植物工厂LED光源环境下黄瓜幼苗生长和需水规律

梁贝贝温江丽李灵芝李海平郭文忠*

（1北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2山西农业大学园艺学院，山西太谷 030800）

培育优质壮苗是蔬菜高产的重要前提，在现代化蔬菜育苗条件下，水分管理作为一项重要环节，其供应状况直接影响幼苗的生长发育及壮苗指数等指标。国内外学者针对基质（土壤）不同含水量对蔬菜育苗的影响开展了大量研究，研究表明，基质相对含水量维持在60%～80%范围内时黄瓜幼苗光合能力较强（陈俊琴和赵瑞，2017）；在温室环境下，土壤含水量为90%时黄瓜幼苗生长指标和生理指标显著优于其他处理水平（冯嘉玥 等，2005）；土壤含水量为50%～60%可以提高秋茬黄瓜产量（张晓萍 等，2002）。目前，国内外研究大多局限在温室环境下，但温室条件存在温度、光照等环境因子不可精确调控等因素。植物工厂育苗作为一种高度专业化、现代化、自动化的育苗生产方式（魏灵玲 等，2009），能够实现对光源、温度和湿度等智能控制（刘文科，2017），得到了广泛的重视。LED光源是植物工厂的优选光源，具有传统光源无法比拟的光电和农学应用优势。为此，应进一步加强在植物工厂LED光源环境下蔬菜育苗的研究。本文以黄瓜品种中农26号为试材，在植物工厂LED光源环境下，设置基质不同水分梯度处理，分析幼苗生长发育和耗水量对基质不同含水量的响应，探索黄瓜幼苗生长阶段最佳灌水方案，为黄瓜育苗精准化水分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年10～11月在北京智能装备技术中心的植物工厂育苗室（39°56´32.60´´N，116°16´53.73´´E）进行，苗龄为 30 d。植物工厂内的环境温度24 ℃/18 ℃（昼/夜），相对湿度70%～80%，CO2浓度800μmol·mol-1。采用LED灯作为光源，光照强度为200 μmol·m-2·s-1，光照时间10 h·d-1，光照时间段为每天的8：00～18：00。

1.2 试验材料

供试黄瓜品种为中农26号。采用72孔规格穴盘育苗，于10月5日播种，播种前将混合基质装满穴盘，基质为草炭∶蛭石（体积比为2∶1）混合基质，基质容重0.31 g·cm-3、总孔隙度69%、通气孔隙度13%、持水孔隙度67%、pH值5.56、电导率496μS·cm-1。清水浇透0.5 h后进行播种，每个穴孔播1粒，播后覆盖蛭石，子叶未展开前清水灌溉，保持基质湿润。幼苗真叶展开后开始浇灌营养液，营养液为阿农配方，1倍全价营养液的pH值为6.5，EC值为1.83 mS·cm-1。

1.3 试验方法

试验采用称重法控制黄瓜幼苗基质含水量，设置5个水分梯度，分别设定为基质最大持水量的55%～60%（CI1）、65%～70%（CI2）、75%～80%（CI3）、85%～90%（CI4）和95%～100%（CI5）。黄瓜幼苗真叶展开后（播种后14 d）开始进行基质不同含水量处理，每天9：00对各个处理的含水量进行调节，于幼苗开始试验处理前，用称重法测定每盘幼苗的基质含水量，第2天计算幼苗耗水量，并将每盘幼苗补充至设定好的基质含水量（姜顺邦和韦小丽，2016）。每个处理3次重复，1个穴盘为1次重复。

1.4 测定项目

1.4.1 生长指标的测定 黄瓜幼苗播种后14 d开始进行基质不同含水量处理，之后每隔4 d各处理随机选取3株测定幼苗的株高和茎粗。用直尺测量幼苗茎基部至顶端生长点高度作为株高（cm），用游标卡尺测量子叶节下方1 cm处直径作为茎粗（mm）。育苗期结束、幼苗四叶一心时，各处理随机选取3株，根系活力用TTC还原法测定。用EPSON Prefection V 700进行根系扫描，并利用WinRHIZOPro分析幼苗根长、根体积、根面积及根直径，称重法测定幼苗地上部、地下部鲜质量和干质量，并计算幼苗根冠比和壮苗指数。

根冠比=地下部干质量/地上部干质量

壮苗指数=茎粗/株高×全株干质量

1.4.2 幼苗耗水量测定 每天补水灌溉前电子秤所得的每盘幼苗的耗水量/72，即为单株幼苗的日耗水量。

总耗水量=处理前的耗水量+试验处理后每天的耗水量

灌溉水分利用效率（WUE，g·L-1）用总干物质增量和总灌水量比值表示（姜顺邦和韦小丽，2016），计算公式如下：

WUE=（DMt-DMa）/M

DMt（total dry mass）为总干物质质量，DMa（average dry mass）为处理前黄瓜幼苗平均干物质质量，M为该幼苗处理期间总灌水量。

1.5 数据处理

采用 Excel 2017 软件处理数据，SPSS 23.0 软件进行差异性和曲线估算分析。

2 结果与分析

2.1 基质不同含水量对黄瓜幼苗生长指标的影响

2.1.1 株高和茎粗 由图1可知，随着黄瓜幼苗生长周期的变化，其株高和茎粗呈逐渐增长趋势。不同基质含水量处理下，CI4处理株高始终最高，但与CI3处理差异不显著，在不同基质含水量处理后16 d，CI4和CI3处理的株高分别是为7.90、7.83 cm；CI1处理的株高值最小，较CI4处理减少19.78%。不同基质含水量处理后16 d，CI4处理的茎粗值最大，且与CI3、CI2无显著差异，茎粗分别为4.42、4.27、4.18 mm。其次是CI5和CI1处理，与CI4相比分别减少了12.8%、23.3%。

