尚春雨，嚴(yán)逸男，陳 露，許 茹，林義章，邵貴榮，鐘鳳林*

(1 福建農(nóng)林大學(xué) 園藝學(xué)院，福州 350002；2 福建金品農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，福州 350000)

尖葉萵苣(LactucasativaL.)為菊科萵苣屬萵苣種葉用蔬菜，色澤淡綠、質(zhì)地脆嫩，葉用萵苣食用方法多樣且具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[1]，含有豐富的糖、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、維生素、鈣、鐵等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有清熱利尿、軟化血管、清燥潤(rùn)肺之功效，對(duì)高血壓、心臟病、腎病等疾病也具有很好的輔助療效[2]。

近年來(lái)，無(wú)土栽培技術(shù)已成為解決設(shè)施生產(chǎn)土壤污染、鹽漬化、連作障礙等日益嚴(yán)重問(wèn)題的有效手段。水培生產(chǎn)尖葉萵苣也受到越來(lái)越多人的青睞[3]。水培萵苣生產(chǎn)過(guò)程中水、肥、氣的比例是極其重要的環(huán)境因素[4]。由于氧氣在水中的溶解度較低，營(yíng)養(yǎng)液對(duì)根系的氧供給量較少，若將根系全部浸沒(méi)在營(yíng)養(yǎng)液中，極易使植株根際供氧不足，造成低氧脅迫，影響作物生長(zhǎng)[5]。但是，水培的營(yíng)養(yǎng)液溶氧濃度低、耗氧快，會(huì)使根系供氧狀況惡化，尤其是營(yíng)養(yǎng)液溫度較高時(shí)，根系耗氧量增大，易形成明顯的根際低氧逆境，而引發(fā)生育障礙，影響作物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，這已成為無(wú)土栽培技術(shù)大規(guī)模設(shè)施生產(chǎn)的主要限制因素。因此，根際氧環(huán)境對(duì)水培蔬菜研究有著極其重要的價(jià)值，根系吸收的氧主要來(lái)自于裸露在空氣中的根(即懸根)所吸收空氣的氧和生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)液中根所吸收營(yíng)養(yǎng)液中的溶解氧[6]。懸根長(zhǎng)越長(zhǎng)，根際氧環(huán)境中的氧氣含量越高[7]，水培蔬菜懸根處理會(huì)對(duì)植株的生長(zhǎng)環(huán)境造成較大改變，這種改變多表現(xiàn)在增加了根際氧環(huán)境中氧氣的含量，植物會(huì)運(yùn)用外部和內(nèi)部信號(hào)對(duì)環(huán)境的改變產(chǎn)生響應(yīng)，這些信號(hào)是引起植物代謝途徑的下調(diào)，最終導(dǎo)致植物形態(tài)結(jié)構(gòu)等的調(diào)整和改變來(lái)改善或忍耐植株所遭受到的脅迫[8]。

在根際氧環(huán)境對(duì)蔬菜根系生長(zhǎng)影響的研究中發(fā)現(xiàn)，富氧的根系環(huán)境可以顯著提升萵苣根系活力，改善水培萵苣的品質(zhì)[7]，此外在黃瓜和番茄[9]、生菜[10]、水稻[11]上也有相似的研究結(jié)論?？梢?jiàn)，在蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中，根際氧環(huán)境與蔬菜的生長(zhǎng)有著極其密切的關(guān)系，調(diào)節(jié)根際氧環(huán)境對(duì)植物的生長(zhǎng)有著一定的積極作用。工廠化葉菜類蔬菜水培生產(chǎn)過(guò)程中，管道式栽培是一種重要的栽培模式，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)自制循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)模擬工廠化管道式栽培的方式篩選出較為合適的栽培方法，并對(duì)根際氧環(huán)境對(duì)水培尖葉萵苣生長(zhǎng)的影響進(jìn)行探究，設(shè)置不同根際氧環(huán)境處理，從形態(tài)學(xué)、根系微觀結(jié)構(gòu)、生理等方面研究根際氧環(huán)境對(duì)尖葉萵苣的影響，為尖葉萵苣的水培生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 植物材料及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)供試材料為北京宜才園農(nóng)業(yè)科技推廣有限公司的‘油麥王’尖葉萵苣。試驗(yàn)設(shè)備為自制營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，主要由LED補(bǔ)光燈、梯形水槽以及水泵組成(圖1)。LED燈管長(zhǎng)60 cm，距離梯形水槽高度為50 cm；LED燈管定時(shí)開(kāi)關(guān)控制LED燈管光照時(shí)間，設(shè)置為8:30～20:30開(kāi)，20:30～次日8:30關(guān)；梯形水槽長(zhǎng)60 cm，縱截面為上寬下窄的等腰梯形，上底14 cm，下底10 cm，高7.5 cm，水槽距離地面高度40 cm；定植板長(zhǎng)60 cm，寬12 cm，厚0.5 cm，板橫向6個(gè)孔，縱向2個(gè)孔，定植板可定植尖葉萵苣12株；水泵功率12 W；營(yíng)養(yǎng)液箱體積為4 500 cm3。調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)水速率，使?fàn)I養(yǎng)液槽中的營(yíng)養(yǎng)液實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡流動(dòng)，流速為0.8 cm/s，且液面高度恒定在5.0 cm。進(jìn)水管、出水管材質(zhì)均為直徑10 mm的橡膠軟管；總開(kāi)關(guān)控制所有設(shè)備的開(kāi)閉。

