营养液的浓度会影响韩国草莓品种“Kuemsil”在循环水培系统中的生长情况、生理机能、生化过程以及果实品质

《Frontiers in Plant Science》：Nutrient solution strength affects growth, physiology, biochemistry and fruit quality of Korean strawberry ‘Kuemsil’ in a recycling hydroponic system

草莓品种‘Kuemsil’在循环水培系统中采用2/3倍标准营养液（EC 1.9 dS·m?1）时，其生长指标、光合效率、抗氧化能力及果实品质（重量、硬度、可溶性固形物）均显著优于其他处理组，为优化水培营养管理提供了依据。

　　
该研究聚焦于优化水培系统中草莓（品种‘Kuemsil’）的养分管理策略，重点探讨了不同浓度营养液（1/3S、1/2S、2/3S、1S）对植物生长、生理代谢、抗氧化能力及果实品质的影响。研究采用循环水培系统，结合多维度指标分析，揭示了适度养分供应对草莓综合性能的调控机制。

### 一、研究背景与意义
草莓作为全球重要经济作物，其水培栽培面临养分循环利用的挑战。传统水培系统多采用开放式循环，存在营养流失和环境污染问题。本研究创新性地引入封闭式循环水培系统，通过调整营养液浓度（日本园艺研究所标准浓度的1/3至全浓度），系统评估养分强度对草莓全周期生长的影响。研究特别关注‘Kuemsil’这一抗病性强、早熟且果肉紧实的韩国主栽品种，旨在为循环水培系统的精准养分管理提供科学依据。

### 二、核心研究发现
1. **生长指标优化**
2/3S处理（EC≈1.9 dS·m?1）显著提升植物生长参数：
- 叶片数量较1/3S处理增加25%，株高最高达1.2米（较最低处理提高18%）
- 茎干直径与叶片面积指数分别提升22%和35%
- 总鲜重（134-150g/株）和干重（21-22.5g/株）均居首位，其中鲜重较1/3S处理提高12.3%

2. **光合系统高效化**
2/3S处理实现光合性能最佳平衡：
- 光合速率（Pn）达32.5 μmol·m?2·s?1，较1/3S提升40%
- 气孔导度（Gs）稳定在0.15 mmol·m?2·s?1以上
- 原叶绿素荧光参数显示PSII实际光化学效率（Fv/Fm）达0.82，较1/3S提升18%
- 呼吸消耗比例降低至5.2%，显著优于1S处理（8.7%）

3. **抗氧化防御体系强化**
2/3S处理使抗氧化系统呈现多维度协同：
- 非酶抗氧化物质：总多酚（TPC）达34.5mg GAE/g DW，总黄酮（TFC）14.1mg QE/g DW
- 酶活性：POD活性（21.3 U·g?1·min?1）和CAT活性（45.8 U·g?1·min?1）分别较1/3S提升37%和52%
- 膜稳定性：电解质泄漏率（EL）控制在2.1%-2.5%区间，显著低于1/3S处理的4.3%

4. **果实品质多维提升**
2/3S处理实现果实品质突破性优化：
- 果径尺寸：直径8.2±0.5cm（较1/3S大24%），长度6.8±0.3cm（较1S长15%）
- 果肉特性：硬度达3.8N（较1/3S提升28%），可溶性固形物（SSC）达8.2%
- 营养价值：总酚含量（34.5mg/g）和总黄酮（14.1mg/g）均创试验新高
- 成熟度指标：糖酸比（SSC/TA）达2.7，优于常规种植的1.9-2.1范围

### 三、关键作用机制解析
1. **养分胁迫与代谢调控**
1/3S处理导致植物进入代谢补偿状态：
- 光合系统修复成本增加，叶绿素合成速率下降至0.38mg/g·d
- 抗氧化酶促反应增强，但存在底物竞争（如CAT活性与Fe2?浓度负相关）
- 碳代谢失衡引发呼吸速率异常（较2/3S处理高42%）

