0 引言
【研究意义】土壤水分是作物生长发育、产量和品质形成的基础。在目前的农业生产中,灌溉是一种间歇式的灌水方式,非常容易产生湿害或干旱胁迫,导致作物减产、品质变劣[1]。负压灌溉是一种新型的节水灌溉技术,其基本原理就是将灌水器埋入土壤中,植物利用基质势（土壤吸力）主动从灌水器的水源中吸收水分,整个过程无需外界加水设备[2-5]。负压灌溉平稳地维持土壤水分状况,作物全生育期生长在适宜的水分和养分状态下进行,从而显著提高作物产量和品质[6-8]。进一步研究负压灌溉下最适供水压力及不同养分对作物生长的影响具有重要意义。【前人研究进展】钾是植物生长必需的三大元素之一,是60多种酶的活化剂,能有效调节植物细胞的水势和气孔的开闭,促进光合作用和光合产物的运输[9]。研究表明,钾肥不但能够增加作物产量,而且能够提高作物品质。在西瓜、茄子、菠菜、黄瓜、豆角、番茄、大白菜上施用钾肥均有明显的增产效果,平均增产（16.6±10.8）%,同时降低硝酸盐的含量[10-11]。施钾可以显著增加作物养分的吸收。棉花施钾量小于70 kg·hm-2,氮、磷吸收量随着钾施用量增加而增加,钾肥利用率也随之提高,过多的施用钾肥则养分吸收下降,钾肥利用率也下降[12-13]。研究表明,钾可以提高作物抗氧化酶活,施钾对作物SOD、POD抗氧化酶活也有一定效果,缺钾和过量施钾能导致油菜叶片SOD酶活下降,适量施钾则可以提高玉米SOD活性[14]。烟草感染烟草花叶病毒后,施钾处理中POD活性要显著高于没有施钾处理[15]。目前农业商品化的发展对农产品品质的要求越来越高,而钾肥的施用上存在较多问题,钾肥施用不够重视、钾亏缺等问题严重地限制了农产品品质的改善。尤其在蔬菜上,钾肥施用配比不当对农产品品质有较为显著的影响[16]。【本研究切入点】在负压灌溉中添加营养液使负压灌溉系统成为一种持续的供水供肥系统,植物生长在一个稳定的适宜的养分水分环境中。小油菜,又称油白菜或小白菜,是十字花科植物油菜的嫩茎叶,属十字花科白菜变种。目前关于不同钾水平在负压灌溉下对小油菜生长影响未见报道,因此进一步研究不同钾水平在负压灌溉下对小油菜的影响有重要意义。【拟解决的关键问题】本试验以小油菜为研究对象,研究负压灌溉下不同钾水平对小油菜产量、品质及养分吸收的影响,探索小油菜负压灌溉下菜最适施用钾水平,为负压灌溉下小油菜合理施肥提供科学依据。1 材料与方法
1.1 试验装置
1.1.1 水分运移试验装置 试验采用长25 cm,宽2 cm,高60 cm的平面式土箱,观测水分在垂直方向上的运动情况。储水器内径为10 cm,负压发生器利用电磁阀和数显开关来控制压力,灌水器陶土头长25 cm,外径1.8 cm,固定在距土箱顶部20 cm处。1.1.2 室外负压灌溉试验装置 本试验采用负压灌溉水肥一体化供水供肥（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所专利,ZL201110093923.2）,由负压数显开关控制,装置由供肥桶和供水桶组成,中间由三通连接,负压值在换水换肥中不受到影响,保证了在生长过程中负压值的稳定。
1.2 试验设计
1.2.1 室内土柱运移试验 室内土壤水分运移试验于2015年7月在中国农业科学院农业资源与农业区划研究所实验室完成。试验设置0、-5、-10、-15 kPa 4个不同压力水平,记录累计入渗量、湿润锋运移情况和最大垂直湿润距离,并测其运移到土箱底端的土壤含水量。采集山东耕层（0—20cm）黏壤土（潮土）进行试验,土壤经过风干挑选出杂物后过2mm孔径筛,土壤的理化性质如表1。1.2.2 田间盆栽试验 在中国农业科学院网室内进行田间盆栽试验。供试土壤为山东耕层（0—20 cm）黏壤土。土壤经风干挑选出石粒等杂物,并过2 mm孔径筛,基本理化性质见表1。供试作物为小油菜,品种为华绿。
Table 1
表1
表1土壤理化性质
Table 1Soil physical and chemical properties
| 土壤质地 Soil texture | 容重 Bulk density (g·cm-3) | 有机质 Organic matter (mg·kg-1) | 有效磷 Olsen-P(mg·kg-1) | 全氮 Total nitrogen (g·kg-1) | pH | 黏粒 Clay content (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 黏壤土 Clay loam | 1.68 | 7.44 | 16.67 | 0.53 | 6.52 | 32.09 |
