營養液配方優化及其對水培生菜生長和生產效率的影響

喬佳樂,郭美玲,竇煜煒,魏珉,2,張大龍,2,李巖,2*

營養液配方優化及其對水培生菜生長和生產效率的影響

喬佳樂1,郭美玲1,竇煜煒1,魏珉1,2,張大龍1,2,李巖1,2*

1. 山東農業大學園藝科學與工程學院, 山東 泰安 271018 2. 農業部黃淮海設施農業工程科學觀測實驗站, 山東 泰安 271018

采用三因子二次飽和D-最優設計，對營養液配方中的元素濃度進行優化，并建立了以元素濃度為變量因子，生菜產量和品質為目標函數的三元二次數學模型。通過對模型解析表明，水培生菜的優化配方為氮6.2146～6.2630 mmol·L-1、磷0.4934～0.4983 mmol·L-1、鉀3.8396～3.8945 mmol·L-1、鐵0.0688～0.0693 mmol·L-1、硼0.0464～0.0470 mmol·L-1、錳0.0098～0.0102 mmol·L-1、鎂0.4876～0.5401 mmol·L-1、鋅0.0007～0.0008 mmol·L-1、銅0.0003～0.0004 mmol·L-1。與山崎（葉用萵苣）配方（CK1）和園試配方（CK2）相比，優化后的配方能夠顯著促進生菜植株生長，增強其植株光合能力和根系活力及其對營養元素的吸收能力，進而提高生菜單株產量且改善其可溶性蛋白、Vc、纖維素等品質，其中生菜根系活力、Vc含量、單株產量較兩對照分別提高了15.1%、26.4%、24.7%和48.3%、39.0%、36.3%。此外，優化配方處理下生菜采收天數較CK1和CK2分別提前2和5 d；與兩對照相比，優化配方處理下生菜單株效益和產投比均顯著提高，較CK1和CK2分別提高了25.2%、41.1%和36.0%、94.0%。因此，優化配方對于實現水培生菜高產優質栽培具有重要意義。

生菜; 營養液; 配方施肥

營養液是水培葉類蔬菜的關鍵因素之一，其各營養元素的濃度對葉類蔬菜的生長有著重要影響[1]。有研究表明，在經典營養液配方的基礎上對各元素濃度進行優化，能夠提高葉類蔬菜的產量和品質[2,3]。楊小鋒等[4]采用三因素五水平正交試驗，在山崎（葉用萵苣）配方的基礎上優化氮磷鉀濃度，發現適當降低氮和鉀濃度，提高磷濃度可以促進生菜生長，且當氮磷鉀濃度分別為3.07 mmol·L-1、0.58 mmol·L-1、2.67 mmol·L-1時生菜可獲得最大產量與最佳品質。付曉忠[5]研究發現，對霍格蘭配方和微量元素通用配方中的氮、磷、鉀、硼、錳、鋅、銅、鉬等元素進行優化調整，可滿足生菜對養分的需求，改善其品質。因此，對一些經典營養液配方中的元素濃度進行優化可使葉類蔬菜達到高產優質的目標。

生菜（L.）屬菊科萵苣屬，具有生長期短、便于管理、營養價值高等特征，深受人們喜愛。目前對生菜營養液配方的優化主要集中在氮磷鉀方面，而對其他元素的優化研究較少。二次飽和D-最優設計[6]具有處理數少，獲得信息量大，實用性強等特點，在蔬菜等作物肥料配施方案中應用非常廣泛[7,8]。因此，本試驗采用二次飽和D-最優設計，對山崎（葉用萵苣）配方和微量元素通用配方進行營養元素優化，進而研究營養液優化配方對水培生菜形態指標、品質指標、光合參數、營養元素吸收量以及經濟效益的影響，優化用于生菜的營養元素濃度方案，以期為植物工廠水培生菜高產優質栽培提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

供試材料選用‘意大利生菜’，試驗在山東農業大學泮河校區園藝試驗站人工氣候室內進行。育苗時，選取飽滿且均勻一致的種子直接播于聚氨酯泡沫小方塊中（2 cm × 2 cm × 2 cm），之后放置于泡沫育苗盤（59 cm × 29 cm × 3 cm）中，并在25 ?C遮光條件下進行催芽，1 d后種子露白及時見光。待生菜幼苗子葉展平時定植于生長箱栽培盤中（60 cm × 40 cm × 6 cm），照射光量子通量密度為250 μmol·m-2·s-1的白光，光周期為14 h/10 h，晝夜溫度25 ?C/18 ?C，濕度70±5%。

