灌溉水溫調整對冬夏季不結球白菜生長的影響

王利康,黃金陽,李彭麗,翁金洋,俞 靜,牛慶良

(上海交通大學農業(yè)與生物學院,上海 200240)

不結球白菜(Brassica campestrisssp.chinensisL.)生長周期短、產量高,可周年生產,是長三角地區(qū)主要的設施蔬菜之一,約占長江中下游大中城市蔬菜消費量的1∕3[1-2]。城市居民對蔬菜的穩(wěn)定消費,對長三角地區(qū)不結球白菜周年均衡生產提出了要求[1]。長三角地區(qū)冬季平均氣溫3—5℃,夏季平均氣溫26—28℃[3],而不結球白菜生長的上下限溫度分別為5℃和40℃,最適生長溫度為18—25℃[4]。冬季不結球白菜生長緩慢,生產周期長達60 d,無法滿足消費需求[1];夏季的高溫熱害使不結球白菜生長緩慢,品質下降,葉片黃化,死苗率高,導致其產量與經濟效益嚴重下降[1-2],因此,對長三角地區(qū)冬夏季不結球白菜節(jié)能高效生產的研究愈發(fā)重要。

溫度是植物生長發(fā)育的重要影響因子,溫度脅迫常導致植物的活性氧自由基含量上升,酶活性下降,膜系統(tǒng)結構破壞,凈光合速率下降等[5-6]。不結球白菜設施生產中常用的溫度調節(jié)方式具有一定的缺陷,如在加溫方式中,提高透光率可無耗能地提高溫室內溫度,但其可調節(jié)程度較低,受天氣影響較大;熱水管道加溫與熱風直接加溫等方式能耗大、成本高[7]。降溫方式中,遮陽降溫會導致光照下降;機械通風降溫與濕簾風機降溫則需要消耗大量電能[7-8]。溫光同步對于作物生長十分重要[9],在光照較強時段進行短時加溫比持續(xù)性加溫更有利于作物的生長發(fā)育,并節(jié)約能源[10-11]。有研究表明,溫室上部及四周的溫度與植物需求相關性不強,通過電熱線、毛細管網等對根系進行加溫,可充分滿足作物生長需求并降低能耗[12-13]。但已有的短時局部加溫系統(tǒng)小而復雜,難以用于不結球白菜的工廠化生產。

目前,針對設施栽培進行短時局部溫度調整的研究主要集中在番茄、黃瓜、油菜等作物上,針對土壤栽培不結球白菜的相關研究鮮有報道[10-11,14-15]。本試驗創(chuàng)新性地利用灌溉水調節(jié)不結球白菜根區(qū)及冠層溫度,探索其可行性及對不結球白菜生長的影響,以期為長三角地區(qū)冬夏季設施不結球白菜的高產優(yōu)質低耗提供新的輔助策略。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為不結球白菜,品種為‘新夏青1號’,由上海市農業(yè)科學院設施園藝研究所提供。供試土壤取自上海市交鑫生物科技有限公司下屬農場,理化性質為pH 6.9,EC 2.21 mS·cm-1,有機質、全碳及全氮含量分別為80.2 g·kg-1、46.5 g·kg-1及4.8 g·kg-1,速效氮磷鉀含量分別為729 mg·kg-1、70.5 mg·kg-1及1 457 mg·kg-1。

1.2 試驗方法

試驗于2019年12月—2020年2月(冬季)和2020年6—8月(夏季)在上海交通大學農業(yè)與生物學院Venlo型溫室內進行。冬夏季試驗各設置4個處理,每處理種植3個土培槽,槽長55 cm、寬35 cm、高7 cm,不結球白菜直播于土培槽中,株距5 cm,每槽10×6=60株。為確保不燙傷或凍傷植株,灌溉水溫范圍為0—60℃,各處理熱量調整值見表1,生長周期內不再追肥,從不結球白菜三葉一心時期開始處理,至八葉一心時期采收。采用HOBO-U330微型氣象站監(jiān)測土壤含水量,冬季每日9:00噴灌一次,夏季每日11:00噴灌一次,使土壤含水量維持在70%左右,灌溉水量及水溫按如下公式設置。

表1 冬夏季各處理熱量調整值Table 1 Heat adjustment value of each treatment in winter and summer

灌溉水量=(70%-灌溉前含水量)×土壤體積;

灌溉水溫=根區(qū)溫度+熱量調整值∕(灌溉水量×水的比熱容)。

1.3 項目測定

1.3.1 環(huán)境溫度

采用HOBO-U330微型氣象站采集溫室內氣溫、冠層溫度(地面上5 cm)與根區(qū)溫度(地面下5 cm),采集頻率為30 s一次,并以5 min的平均值作為記錄值[4]。