流速計(jì)算公式(cm/s)=V/(S·t)。V是槽中液面恒定在5.0 cm時(shí)裝載的營(yíng)養(yǎng)液的總體積3 450 cm3，S是營(yíng)養(yǎng)液液面的縱切面面積57.5 cm2，t是槽中營(yíng)養(yǎng)液液面達(dá)到5.0 cm時(shí)所用的時(shí)間，為75 s，由此可得水槽內(nèi)循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液流速為0.8 cm/s。

1.2 材料處理及設(shè)備調(diào)節(jié)

尖葉萵苣種子4 ℃低溫春化4 h，28 ℃下浸種10 h，3 000 Lux光照、30 ℃條件下催芽至露白，沙培至兩葉一心移栽至自制營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)(圖1)中緩苗24 h，試驗(yàn)環(huán)境溫度為14 ～ 20 ℃、濕度33% ～ 40%。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理，分別為循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液且懸根長(zhǎng)度為0 cm (T1)、靜止?fàn)I養(yǎng)液且初始懸根長(zhǎng)度為0 cm (T2)和循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液且懸根長(zhǎng)度為2 cm (T3)。本試驗(yàn)通過(guò)循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液與懸根長(zhǎng)改變根際氧環(huán)境，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)實(shí)現(xiàn)T1、T3營(yíng)養(yǎng)液液面的恒定，保證懸根長(zhǎng)度的穩(wěn)定，T1定植板浮于營(yíng)養(yǎng)液液面上，T2定植板卡在營(yíng)養(yǎng)液液面處的高度，T3定植板架于水槽上(定植板距離液面2 cm)，使T1、T2、T3在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)懸根長(zhǎng)分別為0 cm、0 cm、2 cm，T1、T3因有營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)使槽內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液液面高度恒定，T2因無(wú)營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)，營(yíng)養(yǎng)液會(huì)逐漸被尖葉萵苣吸收和蒸發(fā)而導(dǎo)致液面下降，因此T2懸根長(zhǎng)會(huì)逐漸增大。試驗(yàn)以尖葉萵苣緩苗完畢為第0 d，共處理10 d，期間取樣測(cè)定采集相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1營(yíng)養(yǎng)液中溶解氧含量、pH、EC值營(yíng)養(yǎng)液中的溶解氧含量用雷磁便攜式溶解氧測(cè)定儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，型號(hào)為JPB-607A)進(jìn)行測(cè)定，pH和EC值用高精度筆式pH計(jì)(深圳市柯迪達(dá)儀器儀表有限公司，型號(hào)為CT-6021A)測(cè)定。試驗(yàn)期間，各處理每間隔24 h測(cè)量1次，每個(gè)指標(biāo)的測(cè)定進(jìn)行3次重復(fù)，測(cè)定時(shí)間為14:00～15:00。

