LED紅藍光配比對菠菜生長及品質的影響

黃碧陽， 林碧英， 李彩霞，申寶營， 廖自月， 劉亞男， 劉 旭， 尚英杰

(福建農林大學園藝學院，福建福州 350002)

發光二極管(LED)是一種固態的半導體器件，由鎵與砷、磷、氮、銦的化合物制成的二極管，可直接將電能轉變為光能。LED 光源具有傳統光源無法比擬的光電特性和光譜優勢，如體積小，壽命長，節能環保[1]；彌補了傳統光源補光效率低的問題[2]；可以精確地調控光強、光質和光周期，適宜工廠化生產[3]等。張歡等研究結果表明，LED光譜調控應用到農業與生物領域具有可行性，可替代熒光燈大范圍應用于設施育苗、植物組織培養和芽苗菜生產中[4]。到目前為止，LED已經成功用于萵苣[5]、小麥[6]、草莓[7]等多種作物的設施栽培。LED燈在作物栽培領域的應用，為設施農業生產提供了智能化的光環境調控，實現光質、光強和光周期的按需調控的可行性。

菠菜，屬黎科菠菜屬，一二年生草本植物，別稱波斯草、赤根菜、角菜[8]，含有豐富的維生素C、維生素E和Fe、Zn等礦物質，營養豐富，頗受人們的喜愛。光質作為影響植物生長的重要因素，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[9-11]。紅光照射有助于提高菠菜的碳水化合物含量和產量，藍光下菠菜葉片的氮代謝升高，紅光、藍光和黃光能降低菠菜地上部硝酸鹽含量，提高品質，以紅光處理最佳[12]。但是，關于LED混合光對菠菜生長發育影響的相關方面研究偏少。因此，本試驗采用LED固態照明，通過設置3種不同的紅藍光質配比，研究紅藍混合光對菠菜生長及品質的影響，探索適合菠菜生長的紅藍光質配比，以期為菠菜的LED光源栽培提供相關理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 試驗材料 三季豐菠菜王，原產于荷蘭，購于山東省昌邑市海濤種業有限公司。

1.1.2 設備 自主設計LED光源栽培架，每個隔間大小為90 cm×60 cm×60 cm，采用LED燈固態照明，光源為波長為660 nm的紅光和425 nm的藍光，可以根據試驗的需要調節紅藍光組合，以400～700 nm的白色熒光燈為對照，光譜曲線如圖1所示。

1.2 試驗方法

試驗于2016年12月—2017年1月在福建農林大學園藝學院實驗基地及實驗室中完成。

2016年12月4日開始浸種催芽，12月7日將大部分露白的種子播于72孔的育苗穴盤里，育苗基質為草炭 ∶蛭石 ∶珍珠巖=3 ∶1 ∶1(體積比)的混合基質。育苗期間，給予苗充足的水分和光照條件。等到長出2張真葉后，選擇大小一致、生長健壯的幼苗，定植在10 cm×10 cm的營養缽。緩苗 2 d 后，將植株移到LED光源栽培架，設置4種不同的光質環境，分別為白光(CK)，紅光 ∶藍光=1 ∶1(RB)，紅光 ∶藍光=1 ∶3(RB1)，紅光 ∶藍光=3 ∶1(RB2)，調節光強為 120 μmol/(m2·s)，光周期為12 h。生長過程溫度控制在 18～20 ℃，每隔5 d澆灌30 mL的華南農業大學B營養液配方。在光質處理后3、13、23、33 d測量菠菜的株高、莖粗、最大葉面積和葉片數；在處理后11、22、33 d測量菠菜的生物產量及其根冠比；在處理后的33 d測量菠菜的生長品質指標。

