的硝酸鹽含量。黃東風等[7]研究表明施用有機肥可降低小白菜的硝酸鹽含量,主要是由于有機肥含有較多酚、糖、醛類化合物和羧基,可吸附和固定銨態(tài)氮,抑制其硝化作用。但國內(nèi)外關(guān)于植物生理調(diào)節(jié)劑以及微量元素氨基酸螯合物對蔬菜硝酸鹽含量的研究較少。

      本研究采用長沙和寧鄉(xiāng)郊區(qū)菜地土壤,通過盆栽試驗探討了植物激素、微量元素氨基酸螯合物和植物調(diào)理劑在減量施肥下對4種葉菜類蔬菜硝酸鹽含量和產(chǎn)量的影響。旨在為減少化肥施用、降低蔬菜硝酸鹽含量,提高蔬菜品質(zhì)和控制農(nóng)業(yè)環(huán)境氮磷面源污染提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 試驗材料

      盆栽試驗在長沙市郊的大型連體塑料大棚中進行,試驗時間為2008年11月~2009年6月。蔬菜品種為小白菜(Brassica chinensis L.)、油麥菜(Cichaorium endivia)、蘿卜菜(Raphanus sativus L.)和空心菜(Ipomoea aquatica),購自湖南省農(nóng)科院種子公司。供試土壤分別采自湖南長沙市郊區(qū)和寧鄉(xiāng)縣郊區(qū)的菜園土,采集的土樣調(diào)節(jié)至土壤飽和持水量(WHC)的45%時,過篩(孔徑<5mm),徹底混勻,用于盆栽試驗。另取部分土樣風干,分別過20目和60目篩,用于測定土壤基本特性,供試土壤基本特性見表1。

      表1 供試土壤基本特性

      所用的植物激素生長素(IAA)含量≥97.0%,熔點166℃~168℃,干燥失重≤1.0%,灼燒殘渣≤0.1%,乙醇溶解試驗合格,赤霉素(GA3)含量≥90.0%,干燥失重≤1.0%,比旋光度[α]D20:+80.0°~+88.0°,均購自國藥集團化學試劑有限公司。氨基酸螯合物為氨基酸與銅、錳、鐵、鋅、鉀、硼螯合物(Cu+Mn+Fe+Zn+K+B≥6%),成都螯合生物技術(shù)有限公司提供;有機肥和通用調(diào)理劑為南京土壤研究所董元華提供。

      1.2 盆栽試驗設(shè)計

      試驗共設(shè)7個處理,分別為①對照(CK);②常規(guī)施肥(NPK);③50%NPK+生長素+赤霉素高濃度;④50%NPK+生長素+赤霉素低濃度;⑤50%NPK+微量元素氨基酸螯合物;⑥30%NPK+70%有機肥+植物調(diào)理劑;⑦50%NPK+植物調(diào)理劑,每個處理重復4次。具體實驗處理如表2所示。

      試驗采用口徑27 cm、高17 cm塑料盆,每盆裝相當于烘干重4 kg的新鮮土壤。先后種2季蔬菜,第1季蔬菜為小白菜和油麥菜,各處理按表2施NPK和有機肥,播種期為2008年11月11日,播種前種子用蒸餾水洗凈并浸泡3 h后,于25°C黑暗條件下催芽24 h,再播種到盆中,定苗后小白菜和油麥菜分別為13株/盆和10株/盆,生長期各處理每周按表2噴施1次植物生理調(diào)節(jié)劑溶液,至葉片正反面滴液為止,共噴施3次;收獲期為2009年1月10日。第2季蔬菜為空心菜和蘿卜菜,與第一季蔬菜不同的是,各處理均不施NPK或有機肥,僅按上述相同方法噴施表2的植物生理調(diào)節(jié)劑溶液,以探討植物生理調(diào)節(jié)劑對蔬菜吸收利用土壤養(yǎng)分的作用。播種期為2009年4月7日,種子處理和催芽方法同上,定苗后空心菜和蘿卜菜分別為20株/盆和13株/盆,收獲期為2009年5月25日。

