不同紅藍LED光照強度對紫葉生菜生長及營養品質的影響

任旭妍，張 嬋，張 亞，蘇玉靜，張 濤，孫凱樂，孫治強

(河南農業大學 園藝學院，河南 鄭州 450002)

生菜營養價值豐富、市場需求量大，傳統露地和日光溫室栽培的生菜無論從產量還是品質上都不能滿足人們日益增長的需求[1]。無土栽培生菜克服了土地的各種限制，擴展了農業生產空間，沒有減少初級代謝和次生代謝營養物質種類，有效杜絕了有害物質的吸收積累，也避免了有土栽培極易攜帶的各種病原物，更為重要的是，無土栽培可通過營養液組分、光環境及溫度等環境條件的一體化調控，提高作物中有益物質的含量[2]。通過工廠化栽培生菜，實現了自動化和標準化，確保了營養品質，水培生菜栽培條件的優化集中于其產量的提高和功能性養分的積累[3]。不同的光照強度影響生菜中重要化學物質的組成，例如花青素、類胡蘿卜素、葉綠素、酚類和抗壞血酸等[4]。相比綠葉生菜，紫葉生菜的優勢在于葉片內花青素、總酚、類黃酮等次生代謝物質含量較高[5]。花青素除了具備很強的抗氧化能力，在改善視力、預防高血壓、預防眼部疲勞等方面也有極大的功效，其營養價值高于普通綠葉生菜，市場前景較好，是未來蔬菜品種的發展方向。

植物工廠主要是通過控制設施內高精度的環境來實現周年作物連續生產，具有環境智能可控、水肥管理一體化和周年生產的優勢，能夠全年穩定種植，通過改善和調節設施內各種環境，提高作物的產量和品質，生產出潔凈無污染的蔬菜[6]，近些年來在我國得到了快速發展。光為植物生長發育最重要的環境因子之一，光照強度和光質對植物的形態學、礦質營養、光合作用和生理代謝均有顯著的影響[7]。近年來新崛起的發光二極管(Light emitting diode，LED)作為第四代照明光源，被認為是21世紀農業與生物領域最有前途的人工光源，具有良好的發展前景[8]。在全球能源短缺的背景下，不同波長的LED光因其節能高效的特征越來越多地被應用在研究植物形態建成、光合作用、生長發育、作物抗性、果蔬貯藏保鮮以及植物活性物質積累等方面[9]。

LED智能植物工廠已成為業界公認的植物工廠的發展方向，相關研究多聚焦在不同光質對生菜、辣椒、番茄、茄子和南瓜等植物的影響方面，目前，光照強度對植物的影響研究大多數集中在自然光下弱光及強光對植物各個方面的影響[10-11]，然而植物工廠中不同光照強度對植物的影響研究卻較少。因此，在植物工廠內，以紫葉生菜為對象，研究不同紅藍LED光照強度對紫葉生菜生長、營養品質以及光合特性的影響，以期為紫葉生菜優質高效生產的光照強度管理提供理論依據和技術參數。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

采用的生菜品種為紫羅莎，屬紫葉散葉生菜，種子購自山東壽光禾之源種子公司。

1.2 試驗方法

試驗于2018年12月-2019年4月在河南農業大學科教園區植物工廠內進行。紫葉生菜播種于規格為(L)25 mm×(W)25 mm×(H)40 mm的巖棉塊(Grodan，荷蘭)中，育苗在日光溫室中，待幼苗長出第1片真葉后澆灌1/2倍的山崎生菜營養液，約20 d達到兩葉一心時，選取生長一致的健壯幼苗，采用水培方式移栽到植物工廠水培槽上的種植托盤中。栽培槽的規格為(L)1 800 mm×(W)650 mm×(H)100 mm，由栽培床和種植托盤構成，栽培床用來盛放營養液，種植托盤用來固定紫葉生菜幼苗，每個種植托盤可均勻固定65株紫葉生菜幼苗。為探討不同紅藍LED光照強度對紫葉生菜生長及營養品質的影響，設置LED板距離栽培槽定植板40 cm，紅藍復合光由紅色與藍色LED光以1∶1組合獲取，其紅光的峰值波長為640 nm，藍光的峰值波長為450 nm(光譜圖見圖1)。本試驗中紅藍LED總光照強度分別設為50 μmol/(m2·s)(RB50)、100 μmol/(m2·s)(RB100)、150 μmol/(m2·s)(RB150)和200 μmol/(m2·s)(RB200)，光量子密度在LED燈板下方25 cm處用PLA-20光譜分析儀(遠方光電)測量所得。植物工廠內晝夜溫度為(24±2)℃/(18±2)℃，濕度為(60±10)%，光周期為14 h/d，CO2濃度為(400±20)μmol/mol，營養液采用山崎葉用萵苣配方[12]，EC值1.6～1.8 mS/cm，pH值5.5～6.5。定植后15，20，25，30 d，從每個處理中隨機選取3株紫葉生菜進行指標測定，定植后30 d進行采收，每個處理3次重復。

