营养液供液高度对水培生菜生长及矿质元素吸收的影响*

张伟娟，郭文忠，王晓晶，李灵芝，李海平，陈晓丽**



营养液供液高度对水培生菜生长及矿质元素吸收的影响*

张伟娟1,2，郭文忠1，王晓晶1,2，李灵芝2，李海平2，陈晓丽1**

（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，太谷 030801）

在密闭植物工厂条件内，设置5种营养液高度（2、3、4、5、6cm）水培种植生菜，以探究霍格兰（Hoagland）配方营养液不同供液高度对生菜十种矿质元素（K、P、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Zn、Cu、S）吸收及积累的影响。结果表明：生菜地上部生物量以及光合色素含量均在4cm供液高度处理下最大，而地下部生物量以及根长均随着营养液供液高度的增加而升高；生菜地上部十种矿质元素的含量均在供液高度6cm处理下最大，而矿质元素在生菜中的单株累积量则表现为Fe、Mn元素在6cm供液高度下最大，Ca、Mg、Na、Zn、Cu、S元素在4cm供液高度下最大，K、P元素在5cm供液高度下最大。因此，实际生产中可以通过调节水培生菜营养液的供液高度，以达到提高生菜产量或生产功能性蔬菜的目的。

生菜；植物工厂；供液高度；生物量；矿质元素

生菜（L.）是营养丰富的设施主栽蔬菜之一，含有较多的糖类、蛋白质、矿物质等营养成分，具有助消化、降低胆固醇等功效，深受消费者喜爱[1-2]。矿质元素不仅是其重要的品质指标也是人体内维生素、酶、激素等物质的重要组成成分[3]，如P是核酸、酶的组成成分，参与物质和能量代谢；Na、K能维持人体内的酸碱平衡；Zn是人体内多种酶的组成成分等。

水培是无土栽培的重要技术之一，包括深液流栽培、营养液膜栽培、浮板毛管栽培等。本试验采用深液流栽培技术，该技术具有根系环境较稳定的优点，但根际容易缺氧。水培作物根部所需的氧气主要来源于营养液中的溶解氧，也可以依靠裸露于空气中的根系部分直接从空气中获得，后者的根部吸氧量与裸露于空气中的植物根系长度及数量密切相关[4-5]。深液流水培技术中，当水培容器高度固定时，营养液的供液高度直接影响根系在营养液及空气中的分布，一般的深液流栽培对营养液的最适高度没有明确的规定。营养液供液高度低，裸露于空气中的根系吸氧量增加，但营养液太浅可能无法满足植物生长所需的养分，且根系环境较不稳定。营养液供液高度高，根系吸氧量减少，深层营养液中的植物根系容易缺氧，严重时会造成根系腐烂[6-9]。付利波等[4]研究发现，营养液高度一定时，适当的悬根长度有利于提高生菜的产量和品质。李胜利等[6]探究了不同营养液高度对生菜生长的影响，结果表明增加营养液高度有利于根长和地下部生物量的提高，而适当的营养液高度有利于地上部生物量的提高。因此，营养液供液高度是影响水培技术中根系氧气与矿质营养平衡关系的重要因素。目前关于营养液供液高度对生菜矿质元素吸收与积累的影响的相关研究报道较少，本试验在植物工厂条件下，通过调节水培槽内营养液的供液高度，探究不同处理下生菜的生长、生物量以及矿质元素的吸收和积累的情况，以期为水培蔬菜生产中营养液的供应和管理提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在北京农业智能装备技术研究中心全人工光型植物工厂中进行，生菜品种为“大速生”（购自国家蔬菜工程技术研究中心）。将经过4℃催芽一周的生菜种子播于育苗海绵块中，在密闭育苗室内培育15d，育苗结束后选取长势一致、根长≥5cm的幼苗定植于水培槽中，株距为16cm。

