不同LED光質對番茄幼苗生長特性的影響

何詩行 何 堤 許春林 趙立軍 陳 亞

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

引言

番茄是我國設施園藝的主要作物之一，目前其栽培面積達101.17萬hm2[1-2]。采用大型設施周年生產番茄更需要大批量番茄壯苗供應。因此，由自然光平面育苗方式向人造光立體培育苗是必然趨勢。與此同時培育壯苗作為設施番茄連續周年生產的基礎環節，對于果實產量以及品質的保障發揮重要作用[3]。在影響幼苗生長的諸多環境因素中，對于人工光環境的研究，能夠降低連續陰雨天和霧霾等不利氣候對其生長的制約，有利于標準化育秧，對于設施番茄規范化生產管理以及實現高效生產具有重要意義[4-6]。

光質作為光環境中重要因素通過光受體調節植物的光形態建成和生長發育。Mc Cree曲線表明植物吸收光波波段集中在350～720 nm的可見光部分[7]， 600～700 nm之間的紅光是植物最主要的吸收波段，約占被吸收的生理輻射光能的85%，400～500 nm之間的藍光約占12%[8]，因此紅藍光是植物生長所必須的光質。紅光主要用于生成同化物，積累生物量[9]，藍光是葉綠素合成和葉綠體形成的必要條件，通過控制氣孔形態影響植物形態[10]。在人工氣候條件下，植物的光合作用所需的光能完全依靠人工光源提供，因此選擇適宜的人工光源是十分必要的。

LED光源是一種可以近距離照射植物的冷光源，可根據種植目的選用特定光譜波長，能量轉化效率高[11]，在溫室高濕環境下，其使用壽命仍遠遠超過其他光源[12]。隨著LED生產技術的發展和制造成本的降低，越來越多的國內外學者關注于將其應用到設施農業照明領域，主要應用在溫室補光和人工照明方面[13-16]。前人研究多關注于照明以及補光光質對作物幼苗生長發育的影響，但在人工氣候條件下，針對番茄幼苗生長不同時期內所需人工光源光質的研究相對較少。

本文旨在人工氣候條件下，研究不同LED光源照射對番茄幼苗不同時期內生長特性的影響，通過綜合評價方法篩選較優的光質組合，為設施番茄育苗過程中人工光源光質的合理和高效選擇提供理論基礎和科學依據，為設施番茄短程栽培提供新的育苗模式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以“佳人”番茄(LycopersiconesculentumMiller)為試驗材料，由東北農業大學園藝學院提供，育苗基質采用泥炭∶珍珠巖∶蛭石體積比為3∶1∶1的混合基質，72穴秧盤育苗。

試驗在人工氣候箱中進行，試驗光源為4種不同光質的LED植物生長燈(深圳華宸節能照明有限公司)，紅藍光質比值為3(RB3/1)、5(RB5/1)、7(RB7/1)和白光(W)，其中紅光峰值波長630 nm，藍光峰值波長為460 nm，波長半寬為20 nm。各處理采用6支功率為9 W的LED燈管作為照射光源，安裝固定于秧苗上方，光照方向由上至下，高度可調。不同處理之間均粘貼遮光紙避免外界光源和不同光源間的影響。對照組為無人工光源照射的自然光照。

1.2 試驗設計

試驗于2016年10—11月進行。種子經過晾曬、選種、消毒后放至28℃恒溫培養箱中催芽，出芽后于10月28日播種，每穴1粒。芽出土后于11月1日開始光照處理，2～3 d澆一次水，至11月29日試驗結束，處理周期為28 d。生長期間通過調節苗盤與光源之間距離使各處理的光量子通量密度為50 μmol/(m2·s)。利用單片機控制各組處理光照時間為06：00—18：00，保證明光期和暗光期為12 h。試驗期間明光期溫度設定為28～30℃，暗光期溫度為19～21℃，相對濕度為50%～70%。

1.3 測試指標與方法

1.3.1幼苗形態指標的測定

每處理隨機選取10株幼苗，從11月1日開始每7 d采集一次指標，用直尺測量番茄幼苗株高，用游標卡尺測量下胚軸長度、莖粗和根長，統計根數，用紙樣稱量法測定葉面積[17]。壯苗指數、G值和根冠比參照文獻[18]。

