光周期對植物工廠水芹產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

李政璞，佟 靜，王素娜，李炎艷，王麗萍，梁 浩，武占會

（1北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究所，北京 100097；2邯鄲市峰峰礦區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北邯鄲 056200；3農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點實驗室，北京 100097；4河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院，河北邯鄲 056038；5邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北邯鄲 056001）

0 引言

人工光合植物工廠的生產(chǎn)優(yōu)勢有很多。如能夠使作物達(dá)到周年高產(chǎn)、能夠操控作物生長環(huán)境、水肥管理更簡化。如何達(dá)到蔬菜在立體多層的栽培空間產(chǎn)量高、品質(zhì)好，人工植物工廠是關(guān)鍵途徑[1]。人工植物工廠的作物產(chǎn)量比露地栽培的產(chǎn)量高出十幾倍[2]。植物工廠適宜生長，并且能縮短作物生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)量和品質(zhì)[3-4]。光對植物的生長有一定的影響，光能夠促進(jìn)植物光合作用；光照強度和光質(zhì)在植物生長發(fā)育過程中對作物生長有關(guān)鍵性作用[5]。植物進(jìn)行光合作用時，會隨著環(huán)境中光照條件的改變產(chǎn)生適應(yīng)性應(yīng)答[6]。不同植物對光周期的反應(yīng)有差異，據(jù)研究結(jié)果表明，扁莖大豆[7]、甜瓜[8]和蕓苔[9]對光環(huán)境要求的周期不一樣，由此可見，蔬菜的種類不同需要的光周期也不盡相同，通過對比作物差異，研究適宜的光環(huán)境對作物的生產(chǎn)投入有積極意義。

水芹(Oenanthe javanica)屬傘形科多年生水生草本植物[10]，又稱牛草、小葉芹、野生芹菜等。水芹的病蟲害不多，有較好收成，適應(yīng)性廣，在中國水鄉(xiāng)大面積種植，每年種植面積約17000 hm2。水芹的營養(yǎng)價值極高，含有很多對身體有益的物質(zhì)，如膳食纖維、黃酮類等，含有人體所需的鈣、磷、鐵等營養(yǎng)物質(zhì)，水芹具有清熱解毒、清肝利膽等醫(yī)療功效[11]。楊建林等[12]研究表明，水芹內(nèi)所含有的維生素C成分高達(dá)5.0 mg/100 g，明顯高于其他蔬菜；維生素C可以促進(jìn)宮頸癌細(xì)胞凋亡基因蛋白的活化。據(jù)調(diào)查研究，水芹藥用價值明顯，有廣闊的市場需求。每一種蔬菜對光環(huán)境的要求都有所不同，研究對適宜的光環(huán)境，對作物的生產(chǎn)具有積極的作用。本試驗對不同光周期水芹產(chǎn)量、品質(zhì)進(jìn)行研究，以期為植物工廠高效栽培水芹提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

供試品種為日本水芹，于2019年11月—2020年1月在北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心(116°29'E、39°94'N)人工光型植物工廠水培系統(tǒng)中培養(yǎng)。營養(yǎng)液為國家蔬菜工程技術(shù)研究中心專用營養(yǎng)液。

試驗采用穴盤育苗，11月9日播種，待幼苗3葉1心時選取長勢均勻一致的水芹苗，以株距4 cm、行距7 cm均勻定植到6孔格盤上。試驗設(shè)4個處理（表1），每個處理10株，3次重復(fù)。試驗期間光照強度160 μmol/(m2·s)，溫度 18～22℃ ，相對濕度為 50%～70%，CO2濃度為(1500±30)μmol/mol，每10天更換1次營養(yǎng)液；每7天測1次營養(yǎng)液的EC和pH，營養(yǎng)液保持在pH 6.0±0.2之間。

表1 各處理光周期設(shè)置

1.2 測定指標(biāo)

1.2.1 生長指標(biāo)測定 試驗在2019年11月15日測定水芹各項生長指標(biāo)，每隔7天隨機選定10株水芹測定植株的各項指標(biāo)。用直尺測量水芹株高，用游標(biāo)卡尺測量莖粗，計算葉片數(shù)時要選取葉寬大于2 cm的葉片。采用電子天平測定單株鮮重，在105℃下殺青15 min，75℃烘干至恒重，測定干重，測定時對幼苗均隨機取樣，每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)測定5次。以收獲單個營養(yǎng)液栽培盤（面積為0.410 m2）內(nèi)的水芹質(zhì)量(kg)為產(chǎn)量并計算總產(chǎn)量，如式(1)。

1.2.2 生理指標(biāo)測定 葉綠素含量反映了作物的光合能力。采用乙醇浸提比色法測定葉片光合色素含量[13]，選取植株從上往下數(shù)第4～5片葉片，除去主葉脈，均勻剪碎，稱量0.1 g放入玻璃試管中，倒入10 mL的95%乙醇，暗處理24 h左右，直到葉片變?yōu)榘咨?，在紫外分光光?65、649、470 nm下進(jìn)行比色（并以95%的乙醇溶液作為對照）。使用Epson Perfection V800 Photo根系掃描儀。

