張子昆， 林碧英， 楊永森， 陳 風(fēng)， 伊光捷， 張曉瑾， 劉燕飛

(福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建福州 350002)

蕹菜(Ipomoeaaquatica)，別稱空心菜、竹葉菜等，是旋花科甘薯屬，以綠葉和嫰莖供食用，一年生或多年生蔬菜，原產(chǎn)于我國的熱帶多雨地區(qū)[1]。近年來，隨著蕹菜設(shè)施栽培面積的逐年擴(kuò)大，如何提高蕹菜產(chǎn)量成為科研機(jī)構(gòu)以及各大企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。CO2是光合作用的主要原料之一，其濃度與植物的光合作用、呼吸作用和蒸騰作用密切相關(guān)[2]。設(shè)施栽培由于其密閉環(huán)境容易導(dǎo)致CO2虧缺現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重影響設(shè)施內(nèi)作物的生長和發(fā)育。而增施CO2能夠顯著提高設(shè)施內(nèi)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，是設(shè)施蔬菜增產(chǎn)提質(zhì)的有效措施之一[3]。Pan等認(rèn)為，CO2濃度上升有利于促進(jìn)植物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[4]。目前，全球氣候變暖狀況加劇，大氣中CO2濃度不斷上升，因此減少溫室氣體排放及增加碳吸收受到國內(nèi)和國際社會(huì)的廣泛關(guān)注[5]。我國農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放比例為16%～17%[6-7]，我國承諾2030年前達(dá)到碳達(dá)峰，2060年達(dá)到碳中和[8]。因此，在巨大的溫室氣體減排任務(wù)下，我國急切需要提高資源利用率，發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)[6]。光作為植物生長發(fā)育過程中的環(huán)境因子之一，從能量和信號2個(gè)方面在植物生命活動(dòng)的各類生化反應(yīng)中發(fā)揮著極其重要的作用[9]。弱光脅迫導(dǎo)致植物生長異常，王惠哲等認(rèn)為，弱光脅迫下，植株產(chǎn)量和品質(zhì)都有顯著性下降。福建地區(qū)早春蕹菜種植一般在設(shè)施大棚內(nèi)，但由于設(shè)施覆蓋材料和早春氣候條件影響，設(shè)施內(nèi)往往產(chǎn)生弱光脅迫和CO2缺乏等逆境[10]。因此，如何在設(shè)施內(nèi)提高蕹菜的光合作用，對蕹菜產(chǎn)量和品質(zhì)提高尤為重要。本研究分析在加富CO2條件下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜生長及品質(zhì)的影響，以期為緩解設(shè)施內(nèi)早春蕹菜栽培弱光脅迫和CO2缺乏提供解決方案，為加富CO2環(huán)境下不同紅藍(lán)光配比可促進(jìn)蕹菜的生長，提高其產(chǎn)量、品質(zhì)和固碳量的研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為蕹菜，品種為閩蔬三丫，種子購于福州閩蔬農(nóng)業(yè)科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年3月10日至9月30日在福建農(nóng)林大學(xué)設(shè)施溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)LED光源包括紅藍(lán)光[紅光(R)峰值波長為660 nm、藍(lán)光(B)峰值波長為450 nm)、白光(波長范圍為410～760 nm]，均購于福建三安科技有限公司。CO2采用鋼瓶液態(tài)CO2，從福州中銘生物科技有限公司購得。種子進(jìn)行常規(guī)溫湯浸種，播于多功能蓄水式育苗盆(基質(zhì)配比為草炭 ∶蛭石 ∶珍珠巖=3 ∶1 ∶1)，待幼苗長到2葉1心時(shí)，隨機(jī)選取長勢一致的幼苗進(jìn)行處理，將多功能蓄水式育苗盆置于培養(yǎng)箱(每個(gè)培養(yǎng)箱大小為1.0 m×0.5 m×0.5 m)中，在每個(gè)培養(yǎng)箱中進(jìn)行不同紅藍(lán)光配比處理，各處理調(diào)整植物大部分葉面與光源的距離均為25 cm，光照度為(250±5) μmol/(m2·s)，光周期為12 h，同時(shí)每天 10：00—12：00向培養(yǎng)箱中通入CO2，用轉(zhuǎn)子流量計(jì)使柜體內(nèi)CO2濃度維持在(1 000±50) μL/L，并每隔30 min用艾科微克CO2測定儀(美國產(chǎn))對各棚內(nèi)的CO2濃度進(jìn)行測定核實(shí)，其余時(shí)間不補(bǔ)充。其他環(huán)境因子可控，白天溫度為(30±1) ℃，夜晚溫度為(24±1) ℃，培養(yǎng)箱內(nèi)濕度為60%～70%。LED光質(zhì)設(shè)置5個(gè)處理，CO2設(shè)置2個(gè)處理(表1)。試驗(yàn)處理開始后25 d即采收期，每個(gè)樣品隨機(jī)選取10株，對形態(tài)指標(biāo)、含水量和營養(yǎng)相關(guān)指標(biāo)重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值(表1、圖1)。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

