梁 祎,郝文琴,石 玉,王訓軍,韓瑞鋒,成永三,張 毅**

(1.山西農(nóng)業(yè)大學園藝學院 太谷 030801; 2.四維生態(tài)科技(杭州)有限公司 杭州 310052)

硒(Se)是植物生長發(fā)育重要的微量元素,我國雖然幅員遼闊,但大部分地區(qū)均為缺硒地帶,而納米硒可以改善土壤和農(nóng)產(chǎn)品的缺硒狀況。近年來,由于納米硒具有獨特的物理性質(zhì)和化學性質(zhì),在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等領域得到了發(fā)展。但硒是一種兩性營養(yǎng)元素,其對植物的最適濃度范圍很窄,過量的硒會對植物產(chǎn)生毒害作用。袁偉玲等的研究結(jié)果表明,適宜的硒濃度能促進生菜(L.)生長和地上部可溶性總糖、總酚含量增加。孫崇慶等的研究結(jié)果表明,不同硒肥對生菜生長和品質(zhì)產(chǎn)量的影響不同。胡萬行等的研究結(jié)果表明,納米硒處理不僅能增加馬鈴薯(L.)的生物量,還能夠顯著提高馬鈴薯葉片、根系和塊莖中硒元素的含量,且各器官硒含量整體表現(xiàn)為: 根系＞葉片＞塊莖。此外,由于納米硒在誘導癌細胞凋亡、預防癌癥發(fā)生等方面具有重要作用,而人類飲食中缺乏硒是一個世界性的問題,攝入富含硒的蔬菜是對抗人體硒缺乏的一種安全的方法。因此,通過增加植物中硒的含量來提升人體硒攝入量顯得尤為重要。

光不僅是植物光合作用的能量來源,也是一種信號物質(zhì),對其生長發(fā)育及自身形態(tài)建成起關鍵性作用。通過人工補光可以有效地增強光照,從而促進植物的光合作用。Song等的研究結(jié)果表明,隨著光周期的延長,生菜地上部和地下部干鮮重呈逐漸上升的趨勢,光合色素含量均呈先升高后降低的趨勢,而各種元素含量變化趨勢不一致。此外,還有一系列的研究表明,同一光強下,生菜地上部和根系干鮮重及干鮮比隨著光周期的延長而增大,且延長光周期對葉綠素和類胡蘿卜素含量有促進作用,同時能顯著提高可溶性糖的合成,并降低硝酸鹽含量。因此,適當延長光周期對生菜的生長和品質(zhì)的提升具有非常重要的影響。

葉用萵苣,菊科(Asteraceae)萵苣屬,又名生菜。因其生長周期短、產(chǎn)量高,且具有很高的營養(yǎng)價值,現(xiàn)已成為設施栽培的一種重要綠葉菜。納米硒和光周期作為兩種不同處理模式,對改善生菜營養(yǎng)品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要意義。雖然國內(nèi)外關于外源硒和光周期對生菜生長及品質(zhì)影響的研究有很多,但關于兩者結(jié)合的試驗鮮有報道。因此,本試驗通過葉面噴施納米硒及不同光周期處理,探究兩者對生菜生長和品質(zhì)提升的交互作用,以期篩選出適宜生菜生長的光周期和納米硒濃度組合的最適處理,為植物工廠在光環(huán)境下施加納米硒提供理論依據(jù)和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗選用‘意大利耐抽薹’生菜品種,在山西農(nóng)業(yè)大學人工氣候室和園藝站進行。首先將生菜種子播種在無土栽培專用育苗海綿中,待幼苗為3葉一心時選取長勢一致的幼苗定植于40 cm×30 cm×15 cm的水培槽中,營養(yǎng)液選用日本山崎生菜專用營養(yǎng)液配方,每槽定植8株,各處理均定植2槽,每6 d更換一次營養(yǎng)液。

