劉文科，張玉彬，查凌雁，劉義飛

1. 塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)，生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)是兩個(gè)最為重要的生長(zhǎng)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(dāng)?shù)牡焦┙o對(duì)植物工廠實(shí)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是葉菜品質(zhì)的重要衡量指標(biāo)，研究明確氮水平對(duì)水培葉菜營(yíng)養(yǎng)元素含量影響機(jī)制具有重要的科學(xué)價(jià)值。 但是，至今有關(guān)氮水平對(duì)水培葉菜營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響少有報(bào)道，亟待弄清。 此外，國(guó)內(nèi)外研究表明，采收前LED紅藍(lán)光連續(xù)光照(continuous light, CL)可顯著提高水培生菜的產(chǎn)量和營(yíng)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(yíng)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(lán)光連續(xù)光照更適宜用于植物工廠水培生菜生產(chǎn)，對(duì)比能量投入可獲得盈利的更高產(chǎn)量。 然而，營(yíng)養(yǎng)液氮水平與采前連續(xù)光照對(duì)水培葉菜營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響未見(jiàn)報(bào)道，明確營(yíng)養(yǎng)液氮水平與采前連續(xù)光照在調(diào)控水培葉菜營(yíng)養(yǎng)元素含量上的互作關(guān)系，對(duì)制定植物工廠水培葉菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)與光照管理策略具有重要實(shí)踐意義。

生菜是一種被世界各國(guó)人們廣泛喜愛(ài)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(yíng)養(yǎng)元素含量與其生長(zhǎng)過(guò)程中所受到的照射光譜有直接關(guān)系，且LED紅藍(lán)光復(fù)合光下生菜中一些營(yíng)養(yǎng)元素的含量高于在熒光燈[7]下。 供氮水平、采收前紅藍(lán)光CL光譜以及兩者互作條件下水培生菜生物量及營(yíng)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(lán)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(duì)采收后生菜內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行了檢測(cè)，以探明不同供氮水平下采收前LED 紅藍(lán)光CL對(duì)生菜生長(zhǎng)及營(yíng)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(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

試驗(yàn)在環(huán)境光植物工廠中進(jìn)行，栽培環(huán)境溫度為(25±1) ℃，相對(duì)濕度為65%±5%。 將大小一致的生菜苗隨機(jī)移栽于長(zhǎng)方形塑料栽培槽(180 cm×60 cm×6 cm)內(nèi)。 營(yíng)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(lán)光面板燈進(jìn)行光照處理，試驗(yàn)光強(qiáng)為150 μmol·m-2·s-1，紅光與藍(lán)光組成比例為4∶1。 試驗(yàn)設(shè)置8，10和12 mmol·L-1(N8，N10和N12)，通過(guò)硝態(tài)鉀調(diào)節(jié)氮濃度。 每個(gè)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(jìn)行72 h不同光質(zhì)的CL處理。 2種光質(zhì)處理中紅光和藍(lán)光組成比例分別設(shè)定為2∶1(Q2)和4∶1(Q4)，光強(qiáng)為150 μmol·m-2·s-1。 實(shí)驗(yàn)中連續(xù)光照的光質(zhì)處理與采收的時(shí)間節(jié)點(diǎn)(定植后天數(shù))見(jiàn)圖1。

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

1.2 取樣與測(cè)定方法

在CL處理前后分別取樣測(cè)定相關(guān)指標(biāo)，于定植后16天和19天分兩次取生菜地上部樣品，進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。 每個(gè)處理取樣時(shí)隨機(jī)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(cè)。 采用原子吸收分光光度計(jì)(ATC-006)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ATC-155)測(cè)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(guò)夜，消解后加10 mL的1∶1 HCl，定容50 mL，上機(jī)測(cè)定。 生菜樣品中的N和C含量采用燃燒-同位素分析法進(jìn)行測(cè)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(guò)氦載氣流經(jīng)吸附與解吸附柱分離，再進(jìn)入同位素質(zhì)譜儀(IRMS)進(jìn)行同位素分析[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法,α=0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 采收前連續(xù)光照光對(duì)三種供氮水平的水培生菜地上干重的影響

供氮水平對(duì)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(wú)顯著差異。 而且，兩種CL光質(zhì)之間也無(wú)顯著差異。

表1 采收前CL光質(zhì)對(duì)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(duì)水培生菜地上部營(yíng)養(yǎng)元素含量與累積量的影響

營(yíng)養(yǎng)液供氮水平對(duì)生菜地上部中營(yíng)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(yíng)養(yǎng)液氮水平對(duì)生菜N，C和P含量均無(wú)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(shí)達(dá)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(shì)，在8 mmol·L-1氮水平時(shí)時(shí)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(shí)累積量達(dá)到最大，但是C，K，P和Fe的累積量與供氮水平無(wú)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(shì)，均在8 mmol·L-1時(shí)累積量最大。

表2 供氮水平對(duì)水培生菜地上部營(yíng)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(duì)水培生菜營(yíng)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(duì)三種供氮水平水培生菜營(yíng)養(yǎng)元素含量與累積量的影響

