腐植酸对水培生菜产量和水分及养分利用的影响

李兴杰，李志军，胡笑涛，杨 鑫(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

近年来，随着我国的经济、文化等各方面的快速发展，农业的发展更是面临着人口、资源、环境、食品安全的巨大压力和社会需求不断上升的严峻挑战。无土栽培作为一种现代化农业高新技术，表现出广阔的发展前景和巨大的开发潜力，它不受地理、气候等自然条件影响，作物生长周期短、污染少，土地利用率和作物产量可达露天生产的数倍甚至几十倍[1]。营养液的配制是无土栽培的核心技术之一，营养液的组成和浓度直接影响作物生长发育的速率[2]。传统的营养液配方大体可分为两个发展阶段，第一个阶段是如Hoagland、日本山崎等著名的纯无机营养液配方；第二个阶段是在纯无机营养液基础上添加有机成分设计出的高级的无机-有机营养液[3]。

腐植酸(Humic acid,HA)，是由动植物残体经过微生物的分解和合成以及地球化学的一系列过程形成的由芳香族及其多种官能团构成的天然有机高分子聚合物[4]。腐植酸作为自然界中广泛存在的大分子有机物质，广泛应用于农、林、牧、石油、化工等各大领域。当今农业环境污染与食品源头安全问题已经成为全球关注的焦点，腐植酸与食品源头中的土壤、肥料、农药、水等密切相关[5]。对我国进行生态农业建设、无公害农业生产、绿色食品、无污染环保食品生产具有重大意义。

已有大量研究表明，腐植酸凭借其独特的生化特性，能使土壤中速效氮和速效钾的含量有所提高，改善了小白菜、番茄、葡萄、甘薯等作物的矿质营养条件，提高了作物产量[6-9]。但用无机-腐植酸复合营养液栽培作物鲜有研究，且集中在对产量和品质的影响，未涉及到对作物水分及养分利用的作用效应。必须考虑到土壤栽培和无土栽培的不同之处，将腐植酸添加到无机营养液中，排除土壤、微生物等干扰因素，在前人研究的基础上探讨腐植酸的作用效应。

在山崎配方中添加不同浓度的腐植酸，探讨腐植酸对生菜产量、水分养分利用的影响，为腐植酸在水培领域的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验环境与材料

试验于2015年4-5月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室人工光植物工厂里进行，试验过程中控制温度为19～23 ℃，光照强度为2 500 Lx，光照时间为12 h/d。

供试品种为香港玻璃脆散叶生菜。腐植酸钠，化学纯，黑色粉末，易溶于水，上海阿拉丁化工公司生产。其重要参数如下：水溶HAd%：56.4%；干燥失重：23.2%；灰分：21.5%；pH:9.9；电导率：1.63 mS/cm；总氮：0.14 mg/g；钾：0.63 mg/g；钙：0.08 mg/g；镁：0.41 mg/g。

1.2 试验设计

1.2.1营养液处理

试验无机营养液采用日本山崎配方营养液[10]，大量元素含量为：Ca(NO3)2·4H2O：236 mg/kg，KNO3：404 mg/kg ，MgSO4·7H2O：123 mg/kg，NH4H2PO4：57 mg/kg，微量元素采用通用配方[10]，其中EDTA-NaFe含量为40 mg/L。以日本山崎配方营养液为对照(CK)，在此基础上添加不同浓度的腐植酸(将腐植酸钠浓度折合成纯腐植酸)，共设置6个试验处理：A: 对照，山崎全营养液； B: 山崎+0.28 mg/g 腐植酸； C: 山崎+0.56 mg/g腐植酸； D: 山崎+0.84 mg/g腐植酸；E:山崎+1.13 mg/g腐植酸；F:山崎+1.41 mg/g腐植酸。

1.2.2育苗与管理

采用育苗移栽方式，2015年4月16日生菜长出4～5叶时，清水洗净根部后用海绵包裹定植于水培箱上，水培箱内径规格为：28.5 cm×23 cm×15 cm，试验开始时每个水培箱中营养液为7 L，每箱3株，每个处理设置6只培养箱，开始试验处理，并用1 mmol/L的H2SO4或者1 mmol/L的NaOH调节营养液的pH至5.5～6.5(适宜生菜生长的pH值范围)，此后不再调节营养液的pH，生长中后期利用充气泵供氧，处理后40 d收获生菜。

本试验采用的营养液浓度较低，营养液全部用盖板遮住，每次取样用营养液较少，故蒸发和取样造成的营养液减少可忽略不计。因而，测定营养液质量的减少量即可认为是生菜的消耗水量，营养液中矿质元素的减少量即可认为是生菜的吸收元素量。

1.3 测定项目与方法

试验处理后，每10 d分别从3只水培箱中各取一株共3株长势相近的生菜，将地上部分和地下部分分开取样，测量生菜的根及叶片鲜质量和干质量。采用精确度为0.01 g的电子天平称量各自鲜重，采用精确度为0.001 g的电子天平测得生菜各部分干重。

