生菜与樱桃萝卜间作气雾培栽培管理模式优化研究.pdf

农业机械学报 Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery ISSN 1000-1298,CN 11-1964/S 农业机械学报网络首发论文 题目 生菜与樱桃萝卜间作气雾培栽培管理模式优化研究 作者 张蕾，李发秦尉，姚利军，肖飞，于海业 收稿日期 2019-08-07 网络首发日期 2020-02-20 引用格式 张蕾，李发秦尉，姚利军，肖飞，于海业．生菜与樱桃萝卜间作气雾培栽培管理模式优化研究．农业机械学报. http// 网络首发在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。 生菜与樱桃萝卜间作气雾培栽培管理模式优化研究 张 蕾 1, 2 李发秦尉 1, 2 姚利军 1 ,2 肖 飞 1, 2 于海业 1, 2 （ 1.吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022； 2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 130022） 摘要 以降低气雾培生菜叶片硝酸盐含量并提高产量为目标，针对生菜与樱桃萝卜间作气雾培，采用三因素三水平正交试验对间作气雾栽培管理模式进行优化。选取间作比例、营养液浓度分阶段管理、采收前补光处理时间作为试验的 3 个因素，由前期单因素试验结果，设计三 水平正交试验。 正交 试验结果 表明 ， 最优栽培管理模式的因素水平组合为生菜与樱桃萝卜间作比例为 21（植株数量比）；营养液浓度分阶段管理采用前期供应 1/2 倍标准浓度的营养液，中期供应标准浓度营养液，后期供应 1/2 倍标准浓度营养液；采收前补光处理 48h。验证试验表明 ， 该组合栽培管理模式下生菜栽培效果优异，具有高产优质，且可显著降低生菜叶片硝酸盐含量等优点，为低硝酸盐优质叶菜无土栽培研究提供理论基础和方法借鉴。 关键词 生菜；气雾培；间作；管理模式 中图分类号 S636.2; S317 文献标识码 A Research on Optimization of Management Modes for Intercropping Aeroponics of Lettuce and Cherry Radish ZHANG Lei1, 2 LI Faqinwei1, 2 YAO Lijun1, 2 XIAO Fei 1, 2 YU Haiye1, 2 1. College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China; 2. Key Laboratory of Bionic Engineering Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130022, China Abstract In present study, high yield and quality of lettuce were objects under the intercropping aeroponics system with cherry radishes. The orthogonal test of 3 factors and 3 levels were enforced to reduce nitrate content in edible parts of lettuce under the intercropping aeroponics system. According to a large number of single factor experiments in previous researches, the orthogonal test was utilized to study the influence of intercropping ratio, phased management of nutrient solution concentration and the time of pre-harvest light supplementation on target plants. In