圖1 紅藍LED光源相對光譜圖Fig.1 Spectrogram figures of red and blue LED light source

1.3 項目測定

用直尺測量并記錄紫葉生菜株高，用游標卡尺測量紫葉生菜莖粗，用百分之一電子天平測定地上部鮮質量，用萬分之一電子天平測定地上部干質量。采用95%乙醇浸提法測定葉綠素及類胡蘿卜素含量[13]；葉片花青素采用1%鹽酸-甲醇溶液浸提法測定[14]；用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[15]；用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量[15]；用分光光度計法測定維生素C含量[14]；用水楊酸比色法測定硝酸鹽含量[16]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑光化還原法測定[17]；過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量采用分光光度法測定[18]；葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率用LI-6400XT便攜式光合儀( LI-COR，美國) 測定。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17.0軟件進行數據分析和作圖，并對不同處理的平均值進行多重比較，用最小顯著差數法(LSD)進行差異顯著性(P<0.05)分析。

2 結果與分析

2.1 不同光照強度對紫葉生菜生長指標的影響

為了研究不同光照強度對紫葉生菜地上部生長指標的影響，對紫葉生菜的株高、莖粗、葉片數、鮮質量和干質量進行測定。由表1和圖2可知，不同光照強度處理下紫葉生菜的生長指標存在顯著差異，隨著光照強度的增加，總體上莖粗、葉片數、鮮質量和干質量均增加。RB50處理下株高顯著高于RB100、RB200處理，但與RB150處理并無顯著性差異。RB150處理下的莖粗、鮮質量和干質量顯著高于其他各處理，RB100與RB200處理下莖粗、鮮質量和干質量并無顯著性差異，但顯著高于RB50。由此可見，適當增加光照強度有利于紫葉生菜的地上部生長。

表1 不同光照強度對紫葉生菜地上部生長的影響Tab.1 Effects of different light intensities on the growth of purple leaf lettuce

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。表2同。

Note: Different letters in the same column mean significant difference at 0.05 level. The same as Tab.2.

圖2 不同光照強度對紫葉生菜生長形態的影響Fig.2 Effects of different light intensities on the growth of purple leaf lettuce

2.2 不同光照強度對紫葉生菜光合色素含量的影響

為了研究不同光照強度對紫葉生菜光合色素含量的影響，測量了紫葉生菜的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量。如表2所示，在RB200處理下，紫葉生菜的葉綠素a和葉綠素總量最高，顯著高于其他處理。在RB150處理下，紫葉生菜的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量最低，而類胡蘿卜素含量最高且顯著高于RB100、RB200處理。由此說明，RB200處理可促進紫葉生菜葉綠素a、葉綠素b 和葉綠素總量的提高，從而促進光合色素的積累和光合作用的進行。

表2 不同光照強度對紫葉生菜光合色素含量的影響Tab.2 Effects of different light intensities on photosynthetic pigment contents of purple leaf lettuce mg/g

2.3 不同光照強度對紫葉生菜光合特性的影響

為了研究不同光照強度對紫葉生菜光合特性的影響，測量了紫葉生菜的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率。由圖3可知，隨著紫葉生菜的生長，各個光合特性指標與定植時間呈明顯的負相關性。即隨著定植時間的增加，凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率均整體減少。定植后25 d和30 d，RB200處理下的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均顯著高于其他各個處理。胞間CO2濃度與凈光合速率的變化具有相反趨勢。定植后25 d和30 d，各處理下的胞間CO2濃度大小為RB50>RB100>RB150>RB200，RB50處理下胞間CO2濃度最高，但與RB100處理并無顯著差異。

不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖4-5同。 Different letters mean significant difference at 0.05 level.The same as Fig.4-5.