试验处理后，每5 d从其中3只水培箱中取1次营养液，每次取营养液50 mL，测定营养液中氮、磷、钾、钙和镁浓度，并称量营养液的质量。在营养液水分和养分方面，使用精度为1 g的电子天平称取营养液重量；总氮浓度采用过硫酸钾消煮法测定,总磷浓度采用钼酸铵分光光度法测定，金属元素钾、钙、镁浓度都用原子吸收分光光度法[11]测定。

根据生菜阶段干物质积累量和耗水量计算水分利用效率(WUE)[12]

(1)

式中：WUE为水分利用效率，g/L；Y为生菜干物质重，g；TET为耗水量，L。

生菜矿质元素利用效率(NUE)[13]采用式(2～4)计算：

(3)

NUE=YNER

(4)

式中：NUP为植株矿质元素吸收量，mg/株；NC为矿质元素浓度，mg/L；h为营养液水深，cm；S为水培箱底面积，cm2；NUE为植株矿质元素利用效率，g/g。

试验数据处理采用EXCEL软件进行一般计算和作图，统计分析采用SPSS17.0软件，LSD法(P<0.05)进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 腐植酸对生菜产量的影响

生菜地上部分和根干鲜重随着腐植酸添加浓度的增加逐渐增大，均在腐植酸浓度为1.41 mg/g时达最大，如表1所示。在腐植酸浓度为1.41 mg/g时，生菜的地上鲜重显著高于对照组和0.84 mg/g腐植酸处理，分别高出52.3%和13.7%。生菜在1.13 mg/g腐植酸处理下，地上鲜重和根鲜重分别比1.41 mg/g处理下降3.72%和5.68%。增加腐植酸浓度，生菜地上干重和根干重逐渐增加，在腐植酸浓度为1.41 mg/g时，生菜地上干重和根干重分别比对照组明显增加87.2%和43.7%，促进生菜的生长。这4个指标在0.28 mg/g腐植酸处理和对照组之间差异均不显著，这可能是腐植酸酸添加浓度小，尚未充分发挥其增产效应的原因。

表1 腐植酸对水培生菜产量的影响Tab.1 Effects of humic acid on the output of hydroponic lettuce

2.2 腐植酸对生菜水分利用的影响

在生菜的整个生育期内，不同腐植酸浓度处理对生菜干物质积累和水分的消耗产生不同的影响，各生育阶段每消耗1L水积累的干物质量(即水分利用效率)，如图1所示。从图1可以看出，不同腐植酸浓度处理的生菜，其在不同生长期对水分消耗的变化规律基本相同，都随着水培天数的延长，水分利用效率逐渐增大。其中，1.41 mg/g腐植酸处理在生菜生育后期的水分利用效率增幅分别为前两个阶段的3.4倍、2.3倍。对照组和0.28 mg/g腐植酸处理下的水分利用效率变化基本相同，在0.56～1.41 mg/g腐植酸浓度下，随着腐植酸浓度的增加，生菜各生长阶段水分利用效率都逐渐增大，收获时各处理水分利用效率分别为对照组的134%、179%、196%、233%。

图1 不同腐植酸浓度处理的生菜水分利用效率的变化Fig.1 Vartation of WUE by lettuce when treated with different humic acid concentration

2.3 腐植酸对生菜养分利用的影响

2.3.1腐植酸对生菜矿质元素利用效率的影响

腐植酸培养40 d后，由营养液中矿质元素的含量和干物质含量计算出全生育阶段5种主要矿质元素利用效率如表2所示。从表2可知：随着腐植酸添加浓度的增加，生菜对氮、磷、钾、钙、镁元素的利用效率提高，当腐植酸添加浓度为1.41 mg/g时，各元素的矿质元素利用效率均达到最大，各元素利用率分别显著高于对照55.84%、69.71%、74.08%、51.14、70.93%。生菜对磷和钙的利用效率较高，对氮和钾元素的利用效率较低。

表2 不同腐植酸浓度下水培生菜矿质元素利用效率 mg/kgTab.2 Use efficiencies of mineral elements of hydroponic lettuce under different humic acid concentrations

2.3.2腐植酸对氮、磷含量动态吸收的影响

从图2(a)可以看出，生菜对氮元素动态吸收趋势来看，腐植酸浓度对生菜氮元素吸收量的影响不显著，各腐植酸浓度处理对营养液氮元素吸收的规律相似，各阶段的吸收量差别不大，营养液中总氮量在生菜定植后10～20 d和采收前10 d剧烈下降，该时段吸收氮元素量较多，这两个时段生菜总氮吸收量占全生育期氮吸收量的66%，平均每天生菜吸收为11.17 mg/L，这两个阶段是生菜需氮量最大的时期。

