灰色關聯分析法對葉用萵苣生長期光環境的優化

林魁　黃枝　徐永

摘 要 為保證設施葉用萵苣周年生產的供給，研究了人工氣候條件下不同光照模式對葉用萵苣生長期生長特性的影響，以確定葉用萵苣生長的最優光環境，實驗以‘意大利全年耐抽薹葉用萵苣（Lactuca sativa L.）為試材，設計LED紅藍配比（7：3、5：5、3：7）、光周期（12L/12D、16L/8D、20L/4D）及光照強度[100 μmol/（m2·s）、150 μmol/（m2·s）、200 μmol/（m2·s）]的3因素3水平正交實驗，利用灰色關聯分析法分析不同光照模式對生長期葉用萵苣植株的生長、光合色素含量及營養品質的影響。結果表明，不同處理對葉用萵苣生長期生長及品質的影響不同。相比于其他光環境條件，處理9[紅藍配比3：7，光周期20L/4D，光強150 μmol/（m2·s）]更有利于光合色素的積累。紅藍配比3：7的光照模式較其他處理更有利于蛋白質合成；處理3[紅藍配比7：3，光周期20L/4D，光強200 μmol/（m2·s）]有利于降低生長期葉用萵苣葉片硝態氮含量，促進可溶性糖的積累。綜合分析得出3個光照因子對水培葉用萵苣生長及品質影響的重要程度依次為：光強、光質配比、光周期，最適的光照模式組合為：紅藍配比7：3、光強200 μmol/（m2·s）、光周期20L/4D。本研究結果可為葉用萵苣生長的最適光環境提供參考，同時為LED燈具在植物照明領域的設計提供技術支持。

關鍵詞 萵苣；發光二極管（LED）；生長特性；正交實驗

中圖分類號 S626.9 文獻標識碼 A

Abstract In order to ensure the annual supply of facility lettuce， the effects of different lighting modes on the growth characteristics of lettuce in growth period under artificial climatic conditions were studied to determine the most suitable light environment for lettuce growth. The cultivar of lettuce （Lactuca sativa L.） used in this experiment was “Italy”， which has the advantage of resisting bolt all year round. We designed the orthogonal test with the ratios of red to blue light 7：3， 5：5 and 3：7， respectively， photoperiod 12L/12D， 16L/8D and 20L/4D， respectively （L for light， and D for Dark）， and light intensity 100 μmol/（m2·s）， 150 μmol/（m2·s） and 200 μmol/（m2·s）， respectively. The influence of the light settings on the growth， photosynthetic pigment content and quality of lettuce in growth period was analyzed using the gray relational analysis method. Results showed that compared with the other light environmental conditions， treatment with the ratio of red to blue 7：3， photoperiod 20L/4D and light intensity 150 μmol/（m2·s） was more conducive to the accumulation of photosynthetic pigments. The combination with the ratio of red to blue 3：7 was more conducive to protein synthesis than other treatments. Treatment with the ratio of red to blue 7：3， photoperiod 20L/4D and light intensity 200 μmol/（m2·s） had lower nitrate content and higher soluble sugar than other light treatments. From the results obtained in this paper we could conclude that the most influential factor on the growth and chemical accumulation of lettuce in the growth period was light intensity， followed by light quality and the least was photoperiod. The most suitable combination of light was as follows： the ratio of red to blue 7：3， light intensity 200 μmol/（m2·s）， and photoperiod 20L/4D. These results would provide some references for the settings of the best light environment for lettuce and some technological support for the design of LED （Light-emitting diode） lamps in the field of plant-lightings.

