弓 瑤，王利春，王朝軍，李 思，李友麗，郭文忠，柏敏戰(zhàn)

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；3.陜西榮華農(nóng)業(yè)科技有限公司，陜西 西安 710061)

0 引言

設(shè)施蔬菜栽培作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，可以在蔬菜供應(yīng)淡季和不適宜蔬菜生長的反季節(jié)生產(chǎn)，實現(xiàn)蔬菜周年生產(chǎn)供應(yīng)[1]。水培蔬菜生產(chǎn)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施栽培的重要措施之一，可以直接通過營養(yǎng)液為植物根系提供營養(yǎng)和水分，操作簡單，而且水培設(shè)施可以根據(jù)蔬菜種類和生長階段的不同來進(jìn)行營養(yǎng)供應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控，管理方便[2]。

營養(yǎng)液管理是水培的關(guān)鍵，營養(yǎng)液的組分和性質(zhì)對植物吸收養(yǎng)分和生長發(fā)育有重要作用[3]。在植物必需的養(yǎng)分中，鉀是植物生長發(fā)育必不可少的營養(yǎng)元素之一，能夠提高植株的抗逆性，對植物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)有重要調(diào)節(jié)作用[4-5]。許多研究表明，施鉀有助于增加蔬菜產(chǎn)量和改善蔬菜品質(zhì)[6-7]。唐小付等[8]在水培黃瓜的試驗中，得出鉀濃度為350 mg/L時，較最低鉀濃度50 mg/L的單果質(zhì)量和小區(qū)產(chǎn)量分別提升了40.25%和82.78%，認(rèn)為適宜的鉀濃度能夠促進(jìn)黃瓜生長發(fā)育，提高產(chǎn)量。關(guān)于鉀營養(yǎng)在生菜方面也有研究，但多集中于土壤栽培，對于水培的研究則很少有報道[9-10]。吳文強(qiáng)等[11]在土壤栽培的基礎(chǔ)上，研究了鉀對生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，結(jié)果得出施鉀的生菜較不施鉀增產(chǎn)5.1%～22.3%，VC含量增加4.5%～46.8%，施鉀有利于提高生菜產(chǎn)量，改善生菜品質(zhì)，但過量增施鉀肥，則會減產(chǎn)。郎文培等[12]在盆栽生菜的試驗中，研究得出施用硫酸鉀的生菜產(chǎn)量明顯比對照增產(chǎn)了15.43%～30.41%，合理施鉀，能夠提高生菜生物量累積，但過量施鉀生菜的生物量降低。蘇苑君等[13]針對玻璃脆散葉生菜進(jìn)行研究，認(rèn)為鉀濃度為3 mmol/L時，生菜的葉面積、地上部分干鮮質(zhì)量和總干質(zhì)量最大，有利于生菜生長和增加產(chǎn)量。這些研究多圍繞鉀在生菜栽培生長品質(zhì)的影響開展，較少考慮營養(yǎng)液鉀濃度對生菜營養(yǎng)液利用效率的影響，而提高營養(yǎng)液利用效率是水培生菜高效生產(chǎn)的一個重要調(diào)控措施。

因此，本試驗選擇水培栽培方式，通過研究不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜生長、品質(zhì)及營養(yǎng)液利用效率的影響，對水培生菜營養(yǎng)液鉀濃度進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到生菜高效生產(chǎn)的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年8月1日—9月15日在北京市農(nóng)林科學(xué)院國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心的玻璃溫室中進(jìn)行。

1.2 試驗材料

供試生菜的品種選用“富蘭德里”，購買于瑞克斯旺種子有限公司。

1.3 試驗設(shè)計與布置

采用單因素5水平設(shè)計，設(shè)置0.6(T1)、1.5(T2)、2.4(T3)、3.0(T4)和6.0(T5)mmol/L-1共5個不同的鉀濃度處理，每個處理重復(fù)3次。其他營養(yǎng)液中的離子濃度如表1所示，微量元素與Hoagland配方相同，供試配置的營養(yǎng)液母液和水培生菜栽培的用水均為過濾的去離子水。

