光周期对植物工厂水芹产量和品质的影响

李政璞，佟 静，王素娜，李炎艳，王丽萍，梁 浩，武占会

（1北京市农林科学院蔬菜研究所，北京 100097；2邯郸市峰峰矿区农业农村局，河北邯郸 056200；3农业农村部华北都市农业重点实验室，北京 100097；4河北工程大学园林与生态工程学院，河北邯郸 056038；5邯郸市农业科学院，河北邯郸 056001）

0 引言

人工光合植物工厂的生产优势有很多。如能够使作物达到周年高产、能够操控作物生长环境、水肥管理更简化。如何达到蔬菜在立体多层的栽培空间产量高、品质好，人工植物工厂是关键途径[1]。人工植物工厂的作物产量比露地栽培的产量高出十几倍[2]。植物工厂适宜生长，并且能缩短作物生产周期，提高产量和品质[3-4]。光对植物的生长有一定的影响，光能够促进植物光合作用；光照强度和光质在植物生长发育过程中对作物生长有关键性作用[5]。植物进行光合作用时，会随着环境中光照条件的改变产生适应性应答[6]。不同植物对光周期的反应有差异，据研究结果表明，扁茎大豆[7]、甜瓜[8]和芸苔[9]对光环境要求的周期不一样，由此可见，蔬菜的种类不同需要的光周期也不尽相同，通过对比作物差异，研究适宜的光环境对作物的生产投入有积极意义。

水芹(Oenanthe javanica)属伞形科多年生水生草本植物[10]，又称牛草、小叶芹、野生芹菜等。水芹的病虫害不多，有较好收成，适应性广，在中国水乡大面积种植，每年种植面积约17000 hm2。水芹的营养价值极高，含有很多对身体有益的物质，如膳食纤维、黄酮类等，含有人体所需的钙、磷、铁等营养物质，水芹具有清热解毒、清肝利胆等医疗功效[11]。杨建林等[12]研究表明，水芹内所含有的维生素C成分高达5.0 mg/100 g，明显高于其他蔬菜；维生素C可以促进宫颈癌细胞凋亡基因蛋白的活化。据调查研究，水芹药用价值明显，有广阔的市场需求。每一种蔬菜对光环境的要求都有所不同，研究对适宜的光环境，对作物的生产具有积极的作用。本试验对不同光周期水芹产量、品质进行研究，以期为植物工厂高效栽培水芹提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试品种为日本水芹，于2019年11月—2020年1月在北京市农林科学院蔬菜研究中心(116°29'E、39°94'N)人工光型植物工厂水培系统中培养。营养液为国家蔬菜工程技术研究中心专用营养液。

试验采用穴盘育苗，11月9日播种，待幼苗3叶1心时选取长势均匀一致的水芹苗，以株距4 cm、行距7 cm均匀定植到6孔格盘上。试验设4个处理（表1），每个处理10株，3次重复。试验期间光照强度160 μmol/(m2·s)，温度 18～22℃ ，相对湿度为 50%～70%，CO2浓度为(1500±30)μmol/mol，每10天更换1次营养液；每7天测1次营养液的EC和pH，营养液保持在pH 6.0±0.2之间。

表1 各处理光周期设置

1.2 测定指标

1.2.1 生长指标测定 试验在2019年11月15日测定水芹各项生长指标，每隔7天随机选定10株水芹测定植株的各项指标。用直尺测量水芹株高，用游标卡尺测量茎粗，计算叶片数时要选取叶宽大于2 cm的叶片。采用电子天平测定单株鲜重，在105℃下杀青15 min，75℃烘干至恒重，测定干重，测定时对幼苗均随机取样，每个处理3次重复，每个重复测定5次。以收获单个营养液栽培盘（面积为0.410 m2）内的水芹质量(kg)为产量并计算总产量，如式(1)。

1.2.2 生理指标测定 叶绿素含量反映了作物的光合能力。采用乙醇浸提比色法测定叶片光合色素含量[13]，选取植株从上往下数第4～5片叶片，除去主叶脉，均匀剪碎，称量0.1 g放入玻璃试管中，倒入10 mL的95%乙醇，暗处理24 h左右，直到叶片变为白色，在紫外分光光度665、649、470 nm下进行比色（并以95%的乙醇溶液作为对照）。使用Epson Perfection V800 Photo根系扫描仪。