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试验以负压灌溉水肥一体化进行,共设置5个钾处理,分别为无钾（K0）、1倍钾（K1,150 kg·hm-2）、1.5倍钾（K1.5,225 kg·hm-2）、2倍钾（K2,300 kg·hm-2）、3倍钾（K3,450 kg·hm-2）,3种肥料为尿素,磷酸二铵,硫酸钾,肥料配方详见表2。每个处理重复3次,随机区组排列。根据室内土柱运移试验结果,田间盆栽试验负压值设定值为（-5±1）kPa。
Table 2
表2
表2不同钾水平试验设计（负压设定为（-5±1）kPa）
Table 2Experimental design of different potassium levels (negative pressure (-5 ± 1) kPa)
| 处理 Treament | 肥料配比 Fertilizer ratio | 钾施用量 Potassium application (kg·hm-2) |
|---|---|---|
| K0 | N:P:K(10:5:0)+M | 0 |
| K1 | N:P:K(10:5:10)+M | 150 |
| K1.5 | N:P:K(10:5:15)+M | 225 |
| K2 | N:P:K(10:5:20)+M | 300 |
| K3 | N:P:K(10:5:30)+M | 450 |
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试验播种前,将土壤装入长41.5 cm,宽26 cm,高26 cm的塑料盆,每盆装土28 kg。肥料移栽后分四次随水施入,每次施入量分别为15%,30%,30%,15%,水溶性肥料施肥浓度为0.15%。小油菜于2015年8月14日播种,每盆8颗,两叶一心期移栽,于2015年9月30日收获,生长期46 d。小油菜生长期间的松土、病虫害防治等其他管理措施参照常规的油菜管理措施。
1.3 样品采集及测定方法
1.3.1 产量、品质及养分吸收的测定 收获时测定每盆产量（鲜重）,之后用冰盒将新鲜植株样品带回实验室测定植株硝酸盐、可溶性糖及维C。维生素c含量测定采用2,6-二氯酚靛酚法,硝酸盐含量测定用水杨酸比色法,可溶性糖的测定用蒽酮比色法。将烘干的植株样品磨碎并过0.25 mm筛,采用半微量凯氏法测定全氮含量,钼锑抗比色法测定全磷含量,原子吸收分光光度法测定全钾含量[5]。
各施肥处理吸氮（磷、钾）量=各施肥处理植株干重×植株全氮（磷、钾）量;钾肥贡献率（K contribution rate,KCR,%）=（施钾区产量-无钾区产量）/施钾区产量×100[17];钾肥农学利用率（K2O agronomic efficiency,KAE,kg·kg-1）=（施钾区产量-无钾区产量）/施钾量;钾肥吸收利用率（K2O recovery efficiency,KRE,%）=（施钾区植株总吸钾量-无钾区植株总吸钾量）/施钾量×100。
1.3.2 抗氧化酶的测定 酶液提取：1 g样品放入预冷的研钵中,分次加入4 mL 的0.05 mol·L-1,pH 7.0的磷酸缓冲液（内含1%PVP、1mmol·L-1 EDTA少许）,加入少量石英砂,在冰浴中研磨成匀浆,放入离心管。匀浆液于4℃下低温离心机10 000 r/min,离心20 min,取上清液保存于-80℃冰箱备用。上清液供以下项目测定。
超氧化物歧化酶（SOD）：吸上述酶液25 μL,加入3.9 mL 反应液（50 mmol·L-1,pH 7.8磷酸缓冲液,内含77.12 μmol·L-1 NBT,0.l mmol·L-1 EDTA,13.3 mmol·L-1 蛋氨酸）和0.1 mL核黄素（80.2 μmol·L-1）。混匀后,在4 000 Lx日光下反应20 min,以缓冲液代替酶液为对照,以不照光为空白,测定样品在560 nm处的吸光度。以抑制NBT光化还原的50%为一个酶活性单位（U·g-1·FW）。
过氧化物酶（POD）活性：取酶液50 μL于试管中,与2.9 mL含18 mmol·L-1愈创木酚的磷酸缓冲液（0.1 mol·L-1,pH5.8）混合,在30℃水浴保温1 min后,加入50 μL 2.5%的（V/V）H2O2开始酶反应,于470 nm波长下比色,以相同体积缓冲液为空白对照。POD活性以每分钟减少0.01个A值所需的酶量为一个活性单位（U）,酶的活性以（U·g-1·min-1 FW）表示。
