灌溉水温调整对冬夏季不结球白菜生长的影响

王利康,黄金阳,李彭丽,翁金洋,俞 静,牛庆良

(上海交通大学农业与生物学院,上海 200240)

不结球白菜(Brassica campestrisssp.chinensisL.)生长周期短、产量高,可周年生产,是长三角地区主要的设施蔬菜之一,约占长江中下游大中城市蔬菜消费量的1∕3[1-2]。城市居民对蔬菜的稳定消费,对长三角地区不结球白菜周年均衡生产提出了要求[1]。长三角地区冬季平均气温3—5℃,夏季平均气温26—28℃[3],而不结球白菜生长的上下限温度分别为5℃和40℃,最适生长温度为18—25℃[4]。冬季不结球白菜生长缓慢,生产周期长达60 d,无法满足消费需求[1];夏季的高温热害使不结球白菜生长缓慢,品质下降,叶片黄化,死苗率高,导致其产量与经济效益严重下降[1-2],因此,对长三角地区冬夏季不结球白菜节能高效生产的研究愈发重要。

温度是植物生长发育的重要影响因子,温度胁迫常导致植物的活性氧自由基含量上升,酶活性下降,膜系统结构破坏,净光合速率下降等[5-6]。不结球白菜设施生产中常用的温度调节方式具有一定的缺陷,如在加温方式中,提高透光率可无耗能地提高温室内温度,但其可调节程度较低,受天气影响较大;热水管道加温与热风直接加温等方式能耗大、成本高[7]。降温方式中,遮阳降温会导致光照下降;机械通风降温与湿帘风机降温则需要消耗大量电能[7-8]。温光同步对于作物生长十分重要[9],在光照较强时段进行短时加温比持续性加温更有利于作物的生长发育,并节约能源[10-11]。有研究表明,温室上部及四周的温度与植物需求相关性不强,通过电热线、毛细管网等对根系进行加温,可充分满足作物生长需求并降低能耗[12-13]。但已有的短时局部加温系统小而复杂,难以用于不结球白菜的工厂化生产。

目前,针对设施栽培进行短时局部温度调整的研究主要集中在番茄、黄瓜、油菜等作物上,针对土壤栽培不结球白菜的相关研究鲜有报道[10-11,14-15]。本试验创新性地利用灌溉水调节不结球白菜根区及冠层温度,探索其可行性及对不结球白菜生长的影响,以期为长三角地区冬夏季设施不结球白菜的高产优质低耗提供新的辅助策略。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为不结球白菜,品种为‘新夏青1号’,由上海市农业科学院设施园艺研究所提供。供试土壤取自上海市交鑫生物科技有限公司下属农场,理化性质为pH 6.9,EC 2.21 mS·cm-1,有机质、全碳及全氮含量分别为80.2 g·kg-1、46.5 g·kg-1及4.8 g·kg-1,速效氮磷钾含量分别为729 mg·kg-1、70.5 mg·kg-1及1 457 mg·kg-1。

1.2 试验方法

试验于2019年12月—2020年2月(冬季)和2020年6—8月(夏季)在上海交通大学农业与生物学院Venlo型温室内进行。冬夏季试验各设置4个处理,每处理种植3个土培槽,槽长55 cm、宽35 cm、高7 cm,不结球白菜直播于土培槽中,株距5 cm,每槽10×6=60株。为确保不烫伤或冻伤植株,灌溉水温范围为0—60℃,各处理热量调整值见表1,生长周期内不再追肥,从不结球白菜三叶一心时期开始处理,至八叶一心时期采收。采用HOBO-U330微型气象站监测土壤含水量,冬季每日9:00喷灌一次,夏季每日11:00喷灌一次,使土壤含水量维持在70%左右,灌溉水量及水温按如下公式设置。

表1 冬夏季各处理热量调整值Table 1 Heat adjustment value of each treatment in winter and summer

灌溉水量=(70%-灌溉前含水量)×土壤体积;

灌溉水温=根区温度+热量调整值∕(灌溉水量×水的比热容)。

1.3 项目测定

1.3.1 环境温度

采用HOBO-U330微型气象站采集温室内气温、冠层温度(地面上5 cm)与根区温度(地面下5 cm),采集频率为30 s一次,并以5 min的平均值作为记录值[4]。

