菠菜营养液栽培的研究进展与展望

王瑞，胡笑涛，苏苑君

（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌，712100）

近年来，随着科技水平和人们生活水平的提高，加之各种食品安全事件的频频发生，仅仅数量上的充足已经远远不能满足人们的需要，人们更加注重对蔬菜品质的要求。菠菜是一种富含钙、镁、钾等元素的蔬菜，能够有效预防近视，此外，菠菜中的维生素、蛋白质、矿物质、膳食纤维、胡萝卜素含量也都相对较高[1]，美国农业部有研究表明，女性每天食用一定量的新鲜菠菜对抗衰老很有效果。水培作为无土栽培的一种，可以通过控制植物外界因素以及营养液环境使蔬菜处于生长发育所需的最佳环境，完全实现农作物周年生产，而且可以通过调整营养液的配方进一步调控蔬菜的品质，有着生长周期短，产量高、品质好、商品价值高，省水、省肥、省工、病虫害少，无连作障碍，生产过程可实现无公害化等优点[2]，已成为国内外园艺发展的重要技术[3]。目前无土栽培有多种形式，有沙培、砾培、蛭石培、水培等[4]，但是不管是哪一种形式，营养液都是必不可少的，尤其是水培和雾培，因此，科学地、因地制宜地配制营养液是无土栽培的核心问题。目前，虽然国内外都提出了很多种营养液的配方，实践证明这些配方都有一定适应性，同时也都研究了各种内外环境对蔬菜生长的影响。

1 菠菜营养液栽培浓度与营养元素的研究

1.1 营养液浓度研究

水培不像土壤栽培，没有土壤的缓冲及其微生物的作用，营养液是植株赖以生存的根系环境，也是植株的主要营养来源。对于无土栽培营养液浓度与配方的研究已经有很长的历史，许多学者从不同方面研究出了许多种配方。水培作物的生长必须要有适合的营养液浓度，而且上限比下限更加重要[4]。浓度偏低会使作物营养不良而导致生长缓慢、生物量低，而过高浓度则会导致作物中毒甚至死亡。菠菜是一种重要的叶菜，有学者研究了不同种类营养液配方对叶菜生长的影响，结果表明，日本园试配方产量最高，但是品质不好；Hoagland配方品质好，但是产量较低；而相对较好的是荷兰配方，产量和品质均较好[5]。目前营养液的浓度以总离子浓度表示，刘菊莲[6]通过对叶菜水培营养液中某些离子的浓度进行综合研究，得出了适宜基于银川水质叶菜无土栽培的营养液配方。温清琴[7]研究了不同浓度下园试营养液配方对油麦菜生长的影响，结果表明，在标准配方1/8～1/2浓度范围内，随着营养液浓度的升高，油麦菜的各项生物量指标均有不同程度的增加。不同营养液配方下水培叶菜的间作种植能提高部分叶菜的抗性，同时含盐量不同对叶菜生长的促进是不同的[8]。同一蔬菜在不同生育期吸收不同元素的数量和所需要的最佳营养液浓度是不同的。

在菠菜生育期中，一般在幼苗期需要养分浓度较低。按照蔬菜不同生育期配制不同营养液可以增加产量、优化品质。采摘前更换营养液成分对苦苣品质有较大改变，且以谷氨酸为营养液处理得到了较为理想的效果[9]。只有遵守“四大平衡”理论（包括营养平衡、酸碱平衡、激素平衡和微生物平衡四个方面的内容）[10]才能保证营养液配比达到较适宜水平。20世纪30年代以来，国内外学者对不同蔬菜作物对矿质元素吸收、养分需求规律、肥料的需求量三要素方面进行了大量研究，证明缺钙引起莴苣缘腐病大量发生，并且钙、镁离子的吸收相互之间有一定的竞争作用[11]。相关专家在探究生菜不同品种矿质养分吸收和差异时，得出生菜品质与产量存在一定的矛盾[12]。

