LED光質對于生菜生長的影響

張　帥，文尚勝，梁依倩，陳心雅，陳浩偉，龐培元

(1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州　510640；2.華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室，廣東 廣州　510640)

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LED光質對于生菜生長的影響

張帥1，文尚勝2，梁依倩1，陳心雅1，陳浩偉1，龐培元1

(1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州510640；2.華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室，廣東 廣州510640)

為了研究不同紅藍光質配比的LED光源對生菜生長的影響，本文設置紅(R)、藍(B)光質比分別為R∶B=4∶1，R∶B=1∶3，R∶B=1∶4，R∶B=2∶1的四組光源，并以白光LED照射為對照組，在光周期，光照強度的相同的情況下照射生菜，探究不同光質對于生菜子葉、真葉、株高的影響并進行分析，分析結果表明對生菜生長最有利的光質是R∶B=4∶1。該研究可應用于植物工廠領域，提高生產效率。

農業照明；LED光質；生菜；植物工廠

引言

農業的生產活動和光有著密切的聯系，傳統的農業照明光源有著效率低，功耗大，設備笨重的缺點，在20世紀，LED光源的出現很大程度上解決了這些問題。近年來，隨著大功率LED技術的不斷發展，其在農業領域的使用正在大范圍的普及[1]。LED光源具有體積小，光效高，功耗低，壽命長，波長范圍窄和發熱低等特點[2]，而且可以根據植物所需來選擇特定波長進行照射，具有針對性，實現補光環境的可調，較傳統人工光源有較大的優勢[3]。

生菜作為深受喜愛的常見蔬菜，不僅具有食用價值，也具有一定的藥用價值，生菜中膳食纖維和維生素C成分含量高，其莖葉中含有萵苣素，具有陣痛、助睡眠、輔助治療神經衰弱的功效，生菜中含有甘露醇等有效成分，有利于促進血液循環的作用[4]；其具有的“干擾素誘生劑”能刺激人體正常細胞產生干擾素，產生抗病毒蛋白抑制病毒和細菌的傷害[5]。近年來，隨著植物工廠在全球范圍內的發展，生菜由于其食用和藥用價值成為了設施農業和植物工廠中的主要種植對象之一。

在影響植物生長的重要環境因素中,光發揮著重要的作用，其不僅是影響植物光合作用的主要因素,也是形成葉綠素的必要條件;同時,光對植物生理過程中的碳同化過程中的相關酶的活性和氣孔開度有著非常大的調節作用,這一作用影響著植物的生長代謝和物質運輸.作為高等植物，其機體內部的光接受系統和光信號轉導系統相比其他較低等植物要精細許多，因此它們可以探測各種光信號的變化并做出相應的生理反應[6-7]。作為影響植物生長的重要因素，光質對植物的形態、代謝活動、發育情況及產品品質的調節作用非常強烈[8-10]。且光質對于植物生長和品質的影響隨著植物種類的不同而存在著差異；甚至在同一種植物的不同生長期對于光質的需求也不盡相同。因此為了更好的實現在植物工廠中生菜的種植，研究生菜的光配方顯得尤為重要。本文基于第四代新型照明光源LED，通過設置四種不同紅藍光質配比的LED光源，研究光質對于生菜生長的影響，并力求探究出利于生菜生長的最優光質配比，為LED應用于設施園藝和植物工廠提供參考。

1　實驗材料與實驗設計

1.1實驗材料準備

本實驗于2016年4月至2016年5月在廣州華南理工大學LED植物照明實驗室。實驗所使用的實驗材料為普通奶油生菜種子，種子在使用前一直保存在黑暗，干燥的條件下；種植前將種子在含水5ml的培養皿中浸泡半小時，然后進行種植，本實驗設置了五組不同的光質，因此種植的生菜分為5組，為了使得實驗結果符合統計學原理，因此每組設置3個樣品，為了避免在種植的過程中出現種子不發芽或者植株死亡的情況，每組生菜再增添兩個樣品，共計使用了20個實驗樣品。進一步的進行樣品準備，在播種后第二天選取發芽情況基本一致的20個樣品進行實驗。

1.2實驗設計

根據現有的理論基礎進行光源、光周期、光照強度的設置[11]，本實驗共設置4組不同的LED光源，該LED光源為深圳宸華節能照明有限公司生產的LED植物補光燈，每組燈具紅藍燈珠的比例不同，LED紅色燈珠的峰值波長為625nm，LED藍色燈珠的峰值波長460nm，其紅(R)、藍(B)光質比分別為R∶B=4∶1，R∶B=1∶3，R∶B=1∶4，R∶B=2∶1，同時設置對照組為白光處理[12]，其各組光源的光譜圖如圖1所示。控制PPFD的值在150±10 μmol·m-2·s-1范圍內，光周期設置為16h/24h；其中PPFD和燈具光譜通過遠方SPIC-200B光譜彩色照度計進行測量，光周期通過公牛(BULL)GND-2 機械定時器進行精確控制。在實驗進行過程中嚴格控制澆水時間與澆水的量，為四天澆一次，于10∶00使用燒杯進行灌溉，一次澆水量為每一樣品30ml±5ml。