試驗以LED燈為光源,設置12 h/12 h、16 h/8 h、20 h/4 h等3個光周期(光/暗),定植第2 d開始進行光周期處理,分別表示為P1、P2和P3。試驗所用硒肥為納米硒,由北京百沃匯通科技責任有限公司提供,處理方式為硒肥葉面噴施,每隔3 d進行一次。納米硒溶液濃度分別為0 μmol·L、24 μmol·L、48 μmol·L,分別表示為N1、N2、N3,兩者完全隨機組合,共9個處理,具體處理名稱如表1。樣品在定植后30 d采收,用于各項指標測定。

表1 試驗處理名稱及措施Table 1 Names and measures of different experiment treatments

1.2 測定項目與方法

1.2.1 生長指標

株高采用直尺量取; 地上/下部干鮮重: 洗凈植株,吸干表面水分稱鮮重,然后在烘箱中105 ℃殺青10 min,70 ℃烘至恒重后測其干重; 根系活力采用TTC法測定; 葉綠素含量采用95%乙醇浸提法測定。每個處理3次重復。

1.2.2 生理指標

還原糖測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定; 可溶性糖含量采用苯酚硫酸法測定; 可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定; 硝酸鹽測定采用水楊酸-硫酸比色法; 氨基酸組分及含量測定采用氨基酸分析儀(L-8800,HITACHI)測定。每個處理3次重復。

立足當前、放眼長遠。天脊集團發(fā)出了“再領風騷30年”的動員令，這是天脊集團謀略所在、站位所在、實力所在。

1.2.3 礦質(zhì)元素含量測定

采用HSO-HO消化法消煮,火焰原子吸收分光光度計(AA-6200,日本SHIMADZU)測定K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn和Mn含量,原子熒光光譜法(iCAP Q 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,Thermo,上海)測定Se含量 。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行Duncan’s法單因素方差分析(＜0.05)和主成分分析,用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)作圖,圖表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準誤”。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜生長的影響

由圖1和表2可知,P2N1處理下生菜的株高最高,P2N3處理下生菜的地上部鮮重最大,P3N3處理下生菜的地下部鮮重最大。生菜株高和地上部鮮重隨光照時間的延長呈先升高后降低的趨勢。葉面噴施24 μmol·L納米硒處理中,地下部鮮重隨光照時間延長呈逐漸下降的趨勢; 在葉面噴施48 μmol·L納米硒時,地下部鮮重隨光照時間延長呈逐漸上升的趨勢。葉面噴施24 μmol·L納米硒時,P2N2處理生菜的株高分別較P1N2和P3N2處理顯著增加了13.16%和21.74% (＜0.05); 葉面噴施48 μmol·L納米硒時,P2N3處理生菜的地上部鮮重分別較P1N3和P3N3處理增加了56.13% (＜0.05)和15.14% 。因此,16 h/8 h光周期處理對生菜株高和地上、下部鮮重的促進效果最佳。

圖1 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜生長的影響Fig.1 Effects of foliar spraying nano-Se on growth of lettuce under different photoperiods

表2 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜株高和生物量的影響Table 2 Effects of foliar spraying nano-Se on plant height and biomass of lettuce under different photoperiods

2.2 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜根系活力的影響

由圖2可知,與12 h/12 h光周期相比,延長光照生菜根系活力先升高后降低。16 h/8 h光周期下生菜根系活力隨葉面噴施納米硒濃度的增加呈升高趨勢,P2N1、P2N2、P2N3處理下生菜的根系活力較P1N1分別顯著增加了1.62倍、2.53倍、3.11倍(＜0.05)。20 h/4 h光周期下生菜根系活力隨葉面噴施納米硒濃度的增加呈降低趨勢。因此,16 h/8 h光周期下葉面噴施納米硒對生菜根系活力的增加有顯著的促進作用(＜0.05)。

圖2 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜根系活力的影響Fig.2 Effects of foliar spraying nano-Se on root activity of lettuce under different photoperiods

