李揚眉,劉鑫,賈夢晗,仝宇欣
光期濕度對植物工廠生菜干燒心及其營養品質的影響
李揚眉,劉鑫,賈夢晗,仝宇欣
中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,北京 100081
【背景】近年來,植物工廠因具有可在垂直立體空間進行周年計劃性、省力化和無農藥、潔凈安全生產等傳統農業無可比擬的優勢,在全球得到蓬勃發展。然而,由于植物工廠內葉菜生長速度較快,而新葉部位的蒸騰較弱等原因,較易發生干燒心,大幅降低葉菜外觀和內在品質。【目的】研究光期不同濕度對水培生菜干燒心、生長及其營養品質的影響,優化預防或減緩生菜干燒心發生的植物工廠濕度環境參數,為防控生菜干燒心發生,提高植物工廠生菜品質和運行效益提供技術和理論支撐。【方法】選用在植物工廠環境下較易發生干燒心的‘Tiberius’生菜作為研究對象,在光環境、溫度、二氧化碳等環境條件保持一致的情況下,使光期(16 h)各處理空氣相對濕度分別維持在50%(RH50)、70%(RH70)和90%(RH90),暗期(8 h)各處理空氣相對濕度保持一致為70%,濕度控制正負誤差在5%以內。調查各處理組生菜干燒心發生情況、葉片光合參數、產量及營養品質的差異。【結果】與RH70和RH90相比:(1)RH50處理顯著提高了生菜新葉中鈣離子含量,降低了采收時干燒心發生率,并且隨著相對濕度水平降低,干燒心的初次發生時間得到顯著推遲;(2)RH50處理未對試驗光強下生菜的凈光合速率產生影響,但卻顯著增加了生菜氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度,促進了莖葉的鈣離子運輸;(3)RH50處理未顯著降低生菜的總葉面積及莖葉鮮重,但卻明顯改善了生菜營養品質,使淀粉、抗壞血酸和可溶性蛋白的含量得到顯著提高。【結論】植物工廠高濕環境是生菜干燒心頻發的原因之一,通過合理降低濕度水平能夠在不顯著影響生菜光合能力及產量的情況下,有效減緩生菜干燒心的發生,提高生菜的外觀和營養品質,增加其商品價值,保障植物工廠優質高效生產。
植物工廠;濕度調控;干燒心;生菜;營養品質
【研究意義】植物工廠用于生產最大的優勢是能夠周年將植物生長所需的環境因子控制在較為適宜的范圍內。因此,植物工廠內果蔬生長速度較快,周期較短,可以保證果蔬不受季節和地理環境影響的周年穩定生產,這也是植物工廠能在世界范圍內得到高度關注和快速發展的一個重要原因[1]。然而,植物工廠尤其是商業化應用的大型植物工廠,葉菜過快的生長速度較易引發由缺鈣而導致的生理性病害(如干燒心),大幅降低葉菜的外觀品質和商品價值,嚴重影響植物工廠的經濟效益[2]。【前人研究進展】干燒心問題在許多物種(如萵苣[3]、番茄[4]、蘋果[5]等)中普遍存在,而基因是決定品種是否對干燒心敏感的決定性內在因素。因此,干燒心抗性品種的篩選一直是學者的一個研究熱點。KOYAMA等[6]利用開發的培養基篩選方法對‘Leaf Lettuce’‘Butterhead Lettuce’和‘Crisphead Lettuce’3種類型19個品種生菜進行干燒心抗性評估,發現‘Leaf Lettuce’類型生菜對干燒心最為敏感。JENNI等[7]和MACIAS-GONZáLEZ等[8]先后利用QTL技術定位出生菜干燒心有關的部分數量性狀基因,結果顯示影響干燒心發生的基因與生菜的葉球類型、莖長和褶皺等形態性狀存在緊密聯系,從而為干燒心抗性品種篩選提供依據。近年來,隨著設施農業的發展,設施栽培環境中干燒心頻發的現象得到人們普遍關注。經研究已初步證實了設施栽培過程中葉菜干燒心的發生是由于其生長速度過快,根系對鈣離子的吸收量遠不能滿足葉片新生組織細胞壁形成對鈣離子的需求量,從而形成的一種葉片邊緣皺縮、退綠的生理性病害[9-10]。針對設施栽培環境中葉菜干燒心頻發的原因,國內外研究多集中在環境因子(營養液、光、風速和溫度等)的調控方面[11-12]。植物工廠主要采用營養液的栽培方式,而營養液中營養離子能夠得到較好控制,因此,植物工廠葉菜干燒心的發生一般不是由營養液中鈣離子的缺乏引起。但是不適宜的根際環境(如pH、EC和含氧量等)或者營養液中離子的拮抗作用可能會影響根系鈣離子的吸收,從而導致干燒心的發生。SAMARAKOON等[13]研究了4個EC水平下生菜的干燒心發生情況,發現‘Green Butter’的干燒心癥狀在較低EC水平(1.4 ms·cm-1)時較小。營養液中K+和NH4+過多,會產生拮抗作用進而抑制植物對Ca2+的吸收,引起植物缺鈣[14-15]。光是植物工廠葉菜生長發育唯一的能量來源,優化的光環境能夠加速植物生長,從而使植物對鈣的需求量遠大于其吸收量,加重干燒心的發生[3]。