1.3 測定項目及方法

各處理隨機取樣，3次重復，測量菠菜的形態指標；測量生理指標則采取相同處理，混合取樣的方法。其中，株高(從莖基部到生長點)用直尺測量；莖粗(子葉下端1 cm處)用游標卡尺測量；最大葉面積采用EPSON Expression 11000XL進行掃描測量；地上部鮮質量和地下部鮮質量用電子天平測量；可溶性糖含量用蒽酮比色法[13]測定，蛋白質含量用考馬斯亮藍法G-250法[13]測定，維生素C含量用二甲苯萃取比色法[14]測定，硝酸鹽含量用水楊酸法[15]測定。

1.4 數據處理

試驗數據采用DPS的LSD多重比較進行差異顯著性分析，用Microsoft Excel處理數據和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同紅藍光配比對菠菜生長形態的影響

2.1.1 株高 由圖2可知，在菠菜生長初期，各處理菠菜株高沒有明顯的差異，隨著生育期的延長，菠菜的株高在不同的生長階段呈現不同幅度的增長趨勢。各處理間的株高在生長13 d時，有最大的增長幅度，為RB>RB2>RB1>CK；生長 23 d 時，株高的增幅相近；生長33 d時，各處理間菠菜株高差異最大，由大到小為RB2>RB>CK>RB1，RB2處理下菠菜株高增幅明顯大于其他處理。

2.1.2 莖粗 在整個生長過程中，菠菜莖粗的變化如圖3所示。生長13 d時，RB1處理下菠菜莖粗略低于RB2處理；13 d 以后的生長階段，各處理間菠菜莖粗出現一致增長趨勢，為RB1>RB>CK>RB2。生長33d時，菠菜莖粗差異達到最大，RB1處理莖粗最大，為2.61 cm，分別為RB2、CK、RB處理的1.25、2.36、1.08倍。菠菜莖粗的變化與株高正好相反，在紅藍混合光環境下紅光所占的比例逐漸減少，藍光比例逐漸增加，菠菜莖粗不斷增加。

2.1.3 最大葉面積和葉片數 對處理后菠菜最大葉面積和葉片數調查結果如圖4所示。整個生長過程中，RB和RB2處理菠菜葉片生長較快，始終高于CK和RB1處理；生長23 d時，RB與CK、RB1、RB2間的差異達到最大，分別為5.11、5.56、2.55 cm2；生長33 d時，RB處理最大葉面積略大于RB2，且均大于CK處理，RB1低于CK處理。相比最大葉面積，不同處理下菠菜葉片數變化及差異不明顯。生長13 d時，紅藍光處理的葉片數多于白光；13 d以后的生長階段，RB1和CK處理下葉片增加較快，RB1明顯大于CK；其次是RB2和RB；生長33 d時，處理間的葉片數高低大小為RB1>RB2>CK>RB，RB1處理的葉片數明顯多于其他處理。

2.2 不同紅藍光配比對菠菜生物量及根冠比的影響

在整個菠菜生長發育過程中，地上部鮮質量和地下部鮮質量變化過程如表1所示。生長11 d時，RB2處理下地上部鮮質量略大于其他處理，為2.016 3 g，與其他處理差異顯著或極顯著；地下部鮮質量以RB1處理較高，且與RB2處理差異不顯著。生長22 d時，CK、RB和RB2處理在地上鮮質量方面差異不顯著，而與RB1處理差異極顯著；在地下部鮮質量上，RB1處理最高，與其他處理存在顯著性差異。生長33 d時，地上部鮮質量從大到小為RB2>RB>RB1>CK，地下部鮮質量則是RB1>RB2>RB>CK，紅藍光處理顯著高于對照。表1還反映了菠菜在3個不同時期根冠比的變化情況，生長11 d時，紅藍混合光處理下菠菜根冠比差異不顯著，但與CK處理都存在極顯著差異；生長22 d時，各處理開始出現差異，由大到小為RB1>RB>RB2>CK，RB1與其他處理間均存在極顯著差異，RB2與CK差異不顯著；生長33 d時，RB1處理根冠比最高，為0.057 2，與其他處理存在顯著或極顯著差異，其他處理之間則差異不顯著。

