营养液配方优化及其对水培生菜生长和生产效率的影响

乔佳乐,郭美玲,窦煜炜,魏珉,2,张大龙,2,李岩,2*

营养液配方优化及其对水培生菜生长和生产效率的影响

乔佳乐1,郭美玲1,窦煜炜1,魏珉1,2,张大龙1,2,李岩1,2*

1. 山东农业大学园艺科学与工程学院, 山东 泰安 271018 2. 农业部黄淮海设施农业工程科学观测实验站, 山东 泰安 271018

采用三因子二次饱和D-最优设计，对营养液配方中的元素浓度进行优化，并建立了以元素浓度为变量因子，生菜产量和品质为目标函数的三元二次数学模型。通过对模型解析表明，水培生菜的优化配方为氮6.2146～6.2630 mmol·L-1、磷0.4934～0.4983 mmol·L-1、钾3.8396～3.8945 mmol·L-1、铁0.0688～0.0693 mmol·L-1、硼0.0464～0.0470 mmol·L-1、锰0.0098～0.0102 mmol·L-1、镁0.4876～0.5401 mmol·L-1、锌0.0007～0.0008 mmol·L-1、铜0.0003～0.0004 mmol·L-1。与山崎（叶用莴苣）配方（CK1）和园试配方（CK2）相比，优化后的配方能够显著促进生菜植株生长，增强其植株光合能力和根系活力及其对营养元素的吸收能力，进而提高生菜单株产量且改善其可溶性蛋白、Vc、纤维素等品质，其中生菜根系活力、Vc含量、单株产量较两对照分别提高了15.1%、26.4%、24.7%和48.3%、39.0%、36.3%。此外，优化配方处理下生菜采收天数较CK1和CK2分别提前2和5 d；与两对照相比，优化配方处理下生菜单株效益和产投比均显著提高，较CK1和CK2分别提高了25.2%、41.1%和36.0%、94.0%。因此，优化配方对于实现水培生菜高产优质栽培具有重要意义。

生菜; 营养液; 配方施肥

营养液是水培叶类蔬菜的关键因素之一，其各营养元素的浓度对叶类蔬菜的生长有着重要影响[1]。有研究表明，在经典营养液配方的基础上对各元素浓度进行优化，能够提高叶类蔬菜的产量和品质[2,3]。杨小锋等[4]采用三因素五水平正交试验，在山崎（叶用莴苣）配方的基础上优化氮磷钾浓度，发现适当降低氮和钾浓度，提高磷浓度可以促进生菜生长，且当氮磷钾浓度分别为3.07 mmol·L-1、0.58 mmol·L-1、2.67 mmol·L-1时生菜可获得最大产量与最佳品质。付晓忠[5]研究发现，对霍格兰配方和微量元素通用配方中的氮、磷、钾、硼、锰、锌、铜、钼等元素进行优化调整，可满足生菜对养分的需求，改善其品质。因此，对一些经典营养液配方中的元素浓度进行优化可使叶类蔬菜达到高产优质的目标。

生菜（L.）属菊科莴苣属，具有生长期短、便于管理、营养价值高等特征，深受人们喜爱。目前对生菜营养液配方的优化主要集中在氮磷钾方面，而对其他元素的优化研究较少。二次饱和D-最优设计[6]具有处理数少，获得信息量大，实用性强等特点，在蔬菜等作物肥料配施方案中应用非常广泛[7,8]。因此，本试验采用二次饱和D-最优设计，对山崎（叶用莴苣）配方和微量元素通用配方进行营养元素优化，进而研究营养液优化配方对水培生菜形态指标、品质指标、光合参数、营养元素吸收量以及经济效益的影响，优化用于生菜的营养元素浓度方案，以期为植物工厂水培生菜高产优质栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验概况

供试材料选用‘意大利生菜’，试验在山东农业大学泮河校区园艺试验站人工气候室内进行。育苗时，选取饱满且均匀一致的种子直接播于聚氨酯泡沫小方块中（2 cm × 2 cm × 2 cm），之后放置于泡沫育苗盘（59 cm × 29 cm × 3 cm）中，并在25 ˚C遮光条件下进行催芽，1 d后种子露白及时见光。待生菜幼苗子叶展平时定植于生长箱栽培盘中（60 cm × 40 cm × 6 cm），照射光量子通量密度为250 μmol·m-2·s-1的白光，光周期为14 h/10 h，昼夜温度25 ˚C/18 ˚C，湿度70±5%。