1.3 形態(tài)指標(biāo)及相關(guān)生理指標(biāo)測定與方法

1.3.1 株高、莖粗、鮮質(zhì)量的測定 株高采用精確度為1 mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量，從根莖分界處到生長點(diǎn)的高度為株高；莖粗采用精確度為0.01 mm的電子游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量，以子葉下部節(jié)間1 cm為基準(zhǔn)；鮮質(zhì)量采用精確度為0.01 g電子天平進(jìn)行測量。

1.3.2 根系生長的測定 利用根系掃描儀Epson Perfection 4990 PHOTO進(jìn)行掃描、根系分析系統(tǒng)WinRHIZO進(jìn)行分析，得到根總長。

1.4 品質(zhì)及硝酸鹽指標(biāo)測定

1.4.1 可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C含量的測定 可溶性糖含量采用蒽酮比色法[11]測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[11]測定，維生素C含量采用2，6-二氯靛酚比色法[11]測定。

1.4.2 硝酸鹽含量的測定 硝酸鹽含量采用濃硫酸-水楊酸比色法[11]測定。

1.4.3 地上部固碳量 王首吉等認(rèn)為，植物每產(chǎn)生1 g干物質(zhì)需要固定1.63 g CO2[12-13]，可根據(jù)栽培和采收時(shí)蕹菜的干物質(zhì)量計(jì)算其地上部固碳量，計(jì)算公式為

式中：W表示地上部固碳量，g/m2；a表示采收時(shí)地上部分干質(zhì)量，g；b表示采收時(shí)地下部分干質(zhì)量，g；r表示干物質(zhì)凈積累量，g/株，由采收時(shí)干物質(zhì)量減去栽培時(shí)干物質(zhì)量得到；ρ表示栽培密度，株/m2，本研究栽培密度為100株/m2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2003和DSP 9.5軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Duncan’s新復(fù)級差法進(jìn)行差異顯著分析(α=0.05)，利用Prism 8.0軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

2 結(jié)果與分析

2.1 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜生物量的影響

2.1.1 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對株高、莖粗、鮮質(zhì)量的影響 株高、莖粗、鮮質(zhì)量、根總長是衡量植物生長的重要指標(biāo)。由表2、圖2可知，處理25 d后，CK1的株高、莖粗、鮮質(zhì)量、根總長比CK0分別提高76.2%、45.4%、19.1%、78.9%，除了莖粗外，其他均呈顯著差異。在加富CO2環(huán)境下，不同光源處理株高從大到小依次為A3>A2>A4>A1>CK1，其中A3、A2、A4、A1比CK1分別提高33.3%、20.7%、20.6%、7.5%，且均與CK1存在顯著性差異；各處理莖粗從大到小依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1比CK1分別提高60.6%、45.5%、21.9%、11.7%，且均與CK1存在顯著性差異。各處理鮮質(zhì)量從大到小依次為A3>A2>A4> A1>CK1，其中A3鮮質(zhì)量最高，達(dá)到42.98 g，比CK1高54.3%，A2、A4、A1比CK1分別提高48.4%、41.1%、18.6%，均與CK1存在顯著性差異；各處理根總長從大到小依次為A3>A2>A4>A1>CK1，均與CK1存在顯著性差異。

表2 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜生長的影響

2.1.2 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜含水量的影響 植物體內(nèi)都含有水分，生長活躍和代謝旺盛的植物和細(xì)胞的含水量高。由表3可知，各處理植株含水量中，CK1比CK0提高0.1%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍(lán)光配比處理植物含水量從高到低依次為A3>A4>A2=A1>CK1，其中A3含水量最高，達(dá)到94.7%，比CK1提高2.0%，各處理間均存在顯著性差異。