1.3.2幼苗生物量指標的測定

用分析天平(精度為0.000 1 g，美國奧豪斯DV215CD型電子分析天平)稱量幼苗鮮質量，將地上部分與地下部分分離封于紙袋中105℃下殺青20 min，75℃下干燥至恒質量后稱量地上和地下部分干質量，重復測量3次取平均值。

1.4 數據處理

Excel軟件處理數據，SPSS 17.0軟件進行方差分析，Duncan新復極差法方法進行多重比較(α=0.05)，Origin 9軟件作圖。

1.5 綜合評價分析

采用綜合評價法分析各評價指標。5組處理(m)選取11個指標(n)構成決策矩陣X=xn×m，正、負向指標分別為

(1)

(2)

式中R1、R2——轉化后的隸屬函數值

xij——原始指標

min(xij)——第i個處理中第j個指標最小值

max(xij)——第i個處理中第j個指標最大值

α——功效系數，取0.6[19]

由隸屬度值構建隸屬函數矩陣R。因各項指標對幼苗生長特性的作用不一致，為消除評價指標量綱和數量級不同的影響，采用熵值法獲得權重，得信息熵為

(3)

其中

(4)

某項指標值變異程度越大，其熵值Hj越小，該指標提供的信息量越大[20]。利用信息熵Hj計算指標權重

(5)

圖2 光質對番茄幼苗不同時期形態指標的影響Fig.2 Effect of light qualities on morphological index of tomato seedlings during different periods

綜合評價隸屬度U由隸屬函數矩陣R和權重分配集W確定，即

U=RW

2 結果與分析

2.1 光質對不同時期番茄幼苗形態的影響

11月29日試驗結束時，不同光質處理下長勢一致且具有代表性番茄幼苗生長情況如圖1所示。

圖1 不同光質處理下番茄幼苗的生長情況Fig.1 Growth condition of tomato seedlings under different light qualities

下胚軸長度能夠反應幼苗的徒長情況[21]，光質處理對番茄幼苗不同時期下胚軸的影響如圖2a所示，達到極顯著水平(P<0.01)。處理RB7/1下胚軸長度始終顯著高于其他處理(P<0.05)，處理RB5/1 、RB3/1和W下胚軸長度差異不顯著。11月29日時，處理RB7/1較對照組下胚軸長36.16%，差異顯著(P<0.05)，其他組與對照組差異不顯著。

株高和莖粗是反映植株營養生長狀況的重要指標，光質處理對番茄幼苗不同時期株高的影響如圖2b所示。11月15日之前，不同處理間無顯著差異，11月22日后光質對株高影響顯著(P<0.05)，11月29日時影響達到極顯著水平(P<0.01)。此時，處理RB7/1較對照組株高大17.91%，達到顯著水平(P<0.05)，其他處理與對照組無顯著差異。

光質處理對番茄幼苗不同時期莖粗的影響如圖2c所示。11月15日后光質對莖粗影響達到顯著水平(P<0.05)。11月22日時處理RB7/1與W莖粗顯著大于對照組(P<0.05)，處理RB5/1與RB3/1與對照組無顯著差異。11月29日時處理RB7/1莖粗比對照組大23.38%，達到顯著水平(P<0.05)，其他組與對照組無顯著差異。

葉片是光合作用的主要場所，葉面積影響生物學產量的積累[22-23]。不同光質處理對不同生長期番茄幼苗葉面積的影響如圖2d所示，影響達到極顯著水平(P<0.01)。11月8日—15日，處理RB7/1的葉面積最大，處理W次之，RB3/1葉面積最小。11月22日時，處理W的葉面積最大，處理RB7/1次之，這兩組處理分別比對照組葉面積大66.73%和45.25%，差異顯著(P<0.05)。11月29日時，處理W、RB7/1和RB5/1分別比對照組葉面積大83.02%、42.68%和19.94%,差異顯著(P<0.05)，處理RB3/1葉面積較對照組略大，但差異不顯著。