图1 基质不同含水量对黄瓜幼苗株高和茎粗的影响

2.1.2 鲜质量和干质量 植株的鲜质量和干质量在一定程度上可以反映出植物在一段时间内的物质积累量。由表1看出，在植物工厂LED光源条件下，随着基质含水量的上升，黄瓜幼苗的地上部鲜质量和地下部鲜质量表现为一个先上升后下降的过程。在基质含水量为85%～90%时，黄瓜幼苗的地上部鲜质量和地下部鲜质量达到最大，分别为6.569 g和1.334 g。黄瓜幼苗的地上部干质量和地下部干质量表现出与幼苗鲜质量同样的趋势，CI4处理的幼苗地上部干质量和地下部干质量最高，分别为0.440 g和0.062 g。反映幼苗综合素质的CI4处理的根冠比和壮苗指数分别达到了0.208和0.281，其中根冠比显著高于其他处理。

表1 基质不同含水量对黄瓜幼苗鲜质量和干质量的影响

2.1.3 根系形态指标 由表2可以看出，基质不同含水量对黄瓜幼苗根系总长、根系总面积、根系平均直径、根系总体积、根系活力指标影响显著（P＜0.05）。其中CI4根系总长显著高于其他水平处理，为1 223.358 cm，CI1处理最小，较CI4处理降低了21.5%。各处理根系总长表现为：CI4＞CI3＞CI5＞CI2＞CI1。黄瓜幼苗根系总面积以CI4处理最大，为139.692 cm2，与此同时，该处理的幼苗根系平均直径和根系总体积显著高于其他处理。综合幼苗根系形态指标，不适宜的基质含水量会抑制黄瓜幼苗地下部根系的积累。CI4处理的根系活力显著高于其他处理水平（P＜0.05）。CI1与CI5处理的根系活力较低，且二者之间无显著差异，相比CI4处理，分别降低了64.14%、64.00%。

表2 基质不同含水量对黄瓜幼苗根系形态指标的影响

2.2 黄瓜幼苗耗水规律与水分利用效率

从图2可以看出，植物工厂LED光源环境下，基质不同含水量对黄瓜幼苗的单株日耗水量影响显著（P＜0.05）。不同基质含水量处理后1～5 d，各处理的单株日耗水量呈现缓慢上升趋势；处理后5～12 d，基质不同含水量下幼苗单株日耗水量表现为快速增加的趋势，在幼苗处理后12 d，CI4处理下幼苗单株日耗水量显著高于其他处理，日耗水量为8.09 mL。处理后12～16 d均表现为CI4处理显著高于其他处理水平。

图2 基质不同含水量下黄瓜幼苗单株日耗水量

由表3可知，基质不同含水量下黄瓜幼苗单株总耗水量差异显著（P＜0.05），幼苗总耗水量随基质含水量的增加呈现先增大后降低的趋势。CI4处理的单株总耗水量显著高于其他处理，单株总耗水量为129.72 mL，CI3处理水平次之，总耗水量为125.15 mL，为CI4处理的96.47%；CI1处理的单株总耗水量最低，为79.70 mL，是CI4处理的61.44%。基质不同含水量对黄瓜幼苗水分利用效率影响显著（P＜0.05），CI4处理幼苗水分利用效率显著高于其他处理水平，为3.481 mg·mL-1；其次是CI3处理，为2.567 mg·mL-1，且该处理与CI2和CI1处理无显著差异。CI5处理的水分利用效率最小，为2.095 mg·mL-1，与CI4相比降低了39.81%。

表3 基质不同含水量对黄瓜幼苗总耗水量和水分利用效率的影响

2.3 黄瓜幼苗生育天数和单株日耗水量的关系方程

综合分析幼苗生长和生理指标，以85%～90%基质含水量处理下拟合黄瓜幼苗生育天数与单株日耗水量的关系模型：y=0.355 3 x-1.887 5。根据关系模型可知（图3），黄瓜幼苗期间，随播种后天数的增加，幼苗单株日耗水量呈上升趋势。

图3 黄瓜幼苗生育天数与单株日耗水量的关系方程

3 结论与讨论

光照是LED光源植物工厂环境发展的主要驱动力，在智能调控环境下培育优质壮苗是蔬菜生产的关键环节，健壮的幼苗对提高作物抗逆性十分有益，也是果实生产的基础和丰产的保证。由本试验结果可知，植物工厂LED光源下，基质含水量为85%～90%时，黄瓜幼苗的株高、茎粗、幼苗地上部和地下部生物积累量最大，实现了根冠比和壮苗指数最高；且幼苗地下部根系等指标最佳。本文研究结果与冯嘉玥等（2005）的试验结果基本一致，但与宋羽等（2014）在温室条件下的甜瓜育苗试验研究结果不一致，分析原因，一是不同蔬菜存在差异；二是蔬菜作物生长环境不同。此外，LED光源条件下，85%～90%的基质含水量显著提高了黄瓜幼苗的水分利用效率，且高于在日光温室条件下（孔德杰 等，2011），分析原因可能是在LED植物工厂智能调控环境下，可以缩短育苗周期并减少育苗期间的总耗水量。综合分析幼苗的生长情况，在植物工厂LED光源环境下，基质含水量为85%～90%不仅可以培育优质壮苗，而且能够达到水分高效利用的效果，符合植物工厂蔬菜育苗的发展方向。