畢 菲，張 蕾，姚寧寧，扎貝特，于海業(yè)

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022)

換液方式對(duì)生菜霧培營(yíng)養(yǎng)液氮素利用的影響

畢 菲1，2，張 蕾1，2，姚寧寧1，2，扎貝特1，2，于海業(yè)1，2

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022)

為提高氣霧栽培營(yíng)養(yǎng)液使用效率、降低廢棄營(yíng)養(yǎng)液環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，從霧培營(yíng)養(yǎng)液管理角度，以意大利生菜為研究對(duì)象，采用不同換液方式，研究了生菜生長(zhǎng)過(guò)程中不同形態(tài)氮素的利用情況.結(jié)果表明：生菜移苗后21～30 d，營(yíng)養(yǎng)液氮素，特別是硝氮(NO3-N)消耗較少，而消耗氮素的銨硝比例提高，適當(dāng)降低該階段營(yíng)養(yǎng)液硝氮比例或提高氨氮比例，可一定程度上節(jié)省氮肥投入；隨營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)使用時(shí)間的延長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)液中不同形態(tài)氮素間存在明顯的相互轉(zhuǎn)化，并可能出現(xiàn)不同濃度的亞硝氮(NO2-N)；消耗的NO3-N存在植物吸收、形態(tài)轉(zhuǎn)化等多個(gè)去向，僅以硝氮計(jì)量營(yíng)養(yǎng)液氮素?fù)p失率并不能全面反映營(yíng)養(yǎng)液被植物利用的效率；除氮素吸收速率對(duì)植物硝酸鹽積累存在影響外，生長(zhǎng)中后期硝氮供應(yīng)不足對(duì)植物體內(nèi)氮素的有效轉(zhuǎn)化同樣存在較大影響；三種換液方式對(duì)比，定期完全更換營(yíng)養(yǎng)液的方法對(duì)降低蔬菜產(chǎn)品硝酸鹽含量，提高植物氮素吸收、轉(zhuǎn)化效率最有利.

霧培；營(yíng)養(yǎng)液；生菜；氮素

我國(guó)傳統(tǒng)集約化蔬菜種植復(fù)種指數(shù)高、氮肥使用量大，造成土壤的快速退化，特別是硝酸鹽積累問(wèn)題嚴(yán)重.[1]無(wú)土栽培作為可持續(xù)農(nóng)業(yè)的主要組成部分之一，可有效避免作物連作帶來(lái)的土壤問(wèn)題.無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液氮素(N)的合理供應(yīng)對(duì)降低農(nóng)業(yè)投入成本及廢棄營(yíng)養(yǎng)液的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義.[2]

無(wú)土栽培中營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)供液方式僅通過(guò)補(bǔ)充礦物質(zhì)元素調(diào)節(jié)電導(dǎo)率(EC)值，不向環(huán)境中排放任何廢棄營(yíng)養(yǎng)液，因而水肥利用率較高，且不造成環(huán)境污染，但基于其存在傳播根病的危險(xiǎn)及養(yǎng)分難于精確調(diào)控，目前除在荷蘭，循環(huán)供液法被強(qiáng)制使用外，該封閉種植系統(tǒng)很少被用于商業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域.開放式供液多用于基質(zhì)栽培，多余營(yíng)養(yǎng)液不進(jìn)行回收，管理更簡(jiǎn)單，肥料元素量更易控制，因而被廣泛應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)和花卉種植.除此之外，近年來(lái)國(guó)外學(xué)者針對(duì)營(yíng)養(yǎng)液栽培，還提出一種半封閉系統(tǒng)栽培的營(yíng)養(yǎng)液管理方式，在這一栽培系統(tǒng)中，循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液會(huì)被部分更換，以此避免營(yíng)養(yǎng)液中部分離子濃度超過(guò)毒害閾值并盡量降低系統(tǒng)向環(huán)境中的N排放量.[3]

