不同光周期下外源鋅對(duì)水培生菜生長和品質(zhì)的影響

張淵博，郝文琴，石 玉，韓瑞鋒，成永三，張 毅

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷 030801）

0 引言

光是影響植物生命活動(dòng)的環(huán)境因素之一，為植物的生長發(fā)育提供能量[1]。研究發(fā)現(xiàn)，光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期調(diào)控對(duì)植物的生長發(fā)育均有顯著影響[2]。如今設(shè)施園藝中廣泛使用LED光源替代傳統(tǒng)補(bǔ)光光源，改善光周期環(huán)境，從而調(diào)節(jié)作物的生長發(fā)育，縮短生長周期，幫助提高產(chǎn)量和品質(zhì)[3-6]。有研究結(jié)果表明，光周期調(diào)節(jié)對(duì)植物生長發(fā)育狀況以及糖分、蛋白質(zhì)等物質(zhì)代謝方面有顯著的調(diào)控作用，且在一定范圍內(nèi)延長光周期，能有效促進(jìn)大麥草的生長和人參菜營養(yǎng)品質(zhì)的形成[7-9]。呂兵兵等[10]的研究結(jié)果表明，16 h/d光周期條件有利于苦蕎芽菜中花青素、可溶性糖含量的增加。此外還有研究表明，長日照可以提高生菜的光合速率和光能利用效率，有助于生菜可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、維生素C和類胡蘿卜素的合成，提高生菜品質(zhì)[11-12]。因此，研究不同光周期對(duì)生菜的生長和品質(zhì)有重要意義。

鋅(Zn)是作物生長不可缺少的微量營養(yǎng)元素，缺鋅癥狀常表現(xiàn)為小葉簇生失綠，葉片皺縮卷曲，節(jié)間縮短，影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[13-14]。研究發(fā)現(xiàn)，施用鋅肥能提高番茄植株的株高、莖粗、葉片數(shù)，使番茄果實(shí)中維生素C和可溶性糖含量增加，還能提高番茄的單果質(zhì)量和單株產(chǎn)量[15-16]。馬振勇等[17]的研究表明，施用適量鋅肥可增加馬鈴薯塊莖中淀粉、蛋白質(zhì)和糖類含量，提高產(chǎn)量。趙建所等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，鋅肥不僅對(duì)生菜的可溶性蛋白、可溶性糖、維生素C等營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)有明顯的促進(jìn)作用，還顯著影響生菜葉綠素的合成，進(jìn)而影響生菜產(chǎn)量。因而，適量的鋅肥對(duì)生菜生長和品質(zhì)有重要影響。

生菜(Lactuca sativa)又稱葉用萵苣，由于其體內(nèi)富含維生素、膳食纖維、碳水化合物和礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，具有清熱利尿、促進(jìn)血液循環(huán)等藥用價(jià)值，因此在植物工廠中可進(jìn)行廣泛的規(guī)模化種植[19-21]。國內(nèi)外關(guān)于不同光周期、鋅肥對(duì)生菜生長和品質(zhì)的影響也做了很多研究，但兩者耦合對(duì)作物影響的研究鮮有報(bào)道，且兩者是否存在互作效應(yīng)還不清楚，需要進(jìn)一步研究[7,18,22]。筆者以意大利耐抽薹生菜為試材，通過水培法和LED補(bǔ)光，探究不同光周期下外源鋅對(duì)生菜生長和品質(zhì)的影響，篩選適宜生菜生長的最適光周期和鋅濃度組合處理，旨在為不同光周期下施加外源鋅調(diào)控生菜生長發(fā)育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與園藝站人工氣候室完成。供試品種為意大利耐抽薹生菜，以日本山崎生菜配方進(jìn)行營養(yǎng)液栽培。選取籽粒飽滿的生菜種子，將其播種于無土栽培專用育苗海綿中，在人工氣候室中培養(yǎng)（白天溫度為(25±1)℃，晚上溫度為(16±1)℃），待長至三葉一心時(shí)，選取長勢一致的生菜幼苗定植于40 cm×30 cm×15 cm的水培槽中，每槽定植8株，每個(gè)處理定植2槽，每7天更換一次營養(yǎng)液，每天調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH(pH 6.0±0.2)。定植第2天開始進(jìn)行光周期處理，每7天進(jìn)行一次鋅處理，處理方式為營養(yǎng)液根施。試驗(yàn)光源為LED燈，設(shè)置12 h/12 h、16 h/8 h、20 h/4 h 3個(gè)光周期和0、0.5、1 mg/L ZnSO4·7H2O 3個(gè)鋅濃度，2個(gè)因素完全隨機(jī)組合，共設(shè)9個(gè)處理，分別用12-0、12-0.5、12-1，16-0、16-0.5、16-1，20-0、20-0.5、20-1表示。定植1個(gè)月后收獲生菜樣品，采取隨機(jī)取樣的方法，選取處理中長勢均勻的生菜樣品；其中生長指標(biāo)和生理生化指標(biāo)均選取3株，其余生菜選取從上往下第四五片的葉片，將鮮樣保存于超低溫冰箱，用于品質(zhì)指標(biāo)的測定。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 生長指標(biāo)測定 株高、葉長、葉寬用直尺量取，葉片數(shù)由人工計(jì)數(shù)。洗凈植株，吸干表面水分稱鮮重，然后置于105℃烘箱中殺青，烘至恒重后測其干重，每處理3次重復(fù)。

