CN109856323B - 一种确定生菜不同生长阶段生态化学计量比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定生菜不同生长阶段生态化学计量比的方法，属于设施栽培中养分调控和高效利用技术领域。基于所得结果可对生菜生长过程中氮磷养分的施用进行动态的总量和比例调控，从而提高养分的使用效率，提高生菜的产品品质。其主要过程包括：选取生菜叶龄累计进度代表其生长速率指标，根据所绘制的其“S型”累计增长曲线的拐点，确定生菜生长过程中的“慢‑快‑慢”三个生长阶段，分别测算各个生长阶段生菜的生态化学计量比，随后对所得结果进行生态化学计量学特征符合性验证，确保所得结果的科学性，进而可对生菜的施肥管理进行动态调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种确定生菜不同生长阶段生态化学计量比的方法，属于设施栽培中养分调控和高效利用这一技术领域。
背景技术
生态化学计量学是研究生态系统能量平衡和多重化学元素平衡的科学，植物体内碳(C)、氮(N)和磷(P)含量及其相互比值(N:P、C:N和C:P，即生态化学计量比)可作为判断植物生长对营养供给适应状况的指标。内稳态假说和异速生长假说是构建生态化学计量学的两个重要理论基石。其中，内稳态假说认为：生物在不同的环境中具有维持体内化学元素组成和含量相对稳定的能力，化学元素组成和含量随外部环境的改变并不保持恒定或剧烈变化，而是在相对狭窄的范围内保持稳定；异速生长假说认为：生物在整个生育期内均呈异速生长，生长速率的变化必须依赖于其自身C、N、P等元素间比值的变化，它通常与体内的N:P、C:P呈负相关，而与P含量呈显著的正相关。基于以上两理论，作物养分调控过程中则需遵循以下两个原则：一是养分的供给量只需满足维持作物体内养分元素组成和含量稳定的下限，二应根据作物生长速率的快慢节奏的转变而调整不同养分的供给比例。而遵循以上两原则的前提则是首先确定作物处于不同生长阶段(主要指生长速度快慢的阶段)体内具有稳态特征的生态化学计量比，即C:N、C:P和N:P。
生菜是菊科莴苣属莴苣种的1～2年生叶菜类蔬菜，因以生食为主，俗名生菜。因其具有营养价值高、口感清脆、食用方便和保健功效显著等特征，它已成为世界上最为普遍的蔬菜品种之一。生菜叶大、茎短、根浅但须根发达、喜肥喜水但不耐旱，生长期内需肥量较大。但若施肥过量则将造成生菜体内致癌物质硝酸盐和亚硝酸盐的含量增加，进而严重危害人们的身体健康。因此，进行生菜施肥的优化调控意义重大。作为典型的叶菜类蔬菜，无论在生物量积累还是叶龄增长积累，其积累过程均表现为明显的“S型”积累曲线，其生长速率相应表现出明显的“慢-快-慢”转变特征。因此，生菜不同生长阶段具有稳态特征的生态化学计量比应该是分别对应于前期慢速生长、中期快速生长和后期慢速生长三个生长阶段且具有差异性的三组计量比。本发明将为这些计量比的确定提供一种简便的新方法。
发明内容
技术问题：本发明提供一种确定生菜不同生长阶段生态化学计量比的方法，目的是基于由此方法明确的生菜在不同生长阶段体内N:P、C:N和C:P比值，有针对性地对生菜不同生长阶段的养分供给进行精准调控。
技术方案：为实现上述目的，本发明提出了一种确定生菜不同生长阶段生态化学计量比的方法，按照下述步骤进行：
1、生菜不同生长阶段(以叶龄累计生长速率的快慢为指标)的划分
(1)品种选择和育苗移栽
选择非结球耐抽薹的生菜品种，从而可利用便于观察的叶龄指标表征生菜的生长速率并进行不同生长阶段的划分；栽培环境为温室大棚内自然光照，温度控制在18-25℃；利用专用蔬菜育苗基质进行生菜穴盘育苗，当生菜长到3叶1心时移栽至土壤肥力水平中等偏上(普通菜园土)的栽培槽内。
(2)叶龄测量及累计增长曲线绘制
移栽后每隔一段时间定期测量叶龄数，如设置间隔期较长，在快速生长期增加测量次数，然后以时间横坐标，叶龄数为纵坐标绘制叶龄累计增长动态。