表1 營養(yǎng)液中離子濃度

生菜采用72孔穴盤育苗，育苗期在20 ℃的全封閉式育苗培養(yǎng)箱中進(jìn)行。8月26日生菜6葉1心時，定植移苗，選取生長均勻，大小一致的健康壯苗，并將生菜植株的營養(yǎng)液殘留清洗干凈后移植到水培槽，開始供應(yīng)不同鉀濃度的營養(yǎng)液。試驗設(shè)置了15個長×寬×高為200 cm×60 cm×8 cm的水培槽，水培槽有52個種植孔(孔直徑2.5 cm)，植株間距4 cm，與水培槽連接的是60 L的營養(yǎng)液桶，15個營養(yǎng)液桶里各放置一臺HJ-1541型潛水泵，用于水培槽與營養(yǎng)液桶的營養(yǎng)液循環(huán)，并在PVC營養(yǎng)液桶內(nèi)放置CT-10型液位傳感器以監(jiān)測營養(yǎng)液液位變化。每隔5 d測量1次生菜的冠部根部鮮質(zhì)量、葉面積和葉片SPAD值，待生菜采收后，測定生菜中VC含量、可溶性糖含量和硝酸鹽含量。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 生菜生長指標(biāo)

不同處理每隔5 d選取長勢均勻的3株生菜，將生菜的冠部與根系分離，用蒸餾水洗凈根系后，拿吸水紙吸干至表面沒有水分，用電子天平(精度為0.01 g)稱量冠部、根部的鮮質(zhì)量。每個處理中把所有生菜葉片從葉柄處剪下，用直尺測量葉片的長度與寬度，計算出生菜的葉面積。

1.4.2 生菜生理指標(biāo)

每隔5 d用SPAD-502型便攜式葉綠素儀測定生菜葉片SPAD值。

1.4.3 生菜品質(zhì)

采收后，分別測定各處理生菜的品質(zhì)，VC含量采用鉬藍(lán)比色法測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；硝酸鹽含量采用水楊酸比色法測定[14]。

1.4.4 營養(yǎng)液消耗量和利用效率

通過放置在PVC營養(yǎng)液桶內(nèi)的CT-10型液位傳感器，數(shù)據(jù)記錄頻率15 min，利用營養(yǎng)液液位與PVC桶體積的關(guān)系，計算生菜生長期內(nèi)總營養(yǎng)液消耗量。營養(yǎng)液利用率，即生菜產(chǎn)量與營養(yǎng)液消耗量的比值。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗，顯著水平(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片特征

2.1.1 葉面積

葉片是植物的重要器官，是植物進(jìn)行光合作用和蒸騰作用的主要場所，也是生菜產(chǎn)量形成的重要指標(biāo)，葉面積的大小決定了作物進(jìn)行光合作用的強(qiáng)弱[15]。由圖1可以看出，隨著生菜移栽時間延長，各處理生菜的葉面積不斷增長。移栽后第5天，T2、T3處理顯著高于其他處理；移栽后第10天，除T1處理外，其他處理無顯著性差異；移栽后第15天，T3處理高于其他處理；移栽后第20天，T1處理葉面積最小，為2 028.33 cm2，T4處理顯著高于其他處理，為3 365.28 cm2，比其他處理增長了9.33%～65.91%。由此可見，營養(yǎng)液低鉀濃度的生菜總?cè)~面積小，適當(dāng)?shù)脑黾訝I養(yǎng)液鉀濃度可以促進(jìn)總?cè)~面積增長，但過高的營養(yǎng)液鉀濃度生菜總?cè)~面積則會減小。

圖1 不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜葉面積的影響Fig.1 Effect of different nutrient solution potassium concentration on leaf area of hydroponic lettuce

2.1.2 葉片SPAD值

葉綠素不僅是植物進(jìn)行光合作用的重要色素，也是反映葉片生理活性的一項重要指標(biāo)。SPAD值可衡量植物相對葉綠素含量，代表了植物的綠色程度。從圖2可以看出，移栽后第5天和第15天，各處理間葉片SPAD值無顯著差異；移栽后第10天，T5處理的生菜葉片SPAD值小于其他處理，T1和T3處理無顯著差異，SPAD值最小的是T5處理，為28.63，最大是T3處理，為31.25，比其他處理提高了1.62%～9.15%；移栽后第20天，T4和T5處理無顯著差異，T5處理SPAD值最小，T1處理的生菜葉片SPAD值大于其他處理，比其他處理提高了2.7%～9.0%。從移栽后5～20 d可以看出，不同營養(yǎng)液鉀濃度對菜葉片SPAD值影響較小。

