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第 卷 第 期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 年 月 采前 红蓝光连续光照对不同光质与氮形态 水培生菜生长及营养元素吸收的影响 刘文科 张玉彬 查凌雁 塔里木大学植物科学学院 新疆 阿拉尔 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室 北京 摘 要 红光和蓝光是植物进行光合作用和光形态建成的主要有效光谱 且红蓝发光二极管 成为植 物工厂的主流光源 为实现 连续光照在植物工厂中的应用 探明植物对红蓝光谱连续光照的响应特征 及其与栽培氮形态和 红蓝光质的关系十分必要 在环境可控的植物工厂内 采用水培方法和 测试技术 研究了采收前 红蓝光连续光照 对不同光质与氮形态水培生菜生长及营养元素吸收的影 响 在光照强度 下 试验设置了 种红 蓝 光质 和 以及 种氮形态 硝态氮 和 硝态氮 结果表明 前 光质与营养液氮形态互作处理对水培生菜的地上干重具有显著影响 对地上鲜重及根鲜干重无显著影响 对 的含量及积累量均无显著影响 后 光质与营养液氮形态互作 处理对水培生菜的根鲜重与根干重有显著影响 对地上鲜干重的影响无显著差异 只对 的含量 的积累量有显著影响 对水培生菜的生物量 矿质元素含量及积累量有显著影响 与 前相 比 地上鲜重 根鲜重 地上干重及根干重均显著增加 各营养元素含量均有不同程度的降低趋势 其中 显著降低了 的含量 而对于 的含量无显著影响 均显著提高了 的积累量 综上所述 前 光质与氮形态对生菜地上干重具 有显著影响 对各营养元素的含量及积累量均无显著影响 后 光质与氮形态对根鲜干重具有显著 影响 对 的含量及 的积累量具有显著影响 处理积累的量最高 与 处理前 相比 水培生菜的地上鲜重 根鲜重 地上干重及根干重均显著增加 显著降低了 的含量 显著提高了 的积累量 因此 栽培光氮条件 和采前 红蓝光连续光照结合可以提高水培生菜营养元素含量 关键词 连续光照 电感耦合等离子体原子发射光谱 光质 生物量 营养元素 中图分类号 文献标识码 收稿日期 修订日期 基金项目 国家自然科学基金面上项目 和塔里木大学昆仑学者项目资助 作者简介 刘文科 年生 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员 塔里木大学昆仑学者 讲座教授 张玉彬 年生 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所硕士研究生 刘文科 张玉彬 并列第一作者 通讯联系人 引 言 光是植物生长发育重要的环境因子之一 作为能量来源 和环境信号直接调控植物光合作用和形态建成 而且还通过 光合作用影响植物某些酶的活性 气孔的开闭 蒸腾作用以 及光合产物而间接调节植物营养元素的吸收 营养元素是 植物光合作用中众多生理代谢物质的必需组成元素以及多种 酶的活化调节因子 目前 有关光谱对植物矿质元素吸收的 影响已有一些研究报道 表明光谱组成特征对植物营养元素 的吸收确实会产生影响 各元素响应机制不一 发光二 极管 作为第四代电光源 具有可 调制光谱 节能和智能控制的优势 在人工光植物工厂和温 室补光领域具有应用价值 被誉为设施园艺应用的理想光 源 国内外研究表明 从植物光合有效辐射角度来看 红 蓝光谱是植物光合作用的主要作用光谱 光合作用相对量子 效率较高 红蓝光谱的生理作用 光强组合比例已在设 施园艺中广泛研究和广泛应用 然而 红蓝光在连续 光照等极端情况下的应用对植物营养元素吸收影响尚无报 道 前期研究证实 采前 的 红蓝光连续光照能 够显著提高水培生菜的产量和品质 其效果受光谱条件即 光强和光质的控制 有关采前连续光照对水培生菜营养元素 