采收前連續(xù)光照光質(zhì)對三種供氮水平的水培生菜營養(yǎng)元素含量的影響

劉文科，張玉彬，查凌雁，劉義飛

1. 塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300 2. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081

引 言

LED光源植物工廠是水培生產(chǎn)葉菜的理想設(shè)施，可實現(xiàn)周年生產(chǎn)，生長環(huán)境因子可調(diào)控，最大程度地利用水肥、電能和空間資源，獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的葉菜產(chǎn)品[1]。 光照和營養(yǎng)是兩個最為重要的生長要素，在很大程度上決定了水培葉菜的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。 氮素是植物干物質(zhì)中含量最高的礦質(zhì)元素。 研究表明，供氮水平可以顯著影響水培葉菜的產(chǎn)量和品質(zhì)[3]，適當?shù)牡焦┙o對植物工廠實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)至關(guān)重要。 礦質(zhì)元素含量，尤其是鈣、鐵、鋅、鉀等元素是重要的營養(yǎng)物質(zhì)，也是葉菜品質(zhì)的重要衡量指標，研究明確氮水平對水培葉菜營養(yǎng)元素含量影響機制具有重要的科學價值。 但是，至今有關(guān)氮水平對水培葉菜營養(yǎng)元素含量的影響少有報道，亟待弄清。 此外，國內(nèi)外研究表明，采收前LED紅藍光連續(xù)光照(continuous light, CL)可顯著提高水培生菜的產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)，是解決水培生菜在高氮肥供給條件下硝酸鹽累積和營養(yǎng)物質(zhì)含量偏低的重要技術(shù)手段[4-5]。 而且，查凌雁等[6]研究表明，與30天相比，15天紅藍光連續(xù)光照更適宜用于植物工廠水培生菜生產(chǎn)，對比能量投入可獲得盈利的更高產(chǎn)量。 然而，營養(yǎng)液氮水平與采前連續(xù)光照對水培葉菜營養(yǎng)元素含量的影響未見報道，明確營養(yǎng)液氮水平與采前連續(xù)光照在調(diào)控水培葉菜營養(yǎng)元素含量上的互作關(guān)系，對制定植物工廠水培葉菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)生產(chǎn)營養(yǎng)與光照管理策略具有重要實踐意義。

生菜是一種被世界各國人們廣泛喜愛的鮮食蔬菜，也是人工光植物工廠廣泛種植的代表性蔬菜種類，生菜體內(nèi)所含的礦質(zhì)元素種類豐富，有利于人體健康。 已有研究表明，生菜營養(yǎng)元素含量與其生長過程中所受到的照射光譜有直接關(guān)系，且LED紅藍光復(fù)合光下生菜中一些營養(yǎng)元素的含量高于在熒光燈[7]下。 供氮水平、采收前紅藍光CL光譜以及兩者互作條件下水培生菜生物量及營養(yǎng)元素含量的變化尚不清楚，需要研究揭示。 本研究在人工光植物工廠中，采用紅藍光譜LED光源，利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)分析技術(shù)對采收后生菜內(nèi)營養(yǎng)元素進行了檢測，以探明不同供氮水平下采收前LED 紅藍光CL對生菜生長及營養(yǎng)元素吸收的影響，以期為制定植物工廠水培葉菜氮肥供給與光照管理策略提供科學依據(jù)，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

