不同紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對葉用萵苣生長和品質(zhì)的影響

王志敏 宋非非 徐志剛 劉曉英* 楊 楊

（1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇 南京 210095；2南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇 南京 210095）

光是植物生活中重要的環(huán)境因子之一，它不僅為植物光合作用提供輻射能，而且還可以作為信號調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育過程（高榮孚和張鴻明，2002）。目前已有大量研究表明，光照強(qiáng)度對作物的形態(tài)學(xué)、光合作用、內(nèi)源激素、礦質(zhì)營養(yǎng)、葉片結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分有重要影響。遮陰下植物會產(chǎn)生一系列耐陰機(jī)制，表現(xiàn)出適應(yīng)遮陰環(huán)境的趨勢，主要包括莖伸長（Smith，1990；Aphalo& Ballaré，1995；Ballaré & Scopel，1997）、株高增加（Smith & Martin，1987）、葉面積增加（Smith& Martin，1987）、頂端優(yōu)勢增強(qiáng)（Collins & Wein，2000）和根系生物量減小（Fitter & Ashmore，1974）等。此外，遮陰通常會降低植物凈光合速率（Fay & Knapp，1993），植物為了適應(yīng)弱光環(huán)境一般會增加葉綠素的含量以吸收更多的光能（Smith & Martin，1987），吸收短波光的葉綠素b的比例增加更為明顯（繳麗莉 等，2007）。遮陰對植物的影響還表現(xiàn)在物質(zhì)代謝上，糖是植物光合作用的直接產(chǎn)物，光合速率的減弱會明顯導(dǎo)致糖積累量的降低（周興元和曹福亮，2006）；葉片中許多可溶性蛋白合成也受光的調(diào)控，生長在弱光環(huán)境下的葉片中可溶性蛋白含量通常低于生長在正常光條件下葉片的含量（楊志民 等，2007）。

由于受到設(shè)施骨架遮陰及陰雨天的影響，設(shè)施作物往往受到弱光脅迫，設(shè)施栽培作物補(bǔ)光及補(bǔ)光光質(zhì)及光照強(qiáng)度的確定尤為重要。目前，光照強(qiáng)度對植物的影響大多集中在自然光下強(qiáng)光及弱光對植物各方面影響的研究，很少進(jìn)行窄光譜光照強(qiáng)度對植物影響的研究。而近年來新崛起的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能性、光譜可調(diào)性、良好的點(diǎn)光源性、冷光性以及良好的防潮性等，都使其作為農(nóng)業(yè)用燈而被看好。LED作為冷光源，以其節(jié)能高效的特征正吸引著全世界的目光，尤其是在全球能源短缺的背景下，LED的推廣普及正受到世界各國的高度重視，預(yù)計(jì)在不久的將來LED將會在農(nóng)業(yè)與生物產(chǎn)業(yè)獲得空前的發(fā)展（楊其長，2008）。國內(nèi)外學(xué)者以LED作為植物生長光源對設(shè)施作物如青蒜苗（楊曉健 等，2011）、馬鈴薯（Aksenova et al.，1994；Jao et al.，2005）、百合（Lian et al.，2002）、大花蕙蘭（Tanaka et al.，1998）、萵苣（Okamoto et al.，1996；Yanagi et al.，1996）、桉樹（Nhut et al.，2002）、櫻桃番茄（劉曉英 等，2010a，2010b）、萬壽菊和金盞花（Heo et al.，2002）等植物的生長、品質(zhì)和光形態(tài)建成影響的研究，而此類研究大多探究的是LED光質(zhì)對植物生長發(fā)育的影響，鮮有光照強(qiáng)度層面上的研究。

為了促進(jìn) LED光源在植物工廠和設(shè)施補(bǔ)光中的合理應(yīng)用，本試驗(yàn)以綠葉蔬菜葉用萵苣（Lactuca sativa L.）為試驗(yàn)材料，采用LED光源，通過檢測葉用萵苣生長及品質(zhì)指標(biāo)，研究紅藍(lán)組合光源下葉用萵苣對不同光照強(qiáng)度的生理響應(yīng)，以期為開展葉用萵苣的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的光照強(qiáng)度管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

