光對菜心培育的作用研究

蘇志能，洪燕南，楊 婷，陳光彩，陳大華

（1.廣東綠愛生物科技股份有限公司，廣東 鶴山 529728；2.廣明源光科技股份有限公司，廣東 鶴山 529728；

3.復旦大學 電光源研究所，上海 200433）

光對植物生長影響極大，植物能感覺到光照的變化并作出相應的形態改變，促使植物吸收CO2，生成碳水化合物，釋放O2，能影響植物抽枝長葉、開花結果、衰老死亡等生長變化。因此，現代農業迫切需要研究這一領域，使人造光源的照明補光成為農業技術的新應用。由于LED光源的諸多優點，作為照明補光，契合現代農業可持續發展理念，頗具發展前景。文章探討的菜心為十字花科1、2年生植物，食用部分含蛋白質13～16 g/kg、脂肪1～3 g/kg、碳水化合物22～42 g/kg、鈣410～1 350 mg/kg、維生素C 790 mg/kg等，營養較豐富。菜心屬長日照植物，溫度過高過低，易導致菜薹品質差。廣東菜心在冬季、春季生長溫度適宜度比較高,夏季、秋季較低，影響其周年種植的關鍵問題是夏秋季“熱害”[1]。栽培時可將葉綠素熒光參數作為評價菜心耐熱性強弱的參考指標[2]。

目前中國針對葉菜補光單因素研究較多，但對整體光環境探究及應用提及尚少，為此試驗選擇LED光源對菜心進行全人工光照明，以探究LED燈光環境對水培菜心形態生長的影響，希望為農業葉菜栽培光環境選擇提供較為實際而全面的參考依據，以便互相學習與交流探討。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理設置

試驗在廣東綠愛生物科技股份有限公司植物工廠內完成。供試葉菜品種為矮腳菜心，栽培方式為水培，栽培條件：EC 2.0±0.2 ms/cm，PH 6.0～6.5；環境條件：室溫25℃/20℃，相對濕度60%～80%。按試驗設計選擇健壯、長勢均勻、苗齡20 d的菜心定植于水培槽上，整個光環境試驗均在本公司自主研發的LED光源下進行。

光質試驗共設置5個，分別為紅藍配比不同的5種LED光源（3R/4B、4R/3B、2R/1B、3R/1B、7R/1B），其光譜能量分布曲線SPD如圖1所示。

光強試驗共設置5個， PPFD分別為200 umol/(m2·s)、160 umol/(m2·s)、140 umol/(m2·s)、100 umol/(m2·s)、70 umol/(m2·s)，光質、光周期相同。光周期試驗設置5個，光周期分別為16 h/d、14 h/d、12 h/d、10 h/d、8 h/d，其他光條件相同。

圖1 紅藍光譜分布圖

1.2 測定項目、方法和數據分析儀器

照明處理21 d，用儀器測量菜心的株高、冠幅、葉長、葉寬、根長、莖粗等常規形態生長指標，用電子天平稱測量根系鮮重、可食部分鮮重、單株鮮重等質量指標。 采用EXCEL和DPS 7.05對數據進行統計分析和差異性分析。

2 結果與分析

2.1 光質對菜心形態生長的影響

不同光質的LED燈照明對菜心形態生長的影響如表1及圖2所示，在光質比3R/1B、7R/1B照明下的菜心株高明顯比3R/4B、4R/3B、2R/1B照明處理的高，2R/1B與3R/4B照明處理的對比也有明顯差距。菜心冠幅以4R/3B照明處理的最大，顯著大于2R/1B、7R/1B照明處理的。3R/1B、4R/3B照明下的菜心帶柄葉明顯長于2R/1B、7R/1B照明處理的。去柄葉長則以4R/3B照明處理的顯著長于2R/1B、7R/1B照明處理的。不同光質比照明下生長的菜心葉寬、真葉數無明顯差異。3R/1B照明下菜心莖粗顯著大于3R/4B、2R/1B、7R/1B照明處理的，此外，4R/3B照明處理的也明顯大于2R/1B、7R/1B照明處理的。菜心根長以3R/4B照明處理的最長并顯著長于其他照明處理的。2R/1B、4R/3B照明下的菜心根系質量明顯大于3R/4B、7R/1B照明處理的，而3R/4B照明下菜心根重又顯著小于3R/1B照明處理的。菜心可食重、單株重方面，3R/1B照明處理的顯著大于3R/4B、2R/1B照明處理的。此外，3R/4B照明處理的菜心單株質量也明顯小于4R/3B、7R/1B照明處理的。

