白紅與紅藍LED光照環境對兩種生菜生長、品質和能量利用效率的影響

閆征南 賀冬仙 鈕根花 周清 曲英華

|摘要|植物葉片的光合色素強烈吸收紅橙光和藍紫光，故紅藍LED光源被廣泛應用于人工光型植物工廠。然而，長期在自然環境下生長的植物由于進化已形成了利用廣譜太陽輻射的生理機制。為了對比紅藍組合LED光質與在白色LED中補充其他LED光質對水培生菜（Lactuca sativa L.）的影響，本試驗在白色LED中補充紅色LED，或在紅藍LED中分別補充紫外LED、綠色LED、遠紅外LED的光照條件下培育綠葉生菜‘綠蝶和紫葉生菜‘紫雅20天。結果表明，在紅藍LED中補充遠紅外LED使綠葉生菜的地上部鮮重和干重分別提高了28%和34%，補充紫外光對兩品種生菜的生長和能源利用效率無顯著性影響，補充綠光則使綠葉生菜的維生素C含量和紫葉生菜的花青素含量分別降低了44%和30%。與紅藍LED光照條件相比，紅藍LED補充綠色LED的光照條件下培育的紫葉生菜在綠光區域的光譜吸收率降低，這與其更高的花青素含量有關。在白色LED中補充紅色LED的光照條件使得紫葉生菜的地上部鮮重和干重均提高了25%，但其維生素C和硝酸鹽含量與白色LED光照條件下培育的無顯著性差異。與紅藍LED 光照條件相比，白紅LED光照條件下培育的兩品種生菜的鮮質量、光能和電能利用效率更優或達到同等水平。綜上所述，白紅LED光質可替代紅藍LED光質用于綠葉和紫葉生菜（‘綠蝶和‘紫雅）的立體水培生產。

引言

葉綠素和類胡蘿卜素是高等植物中的兩類光合色素，吸收光能進而驅動光合作用[1]。葉綠素a和b是植物細胞中的主要色素，主要吸收光譜中的紅橙光（主吸收峰在625～675 nm）和藍紫光（主吸收峰在425～475 nm）[2]。前人研究發現植物葉片能夠吸收超過90%的紅光和藍光以及大約70%的綠光[1，3]，表明大部分紅光和藍光被植物葉片吸收。植物葉片中的葉綠素對光質敏感，且不同種類植物之間存在差異[4]。在單色藍光下生長的生菜（Lactuca sativa L.）比在單色紅光下生長的生菜葉片中的葉綠素含量更高[5-6]，而在番茄植株中的結果卻相反[7]。此外，在紅藍組合光下生長的植物葉綠素含量[5]、鮮重[8]和營養品質[8-9]比在單色紅光下生長的植物更高。為此，前人研究了適宜生菜[5，10-11]、甜羅勒[12]、小白菜[13]和菠菜[14]的紅藍光組合光質。

在商業化的園藝生產中，LED因其光譜靈活可調、壽命長和能量轉換效率高等優勢而具有巨大的市場潛力[15]。生菜是世界范圍內栽培的主要作物，且常作為模式植物被用于LED光環境研究[16-18]。紅色LED和藍色LED因其與葉綠素吸收光譜相吻合似乎更適合生菜生產[5，19]。然而，長期在自然環境下生長的植物由于進化已形成了利用廣譜太陽輻射的生理機制[20-21]。除紅光和藍光外，光譜的其它部分也影響著植物的生長發育和次生代謝產物的積累。綠光可以穿透植物上層葉片，并且可以被葉片背面的葉綠體所吸收[22]。Kim等[23]觀察到在紅藍LED中補充24%的綠光增加了綠葉生菜地上部鮮重。在紅光中補充10%綠光的光環境下生長的生菜葉片的凈光合速率增加，但在紅藍光中加入相同比例的綠光時，生菜葉片的凈光合速率則降低[24]。與66%的紅光下培育的生菜相比，68%的紅光中補充8%的綠光下培育的紅葉生菜（cv. Sunmang）的葉面積和地上部鮮重增加，但綠葉生菜（cv. Grand Rapid TBR）無顯著性變化[25]。遠紅光通過增加植物葉面積而非光合反應來促進植物生長[26-27]。在紅藍LED中補充遠紅光，紅橡葉生菜（cv. Cherokee）種苗的地上部和地下部鮮重顯著增加，而在綠葉生菜（cv. Rex）種苗中無顯著性變化[28]。在紅色LED中補充遠紅光，紅葉生菜干重變化趨勢相似[29]。紫外線（UV）因其波長短、能量高常在可控環境中用來刺激植物化學物質的合成[30-31]。與無紫外線照射的實驗區相比，補充紫外線提高了紅葉生菜的花青素、黃酮和酚類含量[32]。Lee等[30]也得出了類似的結果。上述研究表明，植物的生長和營養品質可以通過補充其它光質來調節，且不同品種植物對光質有不同的形態和生理響應。