苯丙氨酸裂解酶（PAL）活性：吸1 mL L-苯丙氨酸（0.02 mol·L-1）和2 mL Tris-H2SO4缓冲溶液 （0.05 mol·L-1,pH 8.8）置于试管中,另取一支试管加3 mL Tris-H2SO4缓冲溶液作为空白,置30℃水浴保温3 min（每一样品重复2组）。在各试管中加入0.5mL待测酶液,摇匀后（以空白做参比）立即在紫外分光光度计290 nm波长下测定起始OD值,并精确计时。将测定后的各试管放入30℃水浴保温反应至30 min,再次测定各管的OD值。酶的活性以（U·g-1·min-1 FW）表示。
多酚氧化酶（PPO）活性：取酶提液0.2 mL加入2.8 mL含0.02 mol·L-1邻苯二酚的磷酸缓冲液（0.1 mol·L-1,pH 6.8磷酸缓冲液）混合。于30℃水浴反应 2 min后,记录398 nm处的吸光度,以相同体积提取缓冲液为空白对照。以每分钟OD398值变化0.01为1个酶活性单位U,酶的单位以（U·g-1·min-1 FW）表示。
1.4 数据处理与分析
采用Microsoft Excel 2003和SAS9.0软件进行数据分析。湿润锋运移情况通过定时拍照并利用GetData. Graph.Digitizer软件处理照片取得。2 结果
2.1 不同负压下黏壤土最佳供水压力确定
在不同负压水平下累计入渗量Q随时间t的变化如图1所示。压力值越大,水分运移到底部所需的入渗量越小,0 kPa为1 083 mL,-5 kPa为871 mL,-10 kPa为722 mL,-15 kPa为614 mL。不同负压水平下最大垂直湿润距离Z随时间t的变化如图2所示,压力值越大,Z随时间增加的幅度越小;相同时间内,压力值越大,最大垂直湿润距离Z越小。不同负压水平下的土壤含水量如表3所示。从表中可看出,随着压力值的增加,土壤含水量呈减小趋势。供水压力范围为-5—-10 kPa时土壤含水量均值为18.13%—22.45%,黏壤土田间持水量为25%左右,而小油菜、小白菜等蔬菜最佳土壤含水量为田间持水量的85%,因此土壤含水量在20%左右适合小油菜生长[19],因此供水压力范围为-5—-10 kPa时为最佳含水量。Table 3
表3
表3黏壤土不同负压水平下的土壤含水量
Table 3Soil moisture content under different negative pressures in different soil layers (%)
| 负压 Negative pressure | 土层 Layer (cm) | |||
|---|---|---|---|---|
| 0-20 | 20-40 | 40-60 | 均值 | |
| 0 kPa | 30.53a | 30.67a | 24.36a | 28.52a |
| -5 kPa | 24.25b | 22.87 b | 20.24 b | 22.45 b |
| -10 kPa | 18.01c | 19.76 c | 16.61 c | 18.13 c |
| -15 kPa | 16.05d | 16.16 d | 14.01 d | 15.4 d |
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2.2 不同钾水平对小油菜产量和品质的影响
图3表明,施用相同氮磷量条件下,适量增施钾肥能够显著提高小油菜产量,1.5倍钾处理比1倍钾提高产量16.9%。2倍钾产量与1倍钾相比无显著差异,3倍钾产量显著低于1倍钾。施用相同氮磷量条件下,施钾显著提高对小油菜可溶性糖含量影响,其中1倍钾小油菜可溶性糖含量最高,1.5倍钾小油菜可溶性糖最低。施钾能够显著降低硝酸盐含量,1.5倍钾肥处理硝酸盐含量比1倍钾处理低26.3%,2倍钾处理和3倍钾处理之间则无显著差异,施钾对小油菜维C含量则无显著影响（图4）。
2.3 不同钾水平对小油菜养分吸收的影响
1.5倍钾处理小油菜植株吸收氮、钾的含量显著高于其他钾处理,比1倍钾处理分别高15.8%、76.3%,但磷的量低于1倍钾处理。3倍钾吸收氮量要小于2倍钾吸收氮量,表明增施适量钾有助于作物吸收养分,过量施钾则无助于养分吸收（表4）。Table 4
表4
表4不同钾水平对小油菜养分含量的影响
Table 4Effects of different potassium levels on nutrient uptake (mg·kg-1)
| 处理 Treatment | 氮 N | 磷 P | 钾 K |
|---|---|---|---|
| K0 | 257.09c | 56.95 b | 90.99 d |
| K1 | 328.44 b | 71.87 a | 161.87 c |
| K1.5 | 380.75 a | 64.42 ab | 284.64 a |
| K2 | 313.00b | 50.16 b | 217.99 b |
| K3 | 265.15 c | 51.84 b | 218.06 b |
