LED紅藍光質比及其光周期對櫻桃蘿卜品種生長與產量的影響

査凌雁，劉文科

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

LED紅藍光質比及其光周期對櫻桃蘿卜品種生長與產量的影響

査凌雁，劉文科

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

采用LED光源在室內可控環境下研究了紅藍光配比(R∶B)與光周期對櫻桃蘿卜生長與產量的影響，以探索適合櫻桃蘿卜工廠化生產的光照條件。試驗設置了2種紅藍光比(1R∶1B、2R∶1B)和2種光周期(12/12、16/8)。結果表明，光周期為12/12時，1R∶1B和2R∶1B處理的真葉數、葉片葉綠素含量、根長、根直徑、根體積以及地上部和肉質根干鮮重均無顯著差異。光周期為16/8時，2R∶1B處理顯著提高了櫻桃蘿卜的根直徑、根體積和肉質根干鮮重，同時略增加了地上部干鮮重和新葉葉綠素含量。光質一定時，葉片葉綠素含量隨光周期延長顯著增加。光質2R∶1B、光周期16/8處理的真葉數、新葉葉綠素含量、根長、根直徑、根體積、地上部和肉質根干鮮重以及根冠比均為最高。總之，光質和光周期共同影響櫻桃蘿卜的生長發育，較高的紅藍比與較長的明期有利于提高櫻桃蘿卜地上部和肉質根的生長發育。

人工光植物工廠；紅藍光比；光質；光周期；根菜；產量

引言

植物工廠作為設施園藝的最高形式在生產中具有露地栽培無法比擬的優勢，可避免外界環境影響，實現周年連續生產，縮短生長周期，提高產品的安全性及品質等。近年來，LED作為一種更有效的光源廣泛應用于植物工廠[1]。LED具有節能、光譜精確、體積小、使用壽命長、可按需調制等優點。LED植物工廠是植物工廠的發展方向，能通過精確的光環境調控提高作物的產量和品質。相較而言小型植物，例如葉菜、小型根菜、藥用植物等更適合植物工廠栽培。但是，就目前而言LED植物工廠主要培育種植生菜、菠菜等葉菜類蔬菜[2-4]。早期研究也多以生菜為主的葉類蔬菜為對象進行光照等環境條件的研究[4-6]。而根菜目前在植物工廠中種植較少，并且關于光環境對根菜調控研究也較少。櫻桃蘿卜是一種生長周期短，株型矮小根菜作物，并且其地上部及地下部均可食用，營養豐富，經濟價值高非常適宜在植物工廠中栽培。

光質、光強、光周期是光環境的關鍵組成部分，三者均可對根菜作物的生長發育產生顯著影響。早期報道蘿卜的形態顯著依賴于光質，單獨紅光下，蘿卜不形成膨大根，根冠比低，但對地上部影響不大[7-9]。補充藍光能夠促進非結構糖在地上部和貯藏根的分配，從而促進貯藏根的增粗[10]。紅光LED補充10%藍色熒光能夠顯著增加蘿卜干重且仍無法達到蘿卜的最大生長效率[11]。但Drozdova等[7]發現在1 440 μmol·m-2·s-1紅光下，蘿卜生長后期肉質根中也能積累大量的干物質。多個研究表明足夠的光照強度是根菜的肉質根的生長發育的關鍵顯著影響[12-15]。隨著光強的下降，根甜菜、胡蘿卜、蘿卜的貯藏根干鮮重均顯著降低，但不同光強下根甜菜、胡蘿卜的地上部鮮重維持不變，蘿卜地上部干鮮重隨光強降低而降低但影響程度比根部輕[16]。延長光照時間增加了作物光合作用的時長，從而促進作物生長。隨著光周期的增加蘿卜的地上部和肉質根干鮮重、葉面積葉綠素濃度均顯著增加，但光周期增加至24 h時，增加效果有所減弱[17-19]。相同DLI(Daily light Integral)下長光周期，低光強更有利于蘿卜干物質的累積和葉面積的增加[17,20]。