吸收和累积影响的研究未见报道 亟待探索 前期研究表 明 水培氮素形态和水平会影响采前 红蓝光连续光照 对生菜产量和品质的提升效果 因此探讨采前 红蓝 光连续光照对水培生菜营养元素吸收和累积的影响必须考虑 栽培氮营养情况 研究结果更具应用价值 探明采前 红蓝光连续光照调控水培生菜营养元素 吸收和累积的影响对提高植物工厂水培蔬菜品质 提高蔬菜 内健康有益营养物质含量有益 具有重要应用价值 通过调 控 连续光照的光谱 光质等 调增物工厂水培蔬菜中 糖 维生素 矿质元素含量 减少硝酸盐含量 可提高有益 营养元素的供给水平 尤其是钙 铁 锌 硒等营养元素的 富集尤为重要 生菜是一种被人们广泛食用的世界性蔬 菜 非常适宜在植物工厂中规模化种植 生菜体内所含的营 养元素是人体健康不可缺少的营养成分 已有研究表明生菜 营养元素含量与光谱组成密切相关 且 红蓝光组合光 下生菜营养元素的含量显著高于荧光灯及自然光 至今 有 关栽培过程中在营养液氮素形态与 光谱互作条件下 采前 红蓝光连续光照前后水培生菜生长及营养元素的 变化规律鲜有报道 因此 本研究在环境可控的植物工厂 内 创新地采用红蓝组合光谱 为光源 运用电感耦合等 离子体原子发射光谱法 探究了采前 红蓝 光连续光照对不同氮形态与 红蓝光质水培生菜的生长 及营养元素吸收的影响 以期为基于生菜营养元素吸收特征 确定连续光照 红蓝光谱及氮营养条件提供科学依据 为进一步开发具有较高营养价值的植物工厂产品提供技术支 撑 实验部分 材料与处理 本试验在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 密闭植物工厂内完成 以意大利生菜 为 试验材料 种子播于育苗海绵块中 后移栽于正常光周期 的 灯板下进行 水培 试验处理光质为红蓝光 各参数如表 所示 设置统 一光强处理为 红光与蓝光组成比例 为 营养液营养液氮形态设置处理为 硝态氮 氮素总浓度为 铵态氮 由硫酸铵提供 移栽 后进行 采前连续光照处理 处理时 红蓝光质比统一设 置为 光强为 处理前及处理 后随机取生菜植株测定相关指标 营 养 液 配 方 试验期间植物工厂内昼夜温度为 湿度为 浓度为外界大气 浓度 选用 红蓝光组合灯板 进行光照处理 红蓝光 波长分别为 和 表 试验中栽培生菜的 光质与 营养液氮形态组成参数 处理 红蓝光质比例 硝态氮占比 注 和 分别表示氮形态中硝态氮比例 和 分别表示红蓝光中红蓝光光强比例 取样与测定方法 在 前后分别取样测定生长指标 每个处理随机取 株生菜从茎基部分开 称取地上部分鲜重后将生菜 下 杀青 烘干至恒重 称取干重 烘干的植物样品 用组织研磨器研磨成粉状后精确称取 放入消煮管中 加 入高氯酸和浓硝酸的混合酸于 消煮 冷却定容后用于 测定矿质元素含量 采用原子吸收分光光度计 和 电感耦合等离子体质谱仪 测定矿质元素含量 数据处理 采用 软件对数据进行处理 采用 统计分析软件对数据进行差异显著性检验 法 结果与讨论 不同 光质与营养液氮形态下连续光照对水培生菜 生物量及形态指标的影响 由表 可知 前 光质与营养液氮形态互作处理对水 培生菜的地上干重 叶面积具有显著影响 其中 与 的地上干重与其他处理具有显著差异 地上干 重 下最大为 下最小为 且这两个处理间具有显著差异 前 光质与营养液氮形 态互作处理对水培生菜的地上鲜重 根鲜重及根干重没有显 著影响 后 光质与营养液氮形态互作处理对水培生菜 的根鲜重与根干重有显著影响 其中 下的根鲜重 与其他处理有显著差异 最大为 下最小为 光谱学与光谱分析 第 卷 和 下的根鲜重与其他处理具有 显著差异 下的根干重最小为 下 的根干重最大为 后 光质与营养液氮形态互作 处理对水培生菜的地上鲜重及干重的影响没有显著差异 同 一光质与营养液氮形态处理下 对水培生菜的各指标有 一定影响 后 水培生菜的地上鲜重及干重 根干重均有 一定程度的增加 