1.2 試驗設計

1.2.1營養液元素濃度的優化以山崎（葉用萵苣）配方和微量元素通用配方中的元素濃度為基礎，采用二次飽和D-最優設計，設置元素濃度的上、下水平分別為原濃度±15%，再根據各因素變化間距確定各處理中元素濃度(表1）。最后以生菜產量和品質指標的綜合評分為主要觀測值，確定配方中最優的元素濃度范圍，得到水培生菜優化配方。

表 1 元素濃度配比試驗設計

1.2.2 水培生菜優化配方的驗證以山崎（葉用萵苣）配方（CK1）和1/2倍的園試配方（CK2）為對照，以優化配方為處理（T）進行驗證，各處理元素組成及鹽類化合物用量見表2。

表 2 不同處理鹽類化合物用量/mg·L-1

1.3 測定指標與方法

生菜達到商品成熟后，各處理隨機選取5株，用于測定其葉長、葉寬、葉面積、葉片數、株高及產量。可溶性蛋白、可溶性糖、硝酸鹽、游離氨基酸和VC含量分別采用考馬斯亮藍G-250染色法、蒽酮乙酸乙酯法、水楊酸法、茚三酮顯色法和2,6-二氯酚靛酚滴定法測定[9]。葉片光合色素和纖維素含量分別采用80%的丙酮法和蒽酮比色法測定[10]。根系活力采用TTC法測定[11]。

用CIRAS-3便攜式光合測定儀（PPsystems公司，美國），選取同一朝向且長勢相似的第2～3片生菜葉進行光合參數的測定。

植物全氮、全磷、全鉀及鈣、鎂的含量分別采用半微量凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法和原子吸收分光光度法測定[12]。

1.4 數據處理

利用SPSS 26.0軟件進行數據統計分析、相關性分析和差異顯著性檢驗（< 0.05）。用Data Processing System 14.10建立回歸模型，用Microsoft Excel 2010軟件進行數據統計和作圖。

2 結果與分析

2.1 營養液元素濃度的優化

2.1.1 回歸模型的建立以表1中元素編碼值為函數自變量，表3中生菜產量和品質綜合評分為函數因變量，進行二次多項式回歸分析，得出元素濃度與生菜產量和品質綜合評分之間的回歸方程分別為：

1=106.437-6.5021-5.2542-1.1573-2.76912-12.63222-8.15832-3.43912-1.07313+1.78123

2=92.459-1.7941-0.0602-2.9743-3.73912-2.47422-4.24732-0.49312-2.64113-1.46223

3=131.091-3.5421-1.2342-0.3763-28.31612-14.52022-21.27832-1.96812+3.60613+0.91423

4=95.830-4.2631+2.9242-0.2393-4.70912-8.57822-3.08032-1.43812-1.46013-0.17423

5=110.899-9.2891+2.9202-3.4273-5.81012-10.44322-10.31132+0.33112-2.82613+1.83423

6=97.110-2.4411-1.6502+0.9913-5.78212-11.25522-2.34132-4.01912+0.70713+3.60923

其中，1、3、5和2、4、6分別為氮磷鉀、鐵硼錳、鎂鋅銅下的產量和品質綜合評分。

表 3 不同元素濃度對生菜產量和品質的影響

備注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（< 0.05），下同。

Note: The different lower case letters in the same column indicate significant difference among treatments (< 0.05). The same below.

2.1.2 因子主效應分析從元素濃度與生菜產量和品質綜合評分回歸模型的一次項可以看出，氮磷鉀濃度對生菜產量和品質的影響順序分別為氮>磷>鉀和鉀>氮>磷；鐵硼錳濃度對生菜產量和品質的影響順序均為鐵>硼>錳；鎂鋅銅濃度對生菜產量和品質的影響順序分別為鎂>銅>鋅和鎂>鋅>銅。

