不同光周期下外源锌对水培生菜生长和品质的影响

张渊博，郝文琴，石 玉，韩瑞锋，成永三，张 毅

（山西农业大学园艺学院，山西太谷 030801）

0 引言

光是影响植物生命活动的环境因素之一，为植物的生长发育提供能量[1]。研究发现，光质、光强和光周期调控对植物的生长发育均有显著影响[2]。如今设施园艺中广泛使用LED光源替代传统补光光源，改善光周期环境，从而调节作物的生长发育，缩短生长周期，帮助提高产量和品质[3-6]。有研究结果表明，光周期调节对植物生长发育状况以及糖分、蛋白质等物质代谢方面有显著的调控作用，且在一定范围内延长光周期，能有效促进大麦草的生长和人参菜营养品质的形成[7-9]。吕兵兵等[10]的研究结果表明，16 h/d光周期条件有利于苦荞芽菜中花青素、可溶性糖含量的增加。此外还有研究表明，长日照可以提高生菜的光合速率和光能利用效率，有助于生菜可溶性糖、可溶性蛋白质、维生素C和类胡萝卜素的合成，提高生菜品质[11-12]。因此，研究不同光周期对生菜的生长和品质有重要意义。

锌(Zn)是作物生长不可缺少的微量营养元素，缺锌症状常表现为小叶簇生失绿，叶片皱缩卷曲，节间缩短，影响作物的产量和品质[13-14]。研究发现，施用锌肥能提高番茄植株的株高、茎粗、叶片数，使番茄果实中维生素C和可溶性糖含量增加，还能提高番茄的单果质量和单株产量[15-16]。马振勇等[17]的研究表明，施用适量锌肥可增加马铃薯块茎中淀粉、蛋白质和糖类含量，提高产量。赵建所等[18]的研究发现，锌肥不仅对生菜的可溶性蛋白、可溶性糖、维生素C等营养品质指标有明显的促进作用，还显著影响生菜叶绿素的合成，进而影响生菜产量。因而，适量的锌肥对生菜生长和品质有重要影响。

生菜(Lactuca sativa)又称叶用莴苣，由于其体内富含维生素、膳食纤维、碳水化合物和矿物质等营养物质，具有清热利尿、促进血液循环等药用价值，因此在植物工厂中可进行广泛的规模化种植[19-21]。国内外关于不同光周期、锌肥对生菜生长和品质的影响也做了很多研究，但两者耦合对作物影响的研究鲜有报道，且两者是否存在互作效应还不清楚，需要进一步研究[7,18,22]。笔者以意大利耐抽薹生菜为试材，通过水培法和LED补光，探究不同光周期下外源锌对生菜生长和品质的影响，筛选适宜生菜生长的最适光周期和锌浓度组合处理，旨在为不同光周期下施加外源锌调控生菜生长发育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于山西农业大学实验室与园艺站人工气候室完成。供试品种为意大利耐抽薹生菜，以日本山崎生菜配方进行营养液栽培。选取籽粒饱满的生菜种子，将其播种于无土栽培专用育苗海绵中，在人工气候室中培养（白天温度为(25±1)℃，晚上温度为(16±1)℃），待长至三叶一心时，选取长势一致的生菜幼苗定植于40 cm×30 cm×15 cm的水培槽中，每槽定植8株，每个处理定植2槽，每7天更换一次营养液，每天调节营养液pH(pH 6.0±0.2)。定植第2天开始进行光周期处理，每7天进行一次锌处理，处理方式为营养液根施。试验光源为LED灯，设置12 h/12 h、16 h/8 h、20 h/4 h 3个光周期和0、0.5、1 mg/L ZnSO4·7H2O 3个锌浓度，2个因素完全随机组合，共设9个处理，分别用12-0、12-0.5、12-1，16-0、16-0.5、16-1，20-0、20-0.5、20-1表示。定植1个月后收获生菜样品，采取随机取样的方法，选取处理中长势均匀的生菜样品；其中生长指标和生理生化指标均选取3株，其余生菜选取从上往下第四五片的叶片，将鲜样保存于超低温冰箱，用于品质指标的测定。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 生长指标测定 株高、叶长、叶宽用直尺量取，叶片数由人工计数。洗净植株，吸干表面水分称鲜重，然后置于105℃烘箱中杀青，烘至恒重后测其干重，每处理3次重复。

1.2.2 生理生化指标测定 叶片含水量计算如式(1)，每处理3次重复。

1.2.3 品质指标测定 可溶性蛋白质测定采用G-250染色法[23]，Vc测定采用钼蓝比色法[23]，可溶性糖测定采用硫酸苯酚法[23]，还原糖测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[23]，类黄酮、总酚含量测定参考曹建康等[24]的方法，每处理3次重复。

1.3 数据处理与分析

试验数据使用SPSS 21进行方差分析，并使用Microsoft Excel 2016作图，数据处理间差异显著性检验采用Duncan法，以P＜0.05为显著性检验水平，文中数据为“平均值±标准误”。