1.3.2根系、葉片形態(tài)學(xué)指標(biāo)(1)根系懸根長(zhǎng)度：懸根長(zhǎng)度是指裸露在空氣中的根系長(zhǎng)度，測(cè)量時(shí)采用刻度直尺測(cè)量。T1高于營(yíng)養(yǎng)液液面的不定根用刻度直尺測(cè)量記錄為當(dāng)天的懸根長(zhǎng)度，T2懸根長(zhǎng)直接用刻度直尺測(cè)量裸露在空氣中的根系長(zhǎng)度，T3懸根長(zhǎng)由于營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)一直保持2 cm。(2)根系形態(tài)參數(shù)：各處理隨機(jī)選取3株，將待測(cè)根系清洗干凈，于Epson Perfection 4990 PHOTO根系掃描儀中進(jìn)行掃描，應(yīng)用Win RHIZO根系分析系統(tǒng)對(duì)根系長(zhǎng)度、表面積、根系體積、平均直徑、根尖數(shù)、分根數(shù)等形態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析測(cè)定。(3)葉表面積：測(cè)定方法同根系形態(tài)參數(shù)。(4)壯苗指數(shù)、根冠比：各處理隨機(jī)選取3株測(cè)量莖粗與株高，90 ℃烘干，稱量根干重及葉片干重，用下面公式計(jì)算壯苗指數(shù)、根冠比。

壯苗指數(shù)=(莖粗/株高+根干重/地上部干重)×全株干重[12]

根冠比=根干重/地上部干重[12]

1.3.3根系顯微結(jié)構(gòu)觀察將5%瓊脂糖高溫溶解，截取根系下端1 cm于溶解的瓊脂糖中，固定冷卻12 h，用全自動(dòng)智能電腦切片機(jī)(上海艾測(cè)電子科技有限公司，型號(hào)為A130373)在根系根尖1 cm處進(jìn)行橫切切片，切片速度100 mm/s，切片厚度100 μm，利用倒置熒光顯微鏡(上海賴氏電子科技有限公司，型號(hào)為CKX41-32FL)對(duì)切片進(jìn)行顯微觀察。

1.3.4根系抗氧化酶活性和丙二醛含量根系的SOD活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法[13]，POD活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法[13]，CAT活性測(cè)定采用紫外分光光度法[13]，丙二醛(MDA)含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法[13]。

1.3.5葉片葉綠素相對(duì)含量和有機(jī)酸含量葉片葉綠素相對(duì)含量采用葉綠素儀(廣州市科會(huì)儀器有限公司，型號(hào)為SPAD-502 Plus)進(jìn)行測(cè)定。有機(jī)酸含量測(cè)定方法如下：第10天對(duì)各處理葉片隨機(jī)取樣，110 ℃烘干，研磨成粉末，過(guò)40目篩后，稱取0.4 g于50 mL離心管中，加15 mL雙蒸水，漩渦震蕩混均，50 ℃超聲提取20 min，8 000 r/min離心10 min，吸取上清液，重復(fù)提取3次合并濾液，然后于水浴鍋中100 ℃蒸發(fā)濃縮至5 mL，得供試樣品溶液。采用超高效液相-質(zhì)譜聯(lián)用儀(UPLC-MS)(美國(guó)WATERS公司，型號(hào)：ACQUITY UPLC?)進(jìn)行葉片有機(jī)酸的分離與含量分析。UPLC-MS色譜條件如下，色譜柱：ACQUITY UPLC?BEH C18柱，2.1×100 mm，1.7 μm；流動(dòng)相A：0.1%甲酸/水，流動(dòng)相B：0.1%甲酸/乙腈；流速：0.25 mL/min；柱溫：30 ℃；進(jìn)樣體積3 μL；檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm；采用等梯度洗脫程序：0～6 min 99%體積濃度的0.1%甲酸/水+1%體積濃度的0.1%甲酸/乙腈；掃描方式：負(fù)離子掃描；積分方式：母離子積分。

測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)曲線分別為：y蘋(píng)果酸= 24 925x+ 5 835.7(R2= 0.995 4)；y檸檬酸= 34 446x+ 10 370(R2= 0.996 9)；y琥珀酸= 23 113x+ 1 014.3(R2= 0.993 6)；y丙二酸= 5 472.2x+ 231.13(R2= 0.990 8)。其中，x代表UPLC-MS中所測(cè)定有機(jī)酸的峰面積，y代表所測(cè)有機(jī)酸濃度(mg/mL)。