1.2 试验设计

1.2.1营养液元素浓度的优化以山崎（叶用莴苣）配方和微量元素通用配方中的元素浓度为基础，采用二次饱和D-最优设计，设置元素浓度的上、下水平分别为原浓度±15%，再根据各因素变化间距确定各处理中元素浓度(表1）。最后以生菜产量和品质指标的综合评分为主要观测值，确定配方中最优的元素浓度范围，得到水培生菜优化配方。

表 1 元素浓度配比试验设计

1.2.2 水培生菜优化配方的验证以山崎（叶用莴苣）配方（CK1）和1/2倍的园试配方（CK2）为对照，以优化配方为处理（T）进行验证，各处理元素组成及盐类化合物用量见表2。

表 2 不同处理盐类化合物用量/mg·L-1

1.3 测定指标与方法

生菜达到商品成熟后，各处理随机选取5株，用于测定其叶长、叶宽、叶面积、叶片数、株高及产量。可溶性蛋白、可溶性糖、硝酸盐、游离氨基酸和VC含量分别采用考马斯亮蓝G-250染色法、蒽酮乙酸乙酯法、水杨酸法、茚三酮显色法和2,6-二氯酚靛酚滴定法测定[9]。叶片光合色素和纤维素含量分别采用80%的丙酮法和蒽酮比色法测定[10]。根系活力采用TTC法测定[11]。

用CIRAS-3便携式光合测定仪（PPsystems公司，美国），选取同一朝向且长势相似的第2～3片生菜叶进行光合参数的测定。

植物全氮、全磷、全钾及钙、镁的含量分别采用半微量凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度法和原子吸收分光光度法测定[12]。

1.4 数据处理

利用SPSS 26.0软件进行数据统计分析、相关性分析和差异显著性检验（< 0.05）。用Data Processing System 14.10建立回归模型，用Microsoft Excel 2010软件进行数据统计和作图。

2 结果与分析

2.1 营养液元素浓度的优化

2.1.1 回归模型的建立以表1中元素编码值为函数自变量，表3中生菜产量和品质综合评分为函数因变量，进行二次多项式回归分析，得出元素浓度与生菜产量和品质综合评分之间的回归方程分别为：

1=106.437-6.5021-5.2542-1.1573-2.76912-12.63222-8.15832-3.43912-1.07313+1.78123

2=92.459-1.7941-0.0602-2.9743-3.73912-2.47422-4.24732-0.49312-2.64113-1.46223

3=131.091-3.5421-1.2342-0.3763-28.31612-14.52022-21.27832-1.96812+3.60613+0.91423

4=95.830-4.2631+2.9242-0.2393-4.70912-8.57822-3.08032-1.43812-1.46013-0.17423

5=110.899-9.2891+2.9202-3.4273-5.81012-10.44322-10.31132+0.33112-2.82613+1.83423

6=97.110-2.4411-1.6502+0.9913-5.78212-11.25522-2.34132-4.01912+0.70713+3.60923

其中，1、3、5和2、4、6分别为氮磷钾、铁硼锰、镁锌铜下的产量和品质综合评分。

表 3 不同元素浓度对生菜产量和品质的影响

备注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（< 0.05），下同。

Note: The different lower case letters in the same column indicate significant difference among treatments (< 0.05). The same below.

2.1.2 因子主效应分析从元素浓度与生菜产量和品质综合评分回归模型的一次项可以看出，氮磷钾浓度对生菜产量和品质的影响顺序分别为氮>磷>钾和钾>氮>磷；铁硼锰浓度对生菜产量和品质的影响顺序均为铁>硼>锰；镁锌铜浓度对生菜产量和品质的影响顺序分别为镁>铜>锌和镁>锌>铜。

2.1.3 利用模型进行决策从表4中可以得出，生菜单株产量达100 g以上且品质综合评分超过90分的元素浓度范围为：氮6.2146～6.2630 mmol·L-1、磷0.4934～0.4983 mmol·L-1、钾3.8396～3.8945 mmol·L-1、铁0.0688～0.0693 mmol·L-1、硼0.0464～0.0470 mmol·L-1、锰0.0098～0.0102 mmol·L-1、镁0.4876～0.5401 mmol·L-1、锌0.0007～0.0008 mmol·L-1、铜0.0003～0.0004 mmol·L-1。

