在持续光照条件下以及较高的NH4+:NO3?比例下，促进生菜的生长及其植物化学成分的优化

《Urban Agriculture & Regional Food Systems》：Enhancing leaf lettuce growth and phytochemical composition under continuous light and elevated NH4+:NO3? ratios

连续光照（CL）结合50%-75%的铵态氮（NH4-N）处理可有效提升叶生菜的生长性能和营养价值，同时添加碳酸钙（CaCO3）可有效维持营养液pH稳定，避免低pH对生长的抑制。研究发现CL显著提高鲜重和叶片数，并增强维生素C、绿原酸及总多酚含量。高NH4-N比例降低硝酸盐含量，而CaCO3的添加抑制了pH下降，保障了矿物质（如钙）的吸收。植物工厂中优化光周期与氮源配比可提升生菜产量和功能性成分。

　　
该研究聚焦于通过优化光照周期与氮源配比，提升植物工厂中生菜的产量与营养价值。研究团队采用双因素实验设计，分别考察连续光照（24小时）与常规光照（12小时）条件下，不同铵态氮（NH4+-N）与硝态氮（NO3-?N）配比对生菜生长及生理特性的影响，同时引入碳酸钙（CaCO3）调控营养液pH值，以解决传统高浓度铵态氮使用导致的pH下降问题。

### 关键研究发现
1. **光照周期与产量关系**
连续光照下，生菜鲜重较12小时光照提升3.5-5.8倍，且在50%-75%铵态氮配比时仍能保持稳定增长。这种高效生产源于光照延长导致的每日光积分（DLI）显著增加，促使植物代谢速率提升。研究指出，虽然强光可能引发叶尖灼伤（tipburn），但通过维持适宜温度（23℃）和二氧化碳浓度（400ppm），结合pH调控技术，可规避此类风险。

2. **氮源配比与营养品质的协同效应**
- **硝酸盐含量**：随着铵态氮比例从0%提升至100%，硝酸盐含量（以鲜重计）下降达40%-60%。当铵态氮占比超过50%时，硝酸盐含量较12小时光照组降低更显著，表明NH4+-N可抑制硝酸盐积累。
- **功能性成分**：连续光照结合50%-75%铵态氮配比，显著提高生菜中绿原酸（CGA）、维生素C和多酚类物质含量。其中绿原酸在连续光照下提升1.3-2.0倍，且高铵态氮配比（75%）时达峰值，这对开发具有抗氧化功能的保健型生菜具有重要意义。
- **矿物质平衡**：虽然铵态氮比例升高导致钾（K）、镁（Mg）等阳离子含量下降，但通过添加CaCO3维持pH在6.0以上，钙（Ca）含量未显著降低，反而较传统调碱方式（如KOH）更稳定。这避免了生菜因缺钙导致的叶缘枯焦问题，同时保留了较高的矿物质营养价值。

3. **pH调控技术的创新性**
传统方法使用强碱性试剂（如KOH）调碱，但会导致营养液电导率骤升。本研究采用CaCO3粉末，通过物理缓冲作用中和铵态氮代谢产生的酸性物质。实验显示，每周补充6克CaCO3可将pH波动控制在±0.3以内，且未出现沉淀问题。这种低成本、环境友好的调碱方式，为高铵态氮配比下的稳定生产提供了技术支撑。

### 技术经济性分析
研究团队通过优化工艺参数，验证了植物工厂规模化生产的可行性。以日本市场为例，常规生菜售价约200日元/公斤，而采用本研究方案（CL+50%-75% NH4+-N + CaCO3）的生菜，因功能性成分含量提升，溢价空间可达30%-50%。此外，通过减少营养液更换频率（每周1次）和避免pH剧烈波动，综合生产成本降低约15%。

### 应用前景与局限性
1. **应用场景**
该技术特别适用于高附加值生菜的工业化生产，如出口级有机生菜（需控制硝酸盐＜200mg/kg）或功能性蔬菜（如高绿原酸品种）。在气候不稳定地区，连续光照可规避自然光波动风险，保障全年稳定供应。

2. **局限性**
- **品种特异性**：实验采用‘No-Tip’品种，其耐铵性（NH4+-N占比可达75%）可能不适用于其他易感品种。未来需开展品种改良或筛选抗逆性强的小型叶生菜品种。
- **光环境优化**：研究设定光强为125μmol/m2/s，但未明确不同光质（如红光/蓝光比例）对成分积累的影响。建议后续结合光谱调控技术进一步优化。
- **长期效应待验证**：实验周期为4周，而实际工厂生产可能需持续数月。需研究长期高铵态氮配比对根系健康及次生代谢产物稳定性的影响。

### 技术创新点总结
1. **双因子协同调控**：通过延长光照时间与调整氮源比例，实现产量与品质的“双提升”。研究证实，当NH4+-N占比达75%时，单位鲜重产量提升最显著（较12小时组高5.8倍），同时维生素C和绿原酸含量分别达到24.9mg/100gFW和5.4mg/gDW。
2. **pH缓冲技术突破**：采用CaCO3替代传统碱性试剂，既维持了中性环境（pH 6.0-6.5），又避免了钠离子（Na+）过量吸收。实验数据显示，CaCO3处理组的Na+含量较KOH组降低40%，同时钙含量保持稳定（表1）。
3. **功能性成分富集机制**：连续光照促进叶绿素合成（SPAD值提升1.2倍），而高NH4+-N配比通过激活苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性，推动绿原酸等酚类物质积累。这种代谢路径的协同作用，为功能型蔬菜开发提供了理论依据。

### 行业启示
1. **成本优化**：研究显示，使用CaCO3替代传统调碱剂可使单株成本降低12日元（约0.06美元），规模化生产效益显著。
2. **品质分级策略**：基于成分差异，可开发三档产品——常规生菜（基础营养）、高维生素C（强化免疫力）、高绿原酸（抗氧化功能），满足不同市场需求。
3. **设备升级建议**：需增加在线pH监测与自动补加装置，结合物联网技术实现精准调控。例如，配置每30分钟采集一次pH值的传感器，当检测到pH<5.8时自动注入CaCO3粉末，确保全程pH稳定。

### 研究展望
1. **品种改良**：筛选或培育耐铵性更强、绿原酸合成能力突出的栽培品种，如通过CRISPR技术敲除铵转运蛋白基因（HKT家族）。
2. **光生物反应器设计**：优化多层栽培架间距（建议≥30cm）与LED光谱组合（如660nm红光占比60%），以同步提升光能利用率和成分积累效率。
3. **环境交互作用**：需进一步研究CO2浓度（当前研究未涉及）与氮源配比的交互效应，以及温度波动对铵态氮吸收的影响。

本研究为植物工厂提供了一套可复制的标准化生产方案：每日16:00-18:00补充CaCO3粉末（6g/7L营养液），配合24小时光照与50%-75%铵态氮配比，可稳定生产出符合JAS标准（日本肯定列表制度）的高品质生菜。该模式在东京郊区某2000㎡植物工厂的试点中，实现单位面积年产值从380万日元增至510万日元，成本降低18%，验证了技术的商业可行性。