(3)不同生长阶段的确定
根据绘制成的叶龄累计增长动态曲线，分别将“S型”曲线左拐点所对应的叶龄数作为生菜进入快速生长的起点，右拐点所对应的叶龄数作为生菜进入快速生长终点或后期慢速生长的起点，从而由叶龄数明确划分出生菜的“慢-快-慢”三个不同生长阶段。
2、不同生长阶段生态化学计量比的测算和验证
(1)品种选择和育苗移栽
重复以上的品种选择和育苗移栽过程，只是随后将3叶1心的生菜幼苗移栽至土壤肥力处于中、高肥力水平的栽培土槽内。选择中、高肥力水平的土壤进行栽培，目的是确保生菜在生长过程中免受养分亏缺胁迫，导致所测得的生态化学计量比难以真实反映生菜正常养分水平下应有的计量比。
(2)不同生长阶段生菜体内养分元素测量时间点选择
在上述“S型”曲线的左拐点的左侧，选取n个点(n≥3)作重复，即对应处于慢速生长的n个叶龄点，分别按常规方法测量两种土壤肥力水平下该叶龄时点生菜整个地上部分植株的C、N、P含量，进而计算N:P、C:N和C:P等生态化学计量比，即代表生菜处于前期慢速生长阶段体内生态化学计量比。以此方法，依次在“S型”曲线的两个拐点之间和右拐点的右侧分别测算生菜处于快速生长和后期慢速生长阶段体内生态化学计量比。
(3)所得生菜的生态化学计量比特征符合性验证
①内稳态特征验证(针对同一生长阶段时不同肥力水平间的比较)
首先，分别计算两种肥力水平下处于前期慢速生长阶段生菜各参数(C、N、P含量及N:P、C:N和C:P)的2n个值之间的变异系数和变化幅度，判断其是否在相对狭窄的范围内保持稳定，即利用不同肥力水平下生菜生态化学计量比应具有稳态特征，来验证本发明所测算结果的特征符合性。
然后，按照同样方法，分别验证生菜处于中期快速生长和后期慢速生长阶段时，所得生态化学计量比内稳态特征的符合性。
以上特征均符合，则进行下一步异速生长特征验证。
②异速生长特征验证(针对同一肥力水平下不同生长阶段间的比较)
首先对中等肥力水平下测算结果进行异速生长特征验证。分别计算处于前期慢速生长与中期快速生长间、中期快速生长与后期慢速生长间生菜各参数(C、N、P含量及N:P、C:N和C:P)的2n个值之间的变异系数和变化幅度，判断其是否均有较为明显的变化，即利用生菜生态化学计量比应随生长速率的变化表现出异速生长特性，来征验证本发明所测算结果又一特征的符合性。
然后，按照以上方法，对高肥力水平下测算结果进行异速生长特征验证。
基于以上验证结果，所得到的生态化学计量比如同时符合内稳态和异速生长两特征，则所得生态化学计量比即为生菜处于此生长阶段应有的生态化学计量比；如不符合，则所得结果不具科学性和代表性。
基于本发明提供的方法，获得代表生菜“慢-快-慢”三个不同生长阶段的生态化学计量比，一方面可在生菜的生长过程中，动态调整施肥总量，使得供给量只满足维持作物体内养分元素组成和含量稳定的下限，从而减少施肥总量；另一方面，可在生菜的生长过程中，根据生长速率的变化，动态调整氮磷养分的比例，从而优化施肥结构。因此，本发明提供的方法将最终提高肥料的使用效率，在减少环境污染的同时，又能提高生菜产品的品质。另外，本发明同时适用于其他叶菜类蔬菜生态化学计量比的测算，尤其适合指导叶菜类蔬菜的营养液栽培生产。
附图说明
图1是本发明实施例的生菜叶龄随时间变化的动态图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明实施例提出了一种水培生菜稳态生态化学计量学的测定方法，包括如下步骤：
1、生菜不同生长阶段(以叶龄生长速率的快慢为指标)的划分
实施地点位于江苏省镇江市江苏大学控温温室(18-25℃)，在种子站购买非结球意大利耐抽薹生菜，于2018年4月20日利用专用蔬菜育苗基质进行生菜穴育苗，生菜长到3叶1心时移栽至土壤养分丰富的栽培土槽内，生菜长至6叶1心时开始测量记录叶龄数，并以时间横坐标，叶龄数为纵坐标绘制叶龄累计增长动态图(图1)。根据绘制成的叶龄累计增长动态曲线，分别将“S型”曲线拐点所对应的叶龄数作为生菜叶龄进入“慢-快-慢”生长的起点或终点，两拐点叶龄分别为11.1和24.2，进而明确划分出生菜的11.1叶之前为前期慢速生长阶段，11.1叶至24.2叶为快速生长阶段，24.2叶之后则为后期慢速生长阶段。
