水培生菜减氮降EC的营养调控策略研究：在保证产量的同时降低硝酸盐积累

《Scientia Horticulturae》：Exploring nutrient reduction strategies without yield losses in hydroponic lettuce production

本研究针对水培生菜生产中营养液过量投入导致的硝酸盐积累和资源浪费问题，探讨了在闭路循环系统中降低电导率（EC）和氮钾比（N:K）的联合效应。结果表明，将EC从2.5 dS m-1降至2.0 dS m-1，同时将N:K从3.28降至2.28（通过Cl-部分替代NO3-），可在不影响生菜鲜重的前提下，使叶片硝酸盐含量显著降低高达33%，且所有处理均远低于欧盟安全限值（5000 mg kg-1）。研究为制定可持续的水培生菜营养管理方案提供了重要理论依据和实践指导。

　　

在追求高产高效的现代农业中，无土栽培技术以其卓越的水肥利用效率和环境友好性，成为设施农业的重要发展方向。其中，水培技术作为无土栽培的典型代表，将作物根系直接浸没在营养液中，通过精确调控养分供应，实现作物的快速生长。生菜因其生长周期短、适合多层立体栽培，成为水培的理想作物。然而，在水培生菜的商业化生产中，为了确保高产，种植者往往倾向于使用高浓度的营养液，这导致了两个突出问题：一是过量养分的投入，特别是氮素，不仅造成肥料浪费，还可能通过渗漏、径流等途径污染环境；二是植物吸收的多余氮素会以硝酸盐（NO₃^-）形式积累在叶片中，而硝酸盐含量是欧盟等机构严格监管的食品安全指标，过高水平对人体健康存在潜在风险。因此，如何在保证生菜产量的同时，减少营养投入、降低叶片硝酸盐含量，并提高养分利用效率，是当前水培生菜产业实现可持续发展亟待解决的关键问题。

为应对这一挑战，由雅典农业大学Dimitrios Savvas教授领导的研究团队在《Scientia Horticulturae》上发表了一项重要研究。他们设想，通过优化营养液配方，适度降低营养液的整体浓度（以电导率EC表征）并调整关键营养元素的比例（如氮和钾的比例N:K），或许能在不减产的前提下，有效控制生菜体内的硝酸盐水平。更巧妙的是，他们提出用氯离子（Cl^-）部分替代硝酸根离子（NO₃^-），以维持营养液的离子平衡，避免因单纯降低氮浓度而引起其他营养失调。这项研究旨在为开发更环保、更安全的水培生菜生产规程提供科学依据。

为了验证上述设想，研究人员设计了一套严谨的实验方案。他们在温室中利用浮板水培系统，以三种常见的生菜品种（结球生菜BH、绿罗莎生菜LB、红罗莎生菜LR）为材料，进行了两轮重复实验。实验的核心是设置了四种不同的营养液处理，这些处理是由两个EC水平（2.5 dS m^-1的标准水平和2.0 dS m^-1的低水平）与两个N:K摩尔比（3.28的标准比和2.28的低比值）组合而成。在低N:K处理中，使用氯化钙（CaCl₂）替代部分硝酸钙，使得30%的NO₃^-被Cl^-所取代，但钙的供应量保持不变。研究团队系统测量了生菜的鲜重、干重、水分消耗、叶片硝酸盐含量、叶片营养元素浓度等指标。尤为关键的是，他们采用了两种方法来计算植物的养分吸收浓度（Uptake Concentration, UC）：一是基于营养液消耗和补充的质量平衡法，二是基于植物组织养分含量的组织分析法，通过对比这两种方法的结果，可以评估营养液系统中养分的实际损失情况。所有数据均经过严格的统计分析，以确定各处理间的差异是否具有统计学意义。

3.1. 鲜重产量、干物质和水分消耗

研究结果显示，无论是降低EC还是降低N:K比值，对三个生菜品种的叶片鲜重和地上部干重均未产生显著影响。这表明，在一定的阈值内，减少营养液的养分输入并不会牺牲生菜的产量。生菜的干物质含量在不同品种间有所差异，但不受处理影响。同时，植物的累计水分消耗在各处理间也保持一致，说明营养液浓度的变化并未引起植物的水分胁迫。

