菠菜營養液栽培的研究進展與展望

王瑞，胡笑濤，蘇苑君

（西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌，712100）

近年來，隨著科技水平和人們生活水平的提高，加之各種食品安全事件的頻頻發生，僅僅數量上的充足已經遠遠不能滿足人們的需要，人們更加注重對蔬菜品質的要求。菠菜是一種富含鈣、鎂、鉀等元素的蔬菜，能夠有效預防近視，此外，菠菜中的維生素、蛋白質、礦物質、膳食纖維、胡蘿卜素含量也都相對較高[1]，美國農業部有研究表明，女性每天食用一定量的新鮮菠菜對抗衰老很有效果。水培作為無土栽培的一種，可以通過控制植物外界因素以及營養液環境使蔬菜處于生長發育所需的最佳環境，完全實現農作物周年生產，而且可以通過調整營養液的配方進一步調控蔬菜的品質，有著生長周期短，產量高、品質好、商品價值高，省水、省肥、省工、病蟲害少，無連作障礙，生產過程可實現無公害化等優點[2]，已成為國內外園藝發展的重要技術[3]。目前無土栽培有多種形式，有沙培、礫培、蛭石培、水培等[4]，但是不管是哪一種形式，營養液都是必不可少的，尤其是水培和霧培，因此，科學地、因地制宜地配制營養液是無土栽培的核心問題。目前，雖然國內外都提出了很多種營養液的配方，實踐證明這些配方都有一定適應性，同時也都研究了各種內外環境對蔬菜生長的影響。

1 菠菜營養液栽培濃度與營養元素的研究

1.1 營養液濃度研究

水培不像土壤栽培，沒有土壤的緩沖及其微生物的作用，營養液是植株賴以生存的根系環境，也是植株的主要營養來源。對于無土栽培營養液濃度與配方的研究已經有很長的歷史，許多學者從不同方面研究出了許多種配方。水培作物的生長必須要有適合的營養液濃度，而且上限比下限更加重要[4]。濃度偏低會使作物營養不良而導致生長緩慢、生物量低，而過高濃度則會導致作物中毒甚至死亡。菠菜是一種重要的葉菜，有學者研究了不同種類營養液配方對葉菜生長的影響，結果表明，日本園試配方產量最高，但是品質不好；Hoagland配方品質好，但是產量較低；而相對較好的是荷蘭配方，產量和品質均較好[5]。目前營養液的濃度以總離子濃度表示，劉菊蓮[6]通過對葉菜水培營養液中某些離子的濃度進行綜合研究，得出了適宜基于銀川水質葉菜無土栽培的營養液配方。溫清琴[7]研究了不同濃度下園試營養液配方對油麥菜生長的影響，結果表明，在標準配方1/8～1/2濃度范圍內，隨著營養液濃度的升高，油麥菜的各項生物量指標均有不同程度的增加。不同營養液配方下水培葉菜的間作種植能提高部分葉菜的抗性，同時含鹽量不同對葉菜生長的促進是不同的[8]。同一蔬菜在不同生育期吸收不同元素的數量和所需要的最佳營養液濃度是不同的。

在菠菜生育期中，一般在幼苗期需要養分濃度較低。按照蔬菜不同生育期配制不同營養液可以增加產量、優化品質。采摘前更換營養液成分對苦苣品質有較大改變，且以谷氨酸為營養液處理得到了較為理想的效果[9]。只有遵守“四大平衡”理論（包括營養平衡、酸堿平衡、激素平衡和微生物平衡四個方面的內容）[10]才能保證營養液配比達到較適宜水平。20世紀30年代以來，國內外學者對不同蔬菜作物對礦質元素吸收、養分需求規律、肥料的需求量三要素方面進行了大量研究，證明缺鈣引起萵苣緣腐病大量發生，并且鈣、鎂離子的吸收相互之間有一定的競爭作用[11]。相關專家在探究生菜不同品種礦質養分吸收和差異時，得出生菜品質與產量存在一定的矛盾[12]。

