采收前连续光照光质对三种供氮水平的水培生菜营养元素含量的影响

刘文科，张玉彬，查凌雁，刘义飞

1. 塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300 2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081 3. 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081

引 言

LED光源植物工厂是水培生产叶菜的理想设施，可实现周年生产，生长环境因子可调控，最大程度地利用水肥、电能和空间资源，获得高产优质的叶菜产品[1]。 光照和营养是两个最为重要的生长要素，在很大程度上决定了水培叶菜的产量和品质[2]。 氮素是植物干物质中含量最高的矿质元素。 研究表明，供氮水平可以显著影响水培叶菜的产量和品质[3]，适当的氮水平供给对植物工厂实现优质高产至关重要。 矿质元素含量，尤其是钙、铁、锌、钾等元素是重要的营养物质，也是叶菜品质的重要衡量指标，研究明确氮水平对水培叶菜营养元素含量影响机制具有重要的科学价值。 但是，至今有关氮水平对水培叶菜营养元素含量的影响少有报道，亟待弄清。 此外，国内外研究表明，采收前LED红蓝光连续光照(continuous light, CL)可显著提高水培生菜的产量和营养品质，是解决水培生菜在高氮肥供给条件下硝酸盐累积和营养物质含量偏低的重要技术手段[4-5]。 而且，查凌雁等[6]研究表明，与30天相比，15天红蓝光连续光照更适宜用于植物工厂水培生菜生产，对比能量投入可获得盈利的更高产量。 然而，营养液氮水平与采前连续光照对水培叶菜营养元素含量的影响未见报道，明确营养液氮水平与采前连续光照在调控水培叶菜营养元素含量上的互作关系，对制定植物工厂水培叶菜优质高产生产营养与光照管理策略具有重要实践意义。

生菜是一种被世界各国人们广泛喜爱的鲜食蔬菜，也是人工光植物工厂广泛种植的代表性蔬菜种类，生菜体内所含的矿质元素种类丰富，有利于人体健康。 已有研究表明，生菜营养元素含量与其生长过程中所受到的照射光谱有直接关系，且LED红蓝光复合光下生菜中一些营养元素的含量高于在荧光灯[7]下。 供氮水平、采收前红蓝光CL光谱以及两者互作条件下水培生菜生物量及营养元素含量的变化尚不清楚，需要研究揭示。 本研究在人工光植物工厂中，采用红蓝光谱LED光源，利用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)分析技术对采收后生菜内营养元素进行了检测，以探明不同供氮水平下采收前LED 红蓝光CL对生菜生长及营养元素吸收的影响，以期为制定植物工厂水培叶菜氮肥供给与光照管理策略提供科学依据，实现优质高产。

1 实验部分

1.1 材料

试验在环境光植物工厂中进行，栽培环境温度为(25±1) ℃，相对湿度为65%±5%。 将大小一致的生菜苗随机移栽于长方形塑料栽培槽(180 cm×60 cm×6 cm)内。 营养液配方( mmol·L-1)[7]: 0.4 Ca(NO3)2·4H2O，0.75 K2SO4，0.5 KH2PO4，0.1 KCl- 0.65 MgSO4·7H2O，1.0×10-3H3BO3，1.0×10-3MnSO4·H2O，1.0×10-4CuSO4·5H2O，1.0×10-3ZnSO4·7H2O，5×10-6(NH4)6Mo7O24·4H2O，0.1 EDTA-Fe。 采用LED红蓝光面板灯进行光照处理，试验光强为150 μmol·m-2·s-1，红光与蓝光组成比例为4∶1。 试验设置8，10和12 mmol·L-1(N8，N10和N12)，通过硝态钾调节氮浓度。 每个处理下栽培生菜26株，连续培养16 d，光周期为16 h/8 h。 在定植后第17 d，进行72 h不同光质的CL处理。 2种光质处理中红光和蓝光组成比例分别设定为2∶1(Q2)和4∶1(Q4)，光强为150 μmol·m-2·s-1。 实验中连续光照的光质处理与采收的时间节点(定植后天数)见图1。