1.3.2 植株生長勢與產量指標

采收時測定相關指標。葉片數為完全展開的真葉數(葉片長度≥1 cm);株高、莖粗用游標卡尺(精度0.01 mm)測定[16];葉面積用掃描儀(EPSON PERFECTION V700 PHOTO)掃描得到圖像,再用圖像分析軟件Image J 1.8.0分析得到[17];根系表面積、總根長、根尖數以清水洗凈根系后用掃描儀掃描得到圖像,再用根系分析軟件WinRHIZO(2007d)分析得到[15];植株鮮重、根系鮮重使用電子天平(PL602-L,精度0.000 1 g)測定;植株干重、根系干重測量方法為:先105℃殺青30 min,再60℃烘干至恒重,使用電子天平測定[4,16]。

1.3.3 品質指標

采收時取真葉鮮樣測定不結球白菜品質指標?？扇苄缘鞍缀坎捎每捡R斯亮藍G-250法測定[16];可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[16];維生素C(VC)含量采用鉬藍比色法測定[16]。

1.3.4 脅迫指標

采收前一天測定,取樣時間為灌溉前0.5 h及灌溉后0.5 h、1.5 h、2.5 h、3.5 h[11,16,18]。過氧化氫(H2O2)含量采用硫酸鈦比色法測定,超氧陰離子(OFR)含量采用羥胺氧化反應法測定(H2O2及OFR含量測定試劑盒購自蘇州科銘生物技術有限公司)。丙二醛(MDA)含量采用TBA法測定[16];相對電導率(REC)測定方法為:將葉片抽真空浸泡于10 mL超純水中3 h,用電導率儀(FE38-STANDARD)測定液體電導率(a1),然后煮沸30 min,冷卻至室溫后測定液體電導率(a2),REC=(a1∕a2)×100%[16]。

1.3.5 光合作用相關指標

葉綠素含量采用乙醇比色法測定[16],采收時取樣;光合氣體交換參數在采收前一天測定,測定時間為灌溉前0.5 h及灌溉后0.5 h、1.5 h、2.5 h、3.5 h[11,16,18],凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度使用GFS-3000系統(tǒng)測定,測定時溫度設定為25℃,光強設定為600 μmol·m-2·s-1,CO2濃度設定為0.04%,相對濕度設定為50%[15,19]。

以上所有指標測定均隨機取樣,3次重復。

1.4 數據處理

試驗數據采用SPSS 22.0軟件處理,并進行顯著性差異分析以及相關性分析,處理間均值多重比較用Duncan’s新復極差法,并采用Graphpad prism 7軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 環(huán)境溫度

由圖1可見,溫室內日最高氣溫受日照強度影響較大,天氣晴朗時日最高氣溫較高。冬季溫室內最高氣溫為42.24℃,最低氣溫為0.52℃,平均氣溫為12.58℃;夏季溫室內最高氣溫為47.96℃,最低氣溫為19.04℃,平均氣溫為28.02℃。冬夏季平均氣溫均不在不結球白菜最適生長溫度(18—25℃)范圍內,需要進行溫度調節(jié)。

圖1 試驗期間溫室內日最低溫(LT)、最高溫(HT)及平均溫度(MT)Fig.1 Daily minimum temperature(LT),maximum temperature(HT)and average temperature(MT)in greenhouse during the experiment

2.2 熱量調整對冠層及根區(qū)溫度的影響

由圖2可見,冬季試驗中,對照組W0的冠層溫度和根區(qū)溫度分別在9:00—10:00和9:00—11:00低于不結球白菜最適溫度(18—25℃);W1與W2處理的短時熱量補充可迅速使不結球白菜冠層及根區(qū)溫度達到其最適生長溫度并維持1—2 h;W3處理在部分時間段超過其最適生長溫度。夏季試驗中,對照組S0在中午的冠層與根區(qū)溫度均超過不結球白菜最適生長溫度,12:00左右冠層溫度甚至超過其生長上限溫度(40℃);S1—S3處理的短時熱量虧損可迅速使不結球白菜冠層及根區(qū)溫度降至其最適生長溫度并維持1—2 h。此外,熱量調整值的絕對值越大,根區(qū)及冠層溫度改變速率越快,峰值越明顯,較對照組溫度改變的時長越長;同處理內,根區(qū)較冠層的溫度峰值出現時間晚,溫度較對照組改變的時長長,表明根區(qū)土壤對熱量有較強的緩沖能力。

圖2 不同熱量調整處理的冠層及根區(qū)溫度變化Fig.2 Temperature changes of canopy and root zone of different heat adjustment treatments