1.2 營養液營養元素研究

不僅營養液的總濃度非常重要，各單一元素的含量也會嚴重影響蔬菜的生長與品質。無論是試驗研究還是實際生產大都只注重于大量元素的濃度，對于微量元素的關注則微乎其微[13]。N元素是組成核酸和蛋白質的主要成分，缺N會降低植物光合效率，而N素過量會導致硝酸鹽含量超標。P元素不僅是植物體內核酸、蛋白質的主要成分，同時也是某些酶的組成成分，在促進新陳代謝方面扮演著重要的角色。在硝態氮和銨態氮混合培養的情況下，缺P會顯著抑制菠菜對銨態氮和硝態氮的吸收，而且對硝態氮的吸收抑制作用大于銨態氮[14]。有試驗證明P元素在硝態氮和銨態氮配比不變的情況下，顯著降低硝酸鹽的含量[14]。K元素的濃度在促進生菜生長以及對其他養分的吸收方面沒有N、P兩種元素明顯，生菜對K元素的需求量也比較低[15]，但作為一種品質元素，可以提高抗旱、抗寒、抗病蟲害能力等。

Fe雖然是一種微量元素，在人體中主要以鐵蛋白的形式存在，但為人體不可缺少的重要元素，植物缺鐵會導致生長不良。汪李平等[16]對營養液中鐵元素最佳濃度進行研究發現，以山崎配方為基礎，以Fe-EDTA為鐵源的情況下，只需保持鐵素濃度在1～2mg/L就可以。Jin等[13]也研究了Fe營養的控制對水培菠菜產量和品質的影響，結果同樣表明，輕度Fe不足比零Fe素和Fe充足情況下產量、可溶性糖、可溶性蛋白、抗壞血酸鹽含量更高，且硝酸鹽含量較低。汪李平等[17]在水培生菜鐵營養的研究中證明，無論在何種氮源情況下，鐵元素濃度的增加使得生菜葉片中的硝酸鹽還原酶活性增強，從而硝酸鹽含量降低。

李登超[3]研究了硒對菠菜水培的影響，營養液中加入少量的硒元素（不大于0.1mg/L）可以達到增產的目的，但是當濃度高于0.5mg/L的時候會產生毒害，抑制生長。除此以外，還有一些報道表明，水培下某些稀土元素可以提高蔬菜生物量，降低硝酸鹽含量。洪法水等[18]通過水培方法研究了鑭元素與菠菜內葉綠素的作用，表明鑭元素能與葉綠素結合形成稀土葉綠素，增加葉綠素含量，提高光合效率，促進菠菜生長。同時，鉬元素是硝酸還原酶的組成成分，與硝酸鹽累積也有一定關系[19]。鎘元素能夠影響營養元素從根部到地上部的運輸，改變他們在植株體內的分布，從而引起營養失調，對植株生長產生影響[20]。有關微量元素對菠菜生長影響的報道至今還不多，但事實證明微量元素的使用對于提高蔬菜的品質與產量有較大的影響，因此在這方面應該引起廣泛關注。

2 營養液栽培菠菜的品質調控研究

硝酸鹽對人體的為害是眾所周知的，過量的硝酸鹽在人體中可以被還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽既可以導致高鐵血紅蛋白癥，又可以進一步轉換成強致癌物——亞硝銨，誘發癌癥[21，22]。人體攝入的硝酸鹽60%～80%來自于蔬菜[23]。菠菜是一種喜硝作物[21，24，25]，容易累積硝酸鹽和草酸[26]。所以嚴格控制菠菜中硝酸鹽的含量是一個熱點研究問題，而影響硝酸鹽含量的因素有多種，在不同的條件下每一種因子所伴隨的主次也隨之改變。

從生理學來看，菠菜中硝酸鹽的累積主要取決于對硝酸鹽的吸收和同化，可以簡單地認為當吸收大于同化就會累積，反之則不會。也有人認為，植物體內硝酸鹽的累積主要取決于硝酸鹽在不同部位的分布不同，比如，在不同供氮水平下葉菜硝酸鹽含量如下，小白菜：葉柄＞葉片＞根，菠菜：根＞葉柄＞葉片[27]。硝酸鹽的含量還與植物器官形態有關，具有皺葉甘藍型葉片的菠菜積累過量硝酸鹽的能力要比葉片光滑而較大的品種強[23]。