光強和光周期這三個光環境因子并不是相互獨立的，而是共同影響植物生長發育。不同光強下，光質對植物的影響也會發生改變，光強100 μmol·m-2·s-1時，不同紅藍光比下生菜干重差異不大，而光強200、300 μmol·m-2·s-1時，藍紅比0.23～0.33的干重顯著高于其他比例[21]。Kang 等[4]研究發現光強230 μmol·m-2·s-1時生菜的生物量隨著光周期的增加而增加，但光強260 μmol·m-2·s-1時生菜的生物量隨著光周期的增加而降低。Inada 和 Yabumoto[12]采用金屬鹵化物燈和高壓鈉燈研究了不同光質和光強對蘿卜生長的影響，發現高紅藍比、低紅光遠紅光對蘿卜隨光強增加的效果顯著高于其他光質，但因其光譜范圍廣，無法確定是不同光質的作用。目前關于多個光環境因子對蘿卜影響的研究相對較少，并且大多研究因光源的限制無法同時對光照強度、光質進行精確的調控。

因此本研究在前人研究的基礎上，采用紅藍LED作為光源，研究不同紅藍光質和光周期對櫻桃蘿卜品種生長與產量的影響。以探索多個光環境因子對櫻桃蘿卜的共同作用，篩選出適宜櫻桃蘿卜生長發育的人工光生產的光環境條件。以更低的能量投入實現櫻桃蘿卜在植物工廠中的優質高產。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及栽培管理

試驗于2016年7月在中國農業環境與可持續發展研究所實驗室進行，試驗材料為蘿卜(Raphanus sativus L.)，品種為常豐紅櫻桃蘿卜。2016年7月9日播種在培養槽(長38 cm×寬18 cm×高10 cm)中，栽培基質是1∶1均勻混合的草炭和蛭石，基質深約8 cm。出苗后5天定植，每槽定植10株。試驗過程中，每槽每天澆水200 ml；播種后第五天開始每隔五天每槽噴灑200 ml營養液。營養液配方(20L)為硫酸鉀2.61 g、磷酸二氫鉀1.36 g、氯化鉀0.149 g、硫酸鎂3.2 g、硝酸鈣11.8 g、EDTA2Na 0.746 g、七水合硫酸亞鐵0.556 g、微量元素2 ml。栽培槽放置在栽培箱(長75 cm×寬75 cm×高90 cm)中，栽培箱頂部中央懸掛LED紅藍光組合燈板(50 cm×50 cm)，紅藍光主波長分別為619 nm和548 nm。紅藍燈珠交錯分布，光質均勻。采用LI-1500輻射照度測量儀和LI-190R光合有效輻射傳感器(美國LI-COR公司)測定栽培槽中心上方5 cm處光強，調至試驗所需光強及光質。栽培溫度維持在(26～29)℃；

1.2 試驗處理

試驗共設置2個光周期水平處理：光期12小時，暗期12小時；光期16小時，暗期8小時。每個光周期水平下設置2個不同紅藍光比光質處理：紅藍光比例分別為1∶1、2∶1。試驗一共包含4個處理。所有處理光照強度均為240 μmol·m-2·s-1。

1.3 取樣與測試方法

在定植后24天每個處理選擇長勢具有代表性的三棵植株測定真葉數、葉綠素含量、根長、根直徑、根體積以及地上部和肉質根的干鮮重。葉綠素含量采用SPAD葉綠素儀測定。選擇游標卡尺測量根長和根部膨大最大處的直徑。地上部和肉質根鮮重分別稱量后放到105 ℃烘箱中殺青后，用80 ℃烘48小時至恒重稱量干重。

1.4 數據分析

用Excel 2013進行數據分析。采用SPSS 16.0進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 LED紅藍光質比及光周期對櫻桃蘿卜地上部生長及生物量的影響

由表1可以看出，不同光照處理之間的真葉數差異不顯著；新葉和老葉葉綠素含量均是光周期16/8的兩個處理顯著高于光周期12/12的兩個處理。不同紅藍光質比及光周期對櫻桃蘿卜的地上部鮮重和干重均無顯著影響。1R∶1B 12/12和2R1B 16/8兩個處理的地上部鮮重相對較高，而地上部干重則是1R∶1B 12/12處理略高于其他三個處理。光周期顯著影響葉綠素含量，但對真葉數和地上部含量均無顯著影響。