2.3 熱量調整對不結球白菜生長指標的影響

由表2可見,冬季試驗中W2處理的不結球白菜在株高、莖粗與葉片數方面均最高,與對照組W0的葉面積、總根長、根系表面積及根尖數均差異顯著,分別提高了23.97%、43.51%、57.85%和35.97%。與W0處理相比,W2處理的不結球白菜根系干鮮重分別提高了77.50%與73.49%,地上部干鮮重分別提高了32.96%與36.81%,表明適度熱量補充可顯著促進不結球白菜生長。而W3處理的不結球白菜長勢普遍弱于W2處理,其生物量比W2處理降低了42.30%,表明過多的熱量補充對不結球白菜生長具有不利影響。

表2 冬夏季熱量調整對不結球白菜生長指標的影響Table 2 Effects of heat adjustment on growth indexes of non-heading Chinese cabbage in winter and summer

夏季試驗中不結球白菜株高與葉長寬比隨熱量虧損值的增加而降低,S2處理的不結球白菜莖粗比對照組S0提高了27.05%,表明適度熱量虧損可使其植株矮壯,從而改善夏季不結球白菜的徒長狀況。與S0相比,S2處理的不結球白菜的葉面積、總根長、根系表面積及根尖數均顯著提高,分別提高了34.02%、32.11%、41.30%和50.80%。S2處理的不結球白菜地上、下部干鮮重均高于S0,與產量直接相關的地上部鮮重顯著提高了32.49%,表明適度的熱量虧損可提高夏季不結球白菜產量。而S3處理的不結球白菜長勢顯著弱于S2,生物量降低了24.40%,表明過多的熱量虧損不利于不結球白菜生長。

2.4 熱量調整對不結球白菜品質指標的影響

由表3可見,不同處理不結球白菜的可溶性糖含量差異顯著,可溶性蛋白含量與VC含量差異不顯著。冬季試驗中,可溶性糖含量表現為W2＞W3＞W1＞W0,其中W2處理比W0提高了32.55%;夏季試驗中,S2處理的不結球白菜可溶性糖含量比S0提高了12.92%。試驗表明,冬夏季適度熱量調整可顯著提高不結球白菜的可溶性糖含量。

表3 冬夏季熱量調整對不結球白菜品質指標的影響Table 3 Effects of heat adjustment on quality indexes of non-heading Chinese cabbage in winter and summer mg·g-1

2.5 熱量調整對不結球白菜光合色素含量及光合氣體交換參數的影響

由圖3可見,冬季各處理不結球白菜的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素與總光合色素含量均表現為W2＞W1＞W0＞W3,其中,W2處理的不結球白菜比對照組W0分別顯著提高了37.32%、33.01%、52.56%與37.87%;而W3處理的不結球白菜總光合色素含量比W2處理下降了39.63%。夏季各處理不結球白菜的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素與總光合色素含量均表現為S2＞S1＞S0＞S3,其中,S2處理的不結球白菜比對照組S0分別顯著提高了12.41%、6.53%、13.28%與11.36%;而S3處理的不結球白菜的總光合色素含量比S2處理下降了21.33%。試驗表明,適度的熱量調整可提高光合色素含量,而過度的熱量調整則會降低光合色素含量。

圖3 冬夏季熱量調整對不結球白菜光合色素含量的影響Fig.3 Effects of heat adjustment on photosynthetic pigment content of non-heading Chinese cabbage in winter and summer

由圖4可見,冬季灌溉前后(9:00),對照組W0的不結球白菜的凈光合速率逐漸上升,蒸騰速率與氣孔導度趨勢大致與凈光合速率相同。分析冬季不同處理間灌溉前后光合氣體交換參數的變化,在灌溉前0.5 h,W1與W2處理的不結球白菜的凈光合速率顯著高于W0與W3處理;灌溉后,W1、W2與W3處理的不結球白菜的凈光合速率迅速上升,在灌溉后0.5—1.5 h內顯著高于W0。此外,在灌溉后0.5 h時,W1、W2與W3處理的不結球白菜的蒸騰速率與氣孔導度均顯著上升,表明冬季適度熱量補充可以快速提高不結球白菜的凈光合速率。

圖4 冬夏季熱量調整對不結球白菜光合氣體交換參數的影響Fig.4 Effects of heat adjustment on photosynthetic gas exchange parameters of non-heading Chinese cabbage in winter and summer

