梁 祎,郝文琴,石 玉,王訓(xùn)軍,韓瑞鋒,成永三,張 毅**

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 太谷 030801; 2.四維生態(tài)科技(杭州)有限公司 杭州 310052)

硒(Se)是植物生長(zhǎng)發(fā)育重要的微量元素,我國(guó)雖然幅員遼闊,但大部分地區(qū)均為缺硒地帶,而納米硒可以改善土壤和農(nóng)產(chǎn)品的缺硒狀況。近年來,由于納米硒具有獨(dú)特的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì),在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了發(fā)展。但硒是一種兩性營(yíng)養(yǎng)元素,其對(duì)植物的最適濃度范圍很窄,過量的硒會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用。袁偉玲等的研究結(jié)果表明,適宜的硒濃度能促進(jìn)生菜(L.)生長(zhǎng)和地上部可溶性總糖、總酚含量增加。孫崇慶等的研究結(jié)果表明,不同硒肥對(duì)生菜生長(zhǎng)和品質(zhì)產(chǎn)量的影響不同。胡萬行等的研究結(jié)果表明,納米硒處理不僅能增加馬鈴薯(L.)的生物量,還能夠顯著提高馬鈴薯葉片、根系和塊莖中硒元素的含量,且各器官硒含量整體表現(xiàn)為: 根系＞葉片＞塊莖。此外,由于納米硒在誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡、預(yù)防癌癥發(fā)生等方面具有重要作用,而人類飲食中缺乏硒是一個(gè)世界性的問題,攝入富含硒的蔬菜是對(duì)抗人體硒缺乏的一種安全的方法。因此,通過增加植物中硒的含量來提升人體硒攝入量顯得尤為重要。

光不僅是植物光合作用的能量來源,也是一種信號(hào)物質(zhì),對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育及自身形態(tài)建成起關(guān)鍵性作用。通過人工補(bǔ)光可以有效地增強(qiáng)光照,從而促進(jìn)植物的光合作用。Song等的研究結(jié)果表明,隨著光周期的延長(zhǎng),生菜地上部和地下部干鮮重呈逐漸上升的趨勢(shì),光合色素含量均呈先升高后降低的趨勢(shì),而各種元素含量變化趨勢(shì)不一致。此外,還有一系列的研究表明,同一光強(qiáng)下,生菜地上部和根系干鮮重及干鮮比隨著光周期的延長(zhǎng)而增大,且延長(zhǎng)光周期對(duì)葉綠素和類胡蘿卜素含量有促進(jìn)作用,同時(shí)能顯著提高可溶性糖的合成,并降低硝酸鹽含量。因此,適當(dāng)延長(zhǎng)光周期對(duì)生菜的生長(zhǎng)和品質(zhì)的提升具有非常重要的影響。

葉用萵苣,菊科(Asteraceae)萵苣屬,又名生菜。因其生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高,且具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,現(xiàn)已成為設(shè)施栽培的一種重要綠葉菜。納米硒和光周期作為兩種不同處理模式,對(duì)改善生菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要意義。雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于外源硒和光周期對(duì)生菜生長(zhǎng)及品質(zhì)影響的研究有很多,但關(guān)于兩者結(jié)合的試驗(yàn)鮮有報(bào)道。因此,本試驗(yàn)通過葉面噴施納米硒及不同光周期處理,探究?jī)烧邔?duì)生菜生長(zhǎng)和品質(zhì)提升的交互作用,以期篩選出適宜生菜生長(zhǎng)的光周期和納米硒濃度組合的最適處理,為植物工廠在光環(huán)境下施加納米硒提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選用‘意大利耐抽薹’生菜品種,在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)人工氣候室和園藝站進(jìn)行。首先將生菜種子播種在無土栽培專用育苗海綿中,待幼苗為3葉一心時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗定植于40 cm×30 cm×15 cm的水培槽中,營(yíng)養(yǎng)液選用日本山崎生菜專用營(yíng)養(yǎng)液配方,每槽定植8株,各處理均定植2槽,每6 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液。

