设施无土栽培蔬菜硝酸盐控制措施

设施无土栽培蔬菜硝酸盐控制措施

刘文科1 , 杜连凤2 , 杨其长1
(1. 中国农业科学院设施农业环境工程研究中心,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京100081 ;2. 北京市农林科学院植物营养与资源研究所,北京100097)

 设施农业是指在相对可控的环境条件下,采用工业化生产,实现集约高效可持续发展的现代农业生产方式。根据所强调的对象不同,有时也称温室农业(Green2house Agriculture) 、可控环境农业(Controlled Environ2ment Agriculture) 、植物工厂(Plane Factory) 、保护地栽培(Protected Cultivation) 、保护地园艺(Protected Horti2culture)等。设施农业是现代农业发展的必然趋势和发展方向,是实现传统农业向现代农业转换的必由之路。设施栽培是我国设施农业的重要组成部分,近10 a 来发展迅速。到2006 年,全国设施栽培面积达到250 万hm2 ,比1980 年增长约350 倍,居世界首位,占世界总面积的80 %。其中,塑料大棚200 万hm2 ,日光温室50 万hm2 ,现代化温室1. 2 万hm2 。人均拥有设施面积达19. 4 m2 ,设施蔬菜人均占有量已突破80 kg ,比1980 年增长近400 倍。以北京市为代表的大中城市正在努力发展设施农业,北京市计划在“十一五”期间新增以温室、大棚为主的各种类型农业设施面积1. 33 万hm2 ,提高农业生产科技含量。我国目前的设施栽培面积中,97 %用于蔬菜生产,其余是花卉、果树、瓜以及林木育苗、食用菌、中草药栽培。

1  设施蔬菜土壤栽培存在的问题
设施蔬菜主要以土壤栽培为主,但此种栽培方式可造成蔬菜硝酸盐超标和土壤生态失调等问题,可持续性差。由于过量施用化肥(尤其是氮肥) ,土壤栽培所造成的土壤逆境(盐渍化、酸化和硝酸盐累积等) 、农艺危害(连作障碍和土传病害增多,蔬菜硝酸盐含量和药残超标)和环境危害(土壤硝酸盐累积、地下水硝酸盐超标)等问题已十分严重。以北京市为例,据调查,北京市郊菜田土壤剖面0~20 cm 耕层硝酸盐含量N 176. 4 kg/ hm2 ,40~60 cm 耕层硝酸盐含量仍高达N 78. 5 kg/ hm2[1] 。保护地菜田0~400 cm土壤剖面硝态氮累积总量平均达1 230 kg/ hm2[2] 。赵同科等(2006) [3] 对北京市地下水硝酸盐调查结果中,菜地周边地区地下水NO3- – N 浓度平均也高达21 mg/ L 。其中,北京市顺义区146 眼地下水井中,手压井水硝态氮超标率达36. 8 %,尤其是位于菜田中的手压水井超标率高达50 %以上[4] 。另外,对北京市平原农区深层地下水硝态氮污染状况研究表明,21 %的机井超过N 10 mg/ L ,这些超标区域主要集中在老菜区。蔬菜品质方面,冀宏杰(1999) [5] 对北京市蔬菜硝酸盐含量调查结果也表明,叶菜类蔬菜超标严重,部分蔬菜如小白菜、菠菜等100 %不宜生食。

2  设施蔬菜无土栽培的优势
目前,无土栽培已经成为国外设施蔬菜的主流,欧美一些国家决大多数设施蔬菜生产采用无土栽培方式进行。在我国,无土栽培技术和栽培面积发展很快,已初具规模。但受传统观念的束缚,以及无土栽培对设施水平要求高、成本高、技术难掌握等因素的影响,在蔬菜价格尚无法做到优质优价的市场条件下,我国的设施无土栽培的面积还比较小。随着我国对资源和环境问题关注度的逐年增加,存在资源浪费和环境污染等问题的土壤栽培方式必将逐渐减少,为无土栽培所代替。无土栽培作为易调控的蔬菜栽培模式,易于探讨蔬菜硝酸盐污染和品质的形成机制,国内外相关的研究报道较多,现从蔬菜硝酸盐污染和品质控制措施角度对水耕栽培蔬菜的研究进展进行总结。