this paper, the results showed that the optimal combination of factors in the cultivation management mode was as follows the intercropping ratio of lettuce and cherry radish was 21; the nutrient solution was supplied by 1/2 standard concentration in the early stage and in the week before harvest in stages, and standard concentration in the middle stage; and the time of pre-harvest light supplementation was 48h. High yield, high quality, and lower nitrate content in the edible parts were found for lettuce in optimal cultivation management mode, which meant that the optimization was obvious. That’s to say, the cultivation management mode provides theoretical basis and reference for the study of soilless cultivation of high quality leafy vegetables with low nitrate. 1Key words lettuce; aeroponics; intercropping; cultivation management mode1收稿日期 2019-08-07 修回日期 2019-09-29 基金项目吉林省科技发展计划项目（ 20170204020N Y） 作者简介张蕾（ 1979－），女，副教授，主要从事设施农业资源可持续研究， E-mail z_ 通 信 作者于海业（ 1963－），男，教授，博士生导师，主要从事农业设施环境调控与节能技 术研究， E-mail 网络首发时间2020-02-20 105200网络首发地址http// 气雾培（ Aeroponics）作为一种新兴的无基质无土栽培方式，具有 节水、 增产增效等优势，是未来 设施 农业的发展趋势 [1]。生菜 作为 世界 最 主要的温室蔬菜之一，是 气雾 栽培 中 叶菜类的典型代表，其生长周期短、抗病虫害能力强。 硝酸盐（ NO3-） 是植物生长 以及 发育的重要 氮源之一，对植物生长代谢 有较大 影响 [2]。以 气雾培和水培 方式种植的生菜，其 硝酸盐含量往往较高 [3]。虽然 NO3-本身对人体无害，但其在体内的反应和代谢产物（如亚硝胺）对人体健康的不良影响却已经引起人们的警惕 [4]。 间作 Intercropping是 一种极具潜力的生态集约化种植模式 。 王晓丽等 [5]研究表明间作可以 显著 降低蔬菜体内 NO3-含量 ； 文献 [6-8]研究表明适宜的间作栽培模式和间作比例可显著提高气雾培生菜的产量和品质 ； 课题组前期 对 生菜与不同叶菜类蔬菜的间作 进行了 研究，表明 间作具 有明显降低 NO3-含量的 作用，且与樱桃萝卜的间作效果 优异 [9-11]。 营养液是气雾培中植物赖以生存的关键 [12]。因此，在气雾培研究中，营养液一直是研究的重要内容之一。目前相关研究主要针对营养液配方的改良，对于营养液管理方式的研究并不多见 [13]，但 文献 [14-15]研究表明 ， 营养液浓度直接影响植物产量和品质，并且蔬菜在不同生长时期 对 养分 的 需求也不同 。 可见 ， 不同浓度营养液分阶段供应的管理模式十分必要。 近几年针对降低蔬菜硝酸盐含量对蔬菜采收前短期处理的研究较多 ，采收前的短期调控具有时间短 、 成本低 、 效果好等的优点，而采收前连续补光处理是短期调控中最为有效的调控措施 [16-18]，但将采收前连续补光处理与气雾培间作及营养液管理模式相结合的研究还未见报道。 