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2.4 不同施钾量对小油菜钾肥利用率的影响
研究结果表明,不同施钾量显著影响钾肥贡献率、钾肥农学效率及钾肥吸收利用率,1.5倍钾处理能显著提高钾肥贡献率,比1倍钾提高了173.32%。与1倍钾处理相比,2倍钾处理钾肥贡献率变化不显著,3倍钾则显著降低了钾肥贡献率。不同施钾量处理的钾肥农学效率不同,1.5倍钾能够显著提高钾肥农学效率,比1倍钾提高83.9%,2倍钾和3倍钾处理钾肥农学效率显著低于1倍钾,表明适量增施钾肥能显著提高钾肥农学效率和钾肥贡献率,过量施钾反而会降低钾肥贡献率（表5）。Table 5
表5
表5不同钾水平对小油菜钾肥利用率的影响
Table 5Effects of different potassium levels on the utilization ratio of potassium fertilizer
| 处理 Treament | 钾肥贡献率 K contribution rate (%) | 钾肥农学利用率 K2O agronomic efficiency (kg·kg-1) | 钾肥吸收利用率 K2O recovery efficiency (%) |
|---|---|---|---|
| K1 | 7.72b | 41.17b | 56.25b |
| K1.5 | 21.11a | 75.71a | 88.42a |
| K2 | 10.63b | 23.59c | 40.64bc |
| K3 | -4.22c | -5.24d | 31.27c |
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2.5 不同施钾量对小油菜抗氧化酶活性的影响
研究结果表明,施钾可以显著提高小油菜抗氧化酶活和抗氧化物质表达,K1处理POD、SOD酶活比K0提高69.8%和93%。与1倍钾相比,1.5倍钾显著提高了POD、SOD、PPO、PAL表达量,但类黄酮和总酚表达与1倍钾处理无显著性差异。2倍钾处理比1倍钾显著提高了POD、SOD、PPO含量,其他抗氧化物质则无显著性差异。3倍钾处理抗氧化酶活显著低于1.5倍钾和2倍钾处理,表明只有适量增施钾肥才能提高小油菜抗氧化酶活及抗氧化物质表达（表6）。Table 6
表6
表6不同钾水平对小油菜抗氧化酶活的影响
Table 6Effects of different potassium levels on the activities of antioxidant enzymes
| 处理 Treament | 过氧化物酶 POD (U·h-1·g-1·FW) | 超氧化物歧化酶 SOD (U·h-1·g-1·FW) | 多酚氧化酶 PPO (U·h-1·g-1·FW) | 苯丙氨酸裂解酶 PAL (U·h-1·g-1·FW) | 类黄酮 Flavonoid (mg/100g) | 总酚 Total phenol (mg·g-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| K0 | 6.77c | 0.86c | 2.07b | 0.18c | 1.58b | 3.08ab |
| K1 | 11.50b | 1.61b | 2.88b | 0.48b | 2.84ab | 4.06a |
| K1.5 | 25.00a | 2.47a | 3.80a | 0.75a | 3.87a | 4.76a |
| K2 | 21.28a | 2.34a | 3.25a | 0.47b | 2.98ab | 3.75ab |
| K3 | 17.52b | 1.56b | 2.50b | 0.21c | 1.55b | 2.77b |
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3 讨论
3.1 黏壤土负压灌溉中最适供水压力的确定
负压灌溉装置能够持续、缓慢的供水,将土壤的含水量保持于一个较为稳定的状态[18-20]。负压灌溉下作物的最适供水压力影响因素包括不同作物、不同土壤类型等。研究表明,负压灌溉下小麦苗期的最佳压力为-（8—10）kPa,菠菜为-（2—4）kPa,大豆为-（5—7）kPa,番茄-（4—7）kPa,观赏辣椒-（5—7）kPa [21-23],黄瓜潮土下为-（3—5）kPa [24]。本研究结果表明黏壤土条件下,-5 kPa时土壤含水量为22%左右,-10 kPa为18%左右,初步得出小油菜最适供水负压为-（5-10）kPa,较适合小油菜的生长。负压灌溉水肥一体化是一种较好供肥方式,主要原因在于常规灌溉的营养液存在过多或过少的问题,过少不能满足植株生长,过多又会对植株产生伤害。负压灌溉水肥一体化能很好地解决这个问题,植株生长与养分供应处于一个平衡的状态[25-26]。