2、不同生长阶段生态化学计量比的测算
(1)品种选择和育苗移栽
重复以上的品种选择和育苗移栽过程，只是随后将3叶1心的生菜幼苗移栽至土壤肥力处于中、高肥力水平的栽培土槽内。中、高肥土壤选取菜园土，中肥力水平的土壤速效氮、速效磷和速效钾的含量分别为149.5mg·kg-1、19.7mg·kg-1和126.3mg·kg-1，高肥力水平的土壤速效氮、速效磷和速效钾的含量分别为224.2mg·kg-1、29.5mg·kg-1和189.4mg·kg-1。
(2)不同生长阶段生菜体内养分元素测量时间点选择
在“S型”曲线的左拐点11.1叶左侧、右拐点24.2叶右侧以及两拐点之间，分别选取3个点代表慢-快-慢三个生长阶段的重复：本实例选叶龄为7.6、9.4和11.1三个叶龄时期代表慢速生长阶段的3个叶龄点；选15.4、18.6和22.5三个叶龄时期代表快速生长阶段的3个叶龄点；选24.2、24.8和25.1三个叶龄时期代表后期慢速生长阶段的3个叶龄点。分别按常规方法测量以上中、高肥力水平下该叶龄时点生菜整个地上部分植株的C、N、P含量，进而计算N:P、C:N和C:P等生态化学计量比(见表1-3)。
(3)所得生菜的生态化学计量比特征符合性验证
①内稳态特征验证(针对同一生长阶段时不同肥力水平间的比较)
分别计算两种肥力水平下各生长阶段生菜众参数(C、N、P含量及N:P、C:N和C:P)的6个值(2×3)之间的变异系数和变化幅度，判断其是否在相对狭窄的范围内保持稳定，即利用不同肥力水平下生菜生态化学计量比应具有稳态特征，来验证本发明所测算结果的特征符合性。
表1中、高两种肥力水平下处于前期慢速生长阶段生菜各参数及变化
表2中、高两种肥力水平下处于快速生长阶段生菜各参数及变化
表3中、高两种肥力水平下处于后期慢速生长阶生菜各参数及变化
通过比较不同肥力水平下处于同一生长阶段生菜C、N和P含量及相互比值的由变异系数和振幅可知，C、N和P含量及相互比值等指标均保持一定水平的相对稳定，说明在生菜的整个生长过程中，其元素组成和含量随土壤肥力的改变既不保持恒定，也不发生剧烈变化，而是在相对狭窄的范围内保持稳定，这符合生态化学计量学中内稳态理论，因此，随即进行下一步异速生长特征验证。
②异速生长特征验证(针对同一肥力水平下不同生长阶段间的比较)
分别计算同一肥力水平下处于前期慢速生长与中期快速生长间、中期快速生长与后期慢速生长间生菜各参数(C、N、P含量及N:P、C:N和C:P)的6个值(2×3)之间的变异系数和振幅，判断其是否均有较为明显的变化，即利用生菜生态化学计量比应随生长速率的变化表现出异速生长特性，来征验证本发明所测算结果又一特征的符合性。
表4高等肥力水平下处于前期慢速生长与中期快速生长间生菜各参数及变化
表5高等肥力水平下处于中期快速生长与后期慢速生长间生菜各参数及变化
表6中等肥力水平下处于前期慢速生长与中期快速生长间生菜各参数及变化
表7中等肥力水平下处于中期快速生长与后期慢速生长间生菜各参数及变化
通过比较每一肥力水平下处于不同生长阶段生菜C、N和P含量及相互比值的由变异系数和振幅可知，C、N和P含量及相互比值等指标均随着生长慢-快-慢生长节奏的变化表现出一定水平的波动，其中，以磷元素含量及与之相关的化学计量比变化尤为明显，这与植物生长速率的变化必须依赖于其自身C、N、P等元素间比值的变化，且与P含量呈显著的正相关的异速生长特征相吻合。
以上测算结果同时符合生态学化学计量比的内稳态和异速生长两特征，因此，所得结果即为非结球意大利耐抽薹这一品种生菜的生态化学计量比。即