根系的生長發育狀況直接影響到地上部的生長和產量的形成[24]，光質處理對番茄幼苗不同時期根長的影響如圖2e所示。11月8日后光質處理對根長影響達到極顯著水平(P<0.01)。11月22日時，處理RB7/1和W的根長與對照組無顯著差異，處理RB3/1和RB5/1顯著低于對照組(P<0.05)。11月29日時，處理RB7/1根長比對照組大17.95%，差異顯著(P<0.05)，處理RB5/1與W與對照組無顯著差異，而處理RB3/1根長比對照組小25.07%。

光質處理對番茄幼苗不同時期根數的影響如圖2f所示。11月15日前光質對番茄苗期根數的影響達到顯著水平(P<0.05)，11月22日后光質對該指標影響達到極顯著水平(P<0.01)，此時處理W的根數顯著高于對照組(P<0.05)，處理RB5/1和RB7/1與對照組無顯著差異。隨著番茄苗生長，11月29日時處理W根數比對照組多23.71%，差異顯著(P<0.05)，紅藍配比的3個處理與對照組無顯著差異。

圖3 光質對番茄幼苗不同時期生物量的影響Fig.3 Effect of light qualities on biomass of tomato seedlings during different periods

2.2 光質對不同時期番茄幼苗生物量的影響

不同光質處理對不同時期番茄幼苗生物量的影響如圖3所示(圖上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)。由圖3a可以看出，幼苗初期，各處理對幼苗鮮質量影響不顯著，11月8日后光質對鮮質量影響達到極顯著水平(P<0.01)，且鮮質量隨著紅藍配比的增加而增加。11月15日時，處理RB7/1與W鮮質量顯著高于對照組，但前兩者差異則不顯著。11月29日時，處理W鮮質量最大，此時處理W、RB7/1和RB5/1鮮質量分別比對照組大55.48%、31.82和16.80%，差異顯著(P<0.05)，處理RB3/1與對照組差異不顯著。由圖3b可以看出，隨著幼苗的生長光質處理對干質量的影響由前期的不顯著到11月8日開始呈現顯著影響(P<0.05)。從11月15日處理W下的幼苗干質量最大，處理RB7/1次之，至11月29日時，處理W、RB7/1和RB5/1的幼苗干質量分別較對照組大73.80%、27.37%和11.85%，差異顯著(P<0.05)，處理RB3/1與對照組差異不顯著。由此可知，在番茄幼苗生長的中后期，紅藍光質配比下的番茄幼苗鮮干質量均隨著紅光添加量的增加而增加，且在此期間，白光LED處理的番茄鮮干質量逐漸高于紅藍配比光。

2.3 光質對不同時期番茄幼苗壯苗指標的影響

光質處理對番茄幼苗壯苗指標的影響如圖4所示，由方差分析可知，光質對初期番茄幼苗壯苗指標影響顯著(P<0.05)，11月8日后影響達到極顯著水平(P<0.01)。11月8日時處理RB7/1的壯苗指數最大，處理W次之，但該兩組處理與對照組差異不顯著。11月29日，處理W的壯苗指數比對照組提高了70.51%，差異顯著(P<0.05)，但紅藍配比光處理下的壯苗指數則與對照組差異不顯著。

圖4 光質對番茄幼苗不同時期壯苗指標的影響Fig.4 Effect of light qualities on healthy seedling parameters of tomato seedlings during different periods

根冠比可以用來表征光合產物在植株體內的分配以及生長特性[25]。光質對番茄幼苗根冠比的影響達到顯著水平(P<0.01)。初期處理W根冠比雖低于對照組，但差異不顯著，11月8日后，對照組根冠比顯著高于其他各處理(P<0.05)，11月29日時，處理RB7/1和W的根冠比分別為對照組的80.38%和82.06%。

G值能夠反映出番茄幼苗干物質積累的速率。光質對初期番茄幼苗G值影響顯著(P<0.05)，11月8日后該影響達到了極顯著水平(P<0.01)。幼苗生長前期，處理RB7/1干物質積累的速率較快，而11月22日開始，處理W的G值最大，處理RB7/1次之，11月29日時，處理W、RB7/1和RB5/1的G值較對照組分別大73.80%、27.36%和11.84%，差異顯著(P<0.05)，處理RB3/1略低于對照組，但差異不顯著。