2.1.3 利用模型進行決策從表4中可以得出，生菜單株產量達100 g以上且品質綜合評分超過90分的元素濃度范圍為：氮6.2146～6.2630 mmol·L-1、磷0.4934～0.4983 mmol·L-1、鉀3.8396～3.8945 mmol·L-1、鐵0.0688～0.0693 mmol·L-1、硼0.0464～0.0470 mmol·L-1、錳0.0098～0.0102 mmol·L-1、鎂0.4876～0.5401 mmol·L-1、鋅0.0007～0.0008 mmol·L-1、銅0.0003～0.0004 mmol·L-1。

表 4 生菜單株產量超過100 g和品質綜合評分超過90的元素取值頻率分布

2.2 水培生菜優化配方的驗證

2.2.1 對生菜生長和產量的影響由圖1和表5可知，T處理下生菜的株高、葉長、葉寬、葉面積和單株產量均顯著高于兩對照（< 0.05），且T處理下生菜較CK1和CK2分別增產24.7%和36.3%；T處理下生菜葉片數顯著高于CK2，但其與CK1之間差異不顯著（> 0.05）。

圖 1 不同營養液配方對生菜形態的影響

表 5 不同營養液配方對生菜生長和產量的影響

2.2.2 對生菜根系活力的影響從圖2可以看出，T處理下生菜的根系活力較兩對照均明顯增高（< 0.05），CK1次之，CK2最低。其中，T處理下生菜根系活力較CK1和CK2分別提高了15.1%和48.3%。

圖 2 不同營養液配方對生菜根系活力的影響

2.2.3 對生菜光合色素含量的影響通過表6可以看出，與兩對照相比，T處理下生菜葉綠素a、葉綠素a＋b和類胡蘿卜素含量均顯著增加（< 0.05），較CK1和CK2分別提高了14.5%、12.8%、19.0%和26.7%、25.7%、38.9%；T處理下生菜的葉綠素b含量顯著高于CK2，但與CK1差異不顯著（> 0.05）；T處理下葉綠素a/b較CK1明顯增加，但與CK2無明顯差異。

表 6 不同營養液配方對生菜光合色素含量的影響

2.2.4 對生菜光合參數的影響由表7可看出，T處理下生菜凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均明顯高于兩對照（< 0.05），較CK1和CK2分別提高了23.2%、22.2%、20.8%和57.8%、48.8%、38.0%；胞間CO2濃度則呈相反的趨勢。

表 7 不同營養液配方對生菜光合參數的影響

2.2.5 對生菜品質的影響從表8中可以看出，T處理下生菜游離氨基酸、Vc和纖維素含量均較兩對照顯著增加（< 0.05），且較CK1和CK2分別提高了9.3%、26.4%、14.9%和19.8%、39.0%、6.3%；T處理下生菜硝酸鹽含量明顯低于兩對照，較CK1和CK2分別降低了17.1%和31.0%；T處理下生菜可溶性糖含量顯著低于CK1，但與CK2之間差異不顯著（> 0.05）；T處理的可溶性蛋白含量顯著高于CK2，但與CK1之間無明顯差異。

表 8 不同營養液配方對生菜品質的影響

2.2.6 對生菜營養元素吸收狀況的影響通過表9可知，T處理下生菜對氮和鈣元素的吸收量均明顯高于兩對照（< 0.05），較CK1和CK2分別增加了23.3%、12.6%和46.5%、3.1%；T處理下生菜對鉀和鎂元素的吸收量顯著高于CK2，分別高出8.6%和17.2%，但與CK1差異不顯著（> 0.05）；T處理的磷元素吸收量則明顯低于兩對照。

表 9 不同營養液配方對生菜營養元素吸收的影響

2.2.7 對生菜生產成本及種植經濟效益的影響 T配方下生菜采收天數較CK1和CK2分別提前2和5天（表10）；與兩對照相比，T處理下生菜單株效益和產投比均顯著提高（< 0.05），較CK1和CK2分別提高了25.2%、41.1%和36.0%、94.0%。

表 10 不同營養液配方對生菜生產成本及種植經濟效益的影響

注：生菜9元/kg。

Note: lettuce 9 Yuan/kg.