氣霧栽培又稱噴霧培或氣培，是無(wú)固體基質(zhì)培中的一種重要栽培方式，是目前無(wú)土栽培生產(chǎn)中水氣矛盾解決最好的一種栽培方式.[4]氣霧栽培的營(yíng)養(yǎng)液是典型的循環(huán)利用方式，在科學(xué)研究試驗(yàn)中，通常采用定期換液的半封閉管理方式.本文從霧培營(yíng)養(yǎng)液管理角度，通過(guò)研究不同的換液方式，探討了生菜生長(zhǎng)不同階段的氮素利用率，為進(jìn)一步提高氣霧栽培中營(yíng)養(yǎng)液的使用效率及蔬菜產(chǎn)品產(chǎn)量、品質(zhì)奠定了理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為意大利生菜(LactucasativaL.var.ramosaHort.)，購(gòu)于吉林省科豐種業(yè)有限公司.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院試驗(yàn)玻璃溫室(E125.35°，N43.88°)內(nèi)進(jìn)行.試驗(yàn)時(shí)間為2013年8月23日—10月12日.培養(yǎng)箱育苗20 d后移栽定植到霧培栽培桶中，每桶定植9棵，種植30 d后收獲.栽培期劃分前、中、后3個(gè)生長(zhǎng)階段，每個(gè)生長(zhǎng)階段為10 d.試驗(yàn)期間白天每20 min供液5 min，夜晚每小時(shí)供液10 min.營(yíng)養(yǎng)液每10 d更換或調(diào)節(jié)一次.3種換液方式為：方式1，完全更換營(yíng)養(yǎng)液；方式2，更換1/2體積營(yíng)養(yǎng)液；方式3，根據(jù)測(cè)定的EC值調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液，控制EC值在2 000～3 000 μs/cm.

1.2.1 營(yíng)養(yǎng)液配制

營(yíng)養(yǎng)液中大量元素配制采用日本園式配方，微量元素配制采用霍蘭德通用配方.為了保證分析的有效性，營(yíng)養(yǎng)液配制用水采用蒸餾水.

1.2.2 采樣時(shí)間及方式

每10 d換液前采集250 mL營(yíng)養(yǎng)液樣品用于測(cè)試.對(duì)采集的樣品進(jìn)行N素指標(biāo)檢測(cè).殺青前一次性檢測(cè)植物生理、生長(zhǎng)及品質(zhì)指標(biāo).

1.2.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

酸堿度(pH)、電導(dǎo)率(EC)、空氣溫度采用試驗(yàn)室自主開發(fā)的在線采集裝置測(cè)定，取正午12：00時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.總氮(GN)含量采用過(guò)硫酸鉀氧化法、氨氮(NH4-N)含量采用納氏試劑光度法、硝氮(NO3-N)含量采用酚二磺酸光度法測(cè)定.葉片硝氮含量采用水楊酸比色法測(cè)定.試驗(yàn)中采用的所有化學(xué)藥品均為分析純(AR)，試驗(yàn)用水為二次蒸餾水.

2 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

2.1 生菜不同生長(zhǎng)階段對(duì)不同形態(tài)氮素的需求

圖1 不同換液方式下營(yíng)養(yǎng)液氮素的消耗

根據(jù)圖1，生菜各生長(zhǎng)階段NH4-N和NO3-N的消耗利用率變化規(guī)律一致，均呈現(xiàn)第一階段消耗率最高，第二與第三階段消耗率較低的趨勢(shì)，這一現(xiàn)象符合植物生長(zhǎng)旺盛期對(duì)氮素需求量較大、隨生長(zhǎng)速度降低氮素的需求量也降低的規(guī)律.為有效評(píng)價(jià)生菜不同生長(zhǎng)階段對(duì)氮素的需求，僅針對(duì)定期完全換液方式(方式1)下，營(yíng)養(yǎng)液氮素消耗率進(jìn)行詳細(xì)分析：三個(gè)階段NH4-N和NO3-N消耗率比值分別為4.75∶1，6.13∶1和5.14∶1.第二階段與第三階段消耗的銨硝比較高，特別是第二階段.基于方式1是定期完全換液，消耗率之比與消耗量之比變化規(guī)律一致；試驗(yàn)中后期營(yíng)養(yǎng)液氮素，特別是NO3-N消耗量較少，而消耗氮素的銨硝比有所提高，因此，配方中可適當(dāng)降低NO3-N含量或提高NH4-N含量，以滿足植物需求.在實(shí)際種植時(shí)可根據(jù)生菜氮素消耗率變化調(diào)整中后期氮素供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效.

2.2 不同換液方式對(duì)各形態(tài)氮素消耗率的影響

2.2.1 各形態(tài)氮素消耗率

NH4-N：不同換液方式下，除方式3生菜移栽后的第二和第三階段(21～30 d)外，生菜對(duì)NH4-N的吸收利用率一直較高，特別是第一階段，各換液方式的NH4-N消耗率均最高.方式3中出現(xiàn)的NH4-N消耗率為負(fù)值，表明此種換液方式下，營(yíng)養(yǎng)液存在其他氮素形式向NH4-N的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)液中NH4-N量的增加.

