營(yíng)養(yǎng)液供液高度對(duì)水培生菜生長(zhǎng)及礦質(zhì)元素吸收的影響*

張偉娟，郭文忠，王曉晶，李靈芝，李海平，陳曉麗**

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營(yíng)養(yǎng)液供液高度對(duì)水培生菜生長(zhǎng)及礦質(zhì)元素吸收的影響*

張偉娟1,2，郭文忠1，王曉晶1,2，李靈芝2，李海平2，陳曉麗1**

（1．北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，太谷 030801）

在密閉植物工廠條件內(nèi)，設(shè)置5種營(yíng)養(yǎng)液高度（2、3、4、5、6cm）水培種植生菜，以探究霍格蘭（Hoagland）配方營(yíng)養(yǎng)液不同供液高度對(duì)生菜十種礦質(zhì)元素（K、P、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Zn、Cu、S）吸收及積累的影響。結(jié)果表明：生菜地上部生物量以及光合色素含量均在4cm供液高度處理下最大，而地下部生物量以及根長(zhǎng)均隨著營(yíng)養(yǎng)液供液高度的增加而升高；生菜地上部十種礦質(zhì)元素的含量均在供液高度6cm處理下最大，而礦質(zhì)元素在生菜中的單株累積量則表現(xiàn)為Fe、Mn元素在6cm供液高度下最大，Ca、Mg、Na、Zn、Cu、S元素在4cm供液高度下最大，K、P元素在5cm供液高度下最大。因此，實(shí)際生產(chǎn)中可以通過(guò)調(diào)節(jié)水培生菜營(yíng)養(yǎng)液的供液高度，以達(dá)到提高生菜產(chǎn)量或生產(chǎn)功能性蔬菜的目的。

生菜；植物工廠；供液高度；生物量；礦質(zhì)元素

生菜（L.）是營(yíng)養(yǎng)豐富的設(shè)施主栽蔬菜之一，含有較多的糖類、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分，具有助消化、降低膽固醇等功效，深受消費(fèi)者喜愛(ài)[1-2]。礦質(zhì)元素不僅是其重要的品質(zhì)指標(biāo)也是人體內(nèi)維生素、酶、激素等物質(zhì)的重要組成成分[3]，如P是核酸、酶的組成成分，參與物質(zhì)和能量代謝；Na、K能維持人體內(nèi)的酸堿平衡；Zn是人體內(nèi)多種酶的組成成分等。

水培是無(wú)土栽培的重要技術(shù)之一，包括深液流栽培、營(yíng)養(yǎng)液膜栽培、浮板毛管栽培等。本試驗(yàn)采用深液流栽培技術(shù)，該技術(shù)具有根系環(huán)境較穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但根際容易缺氧。水培作物根部所需的氧氣主要來(lái)源于營(yíng)養(yǎng)液中的溶解氧，也可以依靠裸露于空氣中的根系部分直接從空氣中獲得，后者的根部吸氧量與裸露于空氣中的植物根系長(zhǎng)度及數(shù)量密切相關(guān)[4-5]。深液流水培技術(shù)中，當(dāng)水培容器高度固定時(shí)，營(yíng)養(yǎng)液的供液高度直接影響根系在營(yíng)養(yǎng)液及空氣中的分布，一般的深液流栽培對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的最適高度沒(méi)有明確的規(guī)定。營(yíng)養(yǎng)液供液高度低，裸露于空氣中的根系吸氧量增加，但營(yíng)養(yǎng)液太淺可能無(wú)法滿足植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，且根系環(huán)境較不穩(wěn)定。營(yíng)養(yǎng)液供液高度高，根系吸氧量減少，深層營(yíng)養(yǎng)液中的植物根系容易缺氧，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成根系腐爛[6-9]。付利波等[4]研究發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)液高度一定時(shí)，適當(dāng)?shù)膽腋L(zhǎng)度有利于提高生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。李勝利等[6]探究了不同營(yíng)養(yǎng)液高度對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明增加營(yíng)養(yǎng)液高度有利于根長(zhǎng)和地下部生物量的提高，而適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)液高度有利于地上部生物量的提高。因此，營(yíng)養(yǎng)液供液高度是影響水培技術(shù)中根系氧氣與礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)平衡關(guān)系的重要因素。目前關(guān)于營(yíng)養(yǎng)液供液高度對(duì)生菜礦質(zhì)元素吸收與積累的影響的相關(guān)研究報(bào)道較少，本試驗(yàn)在植物工廠條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)水培槽內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液的供液高度，探究不同處理下生菜的生長(zhǎng)、生物量以及礦質(zhì)元素的吸收和積累的情況，以期為水培蔬菜生產(chǎn)中營(yíng)養(yǎng)液的供應(yīng)和管理提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)在北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心全人工光型植物工廠中進(jìn)行，生菜品種為“大速生”（購(gòu)自國(guó)家蔬菜工程技術(shù)研究中心）。將經(jīng)過(guò)4℃催芽一周的生菜種子播于育苗海綿塊中，在密閉育苗室內(nèi)培育15d，育苗結(jié)束后選取長(zhǎng)勢(shì)一致、根長(zhǎng)≥5cm的幼苗定植于水培槽中，株距為16cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