綜上，不同光質照明下，3R/4B照明處理的菜心根系長，而植株高度、根系重量、可食重、單株重都是最小的。光質比4R/3B照明下生長的菜心冠幅、帶柄葉長、去柄葉長值都比較大，功能葉相對面積大。2R/1B照明處理的菜心根系重，去柄葉長，莖干直徑值比較小。3R/1B照明處理的菜心莖干直徑、可食重、單株重比較大。7R/1B照明處理的菜心長得高，帶柄葉短。試驗處理對菜心葉片寬度、真葉數無明顯差別影響。

2.2 光強對菜心形態生長的影響

不同光強LED燈對菜心的形態生長的影響如表2及圖3所示。200 umol/(m2·s)照明處理的菜心明顯高于其他，160 umol/(m2·s)照明處理的又顯著高于100 umol/(m2·s)、70 umol/(m2·s)照明處理的，140 umol/(m2·s)、100 umol/(m2·s)照明處理的也顯著高于70 umol/(m2·s)照明處理的。不同光強照明下菜心的冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、莖粗、可食重、單株重表現出相似的差異性。以200 umol/(m2·s)照明處理的值最大，200 umol/(m2·s)、160 umol/(m2·s)處理的測量值顯著大于其他照明處理的。140 umol/(m2·s)、100 umol/(m2·s)照明處理的也顯著大于70 umol/(m2·s)照明處理的。菜心功能葉片在13～14片之間，經檢驗分析顯示，70 umol/(m2·s)照明下菜心的葉片數明顯少于200 umol/(m2·s)、160 umol/(m2·s)、140 umol/(m2·s)照明處理的。所有處理中菜心根系以160 umol/(m2·s)照明處理的最長，顯著長于200 umol/(m2·s)、140 umol/(m2·s)、70 umol/(m2·s)照明處理的。200 umol/(m2·s)照明下菜心根系質量顯著大于其他處理，160 umol/(m2·s)與100 umol/(m2·s)照明處理的也大于70 umol/(m2·s)照明處理的，70 umol/(m2·s)照明下的菜心根系為處理中最輕的。

表1 不同光質比下菜心形態生長指標表

圖2 不同光質對菜心形態生長的影響

表2 不同光強下菜心形態生長指標表

圖3 不同光強對菜心形態生長的影響

綜上所述，不同光強照明對菜心的形態生長發育有一定影響，160 umol/(m2·s)照明處理的菜心根系長。200 umol/(m2·s)照明處理的菜心株高、冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、葉數、莖粗、根重、可食重、單株重都比較大。而70 umol/(m2·s)處理的菜心株高、冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、葉數、莖粗、根長、根重、可食重、單株重都比較小。總體趨勢是光照越強菜心形態生長速度越快。