2.4 不同光照強度對紫葉生菜營養品質的影響

為了研究不同光照強度對紫葉生菜營養品質的影響，測量了紫葉生菜的可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C、花青素和硝酸鹽含量。由圖2,4可以看出，紫葉生菜的營養品質與光照強度具有明顯的正相關性，即隨著光照強度的增加，可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C和花青素含量均呈現上升趨勢。在RB200處理下，紫葉生菜的可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C和花青素含量最高，RB50處理含量最低。RB200處理下的可溶性糖和維生素C含量顯著高于其他各處理，可溶性蛋白含量比RB50和RB100處理增加80.30%和40.64%，花青素含量比RB50處理增加51.5倍，但可溶性蛋白和花青素含量與RB150處理無顯著性差異。RB50處理下硝酸鹽含量最高，比RB100、RB150和RB200處理顯著增加約3倍，其余各個處理間并無顯著性差異。

綜合來看，收獲期RB200處理的可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C和花青素含量最高，硝酸鹽含量最低，RB150處理次之。由此說明，增加光照強度能逐步提高紫葉生菜的營養品質。

2.5 不同光照強度對紫葉生菜抗氧化能力的影響

為了研究不同光照強度對紫葉生菜抗氧化能力的影響，測量了紫葉生菜的SOD、CAT、POD活性和MDA含量。由圖5可知，定植20 d和25 d，總體上紫葉生菜在RB150處理下SOD、CAT和POD活性最高，顯著高于RB50和RB100。定植后25 d，RB150的SOD和CAT活性最高，RB50活性最低，RB150處理顯著高于其他各處理。定植后20 d，RB150的POD活性最高，RB50活性最低；定植后25 d，RB150的POD活性顯著高于RB50和RB100，與RB200并無顯著差異。定植后15 d和25 d，RB150處理下MDA含量最高，顯著高于RB50和RB100，與RB200并無顯著差異。綜合來看，在定植后25 d，RB150處理下的SOD、CAT和POD活性最高，MDA含量也有所提升，抗氧化能力最強。

圖4 不同光照強度對紫葉生菜營養品質的影響Fig.4 Effects of different light intensities on the nutritional quality of purple leaf lettuce

圖5 不同光照強度對紫葉生菜抗氧化能力的影響Fig.5 Effects of different light intensities on the antioxidant activity of purple leaf lettuce

3 結論與討論

光照強度對植物的生長和發育是一個不可缺少的自然因素，光照是否充足，直接影響到植物能否產生充足的營養物質供給器官的生長，過強或過弱的光照強度對植物的生長發育、生理生化、形態結構、產量和品質等方面都有不利影響。光照強弱影響著植物光形態的建成和葉綠素的含量。研究發現，隨著光照強度的減弱，植株變高，莖粗變小，葉數變少，葉面積變大，葉片變薄[19]。本試驗中，隨著光強的降低，紫葉生菜出現明顯的徒長現象。葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b 增加，葉綠素a/b 降低，是植物適應弱光環境的表現[20]。本試驗中，一定范圍內隨著光強的降低，葉綠素含量增加，有利于植物捕獲較多的光能，而葉綠素b含量的增加有助于增強紫葉生菜對弱光環境的適應能力。研究表明，葉綠素含量的提高可以增加用于吸收光能的集光色素蛋白的相對含量，從而提高光能利用率[21]。

光合作用是影響植物生長的關鍵因素之一，植物生命活動的有機物質都來源于光合作用[22]。光合特征參數變化是植物光能利用效率的反映，本試驗中隨著紫葉生菜的生長，凈光合速率下降，而胞間CO2濃度與氣孔導度也有下降趨勢。前人研究顯示，植物在弱光和強光條件下，隨著凈光合速率下降，胞間CO2濃度與氣孔導度也下降，主要是由于氣孔限制了光合作用[23]，這與本試驗結果一致。蒸騰作用的強弱可以反映出植物體內水分代謝的狀況或對水分利用的效率[22]。本試驗中，隨著光照強度的升高，紫葉生菜的凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率逐漸增加，說明增加光照強度有利于生菜進行光合作用。