为 优化 生菜气雾栽培管理模式，本文以 “ 意大利 ”全年耐抽薹 生菜（ Lactuca sativa L. var. ramosa Hort.）为研究对象，在课题组前期研究结果基础上，选择生菜与 “红丁” 樱桃萝卜（ Raphanus sativus）构建间作栽培系统， 以间作比例、营养液浓度分阶段管理和采收前连续补光时间为处理，采用三因素三水平正交试验设计对三种措施进行优化 [19]，利用综合评分法 [20]作为多指标正交试验响应值的分析方法， 并 结合验证试验 ， 以 确定最优栽培管理模式。 1 材料与方法 1.1 试验材料与设计 1.1.1 试验地点 本研究分别于 2018 年 3 月 31日 2018 年 6 月 4 日（春季）及 2018 年 8 月 20 日 -2018年 10 月 25日（秋季） 开展优化试验 ，于 2018 年 10月 30日至 2019 年 1 月 5 日（冬季） 进行验证试验 。 试验 在吉林大学南岭校区玻璃温室（ 43°51 05″N、 125°19′51″E）内 进行 （图 1）。温室 内春季白天 和夜晚 温度 分别 在 25±5℃ 和 15±5℃ ，为防止光照过强，在 1100 1400开启温室遮阳控制系统，白天光照 强度 范围为 75125 μmol/m2·s 。秋季白天 和夜晚 温度分别 在 20±4℃ 和 16±4℃ ，秋季光照 强度 范围为 5580 μmol/m2·s 。冬季白天 和夜晚温度 分别 在 18±4℃ 和 12±4℃ ，冬季光照 强度 范围为 5080 μmol/m2·s 。 1.1.2 栽培管理 营养液大量元素采用日本园试配方，微量元素采用霍格兰德通用配方。所有试验单元每天傍晚测试并调节 pH 值一次，保持 pH值 在 5.86.2；不同试验单元按照各自营养液浓度要求，每天傍晚测试并调节 电导率 （ Electrical conductivity, EC） 一次，控制在各 处理的初始 浓度 ±100 μS/cm 的范围内。移栽后，栽培周期 30 d，划分为 3 个生长阶段定植第 110 d 为前期 ，第 11 d 至采收前一周为中期，采收前一周至第 30 d 为后期。试验气雾栽培箱尺寸为53 cm37 cm23 cm，每箱可种植 12株植株，株距为 12 cm。 设置循环喷雾定时器，白天为每间隔 15 min 喷施 15 min，夜间为每间隔 45 min 喷施 5 min。 1.1.3 试验方案 表 1 试验因素水平表 Tab.1 Factor and level table of orthogonal test 水平 生菜与樱桃萝卜间作比例 A 营养液浓度分阶段管理模式 B 采收前补光处理时间 C/h 1 11 1s1s1s* 0 2 21 1/2s1s1/2s 24 3 31 1/4s1s1/4s 48 注 s*代表营养液， s前的数字代表营养液浓度倍数，分隔的三个部分代表 3个生长阶段，下同。 表 2 正交试验方案 Tab.2 Scheme of orthogonal test 试验号 生菜与樱桃萝卜间作比例 A 营养液浓度分阶段管理模式 B 采收前补光处理时间 C/h 1 11 1s 1s1s 0 2 11 1/2s1s1/2s 24 3 11 1/4s1s1/4s 48 4 21 1s1s1s 24 5 21 1/2s1s1/2s 48 6 21 1/4s1s1/4s 0 7 31 1s1s1s 48 8 31 1/2s1s1/2s 24 9 31 1/4s1s1/4s 0 10 生菜单作 1s 0 3 个试验因素分别选择生菜与樱桃萝卜间作比例（ 植株 数量比 A） ； 营养液浓度分阶段管理模式 B，每个试验单元总营养液量均为 20 L，试验组按照 3 个生长阶段逐次添加 6、 8、6 L 的营养液量，对照组从试验开始，一次性加入 20 L 营养液； 采收前补光 处理时间 C，补光的光照强度控制在 7585 μmol/m2·s 。不同因素各设定 3 个水平，具体如表 1 所示。每轮试验采用 3 因素 3 水平 L934正交表 [20]，设置如表 2 所示的 10个处理，每个处理重复 3 次，共 30个试验单元。其中，处理 10为生菜单作， 营养液为传统供液方式，采收前不补光处理作为对照组 。每个处理重复 3 次，共 30个试验单元。 