表1不同紅藍光配比對菠菜生物量及根冠比的影響

注：同列不同大寫字母、小寫字母分別表示相同處理時間處理間在0.01、0.05水平存在顯著差異。

2.3 不同紅藍光配比對菠菜生長品質的影響

2.3.1 可溶性糖含量 由圖5可知，生長33 d時，紅藍混合光處理的菠菜可溶性糖含量均高于白光處理，且與CK處理均存在顯著差異。RB2處理的菠菜可溶性糖含量最高，為11.68 mg/g，與RB1處理差異不顯著，與RB、CK處理間差異顯著。

2.3.2 蛋白質含量 由圖6可知，不同光質處理對菠菜蛋白質含量的影響不同。生長33 d時，各處理下菠菜蛋白質含量由高到低依次為RB>RB1>RB2>CK；RB處理的含量最高，為12.58m g/g，與RB1、RB2和CK處理之間差異顯著，RB2和CK處理的蛋白質含量相近，差異不顯著。

2.3.3 維生素C含量 由圖7可知，菠菜的維生素C含量在各處理間存在顯著差異，紅藍混合光處理下，菠菜維生素C含量均高于CK處理，分別為CK處理的1.38、1.34、1.05倍。RB處理的菠菜維生素C含量最高，為43.30 μg/g。

2.3.4 硝酸鹽含量 由圖8可知，不同光質處理的菠菜硝酸鹽含量不同，各處理之間差異顯著。CK處理的菠菜硝酸鹽含量最高，為325.87 mg/g，顯著高于其他處理；在紅藍混合光中，硝酸鹽含量由大到小為RB1>RB>RB2，RB2處理的菠菜硝酸鹽含量最低，為63.83 mg/g。說明隨著紅光比例的減少，藍光比例的增加，硝酸鹽含量有增加的趨勢。

3 討論

3.1 不同紅藍光配比對菠菜生長形態的影響

光環境的變化，如光照強度、光照時間和光譜成分的改變，都會對植物產生深刻的影響[16]。至今為止，關于不同光質及光質組合對蔬菜栽培影響的研究層出不窮，在番茄[17]、黃瓜[18]、生菜[19]等多種蔬菜的研究指出，紅藍光及其組合能夠影響植株生長、形態建成及品質等。國內外都有相關研究，Tadayoshi等研究指出，紅光能夠加速生菜葉片的發育[20]；Dougher等研究發現，藍光能夠促進生菜葉片的生長，限制莖的伸長生長[21]。高波對芹菜的光質栽培試驗結果表明，芹菜的株高、葉柄長隨著R/B比例的增大而增大，芹菜的葉片數和和莖粗則隨著紅藍光復色光中藍光比例的增加有增大的趨勢[22]。本試驗研究表明，RB2處理下菠菜生長較快，株高增幅較大，略大于RB，RB1處理最小，明顯低于CK處理；而莖粗在RB1處理下最大，在RB2處理下最小，明顯小于CK處理。說明適當的紅藍光比例才會促進菠菜莖的伸長和生長，過高或過低都會起抑制作用。以紅光為主的復合光更能促進菠菜葉柄的伸長，當逐漸增加藍光比例，株高不斷降低，會抑制菠菜莖的生長；莖粗的變化規律與株高相反。

菠菜葉片在RB和RB2處理生長較快，生長33 d時，各處理的最大葉面積大小為RB>RB2>CK>RB1；在整個生長過程中，處理間葉片數差值不明顯，生長33 d后，RB1和RB2處理葉片數大于CK處理，RB處理最少。可見，在紅藍混合光中，紅光有利于葉片的生長，過高的藍光比例會降低植株的葉面積；適當增加紅藍光配比中紅光或藍光的比例都有利于促進葉片的發育。