1 實驗部分

1.1 材料

試驗在環(huán)境光植物工廠中進行，栽培環(huán)境溫度為(25±1) ℃，相對濕度為65%±5%。 將大小一致的生菜苗隨機移栽于長方形塑料栽培槽(180 cm×60 cm×6 cm)內(nèi)。 營養(yǎng)液配方( mmol·L-1)[7]: 0.4 Ca(NO3)2·4H2O，0.75 K2SO4，0.5 KH2PO4，0.1 KCl- 0.65 MgSO4·7H2O，1.0×10-3H3BO3，1.0×10-3MnSO4·H2O，1.0×10-4CuSO4·5H2O，1.0×10-3ZnSO4·7H2O，5×10-6(NH4)6Mo7O24·4H2O，0.1 EDTA-Fe。 采用LED紅藍光面板燈進行光照處理，試驗光強為150 μmol·m-2·s-1，紅光與藍光組成比例為4∶1。 試驗設(shè)置8，10和12 mmol·L-1(N8，N10和N12)，通過硝態(tài)鉀調(diào)節(jié)氮濃度。 每個處理下栽培生菜26株，連續(xù)培養(yǎng)16 d，光周期為16 h/8 h。 在定植后第17 d，進行72 h不同光質(zhì)的CL處理。 2種光質(zhì)處理中紅光和藍光組成比例分別設(shè)定為2∶1(Q2)和4∶1(Q4)，光強為150 μmol·m-2·s-1。 實驗中連續(xù)光照的光質(zhì)處理與采收的時間節(jié)點(定植后天數(shù))見圖1。

光周期16 h/8 h, 紅藍光質(zhì)4∶1光周期24 h/0 h紅藍光質(zhì)2∶1光周期24 h/0 h紅藍光質(zhì)4∶1

1.2 取樣與測定方法

在CL處理前后分別取樣測定相關(guān)指標，于定植后16天和19天分兩次取生菜地上部樣品，進行各項指標測定。 每個處理取樣時隨機取4株生菜，分成地上部和根系兩部分。 將生菜地上部放入烘箱中，在105 ℃下殺青15 min，再在80 ℃烘干至恒重，稱取干重。 烘干樣品用組織研磨器研磨成粉狀備測。 采用原子吸收分光光度計(ATC-006)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ATC-155)測定K，P，Ca，Mg，F(xiàn)e，Mn，Cu和Zn的含量[8]。 具體步驟為，精確稱取0.3 g樣品于消煮管中，加入60%高氯酸和濃硝酸的混合酸于180 ℃過夜，消解后加10 mL的1∶1 HCl，定容50 mL，上機測定。 生菜樣品中的N和C含量采用燃燒-同位素分析法進行測定。 樣品利用vario PYRO cube元素分析儀在填充有氧化銅的氧化管中(920 ℃)燃燒，燃燒后形成的氣體在填有還原銅的管內(nèi)還原為N2，并生成CO2(650 ℃)。 隨后，N2和CO2通過氦載氣流經(jīng)吸附與解吸附柱分離，再進入同位素質(zhì)譜儀(IRMS)進行同位素分析[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，采用SPSS 25.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(LSD法,α=0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 采收前連續(xù)光照光對三種供氮水平的水培生菜地上干重的影響

供氮水平對水培生菜的上部干重具有顯著影響。 由表1可知，隨著供應(yīng)硝態(tài)氮水平的增加生菜地上部干重持續(xù)增加。 此外，采收前CL三天處理顯著提高了生菜地上部干重，但供氮水平之間無顯著差異。 而且，兩種CL光質(zhì)之間也無顯著差異。

表1 采收前CL光質(zhì)對三種供氮水平的水培生菜的上部干重的影響

2.2 供氮水平對水培生菜地上部營養(yǎng)元素含量與累積量的影響

營養(yǎng)液供氮水平對生菜地上部中營養(yǎng)元素的含量有不同的影響，因元素種類而異。 由表2可知，營養(yǎng)液氮水平對生菜N，C和P含量均無顯著影響，Ca和Mg含量隨氮水平的升高而逐漸升高。 在12 mmol·L-1氮水平時達到最高。 但K，F(xiàn)e，Mn，Cu和Zn含量卻隨氮水平的升高呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢，在8 mmol·L-1氮水平時時含量最高。

由表3得，生菜地上部中N，Ca和Mg的累積量隨供氮水平的增加而提高，供氮12 mmol·L-1時累積量達到最大，但是C，K，P和Fe的累積量與供氮水平無關(guān)。 微量元素Mn，Cu和Zn隨氮水平升高呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢，均在8 mmol·L-1時累積量最大。