表3 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜含水量的影響

2.2 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜營養(yǎng)品質(zhì)及硝酸鹽的影響

2.2.1 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜可溶性糖的影響 植物體內(nèi)的碳素營養(yǎng)狀況以及農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)常以可溶性糖含量作為重要參考指標(biāo)[14]。由圖3可知，處理后25 d，CK1莖和葉中可溶性糖含量與CK0差異顯著，其中莖和葉中可溶性糖含量分別提高167.6%、75.3%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍(lán)光配比處理莖和葉中可溶性糖含量與CK1都存在顯著性差異，其中各處理莖中可溶性糖含量從大到小依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1較CK1分別提高21.4%、11.5%、9.1%、6.1%；各處理葉中可溶性糖含量從大到小依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1較CK1分別提高60.0%、40.3%、19.5%、15.0%，同時(shí)A3與其他處理存在顯著性差異。

2.2.2 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜可溶性蛋白的影響 蛋白質(zhì)作為細(xì)胞中含量最豐富的生物大分子之一，是生物體結(jié)構(gòu)和功能最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[15]。由圖4可知，處理后25 d，CK1莖和葉中可溶性蛋白含量與CK0差異顯著，其中莖和葉中可溶性蛋白含量分別提高14.9%、60.3%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍(lán)光配比處理莖和葉中可溶性蛋白含量與CK1都存在顯著性差異，各處理莖中可溶性蛋白從大到小依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1較CK1分別提高66.1%、39.4%、30.3%、17.6%，同時(shí)A3與其他處理存在顯著性差異；各處理葉中可溶性蛋白含量排列依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1較CK1分別提高37.2%、19.4%、16.0%、9.0%，同時(shí)A3與其他處理存在顯著性差異。

2.2.3 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜維生素C含量的影響 植株中維生素C含量是衡量植株?duì)I養(yǎng)品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。由圖5可知，處理后25 d，莖和葉中維生素C含量與CK0莖和葉中維生素C含量相比具有顯著性差異，其中莖和葉中維生素C含量分別提高6.3%、49.5%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍(lán)光配比處理莖和葉中維生素C含量與CK1都存在顯著性差異，其中各處理莖中維生素C含量從大到小依次為 A3>A4>A2>A1>CK1，A3、A4、A2、A1較CK1分別提高22.8%、19.3%、13.9%、4.2%，同時(shí)A3與其他處理存在顯著性差異；各處理葉中維生素C含量從大到小依次為A3>A2>A4>A1>CK1，A3、A2、A4、A1較CK1分別提高16.8%、9.4%、6.2%、4.5%，同時(shí)A3與其他處理存在顯著性差異。

2.2.4 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對植物硝酸鹽的影響 葉菜類蔬菜常常含有大量的硝酸鹽，在烹調(diào)過程中容易轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，從而危害人體健康[16]。由圖6可知，處理后25 d，CK1莖和葉中硝酸鹽含量與CK0莖和葉中硝酸鹽含量相比具有顯著性差異，其中莖和葉中硝酸鹽含量分別降低9.9%、8.5%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍(lán)光配比處理中，A2、A3、A4莖中硝酸鹽含量相比CK1莖中硝酸鹽含量略有降低，但不具有顯著性差異，A1莖中硝酸鹽含量相比CK1莖中硝酸鹽含量具有顯著性差異，降低18.2%；各處理葉中硝酸鹽含量從大到小依次為CK1>A3>A1>A4>A2，其中A2、A4、A1、A3較CK1分別降低13.2%、12.5%、6.7%、6.6%，同時(shí)各處理均與CK1存在顯著性差異。在所有試驗(yàn)處理，硝酸鹽含量均在我國規(guī)定的硝酸鹽安全范圍。

2.3 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜地上部固碳量的影響

不同紅藍(lán)光質(zhì)處理對蕹菜地上部固碳量具有顯著影響。由表4可知，處理25 d后，各處理植株地上部固碳量中，CK1比CK0提高49.0%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍(lán)光配比處理中，各處理地上部固碳量從大到小依次為A3>A2>A4>A1>CK1；地上部固碳量中A3、A2、A4、A1比CK1分別提高95.0%、78.2%、62.0%、43.8%，且均與CK1存在顯著性差異。

表4 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜地上部固碳量的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜生長的影響