1.2 试验设计

定植后，以LED白光为生菜生长光源，光照强度130±5μmol·m−2·s−1，光周期为16h（光）/8h（暗），环境温度设定为24℃/20℃（光期/暗期），相对湿度（RH）60%，CO2浓度400μmol·mol−1。营养液采用霍格兰（Hoagland）全营养液配方（pH 5.8～6.0，EC 1.2～1.3mS·cm−1）。水培槽高度统一为6cm，各处理中营养液供液高度（槽底部至液面的高度）分别设定为2、3、4、5、6cm，共5个处理，每处理重复3次。每2d补充一次营养液至原液位高度，每6d更换一次新液，移栽30d后收获生菜样品，进行各项指标的测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 取样方法和生长参数的测定

每处理随机选取长势均匀的3株生菜收获，从生菜茎基部将地上部与地下部分开，用吸水纸吸干地下部的水分，电子天平分别称量地上部和地下部鲜重，然后将植株地上部和地下部分别置于105℃烘箱中杀青0.5h，85℃下烘干至恒重，测定干重，计算地上部含水率；根长用直尺测量，为茎基部至根最长处的长度。

1.3.2 叶绿素含量的测定

称取剪碎的新鲜生菜叶片0.20g于研钵中，加少量CaCO3和石英砂及95%乙醇2～3mL研成匀浆，再加入95%乙醇10mL继续研磨至组织变白。然后倒入漏斗中，滤入25mL容量瓶，期间用95%乙醇多次冲洗滤纸和残渣，直至滤液无色为止，定容至25mL。用分光光度计分别在波长470nm、649nm、665nm下测定吸光度，以95%乙醇为空白对照[10]。

1.3.3 矿质元素含量的测定

精确称取0.50g生菜地上部干粉末样品于消煮管中，加入浓硝酸和高氯酸的混合液15mL（体积比为4:1）于180℃消煮6～8h至溶液接近无色时冷却，过滤后滤液用去离子水定容至50mL，以同样的方法制备空白对照。矿质元素含量采用OPTIMA 3300DV型电感耦合等离子体原子发射光谱仪（lCP-AES, PE, USA）测定[3]。

1.4 数据处理

采用Excel以及SPSS 22.0软件进行数据处理以及显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 营养液高度对生菜生长的影响

由表1可见，水培槽内营养液供液高度不同时，收获的生菜样品其生长指标明显不同。总体上看，不同处理间，生菜地上部生物量和地上部与地下部干重的比值均随营养液供液高度的增加呈先升高后降低的趋势。地上部鲜重在4cm和5cm处理下达到最大，显著高于3cm和2cm处理，但与6cm处理差异不显著。地上部干重在4cm处理下最大，较3cm、5cm、6cm处理分别增加39.34%、19.51%、36.74%。供液高度为4cm时生菜地上部与地下部干重的比值最大。不同处理间，根长和地下部干重的变化趋势相同，均随营养液供液高度的增加而升高，其中6cm处理下的地下部干重较其它处理增加21.92%～45.90%。而生菜地上部含水率在不同处理间的变化趋势与生物量相反，即随营养液供液高度的增加呈先降低后升高的趋势，4cm处理下生长的生菜地上部含水率最小，但各处理间差异不显著。可见，供液高度为4cm的处理下，生菜地上部鲜重和干重均在处理间表现为最大或与最大值无显著性差异，因此，对以地上部为食用部位的生菜而言，从商品产量的角度考虑，4cm的供液高度较为适宜。

表1 不同供液高度处理下生菜生长指标的比较（平均值±均方差）

注：小写字母表示处理间在0.05水平上的差异显著性。下同。

Note: Lowercase indicate significant difference among treatments at 0.05 level. The same as below. FW is fresh weight, DW is dry weight, OG is overground, UG is underground.

