不同通气频次对水培菜心生长及品质的影响

不同通气频次对水培菜心生长及品质的影响

 

摘要：为探究通气频次在水培菜心上的最佳应用方案，以‘油绿501’菜心为材料，研究T1（不通气）、T2（15minO2/8h）、T3（15minO2/4h）、T4（15minO2/h）、T5（完全通气）5个不同通气频次对菜心生长及品质的影响。结果显示，对菜心根系完全通气可显著增加菜心植株的根系活力、茎粗、根鲜重、地上部鲜重、经济产量等生长指标，还可增加菜心可溶性糖等营养物质含量；但对菜心株高和蛋白质含量影响不大。另外，随着通气频次的增加，菜心的单株叶片数、叶绿素及类胡萝卜素含量均呈现逐渐降低的趋势。研究结果表明，在水培条件下，连续通气（T5处理）对菜心的生长发育和品质提升效果最佳，但从生产成本考虑，T4（15minO2/h）处理也可以获得较好的效果。

 

菜心（BrassicacampestrisL.ssp.chinensisvar.utilisTsenetLee）是十字花科芸薹属一二年生草本植物[1-2]。由于菜心柔嫩甘甜，富含大量钙离子、铁离子、维生素和矿质元素等营养成分，并具有通肺开胃、清热解毒、美容保健、增强免疫力等功效，深受人们喜爱[3]。菜心因喜温和气候，在广东、广西和海南等地一年四季均可种植[4-5]，是华南特产蔬菜和主要栽培蔬菜之一。

 

近年来，为满足市场需求，避免土地连作障碍，水培设施蔬菜种植模式逐渐被推广。该种植模式可进行连续生产、多茬栽培，可实现周年供应，并保证蔬菜鲜嫩、无污染、无公害，同时还可推动农业自动化发展[6]，是未来农业生产中的主要种植手段之一，符合我国农业发展的趋势[7]。

 

植物根系生长与其对营养元素的吸收密切相关，且该生长过程需要充足的氧气[8]。研究表明，植物根系缺氧会抑制其对营养元素的吸收和转运，不利于地上部的生长，严重时甚至会导致其死亡[9]。根系氧气供应不足时，植株叶片的N、P元素浓度显著下降，矿质元素向植株地上部的运输受到抑制，营养元素更多地分配到新叶，进而加速老叶的衰老[10-11]。水培种植模式的关键技术之一是给植物根部提供充足的氧气，以满足其生理活动。对营养液进行通气是解决该问题的理想途径之一，但通气频次是否对菜心的产量和品质造成影响，尚未有研究报道。因此，以‘油绿501’菜心为材料，采用水培栽培模式研究不同通气频次对菜心生长及品质的影响，以期探明最适宜菜心生长的外界通气频次，为菜心的高品质、高产栽培提供理论依据。

 

1材料与方法

 

1.1试验材料

 

本研究以‘油绿501’菜心（由广州市农业科学研究院蔬菜研究所选育）为材料，该品种生长势强，且具有较强的抗病性和抗逆性。

 

1.2试验设计

 

本试验于2021年10月－2022年1月在韶关学院生物与农业学院培养室（温度：25±1℃，光照强度：100μmol/（m2·s），16h光/8h暗）内进行。将种子播种于珍珠岩中，待植株长至3叶1心时，选取长势一致的幼苗于水培盆（长42cm，宽27cm，高8cm）中进行培养，以改良霍格兰营养液配方[12]作为水培营养液。共设置5个处理组，分别为T1组（根部不通气）、T2组（每8h向根部通气15min，15minO2/8h）、T3组（每4h向根部通气15min，15minO2/4h）、T4组（每1h向根部通气15min，15minO2/h）以及T5组（向根部连续通气），每组27株菜心，共设置3个生物学重复。

 

1.3测定指标及方法

 