試驗(yàn)以LED燈為光源,設(shè)置12 h/12 h、16 h/8 h、20 h/4 h等3個(gè)光周期(光/暗),定植第2 d開始進(jìn)行光周期處理,分別表示為P1、P2和P3。試驗(yàn)所用硒肥為納米硒,由北京百沃匯通科技責(zé)任有限公司提供,處理方式為硒肥葉面噴施,每隔3 d進(jìn)行一次。納米硒溶液濃度分別為0 μmol·L、24 μmol·L、48 μmol·L,分別表示為N1、N2、N3,兩者完全隨機(jī)組合,共9個(gè)處理,具體處理名稱如表1。樣品在定植后30 d采收,用于各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。

表1 試驗(yàn)處理名稱及措施Table 1 Names and measures of different experiment treatments

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)

株高采用直尺量取; 地上/下部干鮮重: 洗凈植株,吸干表面水分稱鮮重,然后在烘箱中105 ℃殺青10 min,70 ℃烘至恒重后測(cè)其干重; 根系活力采用TTC法測(cè)定; 葉綠素含量采用95%乙醇浸提法測(cè)定。每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.2.2 生理指標(biāo)

還原糖測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定; 可溶性糖含量采用苯酚硫酸法測(cè)定; 可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定; 硝酸鹽測(cè)定采用水楊酸-硫酸比色法; 氨基酸組分及含量測(cè)定采用氨基酸分析儀(L-8800,HITACHI)測(cè)定。每個(gè)處理3次重復(fù)。

立足當(dāng)前、放眼長(zhǎng)遠(yuǎn)。天脊集團(tuán)發(fā)出了“再領(lǐng)風(fēng)騷30年”的動(dòng)員令，這是天脊集團(tuán)謀略所在、站位所在、實(shí)力所在。

1.2.3 礦質(zhì)元素含量測(cè)定

采用HSO-HO消化法消煮,火焰原子吸收分光光度計(jì)(AA-6200,日本SHIMADZU)測(cè)定K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn和Mn含量,原子熒光光譜法(iCAP Q 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,Thermo,上海)測(cè)定Se含量 。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行Duncan’s法單因素方差分析(＜0.05)和主成分分析,用Microsoft Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)作圖,圖表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響

由圖1和表2可知,P2N1處理下生菜的株高最高,P2N3處理下生菜的地上部鮮重最大,P3N3處理下生菜的地下部鮮重最大。生菜株高和地上部鮮重隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)呈先升高后降低的趨勢(shì)。葉面噴施24 μmol·L納米硒處理中,地下部鮮重隨光照時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸下降的趨勢(shì); 在葉面噴施48 μmol·L納米硒時(shí),地下部鮮重隨光照時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸上升的趨勢(shì)。葉面噴施24 μmol·L納米硒時(shí),P2N2處理生菜的株高分別較P1N2和P3N2處理顯著增加了13.16%和21.74% (＜0.05); 葉面噴施48 μmol·L納米硒時(shí),P2N3處理生菜的地上部鮮重分別較P1N3和P3N3處理增加了56.13% (＜0.05)和15.14% 。因此,16 h/8 h光周期處理對(duì)生菜株高和地上、下部鮮重的促進(jìn)效果最佳。

圖1 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effects of foliar spraying nano-Se on growth of lettuce under different photoperiods

表2 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜株高和生物量的影響Table 2 Effects of foliar spraying nano-Se on plant height and biomass of lettuce under different photoperiods

2.2 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜根系活力的影響

由圖2可知,與12 h/12 h光周期相比,延長(zhǎng)光照生菜根系活力先升高后降低。16 h/8 h光周期下生菜根系活力隨葉面噴施納米硒濃度的增加呈升高趨勢(shì),P2N1、P2N2、P2N3處理下生菜的根系活力較P1N1分別顯著增加了1.62倍、2.53倍、3.11倍(＜0.05)。20 h/4 h光周期下生菜根系活力隨葉面噴施納米硒濃度的增加呈降低趨勢(shì)。因此,16 h/8 h光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜根系活力的增加有顯著的促進(jìn)作用(＜0.05)。