1.2.3 光合气体交换参数的测定 采用LI-6400型光合仪（LI-COR公司，美国）于晴天上午9:00—11:00测定，采用LED光源，CO2浓度为400 μmol/mol，PAR为1000 μmol/(m2·s)。每个处理选取长势一致的水芹，测定同一部位的叶片并测3株，测定的参数包括Pn、Ci、Gs、Tr。

1.2.4 叶片显微结构的测定 于晴天上午9:00—11:00，取水芹第4片叶叶脉中部5 mm×5 mm方块，置于FAA固定液中，真空固定1天，经处理后于蔡司显微镜下观察[14]。每组9张切片，每张切片3个视野测量叶片上下表皮、栅栏组织及海绵组织厚度并计算栅/海比、海绵组织厚度/叶片厚度、栅栏组织厚度/叶片厚度。栅栏组织越厚，排列越紧密，叶片光合能力越强。

1.2.5 品质指标测定 采用2,6-二氯酚靛酚比色法测定Vc含量[15]，考马斯亮蓝比色法测定可溶性蛋白含量[16]，紫外分光光度法测总黄酮含量[17]，紫外分光光度法测定硝酸盐含量(NY/T 1279—2007)[18]。

1.3 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2010软件处理及作图，运用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析，Duncan检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 光周期对植物工厂水芹植株生长的影响

从表2可知，作物水芹的植株随着光照间隔时长的增加，作物的叶片数、叶片长、叶片宽、株高、茎粗、分蘖数均呈现出先升后降的趋势。其中，T2处理的水芹的株高明显高于T4处理；各指标在T1和T3处理之间无显著性差异。T2处理的水芹的株高和茎粗与T1、T3、T4处理相比，分别显著增加了16.3%、22.0%、31.7%和6.8%、17.5%、14.6%。

表2 光周期对植物工厂水芹对水芹生长指标的影响

2.2 光周期对植物工厂水芹地上、地下部分干鲜重和单株产量的影响

由表3可以看出，不同的光周期处理对水芹株高、茎粗、地上部鲜重和根系鲜重的影响呈显著性的差异。在光周期为T2处理时，水芹的地上部鲜重和地上部干重数值最大，T1、T3、T4处理与T2处理相比呈差异性显著；其中T1和T3处理之间无显著性差异。T2处理水芹的全株鲜重和干重比T1处理提高了11.3%和10.8%，比T3处理提高了16.9%和15.2%，比T4处理显著提高了39.8%和30.7%。水芹产量以T2处理表现最佳，为3.22 kg/m2，分别比T1、T3、T4处理显著提升了11.3%、16.9%、39.8%。

表3 光周期对植物工厂水芹地上、地下部分干鲜重和单株产量的影响 g/株

2.3 光周期对植物工厂水芹的叶绿素含量影响

延长光照周期，水芹的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量呈现逐渐增加的趋势（表4）。其中，T2处理下的叶绿素a和类胡萝卜素含量最高。T2处理的叶绿素a分别比T1高32.2%，比T3高42.1%；T2处理下的叶绿素a分别比T1、T3和T4处理提高了25.6%、28.6%和42.4%。T1与T2处理、T3与T4处理的叶绿素b含量差异不大；T4处理的叶绿素b含量分别低于T1、T2、T3处理，显著降低了32.2%、33.3%、14.9%。

表4 光周期对植物工厂水芹的叶绿素含量影响

2.4 光周期对植物工厂水芹根系结构的影响

表5结果表明，水芹各项根系结构指标在T2处理下的表现最优，根系总体积为8.68 cm3，分别比T1、T3、T4处理显著提高了14.2%、24.2%、49.7%。T1和T3处理下的水芹各项根系指标之间无显著差异，且均高于T4处理。

表5 光周期对植物工厂水芹植株根系结构的影响

2.5 光周期对植物工厂水芹叶片光合参数影响

不同光周期处理对水芹叶片的光合特性影响较为显著（表6）。随光照周期的延长，水芹的参数Pn、Gs、Ci和Tr呈先升后降的趋势，且在T2处理时水芹的Pn、Gs、Tr达到最大值。光周期对水芹作物的Ci影响不显著。

