温室新废岩棉、营养液对青菜生长和品质的影响

丁小涛,张帅磊,褚英琪,何立中,王 虹,周 强,余纪柱

(上海市农业科学院,上海市设施园艺技术重点实验室,上海都市绿色工程有限公司,上海201403)

青菜又称不结球白菜、小白菜、油菜,属十字花科芸苔属,原产于中国,在中国栽培分布十分普遍,尤其在江南地区和长江流域,生长周期短,供应量大,是广受大众喜爱的绿叶蔬菜之一[1]。 近年来,随着我国设施园艺的发展,现代智能温室栽培蔬菜因产量高,品质好,电脑智能化控制强,发展越来越迅速[2]。现代温室无土栽培以茄果类蔬菜为主,均为水肥一体化灌溉,一般均按照荷兰种植模式进行生产,营养液要进行超量灌溉,温室每天的排液量(即废弃营养液)占总灌溉量的20%—30%[3],温室废弃营养液如何循环利用成为亟待解决的问题[4]。 岩棉无土栽培是目前世界流行的栽培方式之一,岩棉方便、易用、具有高保水性和透气性[5],但是茄果类蔬菜栽培使用过的废弃岩棉如何处理也是困扰现代温室蔬菜栽培的重要问题。 据此,本试验以青菜为材料,开展温室废弃营养液和废弃岩棉循环利用的研究,以期为温室排液和废弃岩棉的充分利用,减少环境污染和资源浪费开辟新的途径和方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在上海市崇明区港沿镇国家设施农业工程技术研究中心崇明基地现代温室中进行,所用青菜品种‘新夏青5 号’,由上海市农业科学院园艺所提供。 采用进口岩棉(Grodan,由江苏绿浥农业科技股份有限公司提供)为栽培基质,所用岩棉塞(20 mm×27 mm)分为新岩棉塞和废弃岩棉塞(育苗黄瓜、番茄等使用过或者个别不出苗剩余);所用岩棉块(10 cm×10 cm ×6.5 cm)分为新岩棉块和废弃岩棉块(黄瓜、番茄等育苗或者温室栽培使用过)。 所用营养液分为新配制和温室废弃营养液配制,新配制营养液母液参考Ding 等[6]方法,之后将其稀释为EC 值为1.8 dS∕m、pH 为5.8 的营养液;废弃营养液为收集的温室黄瓜、番茄等蔬菜栽培的排液,之后也将其稀释为EC 值为1.8 dS∕m、pH 为5.8 的营养液。

1.2 试验设计

试验设置4 个处理:1)新岩棉新营养液:青菜育苗及栽培基质为新岩棉塞和新岩棉块且所用营养液为新配制(EC 值为1.8 dS∕m、pH 为5.8);2)新岩棉废营养液:青菜育苗及栽培基质为新岩棉塞和新岩棉块且所用营养液为温室废弃营养液配制(EC 值为1.8 dS∕m、pH 为5.8);3)废岩棉新营养液:青菜育苗及栽培栽培基质为废弃岩棉塞和废岩棉块且所用营养液为新配制(EC 值为1.8 dS∕m、pH 为5.8); 4)废岩棉废营养液:青菜育苗及栽培基质为废弃岩棉塞和废岩棉块且所用营养液为温室废弃营养液配制(EC 值为1.8 dS∕m、pH 为5.8)。

播种前分别将不同的岩棉塞(废弃岩棉塞和新岩棉塞)置于相对应的营养液(新营养液和废弃营养液,均配制成EC 值为1.8 dS∕m、pH 为5.8)中充分浸泡2—3 h,之后将岩棉塞放置于专用240 孔穴盘(0.41 m×0.6 m)中,2019 年4 月18 日播种青菜种子,每孔播种2 粒,播后覆盖0.5—1.0 cm 的蛭石,穴盘上再覆盖塑料薄膜保湿。 出苗后及时将保鲜膜揭开,并进行间苗,保证每个岩棉塞上有一株苗,待子叶完全展开后将所有青菜苗分别移栽到不同处理(新岩棉新营养液、新岩棉废营养液、废岩棉新营养液、废岩棉废营养液)的岩棉块中,移栽前将所用的不同的岩棉块用不同的EC 值为1.8 dS∕m、pH 为5.8 的营养液浸泡1 d(和浸泡岩棉塞相同,新、废营养液浸泡新、废岩棉块)。 每个处理20 株,重复3 次。 不同处理青菜生长期间,通过称重法进行定期(以岩棉块重量不低于300 g 为准)浇灌新、废营养液(EC 值为1.8 dS∕m、pH 为5.8),从而保证营养液供应。

1.3 测定方法

1.3.1 不同处理生长量和生物量的测定

青菜苗移栽到岩棉块后,每个处理随机挑选5 株,分别于2020 年5 月11 日、31 日、6 月11 日进行最大叶片叶长(从叶尖至叶柄基部的纵向长度)、最大叶宽(每个叶片最宽处)、株幅的测量。 最后一次测量后进行采收,不同处理青菜采收后,分别用电子秤称量单株质量,计算平均值,然后根据单位面积种植的株树计算产量。