2.2 LED紅藍光質比及光周期對櫻桃蘿卜肉質根形態和干鮮重的影響

如表2所示，不同紅藍光質比及光周期處理對櫻桃蘿卜肉質根根長影響不顯著。相同光周期下2R∶1B 處理的根長略高于1R∶1B處理。光質比2R∶1B、光周期16/8處理的根直徑、根體積以及肉質根干鮮重均顯著高于其他處理。光周期為12/12時，1R∶1B和2R∶1B處理的根直徑、根體積以及肉質根干鮮重均無顯著差異，而光周期為16/8時，2R∶1B處理的根直徑、根體積以及肉質根干鮮重要顯著高于1R∶1B處理。方差分析結果顯示，光質比對根長、根直徑和干鮮重有顯著作用，而光周期對肉質根各形態指標和生物量均無顯著影響。光質比和光周期交互作用對根直徑、根體積和干鮮重的影響要顯著高于這兩個因子的單獨影響。

表1 紅藍光質比及光周期對櫻桃蘿卜葉片數量、葉綠素含量和地上部干鮮重的影響Table 1 Effect of red:blue ratio and photoperiod on true leaf number，chlorophyll content(SPAD value) and fresh and dry weight of shoot in cherry radish

表2 紅藍光質比及光周期對櫻桃蘿卜肉質根形態和干鮮重的影響

2.3 LED紅藍光質比及光周期對櫻桃蘿卜根冠比的影響

如圖1所示，光質比2R∶1B、光周期16/8處理的鮮重根冠比和干重根冠比均顯著高于其他處理。光周期為12/12時，1R∶1B和2R∶1B處理的鮮重根冠比和干重根冠比均無顯著差異，而光周期為16/8時，2R∶1B處理的鮮重根冠比和干重根冠比均顯著高于1R∶1B處理。光質比2R∶1B、光周期16/8 處理的鮮重根冠比高于干重根冠比，而其他三個處理則相反。

圖1 LED紅藍光質比及光周期對櫻桃蘿卜鮮重根冠比和干重根冠比的影響Fig.1 Effect of red:blue ratio and photoperiod on FW root-shoot ratio and DW root-shoot ratio in cherry radish

3 討論與結論

在試驗二中僅葉綠素含量表現出隨著光周期增加而增加的趨勢。生菜和蘿卜的葉長、葉面積、干鮮重、葉綠素濃度、凈同化率都隨著光周期的延長而增加[12]。Adams和 Langton[22]總結多人的研究結果發現50種植物中有41種在長日照條件下葉面積增加，并且長日照能夠促進長日植物和短日植物干重的增加。本研究中當紅藍光比例為2∶1時，蘿卜干鮮重等指標才表現出與前人研究相一致的結果。前文也論證了比例為2∶1的紅藍光更有利于蘿卜的生長發育，這說明在光質適宜的條件下適當提高光照時間能夠促進蘿卜鮮重和干重。同時紅藍光比1∶1、光周期12/12的處理也有較高的地上部鮮重和根鮮重。

光周期和光質同時作用于蘿卜時，二者共同影響蘿卜的生長發育，紅藍光比1R∶1B、光周期12/12的處理能夠提高的地上部鮮重和根鮮重，而紅藍光2R∶1B、光周期16/8的處理則有利于同時提高地上部和根的鮮重與干重。2R∶1B、光周期16/8的處理的櫻桃蘿卜生物量顯著高于其他光質光周期組合。

[1] WATANABE H.Light-controlled plant cultivation system in Japan-development of a vegetable factory using LEDs as a light source for plants[J].Acta Horticulturae，2011,907(907):37-44.

[2] GOTO E.Plant production in a closed plant factory with artificial lighting[J].Acta Horticulturae，2012,956(1)：37-49.

[3] SHIINA T，HOSOKAWA D，ROY P，et al.Life cycle inventory analysis of leafy vegetables grown in two types of plant factories[J].Acta Horticulturae，2011,919(901):115-122.

[4] KANG JH，KRISHNAKUMAR S，ATULBA S，et al.Light intensity and photoperiod influence the growth and development of hydroponically grown leaf lettuce in a closed-type plant factory system[J].Horticulture，Environment，and Biotechnology，2013,54(6):501-509.

[5] HOGEWONING S W，TROUWBORST G，MALJAARS H，et al.Blue light dose-responses of leaf photosynthesis，morphology，and chemical composition of cucumis sativus grown under different combinations of red and blue light[J].Journal of Experimental Botany，2010，61(11):3107-3117.

[6] KOZAI T，Plant factory in Japan-current situation and perspectives[J].Chronica Horticulturae，2013,53：8-11.

[7] DROZDOVA I S，BONDAR V V，VOSKRESENSKAYA N P.Coaction of light-controlled reactions induced by red and blue light on photosynthesis and morphogenesis in radish plants[J].Sov.Plant Physiol，1987,34:786-794.