Keywords lactuca sativa； LED； morphological indicators； orthogonal test

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.08.003

光是植物生長發育最重要的環境因素之一[1-2]。影響植物生長的光環境主要包括光質、光強和光周期3個因素[3]。隨著人工光源的快速發展，新型半導體發光二極管（light-emitting diode，LED）的出現使光環境三因子的篩選優化及其智能化管控技術與裝備得以實現，并因其波長和光譜組成可控、帶寬窄及效率高等特點而日益受到廣泛關注[4-6]。

改變植物生長的光環境不僅能夠改變植物的形態生長，還能有效促進植物體內功能性化學物質的積累。相關報道表明，紅光能夠促進幼苗生長、增大葉面積及增加可溶性糖的含量[7-8]。藍光能夠調節植物的趨光性、氣孔開放及其體內相應的光保護機制等[9-10]。紅藍混合光能夠促進植物的生長發育、提高壯苗指數及光能利用率等[11-12]，而不同的光強及紅藍配比可顯著改變植株的生長指標，提高其體內光合色素[6]。光質和光周期協同作用能夠控制植物的開花時間[13]等。然而前期研究多關注光環境三因子中的單一因素或雙因素組合對植物生長的影響，由于光環境調控的復雜性而鮮見對三因素的綜合研究分析。

傳統的分析方法主要包括回歸分析、方差分析、主成分分析等，這些數理統計方法不僅要求有大量的數據樣本，而且要求樣本服從某個典型的概率分布等，容易出現量化結果與定性分析結果不符的現象，導致系統的關系和規律遭到誤判[14]。若將其運用于植物生長光環境的優化分析中，只能找到現有條件下影響植物生長的條件，對于深入分析光環境的綜合效應仍然有局限性。灰色關聯分析法是灰色系統理論的一種分析方法，彌補了采用其他數理統計方法作系統分析所導致的缺憾，對樣本量的多少和樣本有無規律都同樣適用[15]。因其不僅計算簡便，而且能根據部分信息實現對系統的正確認識和有效控制而被廣泛運用于諸多領域。謝延敏[16]為了得到板料成形工藝的最佳優化參數組合， 采用灰色關聯分析法對多目標的灰色關聯度進行分析， 研究結果表明，應用灰色關聯分析能得到多目標優化的最優值和最佳參數，經優化后的板材質量顯著提高。劉莉娜等[17]采用灰色關聯分析法對中國農村家庭碳排放的影響因素進行了系統的研究，結果表明利用灰色關聯分析法不僅能夠對相關影響因素進行綜合評價，而且得出不同驅動因子對碳排放的關聯度。楊光華等[18]應用灰色關聯分析法對不同西瓜品種的不同農藝性狀進行綜合評估，篩選出適合三亞地區種植的西瓜品種。黃斌等[19]采用灰色關聯分析法分析雜交稻新組合，結果表明灰色關聯分析法能準確揭示性狀間的關聯度以及篩選優良品種。

植物的生長期主要指營養體建成階段，是發育的一個重要過程。植物生長期生長狀況好壞直接影響其采收期的產量與品質。研究植物生長期的栽培光環境并對其進行優化，對于在生產過程中選取最優的節能光照方案具有重要的意義。因此，為探究植物生長期所需的光環境，以便對其作更精確的光照調控，本研究以葉用萵苣作為研究對象，采用正交實驗設計方法設置葉用萵苣生長光環境條件，利用灰色關聯分析法對其進行優化，以期為設置葉用萵苣生長期的最適光環境提供參考，同時為LED燈具在植物照明領域的運用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與處理

實驗供試葉用萵苣種子品種為‘意大利全年耐抽薹葉用萵苣，購于香港高華種子有限公司。采用穴盤育苗，育苗基質為草炭：蛭石：珍珠巖=3：1：1的混合基質，待植株長至三葉一心期時，選取長勢一致的幼苗移至光照培養架中進行光照處理，處理14 d后（即生長期：從三葉一心到開花或抽薹之前）進行測定。

1.2 方法

1.2.1 實驗設計 實驗光源為5050 RGB（R：（662±20） nm；G：（525±20） nm；B：（455±20） nm）LED燈板（460 cm460 cm），定制于深圳純英達業集團有限公司惠州分公司。設計LED紅藍配比（7：3、5：5、3：7）、光周期（12L/12D、16L/8D、20L/4D）及光照強度[100、150、200 μmol/（m2·s）]的3因素3水平正交實驗，以熒光燈（FL）作為對照（CK），包括對照共組成10個處理，各處理如表1所示，每個處理3個重復，每個處理60株。