關于營養液中的硝態氮與銨態氮比對菠菜硝酸鹽累積的影響研究有很多，研究表明在硝態氮和銨態氮配比適宜情況下，既可以提高產量，也可以降低作物可食用部分硝酸鹽含量[14]，這可能是因為銨態氮的同化酶降低了硝酸鹽轉運蛋白活性或者其合成速率，或者是其存在抑制了體內硝酸鹽的同化作用[22]。同時適當增加銨態氮也可以提高菠菜VC含量[28]。也有試驗證明，5-氨基乙酰丙酸（ALA）的外部噴施可以明顯提高菠菜的VC含量并改善品質[29]，同時ALA處理使得菠菜貯存期間葉綠素、可溶性蛋白、VC、可溶性糖的降解速率顯著降低，提高耐貯性，增加商品價值[30]。硝酸鹽含量與供氮水平有著很大的相關性，而且相關系數r達0.603～0.999[15]。

雖然菠菜生物量會隨著供氮水平的增加而增加，但是高氮情況下的氮素利用效率指數明顯低于低氮水平[31]，且可溶性糖含量則隨著氮素水平提高呈遞減趨勢[32]。

關于菠菜硝酸鹽調控的研究大部分都是集中在調控外部因素，對內部因素的研究及對硝酸鹽含量的調控僅僅占了2%左右[19]，且研究主要集中在不同品種、基因、酶活性以及硝酸鹽的分布特征等幾個方面。不同科、屬、種和品種的植物，其營養器官和繁殖器官內的硝酸鹽含量往往差異甚大[23]。趙清巖等[33]研究不同品種菠菜之間草酸、VC、可溶性糖等營養成分的含量，結果表明在各品種間的差異是顯著的。劉敏娜[34]研究了全國30多種菠菜基因型氮效率的評價指標和方法，試驗證明不同基因型在相應氮水平下氮素吸收與利用效率存在一定的差異。硝酸鹽的累積在植物生長過程中是一個不斷變化的過程，通常商品收獲期比生理成熟早的植物品種硝酸鹽含量較高[24]。控制蔬菜中硝酸鹽含量對于滿足人們高品質的生活是必不可少的。

酶是植物體內各種生化反應進行的催化劑，能夠促進反應快速達到平衡，其中硝酸還原酶的活性直接關系到植株體內硝酸鹽的累積量。汪建飛等[20]的研究表明，提高營養液中硝態氮的比例可以顯著提高菠菜莖葉中硝酸還原酶（NR）的活性，同時降低谷氨酸脫氫酶（GDH）的活性，谷氨酰胺合成酶（GS）活性則呈現先升后降的拋物線狀變化規律。黃俊等[35]對弱光下白菜進行了相關研究，試驗得到了類似的結論。

3 菠菜營養液栽培研究展望

有關菠菜水培方面的研究相對較少，而且大多數試驗都是集中于氮素對品質及產量影響方面或生長環境調控研究。綜合分析，尚存在以下幾點不足：①菠菜固然是一種容易累積硝酸鹽和草酸的蔬菜，但同時也是富含鐵、鈣等人體所需的某些微量元素的重要載體，但長期以來對于菠菜品質調控主要關注的是硝酸鹽，而對VC等其他品質指標的研究不多；②營養液配方有很多，比如：園試配方、華南農大A類和B類配方、霍格蘭配方等，但是專門針對菠菜專用營養液配方的研究較少；③現在所見的有關菠菜水培營養液濃度大多數都是基于較為著名的一些配方，對菠菜進行變濃度處理探求最適濃度的研究仍不多見；④對菠菜產量和品質的研究不能僅僅局限于營養液配比方面，應該注重外部其他因子的作用，比如光、溫度、濕度等多因素調控；⑤菠菜不同生育期所需營養液濃度與最適pH值是隨之變化的，目前基本沒有關于菠菜水培中不同生育階段營養液養分需求動態變化的研究。

蔬菜的工廠化生產是實現農業集約化發展的重要途徑。菠菜作為群眾喜歡的主要蔬菜種類，采用工廠化生產可以實現周年供應。營養液是植物工廠生產的必要條件，研究菠菜生育期營養需求過程及產量和品質變化過程、分析提出菠菜產量和品質最優的營養液配方及營養需求過程線，合理調控菠菜營養液栽培的生長環境，對于實現低耗高產優質栽培具有重要研究價值。

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