弱光條件下光質(zhì)與連續(xù)光照對水培生菜生長與品質(zhì)的影響

余　意，楊其長，劉文科

(中國農(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實驗室，北京　100081)

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弱光條件下光質(zhì)與連續(xù)光照對水培生菜生長與品質(zhì)的影響

余意，楊其長，劉文科

(中國農(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實驗室，北京100081)

在密閉植物生長室中，采用LED光源研究了弱光條件下光質(zhì)與連續(xù)光照對水培紫葉生菜和綠葉生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，綠葉生菜和紫葉生菜地上部鮮重及根系鮮重都在連續(xù)光照處理下顯著提高。光周期條件相同時，紫葉生菜在紅藍光比例2∶1光質(zhì)下地上部鮮重要顯著大于紅藍光比例1∶2，綠葉生菜則無顯著差異。連續(xù)光照處理對紫葉生菜和綠葉生菜總酚和類黃酮含量的影響因光質(zhì)而異。光照時長相同時，紫葉生菜和綠葉生菜總酚和類黃酮相對含量都有隨紅光比例增加而顯著降低的現(xiàn)象出現(xiàn)。紫葉生菜抗壞血酸含量都隨光照時長增加而顯著降低。紫葉生菜可溶性糖含量和可溶性蛋白含量受紅藍光比例和光照時長變化影響不顯著。光照時長對綠葉生菜可溶性糖含量的影響因光質(zhì)變化而異。光質(zhì)相同條件下，綠葉生菜可溶性蛋白含量在連續(xù)光照處理下顯著降低，且綠葉生菜可溶性糖和可溶性蛋白含量對光質(zhì)變化的響應(yīng)因光照時長差異而不同。

光周期; 生菜; LED; 品質(zhì); 葉色

紅光和藍光作用為影響植物生長的重要光源，一直是優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)光環(huán)境重點關(guān)注的方面。大量研究表明，紅光和藍光對蔬菜生長的影響存在很大的差異。Chen等[1]發(fā)現(xiàn)藍光對生菜葉面積的擴展和葉柄的生長的抑制有重要作用。Son等[2]的研究表明紅葉生菜和綠葉生菜生長在以紅光為主的光質(zhì)條件下時生物量較高，但以藍光為主的光質(zhì)條件下生菜的葉綠素、酚類物質(zhì)和花青素等品質(zhì)物質(zhì)含量較高。如何使紅光和藍光在蔬菜生產(chǎn)中更好的發(fā)揮作用、優(yōu)化紅藍光組合比例，促進優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，值得進一步研究探索。

人工光源的電能消耗是植物工廠能耗的主要來源，約占總能耗的80%[3-5]。因此，放棄紅光、藍光以外其他低光合效率光質(zhì)的使用，有利于降低植物工廠生產(chǎn)成本，簡化LED光源構(gòu)成和可控性。同時，在高于蔬菜光補償點范圍內(nèi)適當(dāng)降低人工光源光強，并適當(dāng)延長光照時長，既可避免高光強對蔬菜的脅迫，又可在保證蔬菜產(chǎn)量的同時為電能消耗的降低提供一條可能的途徑。已有學(xué)者研究了短期連續(xù)光照(24h明期無暗期)對生菜生長的影響，結(jié)果顯示72h連續(xù)光照顯著提高了生菜營養(yǎng)品質(zhì)，且LED紅藍組合光光源效果優(yōu)于熒光燈[6-7]。也有針對長期連續(xù)光照對植物生長的影響的研究，結(jié)果表明連續(xù)光照對植物的影響因植物品種和試驗設(shè)置而異[8]。

目前，針對弱光條件下不同光質(zhì)與連續(xù)光照對生菜生長的影響較少。本試驗在弱光條件下研究光質(zhì)與連續(xù)光照對水培紫葉生菜和綠葉生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為人工光植物工廠水培生菜節(jié)能高產(chǎn)的光環(huán)境管理提供技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1.1試驗設(shè)計