有機(jī)酸類物質(zhì)含量測(cè)定公式如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理

以上數(shù)據(jù)的各項(xiàng)指標(biāo)均重復(fù)3次，DPS軟件的LSD多重比較進(jìn)行分析，差異顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理營(yíng)養(yǎng)液指標(biāo)和根系懸根長(zhǎng)度比較

圖2, A顯示，隨著處理時(shí)間的延續(xù)，T1處理營(yíng)養(yǎng)液中的溶解氧含量在前3 d從7.9 mg/L降至6.3 mg/L，隨后幾天呈現(xiàn)幅度較小的波動(dòng)變化；T2處理溶液中溶解氧含量呈現(xiàn)顯著性下降的趨勢(shì)，其溶解氧含量從第0天的7.9 mg/L下降至第10天的2.3 mg/L；T3處理溶解氧含量呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，并且在3組處理中均處于最高水平，第10天時(shí)僅下降至6.8 mg/L?？梢?jiàn)，3個(gè)處理營(yíng)養(yǎng)液溶解氧含量呈現(xiàn)T3>T1>T2的趨勢(shì)，說(shuō)明循環(huán)流動(dòng)和懸根長(zhǎng)度的設(shè)置通過(guò)增加營(yíng)養(yǎng)液與空氣的接觸面積，增加了營(yíng)養(yǎng)液中的溶解氧。

T1.循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液且懸根長(zhǎng)度為0 cm；T2.靜止?fàn)I養(yǎng)液且初始懸根長(zhǎng)度為0 cm；T3.循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液且懸根長(zhǎng)度為2 cm；下同圖2 各處理營(yíng)養(yǎng)液溶解氧(A)、pH(B)、EC(C)及根系懸根長(zhǎng)(D)T1. Circulating nutrient solution with suspension length of 0 cm; T2. Stationary nutrient solution with initial suspension length of 0 cm; T3. Circulating nutrient solution with suspension length of 2 cm; The same as belowFig.2 Nutrient solution dissolved oxygen (A), pH (B), EC(C) and root suspension length(D) of different treatments

同時(shí)，從圖2, B、C可知，3個(gè)處理營(yíng)養(yǎng)液中pH和EC值都呈現(xiàn)先升后降再升的相同變化趨勢(shì)且差異較小，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)與否對(duì)營(yíng)養(yǎng)液自身的pH和離子總量影響不大，在試驗(yàn)周期內(nèi)3個(gè)處理中營(yíng)養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)的供給充足，這可能與本自制營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)槽容納的營(yíng)養(yǎng)液總體積較大并且每個(gè)槽中定植(12株)尖葉萵苣數(shù)量不多，對(duì)營(yíng)養(yǎng)吸收的需求也不多有關(guān)。

另外，圖2,D顯示，T1處理尖葉萵苣根系在前2 d一直處于液面以下，從第2天開(kāi)始逐漸長(zhǎng)出不定根，且不定根在液面之上，其高于營(yíng)養(yǎng)液液面的不定根記錄為當(dāng)天的懸根長(zhǎng)度，至第10天時(shí)不定根生長(zhǎng)至營(yíng)養(yǎng)液液面上0.5 cm，即此時(shí)T1懸根長(zhǎng)度為0.5 cm。在此過(guò)程中，T2處理根系懸根長(zhǎng)度由0 cm(第0天)變?yōu)?.1 cm(第10天)，但這是由于營(yíng)養(yǎng)液的蒸發(fā)使得槽中營(yíng)養(yǎng)液的體積逐漸下降，致使根系懸根長(zhǎng)度逐漸增加；與此同時(shí)，T3處理根系懸根長(zhǎng)度一直為2 cm，且第10天時(shí)T2、T3均無(wú)不定根，說(shuō)明T1處理從第2天開(kāi)始根系開(kāi)始處于低氧脅迫狀態(tài)，因此會(huì)生長(zhǎng)出不定根突出液面以吸收更多的氧氣。

