不同营养液钾浓度对水培生菜生长、品质和营养液利用效率的影响

2021-09-06王利春王朝军李友丽郭文忠柏敏战

农业工程 2021年7期

弓瑶，王利春，王朝军，李思，李友丽，郭文忠，柏敏战

(1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021； 2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；3.陕西荣华农业科技有限公司，陕西西安 710061)

0 引言

设施蔬菜栽培作为一种现代农业生产方式，可以在蔬菜供应淡季和不适宜蔬菜生长的反季节生产，实现蔬菜周年生产供应[1]。水培蔬菜生产是现代农业设施栽培的重要措施之一，可以直接通过营养液为植物根系提供营养和水分，操作简单，而且水培设施可以根据蔬菜种类和生长阶段的不同来进行营养供应的精准调控，管理方便[2]。

营养液管理是水培的关键，营养液的组分和性质对植物吸收养分和生长发育有重要作用[3]。在植物必需的养分中，钾是植物生长发育必不可少的营养元素之一，能够提高植株的抗逆性，对植物生长发育、产量和品质有重要调节作用[4-5]。许多研究表明，施钾有助于增加蔬菜产量和改善蔬菜品质[6-7]。唐小付等[8]在水培黄瓜的试验中，得出钾浓度为350 mg/L时，较最低钾浓度50 mg/L的单果质量和小区产量分别提升了40.25%和82.78%，认为适宜的钾浓度能够促进黄瓜生长发育，提高产量。关于钾营养在生菜方面也有研究，但多集中于土壤栽培，对于水培的研究则很少有报道[9-10]。吴文强等[11]在土壤栽培的基础上，研究了钾对生菜产量和品质的影响，结果得出施钾的生菜较不施钾增产5.1%～22.3%，VC含量增加4.5%～46.8%，施钾有利于提高生菜产量，改善生菜品质，但过量增施钾肥，则会减产。郎文培等[12]在盆栽生菜的试验中，研究得出施用硫酸钾的生菜产量明显比对照增产了15.43%～30.41%，合理施钾，能够提高生菜生物量累积，但过量施钾生菜的生物量降低。苏苑君等[13]针对玻璃脆散叶生菜进行研究，认为钾浓度为3 mmol/L时，生菜的叶面积、地上部分干鲜质量和总干质量最大，有利于生菜生长和增加产量。这些研究多围绕钾在生菜栽培生长品质的影响开展，较少考虑营养液钾浓度对生菜营养液利用效率的影响，而提高营养液利用效率是水培生菜高效生产的一个重要调控措施。

因此，本试验选择水培栽培方式，通过研究不同营养液钾浓度对水培生菜生长、品质及营养液利用效率的影响，对水培生菜营养液钾浓度进行优化，达到生菜高效生产的目的。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年8月1日—9月15日在北京市农林科学院国家农业智能装备工程技术研究中心的玻璃温室中进行。

1.2 试验材料

供试生菜的品种选用“富兰德里”，购买于瑞克斯旺种子有限公司。

1.3 试验设计与布置

采用单因素5水平设计，设置0.6(T1)、1.5(T2)、2.4(T3)、3.0(T4)和6.0(T5)mmol/L-1共5个不同的钾浓度处理，每个处理重复3次。其他营养液中的离子浓度如表1所示，微量元素与Hoagland配方相同，供试配置的营养液母液和水培生菜栽培的用水均为过滤的去离子水。

表1 营养液中离子浓度

生菜采用72孔穴盘育苗，育苗期在20 ℃的全封闭式育苗培养箱中进行。8月26日生菜6叶1心时，定植移苗，选取生长均匀，大小一致的健康壮苗，并将生菜植株的营养液残留清洗干净后移植到水培槽，开始供应不同钾浓度的营养液。试验设置了15个长×宽×高为200 cm×60 cm×8 cm的水培槽，水培槽有52个种植孔(孔直径2.5 cm)，植株间距4 cm，与水培槽连接的是60 L的营养液桶，15个营养液桶里各放置一台HJ-1541型潜水泵，用于水培槽与营养液桶的营养液循环，并在PVC营养液桶内放置CT-10型液位传感器以监测营养液液位变化。每隔5 d测量1次生菜的冠部根部鲜质量、叶面积和叶片SPAD值，待生菜采收后，测定生菜中VC含量、可溶性糖含量和硝酸盐含量。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 生菜生长指标