2.4 光質對不同時期番茄幼苗指標的綜合評價

光質處理對番茄幼苗不同時期內各項參數指標的影響存在差異，憑單一指標難以評判不同處理優劣，因此采用綜合評價方法以確定番茄苗期的最優人工光源組合，如表1所示。

由表1綜合排名可以看出，11月1日與11月8日各處理綜合評分中、處理RB7/1條件下幼苗各項指標綜合評分最高，處理W綜合評分次之。由此可見，在此階段內，最佳光質為紅藍配比RB7/1的光質處理。11月15日和11月22日的綜合評價評分由大到小為W、RB7/1、RB5/1、CK、RB3/1，11月29日的綜合評價評分由大到小為W、RB7/1、CK、RB5/1、RB3/1。由此可見，11月8日前處理RB7/1的綜合評分排名最高，11月15日—29日期間處理W的綜合評分排名最高，與此同時在番茄幼苗生長期間處理RB3/1的綜合評分最低，不適宜作為番茄苗期生長的人工光源。依據綜合評價可知，在試驗周期內，番茄苗出芽后14 d內采用光質RB7/1，生長至中后期采用白光LED光質處理為較優的人工光源組合。

表1 不同時期番茄幼苗指標隸屬度與綜合評價指標Tab.1 Dependence degree and indexes for comprehensive evaluation of tomato seedlings indexes during different periods

2.5 驗證試驗

為了驗證綜合評價所得的最優光質組合，以番茄苗出芽后采用14 d的RB7/1照射，然后置于白光LED照射14 d的組合光質為試驗組，以苗期完全白光照射為對照組，按上述方法進行2組試驗，處理28 d后試驗結果如表2所示。

表2 組合光質與白光LED對番茄幼苗影響的對比Tab.2 Comparison of combined light qualities and white LED on tomato seedlings

注：表中數據采用測量值±標準差表示。

對比兩者的數據可知，組合光質的莖粗、葉面積、干質量和G值比白光分別高10.49%、19.52%、3.53%和3.43%，達到顯著水平(P<0.05)，其他指標差異不顯著。由此可見，采用優化后的組合光質培育番茄幼苗優于全程使用LED白光。

3 討論

試驗發現光質處理對番茄苗期不同生長時期的各項指標影響存在差異，表現出一定的調控作用。與自然光對照組相比，紅藍配比光質和白光促進了番茄幼苗下胚軸的伸長以及葉面積的擴展，且影響程度存在著差異。除處理RB3/1外，試驗結束期其他處理的株高、莖粗、鮮干質量均高于對照組。在根部形態方面，處理RB7/1與W比對照組利于生根，處理RB3/1下的幼苗根發育不良。在壯苗參數方面，處理RB7/1的壯苗指數和G值在幼苗初期存在優勢，W處理在后期存在優勢，在該2種條件下既滿足地上部分生物量的積累又保證了根部的生長發育。

紅光對番茄幼苗下胚軸和株高的伸長起促進作用，有利于葉面積擴展以及生物量積累，其原因是紅光增加植物的光合速率[26]和光合產物的形成與積累[27]，同時促進使光合產物較多的轉運到葉片[28]。增加藍光有利于控制徒長，這是由于光質通過調控植株內源生長激素的含量進而影響幼苗的形態特征[29-30]。因此，不同紅藍光質配比對番茄幼苗生長的影響存在差異。由于番茄營養期較短，第2～3片真葉后即進行花芽分化，因此其生物量積累和葉面積的快速擴展可為后期果實質量和品質提供了前提條件。

由于幼苗形態參數會受到諸多環境因素的共同影響，因此不同光環境因素與溫、濕度等其他環境條件的交互作用對番茄秧苗生長影響則有待進一步研究與分析。

4 結論

(1)光質對番茄幼苗不同時期生長特性影響顯著，且對不同指標的影響存在差異。紅藍配比為RB7/1和白光LED光質作為人工氣候條件下的唯一光源能夠滿足番茄苗期的生長需求，各項指標優于自然光條件。但紅藍比為RB3/1的光質不適宜用于培育番茄幼苗。

(2)依據番茄幼苗不同時期各項指標的綜合評價可知，出芽后兩周內采用光質RB7/1，然后采用白光LED光質處理有利于培育優質壯苗，其效果優于育苗全程使用白光LED。

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