1.2.2 生理生化指標(biāo)測定 葉片含水量計(jì)算如式(1)，每處理3次重復(fù)。

1.2.3 品質(zhì)指標(biāo)測定 可溶性蛋白質(zhì)測定采用G-250染色法[23]，Vc測定采用鉬藍(lán)比色法[23]，可溶性糖測定采用硫酸苯酚法[23]，還原糖測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[23]，類黃酮、總酚含量測定參考曹建康等[24]的方法，每處理3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 21進(jìn)行方差分析，并使用Microsoft Excel 2016作圖，數(shù)據(jù)處理間差異顯著性檢驗(yàn)采用Duncan法，以P＜0.05為顯著性檢驗(yàn)水平，文中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光周期下外源鋅對(duì)水培生菜生物量的影響

由表1和圖1可知，同一鋅濃度處理下，延長光周期，生菜的株高、葉長、葉寬、葉片數(shù)、地上部干鮮重均呈先上升后下降的趨勢。相同光周期下，隨著鋅濃度增加，生菜的株高、葉長、葉寬、葉片數(shù)呈先上升后下降趨勢。生菜植株高度、地上部干鮮重均在16-0.5處理達(dá)到最高，16-0.5處理的地上部干鮮重較12-0.5和20-0.5處理分別顯著增加了176.77%、175.32%和6.20%、18.88%；16-0.5處理的葉片數(shù)、地上部干鮮重較16-1處理分別顯著增加11.76%、67.07%、48.65%。綜合考慮，16-0.5處理對(duì)生菜生物量的提質(zhì)效果較佳。

圖1 不同光周期下外源鋅對(duì)生菜生長的影響

表1 不同光周期下外源鋅對(duì)生菜生物量的影響

2.2 不同光周期下外源鋅對(duì)水培生菜葉片含水量的影響

由圖2可知，在同一鋅濃度處理下，16-1處理的葉片含水量顯著高于12-1處理和20-1處理，20 h/4 h光周期處理下葉片含水量顯著低于16 h/8 h光周期處理。在同一光周期下隨著鋅濃度增加，12 h/12 h光周期處理下生菜葉片含水量呈下降趨勢，16 h/8 h光周期處理下呈上升趨勢，20 h/4 h光周期處理呈先上升后下降趨勢，其中以16-1處理下生菜葉片含水量最高。從光周期與鋅互作效果看，16 h/8 h光周期處理下根施1 mg/L鋅對(duì)生菜葉片含水量的提升效果最好。

圖2 不同光周期下外源鋅對(duì)生菜葉片含水量的影響

2.3 不同光周期下外源鋅對(duì)水培生菜可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由圖3可知，在同一鋅濃度處理下，生菜可溶性蛋白質(zhì)含量隨光照時(shí)間的延長而逐漸增加，其中20-1處理下生菜中可溶性蛋白質(zhì)含量最高，其較12-1、16-1處理分別顯著增加了19.39%和25.57%。在同一光周期下，隨著鋅濃度的增加，可溶性蛋白質(zhì)含量也均呈上升趨勢。從光周期與鋅互作效果看，20 h/4 h光周期處理下根施1 mg/L鋅對(duì)生菜可溶性蛋白質(zhì)含量的提升效果較好。