1.2 营养液营养元素研究

不仅营养液的总浓度非常重要，各单一元素的含量也会严重影响蔬菜的生长与品质。无论是试验研究还是实际生产大都只注重于大量元素的浓度，对于微量元素的关注则微乎其微[13]。N元素是组成核酸和蛋白质的主要成分，缺N会降低植物光合效率，而N素过量会导致硝酸盐含量超标。P元素不仅是植物体内核酸、蛋白质的主要成分，同时也是某些酶的组成成分，在促进新陈代谢方面扮演着重要的角色。在硝态氮和铵态氮混合培养的情况下，缺P会显著抑制菠菜对铵态氮和硝态氮的吸收，而且对硝态氮的吸收抑制作用大于铵态氮[14]。有试验证明P元素在硝态氮和铵态氮配比不变的情况下，显著降低硝酸盐的含量[14]。K元素的浓度在促进生菜生长以及对其他养分的吸收方面没有N、P两种元素明显，生菜对K元素的需求量也比较低[15]，但作为一种品质元素，可以提高抗旱、抗寒、抗病虫害能力等。

Fe虽然是一种微量元素，在人体中主要以铁蛋白的形式存在，但为人体不可缺少的重要元素，植物缺铁会导致生长不良。汪李平等[16]对营养液中铁元素最佳浓度进行研究发现，以山崎配方为基础，以Fe-EDTA为铁源的情况下，只需保持铁素浓度在1～2mg/L就可以。Jin等[13]也研究了Fe营养的控制对水培菠菜产量和品质的影响，结果同样表明，轻度Fe不足比零Fe素和Fe充足情况下产量、可溶性糖、可溶性蛋白、抗坏血酸盐含量更高，且硝酸盐含量较低。汪李平等[17]在水培生菜铁营养的研究中证明，无论在何种氮源情况下，铁元素浓度的增加使得生菜叶片中的硝酸盐还原酶活性增强，从而硝酸盐含量降低。

李登超[3]研究了硒对菠菜水培的影响，营养液中加入少量的硒元素（不大于0.1mg/L）可以达到增产的目的，但是当浓度高于0.5mg/L的时候会产生毒害，抑制生长。除此以外，还有一些报道表明，水培下某些稀土元素可以提高蔬菜生物量，降低硝酸盐含量。洪法水等[18]通过水培方法研究了镧元素与菠菜内叶绿素的作用，表明镧元素能与叶绿素结合形成稀土叶绿素，增加叶绿素含量，提高光合效率，促进菠菜生长。同时，钼元素是硝酸还原酶的组成成分，与硝酸盐累积也有一定关系[19]。镉元素能够影响营养元素从根部到地上部的运输，改变他们在植株体内的分布，从而引起营养失调，对植株生长产生影响[20]。有关微量元素对菠菜生长影响的报道至今还不多，但事实证明微量元素的使用对于提高蔬菜的品质与产量有较大的影响，因此在这方面应该引起广泛关注。

2 营养液栽培菠菜的品质调控研究

硝酸盐对人体的为害是众所周知的，过量的硝酸盐在人体中可以被还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐既可以导致高铁血红蛋白症，又可以进一步转换成强致癌物——亚硝铵，诱发癌症[21，22]。人体摄入的硝酸盐60%～80%来自于蔬菜[23]。菠菜是一种喜硝作物[21，24，25]，容易累积硝酸盐和草酸[26]。所以严格控制菠菜中硝酸盐的含量是一个热点研究问题，而影响硝酸盐含量的因素有多种，在不同的条件下每一种因子所伴随的主次也随之改变。

从生理学来看，菠菜中硝酸盐的累积主要取决于对硝酸盐的吸收和同化，可以简单地认为当吸收大于同化就会累积，反之则不会。也有人认为，植物体内硝酸盐的累积主要取决于硝酸盐在不同部位的分布不同，比如，在不同供氮水平下叶菜硝酸盐含量如下，小白菜：叶柄＞叶片＞根，菠菜：根＞叶柄＞叶片[27]。硝酸盐的含量还与植物器官形态有关，具有皱叶甘蓝型叶片的菠菜积累过量硝酸盐的能力要比叶片光滑而较大的品种强[23]。