1.3.2 植株生长势与产量指标

采收时测定相关指标。叶片数为完全展开的真叶数(叶片长度≥1 cm);株高、茎粗用游标卡尺(精度0.01 mm)测定[16];叶面积用扫描仪(EPSON PERFECTION V700 PHOTO)扫描得到图像,再用图像分析软件Image J 1.8.0分析得到[17];根系表面积、总根长、根尖数以清水洗净根系后用扫描仪扫描得到图像,再用根系分析软件WinRHIZO(2007d)分析得到[15];植株鲜重、根系鲜重使用电子天平(PL602-L,精度0.000 1 g)测定;植株干重、根系干重测量方法为:先105℃杀青30 min,再60℃烘干至恒重,使用电子天平测定[4,16]。

1.3.3 品质指标

采收时取真叶鲜样测定不结球白菜品质指标。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定[16];可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[16];维生素C(VC)含量采用钼蓝比色法测定[16]。

1.3.4 胁迫指标

采收前一天测定,取样时间为灌溉前0.5 h及灌溉后0.5 h、1.5 h、2.5 h、3.5 h[11,16,18]。过氧化氢(H2O2)含量采用硫酸钛比色法测定,超氧阴离子(OFR)含量采用羟胺氧化反应法测定(H2O2及OFR含量测定试剂盒购自苏州科铭生物技术有限公司)。丙二醛(MDA)含量采用TBA法测定[16];相对电导率(REC)测定方法为:将叶片抽真空浸泡于10 mL超纯水中3 h,用电导率仪(FE38-STANDARD)测定液体电导率(a1),然后煮沸30 min,冷却至室温后测定液体电导率(a2),REC=(a1∕a2)×100%[16]。

1.3.5 光合作用相关指标

叶绿素含量采用乙醇比色法测定[16],采收时取样;光合气体交换参数在采收前一天测定,测定时间为灌溉前0.5 h及灌溉后0.5 h、1.5 h、2.5 h、3.5 h[11,16,18],净光合速率、蒸腾速率和气孔导度使用GFS-3000系统测定,测定时温度设定为25℃,光强设定为600 μmol·m-2·s-1,CO2浓度设定为0.04%,相对湿度设定为50%[15,19]。

以上所有指标测定均随机取样,3次重复。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 22.0软件处理,并进行显著性差异分析以及相关性分析,处理间均值多重比较用Duncan’s新复极差法,并采用Graphpad prism 7软件作图。

2 结果与分析

2.1 环境温度

由图1可见,温室内日最高气温受日照强度影响较大,天气晴朗时日最高气温较高。冬季温室内最高气温为42.24℃,最低气温为0.52℃,平均气温为12.58℃;夏季温室内最高气温为47.96℃,最低气温为19.04℃,平均气温为28.02℃。冬夏季平均气温均不在不结球白菜最适生长温度(18—25℃)范围内,需要进行温度调节。

图1 试验期间温室内日最低温(LT)、最高温(HT)及平均温度(MT)Fig.1 Daily minimum temperature(LT),maximum temperature(HT)and average temperature(MT)in greenhouse during the experiment

2.2 热量调整对冠层及根区温度的影响

由图2可见,冬季试验中,对照组W0的冠层温度和根区温度分别在9:00—10:00和9:00—11:00低于不结球白菜最适温度(18—25℃);W1与W2处理的短时热量补充可迅速使不结球白菜冠层及根区温度达到其最适生长温度并维持1—2 h;W3处理在部分时间段超过其最适生长温度。夏季试验中,对照组S0在中午的冠层与根区温度均超过不结球白菜最适生长温度,12:00左右冠层温度甚至超过其生长上限温度(40℃);S1—S3处理的短时热量亏损可迅速使不结球白菜冠层及根区温度降至其最适生长温度并维持1—2 h。此外,热量调整值的绝对值越大,根区及冠层温度改变速率越快,峰值越明显,较对照组温度改变的时长越长;同处理内,根区较冠层的温度峰值出现时间晚,温度较对照组改变的时长长,表明根区土壤对热量有较强的缓冲能力。

图2 不同热量调整处理的冠层及根区温度变化Fig.2 Temperature changes of canopy and root zone of different heat adjustment treatments

