LED光質、光強對西洋參生長及光合作用的影響

張玉彬，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)

引言

西洋參(Panaxquinquefolius)，五加科(AraLiaceae)，人參屬(Panax)，為宿根性多年生草本植物[1]。其以根部入藥，具有廣泛的藥用、保健、值臨床價值，如：靜心凝神、保護心血管系統、調節胰島分泌等[2，3]，也是生產保健品、食品、化妝品等的重要原料[4]。目前，西洋參的生長、光溫條件和光合特性等已進行了系統的研究[5-7]，西洋參對于生長環境要求苛刻，當前的農田、林下栽培等模式很難快速獲得大量洋參根，且參地資源匱乏矛盾日漸突出，產品外觀及質量因生產地氣候、土質、栽培方式等的不同而差別較大[8]。

西洋參在長期的自然進化過程中形成了對特定生長環境的適應性，其生長發育以及體內有效成分的含量與溫度、光照、水分和十壤等環境因素有關[9，10]。因此，在人工栽培時，應根據西洋參對環境的特殊要求，為其提供適宜的生長環境。人工光植物工廠是目前設施園藝發展的最高階段，可以在高精度智能環境控制條件下實現周年生產葉菜等低矮植物，在蔬菜、藥用植物生產和育苗等領域具有重大應用前景[11]。西洋參作為一種經濟價值極高的藥用植物，對生長環境要求苛刻。人工光植物工廠可以通過調控溫度、光照等環境因素，為西洋參生長提供適宜的條件，人工光植物工廠西洋參栽培有很好的應用前景。

光環境是人工光植物工廠最重要的環境要素之一，是植物生長發育的必需環境要素[12]。光質、光強是光環境的關鍵組成部分，二者均可對根莖作物的生長發育產生顯著影響。查凌雁等[13]研究發現，光強高于一定水平時適宜的紅藍光配比對櫻桃蘿卜根莖生長具有顯著促進作用。趙姣姣等[14]發現紅光促進白術苗期地上部的生長同時抑制根系的生長。Park等[15]通過研究LED光譜對人參不定根中物質代謝的影響，結果表明，LED藍光照射可以顯著提高蔗糖、α-生育酚和β-香樹脂醇的含量。Ghimire等[16]進一步發現，LED藍光可使參根中的對香豆酸、芥子酸、香草酸和丁香酸顯著增加，LED紅光處理下，人參不定根中的油菜甾醇、膽固醇、β-谷甾醇和豆甾醇顯著提高。但目前關于LED光質及其光強對西洋參生長及光合的研究鮮有報道。本試驗設置3種紅藍光配比(2R∶1B、3R∶1B、4R∶1B)和2種光照強度(50、80 μmol·m-2·s-1)，通過測定西洋參的形態指標指標及光合參數，探索多個光環境因子對西洋參生長及光合的影響，篩選出適宜西洋參生長發育的人工光生產的光環境條件，為實現西洋參在植物工廠的優質高產提供理論基礎。

1 材料與方法

1)材料與處理。試驗材料來自中國農業科學院特產研究所，選取長勢一致、無病害的2a生西洋參苗，試驗在中國農業科學院農業環境于可持續發展研究所植物工廠內進行。試驗于2018年4月27日，將大小一致的2 a生西洋參苗隨機移栽于長方形塑料栽培槽(57 cm×32 cm×18 cm)內，每槽8株。栽培基質為蛭石、草炭和珍珠巖(體積比為1∶1∶1)的混合物，基質含水量為手握成團、落地散開的狀態。每周分別噴施2次500 ml營養液及2次200 ml純水。營養液配方(mmol/L)∶(Ca(NO3)2·4H2O、0.75 K2SO4、0.5 KH2PO4、0.1 KCl、0.65 MgSO4·7H2O、1.0×10-3H3BO3、1.0×10-3MnSO4·H2O、1.0×10-4CuSO4·5 H2O、1.0×10-3ZnSO4·7H2O、5×10-6(NH4)6Mo7O24·4 H2O、0.1 EDTA-Fe)，其中氮水平設置為2.5 mmol/L。試驗采用LED紅藍光組合燈板進行光照處理，采用LI 1500輻射照度測量儀測定栽培槽中心上方2 cm處(即植株頂部)光強，后根據參苗的長勢調整光強以保障植物頂部所受光強一致。使用LI-6400型光合測定儀在8:00—17:00測定葉片光合參數。如表1所示，試驗設置2R∶1B(Q2∶1)、3R∶1B(Q3∶1)和4R∶1B(Q4∶1)3種紅藍光質比例，50 μmol·m-2·s-1(I50)和80 μmol·m-2·s-1(I80)2種光強，共6個處理。處理栽培環境溫度為26±1℃，相對濕度為70%±5%。