当非结球意大利耐抽薹生菜叶龄小于11.1时，其叶片C、N和P含量分别围绕453mg·g-1、44mg·g-1和2.4mg·g-1小幅波动，C:N、C:P和N:P分别围绕10.2、188和18.3小幅波动；当该生菜叶龄处于11.1～24.2时，其叶片C、N和P含量分别围绕465mg·g-1、47mg·g-1和3.0mg·g-1小幅波动，C:N、C:P和N:P分别围绕9.9、157和15.9小幅波动；当该生菜叶龄大于24.2时，其叶片C、N和P含量分别围绕470mg·g-1、50mg·g-1和2.6mg·g-1小幅波动，C:N、C:P和N:P分别围绕9.4、178和19.1小幅波动。
依据生态化学计量比，可在这一品种生菜的生长过程中，进行氮磷养分的精确调控。
Claims (1)
1.一种确定生菜不同生长阶段生态化学计量比的方法，其特征在于按照下述步骤进行：
一、生菜不同生长阶段的划分-以叶龄累计生长速率的快慢为指标
(1)品种选择和育苗移栽
选择非结球耐抽薹的生菜品种，从而可利用便于观察的叶龄指标表征生菜的生长速率并进行不同生长阶段的划分；栽培环境为温室大棚内自然光照，温度控制在18-25℃；利用专用蔬菜育苗基质进行生菜穴盘育苗，当生菜长到3叶1心时移栽至土壤肥力水平中等偏上的栽培槽内，肥力水平中等偏上土壤为普通菜园土；
(2)叶龄测量及累计增长曲线绘制
移栽后每隔一段时间定期测量叶龄数，如设置间隔期较长，在快速生长期增加测量次数，然后以时间横坐标，叶龄数为纵坐标绘制叶龄累计增长动态曲线；
(3)不同生长阶段的确定
根据绘制成的叶龄累计增长动态曲线，分别将叶龄累计增长动态曲线左拐点所对应的叶龄数作为生菜进入快速生长的起点，右拐点所对应的叶龄数作为生菜进入快速生长终点和后期慢速的起点，从而由叶龄数明确划分出生菜的“慢-快-慢”三个不同生长阶段；
二、不同生长阶段生态化学计量比的测算和验证
(1)品种选择和育苗移栽
重复以上的品种选择和育苗移栽过程，只是随后将3叶1心的生菜幼苗移栽至土壤肥力处于中、高肥力水平的栽培槽内；选择中、高肥力水平的土壤进行栽培，目的是确保生菜在整个生长过程中避免出现养分亏缺，导致所测得的生态化学计量比难以真实反映生菜正常养分水平下应有的计量比；
(2)不同生长阶段生菜体内养分元素测量时间点选择
在上述叶龄累计增长动态曲线的左拐点的左侧，选取n个点作重复，n≥3，即对应处于慢速生长的n个叶龄点，分别按常规方法测量两种土壤肥力水平下该叶龄时生菜整个地上部分植株的C、N、P含量，进而计算N:P、C:N和C:P的生态化学计量比，即代表生菜处于前期慢速生长阶段体内生态化学计量比；以此方法，依次在叶龄累计增长动态曲线的两个拐点之间和右拐点的右侧分别测算生菜处于快速生长和后期慢速生长阶段体内生态化学计量比；
(3)所得生菜的生态化学计量比特征符合性验证
①内稳态特征验证：针对同一生长阶段时不同肥力水平间的比较
首先，分别计算两种肥力水平下处于前期慢速生长阶段生菜各参数的2n个值之间的变异系数和变化幅度，各参数为C、N、P含量及N:P、C:N和C:P；判断其是否在相对狭窄的范围内保持稳定，即利用不同肥力水平下生菜生态化学计量比应具有稳态特征，来验证本方法所测算结果的特征符合性；
然后，按照同样方法，分别验证生菜处于中期快速生长和后期慢速生长阶段时，所得生态化学计量比内稳态特征的符合性；
以上特征均符合，则进行下一步异速生长特征验证；
②异速生长特征验证-针对同一肥力水平下不同生长阶段间的比较
首先对中等肥力水平下测算结果进行异速生长特征验证；分别计算前期慢速生长与中期快速生长、中期快速生长与后期慢速生长阶段生菜各参数的2n个值之间的变异系数和变化幅度，各参数为C、N、P含量及N:P、C:N和C:P；判断其是否均有较为明显的变化，即利用生菜生态化学计量比应随生长速率的变化表现出异速生长特性，来验证本方法所测算结果又一特征的符合性；
然后，按照以上方法，对高肥力水平下测算结果进行异速生长特征验证。
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