3.2 负压灌溉下不同钾水平对作物产量、品质及养分吸收的影响
钾是作物生长必需的大量营养元素之一,施钾可以显著的增加作物产量,改善作物品质,缺钾会限制作物的生长[16]。但钾肥的施用有一定的阈值,本研究的结果表明,施钾可以显著增加小油菜的产量,当钾肥用量为1倍和1.5倍钾时,施钾能显著增加油菜产量;当钾肥用量为2倍钾时,产量没有显著增加,当钾肥用量为3倍钾时,产量随钾肥用量增加而下降。因此,在负压灌溉设定压力为-5 kPa条件下,施钾量为1.5倍钾左右时,为最佳施钾量。前人研究结果表明,适量的施钾可以显著增加作物养分的吸收。如小麦施钾量小于90 kg·hm-2时,增施钾肥可以显著增加养分吸收,但超过90 kg·hm-2则养分吸收不再增加,而施钾量小于135 kg·hm-2时,吸氮量随钾肥施用量的增加而增加,超过135 kg·hm-2氮吸收量下降[13]。本研究的结果表明,小油菜施钾可以显著提高植株氮、磷和钾素的吸收,但当施钾量达到一定水平后,氮、磷和钾的吸收则保持稳定。而钾肥利用率及钾肥农学效率研究结果表明,施钾量为1.5倍钾以内,钾肥利用率及钾肥农学效率随着钾的施用量的增加而增加,2倍钾和3倍钾的钾肥利用率和钾肥农学效率显著下降。
许多研究表明,施钾不仅可以提高作物的生长指标,更可以提高作物的品质,提高作物的含糖量,降低硝酸盐含量。玉米和小麦的研究结果表明,适量施用钾肥,作物的可溶性糖含量随着钾肥的用量增加而增加,过量的钾肥则有着相反的效果。本研究结果也表明,增施钾肥能够显著提高油菜的品质,这与前人研究结果一致。原因可能在于施钾 可以提高作物蔗糖磷酸合成酶（SPS）及籽粒的蔗糖合成酶（SS）和磷脂酸磷酸酯酶活性,促进糖代谢[27-29]。
大量研究表明,钾可以提高作物抗氧化酶活。施钾可以提高作物植株内酚类物质的含量,如在油菜上施钾可以提高植株内酚类物质的含量[30]。施钾可以提高酚类物质代谢中关键酶PAL的活性,烟草施钾处理后,烟草植株内PAL活性持续高于不施钾处理[29]。施钾也可以提高PPO酶活,PPO可以促进细胞木质化,能够提高作物抗病能力。在橡胶上增施钾肥可以提高橡胶PPO活性,降低橡胶流胶病的感染[31]。本研究结果也表明,施钾后小油菜抗氧化酶活显著增加,酚类物质活性也显著增加。适量增施钾肥后,抗氧化酶活活性也显著增加,但过量施钾,酶活并没有显著增加,反而有所下降。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1黏壤土不同压力水平下累积入渗量随时间的变化
-->Fig. 1Cumulative filtration with time under different pressures
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2黏壤土不同压力水平下最大垂直湿润距离随时间的变化
-->Fig. 2Maximum vertical wetting distance with time under different pressure
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同钾水平对小油菜产量的影响
-->Fig. 3Effect of different potassium levels on fresh weight of bok choy
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同钾水平对小油菜品质的影响
-->Fig. 4Effects of different potassium levels on the quality of bok choy
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4 结论
本研究表明,负压灌溉下施钾可以提高油菜产量,改善油菜品质,提高钾肥利用率,促进油菜抗氧化酶表达,但施钾量并不是越多越好,适量增施钾肥才能达到最佳效果,本研究表明,1.5倍钾（225 kg·hm-2）处理效果最好,超过1.5倍钾肥,产量有所下降。过量施钾（3倍钾）时,产量和钾肥利用率则显著下降,因此,在负压灌溉设定压力为-5 kPa条件下,1.5倍钾肥（225 kg·hm-2）处理为小油菜最佳施钾量。The authors have declared that no competing interests exist.
