不同波峰的LED紅藍(lán)光質(zhì)組合對(duì)黃瓜苗生長(zhǎng)和光合特性的影響

聞 婧， 楊其長(zhǎng)， 魏靈玲， 劉文科， 孟力力， 程瑞鋒， 韋金河， 張 俊

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，江蘇 南京 210014;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

LED(Light emitting diode)即發(fā)光二極管，作為一種節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小、易于組合安裝的新型光源［1］，它的光譜域?qū)捿^窄，只有 ±20 nm［2］，便于光質(zhì)配比的精準(zhǔn)控制［3］。因此，在溫室補(bǔ)光、植物工廠化生產(chǎn)、植物組培、航天農(nóng)業(yè)等多個(gè)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中LED作為新型植物光源表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景［4］。

目前以LED為光源已經(jīng)成功用于培養(yǎng)萵苣［5-7］、胡瓜［8］、小麥［9］、菠菜［10］、福祿考［11］等多種植物，并且與紅、藍(lán)、黃、綠等單色光相比，紅藍(lán)混合光下培養(yǎng)的植株更健壯。對(duì)于不同的植物，最適于生長(zhǎng)發(fā)育的紅藍(lán)光混合比例也不相同［12-14］，有關(guān)最適黃瓜育苗的紅藍(lán)光混合比例還沒有定論。此外，在已有研究中，紅藍(lán)光LED波峰的選擇存在差異，其中紅光主要使用660 nm和630 nm 2個(gè)波段，藍(lán)光的使用差異較大，從440 nm至480 nm各不相同［5-14］，而鮮見有關(guān)植物在不同波峰光源下生長(zhǎng)情況的報(bào)道。然而，不同波峰的LED對(duì)光源的電能轉(zhuǎn)化率、耗電量［15］以及植物的光能利用率［16］都有直接影響，兼顧三者對(duì)LED在農(nóng)業(yè)上的使用和推廣具有重要影響。

因此，本試驗(yàn)選用了660 nm+450 nm的 LEDA型和630 nm+460 nm的LEDB型2種紅藍(lán)光組合光源［17］，并設(shè)置不同紅藍(lán)光配比(R/B)，進(jìn)行黃瓜育苗試驗(yàn)，旨在探明2組波峰下不同R/B的LED光源對(duì)黃瓜育苗的影響，以期找到適合黃瓜育苗的高能效LED光源參數(shù)，為 LED光源在黃瓜育苗中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 光源設(shè)計(jì)參數(shù)

使用由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所合作開發(fā)研制的LEDA型和LEDB型光源。2種類型光源均可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)紅藍(lán)光組合配比、光合有效光量子流密度和光周期，具體的光源參數(shù)如表1所示。

表1 LED光源的性能參數(shù)Table 1 Performance parameter of LED light source

1.2 處理設(shè)置

試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院密閉式植物工廠內(nèi)完成。植物材料為千秋三號(hào)黃瓜(Cucumis sativus L.)。于2008年4月21日播種，待幼苗開始頂土，置于不同光源處理下培育28 d。LEDA型和LEDB型光源各設(shè)置4個(gè)不同R/B光質(zhì)處理(表2)，另設(shè)1個(gè)熒光燈對(duì)照;每個(gè)處理光量子流密度均設(shè)置為(154±1)μmol/(m2·s)，光周期為 10 h/d。每個(gè)處理種植黃瓜幼苗15株，重復(fù)3次。

表2 不同光質(zhì)處理的設(shè)計(jì)Table 2 Design of treatments with different light qualities

1.3 測(cè)定與分析方法

黃瓜播種28 d后，每個(gè)處理隨機(jī)選取10株黃瓜幼苗，使用LI-6400型便攜式光合測(cè)定儀測(cè)量各處理的光合指標(biāo)，測(cè)定過程中使用普通自然光葉室，每株選取完全展開的第2片真葉進(jìn)行測(cè)定;使用直尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)量植株株高和莖基直徑;使用AM-300型葉面積儀測(cè)量植株單株葉面積，測(cè)量葉片為完全展開的真葉;使用電子天平稱取植株干鮮質(zhì)量;采用氯化三苯基四氮唑還原法測(cè)定根系活力;比色法測(cè)定葉綠素和類胡蘿卜素含量［18］。壯苗指數(shù)和能效采用以下公式計(jì)算:壯苗指數(shù)=莖粗/株高×整株干質(zhì)量［19-21］，能效=整株干樣質(zhì)量/光源所消耗功率［22］。形態(tài)和生理指標(biāo)測(cè)定均6次重復(fù)。

采用Microsoft Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，用DPS v3.01統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同波峰和R/B值的LED光源對(duì)黃瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