圖3 不同光周期下外源鋅對(duì)生菜可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

2.4 不同光周期下外源鋅對(duì)水培生菜Vc含量的影響

由圖4可知，同一光周期處理下，生菜中Vc含量隨鋅濃度的增加均呈先上升后下降的趨勢，表明0.5 mg/L鋅濃度處理對(duì)生菜Vc含量增加效果最好。在16-0.5處理下生菜Vc含量最高，同一光周期處理下，其較16-0和16-1處理分別顯著增加了19.20%和62.31%；同一鋅濃度處理下，16-0.5處理較12-0.5和20-0.5處理的Vc含量分別增加了13.72%和45.34%。從光周期與鋅互作效果看，16 h/8 h光周期處理下根施0.5 mg/L鋅對(duì)生菜Vc含量的提質(zhì)效果最佳。

圖4 不同光周期下外源鋅對(duì)生菜Vc含量的影響

2.5 不同光周期下外源鋅對(duì)水培生菜可溶性糖、還原糖含量的影響

由圖5可知，同一光周期處理下，12 h/12 h處理的可溶性糖含量隨鋅濃度的增加而降低，還原糖含量則逐漸升高；16 h/8 h處理的可溶性糖含量隨鋅濃度的增加呈先降低后升高的趨勢，還原糖含量則逐漸降低；20 h/4 h處理的可溶性糖和還原糖含量隨鋅濃度的增加呈先降低后升高的趨勢。其中，20 h/4 h光周期處理對(duì)生菜中可溶性糖和還原糖含量促進(jìn)效果顯著，20-1處理下生菜可溶性糖和還原糖含量最高，較20-0和20-0.5處理的可溶性糖含量分別顯著增加了42.10%和48.17%。在同一鋅濃度處理下，生菜可溶性糖含量隨光周期延長呈總體上升趨勢，根施1 mg/L鋅處理下，20-1處理較12-1和16-1處理的可溶性糖含量分別顯著增加了1.42倍和0.69倍，還原糖含量分別顯著增加了0.83倍和3.69倍。從光周期與鋅互作效果看，20 h/4 h光周期處理下根施1.0 mg/L鋅對(duì)生菜可溶性糖和還原糖含量的提質(zhì)效果最佳，且光周期對(duì)生菜品質(zhì)的提升起主導(dǎo)作用，鋅濃度起調(diào)節(jié)作用。

圖5 不同光周期下外源鋅對(duì)生菜可溶性糖、還原糖含量的影響

2.6 不同光周期下外源鋅對(duì)水培生菜類黃酮、總酚含量的影響

由圖6可知，同一光周期下，12 h/12 h和16 h/8 h光周期處理下隨著鋅濃度增加，生菜類黃酮、總酚含量均呈先上升后下降的趨勢，在20 h/4 h光周期處理中呈逐漸下降趨勢，其中，16-0.5處理下生菜類黃酮含量較16-0和16-1處理分別顯著增加了1.62倍和0.31倍；12-0.5處理下較12-0和12-1的總酚含量顯著增加了51.46%和73.98%。同一鋅濃度下，16-0.5處理下較12-0.5和20-0.5處理的類黃酮含量分別顯著增加了0.21倍和1.40倍；12-0.5處理下較20-0.5的總酚含量顯著增加了1.77倍，其與16-0.5的總酚含量無顯著差異。從光周期與鋅互作效果看，在16-0.5處理下生菜類黃酮含量最高，在12-0.5處理下生菜總酚含量最高。綜合考慮，16-0.5處理對(duì)生菜類黃酮和總酚含量增加效果最好。

圖6 不同光周期下外源鋅對(duì)生菜類黃酮、總酚含量的影響

3 結(jié)論與討論

光是影響植物生長發(fā)育的一種重要環(huán)境因子，一方面光為植物光合作用提供能量，另一方面植物通過體內(nèi)光受體中的光敏色素感受光環(huán)境變化，傳導(dǎo)光信號(hào)并調(diào)節(jié)植物生理代謝反應(yīng)和物質(zhì)運(yùn)輸[25-26]。呂雪梅等[27]的研究結(jié)果表明，延長光周期可顯著促進(jìn)牛角椒的生長和生物量的積累。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在同一鋅濃度處理下，16 h/8 h和20 h/4 h光周期處理的生菜地上部干鮮重和地下部干鮮重均顯著高于12 h/12 h處理，其中，16 h/8 h光周期對(duì)生菜株高、葉長、葉片數(shù)、地上部干鮮重的增益效果最好，表明延長光周期可促進(jìn)生菜生長，這與吉家曾等[25]研究得出的延長光周期可提高生菜鮮重的結(jié)論基本一致。本研究結(jié)果還表明，16-0.5處理生菜的地上部干鮮重、葉片數(shù)和葉片含水量顯著高于20-0.5處理，主要是由于20 h/4 h光周期處理下的光照總量超過了日需總光能，導(dǎo)致光能過剩，從而降低了植株光合代謝，致使地上部生物量減少；另外20 h/4 h光周期處理的葉片含水量較低，不利于光合代謝，降低了光合產(chǎn)物的生成，影響生菜生長[28-29]。因此，16 h/8 h光周期處理更有利于生菜生長發(fā)育。