不同处理每隔5 d选取长势均匀的3株生菜，将生菜的冠部与根系分离，用蒸馏水洗净根系后，拿吸水纸吸干至表面没有水分，用电子天平(精度为0.01 g)称量冠部、根部的鲜质量。每个处理中把所有生菜叶片从叶柄处剪下，用直尺测量叶片的长度与宽度，计算出生菜的叶面积。

1.4.2 生菜生理指标

每隔5 d用SPAD-502型便携式叶绿素仪测定生菜叶片SPAD值。

1.4.3 生菜品质

采收后，分别测定各处理生菜的品质，VC含量采用钼蓝比色法测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；硝酸盐含量采用水杨酸比色法测定[14]。

1.4.4 营养液消耗量和利用效率

通过放置在PVC营养液桶内的CT-10型液位传感器，数据记录频率15 min，利用营养液液位与PVC桶体积的关系，计算生菜生长期内总营养液消耗量。营养液利用率，即生菜产量与营养液消耗量的比值。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2010软件进行数据整理和绘图，用SPSS 22.0软件进行显著性检验，显著水平(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 叶片特征

2.1.1 叶面积

叶片是植物的重要器官，是植物进行光合作用和蒸腾作用的主要场所，也是生菜产量形成的重要指标，叶面积的大小决定了作物进行光合作用的强弱[15]。由图1可以看出，随着生菜移栽时间延长，各处理生菜的叶面积不断增长。移栽后第5天，T2、T3处理显著高于其他处理；移栽后第10天，除T1处理外，其他处理无显著性差异；移栽后第15天，T3处理高于其他处理；移栽后第20天，T1处理叶面积最小，为2 028.33 cm2，T4处理显著高于其他处理，为3 365.28 cm2，比其他处理增长了9.33%～65.91%。由此可见，营养液低钾浓度的生菜总叶面积小，适当的增加营养液钾浓度可以促进总叶面积增长，但过高的营养液钾浓度生菜总叶面积则会减小。

图1 不同营养液钾浓度对水培生菜叶面积的影响Fig.1 Effect of different nutrient solution potassium concentration on leaf area of hydroponic lettuce

2.1.2 叶片SPAD值

叶绿素不仅是植物进行光合作用的重要色素，也是反映叶片生理活性的一项重要指标。SPAD值可衡量植物相对叶绿素含量，代表了植物的绿色程度。从图2可以看出，移栽后第5天和第15天，各处理间叶片SPAD值无显著差异；移栽后第10天，T5处理的生菜叶片SPAD值小于其他处理，T1和T3处理无显著差异，SPAD值最小的是T5处理，为28.63，最大是T3处理，为31.25，比其他处理提高了1.62%～9.15%；移栽后第20天，T4和T5处理无显著差异，T5处理SPAD值最小，T1处理的生菜叶片SPAD值大于其他处理，比其他处理提高了2.7%～9.0%。从移栽后5～20 d可以看出，不同营养液钾浓度对菜叶片SPAD值影响较小。

图2 不同营养液钾浓度对水培生菜叶片SPAD值的影响Fig.2 Effect of potassium concentration in different nutrient solutions on SPAD value of hydroponic lettuce leaves