3 討論

營養液中各元素的濃度在葉類蔬菜水培過程中起著重要的作用，研究營養元素的合理配施是構建作物高產高效模型的關鍵。前人研究發現，葉類蔬菜在氮、磷、鉀、鎂、鐵、硼、錳、鋅、銅濃度范圍分別為6.0～9.0 mmol·L-1、0.5～0.8 mmol·L-1、2.5～5.0 mmol·L-1、0.5～1.0 mmol·L-1、0.05～0.10 mmol·L-1、0.008～0.032 mmol·L-1、0.01～0.02 mmol·L-1、0.002～0.003 mmol·L-1、0.004～0.006 mmol·L-1時，能夠獲得較高的產量與品質[5,13-15]。本試驗所得氮、鉀、鎂、鐵、錳、銅的濃度范圍與上述前人研究結果相似，而磷、硼、鋅的濃度范圍則與上述前人研究結果有所不同，其中磷濃度降低，硼和鋅濃度升高，這可能是葉類蔬菜的品種、所用鹽類化合物的種類、營養液濃度以及處理環境之間的差異造成的。

營養液中的營養元素只有經過合理的組合才能保證葉類蔬菜平衡吸收。本試驗研究發現，與山崎（葉用萵苣）配方和微量元素通用配方相比，優化配方（T）中氮、磷、鉀、鐵、鋅濃度下降，鎂、硼、錳、銅濃度升高，其處理下生菜形態指標、光合參數、品質指標、營養元素吸收狀況等均優于兩對照。這是因為T配方下營養元素配比適宜，各元素協同作用增加了葉片中光合色素含量，使植株有效地將葉片吸收的光能轉化為化學能，從而提高光合電子傳遞速率，增強光合能力和根系活力，有利于促進生菜對營養元素與水分的吸收，進而促進生菜的生長與干物質積累，改善其品質。此外，T配方中硝態氮降低，銨態氮施用比例增加，可能會提高生菜葉片中細胞分裂素的含量，進而促進葉面積的形成，實現植株干物質量的增加[16]。在本研究中，T處理下硝酸鹽和可溶性糖含量均明顯降低，這是因為適當降低氮濃度，提高鎂和錳濃度能夠增強硝酸還原酶活性，促進硝酸鹽轉化[17]，而鉀、鐵、鋅濃度的降低一定程度上阻礙了生菜葉片中可溶性碳水化合物的合成與運輸[18]。本研究還發現，T處理下生菜對鈣元素的吸收量顯著高于兩對照，而對磷元素的吸收量則低于兩對照，隨著鉀濃度的減少，生菜對鈣元素的吸收量逐漸增大。這與前人研究結果相似[19]，可能是鉀與鈣元素之間存在拮抗作用，隨著鉀濃度的降低，促進生菜對鈣元素的吸收[20]。同時，鉀濃度的降低也抑制了生菜對磷元素的吸收[21,22]。

4 結論

本試驗在山崎（葉用萵苣）配方和微量元素通用配方的基礎上，采用二次飽和D-最優設計優化其元素濃度，得到水培生菜優化配方。與兩對照相比，優化配方能夠顯著促進生菜植株生長，提早采收，提高產量和品質，且該配方配制成本低、經濟效益高，適合水培生菜。

[1] Luna MC, Martinez-Sánchez A, Selma MV,. Influence of nutrient solutions in an open-field soilless system on the quality characteristics and shelf life of fresh-cut red and green lettuces (L.) in different seasons [J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2013,93(2):415-421

[2] 劉青.營養液配方對盆栽水芹生長和品質的影響[D].揚州:揚州大學,2020

[3] 曲明山,董海泉,邢文鑫,等.調整山崎生菜營養液配方對生菜產量及品質的影響[J].河北農業科學,2012,16(8):31-35

[4] 楊小鋒,別之龍.氮磷鉀施用量對水培生菜生長和品質的影響[J].農業工程學報,2008,24(S2):265-269

[5] 付曉忠.無土栽培蔬菜（萵苣）硝酸鹽累積規律及其營養調控技術研究[D].大慶:黑龍江八一農墾大學,2009

[6] 焦志勇,周紹美.二次飽和D-最優設計[J].山東農業科學,1989(2):46-49,42

[7] 李子雙,王薇,張世文,等.氮磷與硅鈣肥配施對辣椒產量和品質的影響[J].植物營養與肥料學報,2015,21(2):458-466

[8] 黃立華,劉穎,周米平.氮磷鉀肥配施對大白菜產量和品質的影響[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2005(10):51-56