2.3 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜光合色素含量的影響

由表3可知,12 h/12 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量均顯著降低(＜0.05),且隨著硒濃度的增加呈降低趨勢; 16 h/8 h和20 h/4 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均增加,且在20 h/4 h光周期下生菜葉綠素含量與硒濃度基本呈正相關。因此,延長光照時間會增加生菜葉綠素含量,且在P3N3處理下葉綠素a和葉綠素b含量均達到最高,P3N2處理下類胡蘿卜素含量最高。

表3 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜光合色素含量的影響Table 3 Effects of foliar spraying nano-Se on photosynthetic pigment content of lettuce under different photoperiods μg·g—1(FW)

2.4 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜還原糖、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由圖3A可知,生菜中還原糖含量整體表現(xiàn)為P3＞P2＞P1,其中,12 h/12 h光周期下,生菜中還原糖含量隨納米硒濃度的增加呈先降低后升高的趨勢;16 h/8 h和20 h/4 h光周期下,生菜中還原糖含量隨納米硒濃度的增加呈逐漸降低趨勢,P3N1處理下生菜還原糖含量較P2N1和P1N1顯著增加了1.02倍和1.40倍(＜0.05)。因此,延長光照時間會增加生菜還原糖含量,而葉面噴施納米硒會降低生菜還原糖含量。

圖3 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜還原糖（A）、可溶性糖（B）和可溶性蛋白質(zhì)（C）含量的影響Fig.3 Effects of foliar spraying nano-Se on contents of reducing sugar (A),soluble sugar (B) and soluble protein(C) of lettuce under different photoperiods

由圖3C可知,20 h/4 h光周期下,P3N3處理生菜可溶性蛋白含量最高,較P3N2增加5.38%,較P3N1顯著增加19.14% (＜0.05)。相同硒濃度下,P3N2處理下生菜可溶性蛋白含量較P2N2和P1N2處理分別顯著增加27.87%和64.26% (＜0.05); P3N3處理下生菜可溶性蛋白含量較P2N3和P1N3處理分別顯著增加了35.86%和99.04% (＜0.05)。因此,生菜中可溶性蛋白含量隨光照時間的延長而顯著增加,且葉面噴施納米硒后會進一步增加,以P3N3處理對生菜可溶性蛋白含量的提質(zhì)效果最佳。

2.5 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜硝酸鹽含量的影響

由圖4可知,16 h/8 h光周期會顯著降低生菜中硝酸鹽含量,且隨納米硒濃度的增加呈逐漸降低的趨勢; 12 h/12 h和20 h/4 h光周期下,生菜中硝酸鹽含量隨納米硒濃度的增加呈先升高后降低的趨勢。相同硒濃度處理下,P2N2處理下生菜硝酸鹽含量較P1N2和P3N2處理分別顯著降低了71.17%和74.37%(＜0.05)。因此,16 h/8 h光周期處理可顯著降低生菜中硝酸鹽含量,并以P2N3處理效果最佳。

圖4 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜硝酸鹽含量的影響Fig.4 Effects of foliar spraying nano-Se on nitrate content of lettuce under different photoperiods

2.6 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜氨基酸組分和含量的影響

由表4可知,在本試驗生菜中共鑒定出13種氨基酸,其中包括人體必需氨基酸8種,分別為蘇氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸; 人體非必需氨基酸5種,分別為天冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸和丙氨酸。12 h/12 h光周期下,生菜中天冬氨酸含量隨納米硒濃度增加呈逐漸降低的趨勢,蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、組氨酸含量呈先升高后降低的趨勢,甘氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸含量呈逐漸增加的趨勢,賴氨酸和精氨酸含量呈先降低后升高的趨勢; 16 h/8 h光周期下,葉面噴施48 μmol·L納米硒使生菜中各氨基酸含量均增加; 20 h/4 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜中各氨基酸含量均增加,且隨著納米硒濃度的增加呈先升高后降低的趨勢。