結合生物量的積累和能源利用效率，Park等[33]建議在人工光型植物工廠的生菜生產中使用白色LED替代熒光燈。與熒光燈相比，白紅LED更適宜水培生菜的苗期[27]及后期栽培[17]。Chen等[20]研究表明，與白色LED相比，白紅LED光源下培育的生菜更為緊湊和健壯，并推測生菜生物量會隨著白色LED中補充的紅光比例的增加而增加。然而，過量的紅光可能對生菜生長和植物化學物質的積累有負面影響。Yan等[34]綜合評價水培生菜生長、營養品質和能源利用效率，建議在白色LED中補充適量的紅光（24.4%紅光）用于紫葉生菜生產。然而，很少有研究比較不同品種生菜在紅藍LED與白紅LED光源下的光合色素、吸收光譜特性和能源利用效率。

為了探究人工光型植物工廠中適宜的紅藍LED或白紅LED光源，本研究從色素含量、生物量積累、葉片分光光譜特性、營養品質和能源利用效率等方面分析LED光質對水培綠葉和紫葉生菜生長和品質形成的影響，旨在為人工光型植物工廠中不同品種生菜生長所需LED光環境提供理論依據與技術指導。

材料與方法

實驗材料和育苗條件

生菜（Lactuca sativa L.）的供試品種為綠葉生菜（cv. 綠蝶）和紫葉生菜（cv. 紫雅）。將海綿塊（23 mm×23 mm×23 mm）在水中反復擠壓使其充分吸水并置于塑料托盤中（520 mm×360 mm×90 mm）。將生菜種子直接播于完全浸濕的海綿塊的圓孔中，將塑料托盤覆膜并置于人工光型植物工廠實驗室（中國農業大學，北京，中國）。播種7天后，將生菜種苗假植于128孔的穴盤中再連續培養13天。播種20天后，隨機選取長勢均勻一致的生菜種苗，將其定植于4 mm厚的栽培床（1200 mm×900 mm×70 mm），每個栽培床定植35株植物。根據之前的研究結果[27]，生菜育苗期間光源為紅藍比（R：B）為2.2的白紅LED燈具（WR-16W，北京盛陽谷科技有限公司，中國），光照強度為200 μmol/（m2·s）、

光照周期為16 h/天，明期的溫度為22±1℃、相對濕度為65±5%、CO2濃度為800±50 μmol/mol;暗期的溫度為18±1℃、相對濕度為75±10%、CO2濃度不控制。水培生菜在定植20天后采收。

生菜生長期間采用山崎生菜營養液配方，該配方由以下成分組成（mg/L）：Ca（NO3）2·4H2O，236;KNO3，404;MgSO4·7H2O，123;NH4H2PO4，57;Fe -DTPA（7%），28.571;MnSO4·H2O，0.615;CuSO4·5H2O，0.039;ZnSO4·7H2O，0.088;H3BO3，

1.127;（NH4）6Mo6O24·4H2O，0.013。將山崎生菜營養液的EC和pH分別調節為1.0～1.2 mS/cm和6.0～6.5。在播種2天后，每天用自來水澆灌生菜種苗1次。在子葉期和1～2片真葉期分別使用1/4倍和1/2倍的山崎生菜營養液。當第2片真葉展開后，采用標準的山崎生菜營養液配方，營養液在生菜種苗定植后每周更換1次。