隨著人們生活品質的提升，不斷追求更營養、更健康、更天然的蔬菜產品，其營養品質指標顯得至關重要。可溶性糖通過調節植物組織的滲透勢以降低冰點來維持細胞膜的完整性[24]，因為弱或者強光照抑制了植物葉綠素的形成，降低了光合作用，而葉片的呼吸作用卻沒有減弱，從而導致可溶性糖的積累減少。可溶性蛋白是光合作用的產物之一，是植物代謝的主要調控物質，其含量的變化反映了植物合成和分解代謝的能力[25]，強光造成光合作用增強，而使光合產物的合成能力上升，可溶性蛋白相應增加。本試驗中，隨著光照強度的增加，可溶性糖和可溶性蛋白含量顯著增加，這可能是由于光照強度增強，有利于糖分和其他干物質的積累，糖分含量的增加導致可溶性固形物含量也相應增加。維生素C又叫抗壞血酸，它影響膠原蛋白的形成，可促進骨骼和牙齒的生長，參與人體內多種氧化還原反應[26]。本試驗中，在RB200處理下，紫葉生菜的維生素C含量顯著高于其他處理。有可能是強光下紫葉生菜葉片的光合速率升高，葉片制造的光合產物量增加，同時光合產物輸出比例增加，從而影響糖、維生素C等物質相關代謝酶的活性。光是影響植物花青素生物合成的最重要的環境因素之一，通常誘導花色素苷合成需要高光強度。研究表明，花青素含量隨著光照強度的增加呈上升趨勢，而光照強度弱，會使花青苷合成的有關基因不能活化，導致對編碼花色素苷生物合成途徑的酶基因產生抑制，從而使花青素總量減少[27]。Capitata的葉片在40 μmol/(m2·s)下呈綠色，但在100 μmol/(m2·s)的較高光強度處理時呈現紅色[28]。這證明紅葉萵苣中花青素積累需要一定程度的光照強度，與本研究結果一致。在本研究中，RB150和RB200處理下花青素含量顯著高于RB50和RB100處理，可能是隨著光照強度的增加，糖苷代謝在花青素積累中起重要作用。蔬菜中硝酸鹽的含量與光強呈負相關，強光下植株的硝酸還原酶含量較高，有較高的氮素同化能力[28]。本試驗中，隨著光照強度的提高，可能硝酸還原酶的活性升高，造成硝酸鹽在紫葉生菜葉片中的累積減少。

植物在自身新陳代謝過程和逆境脅迫下會產生大量活性氧分子，如果植物沒有足夠的能力清除這些活性氧分子，就會造成植物體質膜系統的傷害，影響植物的生長[29]。SOD、CAT和POD作為植物體內重要的保護酶，其活性高低能反映出植物的生理活性狀況[30]。本試驗中，在定植后20 d和25 d，RB150處理下的SOD、CAT和POD活性最高。表明在適宜光強的處理下，SOD、CAT和POD可以共同作用不斷清除細胞的活性氧，使其處于較低水平，減少細胞出現膜脂過氧化的情況。前人通過對櫻桃番茄的研究發現，隨著光照強度的增強，CAT 和 POD活性呈現增大趨勢[31]。活性氧動態平衡受到細胞中SOD和POD在內的防御酶調控，植物感染病原菌后SOD活性和 POD活性迅速加強，有利于活性氧的清除，起到保護細胞的作用[10]。劉會寧等[32]通過對5個歐亞種葡萄品種感染霜霉病后SOD、CAT和POD活性的研究發現，不同品種感病后酶活性的變化趨勢不同，一般來講酶活性越高，品種抗病性越強。吳曉麗等[33]通過對花椰菜抗病和感病品種接種黑腐病菌后SOD、POD等酶活性的研究得知，抗病品種具有更強的抗黑腐病能力和抗氧化能力。然而，不同光照強度下紫葉生菜抗氧化酶活性的調節機制還需要進一步的研究。

綜上，在RB200處理下，紫葉生菜的凈光合速率和花青素、可溶性蛋白、可溶性糖、維生素C含量較高且硝酸鹽含量較低，這表明光照強度較高時有利于紫葉生菜品質的提高。在RB150處理下，紫葉生菜具有較高產量，抗氧化活性比較好。因此，可根據生產過程中的不同需求，通過控制植物工廠中光照強度，使得紫葉生菜的光合速率較高并具有優良品質。