下 对水培生菜的地上干重 具有显著影响 后 根鲜重均不同程度的减小 对水 培生菜的根鲜重无显著影响 除 外 对其他处 理的地上干重均有显著促进作用 和 下 对水培生菜的根干重具有显著影响 表 不同 光质与营养液氮形态下连续光照 对水培生菜生物量的影响 生物量 处理 连续光照前 连续光照后 地上鲜重 根鲜重 地上干重 根干重 注 同列小写字母 表示处理间在 水平上的差异显著性 连续光照前后不同 光质与营养液氮形态下对水培 生菜营养元素含量的影响 营养元素是植物生长发育所需要的基础营养物质 可分 为大量元素 中量元素和微量元素 表 和表 分别是 表 不同 光质与营养液氮形态下连续光照对水培生 菜大量和中量元素含量的影响 大量和中量元素种类 处理 连续光照前 连续光照后 注 同表 光质与营养液氮形态下连续光照对水培生菜大 中量元素及 微量元素含量的影响 前 光质与营养液氮形态对 均没有显著影响 后 不同 光 质与营样液氮形态处理对各大 中量元素有不同程度的影 响 其中 下的 含量最高为 下 含量最低为 且两处理间具 有显著差异 下的 元素含量最高为 第 期 光谱学与光谱分析 与其他处理具有显著差异 时 含量最低为 光质与营养液氮形态处理对 均没有显著影响 前后 光质与营养液氮形 态处理对微量元素的含量均无显著影响 表 不同 光质与营养液氮形态下连续光照对水培生 菜微量元素含量的影响 微量元素种类 处理 连续光照前 连续光照后 注 同表 连续光照前后 光质与营养液氮形态对水培生菜矿 质元素积累量的影响 由表 和表 可得 前 不同 光质与营养液氮 形态处理对 的积累 量无显著性影响 后 和 下 的积 累量分别为各处理间的最大值和最小值 分别为 和 且这两个处理间具有显著差异 下 的积累量最高为 下 积累量最低为 且两个处理具有显著差异 后 光质与营 养液氮形态处理对 的积累量无显著 性影响 下 元素的积累量最高为 与其他处理具有显著差异 下 元素的积累量最 低为 下 元素的积累量最高为 与其他处理具有显著差异 下 元素 的 积累 量 最 低 为 后 光 质 与 营 养 液 氮 形 表 不同 光质与营养液氮形态下连续光照对水培生 菜大量和中量元素积累量的影响 大量和中量元素种类 处理 连续光照前 连续光照后 注 同表 态对水培生菜体内各营养元素的积累量有不同程度的影响 采收前连续光照对水培生菜生物量 矿质元素含量及 积累量的影响 采收前连续光照对水培生菜的地上鲜重 根鲜重 地上 干重以及根干重具有显著影响 如表 所示 地上鲜重 根 鲜重 地上干重及根干重均显著增加 采收前连续光照对水 培生菜体内的 含量 及积累量有显著影响 如表 所示 与 前相比 各营养元 光谱学与光谱分析 第 卷 表 不同 光质与营养液氮形态下连续光照对水培生 菜微量元素积累量的影响 微量元素种类 处理 连续光照前 连续光照后 注 同表 素含量均有不同程度的降低趋势 其中 显著降低了 的含量 但对于 的含量 无显著影响 由表 可知 与 前相比 水培生菜体内的 等营养元素的积累 表 采收前连续光照对水培生菜生物量的影响 项目 地上鲜重 根鲜重 地上干重 根干重 连续光照前 连续光照后 注 同表 量均有显著提高 说明 处理显著提高了各营养元素的积 累量 连续光照前 红蓝光质与营养液氮形态互作处理对 水培生菜的地上干重具有显著影响 但未影响地上部鲜重 这表明 红光和蓝光调节了多个植物生理过程 红蓝光质和 氮形态作用下同时改变了生菜的光合产物和水分的累积 致 使鲜重无差异 但干物质得以累积 红光通过光合色素驱动 光合作用 促进碳水化合物的形成 蓝光促进蛋白质与非碳 水化合物的积累 使植物增重 本研究结果表明 与连续 光照前相比 采前 红蓝光连续光照显著提高了水培生 菜的地上鲜重 地上干重 根鲜重及根干重 这与前人研究 结果一致 连续光照下多种植物干物质累积均显著增加 究其原因 采前 