不同脈沖光對(duì)生菜生長(zhǎng)、品質(zhì)及光合特性的影響

牟孫濤, 王嘉萱, 辛鑫, 楊振超*, 武勇軍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展以及LED補(bǔ)光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，運(yùn)用人工光源可以防止植株生長(zhǎng)不良、產(chǎn)量低、品質(zhì)低等問(wèn)題，并在植物工廠中逐漸替代傳統(tǒng)太陽(yáng)光光照，已成為一種發(fā)展趨勢(shì)[1-4]。脈沖光作為一種能提升光能利用率、實(shí)現(xiàn)光能高效轉(zhuǎn)化的優(yōu)質(zhì)光源，而逐漸被關(guān)注和研究[5]。

研究表明，在脈沖光的供光模式下，其頻率、占空比會(huì)影響植株的形態(tài)、產(chǎn)量、品質(zhì)及葉片光合性能[6-7]，而Jishi等[8-9]研究則表明，脈沖光頻率、占空比均會(huì)影響其光照下植物葉片的凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)。理論而言，植物葉片的凈光合速率會(huì)直接影響植物的物質(zhì)積累量及物質(zhì)轉(zhuǎn)化量，進(jìn)而影響其產(chǎn)量和品質(zhì)，故是否為脈沖光下植株葉片的凈光合速率影響了植株物質(zhì)積累，進(jìn)而造成植物生長(zhǎng)差異？脈沖光是一種高頻的間歇光源，其功耗由靜態(tài)功耗(受占空比影響)和動(dòng)態(tài)功耗(受頻率影響)組成，雖然頻率、占空比較低時(shí)會(huì)影響植株葉片Pn，不利于植株生長(zhǎng)，但在相同的瞬時(shí)光強(qiáng)下，過(guò)高的占空比與頻率都會(huì)造成光源功耗增大，不利于脈沖光的節(jié)能效果[10]，故研究出既不影響實(shí)際生產(chǎn)同時(shí)又相對(duì)節(jié)能的頻率與占空比的組合對(duì)脈沖光應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。根據(jù)前人的研究，在相同光照時(shí)長(zhǎng)下脈沖光能獲得與連續(xù)光相同的生物量[11-12]，結(jié)合頻率、占空比對(duì)Pn的影響，是否在不同占空比下，當(dāng)頻率正好使得脈沖光下葉片Pn與連續(xù)光相同時(shí)，該頻率與其占空比組合的脈沖光下的植株就能獲得相同甚至優(yōu)于連續(xù)光的產(chǎn)量及品質(zhì)？本研究通過(guò)基于與連續(xù)光相同的凈光合速率的基礎(chǔ)上，研究最小頻率與其占空比組合的脈沖光對(duì)生菜生長(zhǎng)、品質(zhì)及光合特性的影響，為研制節(jié)能、高效的頻率與占空比組合的植物生長(zhǎng)光源提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

將生菜種子(青縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心提供)播種于72穴育苗穴盤(pán)中，置于人工氣候箱進(jìn)行常規(guī)育苗管理。一葉一心時(shí)去除長(zhǎng)勢(shì)不均的幼苗，四葉一心時(shí)定植于7 cm×7 cm的塑料營(yíng)養(yǎng)缽中。試驗(yàn)采用的培養(yǎng)架尺寸為65 cm×65 cm，底部置物臺(tái)高度可調(diào)控，LED燈板尺寸為35 cm×35 cm，置于頂部中央，植株均勻放置在燈板下方，其葉片部位光照強(qiáng)度為(180.24±6.44) μmol·m-2·s-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Li-6800光合儀(LI-COR，美國(guó))測(cè)定生菜生長(zhǎng)點(diǎn)下第4片葉在180 μmol·m-2·s-1瞬時(shí)光強(qiáng)時(shí)，不同頻率(1、2 、4、8、16、32、64、128、256、512、1 024、2 048、4 096、8 192 Hz)、占空比(20%、40%、80%、100%)脈沖光下的瞬時(shí)凈光合速率(Pn)，重復(fù)3次。

選取在不同占空比下達(dá)到與連續(xù)光相同光合速率時(shí)最小頻率與該占空比的組合，即2 048 Hz+20%(T1)、512 Hz+40%(T2)、128 Hz+80%(T3)三個(gè)組合，在相同瞬時(shí)光強(qiáng)下進(jìn)行24 d光照試驗(yàn)處理，對(duì)照(CK)為連續(xù)光(占空比100%)，光周期均為12 h。試驗(yàn)中每5 d調(diào)整置物臺(tái)高度以保持植株頂部葉片接受的光照強(qiáng)度與試驗(yàn)設(shè)計(jì)一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1形態(tài)指標(biāo)及生物量測(cè)定 自處理之日起，每6 d測(cè)量一次形態(tài)指標(biāo)，每處理隨機(jī)選取3株，分別測(cè)量其株高(植株基部到頂部最高處距離)、株幅(植株地上部最大寬度)，最大葉葉長(zhǎng)、葉寬。第24 d時(shí)，隨機(jī)選取3株用CP213電子天平(奧豪斯)測(cè)量其地上、地下部鮮重和干重(60 ℃干燥箱中烘干至質(zhì)量恒定)。