圖2 不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜葉片SPAD值的影響Fig.2 Effect of potassium concentration in different nutrient solutions on SPAD value of hydroponic lettuce leaves

2.2 冠部和根部鮮質(zhì)量

不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜冠部鮮質(zhì)量的影響如圖3a所示，隨著移栽時間的延長，各處理的生菜冠部鮮質(zhì)量逐漸增大。移栽后5～20 d，其他處理的冠部鮮質(zhì)量均顯著高于T1處理，可以看出增加鉀濃度供應(yīng)顯著增加生菜冠部鮮質(zhì)量。移栽后第5天，T3、T4處理冠部鮮質(zhì)量明顯高于其他處理；移栽后第10天，T2和T4處理的冠部鮮質(zhì)量無顯著性差異，T3處理的冠部鮮質(zhì)量最大；移栽后第15天，T3和T4處理的冠部鮮質(zhì)量無顯著性差異，T4處理的冠部鮮質(zhì)量最大，比其他處理增加了1.43%～97.88%；移栽后第20天，T3和T4處理無顯著性差異，T4處理冠部鮮質(zhì)量最大，為135.25 g/株，比其他處理增加了5.91%～145.82%。不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜根部鮮質(zhì)量的影響如圖3b所示，移栽后5～20 d，T1處理的根部鮮質(zhì)量均顯著低于其他處理，移栽后5～15 d，T3處理的根部鮮質(zhì)量最大。移栽后第15天，T4和T5處理的根部鮮質(zhì)量無顯著性差異，T3處理根部鮮質(zhì)量明顯高于其他處理；移栽后第20天，T3和T4處理顯著高于其他處理，T3處理的根部鮮質(zhì)量最大，為6.60 g/株，比其他處理增加了0.3%～71.88%。因此，可以看出營養(yǎng)液低鉀濃度生菜冠部和根部的鮮質(zhì)量小，但隨著營養(yǎng)液鉀濃度的增加，生菜冠部和根部的鮮質(zhì)量表現(xiàn)出先增長后減少的趨勢，說明了營養(yǎng)液低鉀濃度的生菜冠部和根部鮮質(zhì)量小，增加營養(yǎng)液鉀濃度可以促進(jìn)生菜冠部和根部的鮮質(zhì)量增長，但是過高的營養(yǎng)液鉀濃度對生菜冠部和根部的鮮質(zhì)量增長有抑制作用。

2.3 營養(yǎng)品質(zhì)

由表2可以看出，隨著營養(yǎng)液鉀濃度的提升，生菜的可溶性糖含量不斷減少，T1、T2處理與T3、T4、T5處理存在顯著差異，T4、T5處理無顯著性差異，T5處理的生菜可溶性糖含量最小，為0.26 mg/g，T1處理的生菜可溶性糖含量最大，為0.76 mg/g，比其他處理增加了8.57%～192.31%。低鉀營養(yǎng)液濃度的可溶性糖含量大于高鉀營養(yǎng)液濃度處理，低鉀營養(yǎng)液濃度有助于生菜可溶性糖含量的累積；各處理的水培生菜VC含量均無顯著差異影響；T1、T2、T3和T4處理的硝酸鹽含量無顯著性差異。

表2 不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜品質(zhì)的影響

2.4 營養(yǎng)液消耗量和利用效率

不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜營養(yǎng)液消耗量的影響如圖4所示，T1處理的營養(yǎng)液消耗量最少，為25.65 L，比其他處理減少了16.01%～35.63%，T5處理的營養(yǎng)液消耗量最多，比其他處理增加了2.39%～55.48%。不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜營養(yǎng)液利用效率的影響如圖5所示，T1處理的生菜營養(yǎng)液利用效率最低，比其他處理降低了17.52%～38.22%，T4處理營養(yǎng)液利用效率最高，比其他處理提升了2.21%～61.89%。營養(yǎng)液低鉀濃度的營養(yǎng)液利用效率低，適宜的增加營養(yǎng)液鉀濃度可以提高營養(yǎng)液利用效率，但隨著營養(yǎng)液鉀濃度的進(jìn)一步增加，營養(yǎng)液利用效率降低。

圖4 不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜營養(yǎng)液消耗量的影響Fig.4 Effect of different potassium concentration in nutrient solution on nutrient solution consumption of hydroponic lettuce