2.2 营养液高度对生菜叶片光合色素含量的影响

由表2可见，在不同处理下，生菜叶片中的叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素含量均随营养液供液高度的增加呈先升高后降低的趋势，均在营养液供液高度为2cm的处理下最小，而在4cm处理下达到最大。其中，营养液供液高度为4cm的处理生菜叶片总叶绿素含量较其它处理显著增加27.21%～84.75%，表明适当的营养液供液高度有利于生菜叶片中光合色素的合成和积累。

2.3 营养液高度对生菜矿质元素含量的影响

2.3.1 大量元素含量

由表3可见，不同供液高度处理下生菜中的大量元素含量存在差异。营养液供液高度为2cm时，生菜中的K、P、Ca、Mg、Na、S六种元素的含量均最低。除4cm处理之外，在其它处理间K、P、Na、S四种元素含量均随营养液供液高度的增加而升高，在6cm处理下达到最大，其中6cm处理下生菜的K、P、Na含量较其它处理达到显著增加水平（P<0.05）。Ca、Mg元素含量随营养液供液高度的变化波动较大，但均表现为6cm处理下最大，且均显著高于其它处理。说明营养液供液高度为6cm时，根系对K、P、Ca、Mg、Na、S元素的吸收效率均较高。

表2 不同供液高度处理下生菜鲜叶中光合色素含量的比较（mg·kg−1，平均值±均方差）

表3 不同供液高度处理下生菜中大量元素含量的比较（mg·g−1，平均值±均方差）

2.3.2 微量元素含量

由表4可知，在各处理间，生菜中微量元素Fe、Mn的含量与前述大量元素K、P、Na、S呈现相似的变化趋势，即元素含量随着营养液供液高度的增加而升高，在6cm处理下达到最大，且显著高于其它处理。Zn、Cu元素含量随营养液供液高度的变化波动较大，但均表现为6cm处理下最大，其中Cu元素含量显著高于其它处理。说明营养液供液高度为6cm时，根系对本试验中涉及的所有元素的吸收效率均最高。

表4 不同供液高度处理下生菜中微量元素含量的比较（μg·g−1，平均值±均方差）

2.4 营养液高度对生菜矿质元素单株累积量的影响

2.4.1 大量元素的单株累积量

由表5可见，不同处理下K、P、Ca、Mg、Na、S元素的单株累积量与含量的变化不同，生菜Ca、Mg、Na、S元素的单株累积量均在4cm处理下达到最大，其中Ca、Na元素的单株累积量较其它处理达到显著增加水平（P<0.05）。K、P元素的单株累积量在5cm处理下达到最大，其中，K元素单株累积量较其它处理达到显著增加水平（P<0.05），而P元素单株累积量与4cm处理差异不显著。由此可见，虽然根对所有元素的吸收效率均在6cm供液高度下最大（表3、表4），但Ca、Mg、Na、S元素的单株累积量在4cm处理下最大，而K、P元素的单株累积量在5cm处理下达到最大，这可能是由于6cm处理下植株根系氧气与矿质养分的不平衡，导致地上部物质同化过程中对以上元素的利用率降低，从而同化物合成降低，元素单株累积量相应降低。

2.4.2 微量元素的单株累积量

由表6可见，不同处理下Fe、Mn、Zn、Cu元素的单株累积量与其含量的变化不同，除5cm处理外，生菜中Fe、Mn元素的单株累积量在其它处理间随营养液供液高度的增加而升高，均在6cm处理下达到最大，6cm处理下的Fe、Mn元素单株累积量较其它处理分别显著升高78.64%～281.33%、5.67%～125.47%。Zn、Cu元素单株累积量随营养液供液高度的变化波动较大，但均表现为4cm处理下最大，且均显著高于其它处理。因此，4cm的供液高度有利于提高生菜地上部Zn、Cu元素的单株累积量。

表6 不同供液高度处理下生菜微量元素的单株累积量（μg·株−1，平均值±均方差）

3 结论与讨论

随着生活水平的不断提高，消费者自我保健意识日益增强[11]，对蔬菜的需求也由温饱型转向营养型、保健型[12]，因此，不仅可以提供正常营养价值，还可改善或影响人体生理功能的功能性蔬菜[13]受到广泛青睐。本研究测定的十种矿质元素不仅对人体健康具有重要作用，其种类和含量对植物的生长代谢也有重要影响，如Mg是叶绿素必不可少的成分，P可用于生成磷脂和磷酸化合物，K是多种酶的活化剂，Ca是植物细胞壁的结构成分，S是蛋白质和多种酶的组成成分等[14 ]。