光周期16 h/8 h, 红蓝光质4∶1光周期24 h/0 h红蓝光质2∶1光周期24 h/0 h红蓝光质4∶1

1.2 取样与测定方法

在CL处理前后分别取样测定相关指标，于定植后16天和19天分两次取生菜地上部样品，进行各项指标测定。 每个处理取样时随机取4株生菜，分成地上部和根系两部分。 将生菜地上部放入烘箱中，在105 ℃下杀青15 min，再在80 ℃烘干至恒重，称取干重。 烘干样品用组织研磨器研磨成粉状备测。 采用原子吸收分光光度计(ATC-006)和电感耦合等离子体质谱仪(ATC-155)测定K，P，Ca，Mg，Fe，Mn，Cu和Zn的含量[8]。 具体步骤为，精确称取0.3 g样品于消煮管中，加入60%高氯酸和浓硝酸的混合酸于180 ℃过夜，消解后加10 mL的1∶1 HCl，定容50 mL，上机测定。 生菜样品中的N和C含量采用燃烧-同位素分析法进行测定。 样品利用vario PYRO cube元素分析仪在填充有氧化铜的氧化管中(920 ℃)燃烧，燃烧后形成的气体在填有还原铜的管内还原为N2，并生成CO2(650 ℃)。 随后，N2和CO2通过氦载气流经吸附与解吸附柱分离，再进入同位素质谱仪(IRMS)进行同位素分析[9]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件对试验数据进行处理，采用SPSS 25.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法,α=0.05)。

2 结果与讨论

2.1 采收前连续光照光对三种供氮水平的水培生菜地上干重的影响

供氮水平对水培生菜的上部干重具有显著影响。 由表1可知，随着供应硝态氮水平的增加生菜地上部干重持续增加。 此外，采收前CL三天处理显著提高了生菜地上部干重，但供氮水平之间无显著差异。 而且，两种CL光质之间也无显著差异。

表1 采收前CL光质对三种供氮水平的水培生菜的上部干重的影响

2.2 供氮水平对水培生菜地上部营养元素含量与累积量的影响

营养液供氮水平对生菜地上部中营养元素的含量有不同的影响，因元素种类而异。 由表2可知，营养液氮水平对生菜N，C和P含量均无显著影响，Ca和Mg含量随氮水平的升高而逐渐升高。 在12 mmol·L-1氮水平时达到最高。 但K，Fe，Mn，Cu和Zn含量却随氮水平的升高呈现不同程度的降低趋势，在8 mmol·L-1氮水平时时含量最高。

由表3得，生菜地上部中N，Ca和Mg的累积量随供氮水平的增加而提高，供氮12 mmol·L-1时累积量达到最大，但是C，K，P和Fe的累积量与供氮水平无关。 微量元素Mn，Cu和Zn随氮水平升高呈现不同程度的降低趋势，均在8 mmol·L-1时累积量最大。

表2 供氮水平对水培生菜地上部营养元素含量的影响Table 2 Effects of nitrogen level on nutrient content of hydroponic lettuce

表3 氮水平对水培生菜营养元素累积量的影响Table 3 Effects of nitrogen level on nutrient accumulation of hydroponic lettuce

2.3 采收前CL光质对三种供氮水平水培生菜营养元素含量与累积量的影响

由表4知，除C以外，其他营养元素含量均受CL红蓝光质和供氮水平的影响。 随采收前CL光质红光比例的增加，8 mmol·L-1下的Ca，Mg和Cu含量显著增加，10 mmol·L-1下的K含量显著降低，12 mmol·L-1下的Cu含量显著升高。 除此之外，采收前CL光质处理对同一氮水平下的生菜营养元素含量均无显著影响。 CL红蓝光质2∶1下，氮水平对生菜N，C，K和P的含量无显著影响，Ca和Mg的含量随氮水平的升高而显著升高，微量元素Fe，Mn，Cu和Zn的含量氮水平的升高呈现先升高后降低的趋势。 CL红蓝光质4∶1下，氮水平对N，C，Fe，Mn，Cu和Zn含量均无显著影响，Ca和Mg的含量在12 mmol·L-1时达到最大，氮水平对N和C含量无显著影响。 K，P，Ca和Mg含量均在12 mmol·L-1时达到最大值，微量元素Fe，Mn，Cu和Zn含量与CL红蓝光质2∶1下的变化趋势一致，均在10 mmol·L-1时达到最大。 本试验中，采收前CL光质对不同氮水平水培生菜营养元素含量的影响不一，其中，对C含量无显著影响，N10Q2下，K和Mn含量取得最大值，N10Q4下，Fe，Cu和Zn含量达到最大，N12Q2下，N和Mg含量最大，N12Q4下，P和Ca含量最大。