圖2 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜根系活力的影響Fig.2 Effects of foliar spraying nano-Se on root activity of lettuce under different photoperiods

2.3 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜光合色素含量的影響

由表3可知,12 h/12 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量均顯著降低(＜0.05),且隨著硒濃度的增加呈降低趨勢(shì); 16 h/8 h和20 h/4 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均增加,且在20 h/4 h光周期下生菜葉綠素含量與硒濃度基本呈正相關(guān)。因此,延長(zhǎng)光照時(shí)間會(huì)增加生菜葉綠素含量,且在P3N3處理下葉綠素a和葉綠素b含量均達(dá)到最高,P3N2處理下類胡蘿卜素含量最高。

表3 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜光合色素含量的影響Table 3 Effects of foliar spraying nano-Se on photosynthetic pigment content of lettuce under different photoperiods μg·g—1(FW)

2.4 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜還原糖、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由圖3A可知,生菜中還原糖含量整體表現(xiàn)為P3＞P2＞P1,其中,12 h/12 h光周期下,生菜中還原糖含量隨納米硒濃度的增加呈先降低后升高的趨勢(shì);16 h/8 h和20 h/4 h光周期下,生菜中還原糖含量隨納米硒濃度的增加呈逐漸降低趨勢(shì),P3N1處理下生菜還原糖含量較P2N1和P1N1顯著增加了1.02倍和1.40倍(＜0.05)。因此,延長(zhǎng)光照時(shí)間會(huì)增加生菜還原糖含量,而葉面噴施納米硒會(huì)降低生菜還原糖含量。

圖3 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜還原糖（A）、可溶性糖（B）和可溶性蛋白質(zhì)（C）含量的影響Fig.3 Effects of foliar spraying nano-Se on contents of reducing sugar (A),soluble sugar (B) and soluble protein(C) of lettuce under different photoperiods

由圖3C可知,20 h/4 h光周期下,P3N3處理生菜可溶性蛋白含量最高,較P3N2增加5.38%,較P3N1顯著增加19.14% (＜0.05)。相同硒濃度下,P3N2處理下生菜可溶性蛋白含量較P2N2和P1N2處理分別顯著增加27.87%和64.26% (＜0.05); P3N3處理下生菜可溶性蛋白含量較P2N3和P1N3處理分別顯著增加了35.86%和99.04% (＜0.05)。因此,生菜中可溶性蛋白含量隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增加,且葉面噴施納米硒后會(huì)進(jìn)一步增加,以P3N3處理對(duì)生菜可溶性蛋白含量的提質(zhì)效果最佳。

2.5 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜硝酸鹽含量的影響

由圖4可知,16 h/8 h光周期會(huì)顯著降低生菜中硝酸鹽含量,且隨納米硒濃度的增加呈逐漸降低的趨勢(shì); 12 h/12 h和20 h/4 h光周期下,生菜中硝酸鹽含量隨納米硒濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。相同硒濃度處理下,P2N2處理下生菜硝酸鹽含量較P1N2和P3N2處理分別顯著降低了71.17%和74.37%(＜0.05)。因此,16 h/8 h光周期處理可顯著降低生菜中硝酸鹽含量,并以P2N3處理效果最佳。

圖4 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜硝酸鹽含量的影響Fig.4 Effects of foliar spraying nano-Se on nitrate content of lettuce under different photoperiods

2.6 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜氨基酸組分和含量的影響

由表4可知,在本試驗(yàn)生菜中共鑒定出13種氨基酸,其中包括人體必需氨基酸8種,分別為蘇氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸; 人體非必需氨基酸5種,分別為天冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸和丙氨酸。12 h/12 h光周期下,生菜中天冬氨酸含量隨納米硒濃度增加呈逐漸降低的趨勢(shì),蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、丙氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、組氨酸含量呈先升高后降低的趨勢(shì),甘氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸含量呈逐漸增加的趨勢(shì),賴氨酸和精氨酸含量呈先降低后升高的趨勢(shì); 16 h/8 h光周期下,葉面噴施48 μmol·L納米硒使生菜中各氨基酸含量均增加; 20 h/4 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜中各氨基酸含量均增加,且隨著納米硒濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。