表2 供氮水平對水培生菜地上部營養(yǎng)元素含量的影響Table 2 Effects of nitrogen level on nutrient content of hydroponic lettuce

表3 氮水平對水培生菜營養(yǎng)元素累積量的影響Table 3 Effects of nitrogen level on nutrient accumulation of hydroponic lettuce

2.3 采收前CL光質(zhì)對三種供氮水平水培生菜營養(yǎng)元素含量與累積量的影響

由表4知，除C以外，其他營養(yǎng)元素含量均受CL紅藍光質(zhì)和供氮水平的影響。 隨采收前CL光質(zhì)紅光比例的增加，8 mmol·L-1下的Ca，Mg和Cu含量顯著增加，10 mmol·L-1下的K含量顯著降低，12 mmol·L-1下的Cu含量顯著升高。 除此之外，采收前CL光質(zhì)處理對同一氮水平下的生菜營養(yǎng)元素含量均無顯著影響。 CL紅藍光質(zhì)2∶1下，氮水平對生菜N，C，K和P的含量無顯著影響，Ca和Mg的含量隨氮水平的升高而顯著升高，微量元素Fe，Mn，Cu和Zn的含量氮水平的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。 CL紅藍光質(zhì)4∶1下，氮水平對N，C，F(xiàn)e，Mn，Cu和Zn含量均無顯著影響，Ca和Mg的含量在12 mmol·L-1時達到最大，氮水平對N和C含量無顯著影響。 K，P，Ca和Mg含量均在12 mmol·L-1時達到最大值，微量元素Fe，Mn，Cu和Zn含量與CL紅藍光質(zhì)2∶1下的變化趨勢一致，均在10 mmol·L-1時達到最大。 本試驗中，采收前CL光質(zhì)對不同氮水平水培生菜營養(yǎng)元素含量的影響不一，其中，對C含量無顯著影響，N10Q2下，K和Mn含量取得最大值，N10Q4下，F(xiàn)e，Cu和Zn含量達到最大，N12Q2下，N和Mg含量最大，N12Q4下，P和Ca含量最大。

表4 采收前CL光質(zhì)對不同氮水平水培生菜營養(yǎng)元素含量的影響Table 4 Effects of pre-harvest CL light quality on nutrient contents of hydroponic lettuce under different nitrogen levels

除C以外，其他營養(yǎng)元素累積量均受CL紅藍光質(zhì)和供氮水平的共同影響。 由表5知，隨采收前CL光質(zhì)紅光比例的增加，8 mmol·L-1下的Ca，Mg和Cu累積量顯著增加，10 mmol·L-1下的K累積量顯著降低，12 mmol·L-1下的K和Cu累積量顯著升高。 此外，采收前CL光質(zhì)處理對同一氮水平下的生菜營養(yǎng)元素累積量均無顯著影響。 采收前CL紅藍光質(zhì)2∶1下，營養(yǎng)液氮水平對N，C，P，Cu和Zn的累積量無顯著影響，K，F(xiàn)e，Mn，Cu和Zn的累積量隨著氮水平升高先升高后降低，Ca和Mg的累積量隨氮水平的升高而逐漸升高。 采收前CL紅藍光質(zhì)4∶1下，氮水平對C，Mg，K，F(xiàn)e，Mn，Cu和Zn的累積量無顯著影響，N，P和Ca的累積量隨氮水平的升高而逐漸升高。 N10Q2下，N，C和Mg的累積量最大，N10Q4下，F(xiàn)e累積量最大，N12Q4下，K，P，Ca，Mg，Cu和Zn達到最大。

表5 采收前CL光質(zhì)對不同氮水平水培生菜營養(yǎng)元素累積量的影響Table 5 Effects of pre-harvest CL light quality on nutrient accumulations of hydroponic lettuce under different nitrogen levels