2.3測定指標及數據處理方案

本次實驗過程中關注形態學品質指標有：生菜子葉寬、子葉長、株高、真葉個數、真葉寬度、真葉長度[13]。測量方案為每5天測一次，共測3次，實驗進行15天，也即指標測量時間為實驗開始后第5，第9，第13，測量具體時間為9：30。測量儀器如下：寶工(Pro skit) PD-151 數字型游標卡尺直尺和香山(CAMRY)EK3820 高精度電子秤。其中游標卡尺進行子葉寬、子葉長、子葉展寬、真葉個數、真葉寬度、真葉長度的測量，直尺進行株高和根長的測量，電子秤進行植株重量的測量。數據記錄和處理采用Excel2010軟件[14]。

圖1　實驗中所使用的四種LED光源的光譜圖Fig.1　The spectrum of the four LED light sources

2　實驗與分析

2.1LED光質對于子葉寬、子葉長、子葉展寬的影響

在真葉未長出之前，子葉通過光合作用為植物體提供營養物質，因此子葉的各項指標均越大越好，圖2給出了15天中不同的光質對于生菜生長，從圖中我們看出，四種不同光質的LED光源處理下的生菜的子葉寬、子葉長、子葉展寬這三個指標在三次測量的結果中均遠高于對照組，即設置紅藍光源可以提高植物的光利用率，并有助于植物的生長和品質的改善。進一步的分別對比光質對于三個指標的影響我們可以發現：對于子葉寬，在處理15天后各試驗組子葉寬度的值由大到小排列依次是(R∶B=1∶3)>(R∶B=4∶1)>(R∶B=2∶1)>(R∶B=1∶4)>(對照)，同時從變化趨勢上來看(R∶B=1∶3)組與(R∶B=2∶1)組在后來幾天子葉寬度增大的速度最快，因此可見從子葉寬度的角度來講最好的光質為(R∶B=1∶3)；對于子葉長，在處理15天后各試驗組子葉長度的值由大到小排列依次是(R∶B=4∶1)>(R∶B=2∶1)>(R∶B=1∶3)>(R∶B=1∶4)>(對照)，同時從變化趨勢上來看(R∶B=2∶1)組在后來幾天子葉長度增大的速度最快，并且從圖中我們可以發現(R∶B=2∶1)與(R∶B=4∶1)組的生菜在15天時的子葉長度的值基本一樣，而在后面幾天(R∶B=4∶1)組的生菜的子葉長度的變化趨勢趨于平緩，因此從子葉長度的角度來講最好的光源時(R∶B=2∶1)；對于子葉展寬，在處理15天后各試驗組子葉展寬的值由大到小排列依次是(R∶B=2∶1)>(R∶B=1∶3)>(R∶B=4∶1)>(R∶B=1∶4)>(對照)，同時從變化趨勢上來看(R∶B=2∶1)組在后來幾天子葉寬度增大的速度最快，因此可見從子葉展寬的角度來講最好的光質為(R∶B=1∶3)。綜上，雖然(R∶B=1∶3)對于子葉寬度的擴大最為有利但是從圖2-2(a)中我們發現(R∶B=2∶1)組對于子葉寬的影響效果與(R∶B=1∶3)組基本一致，同時(R∶B=2∶1)又更有利于子葉長度和子葉展寬的擴大，因此在真葉生長出來之前， (R∶B=2∶1)組的光質是最有利于植株的光質。

圖2　不同LED光質對于子葉生長情況的影響Fig.2　The effects of LED light quality on the growth of the cotyledon

2.2LED光質對于真葉個數、真葉長度、真葉寬度的影響

真葉是所有植物在生長過程中長出的真正意義上的葉子，對于蔬菜真葉會通過各種植物生理作用不斷的生長最終成為成熟的葉片，因此真葉的生長發育情況對于植物的生長情況以及最后的品質有非常重要的意義。首先在植物發芽后會慢慢長出子葉，圖3給出了第二、三次測量中不同實驗組子葉個數的情況，我們發現相比對照組，用紅藍光處理下的植株在相等的時間內，子葉個數要大于對照組，在第15天實驗結果表明(R∶B=4∶1)和(R∶B=1∶3)組的子葉個數最多為4個，是對照組的兩倍。

進一步的觀察不同光質對于真葉寬度和長度的影響，圖4給出的實驗結果表明用紅藍光處理的樣品的這兩個指標均遠好于對照組，并且(R∶B=4∶1)處理的樣品的這兩個指標又遠好于其他各組實驗結果。