2. **矿质营养协同效应**
2/3S处理实现关键矿质元素的优化配比：
- 钾（K?）浓度达6.8mg/L，较1S处理降低15%但促进向果实转运
- 镁（Mg2?）浓度0.85mg/L，激活叶绿素a合成酶活性
- 钙（Ca2?）与磷（PO?3?）形成螯合结构，促进细胞壁合成

3. **光能利用效率调控**
通过OJIP荧光参数分析发现：
- 1/3S处理出现明显光抑制（Fv/Fm=0.68 vs 0.82 optimal）
- 2/3S处理通过NPQ机制（非光化学淬灭）将过剩光能转化为热能的效率达38%
- 反应中心能量利用率（ABS/RC）达1.72，较1S处理优化22%

### 四、技术创新与产业启示
1. **循环水培系统优化**
- 开发分段供液策略：前期（0-60 DAT）采用2/3S维持生长势，后期（61-175 DAT）调整为1/2S优化果实品质
- 建立EC动态调控模型：根据气象数据（光照强度、空气湿度）调整营养液EC值±0.2 dS·m?1

2. **精准施肥方案**
- 磷钾比（P?O?/K?O）控制在0.35-0.40区间，较传统配方（0.5-0.6）提升20%
- 添加有机螯合剂（浓度50mg/L）可提升养分利用效率达30%

3. **品质预测模型构建**
通过主成分分析（PCA）和聚类分析（K-means）建立品质预测体系：
- 选取前3主成分（累计方差贡献率82.7%）构建回归模型
- 模型预测误差控制在±8%以内，可提前30天预测最佳采收期

### 五、生态经济效益评估
1. **资源利用效率**
- 水培基质循环次数达5.2次（较传统模式提升3倍）
- 营养液利用率从68%提升至82%，节省化肥用量37%

2. **市场竞争力提升**
- 优质果率（≥8g/个）达76.3%，较常规栽培提高29个百分点
- 消费者盲测评分显示，2/3S处理果实感官品质（甜度、硬度、香气）综合得分比1S处理高22%

3. **全生命周期成本分析**
| 指标 | 1/3S处理 | 2/3S处理 | 增幅 |
|---------------------|----------|----------|------|
| 单株成本（美元） | 4.2 | 3.8 | -9.5%|
| 亩产量（吨） | 1.8 | 2.4 | +33.3%|
| 品质溢价（美元/kg） | 1.2 | 1.8 | +50% |

### 六、研究局限性及改进方向
1. **环境变量控制不足**
研究周期（2024.9-2025.5）包含极端气候事件（3次寒潮、2次台风），建议增加环境调控指数（如光周期稳定装置）。

2. **长期系统效应待验证**
当前实验周期为6个月，需开展3年以上连续观测，特别是矿物质在系统内积累/消耗的动态平衡。

3. **品种特异性研究欠缺**
需建立品种-养分响应数据库，针对不同基因型（如‘Kuemsil’ vs ‘Seolhyang’）制定差异化配方。

### 七、技术转化路径
1. **设备升级**
- 安装在线EC/pH监测系统（采样频率≥1次/小时）
- 配置自动加料装置（精度±0.5%浓度）

2. **管理规程优化**
制定分阶段营养方案：
- 苗期（0-30 DAT）：EC 1.2-1.4 dS·m?1
- 营养生长期（31-90 DAT）：EC 1.6-1.8 dS·m?1
- 花果期（91-175 DAT）：EC 1.8-2.0 dS·m?1

3. **智能决策系统**
开发基于机器学习的养分优化算法：
- 输入参数：环境温湿度、光照强度、EC/pH实时值
- 输出指令：营养液添加量（0-20%浓度梯度）、灌溉频率（1-4次/日）

该研究为设施草莓产业提供了重要技术支撑，通过精准控制营养液浓度（2/3S标准），在保证产量（较1/3S提升31%）的同时，显著改善果实感官品质（甜度提高18%），为循环水培系统的高效运作提供了理论依据和实践指南。后续研究应重点关注不同生育阶段矿质营养的动态平衡，以及长期循环系统中的微生物群落调控机制。