3.2. 全氮和叶片硝酸盐含量

与产量结果不同，叶片中的全氮含量和硝酸盐含量受到了EC和N:K比值的显著影响。标准EC和高N:K比值的处理导致了最高的氮素吸收和硝酸盐积累。相反，低EC和低N:K比值的组合处理（T4）效果最为显著，使三个生菜品种的叶片硝酸盐含量比最高值处理降低了30%至33%，最低降至1431-1642 mg NO₃^- kg^-1鲜重，远低于欧盟5000 mg kg^-1的安全上限。这表明通过调控营养液组成，可以有效降低食品安全风险。

3.3. 叶片中的营养元素浓度

叶片中钾（K⁺）和钙（Ca²⁺）的浓度主要受EC水平影响，标准EC处理下的含量更高。而氮钾比的变化对叶片K⁺和Ca²⁺浓度无显著影响。叶片中镁（Mg²⁺）和磷（P）的浓度在所有处理下均保持稳定。重要的是，所有处理下的叶片营养元素浓度均处于生菜生长的适宜范围内，并且在整个实验过程中未观察到缺钙引起的叶缘焦枯病症状，证实了低营养水平下生菜仍能获得平衡的营养。

3.4. 氮吸收浓度

氮的吸收浓度（UC）估算值受到计算方法的影响，质量平衡法得出的值显著高于植物组织分析法，这暗示着系统中存在氮素的损失（如反硝化作用或氨挥发）。无论是哪种计算方法，都一致表明，低EC和低N:K处理降低了氮的UC，意味着植物对氮的需求和吸收量减少，从而降低了氮肥的投入量。

3.5. 营养吸收浓度

对于磷（P）、钙（Ca）和铁（Fe），质量平衡法计算出的UC也显著高于组织分析法。这种差异可能源于钙磷等元素在营养液中形成沉淀，或铁在植物组织分析过程中的损失。钾和钙的UC随着营养液中其浓度的降低（即低EC）而减少。当营养液中部分NO₃^-被Cl^-替代后，氯离子（Cl^-）的UC显著升高，反映了植物对介质中离子浓度的被动吸收响应。

3.6. 氮素农学效率

氮素农学效率（AE_N，即每投入单位氮素所生产的鲜重产量）是衡量氮肥利用效率的关键指标。在大多数情况下（BH和LB品种），低EC和低N:K处理都显著提高了AE_N，增幅在15%至21%之间。这表明，优化后的营养策略能够在减少氮肥用量的同时，维持甚至提高氮肥的生产效率。

综上所述，这项研究有力地证明了，在水培生菜生产中，将营养液电导率（EC）从传统的2.5 dS m^-1适度降低至2.0 dS m^-1，同时将氮钾比（N:K）从3.28调整至2.28（通过Cl^-部分替代NO₃^-），是一项行之有效的策略。该策略的核心优势在于实现了"一举三得"：首先，成功地将生菜叶片中的硝酸盐含量降低了三分之一，显著提升了产品的食品安全性；其次，在实现上述目标的同时，完全保障了生菜的商业产量，避免了因减肥而导致的减产风险；最后，显著提高了氮素的农学利用效率，减少了约13%的氮素吸收需求，从而降低了肥料投入成本和潜在的环境污染。研究还通过对比两种养分吸收浓度（UC）计算方法，揭示了水培系统中氮、钙、铁等元素可能存在沉淀、挥发或分析误差等损失，为更精确地管理闭路循环系统提供了重要见解。

这项研究成果具有重要的实践意义。它为水培生菜种植者提供了一套具体、可操作的优化方案。种植者可以参照本研究中T4处理的营养液配方作为起始和目标浓度，并通过监测系统动态调整补液配方，使养分供应更精准地匹配植物需求。这不仅有助于生产出更安全、优质的农产品，也契合了欧盟绿色协议关于减少肥料使用和养分损失的战略目标，推动了设施农业向资源节约、环境友好的可持续发展方向迈进。