定植后，以LED白光為生菜生長(zhǎng)光源，光照強(qiáng)度130±5μmol·m?2·s?1，光周期為16h（光）/8h（暗），環(huán)境溫度設(shè)定為24℃/20℃（光期/暗期），相對(duì)濕度（RH）60%，CO2濃度400μmol·mol?1。營(yíng)養(yǎng)液采用霍格蘭（Hoagland）全營(yíng)養(yǎng)液配方（pH 5.8～6.0，EC 1.2～1.3mS·cm?1）。水培槽高度統(tǒng)一為6cm，各處理中營(yíng)養(yǎng)液供液高度（槽底部至液面的高度）分別設(shè)定為2、3、4、5、6cm，共5個(gè)處理，每處理重復(fù)3次。每2d補(bǔ)充一次營(yíng)養(yǎng)液至原液位高度，每6d更換一次新液，移栽30d后收獲生菜樣品，進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 取樣方法和生長(zhǎng)參數(shù)的測(cè)定

每處理隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株生菜收獲，從生菜莖基部將地上部與地下部分開(kāi)，用吸水紙吸干地下部的水分，電子天平分別稱量地上部和地下部鮮重，然后將植株地上部和地下部分別置于105℃烘箱中殺青0.5h，85℃下烘干至恒重，測(cè)定干重，計(jì)算地上部含水率；根長(zhǎng)用直尺測(cè)量，為莖基部至根最長(zhǎng)處的長(zhǎng)度。

1.3.2 葉綠素含量的測(cè)定

稱取剪碎的新鮮生菜葉片0.20g于研缽中，加少量CaCO3和石英砂及95%乙醇2～3mL研成勻漿，再加入95%乙醇10mL繼續(xù)研磨至組織變白。然后倒入漏斗中，濾入25mL容量瓶，期間用95%乙醇多次沖洗濾紙和殘?jiān)?，直至濾液無(wú)色為止，定容至25mL。用分光光度計(jì)分別在波長(zhǎng)470nm、649nm、665nm下測(cè)定吸光度，以95%乙醇為空白對(duì)照[10]。

1.3.3 礦質(zhì)元素含量的測(cè)定

精確稱取0.50g生菜地上部干粉末樣品于消煮管中，加入濃硝酸和高氯酸的混合液15mL（體積比為4:1）于180℃消煮6～8h至溶液接近無(wú)色時(shí)冷卻，過(guò)濾后濾液用去離子水定容至50mL，以同樣的方法制備空白對(duì)照。礦質(zhì)元素含量采用OPTIMA 3300DV型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（lCP-AES, PE, USA）測(cè)定[3]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel以及SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 營(yíng)養(yǎng)液高度對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響