a b 图 1 栽培试验 Fig.1 Experiments in cultivation 1.2 测量指标及方法 为减少人为干扰对栽培系统蔬菜生长发育的影响， 30 d 栽培周期结束后，统一采收并测量相关指标，各指标为每个试验单元随机选取 3 株生菜测量的平均值。 （ 1） 鲜 质量 称 量 法 。 （ 2）干 质量 先 将 生菜叶片（地上部分）放入 85℃ 真空干燥箱（ DZF-6050 型 ，中国上海） 干燥 至恒 质量 ， 再 采用电子天平（ ME104E 型 ，瑞士） 进行称 量 。 （ 3） 最大 叶面积 利用 叶面积仪（ Yaxin-1242 型 ，中国北京） 测量 每 株 植株 最大的 3片叶片 的单叶面积， 然后 求和取其平均值，用 其平均值 表示生菜每株 最大 叶面积 。 （ 4） NO3-含量 利用 NO3-与 水杨酸 [21]反应后进行 比色测定 ，选取生菜植株整株叶片洗净，用滤纸吸干水分后将叶片剪碎混匀，称取 23g 作为一个样本，每株植株重复 3 个样本 。 （ 5）可溶性糖含量 利用 蒽酮 与糖 [22]反应后 进行比色测定 ，选取生菜植株整株叶片洗净，用滤纸吸干水分后将叶片剪碎混匀，称取 0.5g 作为一个样本，每株植株重复 3 个样本 。 （ 6）可溶性蛋白含量 利用 考马斯亮蓝 G-250 与蛋白质结合后 [21]进行 比色 测定 ，选取生菜植株整株叶片洗净，用滤纸吸干水分后将叶片剪碎混匀，称取 0.10.3g 作为一个样本，每株植株重复 3 个样本 。 1.3 数据分析与计算 采用 SPSS Statistics 22.0、 Minitab 19、 Origin 2019 进行数据分析与作图。 2 结果与分析 2.1 不同组合处理对生菜生长的影响 如表 3 所示，与处理 10相比，不同组合处理下生菜鲜 质量 和叶面积均高于 处理 10，其中，鲜 质量 最高增加了 34.54 g/株， 最大 叶面积最高增加了 76.9cm2/株 ；除处理 9 的生菜干质量 略低于对照组外，其他试验组均高于对照组。可见，间作比例过大，营养液前、后期氮钾 浓度过低对生菜干物质的积累产生影响，这与张小明等 [7]和王军君等 [23]的研究结果相符。 表 3 不同组合处理生菜生长指标试验结果 Tab.3 Results of test on growth index of lettuce 试验号 春季 秋季 鲜 质量 /g·株 -1 干 质量 /g·株 -1 最大 叶面积 / cm2·株 -1 鲜 质量 /g·株 -1 干 质量 /g·株 -1 最大 叶面积 / cm2·株 -1 1 64.56bc 3.25a 153.9bcd 19.43cd 0.70d 84.4b 2 73.05ab 3.46a 170.4abc 21.88bc 0.97cd 85.4b 3 48.35d 2.64b 143.3cde 15.73de 0.82cd 65.1e 4 69.04abc 3.42a 151.8cd 25.99ab 1.10bc 71.3d 5 76.48a 3.54a 195.1a 29.04a 1.46ab 96.5a 6 46.09d 2.46b 124.7de 19.27cde 0.79cd 68.9de 7 49.90d 2.60b 150.7cd 26.64a 1.51a 94.7a 8 62.74c 3.53a 183.8ab 21.41c 0.93cd 76.6c 9 43.89d 2.43b 132.6de 19.66cd 0.87cd 66.1e 10 41.94d 2.44b 118.2e 15.06e 0.64d 66.9de 注不同小写字母表示在 P＜ 0.05水平差异显著，下同。 生菜鲜 质量 、干 质量 及叶面积均属于 正向 指标 [24]，利用宋明顺等 [25]所述的均值化法计算生菜生长指标各因素响应值的均值与极差，结果如表 4 所示。生菜的生长指标极差随因素A、 B、 C 的变化均为先增大后减小，因素 A、 B 的优水平均为 A2、 B2， 因素 C 的优水平因季节的变化存在差异，在春、秋季节其优水平分别为 C2、 C3。 对各因素响应值进一步进行方差分析，得出试验因素 B 对生菜生长指标影 响最显著，其 P 值均 小于 0.001； 因素 A为显著因素，其 P 值均小于 0.05；而因素 C 在春季不显著其 P 值大于 0.05，而在秋季显著其 P 值小于 0.01。 