圖1 紅藍(lán)組合光的光能分布

試驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)LED實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以葉用萵苣品種永榮（購于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）為試驗(yàn)材料，采用營養(yǎng)缽育苗，基質(zhì)為草炭∶蛭石=3 V∶1 V。2010年6月2日開始催芽，6月4日播種到120孔育苗穴盤，6月10日定植到塑料營養(yǎng)缽，并轉(zhuǎn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行為期32d的紅藍(lán) LED光照強(qiáng)度處理。紅藍(lán)復(fù)合光由紅色與藍(lán)色LED光以1∶1組合獲取，紅藍(lán)復(fù)合光的光譜分布見圖1，其紅光的峰值波長為640 nm，藍(lán)光的峰值波長為 450 nm，波譜寬度均為±20 nm。參考常濤濤等（2010）和劉曉英等（2010a）對櫻桃番茄研究的光照強(qiáng)度設(shè)定，而葉用萵苣為葉菜類，所適光照強(qiáng)度應(yīng)在50～300μmol·m-2·s-1范圍之內(nèi)，故本試驗(yàn)紅藍(lán)LED總光照強(qiáng)度分別設(shè)為 100μmol·m-2·s-1（RB100）、200μmol·m-2·s-1（RB200）和 300μmol·m-2·s-1（RB300）進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)。每處理30株，隨機(jī)區(qū)組排列，每缽1株，2次重復(fù)。晝夜溫度：（28±2）℃/（18±2）℃，濕度：60 %～80 %，光周期12h。植物光照生長培育系統(tǒng)為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)自行設(shè)計(jì)，采用高功率 LED光源并置于植株的頂部，用照度儀（LI-250，LI-COR，美國）測定光照強(qiáng)度，根據(jù)植株生長高度調(diào)整光源的位置。

1.2 項(xiàng)目測定

測定指標(biāo)所需樣品在光處理32d時取樣，每處理隨機(jī)取樣2株，以葉用萵苣的葉片為取樣部位，且測定相同指標(biāo)時取相同部位的樣品。用直尺測量幼苗株高與根長；用電子天平稱量鮮質(zhì)量；烘干后測定干質(zhì)量；含水量=（幼苗葉片鮮質(zhì)量-幼苗葉片干質(zhì)量）/ 幼苗葉片鮮質(zhì)量×100 %；葉面積采用肖強(qiáng)等（2005）的方法測定；比葉面積=葉面積/葉片鮮質(zhì)量；用蒽酮比色法（李合生，2000）測定可溶性糖、淀粉和蔗糖含量；用 TTC法（李合生，2000）測定根系活力；用考馬斯亮藍(lán)法（李合生，2000）測定可溶性蛋白含量；用分光光度計(jì)法（李合生，2000）測定VC含量；用水楊酸比色法（張以順 等，2009）測定硝酸鹽含量；采用 80 %丙酮浸提法（鄒琦，1995）測定葉綠素，并根據(jù)Arnon公式計(jì)算葉綠素含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SAS9.2軟件的Turkey’s-b分析，顯著水平P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對葉用萵苣生長指標(biāo)的影響

如表1所示，紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度處理的葉用萵苣生長指標(biāo)存在顯著差異，RB100處理的根長、株高、比葉面積都顯著大于RB200和RB300處理，而RB200和RB300處理的根長無顯著差異，但RB200處理的株高與比葉面積顯著大于RB300處理。3個處理干質(zhì)量、鮮質(zhì)量、含水量、葉面積及根系活力無顯著差異，但RB100處理的干質(zhì)量、鮮質(zhì)量和葉面積指標(biāo)在數(shù)值上都大于RB200和RB300處理，遵循隨光照強(qiáng)度的增大，上述物理量都減少的規(guī)律。

表1 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對葉用萵苣生長指標(biāo)的影響

2.2 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對葉用萵苣品質(zhì)指標(biāo)的影響

2.2.1 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對淀粉、蔗糖及可溶性糖含量的影響 如圖2所示，RB100處理可溶性糖含量顯著小于 RB200和 RB300處理，RB200和 RB300處理可溶性糖含量無顯著差異；RB100處理的蔗糖含量顯著大于RB200和RB300處理，RB200和RB300處理蔗糖含量無顯著差異；RB300處理淀粉含量顯著大于RB100和RB200處理，而RB100和RB200處理淀粉含量無顯著差異。總體表現(xiàn)為隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)，蔗糖含量呈現(xiàn)降低趨勢，而淀粉和可溶性糖含量呈增加趨勢。

2.2.2 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對可溶性蛋白含量的影響 如圖3所示，RB100處理可溶性蛋白含量顯著大于RB200和RB300處理，RB200和RB300處理無顯著差異，可溶性蛋白的含量呈現(xiàn)出隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)先降低后上升趨勢。

2.2.3 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對VC含量的影響 VC是蔬菜重要的品質(zhì)指標(biāo)之一。如圖4所示，紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對葉用萵苣植株中VC含量有顯著影響，RB300處理VC含量顯著大于RB100和RB200處理，RB100和RB200處理VC含量無顯著差異。隨著光照強(qiáng)度的增加，植株體內(nèi)VC含量有增加的趨勢。

2.2.4 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對硝酸鹽含量的影響 人體攝取過量硝酸鹽可導(dǎo)致活動遲緩、工作能力減退、頭暈、昏迷等，一次用量過大甚至?xí)?dǎo)致死亡。由于葉用萵苣一般生食或加工程度較輕，故其中的硝酸鹽對人體危害性會更大。葉用萵苣中硝酸鹽含量的高低已成為評估其營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)之一（周秋月，2008）。如圖 5所示，不同光照強(qiáng)度條件下葉用萵苣中硝酸鹽含量差異顯著，RB100處理硝酸鹽含量顯著大于RB200和RB300處理，而RB300處理硝酸鹽含量最低。即隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，硝酸鹽含量顯著降低。