      表2 盆栽試驗處理

      1.3 樣品采集與測定

      蔬菜收獲時,采收地上部分,宜于當天進行測定。先用蒸餾水將植株沖洗干凈,瀝干水分,稱量植株鮮重,再將植株樣品分為兩部分,一部分置于烘箱中經(jīng)105°C殺青0.5 h,再于70°C中烘干,測定植株干重,再經(jīng)粉碎、過20目篩后,用于測定植株全N和全P含量。另一部分用于植株鮮樣硝態(tài)氮含量測定。植株硝態(tài)氮含量的測定參照Schortemeyer[8]的方法,具體操作為:取30 g植株鮮樣,切碎后置于勻漿機中,加入30m l蒸餾水(樣重與水比例為1∶1,W/V)后打成勻漿液,取10g勻漿液于加有1ml30%三氯乙酸的樂扣塑料提取盒中,再加入55ml蒸餾水,振蕩(180 r/min)提取 30min,過濾,濾液中硝態(tài)氮含量用流動注射儀(FIASTAR 5000)測定。

      在收獲后,將盆中土壤混合均勻,取150 g~200 g土樣,調(diào)節(jié)土壤含水量至飽和持水量(WHC)的45%,再置于25°C培養(yǎng)室中培養(yǎng)1周,取相當于8g烘干土重的新鮮土樣加入40m l2mol/LKCl溶液(土水比 1∶5,W/V)振蕩浸提 1 h,過濾,濾液中硝態(tài)氮采用流動注射儀測定。

      土壤pH采用蒸餾水(土水比1∶2.5,W/V)浸提15min,用Mettler-toledo 320 pH計測定[9],土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀氧化法[9],土壤全氮測定采用濃H2SO4-H2O2消煮法[9],土壤全磷測定采用碳酸鈉熔融法[9],土壤提取磷采用Olsen法[9]。

      1.4 數(shù)據(jù)處理

      數(shù)據(jù)為4次重復的平均值,蔬菜硝酸鹽和產(chǎn)量以植株鮮重計,土壤硝酸鹽含量和其他特性以烘干土重計。采用Excel 2003和SPSS16.0進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 植物生理調(diào)節(jié)劑對4種蔬菜硝酸鹽含量的影響

      沈明珠等[10]根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定的人體硝酸鹽每日允許攝入量,對我國蔬菜硝酸鹽含量進行了等級劃分,將蔬菜硝酸鹽含量≤432mg/kg定為一級(輕度污染),≤785mg/kg定為二級(中度污染),≤1440mg/kg定為三級(高度污染),≤3100mg/kg定為四級(嚴重污染)。

      本試驗中對于第1季小白菜,在長沙和寧鄉(xiāng)2種土壤中,處理1(對照、不施肥)小白菜硝酸鹽含量分別為5.6 mg/kg和7.0mg/kg(圖1a),處理3~7小白菜硝酸鹽含量分別為 28.8mg/kg~164.0mg/kg和 73.9mg/kg~264.3mg/kg,而處理2(NPK)小白菜硝酸鹽含量最高,在2種土壤中分別達到652.8mg/kg和582.8mg/kg,顯著高于其它各處理的小白菜硝酸鹽含量(p<0.05)。根據(jù)沈明珠等[10]劃定的蔬菜硝酸鹽含量的分級標準,處理2(NPK)小白菜硝酸鹽含量已達到中度污染(>432mg/kg);其余各處理小白菜硝酸鹽含量均未超標。這說明在2種土壤中減少NPK施用均可有效地降低小白菜硝酸鹽含量,而5種植物生理調(diào)節(jié)劑之間小白菜硝酸鹽含量基本相同。本試驗中施NPK處理的小白菜硝酸鹽含量遠低于沈明珠等[10]測定的來源于北京市郊的10個小白菜樣品硝酸鹽含量(1023mg/kg~3098mg/kg),這可能由于本試驗采用的土壤硝酸鹽含量較低(表1)。

      對于第1季油麥菜,在長沙土壤中,對照處理油麥菜的硝酸鹽含量為2.7mg/kg(圖1b),處理2油麥菜的硝酸鹽含量略高為159.3mg/kg,處理3~7油麥菜硝酸鹽含量范圍為16.6mg/kg~120.4mg/kg;各處理油麥菜硝酸鹽含量均未超過沈明珠等劃分的蔬菜硝酸鹽含量的一級標準。在寧鄉(xiāng)土壤中,對照處理油麥菜的硝酸鹽含量為122.5mg/kg,處理2油麥菜的硝酸鹽含量高達1184.5mg/kg,處理3~7油麥菜硝酸鹽含量范圍為657.0mg/kg~1093.2mg/kg;除對照處理油麥菜硝酸鹽含量未超標外,其他處理的油麥菜硝酸鹽含量超過沈明珠等劃分的二級(432mg/kg~785mg/kg)和三級(785 mg/kg~1440mg/kg)污染標準,但低于Drews等[11]研究的結(jié)球生菜硝酸鹽含量(1787mg/kg)。上述結(jié)果說明在2種土壤中油麥菜的硝酸鹽含量存在明顯的差異,長沙土壤中油麥菜的硝酸鹽含量較低,且施肥及植物生理調(diào)節(jié)劑對油麥菜硝酸鹽含量的影響均較小。