此外,已有研究發現紅藍光質比例或光周期,也會直接或間接影響植物對鈣離子的吸收,從而影響干燒心的發生[16-17]。風速主要通過影響葉片邊界層阻力和微環境濕度,改變葉片蒸騰,進而間接影響植物干燒心的發生。AHMED等[18]研究發現提高植物冠層通風量能夠有效降低萵苣干燒心的發生率。GOTO等[19]研究表明直接對結球萵苣內葉供給氣流,能夠增加內葉周圍空氣流動和交換,加速內葉蒸騰,從而增加內葉鈣離子濃度,預防內葉由于缺鈣引起的干燒心。然而為每株結球萵苣內葉供給氣流在實際工廠化生產中并不經濟。露地和溫室生產中可采用葉面噴施鈣肥來緩解干燒心癥狀,但植物工廠中葉面噴肥會影響電子產品(如LED燈具、環境傳感器等)的精度和壽命,因而可操作性不強[20]。為了減輕干燒心發生程度,實際生產上一般采取提前采收的方法,但同時也降低了植物工廠的產量和經濟效益。【本研究切入點】高濕環境可能也是蔬菜干燒心頻發的重要原因之一。因為高濕環境下空氣水蒸氣壓大,葉片與大氣的水蒸氣壓差相對較小,從而阻礙了葉片的蒸騰作用[21]。而植物體內的蒸騰流與鈣離子的長距離運輸密切相關,因此濕度調控有望緩解植物工廠葉菜干燒心的發生[22]。植物工廠濕度調控對蔬菜干燒心的影響有待進一步的研究。【擬解決的關鍵問題】本研究在植物工廠其他環境因子(光環境、溫度、CO2濃度等)保持一致的條件下,探究植物工廠光期不同濕度對生菜干燒心發生及其營養品質的影響,為減緩植物工廠葉菜干燒心的發生、提高葉菜品質提供理論支撐。
試驗于2021年在中國農業科學院人工光植物工廠內進行。
試驗材料為植物工廠內較易發生干燒心的羅馬型生菜(cv. Tiberius,Rijk Zwaan,The Netherlands)。育苗采用日本山崎萵苣配方[23],pH 6.0,EC 1.0 ms·cm-1。育苗光源為400—700 nm類太陽光譜LED燈管(ZPDT812WW-75,河南智圣普電子技術有限公司,河南,中國),育苗光強為150 μmol·m-2·s-1,光周期為16/8 h·d-1,明暗期溫度分別為23℃和20℃,光期CO2濃度為600 μmol·mol-1。待幼苗第2片真葉完全展開后,選取長勢一致的生菜幼苗隨機分配到各試驗處理中。
植物工廠內光照、溫度、濕度、CO2和營養液等均可通過計算機自動控制系統進行精準調控。試驗設置3個處理,光期植物工廠濕度分別控制在50%(RH50)、70%(RH70)和90%(RH90),而暗期植物工廠濕度保持一致,為70%。植物工廠濕度控制系統包括:濕度傳感器、加濕器、除濕機以及控制系統等,使植物工廠內空氣相對濕度始終控制在設定值±5%范圍內。
試驗期間,每個處理栽培20株生菜,栽培密度為32株/m2,每個處理重復3次。栽培周期為定植后20 d,營養液采用1.5倍日本山崎萵苣配方[23],采用深液流栽培模式,每日循環2 h。試驗期間光照強度設為250 μmol·m-2·s-1,光周期、明暗期溫度及CO2濃度設置同育苗期。
隨機在各濕度處理組內選取12株植物,從定植后第5天開始,每天上午9:00及下午6:00定點查看各處理組選取的生菜干燒心的發生情況,幼葉初次出現2 mm以上褐色壞死斑點的時間記為干燒心初次發生時間,上午計0.5 d,下午計1 d。定植后第20天,每個處理取9株生菜統計其總葉片數及出現2 mm以上褐色壞死斑點或區域的葉片數,用于計算干燒心發生率。定植后第20天,取從內到外第1、2層的葉片作為新葉,105℃下殺青15 min,80℃下烘干至恒重后研磨成粉末,使用ICP(Optima 5300DV,Pekin-Elmer,Waltham,MA,USA)進行新葉鈣含量測定。

試驗處理20 d后,各處理組隨機選取9株生菜,使用便攜式光合測定儀(LI-6400XT,LI-COR,Lincoln,NE,USA)測定從內到外第2層完全展開功能葉的氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2濃度及凈光合速率。測定過程中,葉室總光強為250 μmol·m-2·s-1、CO2濃度600 μmol·mol-1、溫度23℃,葉室氣體流速為500 μmol·s-1,待儀器測量界面讀數穩定時記錄相關參數。