表6 光周期对植物工厂水芹植株叶片光合参数影响

2.6 光周期对植物工厂水芹品质的影响

表7结果表明，不同光照周期显著影响了水芹的品质。其中，硝酸盐含量随光照时间的增加而呈现降低的趋势，而总黄酮、多酚含量则随光照时间的增加而增加；其中T1、T2和T3处理之间无显著差异，且均与T4处理差异显著。维生素C和可溶性蛋白的含量以光照T2处理最佳，以T4处理最低；T2处理分别比T1、T3、T4处理增加了19.6%、22.3%、38.1%和8.4%、9.1%、14.9%。T4处理的总黄酮含量分别比T1、T2、T3处理降低了6.8%、10.5%、5.1%。T4处理多酚含量分别比T1、T2、T3处理降低了19.1%、23.2%、17.4%。T4处理的硝酸盐含量最高，分别比T1、T2和T3处理提高了3.5%、6.1%和6.7%。探究水芹各项品质指标，T1和T3处理之间无显著性差异。

表7 光周期对植物工厂水芹植株品质的影响

2.7 光周期对植物工厂水芹显微结构影响

光学显微镜下观察植株的叶片结构图（叶片结构由上下表皮、栅栏组织和海绵组织构成）。由表8可得，T1、T2、T3和T4处理的水芹叶片栅栏组织厚度和海绵组织厚度差异性显著。其中，T2处理的组织结构紧密度（栅栏组织/叶片厚）较高。

表8 光周期对植物工厂水芹植株显微结构的影响

3 讨论

不同光周期对植物生长发育有一定的影响[19]，研究4种不同光周期对水芹生长和品质的影响。结果表明，光照时间由10 h/天增至14 h/天时，水芹的叶片数、地上部干鲜重、根干鲜重、叶面积等都呈先升高再降低的趋势，在光照明暗周期为7 h/5 h时作物产量与品质最佳。这与前人研究结果一致，光照时长的延长显著提高了青梗菜生长速率和产量[20]。薛欢等[21]研究发现，短日照处理（光照时长7 h和10 h），光照时长缩短，金银花叶片中叶绿素含量减少；陈瑶瑶等[22]研究发现，适当短光照处理可以使苦瓜可溶性蛋白质含量升高。研究表明，增加光照时间可以促进植物生长，植株体内光合产物的积累增加。不同植物对光合产物的运输和分配能力不同，在最佳光周期下继续延长光照时间并不利于光合产物的积累。

光是植株叶绿体的发育和叶绿素合成中不可或缺的因素。光合色素在植株体内起着吸收、传递和转换光能的重要作用。适当延长光照时间不仅可以增加植物的光合作用时间，而且可以刺激光敏色素的信号转换，从而诱导植物硝酸还原酶（植物硝酸盐代谢过程中的关键酶）的基因表达，最终提高硝酸还原酶的活性[23]，有利于硝酸盐在植物体内同化。同时，植物光合作用产生的碳水化合物可以分解稀释植物硝酸盐，酸还原过程提供了植株必要的能量和物质。并且延长光周期有利于植物对硝酸盐的同化率的增加，植株干重也会随之增加[24]。由于叶片栅栏组织中含有大量的叶绿体，栅栏组织厚度和紧密程度直接体现了叶片光合能力的强弱[25]，叶片显微结构则间接验证了上面的结论，结果显示T2处理叶片栅栏组织厚度较高，紧密度（栅栏组织/叶片厚）较高，海绵组织疏松，叶片显微结构较好。在本研究中，随着水芹叶片光照时间的增加，可溶性蛋白质含量增加，与光合产物的增加有关，水芹产量、品质和光照暗周期由7 h/5 h增至14 h/10 h时，叶片可溶性蛋白质含量下降，表明间歇5 h/天光照更适合水芹的总光照需求。由此可知，光间歇时间延长，光合代谢降低，光合产物降低[26]。因此，在实际生产中，可以适当延长光照时间，促进水芹的生长，缩短采收时间，有效降低水芹体内硝酸盐的含量。

4 结论

在人工光型植物工厂中运用LED光源，以不同光周期照射水芹，以水芹为试材探究其生长规律与品质的变化。试验结果表明，随着光照间歇时间的增加，水芹的株高、茎粗、叶片长、叶片宽、叶片数、分蘖数均呈先升上升后下降的趋势。在明暗循环周期7 h/5 h时各生长指标达到峰值。总黄酮含量、维生素C含量、多酚含量、可溶性蛋白以及硝酸盐含量均在T2光照处理下表现最佳。因此可得，在等能耗基础上，光照时间由每天10 h(14 h/10 h)延长到14 h(7 h/5 h)，有利于水芹株高增加、产量提升和品质改善。