表 4 生菜单株产量超过100 g和品质综合评分超过90的元素取值频率分布

2.2 水培生菜优化配方的验证

2.2.1 对生菜生长和产量的影响由图1和表5可知，T处理下生菜的株高、叶长、叶宽、叶面积和单株产量均显著高于两对照（< 0.05），且T处理下生菜较CK1和CK2分别增产24.7%和36.3%；T处理下生菜叶片数显著高于CK2，但其与CK1之间差异不显著（> 0.05）。

图 1 不同营养液配方对生菜形态的影响

表 5 不同营养液配方对生菜生长和产量的影响

2.2.2 对生菜根系活力的影响从图2可以看出，T处理下生菜的根系活力较两对照均明显增高（< 0.05），CK1次之，CK2最低。其中，T处理下生菜根系活力较CK1和CK2分别提高了15.1%和48.3%。

图 2 不同营养液配方对生菜根系活力的影响

2.2.3 对生菜光合色素含量的影响通过表6可以看出，与两对照相比，T处理下生菜叶绿素a、叶绿素a＋b和类胡萝卜素含量均显著增加（< 0.05），较CK1和CK2分别提高了14.5%、12.8%、19.0%和26.7%、25.7%、38.9%；T处理下生菜的叶绿素b含量显著高于CK2，但与CK1差异不显著（> 0.05）；T处理下叶绿素a/b较CK1明显增加，但与CK2无明显差异。

表 6 不同营养液配方对生菜光合色素含量的影响

2.2.4 对生菜光合参数的影响由表7可看出，T处理下生菜净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均明显高于两对照（< 0.05），较CK1和CK2分别提高了23.2%、22.2%、20.8%和57.8%、48.8%、38.0%；胞间CO2浓度则呈相反的趋势。

表 7 不同营养液配方对生菜光合参数的影响

2.2.5 对生菜品质的影响从表8中可以看出，T处理下生菜游离氨基酸、Vc和纤维素含量均较两对照显著增加（< 0.05），且较CK1和CK2分别提高了9.3%、26.4%、14.9%和19.8%、39.0%、6.3%；T处理下生菜硝酸盐含量明显低于两对照，较CK1和CK2分别降低了17.1%和31.0%；T处理下生菜可溶性糖含量显著低于CK1，但与CK2之间差异不显著（> 0.05）；T处理的可溶性蛋白含量显著高于CK2，但与CK1之间无明显差异。

表 8 不同营养液配方对生菜品质的影响

2.2.6 对生菜营养元素吸收状况的影响通过表9可知，T处理下生菜对氮和钙元素的吸收量均明显高于两对照（< 0.05），较CK1和CK2分别增加了23.3%、12.6%和46.5%、3.1%；T处理下生菜对钾和镁元素的吸收量显著高于CK2，分别高出8.6%和17.2%，但与CK1差异不显著（> 0.05）；T处理的磷元素吸收量则明显低于两对照。

表 9 不同营养液配方对生菜营养元素吸收的影响

2.2.7 对生菜生产成本及种植经济效益的影响 T配方下生菜采收天数较CK1和CK2分别提前2和5天（表10）；与两对照相比，T处理下生菜单株效益和产投比均显著提高（< 0.05），较CK1和CK2分别提高了25.2%、41.1%和36.0%、94.0%。

表 10 不同营养液配方对生菜生产成本及种植经济效益的影响

注：生菜9元/kg。

Note: lettuce 9 Yuan/kg.

3 讨论

营养液中各元素的浓度在叶类蔬菜水培过程中起着重要的作用，研究营养元素的合理配施是构建作物高产高效模型的关键。前人研究发现，叶类蔬菜在氮、磷、钾、镁、铁、硼、锰、锌、铜浓度范围分别为6.0～9.0 mmol·L-1、0.5～0.8 mmol·L-1、2.5～5.0 mmol·L-1、0.5～1.0 mmol·L-1、0.05～0.10 mmol·L-1、0.008～0.032 mmol·L-1、0.01～0.02 mmol·L-1、0.002～0.003 mmol·L-1、0.004～0.006 mmol·L-1时，能够获得较高的产量与品质[5,13-15]。本试验所得氮、钾、镁、铁、锰、铜的浓度范围与上述前人研究结果相似，而磷、硼、锌的浓度范围则与上述前人研究结果有所不同，其中磷浓度降低，硼和锌浓度升高，这可能是叶类蔬菜的品种、所用盐类化合物的种类、营养液浓度以及处理环境之间的差异造成的。