2.2 冠部和根部鲜质量

不同营养液钾浓度对水培生菜冠部鲜质量的影响如图3a所示，随着移栽时间的延长，各处理的生菜冠部鲜质量逐渐增大。移栽后5～20 d，其他处理的冠部鲜质量均显著高于T1处理，可以看出增加钾浓度供应显著增加生菜冠部鲜质量。移栽后第5天，T3、T4处理冠部鲜质量明显高于其他处理；移栽后第10天，T2和T4处理的冠部鲜质量无显著性差异，T3处理的冠部鲜质量最大；移栽后第15天，T3和T4处理的冠部鲜质量无显著性差异，T4处理的冠部鲜质量最大，比其他处理增加了1.43%～97.88%；移栽后第20天，T3和T4处理无显著性差异，T4处理冠部鲜质量最大，为135.25 g/株，比其他处理增加了5.91%～145.82%。不同营养液钾浓度对水培生菜根部鲜质量的影响如图3b所示，移栽后5～20 d，T1处理的根部鲜质量均显著低于其他处理，移栽后5～15 d，T3处理的根部鲜质量最大。移栽后第15天，T4和T5处理的根部鲜质量无显著性差异，T3处理根部鲜质量明显高于其他处理；移栽后第20天，T3和T4处理显著高于其他处理，T3处理的根部鲜质量最大，为6.60 g/株，比其他处理增加了0.3%～71.88%。因此，可以看出营养液低钾浓度生菜冠部和根部的鲜质量小，但随着营养液钾浓度的增加，生菜冠部和根部的鲜质量表现出先增长后减少的趋势，说明了营养液低钾浓度的生菜冠部和根部鲜质量小，增加营养液钾浓度可以促进生菜冠部和根部的鲜质量增长，但是过高的营养液钾浓度对生菜冠部和根部的鲜质量增长有抑制作用。

2.3 营养品质

由表2可以看出，随着营养液钾浓度的提升，生菜的可溶性糖含量不断减少，T1、T2处理与T3、T4、T5处理存在显著差异，T4、T5处理无显著性差异，T5处理的生菜可溶性糖含量最小，为0.26 mg/g，T1处理的生菜可溶性糖含量最大，为0.76 mg/g，比其他处理增加了8.57%～192.31%。低钾营养液浓度的可溶性糖含量大于高钾营养液浓度处理，低钾营养液浓度有助于生菜可溶性糖含量的累积；各处理的水培生菜VC含量均无显著差异影响；T1、T2、T3和T4处理的硝酸盐含量无显著性差异。

表2 不同营养液钾浓度对水培生菜品质的影响

2.4 营养液消耗量和利用效率

不同营养液钾浓度对水培生菜营养液消耗量的影响如图4所示，T1处理的营养液消耗量最少，为25.65 L，比其他处理减少了16.01%～35.63%，T5处理的营养液消耗量最多，比其他处理增加了2.39%～55.48%。不同营养液钾浓度对水培生菜营养液利用效率的影响如图5所示，T1处理的生菜营养液利用效率最低，比其他处理降低了17.52%～38.22%，T4处理营养液利用效率最高，比其他处理提升了2.21%～61.89%。营养液低钾浓度的营养液利用效率低，适宜的增加营养液钾浓度可以提高营养液利用效率，但随着营养液钾浓度的进一步增加，营养液利用效率降低。

图4 不同营养液钾浓度对水培生菜营养液消耗量的影响Fig.4 Effect of different potassium concentration in nutrient solution on nutrient solution consumption of hydroponic lettuce

图5 不同营养液钾浓度对水培生菜营养液利用效率的影响Fig.5 Effects of different potassium concentrations of nutrient solution on utilization efficiency of nutrient solution in hydroponic lettuce

2.5 生菜单株产量、营养液利用效率与营养液钾浓度关系

如图6所示，随着营养液钾浓度的增加，生菜单株产量和营养液利用效率呈现出先增长后降低的趋势。说明营养液低钾浓度的生菜单株产量小和营养液利用效率低，增加营养液钾浓度可以提高生菜单株产量和营养液利用效率，但是过高钾浓度供应会导致生菜增产作用减小、营养液利用率降低。

图6 水培生菜单株产量、营养液利用效率与营养液钾浓度的关系Fig.6 Relationship between plant yield，nutrient solution utilization efficiency and nutrient solution potassium concentration

根据营养液钾浓度与生菜产量建立式(1)所示的关系，优化得到当营养液钾浓度为3.9 mmol/L时，生菜单株产量最大，为142.03 g。

y=-8.347 8x2+64.471x+17.554

(1)

式中x——钾浓度，mmol/L

y——生菜产量，g

根据营养液钾浓度与生菜营养液利用率建立式(2)所示的关系，优化得到当营养液钾浓度为3.5 mmol/L时，生菜的营养液利用率最大，为186.16 g/L。

y’=-8.432x2+59.588x+80.884

(2)