夏季中午高溫下不結球白菜存在午休現象,對照組S0的不結球白菜的凈光合速率、蒸騰速率與氣孔導度均呈下降趨勢,在13:30之后接近0。分析夏季不同處理間灌溉前后(11:00)光合氣體交換參數的變化,在灌溉后0.5—3.5 h,S1與S2處理的不結球白菜的凈光合速率、蒸騰速率與氣孔導度均呈下降趨勢,但均高于對照組S0。S3處理的不結球白菜在灌溉后0.5 h時,凈光合速率、蒸騰速率與氣孔導度均較S0顯著下降,隨后上升,在1.5—3.5 h時呈下降趨勢,但高于S0。試驗表明,夏季適度熱量虧損可提高凈光合速率,延緩由高溫引起的午休現象。

2.6 熱量調整對不結球白菜脅迫指標的影響

由圖5可見,冬季灌溉前后(9:00)各處理間不結球白菜的OFR、H2O2含量均為W3＞W0＞W1＞W2;MDA含量與REC均為W0=W3＞W1＞W2。W2處理的不結球白菜在4個指標上均顯著低于對照組W0,即冬季適度熱量補充可顯著緩解不結球白菜的溫度脅迫。夏季灌溉前后(11:00),S0和S3處理的不結球白菜的OFR、H2O2含量高于S1和S2處理。各處理不結球白菜的MDA含量為S0＞S3=S1＞S2,REC為S0＞S3＞S1＞S2。S2處理的不結球白菜在4個指標上均顯著低于對照組S0,即夏季適度熱量虧損可顯著緩解不結球白菜的溫度脅迫。

圖5 冬夏季熱量調整對不結球白菜脅迫指標的影響Fig.5 Effects of heat adjustment on stress indexes of non-heading Chinese cabbage in winter and summer

3 討論與結論

植株體溫較環(huán)境溫度更確切、直接影響作物的生長發(fā)育[12],本試驗利用灌溉水溫調節(jié)冠層及根區(qū)溫度,可直接調整植株體溫;以熱量為調整標準而非溫度,則更便于工廠化生產中的智能調控。傳統(tǒng)設施加溫方式中,提高透光率及光照時間對溫度調節(jié)程度較低[7],且溫度升高遲滯于光照;冬季在9:00進行溫水噴灌可以迅速提高植株溫度,實現光熱同步,提高光合速率。對整間溫室的熱水管道加溫與熱風直接加溫等方式能耗大、成本高[7],而本研究所需的灌溉水溫調整最適處理W2所用水溫一般在40—50℃,可使用工業(yè)余熱[20],且可利用原有噴灌系統(tǒng),無需架設新的加熱裝置,極大地降低了成本。傳統(tǒng)設施降溫方式中,遮陽降溫會導致光照下降[7];機械通風降溫與濕簾風機降溫則需要消耗大量電能[7-8],針對作物局部區(qū)域進行降溫的設施尚不多見,本研究在夏季11:00進行冷水噴灌,緩解了日最高溫對不結球白菜的熱傷害。所用的低溫水可以取自當前在材料領域研究熱點之一的涂料降溫,即利用特殊涂料反射輻射等方式無能耗獲得低溫水[21],從而極大降低夏季設施不結球白菜的生產成本。在提高光合色素含量及光合速率、緩解溫度脅迫、促進根系生長等方面,試驗結果與前人研究相似[10-11,15]。除此之外,本研究發(fā)現,夏季短時熱量虧損可緩解不結球白菜午休現象,促進氣孔開放,提高光合作用速率及時長,促進有機物積累,提高產量。此外,夏季熱量虧損還可以提高莖粗,降低株高,降低葉長寬比,使夏季高溫情況下不結球白菜徒長狀況得以控制,提高其商品性狀,這可能與ABA與乙烯的共同作用有關[22]。而W3與S3處理不結球白菜的產量、根系指標、光合速率均比最適處理有所降低,且MDA含量及REC均有一定程度上升,即短時熱量處理強度過大導致不結球白菜受脅迫程度上升,對其生長造成不利影響。

本試驗表明,通過適度調節(jié)灌溉水溫(冬季升高水溫,夏季降低水溫)對不結球白菜根區(qū)及冠層進行熱量調整,對不結球白菜品質影響不大,但可顯著提高其產量。其中,最適熱量調整組為W2(冬季每日9:00補充熱量400 kJ·m-2·d-1)與S2(夏季每日11:00降低熱量400 kJ·m-2·d-1),相比于對照組(W0和S0),W2與S2處理不結球白菜的產量分別提高了36.81%與32.49%。短時間效應上,灌溉后,可使不結球白菜根區(qū)及冠層溫度在一定時間內維持于其適宜生長溫度范圍,降低溫度脅迫并提高光合速率;長時間效應上,其主要是通過促進根系生長、增大葉面積、提高光合色素含量并緩解溫度脅迫來實現。