矿质元素以离子的形式被植物根系吸收和运输，根吸收矿质元素的方式主要有主动吸收和被动吸收。当膜内离子浓度低于外界浓度时，细胞内外产生的势能差使离子从外界进入膜内，不消耗能量；反之，植物细胞需利用呼吸作用所产生的能量，并通过膜上载体将离子从外界运输至膜内，即为主动吸收[15-16]。因此，根际矿质元素浓度以及含氧量是影响离子向根内运输的重要因素[17-19]。本试验中，所有矿质元素含量都表现为在2cm处理下最低，说明随着根对元素的吸收，营养液中的离子浓度呈现一定的动态变化，营养液液位低的处理根际含氧量虽高，但营养液离子浓度在动态变化中下降较快，不利于根对元素的吸收。同时，本试验中，所有矿质元素含量都表现为在6cm处理下达到最高，说明营养液液位高的处理，根际含氧量虽低，但营养液中离子浓度下降缓慢，有利于根对大部分离子的吸收。

本试验中生菜根长和地下部干重随着营养液供液高度的增加而升高，这与李胜利等[6]的研究结果一致，说明营养液高度的增加有利于生菜根系的生长，但根际含氧量低不利于根的呼吸作用，这导致一些主要在根部合成、耗氧的植物生长所需物质（如细胞分裂素）的合成过程受到制约，进而影响了植物地上部的生长和同化物积累，这可能是本试验中6cm处理下生菜地上部所有元素含量均最高，但生物量和元素单株累积量没有相应地都达到最高的原因。此外，生菜地上部生物量以及Ca、Mg、Na、Zn、Cu、S元素的单株累积量均表现为4cm处理下最大，这可能是由于4cm的液位高度下根际含氧量和营养液离子浓度这两个因素达到了一定的平衡。

综上，水培种植尤其是深液流栽培中，营养液的供液高度影响植株根际含氧量与营养液离子动态浓度之间的平衡，进而影响根系的耗氧型生理活动以及地上部的生长和物质积累，因此，实际生产中，营养液供液高度的调节和管理对植株健壮生长有着重要意义。同时，通过调节营养液供液高度，生产富含某种或多种矿质元素的功能性蔬菜有利于提高水培蔬菜的生产效益。

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Effects of Nutrient Solution Levels on the Growth and Mineral Element Absorption of Hydroponics Lettuce

ZHANG Wei-juan1,2, GUO Wen-zhong1, WANG Xiao-jing1,2, LI Lin-zhi2, LI Hai-ping2, CHEN Xiao-li1

（1.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China；2.College of Horticulture，Shanxi Agricultural University, Taigu 030801）

The effects of Hoagland nutrient solution with different liquid levels (2, 3, 4, 5, 6cm) on the content and accumulation of ten mineral elements (K, P, Ca, Mg, Na, Fe, Mn, Zn, Cu, S) in lettuce hydroponically cultured in a plant factory were investigated in the present study. The results indicated that the biomass and photosynthetic pigment contents in lettuce shoot were the highest under the 4cm treatment, while the root length and root biomass increased with the enhancement of nutrient solution height. The contents of all mineral elements in lettuce were the highest under the treatment of 6cm. The accumulation of Fe and Mn in lettuce reached the largest value under 6cm treatment, while the accumulation of Ca, Mg, Na, Zn, Cu and S were all the highest under 4cm treatment, and the largest accumulation of K and P were obtained with 5cm treatment. Different production purposes can be achieved by adjusting the liquid level of nutrient solution during the actual production.

Lettuce; Plant factory; Liquid level; Biomass; Mineral element

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.09.005

2018−04−22

。E-mail：chenxl@nercita.org.cn

国家重点研发计划（2017YFD0201503）；北京市科技计划课题（D171100007617003）

张伟娟（1992−），女，硕士生，研究方向为蔬菜栽培与生理。E-mail：zhwj3466@163.com

张伟娟,郭文忠,王晓晶,等.营养液供液高度对水培生菜生长及矿质元素吸收的影响[J].中国农业气象,2018,39(9):594−600