由表1可見(jiàn)，水培槽內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液供液高度不同時(shí)，收獲的生菜樣品其生長(zhǎng)指標(biāo)明顯不同?？傮w上看，不同處理間，生菜地上部生物量和地上部與地下部干重的比值均隨營(yíng)養(yǎng)液供液高度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。地上部鮮重在4cm和5cm處理下達(dá)到最大，顯著高于3cm和2cm處理，但與6cm處理差異不顯著。地上部干重在4cm處理下最大，較3cm、5cm、6cm處理分別增加39.34%、19.51%、36.74%。供液高度為4cm時(shí)生菜地上部與地下部干重的比值最大。不同處理間，根長(zhǎng)和地下部干重的變化趨勢(shì)相同，均隨營(yíng)養(yǎng)液供液高度的增加而升高，其中6cm處理下的地下部干重較其它處理增加21.92%～45.90%。而生菜地上部含水率在不同處理間的變化趨勢(shì)與生物量相反，即隨營(yíng)養(yǎng)液供液高度的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，4cm處理下生長(zhǎng)的生菜地上部含水率最小，但各處理間差異不顯著。可見(jiàn)，供液高度為4cm的處理下，生菜地上部鮮重和干重均在處理間表現(xiàn)為最大或與最大值無(wú)顯著性差異，因此，對(duì)以地上部為食用部位的生菜而言，從商品產(chǎn)量的角度考慮，4cm的供液高度較為適宜。

表1 不同供液高度處理下生菜生長(zhǎng)指標(biāo)的比較（平均值±均方差）

注：小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note: Lowercase indicate significant difference among treatments at 0.05 level. The same as below. FW is fresh weight, DW is dry weight, OG is overground, UG is underground.

2.2 營(yíng)養(yǎng)液高度對(duì)生菜葉片光合色素含量的影響

由表2可見(jiàn)，在不同處理下，生菜葉片中的葉綠素a、葉綠素b以及類胡蘿卜素含量均隨營(yíng)養(yǎng)液供液高度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，均在營(yíng)養(yǎng)液供液高度為2cm的處理下最小，而在4cm處理下達(dá)到最大。其中，營(yíng)養(yǎng)液供液高度為4cm的處理生菜葉片總?cè)~綠素含量較其它處理顯著增加27.21%～84.75%，表明適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)液供液高度有利于生菜葉片中光合色素的合成和積累。

2.3 營(yíng)養(yǎng)液高度對(duì)生菜礦質(zhì)元素含量的影響

2.3.1 大量元素含量

由表3可見(jiàn)，不同供液高度處理下生菜中的大量元素含量存在差異。營(yíng)養(yǎng)液供液高度為2cm時(shí)，生菜中的K、P、Ca、Mg、Na、S六種元素的含量均最低。除4cm處理之外，在其它處理間K、P、Na、S四種元素含量均隨營(yíng)養(yǎng)液供液高度的增加而升高，在6cm處理下達(dá)到最大，其中6cm處理下生菜的K、P、Na含量較其它處理達(dá)到顯著增加水平（P<0.05）。Ca、Mg元素含量隨營(yíng)養(yǎng)液供液高度的變化波動(dòng)較大，但均表現(xiàn)為6cm處理下最大，且均顯著高于其它處理。說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液供液高度為6cm時(shí)，根系對(duì)K、P、Ca、Mg、Na、S元素的吸收效率均較高。

表2 不同供液高度處理下生菜鮮葉中光合色素含量的比較（mg·kg?1，平均值±均方差）

表3 不同供液高度處理下生菜中大量元素含量的比較（mg·g?1，平均值±均方差）

2.3.2 微量元素含量

由表4可知，在各處理間，生菜中微量元素Fe、Mn的含量與前述大量元素K、P、Na、S呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，即元素含量隨著營(yíng)養(yǎng)液供液高度的增加而升高，在6cm處理下達(dá)到最大，且顯著高于其它處理。Zn、Cu元素含量隨營(yíng)養(yǎng)液供液高度的變化波動(dòng)較大，但均表現(xiàn)為6cm處理下最大，其中Cu元素含量顯著高于其它處理。說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液供液高度為6cm時(shí)，根系對(duì)本試驗(yàn)中涉及的所有元素的吸收效率均最高。