2 结果与分析

2.1 不同光周期下外源锌对水培生菜生物量的影响

由表1和图1可知，同一锌浓度处理下，延长光周期，生菜的株高、叶长、叶宽、叶片数、地上部干鲜重均呈先上升后下降的趋势。相同光周期下，随着锌浓度增加，生菜的株高、叶长、叶宽、叶片数呈先上升后下降趋势。生菜植株高度、地上部干鲜重均在16-0.5处理达到最高，16-0.5处理的地上部干鲜重较12-0.5和20-0.5处理分别显著增加了176.77%、175.32%和6.20%、18.88%；16-0.5处理的叶片数、地上部干鲜重较16-1处理分别显著增加11.76%、67.07%、48.65%。综合考虑，16-0.5处理对生菜生物量的提质效果较佳。

图1 不同光周期下外源锌对生菜生长的影响

表1 不同光周期下外源锌对生菜生物量的影响

2.2 不同光周期下外源锌对水培生菜叶片含水量的影响

由图2可知，在同一锌浓度处理下，16-1处理的叶片含水量显著高于12-1处理和20-1处理，20 h/4 h光周期处理下叶片含水量显著低于16 h/8 h光周期处理。在同一光周期下随着锌浓度增加，12 h/12 h光周期处理下生菜叶片含水量呈下降趋势，16 h/8 h光周期处理下呈上升趋势，20 h/4 h光周期处理呈先上升后下降趋势，其中以16-1处理下生菜叶片含水量最高。从光周期与锌互作效果看，16 h/8 h光周期处理下根施1 mg/L锌对生菜叶片含水量的提升效果最好。

图2 不同光周期下外源锌对生菜叶片含水量的影响

2.3 不同光周期下外源锌对水培生菜可溶性蛋白质含量的影响

由图3可知，在同一锌浓度处理下，生菜可溶性蛋白质含量随光照时间的延长而逐渐增加，其中20-1处理下生菜中可溶性蛋白质含量最高，其较12-1、16-1处理分别显著增加了19.39%和25.57%。在同一光周期下，随着锌浓度的增加，可溶性蛋白质含量也均呈上升趋势。从光周期与锌互作效果看，20 h/4 h光周期处理下根施1 mg/L锌对生菜可溶性蛋白质含量的提升效果较好。

图3 不同光周期下外源锌对生菜可溶性蛋白质含量的影响

2.4 不同光周期下外源锌对水培生菜Vc含量的影响

由图4可知，同一光周期处理下，生菜中Vc含量随锌浓度的增加均呈先上升后下降的趋势，表明0.5 mg/L锌浓度处理对生菜Vc含量增加效果最好。在16-0.5处理下生菜Vc含量最高，同一光周期处理下，其较16-0和16-1处理分别显著增加了19.20%和62.31%；同一锌浓度处理下，16-0.5处理较12-0.5和20-0.5处理的Vc含量分别增加了13.72%和45.34%。从光周期与锌互作效果看，16 h/8 h光周期处理下根施0.5 mg/L锌对生菜Vc含量的提质效果最佳。

图4 不同光周期下外源锌对生菜Vc含量的影响

2.5 不同光周期下外源锌对水培生菜可溶性糖、还原糖含量的影响

由图5可知，同一光周期处理下，12 h/12 h处理的可溶性糖含量随锌浓度的增加而降低，还原糖含量则逐渐升高；16 h/8 h处理的可溶性糖含量随锌浓度的增加呈先降低后升高的趋势，还原糖含量则逐渐降低；20 h/4 h处理的可溶性糖和还原糖含量随锌浓度的增加呈先降低后升高的趋势。其中，20 h/4 h光周期处理对生菜中可溶性糖和还原糖含量促进效果显著，20-1处理下生菜可溶性糖和还原糖含量最高，较20-0和20-0.5处理的可溶性糖含量分别显著增加了42.10%和48.17%。在同一锌浓度处理下，生菜可溶性糖含量随光周期延长呈总体上升趋势，根施1 mg/L锌处理下，20-1处理较12-1和16-1处理的可溶性糖含量分别显著增加了1.42倍和0.69倍，还原糖含量分别显著增加了0.83倍和3.69倍。从光周期与锌互作效果看，20 h/4 h光周期处理下根施1.0 mg/L锌对生菜可溶性糖和还原糖含量的提质效果最佳，且光周期对生菜品质的提升起主导作用，锌浓度起调节作用。

图5 不同光周期下外源锌对生菜可溶性糖、还原糖含量的影响

2.6 不同光周期下外源锌对水培生菜类黄酮、总酚含量的影响

由图6可知，同一光周期下，12 h/12 h和16 h/8 h光周期处理下随着锌浓度增加，生菜类黄酮、总酚含量均呈先上升后下降的趋势，在20 h/4 h光周期处理中呈逐渐下降趋势，其中，16-0.5处理下生菜类黄酮含量较16-0和16-1处理分别显著增加了1.62倍和0.31倍；12-0.5处理下较12-0和12-1的总酚含量显著增加了51.46%和73.98%。同一锌浓度下，16-0.5处理下较12-0.5和20-0.5处理的类黄酮含量分别显著增加了0.21倍和1.40倍；12-0.5处理下较20-0.5的总酚含量显著增加了1.77倍，其与16-0.5的总酚含量无显著差异。从光周期与锌互作效果看，在16-0.5处理下生菜类黄酮含量最高，在12-0.5处理下生菜总酚含量最高。综合考虑，16-0.5处理对生菜类黄酮和总酚含量增加效果最好。