試驗于2014年5月至7月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所溫室進行，供試生菜品種為紫葉生菜(P)和綠葉生菜(意大利生菜)(G)，試驗溫室平均氣溫 25℃。5月7日育苗，育苗基質(zhì)為蛭石。15d后移栽幼苗至PV水培方盒，方盒大小為39cm×19cm×10cm，每盒可裝6L營養(yǎng)液，可移栽21株幼苗。每種生菜幼苗移栽4盒，共8盒。基礎(chǔ)營養(yǎng)組成(mmol/L)：5[Ca(NO3)2·5H2O]，0.75 K2SO4，0.5 KH2PO4，0.1 KCl，0.65 MgSO4，1.0×10-3H3BO3，1.0×10-3MnSO4，1.0×10-4CuSO4，1.0×10-3ZnSO4，5×10-6(NH4)6Mo7O24，0.1 EDTA-Fe。

幼苗移栽至水培盒中后，開始進行人工光處理，選用LED紅藍組合光(630&460nm)為光源，光強都為60μmol·m-2·s-1。共設(shè)置4個處理，處理光質(zhì)、光周期設(shè)置如表1所示。

表1　試驗各處理光質(zhì)和光周期設(shè)置

1.2測定方法

移栽27d后每個處理隨機選取3株，從心部取第4片展開葉，1%鹽酸-甲醇混合溶液提取總酚、類黃酮、花青素，測定提取液特定波長吸光度，計算三種物質(zhì)相對含量[9]；用草酸溶液提取抗壞血酸，加入顯色劑進行顯色反應(yīng)后用二甲苯萃取顯色物質(zhì)，將萃取液在500nm下進行比色以測定并計算抗壞血酸含量[10]；用蒸餾水提取生菜可溶性糖，加入0.09g/mL苯酚、濃硫酸與提取液進行顯色反應(yīng)，溶液冷卻后載485nm下進行比色，測定并計算可溶性糖含量[9]；以蒸餾水提取生菜可溶性蛋白，加入考馬斯亮藍G-250染色，將染色后的提取液在595nm下進行比色以測定并計算可溶性蛋白含量[10]。

2　結(jié)果與分析

2.1光周期對紫葉生菜和綠葉生菜生物量的影響

如表2所示，綠葉生菜和紫葉生菜地上部鮮重及根系鮮重都在連續(xù)光照下顯著提高。各處理地上部鮮重提高幅度都在1.9倍以上，并以紫葉生菜在RB 2∶1光質(zhì)條件下提高最顯著，達到2.7倍。光周期條件相同時，紫葉生菜在RB 2∶1光質(zhì)下地上部鮮重要顯著大于RB 1∶2，綠葉生菜則無顯著差異。不同紅藍光比例對紫葉生菜根系鮮重沒有顯著影響，綠葉生菜則隨紅光比例的增加而稍有降低。說明紫葉生菜地上部鮮重對光照時長和光質(zhì)變化的敏感程度都要高于綠葉生菜，而綠葉生菜根系鮮重對光質(zhì)變化的敏感程度高于紫葉生菜。

表2　光周期對兩種葉色生菜生物量的影響

2.2光周期對紫葉生菜和綠葉生菜營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的影響

如表3所示，RB 2∶1光質(zhì)下紫葉生菜總酚和類黃酮相對含量在連續(xù)光照下提高，但在RB1∶2光質(zhì)下受光照時長影響不顯著。RB1∶2光質(zhì)下綠葉生菜總酚和類黃酮相對含量隨光照時長增加顯著降低，而在RB 2∶1光質(zhì)下受光照時長影響不顯著。光照時長相同時，紫葉生菜總酚相對含量隨紅光比例增加而顯著降低，綠葉生菜只在12h光照期時顯著降低，在連續(xù)光照下受光質(zhì)影響不顯著。光照時長12h時，兩種生菜類黃酮相對含量都隨紅光比例增加而顯著降低。而在連續(xù)光照下，兩種生菜類黃酮受光質(zhì)影響都不顯著。兩種生菜花青素含量極低，未檢測到其含量。紫葉生菜抗壞血酸含量受光質(zhì)和光照時長影響不顯著。在RB 1∶2光質(zhì)下，綠葉生菜抗壞血酸含量隨光照時長增加而稍有提高，在RB 1∶2光質(zhì)下則相反。在RB 2∶1光質(zhì)下，綠葉生菜可溶性糖含量在短期連續(xù)光照下顯著降低，而在RB 1∶2光質(zhì)下則相反。在相同光質(zhì)環(huán)境下，綠葉生菜可溶性蛋白含量隨光照時長增加而降低。光照時長為12h時，綠葉生菜可溶性糖含量隨紅光比例增加而顯著降低，可溶性蛋白含量受光質(zhì)影響不顯著。光照時長為24h時，綠葉生菜可溶性糖含量隨紅光比例增加而顯著提高，可溶性蛋白含量則稍有降低。說明紫葉生菜營養(yǎng)品質(zhì)對光照時長和光質(zhì)變化的敏感程度比綠葉生菜低。