关于营养液中的硝态氮与铵态氮比对菠菜硝酸盐累积的影响研究有很多，研究表明在硝态氮和铵态氮配比适宜情况下，既可以提高产量，也可以降低作物可食用部分硝酸盐含量[14]，这可能是因为铵态氮的同化酶降低了硝酸盐转运蛋白活性或者其合成速率，或者是其存在抑制了体内硝酸盐的同化作用[22]。同时适当增加铵态氮也可以提高菠菜VC含量[28]。也有试验证明，5-氨基乙酰丙酸（ALA）的外部喷施可以明显提高菠菜的VC含量并改善品质[29]，同时ALA处理使得菠菜贮存期间叶绿素、可溶性蛋白、VC、可溶性糖的降解速率显著降低，提高耐贮性，增加商品价值[30]。硝酸盐含量与供氮水平有着很大的相关性，而且相关系数r达0.603～0.999[15]。

虽然菠菜生物量会随着供氮水平的增加而增加，但是高氮情况下的氮素利用效率指数明显低于低氮水平[31]，且可溶性糖含量则随着氮素水平提高呈递减趋势[32]。

关于菠菜硝酸盐调控的研究大部分都是集中在调控外部因素，对内部因素的研究及对硝酸盐含量的调控仅仅占了2%左右[19]，且研究主要集中在不同品种、基因、酶活性以及硝酸盐的分布特征等几个方面。不同科、属、种和品种的植物，其营养器官和繁殖器官内的硝酸盐含量往往差异甚大[23]。赵清岩等[33]研究不同品种菠菜之间草酸、VC、可溶性糖等营养成分的含量，结果表明在各品种间的差异是显著的。刘敏娜[34]研究了全国30多种菠菜基因型氮效率的评价指标和方法，试验证明不同基因型在相应氮水平下氮素吸收与利用效率存在一定的差异。硝酸盐的累积在植物生长过程中是一个不断变化的过程，通常商品收获期比生理成熟早的植物品种硝酸盐含量较高[24]。控制蔬菜中硝酸盐含量对于满足人们高品质的生活是必不可少的。

酶是植物体内各种生化反应进行的催化剂，能够促进反应快速达到平衡，其中硝酸还原酶的活性直接关系到植株体内硝酸盐的累积量。汪建飞等[20]的研究表明，提高营养液中硝态氮的比例可以显著提高菠菜茎叶中硝酸还原酶（NR）的活性，同时降低谷氨酸脱氢酶（GDH）的活性，谷氨酰胺合成酶（GS）活性则呈现先升后降的抛物线状变化规律。黄俊等[35]对弱光下白菜进行了相关研究，试验得到了类似的结论。

3 菠菜营养液栽培研究展望

有关菠菜水培方面的研究相对较少，而且大多数试验都是集中于氮素对品质及产量影响方面或生长环境调控研究。综合分析，尚存在以下几点不足：①菠菜固然是一种容易累积硝酸盐和草酸的蔬菜，但同时也是富含铁、钙等人体所需的某些微量元素的重要载体，但长期以来对于菠菜品质调控主要关注的是硝酸盐，而对VC等其他品质指标的研究不多；②营养液配方有很多，比如：园试配方、华南农大A类和B类配方、霍格兰配方等，但是专门针对菠菜专用营养液配方的研究较少；③现在所见的有关菠菜水培营养液浓度大多数都是基于较为著名的一些配方，对菠菜进行变浓度处理探求最适浓度的研究仍不多见；④对菠菜产量和品质的研究不能仅仅局限于营养液配比方面，应该注重外部其他因子的作用，比如光、温度、湿度等多因素调控；⑤菠菜不同生育期所需营养液浓度与最适pH值是随之变化的，目前基本没有关于菠菜水培中不同生育阶段营养液养分需求动态变化的研究。

蔬菜的工厂化生产是实现农业集约化发展的重要途径。菠菜作为群众喜欢的主要蔬菜种类，采用工厂化生产可以实现周年供应。营养液是植物工厂生产的必要条件，研究菠菜生育期营养需求过程及产量和品质变化过程、分析提出菠菜产量和品质最优的营养液配方及营养需求过程线，合理调控菠菜营养液栽培的生长环境，对于实现低耗高产优质栽培具有重要研究价值。

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