因此 ， 对于生长指标而言，最主要因素为因素 B，其最优的气雾培栽培管理模式 为处理 5，即 A2、 B2、 C3 组合 。 表 4 生菜生长指标正交试验均值响应 Tab. 4 Average response of orthogonal test on growth index of lettuce 水平 因素 春季 因素 （秋季） A B C A B C 1 3.07 3.02 2.98 2.73 3.30 2.73 2 3.12 3.52 3.04 3.29 3.36 2.99 3 2.82 2.46 2.99 3.18 2.54 3.48 极差 0.30 1.06 0.06 0.56 0.82 0.75 主次因素排序 2 1 3 3 1 2 2.2 不同组合处理对生菜品质的影响 如表 5 所示，与处理 10 相比，不同组合处理下生菜叶片硝酸盐含量均有所下降，可溶性糖含量、可溶性蛋白含量则均有所增加。生菜叶片 硝酸盐 含量最高分别降低了1299.44mg/kg和 1528.54mg/kg，可溶性糖含量最高分别增加了 1.02 和 1.27 个百分点 ，可溶性蛋白含量最高分别增加了 1.53mg/g 和 2.13mg/g。可见，不同间作气雾培处理对提高生菜品质具有促进作用，这与贺志文等 [26]和 BIAN 等 [27]的研究结果相符。 表 5 不同组合处理生菜品质指标试验结果 Tab. 5 Intuitive analysis on quality index of lettuce 试验号 春季 秋季 硝酸盐 / mg·kg-1 可溶性糖 / 可溶性蛋白 / mg·g-1 硝酸盐 / mg·kg-1 可溶性糖 / 可溶性蛋白 / mg·g-1 1 2777.37b 1.32bc 4.67cd 2729.84b 1.35de 4.75e 2 2435.25cd 1.78a 5.10bc 2502.52bc 1.57cd 5.13d 3 1953.41e 1.19cd 5.53ab 1889.45de 1.86ab 5.59c 4 2059.03e 1.38bc 4.93c 1993.26de 1.68bc 6.14b 5 2015.39e 1.68ab 5.77a 1695.69e 2.08a 6.77a 6 2653.01bc 1.23cd 4.77cd 2526.41bc 1.10ef 4.63e 7 2561.37bcd 1.41abc 4.59cd 1991.69de 1.85ab 6.02b 8 2257.44de 1.24cd 4.67cd 2216.30cd 1.42d 4.72e 9 2012.99e 0.93de 4.83c 1865.07de 1.08f 5.54c 10 3252.85a 0.76e 4.24d 3224.23a 0.81g 4.64e 生菜叶片可溶性糖 和 可溶性蛋白含量属于 正向 指标，生菜叶片 硝酸盐 含量属于 逆向 指标，对 逆向 指标正向化后 [24]，利用宋明顺等 [25]所述的均值化法计算生菜品质指标各因素响应值的均值与极差，结果如表 6 所示。生菜的品质指标极差均为因素 C 最大，因素 A 和 B极差相差不大，因素 A、 B、 C 的优水平均为 A2、 B2、 C3；对各因素响应值进一步进行方差分析，得出试验因素 C 均对生菜品质指标影响最显著，其 P 值均 小于 0.001，因素 A 和 B 皆均为显著因素，其 P 值范围为 0.0010.05。因此，对于生菜品质指标而言，最主要因素为因素 C， 其最优的气雾培栽培管理模式为 处理 5，即 A2、 B2、 C3 组合 。 表 6 生菜品质指标正交试验 均值响应 Tab.6 Average response of orthogonal test on quality index of lettuce 水平 因素 春季 因素 （秋季） A B C A B C 1 1.04 0.89 0.77 0.85 1.03 0.52 2 1.12 1.23 1.06 1.14 1.10 0.96 3 0.84 0.88 1.17 0.98 0.85 1.49 极差 0.28 0.35 0.41 0.29 0.25 0.97 主次因素排序 3 2 1 2 3 1 3 验证试验 为验证正交试验优化结果，对最优栽培组合模式处理 5（ T），并以生菜单作作为对照试验（ CK）进行栽培试验。