3  蔬菜硝酸盐污染形成机制与危害
蔬菜栽培易累积硝酸盐,尤其是叶菜类,过量氮供应促进蔬菜硝酸盐的大量累积。目前,硝酸盐污染是绿色食品蔬菜的重要限制因子。硝酸盐进入植物体后还原分两步进行。首先在细胞质中硝酸还原酶把硝酸盐还原成亚硝酸盐;随后,亚硝酸盐在叶绿体或前质体内被还原,并形成氨。细胞膜上的透过酶通过质膜上ATP酶水解建立的质子驱动力,把NH4+ 2N 同化成蛋白质、氨基酸后向植株的地上部运输,部分则储存在根细胞液中。NO3- 离子在植物体内起着重要的代谢作用,一方面作为植物合成蛋白质的氮源;另一方面,在木质部运输中是阳离子合适的陪伴离子,同时对细胞内的渗透起平衡作用。当植物吸收硝酸盐量大于还原量时,植物开始积累硝酸盐,NO3- 的还原直接影响植物体内硝酸盐的积累。因此,植物对NO3- 吸收、还原、运输能力以及影响植物体内硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性的因素均影响NO3- 积累量。
食品中过量的硝酸盐对人体健康的潜在威胁已被大量的研究所证实。硝酸盐对人体的危害表现在,一方面人体摄入的硝酸盐在细菌的作用下可还原成亚硝酸盐,导致高铁血红蛋白症;另一方面,亚硝酸盐可与体内一些化学代谢产生的次级胺反应,在胃腔中形成强力致癌物———亚硝胺,从而诱发人体消化系统的癌变[6] 。硝酸盐含量方面,世界卫生组织和联合国粮农组织(WHO/ FAO)规定硝酸盐的ADI 值为3. 6 mg/ kg ,亚硝酸盐的ADI 值为0. 13 mg/ kg。据此标准,按人均60 kg体重计算,日人均食蔬菜0. 5 kg(鲜重)计算,蔬菜硝酸盐允许含量为432 mg/ kg。另据研究,蔬菜在经盐渍、煮熟后硝酸盐含量分别减少45 %和60 %~70 %。以此折算,硝酸盐含量可分别扩大为785 mg/ kg (生食不易、盐渍、熟食允许) 和1 234 mg/ kg (生食和盐渍不易、熟食允许) [7] 。

4  蔬菜硝酸盐污染的控制措施
蔬菜种类和品种差异是影响硝酸盐的根本因素,但蔬菜硝酸盐的累积生理过程受生长环境(地上空间环境和根际环境) 和采前管理的影响,是硝酸盐累积加重或减缓的可调节因素。比如,营养液组成、氮素形态、营养液理化性质(温度、溶解氧、pH 和EC) 、空间环境(温度、光照)和采摘条件等都影响蔬菜硝酸盐的含量。同时,上述因素可对蔬菜的产量和品质造成影响。因此,除了调整栽培品种外,控制措施包括营养液氮素管理、根际环境管理和环境管理3 个方面。
4. 1  植物种类和品种
蔬菜种间、品种间硝酸盐累积差异主要是受遗传因子控制。造成不同品种累积硝酸盐能力差异的原因存在一些不同的解释。Olday 等[8] 曾发现,圆叶品种的硝酸还原酶活性比皱叶品种高2~3 倍,体内硝酸盐含量较低。然而,Breimer[9]和Terman [10]的研究认为,不同品种间硝酸盐含量的差异主要是由于植株生物量的差异及生长速率的差异造成的。多年来关于不同品种累积硝酸盐能力差异的原因究竟是由于硝酸还原酶活性的差异造成的,还是仅仅由于植株生长速率的差异造成的,存在很大争议,目前证据多支持硝酸还原酶机制[11] 。此外,同种蔬菜也存在部位差异,表现为根> 茎> 叶>果> ,叶柄> 叶片,外叶(下位叶) > 内叶(上位叶) 。硝酸盐在不同蔬菜中的积累顺序:根菜类> 薯芋类> 绿叶菜类> 白菜类> 葱蒜类> 豆类> 瓜类> 茄果类> 多年生类> 食用菌类。
4. 2  氮素形态
研究表明,在采收前12 d 替代处理,与对照相比,以甘氨酸对不结球白菜和生菜硝酸盐含量降低效果最好,甘氨酸、异亮氨酸和脯氨酸三者混合氨基酸其次,尿素次之;同时氨基酸处理也提高了2 种蔬菜叶片可溶性糖和蛋白质含量,并显著增加了叶片全氮量。氨基酸替代硝态氮后,增强了不结球白菜叶片硝酸还原酶活性,但削弱生菜叶片硝酸还原酶活性。氨基酸和尿素都降低了不结球白菜和生菜体内硝酸盐含量,而且对不结球白菜,氨基酸与尿素效果相近,但对生菜氨基酸比尿素更有效[12] 。陈艳丽(2004) [13] 在采收前12 d ,研究以尿素、氨基酸替代营养液中的20 %的硝态氮对碧玉奶油生菜的影响。有机氮的部分替代可显著降低生菜体内硝酸盐含量,提高生菜产量和品质。氨基酸部分替代硝态氮不但可以显著降低2 种蔬菜体内硝酸盐含量,而且可以改善品质。氨基酸作为硝态氮的还原产物,对氮代谢具有反馈调节作用。如果植物体内具有足够还原态氮,硝态氮的吸收会受到抑制,以节省硝态氮吸收、还原及最终氨基酸合成所需能量。在果实中,氨基酸是通过韧皮部运输到果实的主要含氮化合物,而非硝态氮,因此研究外源氨基酸对蔬菜果实品质的影响具有重大意义。有机氮应用是降低设施蔬菜无土栽培硝酸盐含量的有效方法,但由于氨基酸产品价格高,因此研发富含氨基酸的新型营养液成为当务之急。Аrae B 等(1992) [14] 发现,在收获前一段时间去除氮素,植株的硝酸盐含量将下降,而且不会显著降低作物的产量。