表1 光質與光強處理Table 1 Light quality and light intensity treatment

2)取樣與測定方法。移栽30 d后開始測定西洋參植株形態指標，每隔7 d測定1次，連續測定5次。每個處理選取具有代表性的4株參苗進行測定莖高(植株主莖從床面到總柄長分叉處的高度)、總柄長(葉片小柄至植株主莖的長度)、葉長、葉寬、莖粗(植株主莖1/2高度處的直徑)、總柄粗(葉片小柄至植株主莖的1/2長度處的直徑)、葉綠素含量參數。其中，葉綠素含量采用SPAD葉綠素儀(SPAD-502，Konica Minolta，日本)其余指標用游標卡尺測定。采用Li-6400便攜式光合儀在第60 d，即植株開花期，測定不同光強下葉片的凈光合速率(Pn)對光強的響應曲線。試驗選取Q3∶1下光合活力最高的展開葉，測定時光強由弱到強，設定的光合有效輻射依次為0，50，80，150，250，500，800 μmol·m-2·s-1和1 000 μmol·m-2·s-1，每個光強梯度下平衡5 min，測定各處理葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)，每片葉子重復測5次，取其平均值。

3)數據處理。采用Microsoft Excel 2013軟件進行數據處理，采用Orgin9.0進行作圖分析，采用SPSS25統計分析軟件對數據進行差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 光質與光照強度處理對西洋參生長的影響

由圖1知，由于采用不同光質與光照強度的處理，各處理的各項形態指標均有明顯差異，且變化趨勢一致。定植30 d后，不同光照條件下，Q4∶1I80與其他處理有顯著差異，其他處理間沒有差異。隨著生長期的延長，西洋參莖高持續增長，在生長期第52～59 d生長緩慢，各處理間的莖高開始不再有顯著差異。第59 d時，Q2∶1I50處理下的西洋參最高，但與Q3∶1I50沒有顯著差異。在I50和I80下，LED光質對莖高的影響為Q2∶1>Q3∶1>Q4∶1，說明在I50和I80下，降低紅藍光質比利于西洋參莖高的增長。總柄長隨生育時期延長而逐漸增長，Q3∶1與I50處理下的總柄長與其他處理在同一水平、同一生長期時最佳。同一光質處理下，I50處理下的總柄長較長，但無顯著差異。Q3∶1I50處理下的總柄長最長，生長勢最強，始終表現為最佳。葉長、葉寬隨生育時期延長而逐漸增長，同一光強水平，LED光質對葉長、葉寬的影響為Q3∶1> Q2∶1>Q4∶1，Q4∶1與其他處理有顯著差異，但Q3∶1與Q2∶1處理下無顯著差異。同一光質處理下，I50處理下的葉長、葉寬較長，即該處理下葉面積較大，說明光強低、光質比低利于西洋參葉面積的增大。Q2∶1I50處理下，西洋參的葉長、葉寬最長，該處理下葉面積最大。莖粗、總柄粗直徑隨生育時期延長呈現先增大后減小的趨勢，同一光強水平，Q4∶1下的莖粗、總柄粗直徑最小，其變化率也最小，Q2∶1下的莖粗、總柄粗直徑最大，其變化率也最大。Q2∶1I50對其影響最大，第59 d時的莖粗、總柄粗直徑分別比測定最大值減小了11.80%和21.23%。同一光質水平，I50下的莖粗、總柄粗直徑較大，其變化率也最大。各處理間葉片中的葉綠素含量隨生育時期延長先后呈現出先降低后升高的趨勢，Q4∶1下葉片的葉綠素含量低于其他處理的葉綠素含量。同一光質水平下，西洋參葉片的葉綠素含量，在I50和I80下無顯著差異。以上結果顯示，同一光強水平下，LED光質對西洋參形態指標的影響為Q3∶1> Q2∶1>Q4∶1，同一光質水平下，LED光強對西洋參形態指標的影響為I50>I80，Q3∶1I50處理是利于西洋參生長的最佳條件。