類黃酮和總酚等酚類物質(zhì)是植物體內(nèi)重要的次生代謝物，能夠有效清除自由基，提高植物抗氧化能力，緩解環(huán)境脅迫造成的傷害[30-31]。維生素C作為植物細(xì)胞中最重要的抗氧化劑，在保護(hù)葉綠體免于氧化損傷中起著重要的作用，同時(shí)也是蔬菜的主要品質(zhì)指標(biāo)[32]。本試驗(yàn)中，與其他光周期相比，20 h/4 h下生菜類黃酮、總酚、維生素C含量顯著下降，這與查凌雁等[30]研究發(fā)現(xiàn)的長日照處理下抗氧化物質(zhì)顯著增加來抵御活性氧造成的光氧化傷害的結(jié)果不一致，是因?yàn)?0 h/4 h下生菜中長日照脅迫時(shí)間過長，自身活性氧清除能力逐漸減弱，使類黃酮、總酚、維生素C含量下降。本研究結(jié)果表明，在單一光周期下，隨鋅濃度增加，Vc含量呈先上升后下降趨勢；16 h/8 h下更有利于類黃酮、總酚含量的增加，并在0.5 mg/L鋅濃度處理下類黃酮、總酚含量進(jìn)一步增加。因此，從光周期與鋅互作效果看，16-0.5處理顯著促進(jìn)了Vc、類黃酮和總酚含量。

可溶性糖、還原性糖和可溶性蛋白都是生菜營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)，可溶性糖是光合作用的直接產(chǎn)物，可溶性蛋白質(zhì)提供人體必需的能量和蛋白質(zhì)[33]。李海云等[34]發(fā)現(xiàn)，延長光周期有利于促進(jìn)黃瓜幼苗葉片合成蛋白質(zhì)來滿足植株正常生長發(fā)育的需要，還可提高可溶性糖含量進(jìn)而進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，緩解脅迫造成的傷害。本試驗(yàn)結(jié)果表明，20 h/4 h處理最有利于生菜可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和還原糖含量的增加，這與劉杰等[12]研究得出的長日照處理能提高生菜品質(zhì)的結(jié)論基本一致。與其他光周期下施鋅相比，12 h/12 h下施鋅更有利于可溶性蛋白質(zhì)、還原糖含量增加，并在1 mg/L鋅濃度下增加效果顯著，20 h/4 h下施鋅更有利于可溶性糖含量增加并在1 mg/L鋅濃度下可溶性糖含量進(jìn)一步增加。但有試驗(yàn)研究認(rèn)為，延長生菜的光照時(shí)間可造成其日光照總量過量，同時(shí)，降低了光合代謝的速率，減少光合產(chǎn)物的生成，另外光源的光譜和光照強(qiáng)度以及生菜品種的不同也會(huì)導(dǎo)致不同的研究結(jié)果[28]。從光周期與鋅互作效果看，20-1處理雖然顯著提高了生菜可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、還原糖含量，但長日照會(huì)抑制生菜地上部生長，從而影響生菜的產(chǎn)量。

綜上所述，從光周期處理上看，16 h/8 h光周期最有利于生菜生長和品質(zhì)的提高；從光周期與鋅處理的互作效果看，光周期對(duì)生菜生長和品質(zhì)的影響起主導(dǎo)作用，外源鋅起調(diào)節(jié)作用。另外，16-0.5處理較20-1處理更有利于生菜生長且節(jié)約成本。因此，從促進(jìn)生長、改善品質(zhì)及節(jié)約成本等角度考慮，本試驗(yàn)的最佳處理為16 h/8 h光周期下根施0.5 mg/L ZnSO4·7H2O。后續(xù)本課題組將以該組合為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探討補(bǔ)光和施鋅對(duì)生菜生長發(fā)育的積極調(diào)控作用，為實(shí)現(xiàn)設(shè)施生菜高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供依據(jù)。