取從內到外第2層完全展開且位于光下的葉片測定光強-光合響應曲線,每個處理隨機選3株。使用LI-6400XT光合儀(LI-6400XT,LI-COR,Lincoln,NE,USA)進行測定,測定光源由紅光90%和藍光10%LED組成。設定葉室的環境溫度為23℃,CO2濃度為600 μmol·mol-1。葉片首先在葉室中的生長光強250 μmol·m-2·s-1下進行光適應,直到凈光合速率Pn穩定,隨后進行光強梯度變化為250、200、150、100、50、0、300、600、900、1 200、1 500和1 800的光合速率測量。在每個光強下葉片適應至凈光合速率穩定后(約10 min)進行記錄。將數據擬合到葉子飄的光合計算模型軟件,得到擬合后的光合參數數據,用于繪制光強-光合響應曲線[24],然后通過該模型軟件進一步計算植物的暗呼吸速率(Rd)。
每處理組隨機選取9株生菜進行破壞性測量,使用剪刀沿莖基部將植物分為莖葉和根系,通過電子天平(GL6202-1SCN,賽多利斯科學儀器(北京)有限公司,北京,中國)獲得其莖葉和根系的鮮重,同時記錄總葉片數。稱重后使用葉面積儀(LI-3100C,LI-COR,Lincoln,NE,USA)測定生菜的葉面積,之后將莖葉和根系分別裝于紙質信封并于80℃下烘干至恒重,使用電子天平測定其干重。比葉重為去掉莖的總葉片干重與總葉面積的比值。
隨機在各處理組內選取9株長勢一致的植物,由內到外從第2層開始選取5—6片葉,使用剪刀去掉莖稈,經過液氮速凍后碾碎混勻,放入-80℃超低溫冰箱保存,每次準確稱取適量冷凍樣品用于營養指標的測定。可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法[25]測定;可溶性糖含量采用蒽酮法[25]測定;淀粉含量采用試劑盒(淀粉含量檢測試劑盒,北京索萊寶科技有限公司,北京,中國)進行測定;抗壞血酸含量采用試劑盒(還原型抗壞血酸含量測定試劑盒,蘇州格銳思生物科技有限公司,江蘇,中國)測定。
數據處理采用Microsoft Excel 2016,使用SPSS 24.0(SPSS Inc,USA)對試驗數據進行單因素ANOVA檢驗及顯著性分析,方法采用LSD,顯著水平<0.05。
由表1可知,RH90處理下生菜干燒心出現時間最早,而RH50處理下生菜干燒心出現時間則相對推遲了4.5 d。試驗處理20 d后,生菜干燒心發生率在RH50處理下也最低,與RH70和RH90處理相比分別顯著降低了57.3%和60.7%。調查的新葉中鈣離子含量也顯示RH50處理下最高,與RH70和RH90處理相比分別顯著增加了24.4%和27.5%。由以上結果可知,降低植物工廠濕度可以有效減緩生菜干燒心發生時間及其發生率,生菜干燒心的發生與新葉鈣離子含量密切相關。
由表2可知,RH50處理下生菜的氣孔導度最高,與RH70和RH90相比,氣孔導度分別提高了51.9%和105.0%。隨著濕度水平降低,蒸騰速率和胞間CO2濃度均得到顯著提高,與RH70和RH90相比,RH50處理下蒸騰速率分別提高了140.0%和336.4%,胞間CO2濃度分別提高了5.5%和11.9%。而各處理組之間凈光合速率沒有顯著差異,但處理RH50的暗呼吸速率有所降低,相比RH70和RH90分別降低了14.3%和10.0%。

表1 不同濕度水平處理對生菜干燒心初次發生時間、發生率及新葉鈣離子含量的影響
不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。下同
Different letters indicate significant difference among treatments (<0.05). The same as below

表2 不同濕度水平處理對生菜光合參數的影響
由圖1中光強-光合響應曲線可以看出,低光強下各處理組的凈光合速率沒有顯著差異,而高光強下低濕處理生菜的凈光合速率則相對增高,表明低濕處理在植物工廠常規供光強度下并不會對生菜的凈光合速率產生顯著的影響。結合表2結果,說明濕度處理對低光強下生菜葉片氣孔導度、蒸騰速率和暗呼吸速率等有直接顯著的影響,而對凈光合速率則影響不大。主要原因可能是在本試驗環境條件下,與濕度調控帶來的胞間CO2濃度等改變相比,其他環境因子如光照強度成為生菜光合作用的限制因子。
由表3可知,將植物工廠濕度控制在50%能夠促進光合產物的累積。RH50處理組生菜莖葉干重、根系干重和比葉重均有所提高,而各濕度處理對生菜總葉面積,莖葉鮮重則沒有顯著影響,這可能是由于與外界不同空氣濕度達到水分散失平衡的生菜含水率存在一定差異。RH50處理下生菜總葉片數最少,而莖葉干重相較于處理組RH70和RH90分別提高了10.0%和13.8%。RH50處理下的根系鮮重雖然有所降低,但根系干重分別較處理組RH70和RH90提高了11.6%和22.2%。此外,處理組RH50和RH70的比葉重較RH90分別提高了17.6%和10.6%,表明濕度調控能夠影響生菜的光合特性,進而影響其干物質積累。

