加富CO2環(huán)境下不同紅藍光配比對蕹菜生長、品質(zhì)和固碳量的影響

張子昆， 林碧英， 楊永森， 陳 風， 伊光捷， 張曉瑾， 劉燕飛

(福建農(nóng)林大學園藝學院，福建福州 350002)

蕹菜(Ipomoeaaquatica)，別稱空心菜、竹葉菜等，是旋花科甘薯屬，以綠葉和嫰莖供食用，一年生或多年生蔬菜，原產(chǎn)于我國的熱帶多雨地區(qū)[1]。近年來，隨著蕹菜設施栽培面積的逐年擴大，如何提高蕹菜產(chǎn)量成為科研機構(gòu)以及各大企業(yè)關(guān)注的焦點。CO2是光合作用的主要原料之一，其濃度與植物的光合作用、呼吸作用和蒸騰作用密切相關(guān)[2]。設施栽培由于其密閉環(huán)境容易導致CO2虧缺現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重影響設施內(nèi)作物的生長和發(fā)育。而增施CO2能夠顯著提高設施內(nèi)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，是設施蔬菜增產(chǎn)提質(zhì)的有效措施之一[3]。Pan等認為，CO2濃度上升有利于促進植物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[4]。目前，全球氣候變暖狀況加劇，大氣中CO2濃度不斷上升，因此減少溫室氣體排放及增加碳吸收受到國內(nèi)和國際社會的廣泛關(guān)注[5]。我國農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的溫室氣體排放比例為16%～17%[6-7]，我國承諾2030年前達到碳達峰，2060年達到碳中和[8]。因此，在巨大的溫室氣體減排任務下，我國急切需要提高資源利用率，發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)[6]。光作為植物生長發(fā)育過程中的環(huán)境因子之一，從能量和信號2個方面在植物生命活動的各類生化反應中發(fā)揮著極其重要的作用[9]。弱光脅迫導致植物生長異常，王惠哲等認為，弱光脅迫下，植株產(chǎn)量和品質(zhì)都有顯著性下降。福建地區(qū)早春蕹菜種植一般在設施大棚內(nèi)，但由于設施覆蓋材料和早春氣候條件影響，設施內(nèi)往往產(chǎn)生弱光脅迫和CO2缺乏等逆境[10]。因此，如何在設施內(nèi)提高蕹菜的光合作用，對蕹菜產(chǎn)量和品質(zhì)提高尤為重要。本研究分析在加富CO2條件下不同紅藍光配比對蕹菜生長及品質(zhì)的影響，以期為緩解設施內(nèi)早春蕹菜栽培弱光脅迫和CO2缺乏提供解決方案，為加富CO2環(huán)境下不同紅藍光配比可促進蕹菜的生長，提高其產(chǎn)量、品質(zhì)和固碳量的研究提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為蕹菜，品種為閩蔬三丫，種子購于福州閩蔬農(nóng)業(yè)科技有限公司。

1.2 試驗設計

試驗于2021年3月10日至9月30日在福建農(nóng)林大學設施溫室內(nèi)進行。試驗LED光源包括紅藍光[紅光(R)峰值波長為660 nm、藍光(B)峰值波長為450 nm)、白光(波長范圍為410～760 nm]，均購于福建三安科技有限公司。CO2采用鋼瓶液態(tài)CO2，從福州中銘生物科技有限公司購得。種子進行常規(guī)溫湯浸種，播于多功能蓄水式育苗盆(基質(zhì)配比為草炭 ∶蛭石 ∶珍珠巖=3 ∶1 ∶1)，待幼苗長到2葉1心時，隨機選取長勢一致的幼苗進行處理，將多功能蓄水式育苗盆置于培養(yǎng)箱(每個培養(yǎng)箱大小為1.0 m×0.5 m×0.5 m)中，在每個培養(yǎng)箱中進行不同紅藍光配比處理，各處理調(diào)整植物大部分葉面與光源的距離均為25 cm，光照度為(250±5) μmol/(m2·s)，光周期為12 h，同時每天 10：00—12：00向培養(yǎng)箱中通入CO2，用轉(zhuǎn)子流量計使柜體內(nèi)CO2濃度維持在(1 000±50) μL/L，并每隔30 min用艾科微克CO2測定儀(美國產(chǎn))對各棚內(nèi)的CO2濃度進行測定核實，其余時間不補充。其他環(huán)境因子可控，白天溫度為(30±1) ℃，夜晚溫度為(24±1) ℃，培養(yǎng)箱內(nèi)濕度為60%～70%。LED光質(zhì)設置5個處理，CO2設置2個處理(表1)。試驗處理開始后25 d即采收期，每個樣品隨機選取10株，對形態(tài)指標、含水量和營養(yǎng)相關(guān)指標重復測定3次，結(jié)果取平均值(表1、圖1)。