CO2是影響設(shè)施蔬菜生長的環(huán)境因素之一。張仟雨等認(rèn)為，CO2的提高能顯著提高白菜的單株產(chǎn)量[17]。周成波認(rèn)為，LED紅藍(lán)組合光處理相比白光可以提高白菜的株高和產(chǎn)量[18]。黎庭耀等認(rèn)為，使用紅藍(lán)復(fù)合光補(bǔ)光處理的葉菜類蔬菜的鮮質(zhì)量、株高、根長顯著高于白光補(bǔ)光[19]。本研究結(jié)果顯示，CK1較CK0的株高、莖粗、鮮質(zhì)量和根總長均有顯著性提升，其中株高提升最顯著，表明加施CO2有利于促進(jìn)蕹菜的生長，這與陳丹艷等在生菜上的研究結(jié)果[20]一致。另外本研究還發(fā)現(xiàn)，加富CO2環(huán)境下，使用不同紅藍(lán)光配比處理相比CK1均可顯著提高蕹菜的株高、莖粗、鮮質(zhì)量和根總長，其中以A3提高效果最好，表明在加富CO2環(huán)境下使用適宜的紅藍(lán)光有利于促進(jìn)蕹菜的生長。

3.2 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜營養(yǎng)品質(zhì)及硝酸鹽的影響

CO2富集，有利于提高植物的產(chǎn)量與品質(zhì)及其體內(nèi)的可溶性糖含量[21]?？扇苄蕴鞘枪夂献饔梅e累的重要產(chǎn)物，可溶性蛋白則是植株體內(nèi)形成代謝重要的調(diào)節(jié)物質(zhì)。光質(zhì)對于植物體內(nèi)碳水化合物和蛋白質(zhì)代謝也有調(diào)控作用，學(xué)者針對生菜[22]、烏塌菜[23]、蕹菜[24]等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)紅藍(lán)組合光有利于提高蔬菜的光能利用率，促進(jìn)碳氮代謝，增加物質(zhì)積累，提高營養(yǎng)品質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn)，CK1較CK0的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、維生素C含量有顯著性提升，這與宋蜜蜂等的研究結(jié)果[25-26]一致，其中植株中可溶性糖含量提升幅度最大，表明增施CO2主要影響蕹菜的碳代謝，增加碳代謝產(chǎn)物的積累，有利于提高蕹菜的品質(zhì)；同時(shí)，CK1較CK0硝酸鹽含量降低，表明增施CO2有利于降低蕹菜的硝酸鹽含量，這與都韶婷等的研究結(jié)果[27-28]一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，在加富CO2環(huán)境下，使用不同紅藍(lán)光配比處理相比CK1均可顯著提高蕹菜的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和維生素C含量，所有處理中A3提高效果最好，A3處理植株莖中可溶性蛋白含量提升效果最好，而植株葉中可溶性糖含量提升最顯著，表明在加富CO2環(huán)境下，使用適宜的紅藍(lán)光有利于提高蕹菜的營養(yǎng)品質(zhì)。

3.3 加富CO2下不同紅藍(lán)光配比對蕹菜地上部固碳量的影響

自然固碳法主要是利用陸地植物的固碳功能[29]，目前自然固碳研究多基于森林、草原生態(tài)系統(tǒng)等，關(guān)于設(shè)施農(nóng)作物固碳的研究相對較少。本研究結(jié)果表明，CK1較CK0的地上部固碳量有顯著性提升，這與陳丹艷的研究結(jié)果[30]一致。寧宇等認(rèn)為，紅藍(lán)光組合中提高紅光比例能夠提高芹菜的凈光合速率并促進(jìn)碳同化[31]。本研究還發(fā)現(xiàn)，加富CO2環(huán)境下，使用不同紅藍(lán)光配比處理相比CK1可以顯著促進(jìn)蕹菜地上部固碳量的提高，其中以A3提高效果最好，表明在加富CO2環(huán)境下使用適宜的紅藍(lán)光有利于提高蕹菜的地上部固碳量。

綜上可知，增施CO2后，蕹菜的產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)有顯著性提高，硝酸鹽含量顯著降低，且符合我國規(guī)定的硝酸鹽安全范圍。在加富CO2環(huán)境下，使用不同紅藍(lán)光配比處理相比白光處理均對蕹菜的生長和營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)有顯著的提高作用，其中以A3處理(R ∶B=4 ∶1)效果最佳。因此，在設(shè)施內(nèi)加富CO2環(huán)境下，使用R ∶B=4 ∶1紅藍(lán)光配比處理，不僅能緩解設(shè)施內(nèi)早春栽培弱光脅迫和CO2缺乏，且使蕹菜加快生長、提早采收上市，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)，本試驗(yàn)量化了蕹菜的固碳量，為設(shè)施農(nóng)業(yè)的固碳-高產(chǎn)栽培一體化研究提供了參考依據(jù)，對實(shí)現(xiàn)減少農(nóng)業(yè)的碳排放具有參考作用，同時(shí)也為后期的研究奠定了基礎(chǔ)。