植物工廠LED光源環境下黃瓜幼苗生長和需水規律

梁貝貝溫江麗李靈芝李海平郭文忠*

（1北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；2山西農業大學園藝學院，山西太谷 030800）

培育優質壯苗是蔬菜高產的重要前提，在現代化蔬菜育苗條件下，水分管理作為一項重要環節，其供應狀況直接影響幼苗的生長發育及壯苗指數等指標。國內外學者針對基質（土壤）不同含水量對蔬菜育苗的影響開展了大量研究，研究表明，基質相對含水量維持在60%～80%范圍內時黃瓜幼苗光合能力較強（陳俊琴和趙瑞，2017）；在溫室環境下，土壤含水量為90%時黃瓜幼苗生長指標和生理指標顯著優于其他處理水平（馮嘉玥 等，2005）；土壤含水量為50%～60%可以提高秋茬黃瓜產量（張曉萍 等，2002）。目前，國內外研究大多局限在溫室環境下，但溫室條件存在溫度、光照等環境因子不可精確調控等因素。植物工廠育苗作為一種高度專業化、現代化、自動化的育苗生產方式（魏靈玲 等，2009），能夠實現對光源、溫度和濕度等智能控制（劉文科，2017），得到了廣泛的重視。LED光源是植物工廠的優選光源，具有傳統光源無法比擬的光電和農學應用優勢。為此，應進一步加強在植物工廠LED光源環境下蔬菜育苗的研究。本文以黃瓜品種中農26號為試材，在植物工廠LED光源環境下，設置基質不同水分梯度處理，分析幼苗生長發育和耗水量對基質不同含水量的響應，探索黃瓜幼苗生長階段最佳灌水方案，為黃瓜育苗精準化水分管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年10～11月在北京智能裝備技術中心的植物工廠育苗室（39°56′32.60′′N，116°16′53.73′′E）進行，苗齡為 30 d。植物工廠內的環境溫度24 ℃/18 ℃（晝/夜），相對濕度70%～80%，CO2濃度800μmol·mol-1。采用LED燈作為光源，光照強度為200 μmol·m-2·s-1，光照時間10 h·d-1，光照時間段為每天的8：00～18：00。

1.2 試驗材料

供試黃瓜品種為中農26號。采用72孔規格穴盤育苗，于10月5日播種，播種前將混合基質裝滿穴盤，基質為草炭∶蛭石（體積比為2∶1）混合基質，基質容重0.31 g·cm-3、總孔隙度69%、通氣孔隙度13%、持水孔隙度67%、pH值5.56、電導率496μS·cm-1。清水澆透0.5 h后進行播種，每個穴孔播1粒，播后覆蓋蛭石，子葉未展開前清水灌溉，保持基質濕潤。幼苗真葉展開后開始澆灌營養液，營養液為阿農配方，1倍全價營養液的pH值為6.5，EC值為1.83 mS·cm-1。

1.3 試驗方法

試驗采用稱重法控制黃瓜幼苗基質含水量，設置5個水分梯度，分別設定為基質最大持水量的55%～60%（CI1）、65%～70%（CI2）、75%～80%（CI3）、85%～90%（CI4）和95%～100%（CI5）。黃瓜幼苗真葉展開后（播種后14 d）開始進行基質不同含水量處理，每天9：00對各個處理的含水量進行調節，于幼苗開始試驗處理前，用稱重法測定每盤幼苗的基質含水量，第2天計算幼苗耗水量，并將每盤幼苗補充至設定好的基質含水量（姜順邦和韋小麗，2016）。每個處理3次重復，1個穴盤為1次重復。

1.4 測定項目

1.4.1 生長指標的測定 黃瓜幼苗播種后14 d開始進行基質不同含水量處理，之后每隔4 d各處理隨機選取3株測定幼苗的株高和莖粗。用直尺測量幼苗莖基部至頂端生長點高度作為株高（cm），用游標卡尺測量子葉節下方1 cm處直徑作為莖粗（mm）。育苗期結束、幼苗四葉一心時，各處理隨機選取3株，根系活力用TTC還原法測定。用EPSON Prefection V 700進行根系掃描，并利用WinRHIZOPro分析幼苗根長、根體積、根面積及根直徑，稱重法測定幼苗地上部、地下部鮮質量和干質量，并計算幼苗根冠比和壯苗指數。

根冠比=地下部干質量/地上部干質量

壯苗指數=莖粗/株高×全株干質量

1.4.2 幼苗耗水量測定 每天補水灌溉前電子秤所得的每盤幼苗的耗水量/72，即為單株幼苗的日耗水量。

總耗水量=處理前的耗水量+試驗處理后每天的耗水量

灌溉水分利用效率（WUE，g·L-1）用總干物質增量和總灌水量比值表示（姜順邦和韋小麗，2016），計算公式如下：

WUE=（DMt-DMa）/M

DMt（total dry mass）為總干物質質量，DMa（average dry mass）為處理前黃瓜幼苗平均干物質質量，M為該幼苗處理期間總灌水量。

1.5 數據處理

采用 Excel 2017 軟件處理數據，SPSS 23.0 軟件進行差異性和曲線估算分析。

2 結果與分析

2.1 基質不同含水量對黃瓜幼苗生長指標的影響

2.1.1 株高和莖粗 由圖1可知，隨著黃瓜幼苗生長周期的變化，其株高和莖粗呈逐漸增長趨勢。不同基質含水量處理下，CI4處理株高始終最高，但與CI3處理差異不顯著，在不同基質含水量處理后16 d，CI4和CI3處理的株高分別是為7.90、7.83 cm；CI1處理的株高值最小，較CI4處理減少19.78%。不同基質含水量處理后16 d，CI4處理的莖粗值最大，且與CI3、CI2無顯著差異，莖粗分別為4.42、4.27、4.18 mm。其次是CI5和CI1處理，與CI4相比分別減少了12.8%、23.3%。