表1 試驗處理設計

1.3 形態(tài)指標及相關(guān)生理指標測定與方法

1.3.1 株高、莖粗、鮮質(zhì)量的測定 株高采用精確度為1 mm的游標卡尺進行測量，從根莖分界處到生長點的高度為株高；莖粗采用精確度為0.01 mm的電子游標卡尺進行測量，以子葉下部節(jié)間1 cm為基準；鮮質(zhì)量采用精確度為0.01 g電子天平進行測量。

1.3.2 根系生長的測定 利用根系掃描儀Epson Perfection 4990 PHOTO進行掃描、根系分析系統(tǒng)WinRHIZO進行分析，得到根總長。

1.4 品質(zhì)及硝酸鹽指標測定

1.4.1 可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C含量的測定 可溶性糖含量采用蒽酮比色法[11]測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法[11]測定，維生素C含量采用2，6-二氯靛酚比色法[11]測定。

1.4.2 硝酸鹽含量的測定 硝酸鹽含量采用濃硫酸-水楊酸比色法[11]測定。

1.4.3 地上部固碳量 王首吉等認為，植物每產(chǎn)生1 g干物質(zhì)需要固定1.63 g CO2[12-13]，可根據(jù)栽培和采收時蕹菜的干物質(zhì)量計算其地上部固碳量，計算公式為

式中：W表示地上部固碳量，g/m2；a表示采收時地上部分干質(zhì)量，g；b表示采收時地下部分干質(zhì)量，g；r表示干物質(zhì)凈積累量，g/株，由采收時干物質(zhì)量減去栽培時干物質(zhì)量得到；ρ表示栽培密度，株/m2，本研究栽培密度為100株/m2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗所得數(shù)據(jù)采用Excel 2003和DSP 9.5軟件數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用Duncan’s新復級差法進行差異顯著分析(α=0.05)，利用Prism 8.0軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”。

2 結(jié)果與分析

2.1 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜生物量的影響

2.1.1 加富CO2下不同紅藍光配比對株高、莖粗、鮮質(zhì)量的影響 株高、莖粗、鮮質(zhì)量、根總長是衡量植物生長的重要指標。由表2、圖2可知，處理25 d后，CK1的株高、莖粗、鮮質(zhì)量、根總長比CK0分別提高76.2%、45.4%、19.1%、78.9%，除了莖粗外，其他均呈顯著差異。在加富CO2環(huán)境下，不同光源處理株高從大到小依次為A3>A2>A4>A1>CK1，其中A3、A2、A4、A1比CK1分別提高33.3%、20.7%、20.6%、7.5%，且均與CK1存在顯著性差異；各處理莖粗從大到小依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1比CK1分別提高60.6%、45.5%、21.9%、11.7%，且均與CK1存在顯著性差異。各處理鮮質(zhì)量從大到小依次為A3>A2>A4> A1>CK1，其中A3鮮質(zhì)量最高，達到42.98 g，比CK1高54.3%，A2、A4、A1比CK1分別提高48.4%、41.1%、18.6%，均與CK1存在顯著性差異；各處理根總長從大到小依次為A3>A2>A4>A1>CK1，均與CK1存在顯著性差異。

表2 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜生長的影響

2.1.2 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜含水量的影響 植物體內(nèi)都含有水分，生長活躍和代謝旺盛的植物和細胞的含水量高。由表3可知，各處理植株含水量中，CK1比CK0提高0.1%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍光配比處理植物含水量從高到低依次為A3>A4>A2=A1>CK1，其中A3含水量最高，達到94.7%，比CK1提高2.0%，各處理間均存在顯著性差異。