圖1 不同濕度處理對生菜光強-光合響應曲線的影響

表3 不同濕度水平處理對生菜生長發育及其產量的影響
如圖2所示,RH50處理的淀粉含量、抗壞血酸含量和可溶性蛋白含量均得到顯著提高,而可溶性糖含量則最低。與處理組RH50相比,處理組RH70和RH90的淀粉含量分別下降了16.7%和13.9%,可溶性蛋白含量則分別下降了13.8%和21.8%。處理組RH50與RH70的生菜抗壞血酸含量沒有顯著差異,而處理組RH90則比處理組RH50和RH70分別下降了16.8%和18.1%。處理組RH50的可溶性糖含量為(7.5±0.4)mg·g-1,比處理組RH70降低了25.7%,而處理組RH70與處理組RH90之間沒有顯著差異。
鈣作為植物生長發育必需的礦物質元素,除了作為第二信使參與植物對環境、激素信號的多種反應,同時在合成細胞壁、維持細胞膜正常功能等方面也必不可少[26-27]。植物根系如果不能滿足新生組織細胞壁形成對鈣離子的需求,就會導致細胞壞死,新葉邊緣皺縮、退綠[9-10]。有研究發現內葉在低鈣環境下,生菜和大白菜葉燒心更為嚴重[28-29]。本研究結果發現RH50的新葉鈣離子含量遠高于其他處理,干燒心的發生率顯著降低,干燒心初次發生時間也明顯推遲。以上結果進一步證明葉片鈣含量與葉燒病的發生呈正相關。內葉鈣含量與植物蒸騰作用密切相關,這是因為鈣在植物體內不易轉移和循環再利用,內葉鈣離子主要來源于根系吸收以及木質部向上運輸的未經分配固定的鈣離子,而植物對鈣離子的吸收運輸主要依賴于蒸騰拉力及根壓[30]。本研究發現,RH50處理的蒸騰速率顯著高于RH70和RH90,根系干重也較其他處理組高,說明根系對水分及鈣離子的吸收以及向上運輸的能力較強,可以為新生組織提供更多的鈣離子。低濕對蒸騰速率的促進作用主要體現在提高了生菜氣孔導度及葉片-空氣飽和水汽壓差兩方面[31]。氣孔作為葉片與外界進行水蒸氣和二氧化碳等氣體交換的主要通道,氣孔導度越大,表明氣孔內外水蒸氣等氣體交換程度越大,交換阻力越小[21]。本研究結果顯示,RH50處理顯著增加了生菜葉片氣孔導度。另外,葉片與外界空氣的水汽壓差是水蒸氣擴散的驅動力,適度降低空氣相對濕度能夠增大葉片與外界空氣的水蒸氣壓差,從而有利于植物的蒸騰作用[32]。綜上,合理降低植物工廠空氣相對濕度能夠增加葉片氣孔導度和葉片與外界空氣的水汽壓差,促進植物蒸騰作用,增加內葉鈣離子供應,從而有效緩解葉菜由于生長速度過快而導致的干燒心的發生。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05)
生菜的干物質積累取決于生菜的光合速率、葉面積及其呼吸速率等。本試驗研究發現低濕水平下莖葉與根系的干重增加,而各處理組的凈光合速率、葉面積卻無顯著差異,因此可以推測,低濕處理下干物質較其他處理略高可能是由較低的呼吸速率導致。CARINS等[33]研究發現空氣濕度的提高能夠促進葉片的伸展,增加葉面積。這與本試驗各濕度處理下總葉面積無顯著差異的結果并不矛盾,雖然RH70和RH90處理下生菜的葉片數顯著增加,但由于處理組RH70和RH90的生菜干燒心發生更為嚴重,從而阻礙了生菜葉片的進一步伸展。此外,由光合響應曲線可知,各處理在低光強下光合速率無顯著差異,而在高光強下低濕處理則表現出較高的光合速率。這與本試驗光強下各處理光合速率無顯著差異的結果一致。以上結果說明較低的光強可能是本研究中生菜光合作用的主要限制因子,因此,雖然低濕處理增加了胞間CO2濃度和氣孔導度,卻并未引起各處理葉片凈光合速率的顯著差異。本試驗結果還顯示,RH50處理相比RH90具有較高的比葉重,增加其光能的捕獲效率[34]。另外,較高的離子吸收能力也說明低濕處理具有較高的光合潛力,綜上,低濕與光強耦合調控可能會促進產量。
淀粉、可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C是生菜常規的營養評價指標[35]。抗壞血酸是一種抗氧化劑,能夠幫助人體清除自由基,在植物體內的代謝合成與環境因子密切相關[36]。而可溶性蛋白作為植物性蛋白,在預防和控制人體慢性疾病等方面也具有重要作用[37]。本研究發現低濕處理RH50的可溶性蛋白和維生素C含量均較高,提高了生菜的營養品質。可溶性糖作為植物光合作用首先合成的產物,在逆境條件下能夠增強植物的抗逆性[38]。相較于RH50,RH70和RH90處理下可溶性糖含量顯著提高,可能是植物對缺鈣導致干燒心的應激響應。可溶性糖也可由淀粉轉化。程智慧等[39]發現鹽脅迫環境下,番茄部分淀粉水解,進而導致淀粉含量降低,可溶性糖含量顯著增加。這與本研究發現RH70和RH90的淀粉含量顯著低于RH50,而可溶性糖含量較高的結果類似。因此,植物工廠濕度調控能夠影響生菜的營養品質和光合產物轉化。