此外，圖3顯示，3個(gè)處理尖葉萵苣幼苗根系和地上葉片形態(tài)在第0天時(shí)差異不大；在第10天時(shí)，T2、T3處理根系長(zhǎng)勢(shì)明顯優(yōu)于T1，表現(xiàn)為根系更為濃密、分根更多，地上部長(zhǎng)勢(shì)更強(qiáng)，尤其以T3長(zhǎng)勢(shì)最為突出，全株的長(zhǎng)勢(shì)也是T3最優(yōu)。這反映出各處理的根際氧環(huán)境以T3最優(yōu)，T2次之，T1最差并受到氧脅迫。有研究表明根際環(huán)境中，根系接觸水的總體積占總根系體積的比率也會(huì)影響根際氧含量的大小，如洪澇災(zāi)害常使植物淹水缺氧造成植物的非生物脅迫，因此，本研究可通過(guò)3種不同根際氧環(huán)境處理進(jìn)一步深入探討根際氧環(huán)境影響植株生長(zhǎng)的內(nèi)部機(jī)制。

2.2 根際氧環(huán)境對(duì)尖葉萵苣根系、葉片形態(tài)學(xué)指標(biāo)的影響

各處理根系根長(zhǎng)、表面積、體積、平均直徑、根尖數(shù)、分根數(shù)等形態(tài)學(xué)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果(圖4)表明，各個(gè)根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)于第0天時(shí)在處理間差異均不大，在第10天時(shí)處理間均表現(xiàn)為T(mén)3>T2>T1；T2、T3處理在根系根長(zhǎng)、表面積、體積、平均直徑、分根數(shù)等形態(tài)學(xué)指標(biāo)上差異不大，但都與相應(yīng)T1呈現(xiàn)顯著性差異；第10天時(shí)，3組處理的分根數(shù)均差異顯著，說(shuō)明懸根長(zhǎng)度對(duì)尖葉萵苣根系的影響很大。T1因根系一直浸沒(méi)在營(yíng)養(yǎng)液中，受到低氧脅迫，導(dǎo)致根系生長(zhǎng)受阻；T2營(yíng)養(yǎng)液溶解氧雖低于T1，但T2懸根長(zhǎng)隨試驗(yàn)時(shí)間的推移逐漸增加，且第10天T2長(zhǎng)勢(shì)明顯優(yōu)于T1，說(shuō)明根際氧環(huán)境中空氣中的氧氣對(duì)根的調(diào)控作用更為明顯，也說(shuō)明生產(chǎn)中設(shè)置懸根長(zhǎng)度的必要性；T3長(zhǎng)勢(shì)最佳，說(shuō)明通過(guò)設(shè)置懸根長(zhǎng)和循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液的方式可以明顯改善根際氧環(huán)境，調(diào)節(jié)水氣矛盾，提高尖葉萵苣的產(chǎn)量。

圖3 不同根際氧環(huán)境下尖葉萵苣根系掃描圖(A)以及全株圖(B)Fig.3 Root scanning diagram(A)and whole plant figure(B)of lettuce under different rhizosphere oxygen environments

同時(shí)，各處理尖葉萵苣幼苗葉片表面積和葉片體積在第10天時(shí)也均表現(xiàn)為T(mén)3>T2>T1，且T2、T3顯著大于T1，而T2、T3間無(wú)顯著差異(圖5)，即T2、T3尖葉萵苣地上部生長(zhǎng)明顯優(yōu)于T1。植株地上部與地下部的生長(zhǎng)關(guān)系密切，根系為植物生長(zhǎng)提供水和礦物質(zhì)，葉片光合作用產(chǎn)生能量供給植物的生長(zhǎng)[14]，由于T2、T3根系長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于T1，它們根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收效率更高，從而使其葉片面積以及葉片體積均高于T1。因此，在水培尖葉萵苣生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)技術(shù)措施調(diào)節(jié)根際氧環(huán)境促進(jìn)根系的生長(zhǎng)，進(jìn)而提高尖葉萵苣的產(chǎn)量。

圖4 不同根際氧環(huán)境下尖葉萵苣根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)的變化Fig.4 Changes in root morphology of lettuce under different rhizosphere oxygen environments

圖5 不同根際氧環(huán)境下尖葉萵苣葉片形態(tài)學(xué)指標(biāo)的變化Fig.5 Changes of morphological indexes of lettuce leaves under different rhizosphere oxygen environments