表4 不同供液高度處理下生菜中微量元素含量的比較（μg·g?1，平均值±均方差）

2.4 營(yíng)養(yǎng)液高度對(duì)生菜礦質(zhì)元素單株累積量的影響

2.4.1 大量元素的單株累積量

由表5可見(jiàn)，不同處理下K、P、Ca、Mg、Na、S元素的單株累積量與含量的變化不同，生菜Ca、Mg、Na、S元素的單株累積量均在4cm處理下達(dá)到最大，其中Ca、Na元素的單株累積量較其它處理達(dá)到顯著增加水平（P<0.05）。K、P元素的單株累積量在5cm處理下達(dá)到最大，其中，K元素單株累積量較其它處理達(dá)到顯著增加水平（P<0.05），而P元素單株累積量與4cm處理差異不顯著。由此可見(jiàn)，雖然根對(duì)所有元素的吸收效率均在6cm供液高度下最大（表3、表4），但Ca、Mg、Na、S元素的單株累積量在4cm處理下最大，而K、P元素的單株累積量在5cm處理下達(dá)到最大，這可能是由于6cm處理下植株根系氧氣與礦質(zhì)養(yǎng)分的不平衡，導(dǎo)致地上部物質(zhì)同化過(guò)程中對(duì)以上元素的利用率降低，從而同化物合成降低，元素單株累積量相應(yīng)降低。

2.4.2 微量元素的單株累積量

由表6可見(jiàn)，不同處理下Fe、Mn、Zn、Cu元素的單株累積量與其含量的變化不同，除5cm處理外，生菜中Fe、Mn元素的單株累積量在其它處理間隨營(yíng)養(yǎng)液供液高度的增加而升高，均在6cm處理下達(dá)到最大，6cm處理下的Fe、Mn元素單株累積量較其它處理分別顯著升高78.64%～281.33%、5.67%～125.47%。Zn、Cu元素單株累積量隨營(yíng)養(yǎng)液供液高度的變化波動(dòng)較大，但均表現(xiàn)為4cm處理下最大，且均顯著高于其它處理。因此，4cm的供液高度有利于提高生菜地上部Zn、Cu元素的單株累積量。

表6 不同供液高度處理下生菜微量元素的單株累積量（μg·株?1，平均值±均方差）

3 結(jié)論與討論

隨著生活水平的不斷提高，消費(fèi)者自我保健意識(shí)日益增強(qiáng)[11]，對(duì)蔬菜的需求也由溫飽型轉(zhuǎn)向營(yíng)養(yǎng)型、保健型[12]，因此，不僅可以提供正常營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還可改善或影響人體生理功能的功能性蔬菜[13]受到廣泛青睞。本研究測(cè)定的十種礦質(zhì)元素不僅對(duì)人體健康具有重要作用，其種類和含量對(duì)植物的生長(zhǎng)代謝也有重要影響，如Mg是葉綠素必不可少的成分，P可用于生成磷脂和磷酸化合物，K是多種酶的活化劑，Ca是植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)成分，S是蛋白質(zhì)和多種酶的組成成分等[14 ]。

礦質(zhì)元素以離子的形式被植物根系吸收和運(yùn)輸，根吸收礦質(zhì)元素的方式主要有主動(dòng)吸收和被動(dòng)吸收。當(dāng)膜內(nèi)離子濃度低于外界濃度時(shí)，細(xì)胞內(nèi)外產(chǎn)生的勢(shì)能差使離子從外界進(jìn)入膜內(nèi)，不消耗能量；反之，植物細(xì)胞需利用呼吸作用所產(chǎn)生的能量，并通過(guò)膜上載體將離子從外界運(yùn)輸至膜內(nèi)，即為主動(dòng)吸收[15-16]。因此，根際礦質(zhì)元素濃度以及含氧量是影響離子向根內(nèi)運(yùn)輸?shù)闹匾蛩豙17-19]。本試驗(yàn)中，所有礦質(zhì)元素含量都表現(xiàn)為在2cm處理下最低，說(shuō)明隨著根對(duì)元素的吸收，營(yíng)養(yǎng)液中的離子濃度呈現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)變化，營(yíng)養(yǎng)液液位低的處理根際含氧量雖高，但營(yíng)養(yǎng)液離子濃度在動(dòng)態(tài)變化中下降較快，不利于根對(duì)元素的吸收。同時(shí)，本試驗(yàn)中，所有礦質(zhì)元素含量都表現(xiàn)為在6cm處理下達(dá)到最高，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液液位高的處理，根際含氧量雖低，但營(yíng)養(yǎng)液中離子濃度下降緩慢，有利于根對(duì)大部分離子的吸收。