如表3所示，在2種LED光源下，黃瓜幼苗植株干鮮重和葉面積指標(biāo)的變化趨勢(shì)相同，即隨著R/B值的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中LEDA2(R/B=7)和LEDB3(R/B=9)處理的各項(xiàng)指標(biāo)均無顯著差異，且均顯著高于其他處理和熒光燈對(duì)照。但株高則隨著R/B值的增加而增加，而莖基直徑的差異不明顯。對(duì)于不同處理間的壯苗指數(shù)，LEDA2處理顯著高于其他處理及對(duì)照，而LEDA1、LEDA3和LEDA4 3個(gè)處理顯著低于對(duì)照;LEDB1、LEDB2和 LEDB3 3個(gè)處理間無顯著差異;其中R/B=20的處理分別低于其他R/B值處理。2種LED光源下，根冠比均呈現(xiàn)隨著R/B值的增加而減小的趨勢(shì)，其中LEDA1處理顯著高于其他LEDA處理，LEDA2、LEDA3和 LEDA4間無顯著差異;LEDB1、LEDB2和LEDB3間無顯著差異，并顯著高于LEDB4。

表3 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)Table 3 The morphological indexes of cucumber seedling with different lighting treatments

在整體水平上，LEDA處理和LEDB處理的各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)無顯著差異。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，LEDA光源下，R/B=7(LEDA2)的處理優(yōu)于其他處理和對(duì)照;LEDB光源下，R/B=9(LEDB3)的處理優(yōu)于其他處理和對(duì)照。

2.2 不同波峰和R/B值的LED光源對(duì)黃瓜幼苗根系活力的影響

如圖1所示，在2種LED光源下，不同R/B處理的根系活力變化趨勢(shì)相同，但LEDA光源下各處理的變化幅度小于LEDB光源下各處理的變化幅度。LEDA和LEDB在整體水平上無顯著差異，但LED各處理均低于對(duì)照。

圖1 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗根系活力Fig.1 The root activity of cucumber seedling with different lighting treatments

2.3 不同波峰和R/B值的LED光源對(duì)黃瓜幼苗能效的影響

能效是指消耗同樣的電能植物所產(chǎn)的干物質(zhì)［22］。如圖2所示，LEDB3處理的能效最高，比對(duì)照提高 50%;LEDB光源下，各處理(LEDB1、LEDB2、LEDB3和LEDB4)的能效均分別高于LEDA光源下各處理(LEDA1、LEDA2、LEDA3和 LEDA4)111%、13%、88%和54%。在整體水平上，LEDB光源的能效比LEDA光源和熒光燈對(duì)照的能效分別提高55%和13%。

圖2 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗能效Fig.2 The energy efficiency of cucumber seedling with different lighting treatments

2.4 不同波峰和R/B值的LED光源對(duì)黃瓜幼苗光合色素含量的影響

如表4所示，在2種LED光源處理下黃瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量隨R/B值的變化趨勢(shì)相同，即先增加后降低，其中LEDA光源下，R/B=7(LEDA2)處理顯著高于R/B為5(LEDA1)、9(LEDA3)和 20(LEDA4)的處理;LEDB 光源下，R/B=9(LEDB3)處理的葉綠素含量最高，顯著高于R/B為5(LEDB1)和20(LEDB4)的處理，與R/B=7(LEDB2)的處理無顯著差異。兩種LED光源處理下，葉綠素a/b比值均表現(xiàn)為R/B=20時(shí)最大，顯著高于對(duì)照。而類胡蘿卜素含量在不同R/B處理間無顯著差異。在整體水平上，LEDA光源處理的葉綠素a+b含量和類胡蘿卜素含量顯著高于LEDB光源。

表4 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗葉綠素含量和類胡蘿卜素含量Table 4 The chlorophyll content and carotenoids content of cucumber seedling with different lighting treatments

2.5 不同波峰和R/B值的LED光源對(duì)黃瓜幼苗光合指標(biāo)的影響

如表5所示，LEDA光源下，黃瓜幼苗的光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的變化趨勢(shì)相同，即隨著R/B值的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中LEDA2處理顯著高于其他處理和對(duì)照;而胞間CO2濃度則隨著R/B值的增加而顯著增加，其中LEDA4處理顯著高于其他處理和對(duì)照。在LEDB光源下各項(xiàng)光合指標(biāo)的變化趨勢(shì)相同，即隨著R/B值的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中LEDB3處理顯著高于其他處理和對(duì)照。

表5 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗光合指標(biāo)Table 5 The photosynthetic indexes of cucumber seedling with different lighting treatments

在整體水平上，LEDA和LEDB兩種光源處理的各項(xiàng)光合指標(biāo)無顯著差異。而LEDA2處理的光合速率和氣孔導(dǎo)度兩項(xiàng)指標(biāo)顯著高于 LEDB3，LEDB3處理的蒸騰速率顯著高于LEDA2。

3 討論

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基本因素之一，光質(zhì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)建成、光合作用等均有調(diào)節(jié)作用［4］。試驗(yàn)中，不同R/B值的光源對(duì)黃瓜幼苗的各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)、根系活力、光合色素含量以及光合指標(biāo)均表現(xiàn)出了調(diào)節(jié)作用，這與楊雅婷等對(duì)甘薯組培苗［23］和唐大為等對(duì)黃瓜育苗［24］的研究結(jié)果相符，但調(diào)節(jié)規(guī)律不同。