2.3 根際氧環(huán)境對(duì)尖葉萵苣壯苗指數(shù)以及根冠比的影響

表1顯示，尖葉萵苣生長(zhǎng)至第10天時(shí)，3個(gè)處理植株的莖粗、株高、地上部干重、地下部干重及壯苗指數(shù)和根冠比均有明顯差異，并且T3植株形態(tài)指標(biāo)均最大，其次是T2，最后是T1，但T2與T3相比差異不顯著，而T2、T3與T1相比均呈現(xiàn)顯著性差異。說(shuō)明根際氧環(huán)境也會(huì)影響尖葉萵苣植株長(zhǎng)勢(shì)，通過(guò)調(diào)節(jié)尖葉萵苣根際氧環(huán)境可以增強(qiáng)根系機(jī)能活性，提高尖葉萵苣的長(zhǎng)勢(shì)。

2.4 根際氧環(huán)境對(duì)根系微觀結(jié)構(gòu)的影響

維管束是進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵組織[15]，木質(zhì)部具有運(yùn)輸離子、水分和支撐植物的作用[16]。尖葉萵苣根系橫切切片的顯微觀察(圖6)顯示，其根系維管束以及木質(zhì)部的面積大小表現(xiàn)為T(mén)3>T2>T1，即T2、T3處理可以明顯增大根系維管束以及木質(zhì)部的面積，說(shuō)明調(diào)節(jié)根際氧環(huán)境及使根系部分裸露在空氣中，可以促進(jìn)根系水分及營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸功能組織的生長(zhǎng)，進(jìn)而運(yùn)輸更多的水分以及營(yíng)養(yǎng)供給尖葉萵苣的生長(zhǎng)。

2.5 根際氧環(huán)境對(duì)尖葉萵苣生理生化指標(biāo)的影響

植物細(xì)胞能利用系統(tǒng)的抗氧化防御機(jī)制來(lái)消除活性氧的不利作用[17]，SOD能將氧自由基清除而形成過(guò)氧化氫，POD和CAT可以把過(guò)氧化氫變成水，MDA含量高低可以反映細(xì)胞受到脅迫的嚴(yán)重程度[18]。各處理尖葉萵苣根系SOD、POD、CAT活性及MDA含量、葉綠素相對(duì)含量受根際氧環(huán)境影響的表現(xiàn)相似(圖7)。在處理第0天時(shí)，尖葉萵苣根系SOD、POD、CAT活性及MDA含量、葉片葉綠素相對(duì)含量均較低且處理間均無(wú)顯著性差異；在處理第10天時(shí)，T1處理根系的SOD、POD、CAT活性和MDA含量均不同程度地高于T2、T3處理，且CAT活性、MDA含量差異達(dá)顯著性水平(P<0.05)；同時(shí)，T1處理葉片葉綠素相對(duì)含量卻顯著低于T2、T3處理。由此可見(jiàn)，尖葉萵苣根系在低氧脅迫逆境(T1)中通過(guò)提高SOD、POD、CAT3種抗氧化酶活性(尤其是CAT)來(lái)降低低氧逆境誘導(dǎo)的過(guò)氧化傷害，但處理10 d時(shí)已不足以完全清除過(guò)量活性氧，使MDA含量增加，發(fā)生過(guò)氧化傷害，同時(shí)其葉片葉綠素的合成則可能受到顯著抑制。

2.6 根際氧環(huán)境對(duì)尖葉萵苣葉片有機(jī)酸含量的影響

有機(jī)酸作為蔬菜中的特有成分，它的種類和含量既和蔬菜的風(fēng)味、品質(zhì)有關(guān)，又為蔬菜加工貯藏提供重要依據(jù)[19]，是一個(gè)重要的品質(zhì)指標(biāo)。表2顯示，在處理第10天時(shí)，尖葉萵苣葉片中蘋(píng)果酸、琥珀酸、丙二酸的含量在T2與T3處理間差異不顯著，4種有機(jī)酸含量基本上均表現(xiàn)為T(mén)2、T3高于T1，說(shuō)明通過(guò)改善根際氧環(huán)境可以提升尖葉萵苣蘋(píng)果酸、檸檬酸等有機(jī)酸的含量。同時(shí)，T2處理葉片檸檬酸、琥珀酸含量最高，T3處理葉片蘋(píng)果酸、丙二酸含量最高，又說(shuō)明根際氧環(huán)境的不同在一定程度上也會(huì)影響有機(jī)酸生成的類別，從而影響萵苣品質(zhì)。

