營(yíng)養(yǎng)液配方優(yōu)化及其對(duì)水培生菜生長(zhǎng)和生產(chǎn)效率的影響

喬佳樂(lè),郭美玲,竇煜煒,魏珉,2,張大龍,2,李巖,2*

營(yíng)養(yǎng)液配方優(yōu)化及其對(duì)水培生菜生長(zhǎng)和生產(chǎn)效率的影響

喬佳樂(lè)1,郭美玲1,竇煜煒1,魏珉1,2,張大龍1,2,李巖1,2*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 山東 泰安 271018

采用三因子二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液配方中的元素濃度進(jìn)行優(yōu)化，并建立了以元素濃度為變量因子，生菜產(chǎn)量和品質(zhì)為目標(biāo)函數(shù)的三元二次數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)模型解析表明，水培生菜的優(yōu)化配方為氮6.2146～6.2630 mmol·L-1、磷0.4934～0.4983 mmol·L-1、鉀3.8396～3.8945 mmol·L-1、鐵0.0688～0.0693 mmol·L-1、硼0.0464～0.0470 mmol·L-1、錳0.0098～0.0102 mmol·L-1、鎂0.4876～0.5401 mmol·L-1、鋅0.0007～0.0008 mmol·L-1、銅0.0003～0.0004 mmol·L-1。與山崎（葉用萵苣）配方（CK1）和園試配方（CK2）相比，優(yōu)化后的配方能夠顯著促進(jìn)生菜植株生長(zhǎng)，增強(qiáng)其植株光合能力和根系活力及其對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力，進(jìn)而提高生菜單株產(chǎn)量且改善其可溶性蛋白、Vc、纖維素等品質(zhì)，其中生菜根系活力、Vc含量、單株產(chǎn)量較兩對(duì)照分別提高了15.1%、26.4%、24.7%和48.3%、39.0%、36.3%。此外，優(yōu)化配方處理下生菜采收天數(shù)較CK1和CK2分別提前2和5 d；與兩對(duì)照相比，優(yōu)化配方處理下生菜單株效益和產(chǎn)投比均顯著提高，較CK1和CK2分別提高了25.2%、41.1%和36.0%、94.0%。因此，優(yōu)化配方對(duì)于實(shí)現(xiàn)水培生菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培具有重要意義。

生菜; 營(yíng)養(yǎng)液; 配方施肥

營(yíng)養(yǎng)液是水培葉類蔬菜的關(guān)鍵因素之一，其各營(yíng)養(yǎng)元素的濃度對(duì)葉類蔬菜的生長(zhǎng)有著重要影響[1]。有研究表明，在經(jīng)典營(yíng)養(yǎng)液配方的基礎(chǔ)上對(duì)各元素濃度進(jìn)行優(yōu)化，能夠提高葉類蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)[2,3]。楊小鋒等[4]采用三因素五水平正交試驗(yàn)，在山崎（葉用萵苣）配方的基礎(chǔ)上優(yōu)化氮磷鉀濃度，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低氮和鉀濃度，提高磷濃度可以促進(jìn)生菜生長(zhǎng)，且當(dāng)?shù)租洕舛确謩e為3.07 mmol·L-1、0.58 mmol·L-1、2.67 mmol·L-1時(shí)生菜可獲得最大產(chǎn)量與最佳品質(zhì)。付曉忠[5]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)霍格蘭配方和微量元素通用配方中的氮、磷、鉀、硼、錳、鋅、銅、鉬等元素進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可滿足生菜對(duì)養(yǎng)分的需求，改善其品質(zhì)。因此，對(duì)一些經(jīng)典營(yíng)養(yǎng)液配方中的元素濃度進(jìn)行優(yōu)化可使葉類蔬菜達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。