1.3.2品質(zhì)測(cè)定 第24 d時(shí)，選取生長(zhǎng)點(diǎn)往下第3～4片鮮葉分別采用鉬藍(lán)比色法[13]、考馬斯亮藍(lán)-G250染色法[13]、水楊酸硫酸法[13]測(cè)定維生素C、可溶性蛋白、硝態(tài)氮含量。取烘干后的干樣分別采用蒽酮比色法[13]、3,5-二硝基水楊酸法[13]測(cè)定可溶性總糖及還原糖含量，各處理均取樣3次。

1.3.3光合指標(biāo)測(cè)定 第24 d時(shí)，每處理隨機(jī)選取5株，取生長(zhǎng)點(diǎn)往下第4片功能葉測(cè)量相關(guān)指標(biāo)。葉綠素含量測(cè)定采用96%乙醇法[13]；光合參數(shù)采用Li-6800光合儀測(cè)量，采用熒光葉室，設(shè)定光強(qiáng)為600 μmol·m-2s-1、氣體流速400 μmol·m-2s-1、空氣相對(duì)濕度60%，待光合速率穩(wěn)定10 min后記錄其凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)；將生菜葉片暗處理30 min后，用PAM-2500便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(WALZ，德國(guó))測(cè)定其暗適應(yīng)下的最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、光適應(yīng)下PSⅡ的光化學(xué)淬滅(qP)、光適應(yīng)下PSⅡ的非光化學(xué)淬滅(NPQ)、光適應(yīng)下PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)和相對(duì)電子傳遞速率(ETR)。

1.3.4數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2010，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19，繪圖采用Origin 2017。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同脈沖光組合的生菜葉片凈光合速率

由圖1可知，在脈沖光頻率相同時(shí)，頻率為1～128 Hz范圍內(nèi)，生菜葉片的凈光合速率均表現(xiàn)為100%>80%>60%>40%>20%；除占空比為100%外，其他占空比條件下，隨著頻率的增加，生菜葉片的凈光合速率均逐漸升高，且20%、40%、80%占空比處理下凈光合速率分別在2 048 Hz、512 Hz、128 Hz時(shí)達(dá)到峰值并不再增加。因此，綜合考慮選擇20%+2 048 Hz、40%+512 Hz、80%+128 Hz三個(gè)脈沖光組合進(jìn)行研究。

2.2 不同脈沖光處理對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響

由不同處理下生菜生長(zhǎng)指標(biāo)結(jié)果(圖2)可知，從定植到收獲期間，各處理的株高、葉長(zhǎng)、葉寬隨時(shí)間的變化趨勢(shì)均一致。各處理的株幅在18 d前呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，但在18～24 d時(shí)，T1、T2、CK處理株幅隨時(shí)間的變化已趨于平緩，T3處理仍有明顯增加的趨勢(shì)。

從收獲時(shí)不同處理下生菜的生長(zhǎng)指標(biāo)(表2)來(lái)看，收獲時(shí)各處理的地上下部干重、地上下部鮮重、株高、葉寬與CK均無(wú)顯著性差異，且處理間也無(wú)顯著性差異；T3處理株幅最大，比CK顯著提升了11.78%，T1、T2與CK差異不顯著；葉長(zhǎng)最長(zhǎng)為T(mén)1處理，比CK增加8.50%，其余處理與對(duì)照相比無(wú)顯著性差異。

表2 收獲時(shí)不同處理下生菜的生長(zhǎng)指標(biāo)Table 2 Growth indexes of lettuce under different treatments at harvest time

2.3 不同脈沖光處理對(duì)生菜品質(zhì)的影響

由不同處理下生菜的品質(zhì)(表3)可知，不同脈沖光處理對(duì)生菜品質(zhì)影響較大。CK處理的生菜葉片維生素C含量最高，為54.99 mg·g-1，但較T1處理并無(wú)顯著性差異。T2、T3處理較CK顯著降低9.26%、17.11%。T1處理較T3而言，維生素C含量顯著提升20.37%。所有處理中，T2、T3處理的粗蛋白含量最高，其中T2處理較CK顯著提升38.37%，T1、T3與CK則無(wú)顯著性差異。蔬菜中的硝態(tài)氮是一種有害成分，會(huì)影響到人類身體健康[14]。生菜葉片硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為T(mén)1

表3 不同處理下生菜的品質(zhì)Table 3 Quality of the lettuce under different treatments (mg·g-1)