每处理重复 3 箱， 30 d 栽培周期结束后，统一采收并测量相关指标，试验结果如图 2 所示。可以看出，最优栽培组合模式下生菜生长指标和品质指标均有明显的优势，其生菜生长指标（鲜 质量 、干 质量 、 最大 叶面积）分别平均提高了 36.82、42.34、 31.69，品质指标中可溶性糖和可溶性蛋白分别平均提高了 49.48、 24.84，硝酸盐含量平均降低了 41.97。因此，验证试验结果显示优化效果明显， 该组合栽培管理模式下 栽培的生菜 具有高产优质，且可显著降低生菜叶片硝酸盐含量等优点。 图 2 验证试验结果 Fig.2 Results of verification test 4 讨论 从研究结果可以看出，间作比例 A、 营养液浓度分阶段管理 B、 采收前补光处理 C 均可调节生菜生长代谢，受自然界物种间化感作用启发 [28]，将间作引入无土栽培，达到了提高作物产量和品质的效果，与已有间作研究结果一致 [29]。在生菜栽培 体系中增加樱桃萝卜后，生菜对硝态氮的吸收受到限制，使生菜叶片 NO3-含量得到一定程度的控制；随间作比例的变化，其 NO3-含量的差异性被放大。已有研究报道，采收前补光条件下植物体内糖和淀粉的积累量显著增加 [30]，通过促进植物体内氮素代谢关键酶的合成，从而影响植物体内 NO3-含量的积累 [27]，有利于提高生菜的产量和品质，这与本研究的结果一致。同时，植物在生长过程中对养分需求不同 [31]，因此不同浓度营养液的分阶段供应不仅更加有利于植物生长，并且节约水源与肥料。避免了传统供液方式易导致随气雾培天数的增加使营养 液中养分元素比例严重失调 [10]，从而影响植物生长以及营养物质的运输和代谢等。 生长指标中，生菜 叶片 所有指标均存在显著性差异，说明此种优化模式对生菜生长有显著的影响。本研究在东北地区日光温室中进行，其环境因素因季节的变化差异显著，尤其是光照和温度，导致本研究中春季 、 秋季和冬季生菜生长指标表现出明显的差别，这与方舒玲等 [32]和 LEE 等 [33]的研究结果相符。 本试验中 春季和秋季优化的栽培模式结果几乎一致，因素 A 和 B 差异显著且优水平均为 A2 和 B2， 因素 C 在春季差异不显著而秋季差异显著，但春季和秋季因素 C 均不是正 交优化中的最主要因素。 这可能与东北地区 日光 温室内春季和秋季光照不同有关，东北地区日光温室秋冬季受弱光胁迫，对蔬菜光合、产量等产生影响，而弱光下补光措施对植物更加敏感，这与王双喜 等 [34]的研究相符。品质指标中，生菜 叶片对采收前补光 处理 C 这一因素表现出极显著差异，其优水平为采收前补光 48 h，即 C3。说明采收前补光这一措施对生菜品质的影响更大，这与 BIAN 等 [27]的研究一致，并且间作比例 A 和营养液浓度分阶段管理 B 这两因素皆为生菜生长和品质的显著因素，且优水平均为A2 和 B2。因此，本研究的优化组合为 A2、 B2、 C3。 5 结论 （ 1） 间作比例、营养液分阶段供应以及采收前补光时间是影响生菜生长及品质指标的可控因素，选择合理的栽培管理模式不仅可以提高生菜的产量及品质，并且可以有效降低气雾培生菜的 NO3-含量。 （ 2） 春秋两季分别开展正交试验，通过将结果转 换 为综合评价分数，从而建立基于多指标正交试验的综合评价模型， 并确定了试验最优方案为 均为 A2、 B2、 C3 因素水平组合，即 生菜与樱桃萝卜间作比例为 21；营养液浓度分阶段管理为前期供应 1/2 倍标准浓度营养液，中期供应标准浓度营养液， 后期 供应 1/2 倍标准浓度营养液；采收 前连续补光 48h，此组合处理的栽培管理模式效果优异。 （ 3） 最优栽培 管理 模式下，生菜生长指标（鲜 质量 、干 质量 、叶面积）分别平均提高了 36.82、 42.34、 31.69，表明此模式栽培的生菜产量增加显著；可溶性糖和可溶性蛋白分别平均提高了 49.48、 24.84， NO3-含量平均降低了 41.97， 表明此模式栽培的生菜品质较好。 参 考 文 献 [1] KANIKA T, MAHINDER P, DINESH K, et al. 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