表4 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜氨基酸含量的影響Table 4 Effects of foliar spraying nano-Se on amino acid composition and contents of lettuce under different photoperiods μg·g—1(DW)

2.7 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜礦質(zhì)元素含量的影響

由表5可知,12 h/12 h 光周期下,生菜中K、Na含量隨納米硒濃度的增加呈先升高后降低的趨勢,Ca、Fe、Zn含量呈先降低后升高的趨勢,而Mg和Mn含量呈逐漸下降的趨勢; 16 h/8 h光周期下,生菜中Mg含量呈先升高后降低的趨勢,K、Mn含量呈先降低后升高的趨勢,Na、Ca、Fe含量呈逐漸增加的趨勢,而Zn含量呈逐漸降低趨勢; 20 h/8 h光周期下,生菜中K、Na、Ca、Mg、Fe和Mn含量均呈先升高后降低的趨勢,而Zn含量呈先降低后升高的趨勢。不同光周期下,生菜中Se元素含量均隨葉面噴施納米硒濃度的升高呈增加的趨勢,其中P2N3處理下,生菜中Se元素含量最高。

表5 不同光周期下葉面噴施納米硒對生菜礦質(zhì)元素含量的影響Table 5 Effects of foliar spraying nano-Se on contents of mineral elements in lettuce under different photoperiods

2.8 生菜生長和品質(zhì)主成分分析

表6為生菜生長和品質(zhì)主成分分析的3個主成分與其12個指標之間的相關系數(shù)(載荷矩陣),參照林海明等的方法,以特征向量為權重,根據(jù)主成分的計算公式構(gòu)建主成分函數(shù)表達式,分別可得:

表6 生菜生長和品質(zhì)主成分分析的各因子載荷矩陣Table 6 Principal component analysis of lettuce growth and quality of each factor load matrix

由表7可知,通過對各處理綜合因子得分及排序,表明P2N3處理對生菜生長和品質(zhì)的綜合影響效果最好。

表7 各處理綜合因子得分（Y值）及排序Table 7 Comprehensive factor score (Y value) and ranking of each treatment

3 討論與結(jié)論

光環(huán)境和營養(yǎng)是植物工廠生產(chǎn)中的兩大關鍵因素,在很大程度上對蔬菜特別是葉菜類的生長和品質(zhì)具有決定性作用。光對植物的生長發(fā)育、光合作用和形態(tài)建成均有調(diào)控作用。光照是否充足關乎植物能否產(chǎn)生充足的營養(yǎng)物質(zhì)以供各器官的生長。延長光照時間會顯著增加生菜地上部和地下部鮮重、葉綠素含量。本試驗研究結(jié)果表明,延長光照時間會增加生菜株高、地上部鮮重和根系活力,但隨光照時間延長呈先升高后降低的趨勢,說明適當延長生菜接受光照的時間,能產(chǎn)生更多的碳水化合物,而連續(xù)長時間光照會使生菜的光合色素含量降低,進而影響光合作用,使光合產(chǎn)物積累降低; 同時根系活力的增強有利于根系吸收更多的營養(yǎng)物質(zhì),并運輸?shù)降厣喜?使地上部生長更好,從而實現(xiàn)增產(chǎn)。此外,本試驗研究結(jié)果還表明,16 h/8 h和20 h/4 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均增加,說明納米硒可以改善一些涉及光合系統(tǒng)的關鍵基因和蛋白質(zhì),對植物葉綠素的合成具有促進作用。