1.3.2 不同处理叶绿素、类胡萝卜素含量的测定

参考Lichtenthaler 等[7]的方法并加以改进,青菜采收前用一定直径的打孔器取5 个叶圆片置于10 mL 95%(V∕V)乙醇中遮光浸泡提取,直至肉眼观察叶片完全发白为止,于665 nm、649 nm 和470 nm处测定吸光值。

1.3.3 不同处理气体交换参数的测定

利用LI-6400 型光合仪(Li-Cor Inc.,Lincoln,NE,美国)在青菜采收前测量不同处理青菜叶片的气体交换参数,分别选择新展开的最大功能叶进行测量,气体交换参数包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)进行测量,测量的光照强度设置为600 μmol∕(m2·s),温度、湿度、CO2浓度依赖于温室的自然条件。 所有处理重复测定5 次,结果以(平均值±标准差)表示。

1.3.4 不同处理可溶性蛋白、可溶性糖、VC、总酚、类黄酮、硝酸盐、亚硝酸盐含量的测量

青菜采收时,将明显的黄叶去掉后,用全营养破壁料理机(中山市欧麦斯电器有限公司生产)进行多个整株打样,然后将样品放置于-80 ℃冷冻保存待测。 不同处理青菜中可溶性蛋白、可溶性糖、VC、总酚、类黄酮含量的测定参考曹建康等[8]方法进行测量。 不同处理硝酸盐、亚硝酸盐含量使用苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒进行测量。

1.4 统计分析

使用SAS 9.3 对各处理进行统计分析,结果以(平均值±标准差)表示,不同小写字母表示在5%水平上差异显著。 使用Origin 7.5 进行数据作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对青菜株幅、最大叶片长和宽的影响

从图1 可以看出,5 月21 日各处理青菜最大叶片长差异不显著,最大叶片宽和株幅以废岩棉废营养液处理显著高于新岩棉废营养液处理,其他处理间差异不显著;5 月31 日各处理差异更为明显,其中废岩棉废营养液处理青菜的最大叶片长、最大叶片宽和株幅均显著高于新岩棉新营养液处理和新岩棉废营养液处理,新岩棉废营养液、废岩棉新营养液、废岩棉废营养液处理青菜的最大叶片长、最大叶片宽和株幅分别为新岩棉新营养液处理的97.5%、106.0%、113.5%,95.7%、109.6%、124.8%,98.4%、107.5%、109.6%。 6 月11 日测量青菜最大叶片长、最大叶片宽和株幅也是废岩棉废营养液处理最大,但各处理之间差异不显著。

2.2 不同处理对青菜单株质量和每667 m2 产量的影响

从图2 可以看出,废岩棉两个处理的青菜单株质量及产量显著高于新岩棉两个处理,新、废营养液处理对以上指标无显著影响。 青菜废岩棉新营养液处理的每667 m2产量分别为新岩棉新营养液、新岩棉废营养液处理的13.5% 和20.2%;废岩棉废营养液处理为新岩棉新营养液、新岩棉废营养液处理的14.4%和21.2%。

2.3 不同处理对青菜叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量和类胡罗卜素含量均为新岩棉新营养液处理的最低,废岩棉废营养液处理四种物质含量最高(图3),废岩棉废营养液处理四种物质含量分别为新岩棉新营养液处理的1.98 倍、2.16 倍、2.03 倍和1.53 倍。 除了废岩棉新营养液处理叶绿素a 含量也显著低于废岩棉废营养液处理外,新岩棉废营养液、废岩棉新营养液和废岩棉废营养液处理的叶绿素b、总叶绿素含量和类胡罗卜素含量差异均不显著。

2.4 不同处理对青菜光合作用的影响

四个处理中废岩棉废营养液的净光合速率最高,显著高于新岩棉新营养液和新岩棉废营养液处理4.1%和3.6%,而和废岩棉新营养液处理的差异不显著(图4)。 四个处理的蒸腾速率差异不显著;气孔导度和胞间二氧化碳浓度变化趋势一致,均为废岩棉新营养液处理最高,新岩棉废营养液处理最低,但四者差异不明显。

2.5 不同处理对青菜可溶性蛋白、可溶性糖、VC、总酚、类黄酮含量的影响

从表1 可以看出,新岩棉新营养液和废岩棉废营养液处理可溶性蛋白含量显著高于新岩棉废营养液和废岩棉新营养液处理,新岩棉新营养液处理可溶性蛋白含量较新岩棉废营养液和废岩棉新营养液处理分别高15.6%和14.8%,废岩棉废营养液处理可溶性蛋白较新岩棉废营养液和废岩棉新营养液处理分别高12.2%和11.5%。 新岩棉新营养液处理VC 含量最低,新岩棉废营养液、废岩棉新营养液、废岩棉废营养液处理VC 含量分别为新岩棉新营养液处理的2.53 倍、2.38 倍和1.76 倍。 不同处理的可溶性糖、总酚、类黄酮含量差异不显著。