从图2(b)可以看出，腐植酸对生菜磷元素吸收量的影响显著，定植初期，随着腐植酸浓度的增大，营养液中磷元素的含量减少，这可能是由于腐植酸和磷肥进行络合的原因。在整个生育期内，定植后10 d和第20～30 d磷元素的降幅最小，这两个阶段吸收磷元素的量仅占全生育期吸磷量的11.36%，平均每天生菜吸收为0.20 mg/L。随着腐植酸浓度的增大，生菜全生育期营养液中磷元素含量逐渐减少，对照组磷含量变化最大，为7.17 mg/L。

2.3.3腐植酸对钾、钙和镁含量动态吸收的影响

从图2(c)可以看出，不同生育阶段不同腐植酸浓度下生菜吸钾量有一定的差异。定植初期吸钾量最少，除了1.41 mg/g腐植酸处理在采收前10 d吸钾量达到最大外，其他处理都在5月6日-5月16日这一时间段的吸收量最大，对照组、0.28、0.56、0.84、1.13、1.41 mg/g腐植酸的吸钾量分别达到总钾吸收量的39.97%、33.87%、45.02%、41.04%、42.03%和39.01%。生菜在后两个生育阶段吸收量最大，占总吸钾量的69.21%。

从图2(d)可以看出，腐植酸浓度处理营养液中钙的变化很显著，整个生育阶段，随着腐植酸浓度的升高，营养液中钙元素含量逐渐减少。随着生菜生长日期的延长，营养液中钙含量呈现先减小后增加的趋势，在5月6日营养液中钙量最少。这可能与腐植酸的络合作用以及根系分泌物有关。

从图2(e)可以看出，腐植酸浓度处理下的营养液中镁的含量变化很显著，整个生育阶段，随着腐植酸浓度的升高，营养液中镁含量逐渐减少。且随着生菜生长日期的延长，营养液中镁元素含量不断增加，在收获时营养液中镁含量最高，这说明各生育阶段生菜吸收的钙都比根系释放的多。

图2 不同腐植酸浓度处理的营养液的氮、磷、钾、钙、镁浓度的动态变化Fig.2 Danamics of N,P,K,Ca,Mg concentrations of nutrient solution under different different humic acid concentrations

3 讨 论

生菜产量与腐植酸生理活性是密切相关的，其作用机理比较复杂[14,15]。腐植酸能够促进植株生长，提高作物产量，与高家合和赵日明等研究一致[16,17]。本试验表明，随着腐植酸浓度的增加，生菜地上和地下部分干鲜重逐渐增大，腐植酸浓度为1.41 mg/g时，获得最大产量，叶鲜重为47.71 g/株。周崇峻[18]等研究表明，在山崎配方中添加1.16～3.48 mg/g浓度的腐植酸可以显著增加生菜的商品生物量和根重，与本试验结论相同。

大量研究表明，腐植酸能够提高作物光合作用，同时能够缩小叶面气孔张开度、有效减少水分蒸腾，降低气孔阻力，进而提高水分利用效率[19,20]。本试验表明，在整个生育期中，随着水培天数的增加，生菜水分利用效率不断增大，随着腐植酸添加浓度的增加，生菜的水分利用效率逐渐增大，对无机养分的元素利用效率逐渐增大，每消耗1 L水积累的干物质量以1.41 mg/g腐植酸处理最多，且该处理的各元素利用效率最大。

腐植酸能有效促进作物对氮、磷、钾等元素的吸收利用，提高了矿质元素生产效率，提高了作物产量[21]。赵凤亮[22]等研究表明，施用适宜的腐植酸提高了氮素利用率，增加了油麦菜的生物量。但也有一些研究表明，添加腐植酸提高了肥料利用率，但对生菜的增产效果不明显[23]。本试验选用的腐植酸浓度较低，对各矿质元素动态吸收趋势的影响都不显著，其中，生菜对N和P的吸收能力比吸收Ca和Mg的能力强，且不同营养液处理，其吸收无机养分的能力不同。在整个生育期，营养液中的Ca和Mg含量有上升的趋势，这可能是根系分泌的有机物中这两者的含量大于了根系吸收养分含量的原因。

4 结 语

(1)腐植酸浓度在0～1.41 mg/g内，随着其浓度的增加，生菜地上部和地上下鲜干重随之增加。

(2)腐植酸能够提高生菜的水分利用效率。以1.41 mg/g腐植酸处理的水分利用效率最高。

(3)高浓度的腐植酸(1.41 mg/g)能够发挥增氮解磷促钾作用，能显著提高主要矿质元素利用效率。

(4)总体上，在生育后期，生菜吸收矿质元素较多，各处理间吸收矿质元素的规律基本一致。随着生菜的生长，营养液中氮、磷、钾含量逐渐减少，钙含量呈现先减少后增加的趋势，镁含量则逐渐增加，在1.41 mg/g时营养液中镁含量达到最大。

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