表4 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜氨基酸含量的影響Table 4 Effects of foliar spraying nano-Se on amino acid composition and contents of lettuce under different photoperiods μg·g—1(DW)

2.7 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜礦質(zhì)元素含量的影響

由表5可知,12 h/12 h 光周期下,生菜中K、Na含量隨納米硒濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),Ca、Fe、Zn含量呈先降低后升高的趨勢(shì),而Mg和Mn含量呈逐漸下降的趨勢(shì); 16 h/8 h光周期下,生菜中Mg含量呈先升高后降低的趨勢(shì),K、Mn含量呈先降低后升高的趨勢(shì),Na、Ca、Fe含量呈逐漸增加的趨勢(shì),而Zn含量呈逐漸降低趨勢(shì); 20 h/8 h光周期下,生菜中K、Na、Ca、Mg、Fe和Mn含量均呈先升高后降低的趨勢(shì),而Zn含量呈先降低后升高的趨勢(shì)。不同光周期下,生菜中Se元素含量均隨葉面噴施納米硒濃度的升高呈增加的趨勢(shì),其中P2N3處理下,生菜中Se元素含量最高。

表5 不同光周期下葉面噴施納米硒對(duì)生菜礦質(zhì)元素含量的影響Table 5 Effects of foliar spraying nano-Se on contents of mineral elements in lettuce under different photoperiods

2.8 生菜生長(zhǎng)和品質(zhì)主成分分析

表6為生菜生長(zhǎng)和品質(zhì)主成分分析的3個(gè)主成分與其12個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)(載荷矩陣),參照林海明等的方法,以特征向量為權(quán)重,根據(jù)主成分的計(jì)算公式構(gòu)建主成分函數(shù)表達(dá)式,分別可得:

表6 生菜生長(zhǎng)和品質(zhì)主成分分析的各因子載荷矩陣Table 6 Principal component analysis of lettuce growth and quality of each factor load matrix

由表7可知,通過對(duì)各處理綜合因子得分及排序,表明P2N3處理對(duì)生菜生長(zhǎng)和品質(zhì)的綜合影響效果最好。

表7 各處理綜合因子得分（Y值）及排序Table 7 Comprehensive factor score (Y value) and ranking of each treatment

3 討論與結(jié)論

光環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)是植物工廠生產(chǎn)中的兩大關(guān)鍵因素,在很大程度上對(duì)蔬菜特別是葉菜類的生長(zhǎng)和品質(zhì)具有決定性作用。光對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用和形態(tài)建成均有調(diào)控作用。光照是否充足關(guān)乎植物能否產(chǎn)生充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以供各器官的生長(zhǎng)。延長(zhǎng)光照時(shí)間會(huì)顯著增加生菜地上部和地下部鮮重、葉綠素含量。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,延長(zhǎng)光照時(shí)間會(huì)增加生菜株高、地上部鮮重和根系活力,但隨光照時(shí)間延長(zhǎng)呈先升高后降低的趨勢(shì),說明適當(dāng)延長(zhǎng)生菜接受光照的時(shí)間,能產(chǎn)生更多的碳水化合物,而連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間光照會(huì)使生菜的光合色素含量降低,進(jìn)而影響光合作用,使光合產(chǎn)物積累降低; 同時(shí)根系活力的增強(qiáng)有利于根系吸收更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),并運(yùn)輸?shù)降厣喜?使地上部生長(zhǎng)更好,從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。此外,本試驗(yàn)研究結(jié)果還表明,16 h/8 h和20 h/4 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均增加,說明納米硒可以改善一些涉及光合系統(tǒng)的關(guān)鍵基因和蛋白質(zhì),對(duì)植物葉綠素的合成具有促進(jìn)作用。