      對于第2季蘿卜菜(均未施肥,僅施植物生理調(diào)節(jié)劑),在長沙土壤中,對照和施肥處理的蘿卜菜硝酸鹽含量范圍為484.0mg/kg~968.0mg/kg(圖 1c),各處理間差異不顯著,均達到沈明珠等[10]劃分的蔬菜硝酸鹽二級或三級污染標準。而在寧鄉(xiāng)土壤中,處理3、4和5蘿卜菜硝酸鹽含量(87.0 mg/kg~208.3mg/kg)顯著低于處理 1、2、6 和 7(266.2mg/kg~352.7mg/kg)。說明蘿卜菜硝酸鹽含量還與土壤類型有關(guān),寧鄉(xiāng)土壤中蘿卜菜的硝酸鹽含量明顯低于長沙土壤中。

      對于第2季空心菜(均未施肥,僅噴施植物生理調(diào)節(jié)劑),長沙和寧鄉(xiāng)土壤中,處理1(對照)空心菜硝酸鹽含量分別為7.7mg/kg和32.6mg/kg,處理2的硝酸鹽含量最高,分別為15.9mg/kg和694.3mg/kg(圖1d)。在長沙土壤中各處理的空心菜硝酸鹽含量均很低(均<25mg/kg),且各植物生理調(diào)節(jié)劑處理的硝酸鹽含量明顯降低;但在寧鄉(xiāng)土壤中,處理2(第1季施NPK)的空心菜硝酸鹽含量達694.3mg/kg,為中度污染,其它各處理硝酸鹽含量<384mg/kg,輕度污染。Vinter[12]和Ponomarev等[13]的研究表明空心菜硝酸鹽含量范圍分別為349mg/kg~3890mg/kg和1131mg/kg~1459mg/kg。根據(jù)1997年歐盟委員會的規(guī)定,空心菜中硝酸鹽含量的最大允許含量為3000mg/kg(在第一年的11月1日到第二年的3月31之間收獲)和2500mg/kg(在同一年的4月1日到10月31日之間收獲)[14]。本試驗測得的空心菜硝酸鹽含量明顯低于這一水平。

      以上試驗結(jié)果表明,利用植物生理調(diào)節(jié)劑替代50%的無機肥,或用有機肥替代部分無機肥,配合噴施植物生理調(diào)節(jié)劑均能在一定程度上減少蔬菜硝酸鹽含量。

      圖1 各處理小白菜(a)、油麥菜(b)、蘿卜菜(c)和空心菜(d)的硝酸鹽含量

      2.2 植物生理調(diào)節(jié)劑對4種蔬菜產(chǎn)量的影響

      對于第1季小白菜,在長沙和寧鄉(xiāng)2種菜地土壤中,對照(處理1,未施肥)的小白菜鮮重分別為91.2 g/盆和83.2 g/盆,處理2的小白菜鮮重比對照(CK)處理均增加128%,減少NPK施用量而配合噴施植物生長調(diào)節(jié)劑的處理3~7的鮮重分別為158.9 g/盆~175.6 g/盆和146.3 g/盆~152.5 g/盆,比對照(CK)處理增加70%~90%(圖2a)。而與處理2對比,處理3~7的小白菜鮮重下降14%~24%,其中以處理6(30%NPK+70%FYM+PR)小白菜鮮重下降最小。此外,同等施肥水平下長沙土壤小白菜鮮重比寧鄉(xiāng)土壤高6%~16%。

      對于第1季油麥菜,在長沙和寧鄉(xiāng)2種土壤中,對照(處理1,未施肥)的鮮重分別為179.7 g/盆和99.5 g/盆。在長沙土壤中,處理2~7的鮮重范圍為208.9 g/盆~229.9 g/盆,盡管各施肥處理(處理2~7)的油麥菜鮮重比對照高,但差異不顯著(圖2b);在寧鄉(xiāng)土壤中,處理2~7的鮮重范圍為86.2 g/盆~124.6 g/盆,其中以處理6的油麥菜鮮重最高,為124.6 g/盆,顯著高于其它各處理,而其它各處理間油麥菜鮮重沒有顯著差異,但總體上長沙土壤各處理油麥菜鮮重比寧鄉(xiāng)土壤高68%~156%。說明油麥菜鮮重受土壤的影響遠大于施肥和植物生理調(diào)節(jié)劑的影響。