1.3.1生长指标测定。80%左右菜心植株长至齐口花期进行取样，每处理组随机选取9株菜心调查并记录单株叶片数。同时，分别用直尺、游标卡尺测量每株菜心的株高和茎粗，并将各单株根、茎、叶单独分离开，称量并记录其根鲜重、地上部鲜重和经济产量。将完成鲜物质量测量的菜心植株的根、茎、叶单独分开，放入烘箱中烘干，再测量其地上部干重和根干重。

 

1.3.2叶绿素含量测定。于10mL离心管中放入0.05g菜心叶片，加入5mL95%乙醇，黑暗放置24h后，以95%乙醇为空白对照，分别在波长665、649、470nm下测定其吸光度。根据叶绿素含量计算公式分别计算出叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量[13]，每组设置3次生物学重复（下同）。

 

1.3.3可溶性糖含量测定。每处理组选取9株菜心，用蒽酮比色法测定其可溶性糖含量。

 

1.3.4蛋白质含量测定。采用考马斯亮蓝G-250染色法[13]进行叶片蛋白质含量测定。

 

1.3.5根系活力测定。取样采用氯化三苯四氮唑法（TTC法）进行根系活力测定[14]。

 

1.4数据处理与分析

 

使用MicrosoftExcel2022软件对试验数据进行分析整理，并制作图表。利用SPSS17.0软件采用Dun-can’s新复极差法进行显著性分析。

 

2结果与分析

 

2.1不同通气频次对菜心生长指标和生物量的影响

 

2.1.1不同通气频次对菜心生长指标的影响。由图1可知，通气频次对菜心株高有一定影响。其中，T1、T4和T5处理株高相近，无显著性差异。T2处理植株最高，与T1处理相比，株高增加10.06%；T3处理植株最矮，与T1处理相比，株高降低11.70%。通气频次也可影响菜心的茎粗。其中，T1、T2和T4处理植株茎粗相近，无显著性差异。T3处理植株茎粗最小，与T1相比，茎粗降低6.69%；T5处理植株茎粗明显增加，与T1相比，茎粗增加13.87%。另外，通气频次可显著降低菜心叶片数。与T1相比，T2、T3、T4和T5处理菜心植株叶片数降低13%~15%，而T2、T3、T4、T5处理之间菜心叶片数相近，无显著性差异。

 

2.1.2不同通气频次对菜心生物量的影响。由图2可知，T1、T2、T3和T4处理之间菜心根鲜重相近，均无显著性差异。而T5处理与其他处理相比均呈显著性差异，与T1处理相比，菜心根鲜重增加26.03%。对菜心的地上部鲜重而言，与T1处理相比，T2和T3处理菜心地上部鲜重分别降低7.83%和9.54%，T4和T5处理菜心地上部鲜重分别增加20.30%和61.66%。另外，通气频次也显著影响菜心的经济产量（图2），T1、T2和T3处理组菜心经济产量相近，无显著性差异；而T4和T5处理较T1、T2、T3处理显著增加菜心经济产量，与T1处理相比，分别增加18.82%和48.97%。

 

2.2不同通气频次对菜心根系活力的影响

 

由图3可知，通气频次对菜心根系活力有一定影响，随着通气频次的增加，菜心根系活力呈现先降低后增加的趋势，以T5处理组根系活力最高，其次是T1处理。与T1处理相比，T2、T3和T4处理根系活力分别降低43.6%、55.07%和16.30%，而T5处理根系活力增加25.99%。

 

2.3不同通气频次对菜心叶片叶绿素含量的影响

 

由表1可知，不同通气频次可影响菜心叶片叶绿素含量。随着通气频次的增加，菜心叶片叶绿素a（Chl.a）、叶绿素b（Chl.b）、叶绿素a+b（Chl.a+b）以及类胡萝卜素含量均呈现递减的趋势，且T1处理组的叶绿素a，叶绿素b以及叶绿素a+b含量最高，与T2、T3、T4、T5处理组相比均呈显著性差异。T5处理组的菜心类胡萝卜素含量最低，与其他处理组相比呈显著性差异。各处理组Chl.a/Chl.b比值接近3︰1，但均无显著性差异。