表4 采收前CL光质对不同氮水平水培生菜营养元素含量的影响Table 4 Effects of pre-harvest CL light quality on nutrient contents of hydroponic lettuce under different nitrogen levels

除C以外，其他营养元素累积量均受CL红蓝光质和供氮水平的共同影响。 由表5知，随采收前CL光质红光比例的增加，8 mmol·L-1下的Ca，Mg和Cu累积量显著增加，10 mmol·L-1下的K累积量显著降低，12 mmol·L-1下的K和Cu累积量显著升高。 此外，采收前CL光质处理对同一氮水平下的生菜营养元素累积量均无显著影响。 采收前CL红蓝光质2∶1下，营养液氮水平对N，C，P，Cu和Zn的累积量无显著影响，K，Fe，Mn，Cu和Zn的累积量随着氮水平升高先升高后降低，Ca和Mg的累积量随氮水平的升高而逐渐升高。 采收前CL红蓝光质4∶1下，氮水平对C，Mg，K，Fe，Mn，Cu和Zn的累积量无显著影响，N，P和Ca的累积量随氮水平的升高而逐渐升高。 N10Q2下，N，C和Mg的累积量最大，N10Q4下，Fe累积量最大，N12Q4下，K，P，Ca，Mg，Cu和Zn达到最大。

表5 采收前CL光质对不同氮水平水培生菜营养元素累积量的影响Table 5 Effects of pre-harvest CL light quality on nutrient accumulations of hydroponic lettuce under different nitrogen levels

2.4 采收前两种光质CL前后水培生菜地上部营养元素含量与累积量的差异比较

由表6可知，与CL前相比，采收前CL后，C的含量显著升高了8.14%； 但是，K、P和Fe含量显著降低，分别降低了16.12%，25.42%和45.62%，采前CL对N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量无显著影响。 由表7知，CL后，N，C，K，P，Ca和Mg的累积量均显著升高，但微量元素的累积量无显著变化。

表6 采收前CL前后水培生菜营养元素含量的差异比较Table 6 Comparison of nutrient contents in hydroponic lettuce before and after pre-harvest CL

表7 采收前CL前后水培生菜营养元素累积量的差异比较Table 7 Comparison of nutrient accumulations of hydroponic lettuce before and after pre-harvest CL

蔬菜中营养元素含量是一直被关注的品质指标，通过氮肥和光谱管理提高水培生菜中营养元素含量具有营养学价值。 硝态氮是无土栽培中使用的主要无机氮源，同时也是植物根系吸收的主要氮形式[10]。 植物体内的氮素水平可通过有关信号调节植株地上部及根系的生长速率。 在一定范围内, 提高氮素水平可以促进植物的生长[11]。 试验结果表明，在8～12 mmol·L-1浓度范围内，随着营养液氮水平的增加水培生菜地上部干重显著提高。 光可影响植物对氮素的吸收。 本研究表明，在采收前给生长在不同的氮水平条件下生菜施加不同光质的CL会削弱氮水平对生菜生长的影响，相比较而言红蓝光比例对生菜地上部干重的影响更为显著。 有研究也表明，在一定范围内提高红光比例生菜能获得更高的生物量。 采收前72 h红蓝光CL后生菜地上部干重显著增加，这一结果与以往研究报道相一致[12]。

研究中，供氮水平的增加虽然提高了生菜地上部Ca和Mg含量，但降低了K，Fe，Mn，Cu和Zn含量，且对N，C和P元素的含量无显著影响。 张祥明等[13]研究发现, 在P和K供应量不变的条件下, 适当的增加氮素施用量能够提高水稻中K元素的含量, 但施氮量过高反而不利于K的吸收。 景立权等[14]的研究结果也说明氮肥施用量过高不利于玉米N，P和K的吸收利用及其产量的增加。 除大量元素外，作物对微量元素的吸收也受供氮水平影响。 本研究中，高氮水平下，生菜地上部的Fe，Zn，Cu和Mn含量均显著降低。 以往研究也发现，一些作物(大豆籽粒、稻米)中的微量元素含量随着施氮量的增加表现为先上升后下降的趋势[15-16]。 究其原因，可能是氮素用量增加一定程度上会影响土壤耕层中Fe，Mn，Cu和Zn等微量元素的有效性, 从而影响作物对微量元素的吸收[17]。 这表明，供氮水平对水培生菜体内不同营养元素吸收的影响是不一致的，高氮水平反而不利于生菜多种矿质元素的吸收。