2.4 不同脈沖光處理對(duì)生菜葉片葉綠素含量及光合參數(shù)的影響

從不同處理下生菜葉片的光合色素含量(表4)，可見(jiàn)，T1、T2、T3的葉綠素含量均大于CK，且表現(xiàn)為T(mén)1>T2>T3>CK，處理T1的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)的含量最高，分別為0.79、0.56、1.35 mg·g-1。其中，葉綠素a的含量與T2無(wú)顯著性差異，但顯著高于T3與CK，較CK顯著提升28.71%；葉綠素b及葉綠素(a+b)含量較T2、T3無(wú)顯著性差異，但與CK相比分別顯著提高35.85%、31.83%。T2處理類胡蘿卜素含量最高，T1、T3、CK處理間則無(wú)顯著性差異。由不同處理下葉片的光合參數(shù)(表4)可知，各處理間的凈光合速率均無(wú)顯著性差異，但T1、T2、T3處理的胞間二氧化碳濃度均顯著高于CK，較CK分別升高3.66%、5.54%、3.49%。蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度均表現(xiàn)為T(mén)1、T3、CK處理間無(wú)顯著性差異、T2顯著高于其他處理。從試驗(yàn)中的光合參數(shù)來(lái)看，葉綠素a、葉綠素b及葉綠素(a+b)含量均呈現(xiàn)T1>T2>T3>CK的變化趨勢(shì)，但各處理生菜葉片的光合能力并沒(méi)有顯著性差異。

表4 不同處理對(duì)葉片光合色素含量與光合參數(shù)的影響Table 4 Effects of different treatments on photosynthetic pigments content and photosynthetic parameters of lettuce leaves

2.5 不同脈沖光處理對(duì)生菜葉片葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h3>

由不同處理對(duì)葉片熒光參數(shù)的影響(表5)可知，所有處理的光適應(yīng)下PSⅡ的qP、光適應(yīng)下PSⅡ的ΦPSⅡ以及ETR均無(wú)顯著性差異。T1處理的Fv/Fm與CK相比顯著降低9.15%，T2、T3處理較CK無(wú)顯著性差異。光適應(yīng)下PSⅡ的NPQ最大為CK處理，且顯著高于其他處理，T3處理最小，但較T2無(wú)顯著性差異。整體來(lái)看各脈沖光處理對(duì)葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)并未造成較大影響。

表5 不同處理對(duì)葉片熒光參數(shù)的影響Table 5 Effects of different treatments on the fluorescence parameters of lettuce leaves

3 討論

植物葉片所吸收的光能，一部分用于光合電子鏈傳遞，多余的光能則通過(guò)熱交換耗散和反應(yīng)中心的過(guò)剩激發(fā)[15]，而早在20世紀(jì)初，Brown和Escombe利用旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)在不改變光質(zhì)的情況下使光照強(qiáng)度相對(duì)減少25%，發(fā)現(xiàn)光合速率沒(méi)有下降，這表明在極短的時(shí)間內(nèi)將連續(xù)光變?yōu)殚g歇光并不影響植物光合作用的進(jìn)行。隨著對(duì)植物葉片光合系統(tǒng)地進(jìn)一步研究，研究人員提出了光合中間體的猜想[16-17]，并且在此基礎(chǔ)上建立了通過(guò)估計(jì)光合中間體積累和消耗的動(dòng)態(tài)變化模型來(lái)研究脈沖光頻率及占空比等因素對(duì)Pn的影響[18]。同時(shí)，有研究人員[19-21]發(fā)現(xiàn)，脈沖光對(duì)作物有促進(jìn)生長(zhǎng)、增加產(chǎn)量及提升品質(zhì)等作用，但這些試驗(yàn)大多基于與連續(xù)光相同的日累積光量(DLI)設(shè)計(jì)，與連續(xù)光相比延長(zhǎng)了光照時(shí)間，而本試驗(yàn)則基于與連續(xù)光相同的光周期與Pn，從結(jié)果來(lái)看，各脈沖光處理在與連續(xù)光相同的Pn以及光周期的基礎(chǔ)上，并沒(méi)有顯著地促進(jìn)生菜生長(zhǎng)及提升產(chǎn)量，但明顯改善了生菜的品質(zhì)，且試驗(yàn)選擇了最小頻率與占空比的組合，使脈沖光在不同占空比下能獲得最小的動(dòng)態(tài)功耗，運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)既不影響產(chǎn)量，較連續(xù)光而言也更為節(jié)能。