表3　光周期對兩種葉色生菜抗氧化物質(zhì)、可溶性糖和可溶性蛋白的影響

3　討論與結(jié)論

連續(xù)光照延長了植物光合作用的時間，有利于光合產(chǎn)物的積累。本研究試驗結(jié)果表明，在連續(xù)光照處理下，紫葉生菜和綠葉生菜地上部鮮重都得到了顯著提高，并且品種間存在敏感程度方面的差異。紫葉生菜和綠葉生菜生長在不同光質(zhì)條件下的表現(xiàn)也有明顯差異，紫葉生菜在以紅光為主的RB 2∶1光質(zhì)下地上部鮮重較高，綠葉生菜在不同紅藍光比例光源下則無顯著差異。其中，紫葉生菜的表現(xiàn)與唐永康等[11]報道的LED紅藍光對油麥菜生長的影響結(jié)果相似。光質(zhì)和光周期在生菜生長調(diào)控方面的相互作用機理有待進一步研究探索。紫葉生菜總酚和類黃酮相對含量的影響受到光質(zhì)和連續(xù)光照的顯著影響，其他營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)則無顯著影響。綠葉生菜除花青素以外，各個營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)都受到了光質(zhì)和連續(xù)光照的顯著影響。綠葉生菜營養(yǎng)品質(zhì)對光質(zhì)和光照時長變化的敏感程度要高于紫葉生菜。并且，兩種生菜營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)隨光照時長延長的變化趨勢都因紅藍光比例的變化而異，其中規(guī)律和機理有待進一步研究。

綜上所述，紫葉生菜和綠葉生菜產(chǎn)量主要受光照時長影響，連續(xù)光照將兩種生菜產(chǎn)量至少提高了1.9倍，而光照時長僅提高了1倍。紫葉生菜品質(zhì)受光照時長和光質(zhì)的影響不顯著，光照時長對綠葉生菜營養(yǎng)品質(zhì)的影響因光質(zhì)而異，且連續(xù)光照并未造成綠葉生菜品質(zhì)的下降。因此，利用連續(xù)光照提高生菜產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本是可行的。

[1] CHEN Xiaoli, GUO Wenzhong, XUE Xuzhang, et al. Growth and quality responses of ‘Green Oak Leaf’ lettuce as affectedby monochromic or mixed radiation provided by fluorescent lamp(FL) and light-emitting diode (LED)[J]. Scientia Horticulturae, 2014, 172:168-175.

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Influence of Light Quality and Continuous Lighting on Growth and Nutritional Quality of Two Two-color Lettuce Cultivars

YU Yi, YANG QiChang, LIU Wenke

(InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,KeyLabofEnergyConservationandWasteManagementofAgriculturalStructures,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China)

Purple lettuce and green lettuce were hydroponically cultivated in a culture room to investigate the influence of light quality and continuous lighting on their growth and nutritional quality. The results showed that the shoot fresh weight and root fresh weight of the two kinds of lettuce improved under treatment of continuous lighting. The shoot fresh weight of purple lettuce under RB 2∶1 treatment was significantly higher than that of RB 1∶2 when the photoperiod was the same, but that of green lettuce didn’t showed significant difference. Phenol and flavonoid relative contents of purple lettuce and green lettuce responded to continuous lighting treatment differently with the variation of light quality. When under the same lighting period, phenol and flavonoid relative contents of purple lettuce and green lettuce reduced with the increasing of red light ratio. The ascorbic acid content of purple lettuce lessened greatly under continuous lighting. The soluble sugar and soluble protein contents of purple lettuce didn’t change much with the variation of red and blue light ratio and lighting period. The influence of continuous lighting on soluble sugar content of green lettuce differed with the change of light quality. When under the same light quality, soluble protein contents of green lettuce dropped under treatment of continuous lighting. And soluble sugar and soluble protein contents of green lettuce responded differently to the change of light quality with the alteration of lighting period.

Photoperiod; lettuce; LED; quality; leaf color

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2013AA103001),新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃項目(201332103)資助

劉文科，E-mail：liuwke@163.com

TM923

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10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.022