表1 不同根際氧環(huán)境下尖葉萵苣在第10天植株形態(tài)指標(biāo)

注：同列數(shù)字后不同字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平;下同

Note: After the same column number, the different letters between the treatments reached a significant difference at 0.05 level; The same as below

紅色箭頭指示維管束部位；黑色箭頭表示木質(zhì)部部位圖6 不同根際氧環(huán)境下尖葉萵苣根系橫切圖The red arrows indicate the vascular bundle; the black arrows indicate the xylemFig.6 The root crosscutting of lettuce plant under different rhizosphere oxygen environments

圖7 不同根際氧環(huán)境下根系POD、CAT、SOD活性和MDA含量以及葉片葉綠素相對(duì)含量的變化Fig.7 The POD, CAT, SOD activities and MDA content of roots and relative chlorophyll content in leaves of lettuce plant under different rhizosphere oxygen environments

3 討 論

根系吸收的氧氣，少量由地上部經(jīng)輸導(dǎo)組織運(yùn)輸?shù)礁?，大部分則來(lái)自于根系吸收的氧，裸露在空氣中的根吸收空氣中的氧氣，營(yíng)養(yǎng)液中的根吸收營(yíng)養(yǎng)液中的氧氣[6]。本試驗(yàn)中，T1、T3營(yíng)養(yǎng)液的溶解氧隨著處理天數(shù)的增加逐漸高于T2，第0～10天，T1、T2、T3溶解氧都從7.9 mg/L分別下降至6.3 mg/L、2.3 mg/L、6.8 mg/L，T1、T3溶解氧差異不大但都顯著高于T2，說(shuō)明循環(huán)流動(dòng)增加了營(yíng)養(yǎng)液中的溶解氧，循環(huán)流動(dòng)增加了營(yíng)養(yǎng)液與空氣的接觸面積以增加溶解氧。本試驗(yàn)中3個(gè)處理的pH和EC值變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)與否對(duì)營(yíng)養(yǎng)液自身的pH和離子總量影響不大，在試驗(yàn)周期內(nèi)3個(gè)處理中營(yíng)養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)的供給充足，這可能與本自制營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)的槽容納的營(yíng)養(yǎng)液總體積較大并且每個(gè)槽中定植(12株)尖葉萵苣數(shù)量不多，對(duì)營(yíng)養(yǎng)吸收的需求也不多有關(guān)。

T1臨近營(yíng)養(yǎng)液液面部位第2天開(kāi)始生長(zhǎng)出不定根，表明T1逐漸處于低氧脅迫狀態(tài)，第10天不定根生長(zhǎng)至營(yíng)養(yǎng)液液面上0.5 cm，而T2、T3沒(méi)有不定根出現(xiàn)。在棉花營(yíng)養(yǎng)液漂浮育苗技術(shù)[20]中也有類似情況出現(xiàn)，謝云韻等[21]也報(bào)道低氧脅迫條件會(huì)促進(jìn)油菜幼苗不定根生長(zhǎng)。本試驗(yàn)中T1根系隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，低氧脅迫也越來(lái)越明顯，各處理第10天根系和葉片的生長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)表現(xiàn)一致，均為T(mén)3>T2>T1；第10天，T3與T2在根系長(zhǎng)度、根系表面積、根系體積、平均直徑、根尖數(shù)、葉片表面積和葉片體積上均無(wú)顯著性差異，但T2與T1、T3與T1之間在根系和葉片各形態(tài)學(xué)指標(biāo)上均存在顯著性差異，且T3在莖粗、株高、根干重、地上部干重、壯苗指數(shù)、根冠比上均最大，T3壯苗指數(shù)和根冠比分別比T1顯著增加了38.8%和13.4%，說(shuō)明低氧脅迫對(duì)水培尖葉萵苣地上部和地下部均有著明顯的抑制作用。前人的研究中也有相似的結(jié)論，如低氧脅迫對(duì)水稻[22]、黃瓜[23]的根系及葉片的生長(zhǎng)均有著顯著的抑制作用；水稻根區(qū)通氧對(duì)水稻幼苗的生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的積極影響[24]；但宋衛(wèi)堂等[25]在番茄長(zhǎng)季節(jié)栽培的研究中發(fā)現(xiàn)充氧與否對(duì)番茄長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量沒(méi)有影響，這與本試驗(yàn)結(jié)論不一致，這可能是由于試驗(yàn)材料不同造成的，因?yàn)榧馊~萵苣是淺根性蔬菜，根系對(duì)氧氣含量的多少更為敏感，而番茄為直根系蔬菜，在長(zhǎng)季節(jié)栽培中根系對(duì)氧氣敏感性相對(duì)較弱。徐志豪和張德威[26]認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)液中的溶解氧含量越高，裸露于空氣的根系所占的比例越大，作物根系的生長(zhǎng)就越好。本試驗(yàn)T2處理根系裸露在空氣中的比例隨天數(shù)的增加而增大，T3懸根長(zhǎng)度固定，T2、T3懸根長(zhǎng)度在第7天相等，隨后T3懸根長(zhǎng)逐漸增加，雖然T3根系各形態(tài)學(xué)指標(biāo)、葉表面積以及葉綠素相對(duì)含量均高于T2，但差異不顯著。