從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)脈沖光下葉片光合速率與連續(xù)光相同時(shí)，其不同頻率與占空比組合的光照下的生菜干重、鮮重與連續(xù)光相比均無(wú)顯著性差異，這表明脈沖光下生菜的物質(zhì)積累可能僅與葉片的凈光合速率有關(guān)。Sager等[22]研究表明,脈沖光下植株葉片的凈光合速率僅能接近連續(xù)光而不能超過(guò)，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明在與連續(xù)光相同光照時(shí)長(zhǎng)時(shí)，脈沖光供光模式下的植株可能最多僅能獲得與連續(xù)光相同的生物量[23]。以生菜整體形態(tài)而言，不同脈沖光處理下除株幅及葉長(zhǎng)分別有一個(gè)處理差異較大，其余指標(biāo)在各處理間均無(wú)顯著性差異，表明在相同Pn的基礎(chǔ)上，不同頻率、占空比組合的脈沖光對(duì)植株形態(tài)的影響也較小。故在實(shí)際生產(chǎn)中僅考慮產(chǎn)量的前提下，選用脈沖光作為人工光源時(shí)只需考慮頻率與占空比的組合是否能使其光照下葉片的凈光合速率達(dá)到與連續(xù)光相同即可，過(guò)高的頻率與占空比則會(huì)導(dǎo)致電能浪費(fèi)，不利于脈沖光的節(jié)能效果。

光周期延長(zhǎng)能提升植物體內(nèi)硝酸鹽的同化速率，增加植物體內(nèi)硝酸鹽含量[24]。本試驗(yàn)中，脈沖光下生菜葉片的硝態(tài)氮含量隨著占空比的增加逐漸增大，可能是由于脈沖光占空比增大其輻射量隨之增大所導(dǎo)致。此外，生菜體內(nèi)可溶性總糖及還原糖含量也呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，這表明低頻高占空比的脈沖光更利于生菜體內(nèi)糖類物質(zhì)的積累。從整體品質(zhì)來(lái)看，除維生素C含量以外，所有脈沖光處理下品質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)均不劣于連續(xù)光，硝態(tài)氮、可溶性總糖及還原糖含量均優(yōu)于連續(xù)光，在高頻低占空比脈沖光(T1)處理下，維生素C含量也達(dá)到與連續(xù)光相比不顯著的水平。故較連續(xù)光而言，生菜在脈沖光的供光模式下能獲得更好的品質(zhì)，且在高頻低占空比條件下品質(zhì)表現(xiàn)更好，同時(shí)也能獲得最小的靜態(tài)功耗，但在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)綜合考慮脈沖光在不同頻率、占空比下的總能耗及其對(duì)作物品質(zhì)方面的影響，選擇相對(duì)節(jié)能且其供光下作物品質(zhì)較好的頻率與占空比的組合為光源。

研究表明喜陰植物在適當(dāng)遮光的情況下會(huì)使其單位葉綠素含量提高[25]，植物在弱光條件下單位葉綠體數(shù)目減少，但葉綠體變大，葉綠素含量也會(huì)增加[26]，脈沖光因其光源的特殊性，會(huì)形成類似于遮光或弱光的效果，占空比越小，效果越明顯，所以占空比較小的處理(T1、T2)葉綠素含量相對(duì)較高。T2處理蒸騰速率顯著高于其他處理，從試驗(yàn)測(cè)得的光合參數(shù)來(lái)看，可能是其氣孔導(dǎo)度較高所導(dǎo)致。光適應(yīng)下PSⅡ的NPQ是植物在光照過(guò)強(qiáng)時(shí)用來(lái)保護(hù)自己而應(yīng)用的一種機(jī)制，反映了植物耗散過(guò)剩光能為熱的能力。在本試驗(yàn)中，各脈沖光處理下生菜葉片的NPQ顯著低于連續(xù)光，可能是由于脈沖光的光質(zhì)特性所決定；在相同的瞬時(shí)光強(qiáng)下，連續(xù)光下葉片在一定時(shí)間內(nèi)所接受的累積光量大于脈沖光，可能在長(zhǎng)期的光照適應(yīng)下，連續(xù)光接收了較多的光能從而形成更好的耗散過(guò)剩光能為熱能的能力。Olveragonzalez等[27]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)中表脈沖光頻率較低(0.1、1 Hz)時(shí)，葉片具有較高的ΦPSⅡ，但從本試驗(yàn)的光合系統(tǒng)參數(shù)及熒光參數(shù)來(lái)看，不同脈沖光處理下生菜葉片的Pn、qP、ΦPSⅡ以及ETR，均較連續(xù)光無(wú)顯著性差異，說(shuō)明在與連續(xù)光相同的Pn基礎(chǔ)上，脈沖光供光模式對(duì)生菜葉片的光合系統(tǒng)不會(huì)造成較大影響，這表明脈沖光對(duì)葉片光合及熒光參數(shù)影響，可能由于葉片在低頻低占空比下光合速率較低，從而導(dǎo)致物質(zhì)積累產(chǎn)生一定差異，進(jìn)而影響到葉片的光合特性。