4. 3  渗调离子
硝酸盐在植物组织中具有分隔作用,在氮源充足的条件下,大部分存在于植物的液泡中,即储藏库,以维持液泡的渗透压。硝酸还原酶位于细胞质膜的内侧,只有细胞质中的硝酸根方可参与还原。因此,要降低液泡中的硝态氮,使其被还原,必须使液泡中的硝酸根外流至细胞质。但是,使植物正常生长并获得高产的首要条件是植物组织维持较高的膨压,因此要使液泡中的硝酸根外流必须有另外的渗透物质进入代替硝酸根离子的作用。因此,在收获前去除生长介质中的氮素或用另外的物质代替硝酸根作为渗透调节物质,NO3- 将从液泡内渗出,植株将贮藏有机成分或替代的渗调离子来满足降低的渗透势,从而降低植株硝态氮积累。渗调离子包括Cl2 、SO42- 、苹果酸根离子、山梨酸根离子、乙酸根离子取代营养液中的硝酸根是降低蔬菜硝酸盐含量的有效方法。Liu 和Shelp (1996) [15] 对温室生长的青花菜在花球出现前应用Cl2代替NO3- ,青花菜硝态氮下降60 %。董晓英和李式军(2003) [12] 开展了在采收前减少小白菜营养液中的氮量或在去除硝态氮的基础上加入渗调离子以试图降低小白菜的硝酸盐积累的试验。结果表明,在去除营养液中的硝态氮后,在营养液中加入Cl2 、SO4 2– 、苹果酸根离子、山梨酸根离子、乙酸根离子是降低溶液培养小白菜硝酸盐积累的有效措施,但处理后采收的时间不可推迟太久。而只减少营养液中氮肥用量会使产量迅速下降,硝酸盐含量降低却缓慢,加入渗调离子可缓解因去除氮肥引起的小白菜产量的下降。
4. 4  营养元素
叶类菜鲜样中N 含量与K、Na、Ca 和Fe 呈显著或极显著正相关,叶类菜干样中NO3- 与P、S、Mn、Zn、B 和Mo 呈负相关,且与B、P 达显著负相关[16] 。蔬菜硝酸盐积累的根本原因在于其吸收量超过其还原同化的量。钼是硝酸还原酶的组分,锰是多种代谢酶的活化剂;适当地喷施钼肥和锰肥,有利于激活蔬菜体内硝酸还原酶,从而使蔬菜植株硝酸盐含量下降[17] 。氯离子对硝酸根离子有拮抗作用和取代效应;同时,氯离子的存在可以抑制硝化细菌的活性,促进氨基酸含量增加并合成蛋白质。因此,配施氯肥可降低蔬菜硝酸盐含量。营养液中铁易随pH 值发生变化,而产生沉淀等,高溶解氧条件
下也可以氧化成三价铁而不能被植物吸收利用。
4. 5  环境因子与采收管理
光温条件可以影响蔬菜体内蛋白质和硝酸还原酶的合成,从而影响蔬菜硝酸盐的累积。通过调节采收期,控制光温条件,避开蔬菜硝酸盐累积的高峰期,菠菜应在午后光照较强时进行,对生菜而言,高温会降低硝酸还原酶活性,因此生菜应选择在温度较低的早晨进行。阴雨天,光照严重不足,光合作用受到抑制,使受光强调节的硝酸还原酶活性减小,硝酸盐还原量减少,从而造成植株体内硝酸盐积累。而在处理4~6 d ,天气晴朗,光照充足,硝酸盐积累也少。因此,蔬菜采收最好选择晴天。

5  研究展望
蔬菜品质直接关系到其本身的价值、加工利用以及人体健康。设施蔬菜生产基本目标不仅仅在于获得较高的产量,而且要获得优良的品质。蔬菜品质包括感官品质、营养品质、卫生品质和储藏品质。在以化肥为特征的现代农业生产条件下,以硝酸盐累积和药残为主要特征的蔬菜卫生品质尤为重要。对设施无土栽培蔬菜而言,减少蔬菜体内硝酸盐累积的途径主要有3 个。开发专用设施用品种,从遗传角度减少硝酸盐的累积量。其次,加大设施环境控制技术研发,充分发挥设施环境可控优势,为蔬菜生长提供适宜的根际环境和空间环境。最后,研发新型营养液和管理技术,通过营养液组成调控,在不显著降低产量的条件下减少设施蔬菜硝酸盐的累积量。总之,降低蔬菜硝酸盐含量必需采取综合措施,应加快不同措施之间协同作用研究,尽快推出有效的集成技术。