图6 不同光周期下外源锌对生菜类黄酮、总酚含量的影响

3 结论与讨论

光是影响植物生长发育的一种重要环境因子，一方面光为植物光合作用提供能量，另一方面植物通过体内光受体中的光敏色素感受光环境变化，传导光信号并调节植物生理代谢反应和物质运输[25-26]。吕雪梅等[27]的研究结果表明，延长光周期可显著促进牛角椒的生长和生物量的积累。本试验结果表明，在同一锌浓度处理下，16 h/8 h和20 h/4 h光周期处理的生菜地上部干鲜重和地下部干鲜重均显著高于12 h/12 h处理，其中，16 h/8 h光周期对生菜株高、叶长、叶片数、地上部干鲜重的增益效果最好，表明延长光周期可促进生菜生长，这与吉家曾等[25]研究得出的延长光周期可提高生菜鲜重的结论基本一致。本研究结果还表明，16-0.5处理生菜的地上部干鲜重、叶片数和叶片含水量显著高于20-0.5处理，主要是由于20 h/4 h光周期处理下的光照总量超过了日需总光能，导致光能过剩，从而降低了植株光合代谢，致使地上部生物量减少；另外20 h/4 h光周期处理的叶片含水量较低，不利于光合代谢，降低了光合产物的生成，影响生菜生长[28-29]。因此，16 h/8 h光周期处理更有利于生菜生长发育。

类黄酮和总酚等酚类物质是植物体内重要的次生代谢物，能够有效清除自由基，提高植物抗氧化能力，缓解环境胁迫造成的伤害[30-31]。维生素C作为植物细胞中最重要的抗氧化剂，在保护叶绿体免于氧化损伤中起着重要的作用，同时也是蔬菜的主要品质指标[32]。本试验中，与其他光周期相比，20 h/4 h下生菜类黄酮、总酚、维生素C含量显著下降，这与查凌雁等[30]研究发现的长日照处理下抗氧化物质显著增加来抵御活性氧造成的光氧化伤害的结果不一致，是因为20 h/4 h下生菜中长日照胁迫时间过长，自身活性氧清除能力逐渐减弱，使类黄酮、总酚、维生素C含量下降。本研究结果表明，在单一光周期下，随锌浓度增加，Vc含量呈先上升后下降趋势；16 h/8 h下更有利于类黄酮、总酚含量的增加，并在0.5 mg/L锌浓度处理下类黄酮、总酚含量进一步增加。因此，从光周期与锌互作效果看，16-0.5处理显著促进了Vc、类黄酮和总酚含量。

可溶性糖、还原性糖和可溶性蛋白都是生菜营养品质的重要指标，可溶性糖是光合作用的直接产物，可溶性蛋白质提供人体必需的能量和蛋白质[33]。李海云等[34]发现，延长光周期有利于促进黄瓜幼苗叶片合成蛋白质来满足植株正常生长发育的需要，还可提高可溶性糖含量进而进行渗透调节，缓解胁迫造成的伤害。本试验结果表明，20 h/4 h处理最有利于生菜可溶性蛋白质、可溶性糖和还原糖含量的增加，这与刘杰等[12]研究得出的长日照处理能提高生菜品质的结论基本一致。与其他光周期下施锌相比，12 h/12 h下施锌更有利于可溶性蛋白质、还原糖含量增加，并在1 mg/L锌浓度下增加效果显著，20 h/4 h下施锌更有利于可溶性糖含量增加并在1 mg/L锌浓度下可溶性糖含量进一步增加。但有试验研究认为，延长生菜的光照时间可造成其日光照总量过量，同时，降低了光合代谢的速率，减少光合产物的生成，另外光源的光谱和光照强度以及生菜品种的不同也会导致不同的研究结果[28]。从光周期与锌互作效果看，20-1处理虽然显著提高了生菜可溶性蛋白质、可溶性糖、还原糖含量，但长日照会抑制生菜地上部生长，从而影响生菜的产量。

综上所述，从光周期处理上看，16 h/8 h光周期最有利于生菜生长和品质的提高；从光周期与锌处理的互作效果看，光周期对生菜生长和品质的影响起主导作用，外源锌起调节作用。另外，16-0.5处理较20-1处理更有利于生菜生长且节约成本。因此，从促进生长、改善品质及节约成本等角度考虑，本试验的最佳处理为16 h/8 h光周期下根施0.5 mg/L ZnSO4·7H2O。后续本课题组将以该组合为基础，进一步探讨补光和施锌对生菜生长发育的积极调控作用，为实现设施生菜高效优质生产提供依据。