生菜（L.）屬菊科萵苣屬，具有生長(zhǎng)期短、便于管理、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等特征，深受人們喜愛(ài)。目前對(duì)生菜營(yíng)養(yǎng)液配方的優(yōu)化主要集中在氮磷鉀方面，而對(duì)其他元素的優(yōu)化研究較少。二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)[6]具有處理數(shù)少，獲得信息量大，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在蔬菜等作物肥料配施方案中應(yīng)用非常廣泛[7,8]。因此，本試驗(yàn)采用二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)，對(duì)山崎（葉用萵苣）配方和微量元素通用配方進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)元素優(yōu)化，進(jìn)而研究營(yíng)養(yǎng)液優(yōu)化配方對(duì)水培生菜形態(tài)指標(biāo)、品質(zhì)指標(biāo)、光合參數(shù)、營(yíng)養(yǎng)元素吸收量以及經(jīng)濟(jì)效益的影響，優(yōu)化用于生菜的營(yíng)養(yǎng)元素濃度方案，以期為植物工廠水培生菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

供試材料選用‘意大利生菜’，試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)泮河校區(qū)園藝試驗(yàn)站人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。育苗時(shí)，選取飽滿且均勻一致的種子直接播于聚氨酯泡沫小方塊中（2 cm × 2 cm × 2 cm），之后放置于泡沫育苗盤（59 cm × 29 cm × 3 cm）中，并在25 ?C遮光條件下進(jìn)行催芽，1 d后種子露白及時(shí)見(jiàn)光。待生菜幼苗子葉展平時(shí)定植于生長(zhǎng)箱栽培盤中（60 cm × 40 cm × 6 cm），照射光量子通量密度為250 μmol·m-2·s-1的白光，光周期為14 h/10 h，晝夜溫度25 ?C/18 ?C，濕度70±5%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1營(yíng)養(yǎng)液元素濃度的優(yōu)化以山崎（葉用萵苣）配方和微量元素通用配方中的元素濃度為基礎(chǔ)，采用二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)，設(shè)置元素濃度的上、下水平分別為原濃度±15%，再根據(jù)各因素變化間距確定各處理中元素濃度(表1）。最后以生菜產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)的綜合評(píng)分為主要觀測(cè)值，確定配方中最優(yōu)的元素濃度范圍，得到水培生菜優(yōu)化配方。

表 1 元素濃度配比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2 水培生菜優(yōu)化配方的驗(yàn)證以山崎（葉用萵苣）配方（CK1）和1/2倍的園試配方（CK2）為對(duì)照，以優(yōu)化配方為處理（T）進(jìn)行驗(yàn)證，各處理元素組成及鹽類化合物用量見(jiàn)表2。

表 2 不同處理鹽類化合物用量/mg·L-1

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

生菜達(dá)到商品成熟后，各處理隨機(jī)選取5株，用于測(cè)定其葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉片數(shù)、株高及產(chǎn)量。可溶性蛋白、可溶性糖、硝酸鹽、游離氨基酸和VC含量分別采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法、蒽酮乙酸乙酯法、水楊酸法、茚三酮顯色法和2,6-二氯酚靛酚滴定法測(cè)定[9]。葉片光合色素和纖維素含量分別采用80%的丙酮法和蒽酮比色法測(cè)定[10]。根系活力采用TTC法測(cè)定[11]。

用CIRAS-3便攜式光合測(cè)定儀（PPsystems公司，美國(guó)），選取同一朝向且長(zhǎng)勢(shì)相似的第2～3片生菜葉進(jìn)行光合參數(shù)的測(cè)定。

植物全氮、全磷、全鉀及鈣、鎂的含量分別采用半微量凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法和原子吸收分光光度法測(cè)定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析和差異顯著性檢驗(yàn)（< 0.05）。用Data Processing System 14.10建立回歸模型，用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 營(yíng)養(yǎng)液元素濃度的優(yōu)化

2.1.1 回歸模型的建立以表1中元素編碼值為函數(shù)自變量，表3中生菜產(chǎn)量和品質(zhì)綜合評(píng)分為函數(shù)因變量，進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，得出元素濃度與生菜產(chǎn)量和品質(zhì)綜合評(píng)分之間的回歸方程分別為：

1=106.437-6.5021-5.2542-1.1573-2.76912-12.63222-8.15832-3.43912-1.07313+1.78123

2=92.459-1.7941-0.0602-2.9743-3.73912-2.47422-4.24732-0.49312-2.64113-1.46223

3=131.091-3.5421-1.2342-0.3763-28.31612-14.52022-21.27832-1.96812+3.60613+0.91423