[9] 李合生.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京:高等教育出版社,2006

[10] 高俊鳳.植物生理學實驗指導[M].北京:高等教育出版社,2006

[11] 趙世杰,史國安,董新純.植物生理學實驗指導[M].北京:中國農業科學技術出版社,2002

[12] 鮑士旦.土壤農化分析(第3版)[M].北京:中國農業出版社,2007

[13] 弓瑤.不同營養液鉀濃度和立體錯位栽培對生菜生長與產量的影響[D].銀川:寧夏大學,2021

[14] 宋國菡,楊力,劉光棟,等.營養液鎂濃度對結球甘藍生長發育及鎂吸收影響的研究[J].山東農業科學,1998(1):10-14

[15] 賀艷.白菜中微量元素田間對比試驗[J].園藝與種苗,2018(3):11-12

[16] Farid M, Rafiuddin BDR, Laraswati AA,. Testing of lollo rossa lettuce varieties (var.) on different ammonium-nitrate ratio in the hydroponic nutrient solution [J]. IOP Conference Series Earth and Environmental Science, 2020,484(1):012094

[17] 佟容.低施氮肥對菠菜生長發育及品質的影響[D].長春:吉林農業大學,2021

[18] 胡繁榮.磷、鉀對番茄可溶性碳水化合物分配的影響[J].吉林農業大學學報,2004(2):151-154

[19] 李明悅,朱靜華,廉曉娟,等.鉀·鈣·鈉交互作用對小白菜生長和養分吸收的影響[J].安徽農業科學,2013,41(5):2031-2032,2160

[20] Liu WK, Yang QC, Qiu ZP. Spatiotemporal changes of nitrate and Vc contents in hydroponic lettuce treated with various nitrogen-free solutions [J]. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B-Soil & Plant Science, 2012,62(3):286-290

[21] 喬源.氮磷鉀供應對水培芹菜產量、品質及元素利用效率影響的研究[D].楊凌:西北農林科技大學,2016

[22] 唐璐.氮磷鉀營養對芥菜和生菜生長及總酚含量的影響[D].廣州:華南農業大學,2016

Optimization of Nutrient Solution Formula and Its Effect on Growth and Production Efficiency of Hydroponic Lettuce

QIAO Jia-le1, GUO Mei-ling1, DOU Yu-wei1, WEI Min1,2, ZHANG Da-long1,2, LI Yan1,2*

1.271018,2.,,271018,

The three-factor secondary saturation D-optimal design was used to optimize the element concentration in the nutrient solution formula, and a ternary quadratic mathematical model was established with element concentration as the variable factor and lettuce yield and quality as the objective function. Through the analysis of the model, the optimal formula of hydroponic lettuce is N 6.2146～6.2630 mmol·L-1, P 0.4934～0.4983 mmol·L-1, K 3.8396～3.8945 mmol·L-1, Fe 0.0688～0.0693 mmol·L-1, B 0.0464～0.0470 mmol·L-1, Mn 0.0098～0.0102 mmol·L-1, Mg 0.4876～0.5401 mmol·L-1, Zn 0.0007～0.0008 mmol·L-1, Cu 0.0003～0.0004 mmol·L-1. Compared with the Yamazaki (leaf lettuce) formula (CK1) and the garden test formula (CK2), the optimized formula can significantly promote the growth of lettuce plants, enhance their photosynthetic capacity, root activity and absorption capacity of nutrients, thereby increasing the yield of lettuce per plant and improving the quality of soluble protein, Vc and cellulose. The root activity, Vc content and yield per plant of lettuce increased by 15.1 %, 26.4 %, 24.7 % and 48.3 %, 39.0 %, 36.3 %, respectively, compared with the two controls. In addition, the harvest days of lettuce under the optimized formula treatment were 2 and 5 days earlier than CK1 and CK2, respectively. Compared with CK1 and CK2, the single plant benefit and output-input ratio of lettuce under the optimized formula treatment were significantly increased by 25.2 %, 41.1 % and 36.0 %, 94.0 %, respectively. Therefore, optimizing the formula is of great significance for achieving high yield and high quality cultivation of hydroponic lettuce.

Lettuce; nutrient solution; formula fertilization

S636.2

A

1000-2324(2023)02-0166-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.002

2022-12--05

2023-01-17

山東省現代農業產業技術體系蔬菜創新團隊(SDAIT-05-05)

喬佳樂(1998-),男,碩士研究生,主要從事設施蔬菜生理生態研究. E-mail:1371022151@qq.com

Author for correspondence. E-mail:edmonlee@163.com