1.2.3 光合氣體交換參數(shù)的測定 采用LI-6400型光合儀（LI-COR公司，美國）于晴天上午9:00—11:00測定，采用LED光源，CO2濃度為400 μmol/mol，PAR為1000 μmol/(m2·s)。每個處理選取長勢一致的水芹，測定同一部位的葉片并測3株，測定的參數(shù)包括Pn、Ci、Gs、Tr。

1.2.4 葉片顯微結(jié)構(gòu)的測定 于晴天上午9:00—11:00，取水芹第4片葉葉脈中部5 mm×5 mm方塊，置于FAA固定液中，真空固定1天，經(jīng)處理后于蔡司顯微鏡下觀察[14]。每組9張切片，每張切片3個視野測量葉片上下表皮、柵欄組織及海綿組織厚度并計算柵/海比、海綿組織厚度/葉片厚度、柵欄組織厚度/葉片厚度。柵欄組織越厚，排列越緊密，葉片光合能力越強。

1.2.5 品質(zhì)指標(biāo)測定 采用2,6-二氯酚靛酚比色法測定Vc含量[15]，考馬斯亮藍(lán)比色法測定可溶性蛋白含量[16]，紫外分光光度法測總黃酮含量[17]，紫外分光光度法測定硝酸鹽含量(NY/T 1279—2007)[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件處理及作圖，運用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，Duncan檢驗差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 光周期對植物工廠水芹植株生長的影響

從表2可知，作物水芹的植株隨著光照間隔時長的增加，作物的葉片數(shù)、葉片長、葉片寬、株高、莖粗、分蘗數(shù)均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢。其中，T2處理的水芹的株高明顯高于T4處理；各指標(biāo)在T1和T3處理之間無顯著性差異。T2處理的水芹的株高和莖粗與T1、T3、T4處理相比，分別顯著增加了16.3%、22.0%、31.7%和6.8%、17.5%、14.6%。

表2 光周期對植物工廠水芹對水芹生長指標(biāo)的影響

2.2 光周期對植物工廠水芹地上、地下部分干鮮重和單株產(chǎn)量的影響

由表3可以看出，不同的光周期處理對水芹株高、莖粗、地上部鮮重和根系鮮重的影響呈顯著性的差異。在光周期為T2處理時，水芹的地上部鮮重和地上部干重數(shù)值最大，T1、T3、T4處理與T2處理相比呈差異性顯著；其中T1和T3處理之間無顯著性差異。T2處理水芹的全株鮮重和干重比T1處理提高了11.3%和10.8%，比T3處理提高了16.9%和15.2%，比T4處理顯著提高了39.8%和30.7%。水芹產(chǎn)量以T2處理表現(xiàn)最佳，為3.22 kg/m2，分別比T1、T3、T4處理顯著提升了11.3%、16.9%、39.8%。

表3 光周期對植物工廠水芹地上、地下部分干鮮重和單株產(chǎn)量的影響 g/株

2.3 光周期對植物工廠水芹的葉綠素含量影響

延長光照周期，水芹的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢（表4）。其中，T2處理下的葉綠素a和類胡蘿卜素含量最高。T2處理的葉綠素a分別比T1高32.2%，比T3高42.1%；T2處理下的葉綠素a分別比T1、T3和T4處理提高了25.6%、28.6%和42.4%。T1與T2處理、T3與T4處理的葉綠素b含量差異不大；T4處理的葉綠素b含量分別低于T1、T2、T3處理，顯著降低了32.2%、33.3%、14.9%。

表4 光周期對植物工廠水芹的葉綠素含量影響

2.4 光周期對植物工廠水芹根系結(jié)構(gòu)的影響

表5結(jié)果表明，水芹各項根系結(jié)構(gòu)指標(biāo)在T2處理下的表現(xiàn)最優(yōu)，根系總體積為8.68 cm3，分別比T1、T3、T4處理顯著提高了14.2%、24.2%、49.7%。T1和T3處理下的水芹各項根系指標(biāo)之間無顯著差異，且均高于T4處理。

表5 光周期對植物工廠水芹植株根系結(jié)構(gòu)的影響

2.5 光周期對植物工廠水芹葉片光合參數(shù)影響

不同光周期處理對水芹葉片的光合特性影響較為顯著（表6）。隨光照周期的延長，水芹的參數(shù)Pn、Gs、Ci和Tr呈先升后降的趨勢，且在T2處理時水芹的Pn、Gs、Tr達(dá)到最大值。光周期對水芹作物的Ci影響不顯著。

表6 光周期對植物工廠水芹植株葉片光合參數(shù)影響

2.6 光周期對植物工廠水芹品質(zhì)的影響

表7結(jié)果表明，不同光照周期顯著影響了水芹的品質(zhì)。其中，硝酸鹽含量隨光照時間的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢，而總黃酮、多酚含量則隨光照時間的增加而增加；其中T1、T2和T3處理之間無顯著差異，且均與T4處理差異顯著。維生素C和可溶性蛋白的含量以光照T2處理最佳，以T4處理最低；T2處理分別比T1、T3、T4處理增加了19.6%、22.3%、38.1%和8.4%、9.1%、14.9%。T4處理的總黃酮含量分別比T1、T2、T3處理降低了6.8%、10.5%、5.1%。T4處理多酚含量分別比T1、T2、T3處理降低了19.1%、23.2%、17.4%。T4處理的硝酸鹽含量最高，分別比T1、T2和T3處理提高了3.5%、6.1%和6.7%。探究水芹各項品質(zhì)指標(biāo)，T1和T3處理之間無顯著性差異。