式中y’——生菜营养液利用率，g/L

基于生菜单株产量、营养液利用效率与营养液钾浓度关系的综合考虑，营养液钾浓度为3.7 mmol/L时，最有利于生菜单株增产和提高营养液利用效率。

3 讨论

钾在促进作物的生长中有重要作用，目前在果树、作物、蔬菜和花卉方面都有一些相关研究[16-17]。赵建所等[18]研究认为，增加钾的供应能够增加叶片数量，提高生菜干鲜质量。倪吾钟等[19]在大白菜的试验中研究得出，钾肥能够提升大白菜的地上生物量，具有增产的效果。本试验结果得出，生菜的冠部鲜质量、根部鲜质量和叶面积随着营养液钾浓度的升高表现出先增大而后减小的趋势，T1处理冠部根部鲜质量和叶面积最小，T4处理冠部鲜质量最大，比其他处理增加了5.91%～145.82%；T3处理的根部鲜质量最大，比其他处理增加了0.30%～71.88%；T4处理叶面积最大，为3 365.28 cm2，比其他处理增长了9.33%～65.91%。试验结果表明，营养液低钾浓度处理的生菜生长慢，增加营养液钾浓度可以促进生菜冠部根部和叶面积的生长，但过高的营养液钾浓度供应则会抑制生菜冠部根部和叶面积生长，与前人研究的结论一致[20]。这是由于钾能促进光合作用，促进碳水化合物的合成和运输，从而提高蔬菜产量[21]。郭英等[22]认为施钾对叶绿素的合成有促进作用，张建华等[23]认为施钾有助于叶绿素的形成，增加叶绿素的含量，与本试验中不同营养液钾浓度处理对生菜叶片SPAD值影响较小的结论存在差异，这可能与作物种类和栽培方式有关。

在品质方面，谷贺贺等[24]研究认为施钾可以增加蔬菜的可溶性糖含量。在本研究中，随着钾浓度的增加，生菜的可溶性糖含量不断减少，与前人研究有不同之处，这可能是由于水培生菜生长速度快，叶片中的可溶性糖不易积聚。但也有研究者表明，生菜的可溶性糖与钾的用量表现为负相关[12]。维生素是衡量蔬菜品质的重要指标。阎献芳等[25]研究表明，施钾番茄可以改善番茄的外观品质，提高番茄VC含量。本试验中不同处理的水培生菜VC含量无显著差异，这可能与郭熙盛等[26]得出施用钾肥对提高蔬菜VC含量作用的大小与蔬菜的种类有关结果一致，但是也有研究表明硫酸钾对提高VC含量作用不明显[27]。张恩平等[28]研究表明，施用钾可以促进根部对硝酸盐的吸收、转运，降低硝酸盐含量。与本研究表明增加营养液钾浓度会降低生菜硝酸盐含量，对硝酸盐含量的影响不明显，超过一定钾浓度水平后对硝酸盐含量产生负作用有相似之处，但也有研究表明施钾肥会提高硝酸盐含量[29]。

适宜的营养液钾浓度还可以提高作物的水分利用率。张亚琦等[30]研究表明，合理施钾有利于提高谷子的水分利用率，但过量施钾则会降低谷子的水分利用率。牛晓丽等[31]认为，合理增施钾肥不仅可提高番茄产量，还能提高灌溉利用效率。本研究中T4处理营养液利用效率最高，比其他处理提升2.21%～61.89%，说明低钾浓度的营养液利用效率低，适宜的增加钾浓度可以提高营养液利用效率，但过高的营养液钾浓度则使营养液利用效率降低，这与魏永胜等[32]研究结果一致。

本研究中不同营养液钾浓度对水培生菜的VC含量和硝酸盐含量的影响不显著，所以对生菜产量、营养液利用效率考虑，通过建立营养液钾浓度与生菜产量、营养液利用效率的二元一次方程，计算出生菜单株最大产量和最高营养液利用效率时，营养液钾的浓度。研究得出，营养液钾浓度为3.9 mmol/L时，生菜单株产量最大，营养液钾浓度为3.5 mmol/L时，生菜营养液利用率最高。对生菜单株产量、营养液利用效率与营养液钾浓度关系的综合考虑，营养液钾浓度为3.7 mmol/L时，生菜单株产量和营养液利用效率最高。在本试验中，只针对不同营养液钾浓度对水培生菜的生长、品质及营养液利用率进行初步研究，还需对营养液中N、P、K等营养元素吸收情况进一步探究。