圖1 基質不同含水量對黃瓜幼苗株高和莖粗的影響

2.1.2 鮮質量和干質量 植株的鮮質量和干質量在一定程度上可以反映出植物在一段時間內的物質積累量。由表1看出，在植物工廠LED光源條件下，隨著基質含水量的上升，黃瓜幼苗的地上部鮮質量和地下部鮮質量表現為一個先上升后下降的過程。在基質含水量為85%～90%時，黃瓜幼苗的地上部鮮質量和地下部鮮質量達到最大，分別為6.569 g和1.334 g。黃瓜幼苗的地上部干質量和地下部干質量表現出與幼苗鮮質量同樣的趨勢，CI4處理的幼苗地上部干質量和地下部干質量最高，分別為0.440 g和0.062 g。反映幼苗綜合素質的CI4處理的根冠比和壯苗指數分別達到了0.208和0.281，其中根冠比顯著高于其他處理。

表1 基質不同含水量對黃瓜幼苗鮮質量和干質量的影響

2.1.3 根系形態指標 由表2可以看出，基質不同含水量對黃瓜幼苗根系總長、根系總面積、根系平均直徑、根系總體積、根系活力指標影響顯著（P＜0.05）。其中CI4根系總長顯著高于其他水平處理，為1 223.358 cm，CI1處理最小，較CI4處理降低了21.5%。各處理根系總長表現為：CI4＞CI3＞CI5＞CI2＞CI1。黃瓜幼苗根系總面積以CI4處理最大，為139.692 cm2，與此同時，該處理的幼苗根系平均直徑和根系總體積顯著高于其他處理。綜合幼苗根系形態指標，不適宜的基質含水量會抑制黃瓜幼苗地下部根系的積累。CI4處理的根系活力顯著高于其他處理水平（P＜0.05）。CI1與CI5處理的根系活力較低，且二者之間無顯著差異，相比CI4處理，分別降低了64.14%、64.00%。

表2 基質不同含水量對黃瓜幼苗根系形態指標的影響

2.2 黃瓜幼苗耗水規律與水分利用效率

從圖2可以看出，植物工廠LED光源環境下，基質不同含水量對黃瓜幼苗的單株日耗水量影響顯著（P＜0.05）。不同基質含水量處理后1～5 d，各處理的單株日耗水量呈現緩慢上升趨勢；處理后5～12 d，基質不同含水量下幼苗單株日耗水量表現為快速增加的趨勢，在幼苗處理后12 d，CI4處理下幼苗單株日耗水量顯著高于其他處理，日耗水量為8.09 mL。處理后12～16 d均表現為CI4處理顯著高于其他處理水平。

圖2 基質不同含水量下黃瓜幼苗單株日耗水量

由表3可知，基質不同含水量下黃瓜幼苗單株總耗水量差異顯著（P＜0.05），幼苗總耗水量隨基質含水量的增加呈現先增大后降低的趨勢。CI4處理的單株總耗水量顯著高于其他處理，單株總耗水量為129.72 mL，CI3處理水平次之，總耗水量為125.15 mL，為CI4處理的96.47%；CI1處理的單株總耗水量最低，為79.70 mL，是CI4處理的61.44%。基質不同含水量對黃瓜幼苗水分利用效率影響顯著（P＜0.05），CI4處理幼苗水分利用效率顯著高于其他處理水平，為3.481 mg·mL-1；其次是CI3處理，為2.567 mg·mL-1，且該處理與CI2和CI1處理無顯著差異。CI5處理的水分利用效率最小，為2.095 mg·mL-1，與CI4相比降低了39.81%。

表3 基質不同含水量對黃瓜幼苗總耗水量和水分利用效率的影響

2.3 黃瓜幼苗生育天數和單株日耗水量的關系方程

綜合分析幼苗生長和生理指標，以85%～90%基質含水量處理下擬合黃瓜幼苗生育天數與單株日耗水量的關系模型：y=0.355 3 x-1.887 5。根據關系模型可知（圖3），黃瓜幼苗期間，隨播種后天數的增加，幼苗單株日耗水量呈上升趨勢。

圖3 黃瓜幼苗生育天數與單株日耗水量的關系方程

3 結論與討論

光照是LED光源植物工廠環境發展的主要驅動力，在智能調控環境下培育優質壯苗是蔬菜生產的關鍵環節，健壯的幼苗對提高作物抗逆性十分有益，也是果實生產的基礎和豐產的保證。由本試驗結果可知，植物工廠LED光源下，基質含水量為85%～90%時，黃瓜幼苗的株高、莖粗、幼苗地上部和地下部生物積累量最大，實現了根冠比和壯苗指數最高；且幼苗地下部根系等指標最佳。本文研究結果與馮嘉玥等（2005）的試驗結果基本一致，但與宋羽等（2014）在溫室條件下的甜瓜育苗試驗研究結果不一致，分析原因，一是不同蔬菜存在差異；二是蔬菜作物生長環境不同。此外，LED光源條件下，85%～90%的基質含水量顯著提高了黃瓜幼苗的水分利用效率，且高于在日光溫室條件下（孔德杰 等，2011），分析原因可能是在LED植物工廠智能調控環境下，可以縮短育苗周期并減少育苗期間的總耗水量。綜合分析幼苗的生長情況，在植物工廠LED光源環境下，基質含水量為85%～90%不僅可以培育優質壯苗，而且能夠達到水分高效利用的效果，符合植物工廠蔬菜育苗的發展方向。