      對于第2季蘿卜菜,不施NPK肥,僅噴施植物生理調(diào)節(jié)劑。長沙和寧鄉(xiāng)2種土壤中,對照(處理1,未施肥)的鮮重分別為38.6 g/盆和45.1 g/盆,處理2~7的鮮重范圍分別為40.3 g/盆~64.0 g/盆和50.0 g/盆~60.8 g/盆。其中長沙土壤中,處理7蘿卜菜的鮮重最高,顯著高于其它6個處理(p<0.05),而寧鄉(xiāng)土壤中,以處理6的蘿卜菜的鮮重最高,處理2~6之間蘿卜菜鮮重差異不顯著,但均顯著高于對照(CK)處理;2種土壤中蘿卜菜鮮重差異不顯著(圖2c)。

      對于第2季空心菜,在長沙和寧鄉(xiāng)2種土壤中,對照(處理1,未施肥)的空心菜鮮重分別為37.3 g/盆和24.3 g/盆,處理2~7的鮮重范圍分別為39.6 g/盆~44.4 g/盆和38.2 g/盆~41.0 g/盆,分別以處理7和處理6最高。在長沙土壤中各處理空心菜鮮重差異不顯著,在寧鄉(xiāng)土壤中,處理2~7之間空心菜鮮重差異不顯著,但均高于對照處理,且2種土壤中空心菜鮮重差異不顯著(圖2d)。

      圖 2 各處理小白菜(a)、油麥菜(b)、蘿卜菜(c)和空心菜(d)的產(chǎn)量

      2.3 各處理土壤硝酸鹽含量變化

      小白菜,油麥菜,蘿卜菜和空心菜收獲后的土壤硝酸鹽含量如圖3所示。作物收獲后土壤的硝酸鹽含量隨土壤類型和作物種類的不同而不同。第1季小白菜收獲后長沙土壤的硝酸鹽含量要比寧鄉(xiāng)的高50%~192%(圖3a)。小白菜收獲后直接在相同的塑料盆中種蘿卜菜,蘿卜菜收獲后長沙土壤的硝酸鹽含量要比寧鄉(xiāng)的高21%~51%(圖3c)。小白菜收獲后減少NPK使用量,配合噴施植物生理調(diào)節(jié)劑的長沙和寧鄉(xiāng)2種土壤的硝酸鹽含量與處理2差異不顯著,但都比處理1顯著增加;蘿卜菜收獲后長沙土壤除處理6、處理7硝酸鹽含量比處理2顯著增加外,其余各處理之間差異不顯著,寧鄉(xiāng)土壤硝酸鹽所有處理間差異不顯著。

      油麥菜收獲后,在同一盆中種空心菜。在油麥菜和空心菜收獲后,盆中長沙土壤硝酸鹽含量分別比寧鄉(xiāng)低21%~79%(圖3b)和0.3%~65%(圖3d)。油麥菜收獲后,長沙和寧鄉(xiāng)2種土壤中,處理2的土壤硝酸鹽含量分別為38.1mg/kg和184.2mg/kg,長沙土壤中減少NPK施用量,噴施植物生理調(diào)節(jié)劑的硝酸鹽與處理2差異不顯著,寧鄉(xiāng)土壤中硝酸鹽含量比處理2顯著降低,以處理6降低最多,高達75%(圖3b)。對于空心菜收獲后的土壤,長沙和寧鄉(xiāng)2種土壤中,各處理土壤硝酸鹽含量差異不顯著(圖3d)。

      圖3 各處理小白菜(a)、油麥菜(b)、蘿卜菜(c)和空心菜(d)收獲后土壤的硝酸鹽含量

      3 結(jié)論與討論

      3.1 結(jié)論

      施用植物生理調(diào)節(jié)劑可有效降低小白菜的硝酸鹽含量,但對油麥菜、蘿卜菜、空心菜影響較小,但減少50%NPK用量時4種蔬菜的產(chǎn)量與常規(guī)NPK處理基本相同。小白菜和蘿卜菜收獲后長沙和寧鄉(xiāng)2種土壤硝酸鹽含量基本相同,而油麥菜和空心菜收獲后,長沙土壤硝酸鹽含量基本相同,但寧鄉(xiāng)土壤對照和減量施肥的硝酸鹽含量顯著低于施NPK處理,說明土壤硝酸鹽含量與施肥、作物種類和土壤類型之間存在一定的關(guān)系。但植物激素、微量元素氨基酸螯合物和植物調(diào)理劑對蔬菜硝酸鹽積累的影響機理還有待研究。