表3 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜含水量的影響

2.2 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜營養(yǎng)品質(zhì)及硝酸鹽的影響

2.2.1 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜可溶性糖的影響 植物體內(nèi)的碳素營養(yǎng)狀況以及農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)常以可溶性糖含量作為重要參考指標[14]。由圖3可知，處理后25 d，CK1莖和葉中可溶性糖含量與CK0差異顯著，其中莖和葉中可溶性糖含量分別提高167.6%、75.3%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍光配比處理莖和葉中可溶性糖含量與CK1都存在顯著性差異，其中各處理莖中可溶性糖含量從大到小依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1較CK1分別提高21.4%、11.5%、9.1%、6.1%；各處理葉中可溶性糖含量從大到小依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1較CK1分別提高60.0%、40.3%、19.5%、15.0%，同時A3與其他處理存在顯著性差異。

2.2.2 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜可溶性蛋白的影響 蛋白質(zhì)作為細胞中含量最豐富的生物大分子之一，是生物體結(jié)構(gòu)和功能最重要的物質(zhì)基礎[15]。由圖4可知，處理后25 d，CK1莖和葉中可溶性蛋白含量與CK0差異顯著，其中莖和葉中可溶性蛋白含量分別提高14.9%、60.3%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍光配比處理莖和葉中可溶性蛋白含量與CK1都存在顯著性差異，各處理莖中可溶性蛋白從大到小依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1較CK1分別提高66.1%、39.4%、30.3%、17.6%，同時A3與其他處理存在顯著性差異；各處理葉中可溶性蛋白含量排列依次為A3>A4>A2>A1>CK1，其中A3、A4、A2、A1較CK1分別提高37.2%、19.4%、16.0%、9.0%，同時A3與其他處理存在顯著性差異。

2.2.3 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜維生素C含量的影響 植株中維生素C含量是衡量植株營養(yǎng)品質(zhì)的一個重要指標。由圖5可知，處理后25 d，莖和葉中維生素C含量與CK0莖和葉中維生素C含量相比具有顯著性差異，其中莖和葉中維生素C含量分別提高6.3%、49.5%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍光配比處理莖和葉中維生素C含量與CK1都存在顯著性差異，其中各處理莖中維生素C含量從大到小依次為 A3>A4>A2>A1>CK1，A3、A4、A2、A1較CK1分別提高22.8%、19.3%、13.9%、4.2%，同時A3與其他處理存在顯著性差異；各處理葉中維生素C含量從大到小依次為A3>A2>A4>A1>CK1，A3、A2、A4、A1較CK1分別提高16.8%、9.4%、6.2%、4.5%，同時A3與其他處理存在顯著性差異。

2.2.4 加富CO2下不同紅藍光配比對植物硝酸鹽的影響 葉菜類蔬菜常常含有大量的硝酸鹽，在烹調(diào)過程中容易轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，從而危害人體健康[16]。由圖6可知，處理后25 d，CK1莖和葉中硝酸鹽含量與CK0莖和葉中硝酸鹽含量相比具有顯著性差異，其中莖和葉中硝酸鹽含量分別降低9.9%、8.5%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍光配比處理中，A2、A3、A4莖中硝酸鹽含量相比CK1莖中硝酸鹽含量略有降低，但不具有顯著性差異，A1莖中硝酸鹽含量相比CK1莖中硝酸鹽含量具有顯著性差異，降低18.2%；各處理葉中硝酸鹽含量從大到小依次為CK1>A3>A1>A4>A2，其中A2、A4、A1、A3較CK1分別降低13.2%、12.5%、6.7%、6.6%，同時各處理均與CK1存在顯著性差異。在所有試驗處理，硝酸鹽含量均在我國規(guī)定的硝酸鹽安全范圍。

2.3 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜地上部固碳量的影響

不同紅藍光質(zhì)處理對蕹菜地上部固碳量具有顯著影響。由表4可知，處理25 d后，各處理植株地上部固碳量中，CK1比CK0提高49.0%。在加富CO2環(huán)境下，不同紅藍光配比處理中，各處理地上部固碳量從大到小依次為A3>A2>A4>A1>CK1；地上部固碳量中A3、A2、A4、A1比CK1分別提高95.0%、78.2%、62.0%、43.8%，且均與CK1存在顯著性差異。

表4 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜地上部固碳量的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜生長的影響