4=95.830-4.2631+2.9242-0.2393-4.70912-8.57822-3.08032-1.43812-1.46013-0.17423

5=110.899-9.2891+2.9202-3.4273-5.81012-10.44322-10.31132+0.33112-2.82613+1.83423

6=97.110-2.4411-1.6502+0.9913-5.78212-11.25522-2.34132-4.01912+0.70713+3.60923

其中，1、3、5和2、4、6分別為氮磷鉀、鐵硼錳、鎂鋅銅下的產(chǎn)量和品質(zhì)綜合評(píng)分。

表 3 不同元素濃度對(duì)生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

備注：同列不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著（< 0.05），下同。

Note: The different lower case letters in the same column indicate significant difference among treatments (< 0.05). The same below.

2.1.2 因子主效應(yīng)分析從元素濃度與生菜產(chǎn)量和品質(zhì)綜合評(píng)分回歸模型的一次項(xiàng)可以看出，氮磷鉀濃度對(duì)生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響順序分別為氮>磷>鉀和鉀>氮>磷；鐵硼錳濃度對(duì)生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響順序均為鐵>硼>錳；鎂鋅銅濃度對(duì)生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響順序分別為鎂>銅>鋅和鎂>鋅>銅。

2.1.3 利用模型進(jìn)行決策從表4中可以得出，生菜單株產(chǎn)量達(dá)100 g以上且品質(zhì)綜合評(píng)分超過(guò)90分的元素濃度范圍為：氮6.2146～6.2630 mmol·L-1、磷0.4934～0.4983 mmol·L-1、鉀3.8396～3.8945 mmol·L-1、鐵0.0688～0.0693 mmol·L-1、硼0.0464～0.0470 mmol·L-1、錳0.0098～0.0102 mmol·L-1、鎂0.4876～0.5401 mmol·L-1、鋅0.0007～0.0008 mmol·L-1、銅0.0003～0.0004 mmol·L-1。

表 4 生菜單株產(chǎn)量超過(guò)100 g和品質(zhì)綜合評(píng)分超過(guò)90的元素取值頻率分布

2.2 水培生菜優(yōu)化配方的驗(yàn)證

2.2.1 對(duì)生菜生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響由圖1和表5可知，T處理下生菜的株高、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積和單株產(chǎn)量均顯著高于兩對(duì)照（< 0.05），且T處理下生菜較CK1和CK2分別增產(chǎn)24.7%和36.3%；T處理下生菜葉片數(shù)顯著高于CK2，但其與CK1之間差異不顯著（> 0.05）。

圖 1 不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)生菜形態(tài)的影響

表 5 不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)生菜生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

2.2.2 對(duì)生菜根系活力的影響從圖2可以看出，T處理下生菜的根系活力較兩對(duì)照均明顯增高（< 0.05），CK1次之，CK2最低。其中，T處理下生菜根系活力較CK1和CK2分別提高了15.1%和48.3%。

圖 2 不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)生菜根系活力的影響

2.2.3 對(duì)生菜光合色素含量的影響通過(guò)表6可以看出，與兩對(duì)照相比，T處理下生菜葉綠素a、葉綠素a＋b和類胡蘿卜素含量均顯著增加（< 0.05），較CK1和CK2分別提高了14.5%、12.8%、19.0%和26.7%、25.7%、38.9%；T處理下生菜的葉綠素b含量顯著高于CK2，但與CK1差異不顯著（> 0.05）；T處理下葉綠素a/b較CK1明顯增加，但與CK2無(wú)明顯差異。

表 6 不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)生菜光合色素含量的影響

2.2.4 對(duì)生菜光合參數(shù)的影響由表7可看出，T處理下生菜凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均明顯高于兩對(duì)照（< 0.05），較CK1和CK2分別提高了23.2%、22.2%、20.8%和57.8%、48.8%、38.0%；胞間CO2濃度則呈相反的趨勢(shì)。