2.3 光周期對菜心形態生長的影響

如表3及圖4所示，在光周期16 h/d照明下菜心的植株高度、可食重、單株重值最大，與其他處理的對比差異明顯，且14 h/d、12 h/d照明處理的顯著大于10 h/d、8 h/d照明處理的。菜心冠幅以16 h/d照明處理的顯著大于其他照明處理的，同時12 h/d照明處理的顯著大于8 h/d照明處理的。菜心帶柄與去柄葉長不同照明處理之間的差異性表現相同，16 h/d照明下生長的明顯比其他處理的長，8 h/d照明下的明顯短于其他處理的。葉寬仍以16 h/d照明處理的顯著大于其他處理的，12 h/d照明處理的又顯著大于10 h/d、8 h/d照明處理的，10 h/d與8 h/d照明處理的對比也有明顯差別，8 h/d照明下的菜心葉片寬度是處理中最小的。16 h/d照明下的菜心有16片真葉，與12 h/d、10 h/d、8 h/d照明處理的對比有明顯差別，14 h/d與10 h/d、8 h/d照明處理的對比也有明顯差別，12 h/d照明處理的菜心葉數明顯多于8 h/d處理的。 8 h/d照明下的菜心莖干直徑明顯小于其他照明處理的，10 h/d照明處理的又明顯小于12 h/d、14 h/d、16 h/d照明處理的，16 h/d照明處理的菜心莖粗明顯是處理中最大的，為9.0 mm。14 h/d照明處理的菜心根長與其他照明處理的對比效果差異明顯，為處理中最短的。16 h/d照明處理的菜心根系質量顯著大于12 h/d、10 h/d、8 h/d照明處理的，14 h/d、12 h/d照明處理的根系鮮重也明顯大于10 h/d、8 h/d照明處理的。

表3 不同光周期下菜心形態生長指標表

圖4 不同光周期對菜心形態生長的影響

綜上，不同光周期照明對菜心形態生長有一定的影響，16 h/d照明處理的菜心株高、冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、葉數、莖粗、根重、可食重、單株重都比較大。14 h/d照明處理的菜心根系比較短。8 h/d照明處理的菜心株高、冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、葉數、莖粗、可食重、單株重都比較小。總體上光照周期越長菜心形態生長速度越快。

3 結論

植物對光的吸收波長集中在380～760 nm的可見光范圍內，光質對植物的生長發育、形態建成、光合作用、物質代謝以及基因表達均有調控作用[3]。其中光合調控包括可見光對子午氣孔器運動、葉片生長、葉綠體結構、光合色素、D1蛋白及其編碼基因和光合碳同化等的調節[4]。紅光促進植物細胞伸長，莖桿伸長，藍光則抑制生長、伸長。高紅光比例7R/1B的LED光源照明下的菜心莖節伸長明顯，植株也更高。藍光占優的3R/4B照明下的菜心莖桿短，個子矮。紅光促使碳水化合物合成，控制體內干物質的積累，故紅光比例少的3R/4B照明下菜心干物質積累少，致使可食重、單株重也比較小。根系雖不直接接受光照，但藍光下培育的作物幼苗發根數目多，根須粗壯，生物量大，幼苗根系活力、總吸收面積和活躍吸收面積均得到提高[5]，3R/4B照明下菜心根系長，2R/1B照明下根系質量大可能與此有關。紅藍光按一定比例組合，可提高蔬菜光能轉化效率和水分利用效率，增加作物體內GA3和IAA含量，降低ABA含量，促進植株的株高、莖粗、葉片的擴展，以及植株的干鮮重積累[6]。也有研究表示，紅藍復合光是高產優質栽培生菜的良好光源[7]。光質比3R/1B LED光源照明下的菜心莖干粗，可食重、單株重表現較其他處理突出，符合適當的紅藍光比例對莖干粗度、干物質積累、產量增加有促進作用的說法。此外，光質比4R/3B照明下菜心冠幅大、葉片長，對擴展葉面積增加光吸收有明顯的優勢。光強是農業光環境的重要指標之一。自然條件下光照時常變化,植物在進化過程中形成相應的適應機制。植物的調控系統不但能通過調控葉片和葉綠體的運動以及光合色素的積累調節光的吸收，還能通過光系統狀態的轉換，靈活地調節捕光色素蛋白復合體吸收的能量分配[8]。弱光時，葉片的光合色素含量增加，并增強捕獲光強的能力。但若光太弱，植物會表現出適應不良光環境的能力，降低光能的需求，呼吸速率和同化產物消耗下降。光強過光補償點后，光合效率隨光照加強而提高，能量的供應加速了各種酶促反應，活化碳同化酶系統，擴大CO2進入葉片的通道氣孔，促使光合機構的高速運轉。到光飽和點時，植物光合效率趨向平穩。此時若光照過強，過剩的光能可引發氧化脅迫，對光合色素和光合膜產生巨大的傷害，會發生光抑制[9]。“蘇薹1號”菜心凈光合效率日變化規律呈單峰型，體現了光強日變化對植物光合變化的影響[10]。多數蔬菜作物的光補償點為20～75 umol/(m2·s)，光飽和點在850～1 750 umol/(m2·s)范圍內[11]。菜心光強在0～2 000 umol/(m2·s)之間，菜心葉片的凈光合效率隨光照強度的增加而升高，形態生長指標生長速度呈上升趨勢[12]。試驗中高光強200 umol/(m2·s)照明下的菜心高度、株冠幅度、葉片長寬與數量、莖干直徑、根系、可食重、單株重等形態生長指標的生長速度表現突出。低光強70 umol/(m2·s)照明下的菜心生長速度尤為緩慢，整體生長發育速度落后于其他處理。光周期在調節植物生長發育中也起到關鍵性的作用，采用LED燈進行不同暗期間斷處理可提高菜心的莖粗、葉片數和生物量，提高VC、游離氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量,降低硝酸鹽含量[13]。采收前對生菜進行連續光照處理，有利于提高葉菜的營養品質[14]。光周期16 h/d照明下的菜心株高、冠幅、葉長、葉寬、葉數、莖粗、根系、可食重、單株重都比較大。菜薹的橫徑和高度同時增長,菜薹重量隨著菜薹發育不斷增加，葉面積與菜薹重量的相關系數顯著相關，充足的光照有助于提高菜心的生長發育速度[15]。與劉淵川研究的延長光照時間，植株鮮重及葉片可溶性糖含量顯著提高，菜心的菜薹粗與葉片數相應增加，且顯著增加菜心葉片維生素C含量的結果相接近[16]。光周期8 h/d照明下的菜心各形態指標生長速度基本落后于其他處理的，且植株表現出徒長等不良現象，也說明了光周期過短易影響菜心的正常生長。