圖2 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對淀粉、蔗糖及可溶性糖含量的影響

圖3 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對可溶性蛋白含量的影響

圖4 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對VC含量的影響

圖5 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對硝酸鹽含量的影響

2.3 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對葉綠素含量的影響

如圖 6所示，不同光照強(qiáng)度處理葉綠素 a和葉綠素b含量差異顯著：RB100處理葉綠素a和葉綠素 b含量顯著大于 RB200和 RB300處理，且RB300處理葉綠素a和葉綠素b含量顯著小于RB200處理。即隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，植株葉片內(nèi)葉綠素a和葉綠素b的含量減少。

3 結(jié)論與討論

圖6 紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對葉綠素含量的影響

光照強(qiáng)弱不同，植物光形態(tài)建成和葉綠素含量顯著不同。陳銀華和蔣健茂（1998）對辣椒的研究發(fā)現(xiàn)隨著光照強(qiáng)度的減弱，植株變高，葉面積變大，葉片變薄，比葉重顯著減小；喬新榮等（2007）發(fā)現(xiàn)烤煙在弱光下植株高度、葉的長寬比都增大，但莖粗變小，葉數(shù)變少，節(jié)間變長；陳青君和張福墁（2000）也認(rèn)為植株的葉面積在弱光條件下減少，莖粗與干質(zhì)量都有不同程度的降低，葉面積的變化與光合產(chǎn)量有明顯的關(guān)系，其比葉面積隨光照強(qiáng)度的降低而增加。本試驗(yàn)結(jié)果與上述結(jié)果相似，研究發(fā)現(xiàn)RB100（100μmol·m-2·s-1）處理的根長、株高、比葉面積顯著大于 RB200（200μmol·m-2·s-1）和 RB300（300μmol·m-2·s-1）處理，說明葉用萵苣植株對紅藍(lán) LED組合光源光照強(qiáng)度的光形態(tài)建成反應(yīng)與自然光下相同。葉綠素含量的提高可以增加用于吸收光能的捕光色素蛋白的相對含量，從而提高光能利用率（劉文海 等，2006）。本試驗(yàn)中，隨著光照強(qiáng)度的降低，葉綠素a、b含量增加，這與其他植物（史慶華 等，2005；孫治強(qiáng) 等，2005；王惠哲 等，2005；蔣燕和趙會杰，2006；朱延姝和馮輝，2006）研究結(jié)果一致，均是植物對弱光的適應(yīng)反應(yīng)（徐坤 等，2003；史慶華 等，2005），葉綠素的增加有利于植物捕獲較多的光能，而彌補(bǔ)外界的光照不足，尤其是葉綠素b含量的增加有助于提高葉用萵苣對弱光環(huán)境的適應(yīng)能力。

光照強(qiáng)度影響植物果實(shí)的品質(zhì)。徐磊等（2009）對普通白菜生長及品質(zhì)方面的研究結(jié)果表明，植株可溶性糖、可溶性蛋白、VC含量隨光照強(qiáng)度減弱而減少。本試驗(yàn)結(jié)果與徐磊等（2009）研究結(jié)果相同，RB100處理的淀粉和可溶性糖含量較少，這可能是由于光照強(qiáng)度較弱導(dǎo)致光合作用下降，引起光合產(chǎn)物的合成能力下降，而使淀粉和可溶性糖的含量相應(yīng)減少；另外，隨著光照強(qiáng)度降低，葉用萵苣的VC含量也逐漸減少，這與楊淑艷等（2009）在辣椒上的研究結(jié)果一致，可能是較高光照強(qiáng)度下催化VC合成的關(guān)鍵酶GalLDH（半乳糖乳酸脫氫酶）的活性提高，從而使VC含量增加（朱延姝和馮輝，2006）。光照強(qiáng)度也顯著調(diào)控硝酸鹽的含量，在本試驗(yàn)中，隨著光照強(qiáng)度的降低，葉片中硝酸鹽含量增加，這與趙磊等（2007）在自然光照條件下對蒲公英研究結(jié)果一致。這是因?yàn)檩^高的光照強(qiáng)度增加了硝酸還原酶的活性，影響植物對NO3-的傳導(dǎo)，提高了氮素同化能力（王強(qiáng) 等，2006），降低了硝酸鹽的累積，提升了葉用萵苣的安全品質(zhì)。

綜上所述，紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度與自然光光照強(qiáng)度對植物的光形態(tài)建成的影響相似，光照強(qiáng)度較弱的 RB100處理其株高與比葉面積顯著大于 RB200和 RB300處理，而較高光照強(qiáng)度的RB300處理具有較高的可溶性糖、可溶性淀粉、VC 含量以及較低的硝酸鹽含量。結(jié)果表明，光照強(qiáng)度在100～300μmol·m-2·s-1時，光照強(qiáng)度較低時有利于葉用萵苣的生長，光照強(qiáng)度較高時有利于葉用萵苣品質(zhì)的提高。

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