      3.2 討論

      本研究探討了植物生理調(diào)節(jié)劑對2種土壤4種不同蔬菜的產(chǎn)量,硝酸鹽積累量的影響。實驗結(jié)果表明,經(jīng)過生長素,赤霉素,微量元素氨基酸螯合物和有機肥,植物調(diào)理劑處理的蔬菜硝酸鹽含量明顯低于僅用NPK肥料處理的硝酸鹽含量,而產(chǎn)量與施用NPK處理差異不顯著。李寶珍等[15]研究了重慶市23種葉類蔬菜的硝酸鹽含量,結(jié)果表明不同種類的葉類蔬菜硝酸鹽含量存在很大差異,萵筍、生菜、白菜、芹菜等23類蔬菜的硝酸鹽含量變化范圍為4.3 g/kg~35.3 g/kg。蔬菜中硝酸鹽的積累受到多種因素的影響,如硝酸鹽的供給、N肥水平、施肥技術(shù)、光照密度、溫度、蔬菜類型以及收獲時期和方法等,其中氮肥是影響硝酸鹽含量的最主要因素之一,隨著氮肥的增加植株體內(nèi)硝酸鹽含量也隨之增加。其次施用微量元素對于減少蔬菜硝酸鹽積累也有一定的效果,尤其是鉬肥的使用,因為鉬是硝酸還原酶的組成元素[16-18]。Wang[19]的報道指出當用氨基酸替代20%的氮肥使用時,小白菜的硝酸鹽含量將明顯降低,其中蛋氨酸降低植株中硝酸鹽43%,天冬酰胺和谷氨酰胺分別降低24%和22%。Vidmar等[20]的實驗結(jié)果表明,氨基酸抑制了植株根內(nèi)HvNRT2基因的表達,而HvNRT2基因的表達與硝酸鹽的吸收同化緊密相關(guān)。已有不少報道指出氨基酸在調(diào)節(jié)高等植株體內(nèi)的硝酸鹽含量方面有至關(guān)重要的作用,這主要與控制與NO3-吸收同化的酶類相關(guān)[21,22]?;旌习被釋μ}卜葉硝酸鹽的吸收和同化影響的實驗研究結(jié)果表明,氨基酸能降低蘿卜葉中24%~38%的硝酸鹽,是因為氨基酸能顯著增強硝酸還原酶的活性,而此種酶與硝酸鹽的同化與吸收轉(zhuǎn)化緊密相關(guān)[23]。都韶婷等[24]研究表明小白菜用萘乙酸(NAA)預處理后,再用硝普酸鈉培養(yǎng),其葉和根中的硝酸還原酶顯著增加,而硝酸鹽含量明顯降低。本實驗中減少化肥施用量,噴施植物生理調(diào)節(jié)劑的4種蔬菜中硝酸鹽含量要明顯低于單純使用NPK處理的硝酸鹽含量,且得到的微量元素氨基酸螯合物對4種蔬菜影響的實驗結(jié)果與已有的報道相一致。

      生長素和赤霉素是控制植物生長的重要激素,它們控制著植物生長的每一個過程。植物激素能促進種子發(fā)芽,葉面的擴張,植株莖的伸長,花芽分化,開花與果實的發(fā)育。已有研究表明植物激素如生長素、細胞分裂素、赤霉素等作為控制硝酸鹽吸收信號的物質(zhì)可影響植株體內(nèi)硝酸鹽的吸收。Tamaki等[25]研究表明菠蘿(Ananas comosus)體內(nèi)的細胞分裂素和生長素作為一種長距離運輸信號傳導分子在氮肥的有效性方面有極其重要的作用。同時,大量研究表明赤霉素可通過調(diào)節(jié)基因表達來影響硝酸鹽的吸收同化。Bouton等[26]已經(jīng)證實了赤霉素能增強硝酸還原酶,亞硝酸還原酶和其它一些與N同化緊密相關(guān)的酶類的活性。本研究結(jié)果表明,經(jīng)過赤霉素和生長素處理的蔬菜,其體內(nèi)硝酸鹽含量明顯降低了,原因可能是赤霉素和生長素的共同作用增強了與硝酸鹽吸收同化相關(guān)酶的活性,從而減少了植株體內(nèi)硝酸鹽的積累。也有可能是赤霉素和生長素促進了植株的生長,增加了植株的產(chǎn)量,從而稀釋了硝酸鹽的含量。

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