营养液中的营养元素只有经过合理的组合才能保证叶类蔬菜平衡吸收。本试验研究发现，与山崎（叶用莴苣）配方和微量元素通用配方相比，优化配方（T）中氮、磷、钾、铁、锌浓度下降，镁、硼、锰、铜浓度升高，其处理下生菜形态指标、光合参数、品质指标、营养元素吸收状况等均优于两对照。这是因为T配方下营养元素配比适宜，各元素协同作用增加了叶片中光合色素含量，使植株有效地将叶片吸收的光能转化为化学能，从而提高光合电子传递速率，增强光合能力和根系活力，有利于促进生菜对营养元素与水分的吸收，进而促进生菜的生长与干物质积累，改善其品质。此外，T配方中硝态氮降低，铵态氮施用比例增加，可能会提高生菜叶片中细胞分裂素的含量，进而促进叶面积的形成，实现植株干物质量的增加[16]。在本研究中，T处理下硝酸盐和可溶性糖含量均明显降低，这是因为适当降低氮浓度，提高镁和锰浓度能够增强硝酸还原酶活性，促进硝酸盐转化[17]，而钾、铁、锌浓度的降低一定程度上阻碍了生菜叶片中可溶性碳水化合物的合成与运输[18]。本研究还发现，T处理下生菜对钙元素的吸收量显著高于两对照，而对磷元素的吸收量则低于两对照，随着钾浓度的减少，生菜对钙元素的吸收量逐渐增大。这与前人研究结果相似[19]，可能是钾与钙元素之间存在拮抗作用，随着钾浓度的降低，促进生菜对钙元素的吸收[20]。同时，钾浓度的降低也抑制了生菜对磷元素的吸收[21,22]。

4 结论

本试验在山崎（叶用莴苣）配方和微量元素通用配方的基础上，采用二次饱和D-最优设计优化其元素浓度，得到水培生菜优化配方。与两对照相比，优化配方能够显著促进生菜植株生长，提早采收，提高产量和品质，且该配方配制成本低、经济效益高，适合水培生菜。

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Optimization of Nutrient Solution Formula and Its Effect on Growth and Production Efficiency of Hydroponic Lettuce

QIAO Jia-le1, GUO Mei-ling1, DOU Yu-wei1, WEI Min1,2, ZHANG Da-long1,2, LI Yan1,2*

1.271018,2.,,271018,

The three-factor secondary saturation D-optimal design was used to optimize the element concentration in the nutrient solution formula, and a ternary quadratic mathematical model was established with element concentration as the variable factor and lettuce yield and quality as the objective function. Through the analysis of the model, the optimal formula of hydroponic lettuce is N 6.2146～6.2630 mmol·L-1, P 0.4934～0.4983 mmol·L-1, K 3.8396～3.8945 mmol·L-1, Fe 0.0688～0.0693 mmol·L-1, B 0.0464～0.0470 mmol·L-1, Mn 0.0098～0.0102 mmol·L-1, Mg 0.4876～0.5401 mmol·L-1, Zn 0.0007～0.0008 mmol·L-1, Cu 0.0003～0.0004 mmol·L-1. Compared with the Yamazaki (leaf lettuce) formula (CK1) and the garden test formula (CK2), the optimized formula can significantly promote the growth of lettuce plants, enhance their photosynthetic capacity, root activity and absorption capacity of nutrients, thereby increasing the yield of lettuce per plant and improving the quality of soluble protein, Vc and cellulose. The root activity, Vc content and yield per plant of lettuce increased by 15.1 %, 26.4 %, 24.7 % and 48.3 %, 39.0 %, 36.3 %, respectively, compared with the two controls. In addition, the harvest days of lettuce under the optimized formula treatment were 2 and 5 days earlier than CK1 and CK2, respectively. Compared with CK1 and CK2, the single plant benefit and output-input ratio of lettuce under the optimized formula treatment were significantly increased by 25.2 %, 41.1 % and 36.0 %, 94.0 %, respectively. Therefore, optimizing the formula is of great significance for achieving high yield and high quality cultivation of hydroponic lettuce.

Lettuce; nutrient solution; formula fertilization

S636.2

A

1000-2324(2023)02-0166-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.002

2022-12--05

2023-01-17

山东省现代农业产业技术体系蔬菜创新团队(SDAIT-05-05)

乔佳乐(1998-),男,硕士研究生,主要从事设施蔬菜生理生态研究. E-mail:1371022151@qq.com

Author for correspondence. E-mail:edmonlee@163.com