NO3-N：不同換液方式下，生菜移栽后的第一階段NO3-N消耗率最高.方式2和方式3在第二階段出現(xiàn)了NO3-N消耗率為負(fù)值的現(xiàn)象，表明有新的NO3-N生成，證明營(yíng)養(yǎng)液中存在氮素間的相互轉(zhuǎn)化.特別是方式2中同時(shí)存在NO3-N和NH4-N為負(fù)值的情況，表明氮素形態(tài)的轉(zhuǎn)化不僅局限于這兩種形態(tài)，很可能還存在亞硝態(tài)氮(NO2-N).

GN：對(duì)于方式3的第二階段，在NO3-N和NH4-N均為負(fù)值的情況下，GN消耗率為正值，表明營(yíng)養(yǎng)液中很可能由于氮素間的轉(zhuǎn)化，出現(xiàn)另外一種植物可吸收利用的氮素形態(tài).

以上結(jié)論表明，無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液中消耗的NO3-N存在植物吸收、形態(tài)轉(zhuǎn)化等多個(gè)去向，因此僅以硝氮計(jì)量營(yíng)養(yǎng)液氮素?fù)p失率并不能全面反映營(yíng)養(yǎng)液中氮素被植物利用的效率.

2.2.2 機(jī)理分析

氮循環(huán)是土壤生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)的核心之一，其主要過(guò)程包括生物固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用，均由微生物所驅(qū)動(dòng).[5]在無(wú)基質(zhì)的無(wú)土栽培中，植物需要的氮素主要由營(yíng)養(yǎng)液中添加的NH4-N和NO3-N提供，但隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)，根系分泌物量的增加與噴霧對(duì)根系的沖刷，營(yíng)養(yǎng)液中微生物的繁殖是不可避免的.這些微生物中同樣存在影響氮素循環(huán)的種類，特別是氨化作用、硝化作用和反硝化作用的存在，使氮素形態(tài)間出現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化.方式2和方式3的換液方法導(dǎo)致部分或大部分營(yíng)養(yǎng)液被長(zhǎng)期循環(huán)利用，而這種長(zhǎng)期循環(huán)利用的結(jié)果會(huì)使微生物數(shù)量迅速增加，從而導(dǎo)致氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化愈發(fā)明顯，更有可能造成營(yíng)養(yǎng)液中NO2-N濃度的增加.嚴(yán)明渝等[6]在闡述SUDS水健康與底棲無(wú)脊椎動(dòng)物的關(guān)系時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了沉淀物中NO2-N和NO3-N間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；由于NO2-N的出現(xiàn)，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生亞硝酸氧化酶，把營(yíng)養(yǎng)液中的NO2-N氧化NO3-N，從而造成循環(huán)使用的營(yíng)養(yǎng)液中氮素形態(tài)不斷轉(zhuǎn)化.

NO3-N、NH4-N和NO2-N均屬于植物能夠吸收利用的氮素形式[7-8]，當(dāng)不同形態(tài)氮素間存在相互轉(zhuǎn)化，且NO2-N作為氮素吸收的主要形式時(shí)，可出現(xiàn)NO3-N、NH4-N消耗率為負(fù)而營(yíng)養(yǎng)液總氮消耗量為正的情況.但是，NO2-N作為植物可利用的氮素形態(tài)之一，其濃度過(guò)高時(shí)，將對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用.