可溶性糖和可溶性蛋白是生菜的重要營(yíng)養(yǎng)指標(biāo),可溶性糖可為植物生命活動(dòng)提供能量; 此外,硝酸鹽含量的降低對(duì)提高水培類蔬菜品質(zhì)有著重要意義,其含量可能與氨基酸的合成有關(guān)。有研究結(jié)果表明,適當(dāng)延長(zhǎng)光照時(shí)間使植株可溶性蛋白和可溶性糖含量增加,外源硒對(duì)降低生菜中硝酸鹽含量具有積極作用。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,生菜中還原糖和可溶性蛋白含量隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,而可溶性糖含量隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)基本呈先升高后降低的趨勢(shì),硝酸鹽含量隨光周期的延長(zhǎng)基本呈先降低后升高的趨勢(shì),這與周晚來等的短期連續(xù)光照條件下,隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng),生菜中硝酸鹽含量一直持續(xù)降低,而可溶性糖的含量快速提高的研究結(jié)果不一致,可能是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)光照使植株產(chǎn)生光抑制。此外,本試驗(yàn)中葉面噴施納米硒會(huì)使生菜中還原糖、可溶性糖的含量普遍降低,這與袁偉玲等得出的葉面噴施外源硒會(huì)增加生菜地上部可溶性總糖含量的研究結(jié)果不一致,可能是光周期和納米硒之間存在交互效應(yīng),具體機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

氨基酸作為蛋白質(zhì)基本組成單元和人體必需營(yíng)養(yǎng)成分,其正常的代謝、轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸是植物體完成生命周期活動(dòng)的必要保證。本研究中,16 h/8 h光周期下,葉面噴施48 μmol·L納米硒使生菜中各氨基酸含量均增加; 20 h/4 h光周期下,葉面噴施納米硒使生菜中各氨基酸含量均增加,且隨著納米硒濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),這與崔劍波等得出的外源Se會(huì)引起小麥(L.)籽實(shí)中的氨基酸組成發(fā)生變化,進(jìn)而增加了部分氨基酸的含量結(jié)論基本一致。充足的氨基酸供應(yīng)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)都具有非常重要的促進(jìn)作用,此外,部分氨基酸對(duì)植物養(yǎng)分吸收也具有促進(jìn)作用,從而增加植物中的養(yǎng)分含量。通過對(duì)生菜生長(zhǎng)指標(biāo)和部分品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析及綜合排序,表明P2N3處理對(duì)生菜生長(zhǎng)和品質(zhì)的綜合影響效果最好。

礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)對(duì)植物碳水化合物含量和光合作用有重要影響,且元素的吸收與產(chǎn)量密切相關(guān),其中Ca、Fe、Zn、K等元素作為重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),是衡量葉菜品質(zhì)的重要指標(biāo)。查凌雁等研究結(jié)果表明,連續(xù)光照下生菜養(yǎng)分積累量的增加主要是因?yàn)橹仓旮芍氐奶岣?且光照會(huì)影響植物礦質(zhì)元素含量和生物量，從而影響礦質(zhì)元素積累。本研究中,延長(zhǎng)光周期,生菜中各元素的變化趨勢(shì)不一,說明光周期能夠改變植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物的含量,而這些植物調(diào)節(jié)物能夠影響植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收。不同光周期下,生菜中Se元素含量均隨葉面噴施納米硒濃度的升高呈增加的趨勢(shì),其中P2N3處理下,生菜中Se元素含量最高。說明納米硒在不同程度上可調(diào)控K、Ca、Mg、Fe、Se等元素在植株體內(nèi)的分配。

綜上所述,適當(dāng)延長(zhǎng)光照時(shí)間和增加外源硒濃度,均有利于生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。在16 h/8 h光周期下生菜地上部鮮重最高。與12 h/12 h相比,16 h/8 h和20 h/4 h光周期下均有利于生菜品質(zhì)的提升,而且噴納米硒后進(jìn)一步提升了生菜品質(zhì)。從光周期與硒互作效果看,光周期對(duì)生菜生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響起主導(dǎo)作用,外源納米硒起調(diào)節(jié)作用。與20 h/4 h光周期相比,16 h/8 h光周期下生菜產(chǎn)量明顯增加且用電量更少,因此,從生長(zhǎng)、品質(zhì)、生產(chǎn)成本考慮,宜選用16 h/8 h光周期下葉面噴施48 μmol·L納米硒處理。