可溶性糖和可溶性蛋白是生菜的重要營養(yǎng)指標,可溶性糖可為植物生命活動提供能量; 此外,硝酸鹽含量的降低對提高水培類蔬菜品質(zhì)有著重要意義,其含量可能與氨基酸的合成有關。有研究結(jié)果表明,適當延長光照時間使植株可溶性蛋白和可溶性糖含量增加,外源硒對降低生菜中硝酸鹽含量具有積極作用。本試驗研究結(jié)果表明,生菜中還原糖和可溶性蛋白含量隨光照時間的延長而增加,而可溶性糖含量隨光照時間的延長基本呈先升高后降低的趨勢,硝酸鹽含量隨光周期的延長基本呈先降低后升高的趨勢,這與周晚來等的短期連續(xù)光照條件下,隨著光照時間的延長,生菜中硝酸鹽含量一直持續(xù)降低,而可溶性糖的含量快速提高的研究結(jié)果不一致,可能是長時間連續(xù)光照使植株產(chǎn)生光抑制。此外,本試驗中葉面噴施納米硒會使生菜中還原糖、可溶性糖的含量普遍降低,這與袁偉玲等得出的葉面噴施外源硒會增加生菜地上部可溶性總糖含量的研究結(jié)果不一致,可能是光周期和納米硒之間存在交互效應,具體機理還有待進一步研究。

氨基酸作為蛋白質(zhì)基本組成單元和人體必需營養(yǎng)成分,其正常的代謝、轉(zhuǎn)化和運輸是植物體完成生命周期活動的必要保證。本研究中,16 h/8 h光周期下,葉面噴施48 μmol·L納米硒使生菜中各氨基酸含量均增加; 20 h/4 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜中各氨基酸含量均增加,且隨著納米硒濃度的增加呈先升高后降低的趨勢,這與崔劍波等得出的外源Se會引起小麥(L.)籽實中的氨基酸組成發(fā)生變化,進而增加了部分氨基酸的含量結(jié)論基本一致。充足的氨基酸供應對植物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)都具有非常重要的促進作用,此外,部分氨基酸對植物養(yǎng)分吸收也具有促進作用,從而增加植物中的養(yǎng)分含量。通過對生菜生長指標和部分品質(zhì)指標進行主成分分析及綜合排序,表明P2N3處理對生菜生長和品質(zhì)的綜合影響效果最好。

礦質(zhì)營養(yǎng)對植物碳水化合物含量和光合作用有重要影響,且元素的吸收與產(chǎn)量密切相關,其中Ca、Fe、Zn、K等元素作為重要的營養(yǎng)物質(zhì),是衡量葉菜品質(zhì)的重要指標。查凌雁等研究結(jié)果表明,連續(xù)光照下生菜養(yǎng)分積累量的增加主要是因為植株干重的提高,且光照會影響植物礦質(zhì)元素含量和生物量，從而影響礦質(zhì)元素積累。本研究中,延長光周期,生菜中各元素的變化趨勢不一,說明光周期能夠改變植物生長調(diào)節(jié)物的含量,而這些植物調(diào)節(jié)物能夠影響植物根系對營養(yǎng)的吸收。不同光周期下,生菜中Se元素含量均隨葉面噴施納米硒濃度的升高呈增加的趨勢,其中P2N3處理下,生菜中Se元素含量最高。說明納米硒在不同程度上可調(diào)控K、Ca、Mg、Fe、Se等元素在植株體內(nèi)的分配。

綜上所述,適當延長光照時間和增加外源硒濃度,均有利于生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。在16 h/8 h光周期下生菜地上部鮮重最高。與12 h/12 h相比,16 h/8 h和20 h/4 h光周期下均有利于生菜品質(zhì)的提升,而且噴納米硒后進一步提升了生菜品質(zhì)。從光周期與硒互作效果看,光周期對生菜生長和品質(zhì)的影響起主導作用,外源納米硒起調(diào)節(jié)作用。與20 h/4 h光周期相比,16 h/8 h光周期下生菜產(chǎn)量明顯增加且用電量更少,因此,從生長、品質(zhì)、生產(chǎn)成本考慮,宜選用16 h/8 h光周期下葉面噴施48 μmol·L納米硒處理。