[8] BUKHOV N G，BONDAR V V，DROZDOVA I S，et al.Development of storage roots in radish(Raphanus sativus) plants as affected by light quality[J].Journal of Plant Physiology，1996,149(3-4):405-412.

[9] KARA A N，KOTOV A A，BUKHOV NG.Specific distribution of gibberellins，cytokinins，indole-3-acetic acid，and abscisic acid in radish plants closely correlates with photomorphogenetic responses to blue or red light[J].Journal of Plant Physiology，1997,151(1)：51-59.

[11] YORIO N C，GOINS G D，KAGIE H R，et al.Improving spinach，radish，and lettuce growth under red light-emitting diodes(leds) with blue light supplementation[J].Hortscience，2001，36(2)：380-383.

[12] INADA K，YASUMOTO Y.Effects of light quality，daylength and periodic temperature variation on the growth of lettuce and radish plants[J].Jpn.j.crop Sci，1989，58.

[13] COPE K R，SNOWDEN M C，BUGBEE B.Photobiological Interactions of Blue Light and Photosynthetic Photon Flux：Effects of Monochromatic and Broad-Spectrum Light Sources[J].Photochemistry & Photobiology，2014，90(3):574-584.

[14] HALL C B.Relation of light intensity to radish root shape[J].Proceedings of the Florida State Horticultural Society，1990，103:100-101.

[15] IKEDA A，NAKAYAMA S，KITAYA Y，et al.Effects of photoperiod，CO2concentration，and light intensity on growth and net photosynthetic rates of lettuce and turnip[J].Acta Horticulturae，1988,10(229)：273-282.

[16] HOLE CC，DEARMAN J.The effect of photon flux density on distribution of assimilate between shoot and storage root of carrot，red beet and radish[J].Scientia Horticulturae，1993,55：213-225.

[17] WARRINGTON I J，NORTON R A.An evaluation of plant growth and development under various daily quantum integrals[J].Journal of the American Society for Horticulturalence，1991,116(3)：544-551.

[18] CRAKER L E，SEIBERT M，CLIFFORD J T.Growth and development of radish(raphanus sativus l.) under selected light environments[J].Annals of Botany，1983,51(1)：59-64.

[20] SOFFE R W，LENTON J R，MILFORD G F J.Effects of photoperiod on some vegetable species[J].Annals of Applied Biology，1977,85(3)：411-415.

[21] FURUYAMA S，ISHIGAMI Y，HIKOSAKA S，et al.Effects of blue/red ratio and light intensity on photomorphogenesis and photosynthesis of red leaf lettuce[J].Acta Horticulturae，2014,1037(1037)：317-322.

[22] ADAMS S R，LANGTON F A.Photoperiod and plant growth：a review[J].Journal of Horticultural Science & Biotechnology，2005,80(1)：2-10.

EffectsofLightQualityandPhotoperiodonGrowthandYieldofCherryRadishGrownunderRedPlusBlueLEDs

ZHA Lingyan，LIU Wenke
(InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture，ChineseAcademyofAgriculturalSciences;KeyLab.ofEnergyConservationandWasteManagementofAgriculturalStructures，MinistryofAgriculture，Beijing100081，China)

In order to optimize the light condition of plant factory with LED light source for cherry radish growth，the effects of red light to blue light ratio and photoperiod of LED light source on growth and yield of cherry radish grown in environmentally-controlled chamber were investigated.Two light quality treatments of various red light to blue light ratios(1R∶1B and 2R∶1B) and two photoperiods were designed.The results showed that light quality did not affect true leaf number，leafy chlorophyll content，shoot and root biomass under 12 hours photoperiod.However，under 16 hours photoperiod，2R∶1B treatment improved root diameter，root volume and storage root dry & fresh weight compared with 1R∶1B.Under certain light quality，leafy chlorophyll content increased with prolonged with photoperiod.The most optimal light quality and photoperiod for cherry radish was red light to blue light ratio 2R∶1B，and 16 hours photoperiod for cherry radish production in plant factory.

plant factory with artificial light；red light to blue light ratio；light quality；photoperiod；root vegetable；yield

國家自然科學基金面上項目(31672202)，“十二五”國家高技術研究發展計劃(863計劃)課題(2013AA103001)

劉文科，Email：liuwenke@caas.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.015