红蓝光连续光照可能是通过增加了光 合作用的时长提高了光合产物的累积 因此 通过采前连续 光照增产是一个有效途径 植物对矿质元素的吸收主要是通过根表皮细胞的选择运 输过程 细胞膜上的载体蛋白是决定矿质元素吸收种类和数 量的重要因素之一 光可通过调节许多酶的活性而作用于多 种蛋白质的合成进而影响矿质元素的吸收和运输 此外 红蓝光对植物碳氮代谢的侧重性生理作用 可能改变了营养 元素的吸收和利用强度 导致生菜体内营养元素含量发生变 化 有研究表明光谱成分对矿质元素吸收有显著影响 相对 而言 有关光周期与植物矿质元素吸收间相互关系的研究较 少 前人研究发现随着光照时间的延长 黄瓜对 特 别是 元素的吸收和积累大幅度增加 本研究中连续光 照显著提高了 的积 累量 却显著降低了 的含量 说明连续光照 后 生菜营养元素积累量的增加主要是由于生菜地上部干重 的增加 有研究比较了不同红蓝光比例对生菜矿质元素吸收 的影响 发现单一红色光谱下生菜 和 含量均达最大 但该光谱条件下生菜生物量最 低 导致一些元素的累积量反而最小 说明光照可同时影响 植物矿质元素含量和生物量 从而影响其矿质元素积累 长 期连续光照会导致植物体内产生过量的活性氧 能引起蛋白等生物大分子的损伤 改变生物膜流动性 离子 运输等基本特性 此外 光周期还可能通过改变光敏色素 系统来改变细胞膜对离子的渗透性 矿质元素是植物光 合作用必需元素 例如 是叶绿素的成分 催化叶绿素合 成的酶需要 激活 而光合作用中水的光解需要 的参 与 因此 连续光照下生菜体内矿质元素含量的降低会进一 步加剧光合活性的降低和光合器官的伤害 毫无疑问 连 续光照下植物必须吸收更多的矿质元素以维持正常的生长 表 采收前连续光照对水培生菜营养元素含量的影响 项目 大 中量元素含量 微量元素含量 连续光照前 连续光照后 注 同表 第 期 光谱学与光谱分析 表 采收前连续光照对水培生菜营养元素积累量的影响 项目 大 中量元素积累量 微量元素积累量 连续光照前 连续光照后 注 同表 结果表明 水培时红蓝光质与氮形态均对生菜矿质养分 的吸收特性无影响 但采前连续光照过程中却发挥了作用 数据表明 采前 处理前 光质与氮形态对生菜营养 元素的含量及积累量均无显著影响 但在采前 处理后 光质与氮形态对 的含量及 的积累 量具有显著影响 以处理累积量最高 这表明 采 前 红蓝光连续光照与水培光质和氮形态条件间存在互 作关系 因此 采取栽培光氮条件和采前 红蓝光连续光 照相结合的策略可以提高水培生菜营养元素含量 其中又以 处理最佳 建立适宜的照射光谱配方和营养液配方有助于植物工厂 功能性蔬菜的研究与生产 本研究弄清了采前 红蓝光 连续光照对不同光质与氮形态水培生菜生长及营养元素吸收 的影响 明确了栽培光质与氮形态对采前 红蓝光连续 光照实施效果的影响规律 研究结果将为基于生菜营养元素 吸收特征确定连续光照 红蓝光谱及氮营养条件提供科 学依据 也将为植物工厂生产高营养物质含量和高营养价值 蔬菜提供技术支撑 促进植物工厂产业发展 结 论 弱光下 光质与营养液氮形态互作处理对水培生菜 地上干重具有显著影响 可显著提高水培生菜的地上干重 对各营养元素的含量及积累量均无显著影响 采收前进行连 续光照可以显著增加生菜的地上鲜干重及根鲜干重 显著降 低了 的含量 显著提高了 的积累量 因此 植物工厂水培氮形态 与光质条件为 的采前 红蓝光连续光照可以提 高水培生菜体内部分营养元素的含量或累积 王 忠 植物生理学 北京 中国农业出版社 刘文科 杨其长 设施园艺半导体照 明 北京 中国农业科学技术出版社 李思静 易晓曈 李有芳 等 光谱学与光谱分析 余 意 杨其长 刘文科 应用生态学报 刘文科 查凌雁 植物工厂植物光 质生理及其调控 北京 中国农业科学技术出版社 刘晓英 徐志刚 常涛涛 等 西北植 物学报 李海云 刘焕红 中国农学通报 光谱学与光谱分析 第 卷 第 期 光谱学与光谱分析