2.3 氮素的消耗速率與葉片硝酸鹽積累

圖2 不同形態(tài)氮素的消耗速率

不同換液方式下生菜生長(zhǎng)各階段各形態(tài)氮素消耗速率的比較結(jié)果如圖2所示.由圖2可見，所有換液方式各形態(tài)氮素消耗最大速率均出現(xiàn)在生菜移栽后的第一生長(zhǎng)階段，而生菜生長(zhǎng)的第二階段是NO3-N吸收速率最低的時(shí)期，該結(jié)果與Albornoz等[9]的研究具有一定的相似性.各換液方式在生長(zhǎng)第一階段的NO3-N消耗速率相近.方式1氨氮消耗速率變化不大.NO3-N 消耗會(huì)導(dǎo)致H+的消耗，NH4-N消耗會(huì)釋放H+，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)液pH出現(xiàn)降低與升高的波動(dòng).本研究3種不同換液方式中，栽培生菜的葉片硝酸鹽含量分別為：1 814，2 092和3 241 mg/kg.其中，方式3生菜的硝酸鹽含量已超過(guò)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18406.1—2001《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量——無(wú)公害蔬菜安全要求》.因此，方式3雖然在營(yíng)養(yǎng)液使用量方面較節(jié)約，但其循環(huán)供液方式造成氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化，降低了植物對(duì)氮素的有效利用，導(dǎo)致栽培生菜硝酸鹽超標(biāo).此外，蔬菜對(duì)硝氮的吸收速率過(guò)快，超過(guò)硝氮在植物體內(nèi)向氨氮轉(zhuǎn)化的速率，也可能造成硝酸鹽積累.但本研究結(jié)論表明，營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)使用造成的生長(zhǎng)中后期硝氮供應(yīng)不足對(duì)生菜氮素有效吸收利用同樣存在較大的影響.

3 結(jié)論

(1) 生菜移苗后21～30 d，營(yíng)養(yǎng)液氮素特別是硝氮，消耗較少，而消耗氮素的銨硝比例提高，因此，該階段采用的配方中可適當(dāng)降低硝氮比例或提高氨氮比例，滿足植物需求.

(2) 隨營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)使用的時(shí)間延長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)液中不同形態(tài)氮素間存在明顯的相互轉(zhuǎn)化，并可能出現(xiàn)濃度不同的NO2-N.

(3) 消耗的NO3-N存在植物吸收、形態(tài)轉(zhuǎn)化等多個(gè)去向，因而僅以硝氮計(jì)量營(yíng)養(yǎng)液氮素?fù)p失率并不能全面反映營(yíng)養(yǎng)液被植物利用的效率.

(4) 除氮素吸收速率對(duì)植物硝酸鹽積累存在影響外，生長(zhǎng)中后期硝氮供應(yīng)不足對(duì)植物體內(nèi)氮素的有效轉(zhuǎn)化同樣存在較大影響.

三種換液方式對(duì)比，定期完全更換營(yíng)養(yǎng)液的方法對(duì)降低蔬菜產(chǎn)品硝酸鹽含量，提高植物氮素吸收、轉(zhuǎn)化效率仍然最有利，但基于該方法會(huì)產(chǎn)生大量廢液，剩余營(yíng)養(yǎng)液的再利用研究對(duì)提高蔬菜無(wú)土栽培生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，降低廢液排放可能造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義.

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(責(zé)任編輯：方 林)

Effect of replacing nutrient solution mode on nitrogen utilization for aeroponic lettuce

BI Fei1，2， ZHANG Lei1，2， YAO Ning-ning1，2， Chabite1，2， YU Hai-ye1，2

(1.College of Biological and Agricultural Engineering， Jilin University， Changchun 130022， China；2.Key Laboratory of Bionic Engineer， Ministry of Education， Jilin University， Changchun 130022， China)

In this paper，LactucasativaL.var.ramosaHort. is selected as the object， and different modes of replacing nutrient solution are adopted to study the nitrogen utilization. Results show that nitrogen， especially nitrate nitrogen (NO3-N) in the nutrient solution is less consumed， while the consumed ammonia nitrogen (NH4-N) to NO3-N ratio is increased from 21 to 30 days. Therefore， NO3-N should be appropriately reduced or NH4-N be appropriately increased in the formula at this stage to meet plant demand and save fertilizer. The longer nutrient solution is recycled， more obvious nitrogen form transformation is discovered， and the different concentration of nitrite nitrogen (NO2-N) is appeared in the nutrient solution. It is not sufficient to reflect the plant utilization of nutrient solution based solely on the loss rate of nitrogen. In addition， absorption rate of nitrogen， inadequate supplies of nitrate nitrogen at the middle and the latest stage of growth also have great influence on effective absorption and utilization of plant nitrogen. Replacing complete nutrient solution is the most favorable to reduce the nitrate content in vegetable products and improve plant nitrogen uptake and conversion. But it will produce large waste liquid.

aeroponic cultivation；nutrient solution；lettuce；nitrogen

1000-1832(2015)04-0133-04

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.028

2015-01-07

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題(2013AA103005-04)；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2014ZX07201011).

畢菲(1987—)，女，碩士研究生；通訊作者：張蕾(1979—)，女，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境研究.

X 322 [學(xué)科代碼] 610·3010

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