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        光周期對(duì)植物工廠水芹產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

        2022-11-26 06:54:16李政璞王素娜李炎艷王麗萍武占會(huì)
        關(guān)鍵詞:光周期水芹光照

        李政璞,佟 靜,王素娜,李炎艷,王麗萍,梁 浩,武占會(huì)

        (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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shì)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(zhǎng)環(huán)境、水肥管理更簡(jiǎn)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(zhǎng),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(duì)植物的生長(zhǎng)有一定的影響,光能夠促進(jìn)植物光合作用;光照強(qiáng)度和光質(zhì)在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)作物生長(zhǎng)有關(guān)鍵性作用[5]。植物進(jìn)行光合作用時(shí),會(huì)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(duì)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(duì)光環(huán)境要求的周期不一樣,由此可見(jiàn),蔬菜的種類不同需要的光周期也不盡相同,通過(guò)對(duì)比作物差異,研究適宜的光環(huán)境對(duì)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(chóng)害不多,有較好收成,適應(yīng)性廣,在中國(guó)水鄉(xiāng)大面積種植,每年種植面積約17000 hm2。水芹的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高,含有很多對(duì)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(yíng)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(jià)值明顯,有廣闊的市場(chǎng)需求。每一種蔬菜對(duì)光環(huán)境的要求都有所不同,研究對(duì)適宜的光環(huán)境,對(duì)作物的生產(chǎn)具有積極的作用。本試驗(yàn)對(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)

        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(yíng)養(yǎng)液為國(guó)家蔬菜工程技術(shù)研究中心專用營(yíng)養(yǎng)液。

        試驗(yàn)采用穴盤(pán)育苗,11月9日播種,待幼苗3葉1心時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)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(pán)上。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理(表1),每個(gè)處理10株,3次重復(fù)。試驗(yàn)期間光照強(qiáng)度160 μmol/(m2·s),溫度 18~22℃ ,相對(duì)濕度為 50%~70%,CO2濃度為(1500±30)μmol/mol,每10天更換1次營(yíng)養(yǎng)液;每7天測(cè)1次營(yíng)養(yǎng)液的EC和pH,營(yíng)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(cè)定指標(biāo)

        1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 試驗(yàn)在2019年11月15日測(cè)定水芹各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo),每隔7天隨機(jī)選定10株水芹測(cè)定植株的各項(xiàng)指標(biāo)。用直尺測(cè)量水芹株高,用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗,計(jì)算葉片數(shù)時(shí)要選取葉寬大于2 cm的葉片。采用電子天平測(cè)定單株鮮重,在105℃下殺青15 min,75℃烘干至恒重,測(cè)定干重,測(cè)定時(shí)對(duì)幼苗均隨機(jī)取樣,每個(gè)處理3次重復(fù),每個(gè)重復(fù)測(cè)定5次。以收獲單個(gè)營(yíng)養(yǎng)液栽培盤(pán)(面積為0.410 m2)內(nèi)的水芹質(zhì)量(kg)為產(chǎn)量并計(jì)算總產(chǎn)量,如式(1)。

        1.2.2 生理指標(biāo)測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)定 采用LI-6400型光合儀(LI-COR公司,美國(guó))于晴天上午9:00—11:00測(cè)定,采用LED光源,CO2濃度為400 μmol/mol,PAR為1000 μmol/(m2·s)。每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)一致的水芹,測(cè)定同一部位的葉片并測(cè)3株,測(cè)定的參數(shù)包括Pn、Ci、Gs、Tr。

        1.2.4 葉片顯微結(jié)構(gòu)的測(cè)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(gè)視野測(cè)量葉片上下表皮、柵欄組織及海綿組織厚度并計(jì)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(qiáng)。

        1.2.5 品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定 采用2,6-二氯酚靛酚比色法測(cè)定Vc含量[15],考馬斯亮藍(lán)比色法測(cè)定可溶性蛋白含量[16],紫外分光光度法測(cè)總黃酮含量[17],紫外分光光度法測(cè)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(yùn)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,Duncan檢驗(yàn)差異顯著性。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 光周期對(duì)植物工廠水芹植株生長(zhǎng)的影響