表7 光周期對植物工廠水芹植株品質(zhì)的影響

2.7 光周期對植物工廠水芹顯微結(jié)構(gòu)影響

光學(xué)顯微鏡下觀察植株的葉片結(jié)構(gòu)圖（葉片結(jié)構(gòu)由上下表皮、柵欄組織和海綿組織構(gòu)成）。由表8可得，T1、T2、T3和T4處理的水芹葉片柵欄組織厚度和海綿組織厚度差異性顯著。其中，T2處理的組織結(jié)構(gòu)緊密度（柵欄組織/葉片厚）較高。

表8 光周期對植物工廠水芹植株顯微結(jié)構(gòu)的影響

3 討論

不同光周期對植物生長發(fā)育有一定的影響[19]，研究4種不同光周期對水芹生長和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，光照時間由10 h/天增至14 h/天時，水芹的葉片數(shù)、地上部干鮮重、根干鮮重、葉面積等都呈先升高再降低的趨勢，在光照明暗周期為7 h/5 h時作物產(chǎn)量與品質(zhì)最佳。這與前人研究結(jié)果一致，光照時長的延長顯著提高了青梗菜生長速率和產(chǎn)量[20]。薛歡等[21]研究發(fā)現(xiàn)，短日照處理（光照時長7 h和10 h），光照時長縮短，金銀花葉片中葉綠素含量減少；陳瑤瑤等[22]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)短光照處理可以使苦瓜可溶性蛋白質(zhì)含量升高。研究表明，增加光照時間可以促進(jìn)植物生長，植株體內(nèi)光合產(chǎn)物的積累增加。不同植物對光合產(chǎn)物的運輸和分配能力不同，在最佳光周期下繼續(xù)延長光照時間并不利于光合產(chǎn)物的積累。

光是植株葉綠體的發(fā)育和葉綠素合成中不可或缺的因素。光合色素在植株體內(nèi)起著吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換光能的重要作用。適當(dāng)延長光照時間不僅可以增加植物的光合作用時間，而且可以刺激光敏色素的信號轉(zhuǎn)換，從而誘導(dǎo)植物硝酸還原酶（植物硝酸鹽代謝過程中的關(guān)鍵酶）的基因表達(dá)，最終提高硝酸還原酶的活性[23]，有利于硝酸鹽在植物體內(nèi)同化。同時，植物光合作用產(chǎn)生的碳水化合物可以分解稀釋植物硝酸鹽，酸還原過程提供了植株必要的能量和物質(zhì)。并且延長光周期有利于植物對硝酸鹽的同化率的增加，植株干重也會隨之增加[24]。由于葉片柵欄組織中含有大量的葉綠體，柵欄組織厚度和緊密程度直接體現(xiàn)了葉片光合能力的強弱[25]，葉片顯微結(jié)構(gòu)則間接驗證了上面的結(jié)論，結(jié)果顯示T2處理葉片柵欄組織厚度較高，緊密度（柵欄組織/葉片厚）較高，海綿組織疏松，葉片顯微結(jié)構(gòu)較好。在本研究中，隨著水芹葉片光照時間的增加，可溶性蛋白質(zhì)含量增加，與光合產(chǎn)物的增加有關(guān)，水芹產(chǎn)量、品質(zhì)和光照暗周期由7 h/5 h增至14 h/10 h時，葉片可溶性蛋白質(zhì)含量下降，表明間歇5 h/天光照更適合水芹的總光照需求。由此可知，光間歇時間延長，光合代謝降低，光合產(chǎn)物降低[26]。因此，在實際生產(chǎn)中，可以適當(dāng)延長光照時間，促進(jìn)水芹的生長，縮短采收時間，有效降低水芹體內(nèi)硝酸鹽的含量。

4 結(jié)論

在人工光型植物工廠中運用LED光源，以不同光周期照射水芹，以水芹為試材探究其生長規(guī)律與品質(zhì)的變化。試驗結(jié)果表明，隨著光照間歇時間的增加，水芹的株高、莖粗、葉片長、葉片寬、葉片數(shù)、分蘗數(shù)均呈先升上升后下降的趨勢。在明暗循環(huán)周期7 h/5 h時各生長指標(biāo)達(dá)到峰值?？傸S酮含量、維生素C含量、多酚含量、可溶性蛋白以及硝酸鹽含量均在T2光照處理下表現(xiàn)最佳。因此可得，在等能耗基礎(chǔ)上，光照時間由每天10 h(14 h/10 h)延長到14 h(7 h/5 h)，有利于水芹株高增加、產(chǎn)量提升和品質(zhì)改善。