適當調控植物工廠濕度在一個較低的水平,能夠有效減緩生菜干燒心的發生,推遲其首次發生時間。其原因主要是降低濕度增加了生菜葉片氣孔導度和蒸騰速率,提高了新葉中鈣離子濃度,從而減輕了干燒心的發生程度,提高了生菜的外觀品質和商品價值。采取植物工廠濕度調控的措施,并未發現對生菜光合能力和鮮質量有顯著影響,反而有效提高了生菜的部分營養品質指標,如維生素C、淀粉和可溶性蛋白。因此,將植物工廠環境濕度維持在較低水平((50±5)%),能夠有效降低生菜干燒心的發生率,有利于提高生菜的外觀及營養品質,保障植物工廠經濟效益。
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Tipburn Injury and Nutritional Quality of Lettuce Plants as Affected by Humidity Control During the Light Period in A Plant Factory
LI YangMei, LIU Xin, JIA MengHan, TONG YuXin
Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081
【Background】In the recent years, the plant factories have been developing very fast in the world due to the incomparable advantages, such as labor-saving, pesticide-free, clean, safe and annual planned leafy vegetables production with vertical multi-layer cultivation systems. However, because of the faster growth rate and the weaker transpiration rate of the newly developed leaves, the vegetables in plant factories are very susceptible to tipburn caused by calcium deficiency, and therefore the appearance and nutritional qualities of leafy vegetable are significantly reduced. 【Objective】In this study, the effects of different relative humidity levels on the tipburn injury, growth and nutritional qualities of hydroponically grown lettuce were investigated. The objective of this study was to find out the optimum relative humidity levels for preventing or alleviating tipburn occurrence of vegetable in plant factories. Furthermore, this study also could provide the technical and theoretical support to prevent the tipburn occurrence, and improve vegetable quality and economic benefits of plant factories. 