光照培養架為層高50 cm的組培架，共4層。光源固定于培養架頂部，距離植株（15±5） cm，對照（CK）和各處理光譜圖如圖1所示。培養架內層用鍍鋁反光膜加以隔離，頂部和四周用遮光布遮蓋以避免外界光源和不同光源間的影響。營養液的配制采用華南農大葉菜B營養液配方[20]，每周更換一次營養液，以保證營養液的pH和電導度分別為6.5～7和1.1～1.3 S/cm。各處理的環境溫度為24/20 ℃（晝/夜），濕度為70%±5%，二氧化碳濃度為580～600 mg/L。

1.2.2 測定項目與方法 葉用萵苣幼苗在各光照處理下生長14 d后，對其形態指標進行測定：每個處理隨機選取6株葉用萵苣植株，用精度為

0.01 cm的直尺測量葉用萵苣的株高（根莖部到生長點）、下胚軸長；用精度為0.01 mm的游標卡尺測量葉用萵苣的莖粗；用感量為0.000 1 g的電子天平測出各處理葉用萵苣植株地上部和地下部的干鮮質量，并計算平均重量。SPAD值采用SPAD-502plus葉綠素儀測定葉用萵苣葉片（從頂部向下第3片功能葉片）葉綠素含量（SPAD值）。整株鮮重=地上部鮮重+地下部鮮重，并計算平均值。

葉用萵苣幼苗在各光照處理下生長14 d后，對其生理生化指標進行測定：光合色素含量的測定采用混合液提取法[21]，計算公式為：葉綠素a含量（mg/g）=（12.7D663–2.69D645）×V/1000×W；葉綠素b含量（mg/g）=（22.9D645–4.68D663）× V/1000× W；類胡蘿卜素含量（mg/g）= [4.7D440–0.27× （20.21D645+8.02D663]）×V/1000×W；式中，D663、D645、D440分別為相應波長下的光密度值，V為提取液體積（mL），W為葉片鮮重（g）。可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量和硝態氮含量的測定分別采用王學奎[22]的蒽酮比色法、考馬斯亮藍G-250法和水楊酸-硫酸法測定。各生理指標測定重復3次，并計算平均值。

1.2.3 灰色關聯分析模型 灰色關聯分析法是根據曲線間相似程度來分析和確定因子間的影響程度或因子對系統特征序列的貢獻程度[15]。其中，灰色關聯系數表征了各數據序列相對于始點的變化速率之間的關系，它們的變化速率越接近，關聯系數值越大；灰色綜合關聯度分析既體現了各序列曲線在幾何意義上相似程度，又反映出各序列相對于始點的變化速率的接近程度，較為全面地表征了各數據序列之間的聯系緊密程度。因此，本研究利用灰色綜合關聯度來分析系統中各因素與葉用萵苣植株生長指標及營養品質指標的綜合關聯度大小，進而確定葉用萵苣生長最適的光環境條件。灰色關聯分析系統模型建模具體步驟如下：

1）確定評價葉用萵苣生長最適光環境的參考序列和比較序列

設用于評價葉用萵苣生長的樣本序列數即參考序列有m個，包含n個評價指標，則第i實測樣本序列為：

設分級標準作為比較序列，共分s級，因此第j級標準的比較序列為：

2）序列的規范化處理

由于樣本序列中葉用萵苣各指標的物理意義不同，導致數據的量綱也不一定相同，必須對它們進行指標值規范化處理，將其轉換為可比較的數據序列，以加強各因素間的可比性。常用的指標值規范化處理方法為初值化與均值化方法。本文采用均值化法，即用每列數據除以該列均值。

3）計算關聯系數

Yj對于Xi在第k點的關聯系數為：

根據式（3）可給出各評價單元的優劣排序。某待比較序列若與參考序列的關聯度大，則表明該比較序列與參考序列即指標最優序列最相似，亦即指標最優。這樣最終可得到不同光照處理下葉用萵苣各項指標的綜合評價結果。