表1 不同处理对青菜可溶性蛋白、可溶性糖、VC、总酚、类黄酮含量的影响Table 1 Plant soluble protein,soluble sugar,vitamin C,total phenol,and flavonoid contents of different treatments

2.6 不同处理对青菜硝酸盐和亚硝酸盐含量的影响

从图5 可以看出,废岩棉新营养液处理的硝酸盐含量显著高于新岩棉新营养液、新岩棉废营养液和废岩棉废营养液处理16.2%、16.7%和24.2%,而后三者的差异不显著。 四个处理的亚硝酸盐含量以新岩棉新营养液和新岩棉废营养液处理略高,但四者差异均不显著。

3 结论与讨论

从不同处理青菜生长量和产量可以看出,不论是新营养液,还是废营养液,废岩棉中生长的青菜要明显好于新岩棉处理,这在青菜的快速生长期表现更为明显,废岩棉新营养液和废岩棉废营养液处理的最大叶片长、宽明显大于新岩棉新营养液和新岩棉废营养液处理,这可能和废岩棉在使用时仍含一定量的营养元素有关,从而使废岩棉在栽培使用时含有更多的养分来促进青菜生长。 Ding 等[6]研究营养液不同EC 处理对青菜生长表明,EC 值为4.8 dS∕m 处理时青菜的生长量为最大。 何诗行等[9]对岩棉栽培番茄的研究也表明,适当增加营养液的EC 可以有效提高番茄的果实质量和品质。

叶绿素a、b 和类胡萝卜素在光合电子传递、类囊体膜的稳定性等方面有重要作用,光合作用的大小和叶片中叶绿素含量和类胡萝卜素含量的多少有明显的相关性[10]。 本试验中废岩棉废营养液处理的叶绿素a、b 和类胡萝卜素含量最高,其相应的净光合速率也最高,这应该也是其产量较高的重要原因之一。

可溶性蛋白可以参与细胞的渗透调节,增强细胞的保水能力,对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用[11];本试验中不同处理可溶性蛋白含量略有差异,但废岩棉废营养液处理没有使青菜的可溶性蛋白含量显著降低。 VC 是一种水溶性抗氧化剂,可以防止自由基对细胞的伤害,防止细胞变异,预防癌症、心脑血管疾病等,并参与胶原蛋白合成及治疗坏血病等,还可以提高人体的免疫力,它是体现蔬菜品质的重要指标[12];试验中废岩棉新营养液和废岩棉废营养液处理VC 含量居中,并没有处于最低水平,反而新岩棉新营养液处理的青菜VC 含量最低,这有可能和不同岩棉不同营养液中的营养元素含量有关,具体原因需要进一步研究。 可溶性糖不仅影响了蔬菜的风味和品质,而且可以作为上游底物和原料参加下游物质代谢与合成,同时也是细胞内的重要信号分子参与调节植物生长[13];蔬菜中大量存在着酚类物质、类黄酮等植物次生代谢产物,黄酮类化合物具有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、降血脂的功效,对减少自由基的产生和清除自由基有一定的作用,即抗氧化作用,酚类物质具有良好的抗氧化、降血脂等作用,酚类物质、类黄酮含量高低是蔬菜的营养价值和医疗保健作用的重要体现[14-15]。 本试验中,不同处理可溶性糖、总酚、类黄酮含量差异不显著,说明废营养液和废岩棉处理没有使青菜中可溶性糖、总酚、类黄酮含量降低。 总的来说,废营养液和废岩棉处理没有明显降低青菜品质指标。

硝酸盐在自然界中分布十分广泛,人体摄入的硝酸盐主要来源于蔬菜,摄入硝酸盐含量较高的蔬菜会增加人们患肠胃癌、高铁血红蛋白症等疾病的几率[16]。 虽然硝酸盐本身对人体毒害性相对较低,但硝酸盐很容易被还原成亚硝酸盐,亚硝酸盐可与食物中或体内的仲胺类物质作用生成亚硝胺,从而诱发消化系统癌变,食入200—500 mg 的亚硝酸盐即可引起中毒,1 000—2 000 mg 就会引起死亡[17]。 本试验中,除了废岩棉新营养液处理的硝酸盐含量略高外,其他处理差异不显著,并且不同处理的亚硝酸盐含量差异均不显著,说明废营养液和废岩棉处理并没有明显增加青菜中的硝酸盐和亚硝酸盐含量。 无公害蔬菜质量要求叶菜类蔬菜中硝酸盐含量不高于3 000 mg∕kg,要求蔬菜的亚硝酸盐含量不高于4 mg∕kg[18-19],本研究中不同处理硝酸盐和亚硝酸盐含量均远低于此阈值。

综上所述,使用现代温室废弃的岩棉和排液栽培青菜,可以促进青菜生长且对青菜的品质没有明显的影响,青菜的硝酸盐和亚硝酸盐含量均在正常的范围。 本研究对探索栽培岩棉的循环利用和温室排液的串级利用,开辟了新的途径和参考方法。