由表4知，除C以外，其他營(yíng)養(yǎng)元素含量均受CL紅藍(lán)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(duì)同一氮水平下的生菜營(yíng)養(yǎng)元素含量均無(wú)顯著影響。 CL紅藍(lán)光質(zhì)2∶1下，氮水平對(duì)生菜N，C，K和P的含量無(wú)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(shì)。 CL紅藍(lán)光質(zhì)4∶1下，氮水平對(duì)N，C，F(xiàn)e，Mn，Cu和Zn含量均無(wú)顯著影響，Ca和Mg的含量在12 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大，氮水平對(duì)N和C含量無(wú)顯著影響。 K，P，Ca和Mg含量均在12 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，微量元素Fe，Mn，Cu和Zn含量與CL紅藍(lán)光質(zhì)2∶1下的變化趨勢(shì)一致，均在10 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大。 本試驗(yàn)中，采收前CL光質(zhì)對(duì)不同氮水平水培生菜營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響不一，其中，對(duì)C含量無(wú)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(dá)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(duì)不同氮水平水培生菜營(yíng)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(yíng)養(yǎng)元素累積量均受CL紅藍(lán)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(duì)同一氮水平下的生菜營(yíng)養(yǎng)元素累積量均無(wú)顯著影響。 采收前CL紅藍(lán)光質(zhì)2∶1下，營(yíng)養(yǎng)液氮水平對(duì)N，C，P，Cu和Zn的累積量無(wú)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(lán)光質(zhì)4∶1下，氮水平對(duì)C，Mg，K，F(xiàn)e，Mn，Cu和Zn的累積量無(wú)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(dá)到最大。

表5 采收前CL光質(zhì)對(duì)不同氮水平水培生菜營(yíng)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(yíng)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(duì)N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量無(wú)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(wú)顯著變化。

表6 采收前CL前后水培生菜營(yíng)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)元素含量是一直被關(guān)注的品質(zhì)指標(biāo)，通過(guò)氮肥和光譜管理提高水培生菜中營(yíng)養(yǎng)元素含量具有營(yíng)養(yǎng)學(xué)價(jià)值。 硝態(tài)氮是無(wú)土栽培中使用的主要無(wú)機(jī)氮源，同時(shí)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(guò)有關(guān)信號(hào)調(diào)節(jié)植株地上部及根系的生長(zhǎng)速率。 在一定范圍內(nèi), 提高氮素水平可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[11]。 試驗(yàn)結(jié)果表明，在8～12 mmol·L-1濃度范圍內(nèi)，隨著營(yíng)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(duì)氮素的吸收。 本研究表明，在采收前給生長(zhǎng)在不同的氮水平條件下生菜施加不同光質(zhì)的CL會(huì)削弱氮水平對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響，相比較而言紅藍(lán)光比例對(duì)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(lán)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(bào)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(duì)N，C和P元素的含量無(wú)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(dāng)?shù)脑黾拥厥┯昧磕軌蛱岣咚局蠯元素的含量, 但施氮量過(guò)高反而不利于K的吸收。 景立權(quán)等[14]的研究結(jié)果也說(shuō)明氮肥施用量過(guò)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(duì)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(shì)[15-16]。 究其原因，可能是氮素用量增加一定程度上會(huì)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(duì)微量元素的吸收[17]。 這表明，供氮水平對(duì)水培生菜體內(nèi)不同營(yíng)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(lái)源，因而光照變化可通過(guò)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(guò)來(lái)，由于氮素是作植物光合作用過(guò)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(guò)增加葉片葉綠素含量來(lái)促進(jìn)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(duì)光的利用效率，同時(shí)也可促進(jìn)植物對(duì)氮肥的吸收利用率。 從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，除C以外，其他營(yíng)養(yǎng)元素含量和累積量均受采收前三天CL紅藍(lán)光質(zhì)和供氮水平的共同影響，N10和N12條件下，紅藍(lán)光4∶1連續(xù)光照更有利于獲得較高的營(yíng)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(qiáng)度，而紅藍(lán)光CL延長(zhǎng)了生菜光合作用時(shí)間，可提供更多光合作用產(chǎn)物。 CL紅藍(lán)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(jìn)了營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。 由此可以認(rèn)為，高氮肥和紅藍(lán)光CL(特別是紅藍(lán)光4∶1光質(zhì))可促進(jìn)絕大部分大中量營(yíng)養(yǎng)元素的含量與累積量。 但以往研究表明，由于藍(lán)光能夠誘導(dǎo)質(zhì)膜上離子通道的開(kāi)放，從而促進(jìn)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(lán)光比例的增加而升高的趨勢(shì)。 本研究與以往報(bào)道的結(jié)果有所差異，可能是因?yàn)楣獾プ鞯挠绊憽?此外，與礦質(zhì)元素吸收及運(yùn)輸相關(guān)的酶的基因表達(dá)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(duì)礦質(zhì)元素吸收的影響機(jī)理尚不明確。 李海云[22]研究發(fā)現(xiàn)黃瓜對(duì)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(shí)間的延長(zhǎng)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(lán)光質(zhì)CL處理降低了作物中K，P和Fe含量，對(duì)N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量無(wú)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(yàn)條件下，增加供氮水平可促進(jìn)水培生菜水上部分干重增加，采收前三天紅藍(lán)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(wú)顯著差異。 營(yíng)養(yǎng)液氮水平對(duì)生菜N，C和P含量均無(wú)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(shì)。 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(wú)關(guān)，而微量元素Mn，Cu和Zn隨氮水平升高呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。 除C以外，其他營(yíng)養(yǎng)元素含量和累積量均受采收前三天CL紅藍(lán)光質(zhì)和供氮水平的共同影響，N10和N12條件下，紅藍(lán)光4∶1連續(xù)光照更有利于獲得較高的營(yíng)養(yǎng)元素含量和累積量。 三種供氮水平條件下，兩種紅藍(lán)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(duì)N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量無(wú)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(lán)光4∶1的光質(zhì)進(jìn)行采收前72 h連續(xù)光照有利于獲得較高的營(yíng)養(yǎng)元素含量和累積量。 高氮肥和紅藍(lán)光采收前CL可提高水培生菜中多數(shù)大中量營(yíng)養(yǎng)元素的含量與累積量。