 

2.4不同通气频次对菜心可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响

 

可溶性糖含量以T2处理菜心的最高，与T4、T5处理差异不显著，与T1、T3处理差异显著，T2、T4和T5处理分别较T1处理增加45.19%、39.17%和38.62%。通气84频次对菜心可溶性蛋白含量有一定的影响。以T1、T3处理的菜心可溶性蛋白含量较高，T2、T4和T5处理较T1分别降低16.67%、16.67%和27.77%。

 

2.5不同通气频次与菜心各指标的相关性分析
 

 

由表2可知，不同通气频次对菜心茎粗、叶片数、Chl.a含量、Chl.b含量、Chl.（a+b）含量、Chl.a/Chl.b、类胡萝卜素含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量等指标的影响具有线性关系。其中，不同通气频次与Chl.a/Chl.b呈极显著正相关；与茎粗、可溶性糖含量呈显著正相关；不同通气频次与叶片数、Chl.a含量、Chl.b含量、Chl.（a+b）含量以及类胡萝卜素含量呈极显著负相关；与蛋白质含量呈显著负相关。因此，在水培菜心生产中，需要选择适宜的通气频次以满足植株生长所需。

 

3讨论

 

氧气是植物根系呼吸的必要条件，根系缺氧会抑制根部有氧呼吸，破坏根系生理功能运作，抑制营养元素向地上部运输，严重时可导致植株死亡[15]。本研究结果表明，对菜心根部进行不同频次通气可明显影响菜心的生长发育和营养品质。从生长指标可看出，T5处理（一直通气）菜心的根系活力和根鲜重大于T1、T2、T3、T4处理，同时增加了菜心茎粗、根鲜重、地上部鲜重和经济产量，表明氧气充足条件下，根系活力明显增强，因此，增加通气频次可促进根系和植株生物量的积累。该结果与春小麦根系在充足氧气条件下可促进其生长发育，并有效提高植株经济产量积累的研究结果一致[16]。

 

叶绿素是植物细胞内参与光合作用的重要色素，其质量浓度可直接影响光合作用的强弱，进而影响植物的生长发育[17]。本研究表明，植株根系通气频次越高，叶绿素和类胡萝卜素含量反而越低，即T1处理组叶绿素和类胡萝卜素含量显著高于T5处理组。该结果与连续增氧导致水稻叶绿素含量下降结果一致[18]。造成此现象的原因可能与植物对根际氧的需求具有一定范围，过量增氧反而不利于植物生长有关[18-19]。

 

可溶性糖是植物生长发育和基因表达的重要调节因子，可充当能量储存、转移的介质，并可调节蛋白质的稳定性[20]。本研究通过增加通气频次，显著增加了菜心的可溶性糖含量，改善了菜心的营养品质。可溶性蛋白含量反映了植物代谢活动的总体水平，与植物衰老有密切关系[21]。本研究通气频次对菜心可溶性蛋白含量有一定影响，但影响不大。

 

综上，连续通气状态下的菜心植株生长最好，但从生产成本考虑，通气15min/h（T4处理）也可以获得较好的效果。本研究仅检测了生长指标、根系活力、叶绿素含量、部分品质指标，今后可以从光合作用、基因表达等方面进行详细分析，进而阐明其具体作用机制。

 

4结论

 

本研究采用水培栽培模式，研究了不同通气频次对菜心生长及品质的影响。结果表明，对菜心根部连续通气可显著增加菜心植株的根系活力、茎粗、根鲜重、地上部鲜重、经济产量等生长指标，还可增加菜心的可溶性糖等营养物质含量；但对菜心株高和可溶性蛋白含量影响不大。另外，随着通气频次的增加，菜心的单株叶片数、叶绿素及类胡萝卜素含量均呈现逐渐降低的趋势。综合通气频次对菜心植株生长指标和营养品质的影响，连续通气（T5处理）对菜心的生长发育和品质提升效果最佳，但从生产成本考虑，通气15min/h（T4处理）也可以获得较好的效果。