【Method】‘Tiberius’ lettuce, which was susceptible to calcium deficiency, was used in this experiment. Three different air relative humidity levels of 50% (RH50), 70% (RH70) and 90% (RH90) were set up during the light period (16 h), while the relative humidity was maintained at 70% during the dark period (8 h). The other environmental factors, such as light environment, air temperature and carbon dioxide concentration, were kept constant during this study. The tipburn occurrence, yield, photosynthetic parameters and nutritional quality of the lettuce plants were investigated. 【Result】Compared with RH70 and RH90, the calcium content in the newly developed lettuce leaves plants under RH50 was increased significantly, the percentage of lettuce plants with tipburn injury was decreased while harvesting, and the initial tipburn occurrence time was postponed significantly. The stomatal conductance and transpiration rate of lettuce plants increased significantly, which in turn enhanced transpiration and accelerated the absorption and transportation of Ca2+, under the lower relative humidity. The photosynthesis rate and fresh weight of lettuce plants were not significantly affected by different relative humidity levels. Moreover, the lower relative humidity also improved the nutritional quality of lettuce plants, including improving the contents of starch, ascorbic acid, and soluble protein. 【Conclusion】The high humidity environment in a plant factory was also one of the reasons for the frequent tipburn occurrence of lettuce plants. Based on the above analysis, it could be concluded that the tipburn occurrence of lettuce plants could be alleviated, the nutritional and commercial qualities of lettuce plants could be improved without affecting its yield and photosynthetic capacity by appropriately controlling the air relative humidity in a plant factory.
plant factory; humidity control; tipburn; lettuce; nutritional quality

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.20.012
2022-01-10;
2022-04-11
國家重點研發計劃戰略性科技創新合作專項(2020YFE0203600)
李揚眉,Tel:17683058646;E-mail:liyangmei@caas.cn。通信作者仝宇欣,Tel:18600218498;E-mail:tongyuxin@caas.cn
(責任編輯 趙伶俐)