光合作用是植物体内碳氮代谢的能量来源，因而光照变化可通过光合作用调节植物体内碳氮代谢，从而影响和含氮化合物的含量。 反过来，由于氮素是作植物光合作用过程中多种蛋白酶和叶绿素的重要组成元素，因而氮肥可通过增加叶片叶绿素含量来促进植物光合作用，从而提高植物养分的积累。 光氮互作既可以提高植物对光的利用效率，同时也可促进植物对氮肥的吸收利用率。 从试验结果来看，除C以外，其他营养元素含量和累积量均受采收前三天CL红蓝光质和供氮水平的共同影响，N10和N12条件下，红蓝光4∶1连续光照更有利于获得较高的营养元素含量和累积量。 其原因在高氮肥供给增加了氮代谢强度，而红蓝光CL延长了生菜光合作用时间，可提供更多光合作用产物。 CL红蓝光种比高红光比例比低红光比例更有利于光合作用和碳代谢，从而促进了营养元素的吸收。 由此可以认为，高氮肥和红蓝光CL(特别是红蓝光4∶1光质)可促进绝大部分大中量营养元素的含量与累积量。 但以往研究表明，由于蓝光能够诱导质膜上离子通道的开放，从而促进矿质元素的输出[18-19]，在红光为主要光质的光谱范围内(R>50%)，生菜[20-21]、黄瓜、桑树幼苗等植物的矿质元素含量均表现为随着蓝光比例的增加而升高的趋势。 本研究与以往报道的结果有所差异，可能是因为光氮互作的影响。 此外，与矿质元素吸收及运输相关的酶的基因表达水平及酶活也受光质调控[20]。 然而，光质与氮素互作对矿质元素吸收的影响机理尚不明确。 李海云[22]研究发现黄瓜对N，P和Ca特别是K矿质养分的吸收和积累随着光照时间的延长大幅度增加。 但本研究结果表明，除C元素外，三种供氮水平条件下，两种红蓝光质CL处理降低了作物中K，P和Fe含量，对N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量无显著影响。 而由于连续光照下干物质量的显著增加，生菜N，C，K，P，Ca和Mg的累积量有所增加，但微量元素的累积量不受影响。

3 结 论

本试验条件下，增加供氮水平可促进水培生菜水上部分干重增加，采收前三天红蓝光CL后生菜地上部干重增加，但供氮水平之间及CL光质之间无显著差异。 营养液氮水平对生菜N，C和P含量均无显著影响，Ca和Mg含量随供氮水平的升高而逐渐升高，但K，Fe，Mn，Cu和Zn含量却随氮水平升高呈现出降低趋势。 生菜地上部中N、Ca和Mg的累积量随供氮水平的增加而提高，但C，K，P和Fe的累积量与供氮水平无关，而微量元素Mn，Cu和Zn随氮水平升高呈现降低趋势。 除C以外，其他营养元素含量和累积量均受采收前三天CL红蓝光质和供氮水平的共同影响，N10和N12条件下，红蓝光4∶1连续光照更有利于获得较高的营养元素含量和累积量。 三种供氮水平条件下，两种红蓝光质CL处理提高了生菜干物质中C的含量，但降低了K，P和Fe含量，对N，Ca，Mg，Mn，Cu和Zn的含量无显著影响； CL增加了N，C，K，P，Ca和Mg的累积量，但不影响微量元素的累积量。

高氮肥供给有利于提高水培生菜干物质产量和Ca、Mg含量和累积量。 CL处理提高了生菜干物质中C的含量，增加了N，C，K，P，Ca和Mg的累积量，但不影响微量元素的累积量。 高氮水平前提下，采用红蓝光4∶1的光质进行采收前72 h连续光照有利于获得较高的营养元素含量和累积量。 高氮肥和红蓝光采收前CL可提高水培生菜中多数大中量营养元素的含量与累积量。