2.4 采收前兩種光質(zhì)CL前后水培生菜地上部營養(yǎng)元素含量與累積量的差異比較

由表6可知，與CL前相比，采收前CL后，C的含量顯著升高了8.14%； 但是，K、P和Fe含量顯著降低，分別降低了16.12%，25.42%和45.62%，采前CL對N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量無顯著影響。 由表7知，CL后，N，C，K，P，Ca和Mg的累積量均顯著升高，但微量元素的累積量無顯著變化。

表6 采收前CL前后水培生菜營養(yǎng)元素含量的差異比較Table 6 Comparison of nutrient contents in hydroponic lettuce before and after pre-harvest CL

表7 采收前CL前后水培生菜營養(yǎng)元素累積量的差異比較Table 7 Comparison of nutrient accumulations of hydroponic lettuce before and after pre-harvest CL

蔬菜中營養(yǎng)元素含量是一直被關(guān)注的品質(zhì)指標，通過氮肥和光譜管理提高水培生菜中營養(yǎng)元素含量具有營養(yǎng)學價值。 硝態(tài)氮是無土栽培中使用的主要無機氮源，同時也是植物根系吸收的主要氮形式[10]。 植物體內(nèi)的氮素水平可通過有關(guān)信號調(diào)節(jié)植株地上部及根系的生長速率。 在一定范圍內(nèi), 提高氮素水平可以促進植物的生長[11]。 試驗結(jié)果表明，在8～12 mmol·L-1濃度范圍內(nèi)，隨著營養(yǎng)液氮水平的增加水培生菜地上部干重顯著提高。 光可影響植物對氮素的吸收。 本研究表明，在采收前給生長在不同的氮水平條件下生菜施加不同光質(zhì)的CL會削弱氮水平對生菜生長的影響，相比較而言紅藍光比例對生菜地上部干重的影響更為顯著。 有研究也表明，在一定范圍內(nèi)提高紅光比例生菜能獲得更高的生物量。 采收前72 h紅藍光CL后生菜地上部干重顯著增加，這一結(jié)果與以往研究報道相一致[12]。

研究中，供氮水平的增加雖然提高了生菜地上部Ca和Mg含量，但降低了K，F(xiàn)e，Mn，Cu和Zn含量，且對N，C和P元素的含量無顯著影響。 張祥明等[13]研究發(fā)現(xiàn), 在P和K供應(yīng)量不變的條件下, 適當?shù)脑黾拥厥┯昧磕軌蛱岣咚局蠯元素的含量, 但施氮量過高反而不利于K的吸收。 景立權(quán)等[14]的研究結(jié)果也說明氮肥施用量過高不利于玉米N，P和K的吸收利用及其產(chǎn)量的增加。 除大量元素外，作物對微量元素的吸收也受供氮水平影響。 本研究中，高氮水平下，生菜地上部的Fe，Zn，Cu和Mn含量均顯著降低。 以往研究也發(fā)現(xiàn)，一些作物(大豆籽粒、稻米)中的微量元素含量隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢[15-16]。 究其原因，可能是氮素用量增加一定程度上會影響土壤耕層中Fe，Mn，Cu和Zn等微量元素的有效性, 從而影響作物對微量元素的吸收[17]。 這表明，供氮水平對水培生菜體內(nèi)不同營養(yǎng)元素吸收的影響是不一致的，高氮水平反而不利于生菜多種礦質(zhì)元素的吸收。