2.3 热量调整对不结球白菜生长指标的影响

由表2可见,冬季试验中W2处理的不结球白菜在株高、茎粗与叶片数方面均最高,与对照组W0的叶面积、总根长、根系表面积及根尖数均差异显著,分别提高了23.97%、43.51%、57.85%和35.97%。与W0处理相比,W2处理的不结球白菜根系干鲜重分别提高了77.50%与73.49%,地上部干鲜重分别提高了32.96%与36.81%,表明适度热量补充可显著促进不结球白菜生长。而W3处理的不结球白菜长势普遍弱于W2处理,其生物量比W2处理降低了42.30%,表明过多的热量补充对不结球白菜生长具有不利影响。

表2 冬夏季热量调整对不结球白菜生长指标的影响Table 2 Effects of heat adjustment on growth indexes of non-heading Chinese cabbage in winter and summer

夏季试验中不结球白菜株高与叶长宽比随热量亏损值的增加而降低,S2处理的不结球白菜茎粗比对照组S0提高了27.05%,表明适度热量亏损可使其植株矮壮,从而改善夏季不结球白菜的徒长状况。与S0相比,S2处理的不结球白菜的叶面积、总根长、根系表面积及根尖数均显著提高,分别提高了34.02%、32.11%、41.30%和50.80%。S2处理的不结球白菜地上、下部干鲜重均高于S0,与产量直接相关的地上部鲜重显著提高了32.49%,表明适度的热量亏损可提高夏季不结球白菜产量。而S3处理的不结球白菜长势显著弱于S2,生物量降低了24.40%,表明过多的热量亏损不利于不结球白菜生长。

2.4 热量调整对不结球白菜品质指标的影响

由表3可见,不同处理不结球白菜的可溶性糖含量差异显著,可溶性蛋白含量与VC含量差异不显著。冬季试验中,可溶性糖含量表现为W2＞W3＞W1＞W0,其中W2处理比W0提高了32.55%;夏季试验中,S2处理的不结球白菜可溶性糖含量比S0提高了12.92%。试验表明,冬夏季适度热量调整可显著提高不结球白菜的可溶性糖含量。

表3 冬夏季热量调整对不结球白菜品质指标的影响Table 3 Effects of heat adjustment on quality indexes of non-heading Chinese cabbage in winter and summer mg·g-1

2.5 热量调整对不结球白菜光合色素含量及光合气体交换参数的影响

由图3可见,冬季各处理不结球白菜的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素与总光合色素含量均表现为W2＞W1＞W0＞W3,其中,W2处理的不结球白菜比对照组W0分别显著提高了37.32%、33.01%、52.56%与37.87%;而W3处理的不结球白菜总光合色素含量比W2处理下降了39.63%。夏季各处理不结球白菜的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素与总光合色素含量均表现为S2＞S1＞S0＞S3,其中,S2处理的不结球白菜比对照组S0分别显著提高了12.41%、6.53%、13.28%与11.36%;而S3处理的不结球白菜的总光合色素含量比S2处理下降了21.33%。试验表明,适度的热量调整可提高光合色素含量,而过度的热量调整则会降低光合色素含量。

图3 冬夏季热量调整对不结球白菜光合色素含量的影响Fig.3 Effects of heat adjustment on photosynthetic pigment content of non-heading Chinese cabbage in winter and summer

由图4可见,冬季灌溉前后(9:00),对照组W0的不结球白菜的净光合速率逐渐上升,蒸腾速率与气孔导度趋势大致与净光合速率相同。分析冬季不同处理间灌溉前后光合气体交换参数的变化,在灌溉前0.5 h,W1与W2处理的不结球白菜的净光合速率显著高于W0与W3处理;灌溉后,W1、W2与W3处理的不结球白菜的净光合速率迅速上升,在灌溉后0.5—1.5 h内显著高于W0。此外,在灌溉后0.5 h时,W1、W2与W3处理的不结球白菜的蒸腾速率与气孔导度均显著上升,表明冬季适度热量补充可以快速提高不结球白菜的净光合速率。

图4 冬夏季热量调整对不结球白菜光合气体交换参数的影响Fig.4 Effects of heat adjustment on photosynthetic gas exchange parameters of non-heading Chinese cabbage in winter and summer