表 7 不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)生菜光合參數(shù)的影響

2.2.5 對(duì)生菜品質(zhì)的影響從表8中可以看出，T處理下生菜游離氨基酸、Vc和纖維素含量均較兩對(duì)照顯著增加（< 0.05），且較CK1和CK2分別提高了9.3%、26.4%、14.9%和19.8%、39.0%、6.3%；T處理下生菜硝酸鹽含量明顯低于兩對(duì)照，較CK1和CK2分別降低了17.1%和31.0%；T處理下生菜可溶性糖含量顯著低于CK1，但與CK2之間差異不顯著（> 0.05）；T處理的可溶性蛋白含量顯著高于CK2，但與CK1之間無(wú)明顯差異。

表 8 不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)生菜品質(zhì)的影響

2.2.6 對(duì)生菜營(yíng)養(yǎng)元素吸收狀況的影響通過(guò)表9可知，T處理下生菜對(duì)氮和鈣元素的吸收量均明顯高于兩對(duì)照（< 0.05），較CK1和CK2分別增加了23.3%、12.6%和46.5%、3.1%；T處理下生菜對(duì)鉀和鎂元素的吸收量顯著高于CK2，分別高出8.6%和17.2%，但與CK1差異不顯著（> 0.05）；T處理的磷元素吸收量則明顯低于兩對(duì)照。

表 9 不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)生菜營(yíng)養(yǎng)元素吸收的影響

2.2.7 對(duì)生菜生產(chǎn)成本及種植經(jīng)濟(jì)效益的影響 T配方下生菜采收天數(shù)較CK1和CK2分別提前2和5天（表10）；與兩對(duì)照相比，T處理下生菜單株效益和產(chǎn)投比均顯著提高（< 0.05），較CK1和CK2分別提高了25.2%、41.1%和36.0%、94.0%。

表 10 不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)生菜生產(chǎn)成本及種植經(jīng)濟(jì)效益的影響

注：生菜9元/kg。

Note: lettuce 9 Yuan/kg.

3 討論

營(yíng)養(yǎng)液中各元素的濃度在葉類蔬菜水培過(guò)程中起著重要的作用，研究營(yíng)養(yǎng)元素的合理配施是構(gòu)建作物高產(chǎn)高效模型的關(guān)鍵。前人研究發(fā)現(xiàn)，葉類蔬菜在氮、磷、鉀、鎂、鐵、硼、錳、鋅、銅濃度范圍分別為6.0～9.0 mmol·L-1、0.5～0.8 mmol·L-1、2.5～5.0 mmol·L-1、0.5～1.0 mmol·L-1、0.05～0.10 mmol·L-1、0.008～0.032 mmol·L-1、0.01～0.02 mmol·L-1、0.002～0.003 mmol·L-1、0.004～0.006 mmol·L-1時(shí)，能夠獲得較高的產(chǎn)量與品質(zhì)[5,13-15]。本試驗(yàn)所得氮、鉀、鎂、鐵、錳、銅的濃度范圍與上述前人研究結(jié)果相似，而磷、硼、鋅的濃度范圍則與上述前人研究結(jié)果有所不同，其中磷濃度降低，硼和鋅濃度升高，這可能是葉類蔬菜的品種、所用鹽類化合物的種類、營(yíng)養(yǎng)液濃度以及處理環(huán)境之間的差異造成的。