從此次光環境試驗可知，光配方3R/4B的LED燈照明下菜心主根系長，有助于植株大面積吸收營養物質，滿足生長需求，可食用部分重量和單株鮮重小，很大程度影響產出效益。光質比4R/3B照明下菜心冠幅大，功能葉長，葉面接收光照量多，更易提高光合反應，積累代謝物質。2R/1B照明下的菜心莖干纖細，粗壯指數基礎一般。3R/1B照明下菜心莖干粗壯，可食部分及單株質量大，利于提高單位面積產量，生產經濟效益好。7R/1B照明下的菜心個子高，頂端優勢明顯。隨著光照加強，菜心的形態生長指標、生長速度整體呈增長的趨勢，試驗以最高光強200 umol/(m2·s)照明處理的比較突出，菜心長得高，葉片展開幅度大，葉片長且寬，功能葉數量多，莖干粗壯，根系質量大根系多，單株及可收獲重量大，產量高，生長速度快，周期短。70 umol/(m2·s)照明下的菜心生長速度則相對較慢。適當增加光照強度對菜心的營養生長有較好的促進作用。同樣，光照時間影響菜心的生長速度，光周期16 h/d照明下的菜心高，冠幅大，葉片長且寬，真葉數多，莖干粗壯，根系發達，可食重、單株重都比較大。8 h/d照明下的菜心生長速度則相對遲緩。適當延長光照時間有助于促進葉菜生長發育速度，縮短生產周期，提前收割上市，搶先占領市場。不過光強過高或光周期過長對菜心品質外觀等或存在一些不良影響，葉菜光環境應用還要充分考慮光電技術、生產效益、電力成本、環控水平等要素。本次試驗結果對以后植物照明產品的研發生產，特別是室內栽培光環境的應用都有一定的參考價值與借鑒意義。當然此次試驗還有一些尚需完善的內容，在針對菜心光環境生長形態研究的同時，也應著手探討光條件與菜心生長發育的生理變化的內在聯系及逆境下菜心的耐脅迫機制等。