        從表2可知,作物水芹的植株隨著光照間隔時(shí)長(zhǎng)的增加,作物的葉片數(shù)、葉片長(zhǎng)、葉片寬、株高、莖粗、分蘗數(shù)均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。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(wú)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(duì)植物工廠水芹對(duì)水芹生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

        2.2 光周期對(duì)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(duì)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T(mén)2處理時(shí),水芹的地上部鮮重和地上部干重?cái)?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(wú)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(duì)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(duì)植物工廠水芹的葉綠素含量影響

        延長(zhǎng)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(shì)(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(duì)植物工廠水芹的葉綠素含量影響

        2.4 光周期對(duì)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(xiàng)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(xiàng)根系指標(biāo)之間無(wú)顯著差異,且均高于T4處理。

        表5 光周期對(duì)植物工廠水芹植株根系結(jié)構(gòu)的影響

        2.5 光周期對(duì)植物工廠水芹葉片光合參數(shù)影響

        不同光周期處理對(duì)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(zhǎng),水芹的參數(shù)Pn、Gs、Ci和Tr呈先升后降的趨勢(shì),且在T2處理時(shí)水芹的Pn、Gs、Tr達(dá)到最大值。光周期對(duì)水芹作物的Ci影響不顯著。

        表6 光周期對(duì)植物工廠水芹植株葉片光合參數(shù)影響

        2.6 光周期對(duì)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(shí)間的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),而總黃酮、多酚含量則隨光照時(shí)間的增加而增加;其中T1、T2和T3處理之間無(wú)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(xiàng)品質(zhì)指標(biāo),T1和T3處理之間無(wú)顯著性差異。

        表7 光周期對(duì)植物工廠水芹植株品質(zhì)的影響

        2.7 光周期對(duì)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(duì)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(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有一定的影響[19],研究4種不同光周期對(duì)水芹生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明,光照時(shí)間由10 h/天增至14 h/天時(shí),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(shì),在光照明暗周期為7 h/5 h時(shí)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(shí)長(zhǎng)的延長(zhǎng)顯著提高了青梗菜生長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)7 h和10 h),光照時(shí)長(zhǎng)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(shí)間可以促進(jìn)植物生長(zhǎng),植株體內(nèi)光合產(chǎn)物的積累增加。不同植物對(duì)光合產(chǎn)物的運(yùn)輸和分配能力不同,在最佳光周期下繼續(xù)延長(zhǎng)光照時(shí)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(zhǎng)光照時(shí)間不僅可以增加植物的光合作用時(shí)間,而且可以刺激光敏色素的信號(hào)轉(zhuǎn)換,從而誘導(dǎo)植物硝酸還原酶(植物硝酸鹽代謝過(guò)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(shí),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(guò)程提供了植株必要的能量和物質(zhì)。并且延長(zhǎng)光周期有利于植物對(duì)硝酸鹽的同化率的增加,植株干重也會(huì)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(qiáng)弱[25],葉片顯微結(jié)構(gòu)則間接驗(yàn)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(shí)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(shí),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(shí)間延長(zhǎng),光合代謝降低,光合產(chǎn)物降低[26]。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,可以適當(dāng)延長(zhǎng)光照時(shí)間,促進(jìn)水芹的生長(zhǎng),縮短采收時(shí)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(yùn)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(zhǎng)規(guī)律與品質(zhì)的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著光照間歇時(shí)間的增加,水芹的株高、莖粗、葉片長(zhǎng)、葉片寬、葉片數(shù)、分蘗數(shù)均呈先升上升后下降的趨勢(shì)。在明暗循環(huán)周期7 h/5 h時(shí)各生長(zhǎng)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(shí)間由每天10 h(14 h/10 h)延長(zhǎng)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。

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