不同R/B值的光源對(duì)黃瓜幼苗的干鮮重、葉面積、根系活力、葉綠素含量、光合速率、蒸騰速率以及氣孔導(dǎo)度的調(diào)節(jié)變化趨勢(shì)相同，即隨著R/B值的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，說明不同波峰的LED光源對(duì)黃瓜幼苗以上幾個(gè)指標(biāo)的調(diào)節(jié)作用具有相似性，這與聞婧等［25］對(duì)葉用萵苣品質(zhì)的研究結(jié)果相似。

不同R/B值的光源對(duì)黃瓜幼苗株高的影響則隨著R/B值的增加而增加，表明紅光的增加有利于莖的伸長(zhǎng)，與Nhut等［14］的研究結(jié)果一致。試驗(yàn)中，LED光源處理下株高均(除LEDA2處理外)大于熒光燈對(duì)照，也是由于LED光源中紅光所占的比例大于熒光燈。而LED光源處理中R/B=5時(shí)，由于藍(lán)光的增加，顯著降低了株高，但同時(shí)也降低了植株的干鮮重，由此導(dǎo)致LED光源處理下壯苗指數(shù)整體低于熒光燈對(duì)照，其中只有LEDA2處理兼顧了株高和干鮮重，使得壯苗指數(shù)顯著高于其他處理和熒光燈對(duì)照。說明通過調(diào)節(jié)紅藍(lán)光的配比可以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)的黃瓜壯苗，但熒光燈(610～720 nm紅光波段的光量子流密度占27%，400～510 nm藍(lán)光波段的光量子流密度占18%)僅利用了少量的紅藍(lán)光就可以培育黃瓜壯苗，說明熒光燈中其他光譜能量對(duì)黃瓜壯苗的培育起到重要作用。崔瑾等［19］研究發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充黃光可顯著提高辣椒鎮(zhèn)研六號(hào)的莖粗、干樣質(zhì)量及壯苗指數(shù)，補(bǔ)充綠光可提高辣椒鎮(zhèn)研六號(hào)的株高和干鮮重。杜洪濤等［26］研究發(fā)現(xiàn)黃光有利于彩色甜椒壯苗。但黃、綠光對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響還有待進(jìn)一步研究。

LED光源對(duì)根冠比的影響則隨著R/B值的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，表明藍(lán)光有利于提高黃瓜幼苗的根冠比，說明藍(lán)光能促進(jìn)同化物向地下部的分配［21］，這與蒲高斌等［27］的研究結(jié)論相符。對(duì)于根系活力，常濤濤等研究發(fā)現(xiàn)的紅光+藍(lán)光+綠光處理下番茄幼苗的根系活力高于紅光+藍(lán)光處理［22］，本研究中LED光源處理下的根系活力低于熒光燈對(duì)照，我們認(rèn)為是由于熒光燈中含有綠光的成分，但綠光是如何促進(jìn)根系活力，還需要進(jìn)一步研究。

660 nm+450 nm的LEDA型光源處理下黃瓜幼苗葉綠素a+b和類胡蘿卜素的整體含量顯著高于630 nm+460 nm的LEDB型光源處理，說明660 nm+450 nm的LEDA型光源比630 nm+460 nm的LEDB型光源更有利于葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量的增加，更符合光合色素的光吸收波峰。兩種光源下，葉綠素a/b值在R/B=20時(shí)顯著高于其他處理，我們認(rèn)為是由于紅光的增加促進(jìn)了葉綠素a的積累;而LEDA4(R/B=20)處理的葉綠素a/b值顯著低于LEDB4(R/B=20)處理，是由于630 nm比660 nm的紅光降低葉綠素a含量的幅度大于460 nm比450 nm的藍(lán)光降低葉綠素b含量的幅度。

在660 nm+450 nm的LEDA型和630 nm+460 nm的LEDB型2種光源處理下，黃瓜幼苗在整體水平上沒有顯著差異，但對(duì)不同R/B值表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。在LEDA型光源下，R/B=7時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)顯著優(yōu)于其他處理;在LEDB型光源下，R/B=9時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)顯著優(yōu)于其他處理，表明不同波峰的LED光源需要不同的R/B值才能充分發(fā)揮黃瓜幼苗的生長(zhǎng)潛力。而聞婧等在對(duì)葉用萵苣的研究中發(fā)現(xiàn)，不同波峰的LED光源均表現(xiàn)為R/B=8時(shí)最有利于植株生長(zhǎng)［25］，說明不同植物對(duì)光的選擇性和適應(yīng)性存在差別。

此外，LEDB型光源紅、藍(lán)光的電能轉(zhuǎn)化效率比LEDA型光源分別提高了317.9%和38.5%，而且LEDB光源的能效比LEDA光源和熒光燈分別提高了55%和13%。因此，LEDB型光源比LEDA型光源降低了制造成本，提高了能效，較有利于在黃瓜育苗中應(yīng)用。

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