圖5 不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜營養(yǎng)液利用效率的影響Fig.5 Effects of different potassium concentrations of nutrient solution on utilization efficiency of nutrient solution in hydroponic lettuce

2.5 生菜單株產(chǎn)量、營養(yǎng)液利用效率與營養(yǎng)液鉀濃度關(guān)系

如圖6所示，隨著營養(yǎng)液鉀濃度的增加，生菜單株產(chǎn)量和營養(yǎng)液利用效率呈現(xiàn)出先增長后降低的趨勢。說明營養(yǎng)液低鉀濃度的生菜單株產(chǎn)量小和營養(yǎng)液利用效率低，增加營養(yǎng)液鉀濃度可以提高生菜單株產(chǎn)量和營養(yǎng)液利用效率，但是過高鉀濃度供應(yīng)會導(dǎo)致生菜增產(chǎn)作用減小、營養(yǎng)液利用率降低。

圖6 水培生菜單株產(chǎn)量、營養(yǎng)液利用效率與營養(yǎng)液鉀濃度的關(guān)系Fig.6 Relationship between plant yield，nutrient solution utilization efficiency and nutrient solution potassium concentration

根據(jù)營養(yǎng)液鉀濃度與生菜產(chǎn)量建立式(1)所示的關(guān)系，優(yōu)化得到當(dāng)營養(yǎng)液鉀濃度為3.9 mmol/L時，生菜單株產(chǎn)量最大，為142.03 g。

y=-8.347 8x2+64.471x+17.554

(1)

式中x——鉀濃度，mmol/L

y——生菜產(chǎn)量，g

根據(jù)營養(yǎng)液鉀濃度與生菜營養(yǎng)液利用率建立式(2)所示的關(guān)系，優(yōu)化得到當(dāng)營養(yǎng)液鉀濃度為3.5 mmol/L時，生菜的營養(yǎng)液利用率最大，為186.16 g/L。

y’=-8.432x2+59.588x+80.884

(2)

式中y’——生菜營養(yǎng)液利用率，g/L

基于生菜單株產(chǎn)量、營養(yǎng)液利用效率與營養(yǎng)液鉀濃度關(guān)系的綜合考慮，營養(yǎng)液鉀濃度為3.7 mmol/L時，最有利于生菜單株增產(chǎn)和提高營養(yǎng)液利用效率。

3 討論

鉀在促進(jìn)作物的生長中有重要作用，目前在果樹、作物、蔬菜和花卉方面都有一些相關(guān)研究[16-17]。趙建所等[18]研究認(rèn)為，增加鉀的供應(yīng)能夠增加葉片數(shù)量，提高生菜干鮮質(zhì)量。倪吾鐘等[19]在大白菜的試驗中研究得出，鉀肥能夠提升大白菜的地上生物量，具有增產(chǎn)的效果。本試驗結(jié)果得出，生菜的冠部鮮質(zhì)量、根部鮮質(zhì)量和葉面積隨著營養(yǎng)液鉀濃度的升高表現(xiàn)出先增大而后減小的趨勢，T1處理冠部根部鮮質(zhì)量和葉面積最小，T4處理冠部鮮質(zhì)量最大，比其他處理增加了5.91%～145.82%；T3處理的根部鮮質(zhì)量最大，比其他處理增加了0.30%～71.88%；T4處理葉面積最大，為3 365.28 cm2，比其他處理增長了9.33%～65.91%。試驗結(jié)果表明，營養(yǎng)液低鉀濃度處理的生菜生長慢，增加營養(yǎng)液鉀濃度可以促進(jìn)生菜冠部根部和葉面積的生長，但過高的營養(yǎng)液鉀濃度供應(yīng)則會抑制生菜冠部根部和葉面積生長，與前人研究的結(jié)論一致[20]。這是由于鉀能促進(jìn)光合作用，促進(jìn)碳水化合物的合成和運(yùn)輸，從而提高蔬菜產(chǎn)量[21]。郭英等[22]認(rèn)為施鉀對葉綠素的合成有促進(jìn)作用，張建華等[23]認(rèn)為施鉀有助于葉綠素的形成，增加葉綠素的含量，與本試驗中不同營養(yǎng)液鉀濃度處理對生菜葉片SPAD值影響較小的結(jié)論存在差異，這可能與作物種類和栽培方式有關(guān)。