CO2是影響設施蔬菜生長的環(huán)境因素之一。張仟雨等認為，CO2的提高能顯著提高白菜的單株產(chǎn)量[17]。周成波認為，LED紅藍組合光處理相比白光可以提高白菜的株高和產(chǎn)量[18]。黎庭耀等認為，使用紅藍復合光補光處理的葉菜類蔬菜的鮮質(zhì)量、株高、根長顯著高于白光補光[19]。本研究結(jié)果顯示，CK1較CK0的株高、莖粗、鮮質(zhì)量和根總長均有顯著性提升，其中株高提升最顯著，表明加施CO2有利于促進蕹菜的生長，這與陳丹艷等在生菜上的研究結(jié)果[20]一致。另外本研究還發(fā)現(xiàn)，加富CO2環(huán)境下，使用不同紅藍光配比處理相比CK1均可顯著提高蕹菜的株高、莖粗、鮮質(zhì)量和根總長，其中以A3提高效果最好，表明在加富CO2環(huán)境下使用適宜的紅藍光有利于促進蕹菜的生長。

3.2 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜營養(yǎng)品質(zhì)及硝酸鹽的影響

CO2富集，有利于提高植物的產(chǎn)量與品質(zhì)及其體內(nèi)的可溶性糖含量[21]。可溶性糖是光合作用積累的重要產(chǎn)物，可溶性蛋白則是植株體內(nèi)形成代謝重要的調(diào)節(jié)物質(zhì)。光質(zhì)對于植物體內(nèi)碳水化合物和蛋白質(zhì)代謝也有調(diào)控作用，學者針對生菜[22]、烏塌菜[23]、蕹菜[24]等進行研究，發(fā)現(xiàn)紅藍組合光有利于提高蔬菜的光能利用率，促進碳氮代謝，增加物質(zhì)積累，提高營養(yǎng)品質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn)，CK1較CK0的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、維生素C含量有顯著性提升，這與宋蜜蜂等的研究結(jié)果[25-26]一致，其中植株中可溶性糖含量提升幅度最大，表明增施CO2主要影響蕹菜的碳代謝，增加碳代謝產(chǎn)物的積累，有利于提高蕹菜的品質(zhì)；同時，CK1較CK0硝酸鹽含量降低，表明增施CO2有利于降低蕹菜的硝酸鹽含量，這與都韶婷等的研究結(jié)果[27-28]一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，在加富CO2環(huán)境下，使用不同紅藍光配比處理相比CK1均可顯著提高蕹菜的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和維生素C含量，所有處理中A3提高效果最好，A3處理植株莖中可溶性蛋白含量提升效果最好，而植株葉中可溶性糖含量提升最顯著，表明在加富CO2環(huán)境下，使用適宜的紅藍光有利于提高蕹菜的營養(yǎng)品質(zhì)。

3.3 加富CO2下不同紅藍光配比對蕹菜地上部固碳量的影響

自然固碳法主要是利用陸地植物的固碳功能[29]，目前自然固碳研究多基于森林、草原生態(tài)系統(tǒng)等，關(guān)于設施農(nóng)作物固碳的研究相對較少。本研究結(jié)果表明，CK1較CK0的地上部固碳量有顯著性提升，這與陳丹艷的研究結(jié)果[30]一致。寧宇等認為，紅藍光組合中提高紅光比例能夠提高芹菜的凈光合速率并促進碳同化[31]。本研究還發(fā)現(xiàn)，加富CO2環(huán)境下，使用不同紅藍光配比處理相比CK1可以顯著促進蕹菜地上部固碳量的提高，其中以A3提高效果最好，表明在加富CO2環(huán)境下使用適宜的紅藍光有利于提高蕹菜的地上部固碳量。

綜上可知，增施CO2后，蕹菜的產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)指標有顯著性提高，硝酸鹽含量顯著降低，且符合我國規(guī)定的硝酸鹽安全范圍。在加富CO2環(huán)境下，使用不同紅藍光配比處理相比白光處理均對蕹菜的生長和營養(yǎng)品質(zhì)指標有顯著的提高作用，其中以A3處理(R ∶B=4 ∶1)效果最佳。因此，在設施內(nèi)加富CO2環(huán)境下，使用R ∶B=4 ∶1紅藍光配比處理，不僅能緩解設施內(nèi)早春栽培弱光脅迫和CO2缺乏，且使蕹菜加快生長、提早采收上市，進而實現(xiàn)其經(jīng)濟價值。同時，本試驗量化了蕹菜的固碳量，為設施農(nóng)業(yè)的固碳-高產(chǎn)栽培一體化研究提供了參考依據(jù)，對實現(xiàn)減少農(nóng)業(yè)的碳排放具有參考作用，同時也為后期的研究奠定了基礎。