表2 不同根際氧環(huán)境下第10 天尖葉萵苣葉片有機(jī)酸含量的變化

維管束是進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵組織[15]，木質(zhì)部具有運(yùn)輸離子、水分和支撐植物的作用[16]。本試驗(yàn)中的根系顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，各處理尖葉萵苣根系維管束及木質(zhì)部面積大小順序?yàn)椋篢3>T2>T1，即T2、T3處理可以增大根系維管束以及木質(zhì)部的面積，說(shuō)明通過(guò)調(diào)節(jié)根際氧環(huán)境，以及使根系部分裸露在空氣中，可以促進(jìn)根系水分及營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸功能組織的增大，進(jìn)而運(yùn)輸更多的水分以及營(yíng)養(yǎng)供給尖葉萵苣的生長(zhǎng)。

根際氧環(huán)境較低時(shí)尖葉萵苣根系會(huì)調(diào)節(jié)根系抗氧化酶活性來(lái)調(diào)節(jié)根系的生長(zhǎng)，T1根系在低氧脅迫狀態(tài)下會(huì)通過(guò)提高SOD、POD、CAT3種抗氧化酶活性以適應(yīng)低氧逆境，這是根系在逆境條件下的一種防御機(jī)制，這與劉義玲等[27]低氧脅迫處理網(wǎng)紋甜瓜和馬月花等[23]低氧脅迫黃瓜的研究結(jié)論相同。另外，本試驗(yàn)中根際氧環(huán)境的差異造成了尖葉萵苣葉片有機(jī)酸種類和含量的差異，葉片中的有機(jī)酸主要來(lái)源于三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)[28]，因此進(jìn)一步推測(cè)根際氧環(huán)境的差異可能影響三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)進(jìn)而造成了地上部有機(jī)酸含量的差異。

低氧脅迫對(duì)水培尖葉萵苣地上部和地下部均有著明顯的抑制作用。綜上所述，本試驗(yàn)通過(guò)自制循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置3個(gè)根際氧環(huán)境處理，探究根際氧環(huán)境對(duì)尖葉萵苣幼苗生長(zhǎng)、生理和品質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水培尖葉萵苣生產(chǎn)上設(shè)置懸根長(zhǎng)度以增加根系與空氣接觸面積，增加根際氧環(huán)境，可以很好地解決水培生產(chǎn)中的水氣矛盾，在一定程度上提升尖葉萵苣的產(chǎn)量與品質(zhì)。本試驗(yàn)雖然得出增加根際氧環(huán)境的必要性并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行一定的探究，但仍有一些不足之處，比如未能探究哪種懸根長(zhǎng)度對(duì)水培尖葉萵苣的作用效果最好，本試驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)一步探究根際氧環(huán)境對(duì)水培尖葉萵苣生長(zhǎng)的影響提一定供理論基礎(chǔ)。