在品質(zhì)方面，谷賀賀等[24]研究認(rèn)為施鉀可以增加蔬菜的可溶性糖含量。在本研究中，隨著鉀濃度的增加，生菜的可溶性糖含量不斷減少，與前人研究有不同之處，這可能是由于水培生菜生長速度快，葉片中的可溶性糖不易積聚。但也有研究者表明，生菜的可溶性糖與鉀的用量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)[12]。維生素是衡量蔬菜品質(zhì)的重要指標(biāo)。閻獻(xiàn)芳等[25]研究表明，施鉀番茄可以改善番茄的外觀品質(zhì)，提高番茄VC含量。本試驗中不同處理的水培生菜VC含量無顯著差異，這可能與郭熙盛等[26]得出施用鉀肥對提高蔬菜VC含量作用的大小與蔬菜的種類有關(guān)結(jié)果一致，但是也有研究表明硫酸鉀對提高VC含量作用不明顯[27]。張恩平等[28]研究表明，施用鉀可以促進(jìn)根部對硝酸鹽的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)，降低硝酸鹽含量。與本研究表明增加營養(yǎng)液鉀濃度會降低生菜硝酸鹽含量，對硝酸鹽含量的影響不明顯，超過一定鉀濃度水平后對硝酸鹽含量產(chǎn)生負(fù)作用有相似之處，但也有研究表明施鉀肥會提高硝酸鹽含量[29]。

適宜的營養(yǎng)液鉀濃度還可以提高作物的水分利用率。張亞琦等[30]研究表明，合理施鉀有利于提高谷子的水分利用率，但過量施鉀則會降低谷子的水分利用率。牛曉麗等[31]認(rèn)為，合理增施鉀肥不僅可提高番茄產(chǎn)量，還能提高灌溉利用效率。本研究中T4處理營養(yǎng)液利用效率最高，比其他處理提升2.21%～61.89%，說明低鉀濃度的營養(yǎng)液利用效率低，適宜的增加鉀濃度可以提高營養(yǎng)液利用效率，但過高的營養(yǎng)液鉀濃度則使?fàn)I養(yǎng)液利用效率降低，這與魏永勝等[32]研究結(jié)果一致。

本研究中不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜的VC含量和硝酸鹽含量的影響不顯著，所以對生菜產(chǎn)量、營養(yǎng)液利用效率考慮，通過建立營養(yǎng)液鉀濃度與生菜產(chǎn)量、營養(yǎng)液利用效率的二元一次方程，計算出生菜單株最大產(chǎn)量和最高營養(yǎng)液利用效率時，營養(yǎng)液鉀的濃度。研究得出，營養(yǎng)液鉀濃度為3.9 mmol/L時，生菜單株產(chǎn)量最大，營養(yǎng)液鉀濃度為3.5 mmol/L時，生菜營養(yǎng)液利用率最高。對生菜單株產(chǎn)量、營養(yǎng)液利用效率與營養(yǎng)液鉀濃度關(guān)系的綜合考慮，營養(yǎng)液鉀濃度為3.7 mmol/L時，生菜單株產(chǎn)量和營養(yǎng)液利用效率最高。在本試驗中，只針對不同營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜的生長、品質(zhì)及營養(yǎng)液利用率進(jìn)行初步研究，還需對營養(yǎng)液中N、P、K等營養(yǎng)元素吸收情況進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

(1)在營養(yǎng)液低鉀濃度條件下，適當(dāng)增加營養(yǎng)液鉀濃度能夠促進(jìn)生菜生長，提高生菜產(chǎn)量，過高或過低的營養(yǎng)液鉀濃度均會抑制生菜生長。

(2)低鉀營養(yǎng)液濃度比高鉀營養(yǎng)液濃度有助于生菜可溶性糖含量的累積，營養(yǎng)液鉀濃度對水培生菜的VC含量和硝酸鹽含量的影響不顯著。

(3)隨著鉀濃度的增加營養(yǎng)液利用效率先增長后減小，適宜的增加鉀濃度可以提高營養(yǎng)液利用效率。

(4)綜合考慮，優(yōu)化得到營養(yǎng)液鉀濃度為3.7 mmol/L時，可以兼顧生菜產(chǎn)量和營養(yǎng)液利用效率，適宜生菜高效生產(chǎn)。