綜上可以發現最有利于生菜真葉生長發育的光源為光質是(R∶B=4∶1)的光源。

圖3　不同LED光質對于生菜子葉個數的影響Fig.3　The effects of LED light quality on the number of the cotyledon

圖4　不同LED光質對于生菜真葉生長的影響Fig.4　The effects of LED light quality on the growth of the main leaf

2.3LED光質對于株高的影響

圖5給出了不同光質對于生菜株高的影響，結果顯示在第15天，各試驗組的株高的值從大到小排列依次是：(R∶B=4∶1)>(R∶B=1∶3)>(R∶B=1∶4)>(R∶B=2∶1)=(對照)，從變化趨勢上來看(R∶B=1∶3)組的樣品在后來幾天變化趨勢最大，其次是對照組，而(R∶B=4∶1)、(R∶B=1∶4)、(R∶B=2∶1)組的株高變化趨勢遠在最后幾天趨于平穩，因此在未來幾天內，甚至對照組的株高要大于各實驗組，不同于前面幾個指標，紅藍光質各組的株高并不像前幾個指標一樣遠好于對照組，造成這一現象的原因是，在各組光質中，由于只有紅藍光源，藍光雖然有助于植物的光合作用，但卻抑制植物的株高，藍光的比例不同對于株高的抑制程度也就不同，因此出現了圖5中的實驗結果。在植物的幼苗期，往往會出現徒長的現象，而植物株高過長也是不健康的表現，藍光成分可以抑制植物的徒長，但是藍光過多，又會出現葉子的“燒邊”現象，在本實驗過程中，由于光照控制在(150±10) μmol·m-2·s-1范圍內，使得各組樣品沒有出現徒長的現象，因此對于株高的評價依然是值越大越好。所以R∶B=4∶1為有利于生菜植株長高的光質。

圖5　不同LED光質對于生菜株高的影響Fig.10　The effects of LED light quality on the plant height

3　結論

本文以白光LED光源為對照組研究了四種不同光質的LED的光源在15天中對于生菜生長情況的影響，研究了四種光質對于生菜生長過程中子葉寬度、子葉長度、子葉展寬、真葉數、真葉寬度、真葉長度這些形態學指標的影響，并探究出了適合各指標的光質，其中利于生菜子葉生長發育的光質是R∶B=2∶1，有利于生菜真葉生長發育的光質是R∶B=4∶1,有利于生菜植株長高的光質為R∶B=4∶1，雖然R∶B=4∶1并不是生菜子葉發育的最優光質，但是從前15天的實驗結果來看(R∶B=4∶1)與(R∶B=2∶1)相比并不存在明顯的差距，兩者的效果基本相同，最大的差別在于(R∶B=4∶1)處理的樣品在后面幾天子葉的變化情況趨于平緩，而(R∶B=2∶1)處理的樣品的子葉在后面幾天寬度和長度都迅速變大，這一結果雖然從一定程度上說明R∶B=2∶1有利于子葉的發育，但是子葉并不是決定生菜最終食用價值的指標，真正決定生菜食用價值的指標是真正意義上的葉子—真葉，因此綜合考慮各方面的因素，對于生菜生長和發育最為有利的光質為R∶B=4∶1。

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The Effect of LED Light Quality on the Growth of Lettuce

ZHANG Shuai1, WEN Shangsheng2, LIANG Yiqian1,CHEN Xinya1,CHEN Haowei1, PANG Peiyuan1

(1.School of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou510640, China;2.StateKeyLaboratoryofLuminescenceMaterialsandDevices,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;3.GuangdongIndustryTechnicalCollege,EnvironmentalEngineeringDepartment,Guangzhou510300,China)

In oeder to analyze the LED light with different red and blue light ratio for plant growth,This paper have set four contorl groups,for which red light to blue light ratio are 4 to 1,1 to 3,1 to 4,2,to,1, as compared with normal group illuminated by white light.More than this,we also have ensured in case of the exactly same of light source, photoperiod and light intensity to look into the effect of light quality on the cotyledon,main leaf and plant height of romaine lettuce under the circumestances and the detected results were statistically analyzed. The results of this experiment reflect on that the most favorable photoperiod for romaine lettuce is that red light to blue light ratio is 4 to 1. Through the adjusting to experimental results,this can be used in plant factory to increase production efficiency.

agricultural lighting; LED quality; romaine lettuce; plant factory

國家文化部項目(GJWHKJTSXM20154464)，廣東省科技計劃項目(2013B090600048，2015B010134001，2015B010127004，2015YT02C093，201604010006)

文尚勝，E-mail：shshwen@scut.edu.cn

S123

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.015