1.3 數據處理

使用DPS 7.05軟件Duncan新復極差法進行差異顯著性分析（α=0.05）；采用Excel軟件繪圖；利用Matlab R2014a軟件進行灰色關聯分析及綜合評判。

2 結果與分析

2.1 紅藍配比、光周期及光照強度對葉用萵苣生長期植株形態和SPAD的影響

葉用萵苣生長期株高、莖粗、下胚軸長、鮮重（地上、地下和整株）、干重（地上和地下）能夠直觀反映其生長狀態，SPAD的測定可實現對植物葉片的葉綠素含量的快速測定，便于進行無損以及動態追蹤觀測。不同紅藍配比、光周期及光照強度對葉用萵苣生長期株高、莖粗、下胚軸長、鮮重（地上、地下和整株）、干重（地上和地下）及SPAD的影響如表2所示。由表2可以看出，葉用萵苣生長期的株高以處理1最大，較對照增加了6.48%。處理3中葉用萵苣生長期植株的莖粗與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照增加了49.80%。下胚軸長以處理2最長，達到1.79 cm，比對照增加了26.95%。地上鮮重、地下鮮重和整株鮮重均在處理3中達到最大，與對照相比差異顯著（p<0.05），分別比對照增加了83.98%、65.91%和80.24%，表明處理3能顯著促進葉用萵苣生長期鮮重的增加。處理2的地上干重最大，與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照增加了205.56%。地下干重以處理5最大，與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照增加了一倍。SPAD值以處理9最高，處理7次之，與其他處理相比差異顯著（p<0.05），分別比對照增加了52.04%和39.95%。

2.2 紅藍配比、光周期及光照強度對葉用萵苣生長期葉片光合色素的影響

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，其含量多少直接影響植物的光合能力。不同紅藍配比、光周期及光照強度對葉用萵苣生長期葉片中葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素（a+b）含量和

類胡蘿卜素含量以鮮重計的影響如圖2所示。由圖2可知，葉綠素a含量以處理9為最大，與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照增加了81.08%，對照中葉綠素a含量最低。正交組合實驗結果表明，紅藍配比為3：7（處理7、8和9）處理的葉用萵苣生長期葉片中葉綠素a含量大于紅藍配比為5：5

（處理4、5和6）的處理，紅藍配比為7：3（處理1、2和3）處理的葉用萵苣生長期葉片中葉綠素a含量較低。葉綠素b含量以處理9最大，與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照增加了66.67%。葉綠素（a+b）含量以處理9最大，與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照增加了77.55%，且紅藍配比為3：7（處理7、8和9）處理的葉用萵苣生長期葉片中葉綠素b和（a+b）含量最大。類胡蘿卜素含量以處理9最大，與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照增加了60.00%。綜上可知，處理9（紅藍配比為3：7，光強150 μmol/（m2·s），光周期20L/4D）能顯著促進葉用萵苣生長期葉片光合色素含量的增加。

2.3 紅藍配比、光周期及光照強度對葉用萵苣生長期植株品質的影響

不同紅藍配比、光周期及光照強度對葉用萵

苣生長期可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量和硝態氮含量（以鮮重計）的影響如圖3所示。由圖3可知，處理3的可溶性糖含量最大，處理9次之，與對照相比差異顯著（p<0.05），分別比對照增加了8.71倍和6.86倍，且處理3、6和9下的葉用萵苣生長期植株可溶性糖含量顯著高于對照，表明光周期為20L/4D的組合更有利于葉用萵苣生長期植株可溶性糖的積累。可溶性蛋白質含量以處理9最大，與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照增加了56.38%。紅藍配比為7：3（處理1、2和3）的正交組合下的葉用萵苣生長期植株可溶性蛋白質含量較低，與對照相比無顯著性差異（p<0.05），分別比對照降低了5.70%、7.38%和8.39%。硝態氮含量以處理1下最高，與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照增加了83.91%。處理3下硝態氮含量最低，與對照相比差異顯著（p<0.05），比對照降低了38.60%。

2.4 紅藍配比、光周期及光照強度對葉用萵苣生長期植株生長及品質的綜合評價

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