營(yíng)養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)元素只有經(jīng)過(guò)合理的組合才能保證葉類蔬菜平衡吸收。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與山崎（葉用萵苣）配方和微量元素通用配方相比，優(yōu)化配方（T）中氮、磷、鉀、鐵、鋅濃度下降，鎂、硼、錳、銅濃度升高，其處理下生菜形態(tài)指標(biāo)、光合參數(shù)、品質(zhì)指標(biāo)、營(yíng)養(yǎng)元素吸收狀況等均優(yōu)于兩對(duì)照。這是因?yàn)門配方下?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素配比適宜，各元素協(xié)同作用增加了葉片中光合色素含量，使植株有效地將葉片吸收的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而提高光合電子傳遞速率，增強(qiáng)光合能力和根系活力，有利于促進(jìn)生菜對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素與水分的吸收，進(jìn)而促進(jìn)生菜的生長(zhǎng)與干物質(zhì)積累，改善其品質(zhì)。此外，T配方中硝態(tài)氮降低，銨態(tài)氮施用比例增加，可能會(huì)提高生菜葉片中細(xì)胞分裂素的含量，進(jìn)而促進(jìn)葉面積的形成，實(shí)現(xiàn)植株干物質(zhì)量的增加[16]。在本研究中，T處理下硝酸鹽和可溶性糖含量均明顯降低，這是因?yàn)檫m當(dāng)降低氮濃度，提高鎂和錳濃度能夠增強(qiáng)硝酸還原酶活性，促進(jìn)硝酸鹽轉(zhuǎn)化[17]，而鉀、鐵、鋅濃度的降低一定程度上阻礙了生菜葉片中可溶性碳水化合物的合成與運(yùn)輸[18]。本研究還發(fā)現(xiàn)，T處理下生菜對(duì)鈣元素的吸收量顯著高于兩對(duì)照，而對(duì)磷元素的吸收量則低于兩對(duì)照，隨著鉀濃度的減少，生菜對(duì)鈣元素的吸收量逐漸增大。這與前人研究結(jié)果相似[19]，可能是鉀與鈣元素之間存在拮抗作用，隨著鉀濃度的降低，促進(jìn)生菜對(duì)鈣元素的吸收[20]。同時(shí)，鉀濃度的降低也抑制了生菜對(duì)磷元素的吸收[21,22]。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)在山崎（葉用萵苣）配方和微量元素通用配方的基礎(chǔ)上，采用二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)優(yōu)化其元素濃度，得到水培生菜優(yōu)化配方。與兩對(duì)照相比，優(yōu)化配方能夠顯著促進(jìn)生菜植株生長(zhǎng)，提早采收，提高產(chǎn)量和品質(zhì)，且該配方配制成本低、經(jīng)濟(jì)效益高，適合水培生菜。

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Optimization of Nutrient Solution Formula and Its Effect on Growth and Production Efficiency of Hydroponic Lettuce

QIAO Jia-le1, GUO Mei-ling1, DOU Yu-wei1, WEI Min1,2, ZHANG Da-long1,2, LI Yan1,2*

1.271018,2.,,271018,

The three-factor secondary saturation D-optimal design was used to optimize the element concentration in the nutrient solution formula, and a ternary quadratic mathematical model was established with element concentration as the variable factor and lettuce yield and quality as the objective function. Through the analysis of the model, the optimal formula of hydroponic lettuce is N 6.2146～6.2630 mmol·L-1, P 0.4934～0.4983 mmol·L-1, K 3.8396～3.8945 mmol·L-1, Fe 0.0688～0.0693 mmol·L-1, B 0.0464～0.0470 mmol·L-1, Mn 0.0098～0.0102 mmol·L-1, Mg 0.4876～0.5401 mmol·L-1, Zn 0.0007～0.0008 mmol·L-1, Cu 0.0003～0.0004 mmol·L-1. Compared with the Yamazaki (leaf lettuce) formula (CK1) and the garden test formula (CK2), the optimized formula can significantly promote the growth of lettuce plants, enhance their photosynthetic capacity, root activity and absorption capacity of nutrients, thereby increasing the yield of lettuce per plant and improving the quality of soluble protein, Vc and cellulose. The root activity, Vc content and yield per plant of lettuce increased by 15.1 %, 26.4 %, 24.7 % and 48.3 %, 39.0 %, 36.3 %, respectively, compared with the two controls. In addition, the harvest days of lettuce under the optimized formula treatment were 2 and 5 days earlier than CK1 and CK2, respectively. Compared with CK1 and CK2, the single plant benefit and output-input ratio of lettuce under the optimized formula treatment were significantly increased by 25.2 %, 41.1 % and 36.0 %, 94.0 %, respectively. Therefore, optimizing the formula is of great significance for achieving high yield and high quality cultivation of hydroponic lettuce.

Lettuce; nutrient solution; formula fertilization

S636.2

A

1000-2324(2023)02-0166-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.002

2022-12--05

2023-01-17

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(SDAIT-05-05)

喬佳樂(lè)(1998-),男,碩士研究生,主要從事設(shè)施蔬菜生理生態(tài)研究. E-mail:1371022151@qq.com

Author for correspondence. E-mail:edmonlee@163.com