光合作用是植物體內(nèi)碳氮代謝的能量來源，因而光照變化可通過光合作用調(diào)節(jié)植物體內(nèi)碳氮代謝，從而影響和含氮化合物的含量。 反過來，由于氮素是作植物光合作用過程中多種蛋白酶和葉綠素的重要組成元素，因而氮肥可通過增加葉片葉綠素含量來促進植物光合作用，從而提高植物養(yǎng)分的積累。 光氮互作既可以提高植物對光的利用效率，同時也可促進植物對氮肥的吸收利用率。 從試驗結(jié)果來看，除C以外，其他營養(yǎng)元素含量和累積量均受采收前三天CL紅藍光質(zhì)和供氮水平的共同影響，N10和N12條件下，紅藍光4∶1連續(xù)光照更有利于獲得較高的營養(yǎng)元素含量和累積量。 其原因在高氮肥供給增加了氮代謝強度，而紅藍光CL延長了生菜光合作用時間，可提供更多光合作用產(chǎn)物。 CL紅藍光種比高紅光比例比低紅光比例更有利于光合作用和碳代謝，從而促進了營養(yǎng)元素的吸收。 由此可以認為，高氮肥和紅藍光CL(特別是紅藍光4∶1光質(zhì))可促進絕大部分大中量營養(yǎng)元素的含量與累積量。 但以往研究表明，由于藍光能夠誘導質(zhì)膜上離子通道的開放，從而促進礦質(zhì)元素的輸出[18-19]，在紅光為主要光質(zhì)的光譜范圍內(nèi)(R>50%)，生菜[20-21]、黃瓜、桑樹幼苗等植物的礦質(zhì)元素含量均表現(xiàn)為隨著藍光比例的增加而升高的趨勢。 本研究與以往報道的結(jié)果有所差異，可能是因為光氮互作的影響。 此外，與礦質(zhì)元素吸收及運輸相關(guān)的酶的基因表達水平及酶活也受光質(zhì)調(diào)控[20]。 然而，光質(zhì)與氮素互作對礦質(zhì)元素吸收的影響機理尚不明確。 李海云[22]研究發(fā)現(xiàn)黃瓜對N，P和Ca特別是K礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收和積累隨著光照時間的延長大幅度增加。 但本研究結(jié)果表明，除C元素外，三種供氮水平條件下，兩種紅藍光質(zhì)CL處理降低了作物中K，P和Fe含量，對N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量無顯著影響。 而由于連續(xù)光照下干物質(zhì)量的顯著增加，生菜N，C，K，P，Ca和Mg的累積量有所增加，但微量元素的累積量不受影響。

3 結(jié) 論

本試驗條件下，增加供氮水平可促進水培生菜水上部分干重增加，采收前三天紅藍光CL后生菜地上部干重增加，但供氮水平之間及CL光質(zhì)之間無顯著差異。 營養(yǎng)液氮水平對生菜N，C和P含量均無顯著影響，Ca和Mg含量隨供氮水平的升高而逐漸升高，但K，F(xiàn)e，Mn，Cu和Zn含量卻隨氮水平升高呈現(xiàn)出降低趨勢。 生菜地上部中N、Ca和Mg的累積量隨供氮水平的增加而提高，但C，K，P和Fe的累積量與供氮水平無關(guān)，而微量元素Mn，Cu和Zn隨氮水平升高呈現(xiàn)降低趨勢。 除C以外，其他營養(yǎng)元素含量和累積量均受采收前三天CL紅藍光質(zhì)和供氮水平的共同影響，N10和N12條件下，紅藍光4∶1連續(xù)光照更有利于獲得較高的營養(yǎng)元素含量和累積量。 三種供氮水平條件下，兩種紅藍光質(zhì)CL處理提高了生菜干物質(zhì)中C的含量，但降低了K，P和Fe含量，對N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量無顯著影響； CL增加了N，C，K，P，Ca和Mg的累積量，但不影響微量元素的累積量。

高氮肥供給有利于提高水培生菜干物質(zhì)產(chǎn)量和Ca、Mg含量和累積量。 CL處理提高了生菜干物質(zhì)中C的含量，增加了N，C，K，P，Ca和Mg的累積量，但不影響微量元素的累積量。 高氮水平前提下，采用紅藍光4∶1的光質(zhì)進行采收前72 h連續(xù)光照有利于獲得較高的營養(yǎng)元素含量和累積量。 高氮肥和紅藍光采收前CL可提高水培生菜中多數(shù)大中量營養(yǎng)元素的含量與累積量。