2.2 光質與光照強度處理對西洋參光合的影響

植物光合是植物生長過程中重要的反應過程，光環境是影響光合的重要因素之一。如圖2所示，測定并擬合了生長光強50 μmol·m-2·s-1和80 μmol·m-2·s-1下的光響應曲線，凈光合速率隨著光強的上升逐漸增大值某個值后，隨光強的進一步上升呈略微增加而逐漸趨于飽和的狀態。50 μmol·m-2·s-1和80 μmol·m-2·s-1下的暗呼吸速率分別為0.55和0.09 μmolCO2·m-2·s-1，在500 μmol·m-2·s-1時光合速率開始逐漸降低，在800 μmol·m-2·s-1時光響應曲線趨于平緩，即凈光合速率達到最大值，分別為3.24和3.91 μmolCO2·m-2·s-1，80 μmol·m-2·s-1處理一直大于50 μmol·m-2·s-1處理下的西洋參葉片凈光合速率，也說明800 μmol·m-2·s-1為50 μmol·m-2·s-1和80 μmol·m-2·s-1處理下西洋參葉片的飽和光強。

圖1 LED光質與光強對西洋參生長的影響Fig.1 Effect of LED light quality and light intensity on the growth of panax quinquefolius

圖2 50 μmol·m-2·s-1和80 μmol·m-2·s-1下的西洋參葉片光響應曲線Fig.2 Light response curves of Panax quinquefolius leaves under 50 μmol·m-2·s-1 and 80 μmol·m-2·s-1

由表2知，不同光環境處理對西洋參光合有一定的影響。I50下，凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均在Q3∶1處理下達到最大，Q4∶1下最小。I80下，LED光質對西洋參凈光合速率的影響為Q4∶1> Q3∶1> Q2∶1。對西洋參氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率的影響為Q2∶1> Q3∶1>Q4∶1。凈光合速率在Q4∶1I80處理下最高，Q2∶1I50處理下最低。同一光強處理下，不同光質比處理對西洋參葉片光合能力的影響不大。同一光質處理下，80 μmol·m-2·s-1處理下的光合指標高于50 μmol·m-2·s-1處理下的，表明西洋參在80 μmol·m-2·s-1處理下具有較強的光合能力。

表2 LED光質與光強對西洋參光合特性的影響Table2 Effect of LED light quality and light intensity on photosynthetic characteristics of panax quinquefolius

3 討論與結論

不同光環境下，各處理的莖高、總柄長、葉長、葉寬、莖粗、總柄粗、葉綠素含量均有明顯差異，變化規律相似。西洋參莖高在整個生育時期中持續增長，約在生長期第52～59 d生長緩慢，各處理間的莖高開始不再有顯著差異。在I50和I80下，LED光質對莖高的影響為Q2∶1>Q3∶1>Q4∶1，降低紅藍光質比利于西洋參莖高的增長。總柄長隨生育時期延長而逐漸增長，Q3∶1與I50處理下的總柄長與其他處理在同一水平、同一生長期生長狀況最佳。Q3∶1I50處理下的總柄長最長，生長勢最強，始終表現為最佳。同一光強水平，LED光質對葉長、葉寬的影響為Q3∶1> Q2∶1>Q4∶1，同一光質處理下，I50處理下的葉長、葉寬較長，光強低、光質比低利于西洋參葉面積的增大。Q2∶1I50處理下，西洋參的葉長、葉寬最長，該處理下葉面積最大。李萬蓮等[17]研究了不同遮蔭材料對西洋參生長發育的影響，發現以藍色遮蔭網加PVC參用膜作遮蔭材料區的參棚光質環境對西洋參生長發育有利，該處理下的藍紫光所占比例最高。這一結果與本研究的結果基本相符。莖粗、總柄粗隨生育時期延長呈現先增大后減小的趨勢，Q2∶1I50對其影響最大，第59 d時的莖粗、總柄粗直徑分別比測定最大值減小了11.80%和21.23%。各處理間葉片中的葉綠素含量隨生育時期延長先后呈現出先降低后升高的趨勢，Q4∶1下葉片的葉綠素含量低于其他處理的葉綠素含量。Jang等[6]研究表明溫室中的人參總皂苷含量隨著透光率的增加而增加，透光率達到17%時總皂苷含量達到最大。但具體的紅藍光質比對西洋參產量與品質的影響還不清楚，有待進一步探究。

綜上所述，LED光質與光強處理對西洋參生長及其光和特性有一定影響。同一光強水平下，LED光質比例3R∶1B對西洋參形態指標的影響最大，LED光質比例對西洋參葉片光合能力的影響不大。同一光質水平下，LED光強對西洋參形態指標的影響為I50>I80，在80 μmol·m-2·s-1處理下西洋參具有較強的光合能力。低光強下，3R∶1B是適合西洋參生長的最佳條件。