夏季中午高温下不结球白菜存在午休现象,对照组S0的不结球白菜的净光合速率、蒸腾速率与气孔导度均呈下降趋势,在13:30之后接近0。分析夏季不同处理间灌溉前后(11:00)光合气体交换参数的变化,在灌溉后0.5—3.5 h,S1与S2处理的不结球白菜的净光合速率、蒸腾速率与气孔导度均呈下降趋势,但均高于对照组S0。S3处理的不结球白菜在灌溉后0.5 h时,净光合速率、蒸腾速率与气孔导度均较S0显著下降,随后上升,在1.5—3.5 h时呈下降趋势,但高于S0。试验表明,夏季适度热量亏损可提高净光合速率,延缓由高温引起的午休现象。

2.6 热量调整对不结球白菜胁迫指标的影响

由图5可见,冬季灌溉前后(9:00)各处理间不结球白菜的OFR、H2O2含量均为W3＞W0＞W1＞W2;MDA含量与REC均为W0=W3＞W1＞W2。W2处理的不结球白菜在4个指标上均显著低于对照组W0,即冬季适度热量补充可显著缓解不结球白菜的温度胁迫。夏季灌溉前后(11:00),S0和S3处理的不结球白菜的OFR、H2O2含量高于S1和S2处理。各处理不结球白菜的MDA含量为S0＞S3=S1＞S2,REC为S0＞S3＞S1＞S2。S2处理的不结球白菜在4个指标上均显著低于对照组S0,即夏季适度热量亏损可显著缓解不结球白菜的温度胁迫。

图5 冬夏季热量调整对不结球白菜胁迫指标的影响Fig.5 Effects of heat adjustment on stress indexes of non-heading Chinese cabbage in winter and summer

3 讨论与结论

植株体温较环境温度更确切、直接影响作物的生长发育[12],本试验利用灌溉水温调节冠层及根区温度,可直接调整植株体温;以热量为调整标准而非温度,则更便于工厂化生产中的智能调控。传统设施加温方式中,提高透光率及光照时间对温度调节程度较低[7],且温度升高迟滞于光照;冬季在9:00进行温水喷灌可以迅速提高植株温度,实现光热同步,提高光合速率。对整间温室的热水管道加温与热风直接加温等方式能耗大、成本高[7],而本研究所需的灌溉水温调整最适处理W2所用水温一般在40—50℃,可使用工业余热[20],且可利用原有喷灌系统,无需架设新的加热装置,极大地降低了成本。传统设施降温方式中,遮阳降温会导致光照下降[7];机械通风降温与湿帘风机降温则需要消耗大量电能[7-8],针对作物局部区域进行降温的设施尚不多见,本研究在夏季11:00进行冷水喷灌,缓解了日最高温对不结球白菜的热伤害。所用的低温水可以取自当前在材料领域研究热点之一的涂料降温,即利用特殊涂料反射辐射等方式无能耗获得低温水[21],从而极大降低夏季设施不结球白菜的生产成本。在提高光合色素含量及光合速率、缓解温度胁迫、促进根系生长等方面,试验结果与前人研究相似[10-11,15]。除此之外,本研究发现,夏季短时热量亏损可缓解不结球白菜午休现象,促进气孔开放,提高光合作用速率及时长,促进有机物积累,提高产量。此外,夏季热量亏损还可以提高茎粗,降低株高,降低叶长宽比,使夏季高温情况下不结球白菜徒长状况得以控制,提高其商品性状,这可能与ABA与乙烯的共同作用有关[22]。而W3与S3处理不结球白菜的产量、根系指标、光合速率均比最适处理有所降低,且MDA含量及REC均有一定程度上升,即短时热量处理强度过大导致不结球白菜受胁迫程度上升,对其生长造成不利影响。

本试验表明,通过适度调节灌溉水温(冬季升高水温,夏季降低水温)对不结球白菜根区及冠层进行热量调整,对不结球白菜品质影响不大,但可显著提高其产量。其中,最适热量调整组为W2(冬季每日9:00补充热量400 kJ·m-2·d-1)与S2(夏季每日11:00降低热量400 kJ·m-2·d-1),相比于对照组(W0和S0),W2与S2处理不结球白菜的产量分别提高了36.81%与32.49%。短时间效应上,灌溉后,可使不结球白菜根区及冠层温度在一定时间内维持于其适宜生长温度范围,降低温度胁迫并提高光合速率;长时间效应上,其主要是通过促进根系生长、增大叶面积、提高光合色素含量并缓解温度胁迫来实现。