3.2 不同紅藍光質配比對菠菜生物量及根冠比的影響

許多研究顯示，光質與植物本身同化產物的積累息息相關，如菊花[23]、馬鈴薯[24]、草莓[25]等植物光質栽培研究表明，紅光也有利于植物干物質的積累，提高產量；藍光則能矮化植物，提高其品質。聞婧等研究報道，黃瓜幼苗的干鮮質量、葉面積等隨著R/B值的增加呈現先增加后減小的趨勢[26]；張旭研究指出，紅膜處理下菠菜鮮質量最大，即紅膜有利于菠菜的生長[27]。閆萌萌等研究指出，紅光促進花生幼苗根系生長，藍光則相反[28]；石嶺等研究指出，紅光和紅藍混合光對河套密瓜根系生長發育有顯著促進作用，藍光也具有一定的促進作用，但與對照差異不顯著[29]。本試驗研究表明，菠菜處理的3個時期，地上部鮮質量在RB2和RB這2個處理相近，在RB1處理下最低，說明隨著紅藍復色光中紅光比例的增大，菠菜地上部鮮質量增大，與杜健芳等研究結果[30]相吻合。地下部鮮質量變化中，紅藍混合光處理始終大于對照，在3個處理時期，RB1均最大，RB2次之；生長33 d時，RB1與RB2差異不顯著，與其他2個處理間存在顯著或極顯著差異。可以得出，在紅藍混合光中，適當提高紅光或者藍光的比例均能夠促進根系生長。根冠比體現了植物地下部分與地上部分的生長相關性[31]，反映了植物的生長狀況及環境條件對根系與地上部的不同影響[32]。本試驗研究表明，在生長過程中，RB1處理菠菜根冠比始終最大，RB和RB2處理下菠菜的根冠比均大于CK處理，RB和RB2處理在生長33 d時差值不大。綜合比較菠菜生物產量及根冠比的變化情況得出，RB2和RB處理能夠使菠菜地下部和地上部生長平衡，有利于提高產量。

3.3 不同紅藍光質配比對菠菜生長品質的影響

不同光質對植物品質有較大的調控作用[33-35]，通過調節蔬菜碳氮代謝、光合作用等過程來影響植物糖、蛋白質等營養物的積累。陳強等研究指出，藍光能促進番茄維生素C含量、可溶性蛋白含量的提高，紅光和紅藍光混合光有利于番茄果實中可溶性糖的積累[36]。陳嫻等研究報道，不同比例紅藍混合光能顯著提高韭菜可溶性糖含量，藍光處理可以促進韭菜維生素C含量和可溶性蛋白含量的增加，紅光能降低韭菜硝酸鹽含量，藍光和紅藍混合光則相反[37]。本試驗結果表明，紅藍復色光有利于提高可溶性糖含量，RB2和RB1處理下菠菜可溶性糖含量高于RB處理。說明在混合光中，紅藍光間不同比例對菠菜可溶性糖含量的影響存在相互作用，適當增加混合光中紅光或藍光的比例，有利于增加菠菜可溶性糖含量。蛋白質和維生素C的含量變化相同，從大到小為RB>RB1>RB2>CK。由此可知，紅藍混合光中，適當增加藍光比例對促進蛋白質和維生素C積累的效果顯著，過高則促進作用降低。相比于CK處理，紅藍混合光能顯著降低菠菜硝酸鹽的含量，隨著混合光中紅光比例的增加，藍光比例的減少，硝酸鹽含量逐漸降低。

綜上，紅藍混合光處理下菠菜生長品質優于CK處理，其中，RB2和RB1處理的菠菜可溶性糖含量較高；RB和RB1處理下蛋白質含量和維生素C含量高于RB2，RB2處理下硝酸鹽含量最低。綜合比較株高、莖粗、最大葉面積和葉片數4項指標，可知，RB1和RB2處理下，菠菜的生長形態較好。由菠菜生物產量及根冠比的變化情況得出，RB2和RB能夠使菠菜地下部和地上部生長平衡，有利于提高產量。綜合考慮不同紅藍光比例對菠菜生長、生物量及品質的影響，RB2處理更有利于菠菜的生長和品質的提高，適用于菠菜的LED光源栽培。

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