本試驗(yàn)中生菜根長(zhǎng)和地下部干重隨著營(yíng)養(yǎng)液供液高度的增加而升高，這與李勝利等[6]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液高度的增加有利于生菜根系的生長(zhǎng)，但根際含氧量低不利于根的呼吸作用，這導(dǎo)致一些主要在根部合成、耗氧的植物生長(zhǎng)所需物質(zhì)（如細(xì)胞分裂素）的合成過(guò)程受到制約，進(jìn)而影響了植物地上部的生長(zhǎng)和同化物積累，這可能是本試驗(yàn)中6cm處理下生菜地上部所有元素含量均最高，但生物量和元素單株累積量沒(méi)有相應(yīng)地都達(dá)到最高的原因。此外，生菜地上部生物量以及Ca、Mg、Na、Zn、Cu、S元素的單株累積量均表現(xiàn)為4cm處理下最大，這可能是由于4cm的液位高度下根際含氧量和營(yíng)養(yǎng)液離子濃度這兩個(gè)因素達(dá)到了一定的平衡。

綜上，水培種植尤其是深液流栽培中，營(yíng)養(yǎng)液的供液高度影響植株根際含氧量與營(yíng)養(yǎng)液離子動(dòng)態(tài)濃度之間的平衡，進(jìn)而影響根系的耗氧型生理活動(dòng)以及地上部的生長(zhǎng)和物質(zhì)積累，因此，實(shí)際生產(chǎn)中，營(yíng)養(yǎng)液供液高度的調(diào)節(jié)和管理對(duì)植株健壯生長(zhǎng)有著重要意義。同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液供液高度，生產(chǎn)富含某種或多種礦質(zhì)元素的功能性蔬菜有利于提高水培蔬菜的生產(chǎn)效益。

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Effects of Nutrient Solution Levels on the Growth and Mineral Element Absorption of Hydroponics Lettuce

ZHANG Wei-juan1,2, GUO Wen-zhong1, WANG Xiao-jing1,2, LI Lin-zhi2, LI Hai-ping2, CHEN Xiao-li1

（1.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China；2.College of Horticulture，Shanxi Agricultural University, Taigu 030801）

The effects of Hoagland nutrient solution with different liquid levels (2, 3, 4, 5, 6cm) on the content and accumulation of ten mineral elements (K, P, Ca, Mg, Na, Fe, Mn, Zn, Cu, S) in lettuce hydroponically cultured in a plant factory were investigated in the present study. The results indicated that the biomass and photosynthetic pigment contents in lettuce shoot were the highest under the 4cm treatment, while the root length and root biomass increased with the enhancement of nutrient solution height. The contents of all mineral elements in lettuce were the highest under the treatment of 6cm. The accumulation of Fe and Mn in lettuce reached the largest value under 6cm treatment, while the accumulation of Ca, Mg, Na, Zn, Cu and S were all the highest under 4cm treatment, and the largest accumulation of K and P were obtained with 5cm treatment. Different production purposes can be achieved by adjusting the liquid level of nutrient solution during the actual production.

Lettuce; Plant factory; Liquid level; Biomass; Mineral element

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.09.005

2018?04?22

。E-mail：chenxl@nercita.org.cn

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0201503）；北京市科技計(jì)劃課題（D171100007617003）

張偉娟（1992?），女，碩士生，研究方向?yàn)槭卟嗽耘嗯c生理。E-mail：zhwj3466@163.com

張偉娟,郭文忠,王曉晶,等.營(yíng)養(yǎng)液供液高度對(duì)水培生菜生長(zhǎng)及礦質(zhì)元素吸收的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(9):594?600