實驗區設置

利用在白色LED（W）中補充紅色LED（WR），或在紅藍LED（RB）中分別補充紫外LED（RBUV）、綠色LED（RBG）或遠紅LED（RBFr）來設計LED光源，即在紅藍比分別為 0.9、2.2、4.6、5.1、5.4和5.6的LED光照環境下進行水培綠葉生菜（cv. 綠蝶）和紫葉生菜（cv. 紫雅）的LED光質影響試驗。光照強度為250 μmol/（m2·s），光照周期為16 h/天。上述LED均由北京盛陽谷科技有限公司生產，全部采用交流電供電。LED光源上方安裝不銹鋼鏡面反光板（1200 mm×900 mm×0.4 mm），墻壁由具有通風小孔的鋁塑板組成。LED光環境實驗區的分光光譜分布使用光纖光譜儀（AvaFiled-2， Avantes Inc.， 荷蘭）在燈下15 cm處進行測量。基于分光光譜分布（表1）計算紫外光（UV，300～399 nm）、藍光（B，400～499 nm）、綠光（G，500～599 nm）、紅光（R，600～699 nm）和遠紅光（Fr，700～800 nm）的光量子通量。

測量指標與方法

◆水培生菜葉片的葉綠素含量與光合特性

每實驗區隨機選取6株長勢均勻的生菜，選取完全展開的第3片葉測量其葉綠素含量和光合特性。將葉片去掉中脈后剪碎，稱取樣本0.1 g

左右置于15 mL試管中，加入10 mL的80%丙酮浸提48 h，使用分光光度計（UV3150，島津制作所，日本）測定提取物在波長663 nm和645 nm處的吸光度。葉綠素a和b含量根據Arnon[35]計算，并計算葉綠素總量。生菜葉片凈光合速率采用便攜式光合儀（LI-6400XT，LI-COR公司，美國）進行測定。葉室內光源的光照強度設置為250 μmol/（m2·s）、葉溫為22℃、參比氣CO2濃度為800 μmol/mol。

◆水培生菜葉片的分光光譜特性

每實驗區隨機選取5株長勢一致的生菜，選取完全展開的成熟葉片測量其主葉脈一側的中間位置。生菜葉片的透過率和反射率在采收時使用分光光度計（UV-3150，島津制作所，日本）進行測量。分光光度計的掃描波長為300～800 nm。依次測量葉片的透過率和反射率并計算其吸收率。

◆水培生菜的生長特性

每實驗區隨機選取6株長勢一致的生菜，分別測量其地上部和地下部鮮重，隨后將鮮樣置于105℃的烘箱中進行殺青處理，3 h后將烘箱溫度調至80℃后，烘干至恒重。待樣本冷卻至室溫后用萬分之一天平（FA1204B，BioonGroup，上海）分別稱量其地上部干重和地下部干重。

◆水培生菜的營養品質

在每個處理中隨機選取6株長勢均勻的生菜作為待測樣本。將葉片樣品剪碎，混合均勻后分別采用2，6-二氯酚靛酚滴定法[36]、水楊酸-濃硫酸比色法[37]和分光光度法[38]檢測水培生菜葉片中的維生素C、硝酸鹽和花青素含量。用上述分光光度計在410 nm波長下測定硝酸鹽含量，用530 nm和600 nm波長下提取液的吸光度計算花青素含量。

◆光能和電能利用效率

根據Kozai和Niu[39]計算光能利用效率（LUE）和電能利用效率（EUE），定義為：LUE = f×D/PAR，EUE = h×LUE。式中f為單位干物質植物具有的化學能（約20 MJ/kg），D為單位栽培面積的植物干物重增加量[kg/（m2·h）]，PAR為栽培周期光合有效輻射積算值[MJ/（m2·h）]，h為電能到光合有效輻射能量的轉化系數。白色LED、白紅LED、紅藍LED、紅藍紫外LED、紅藍綠LED和紅藍遠紅LED的h值分別為0.455、0.368、0.343、0.332、0.333和0.337。人工光源的耗電量使用微型電力檢測儀（TP9004，深圳市北電儀表有限公司，中國）進行測量。百克鮮重耗電量和每克干重耗電量根據Zhang等[17]計算。

數據分析

統計處理和圖表繪制分別使用SPSS 18.0 （IBM， Inc.， Chicago， IL， USA）和Microsoft Excel 2010軟件完成。數據的方差分析是基于LSD（Least-Significant Difference）法進行的多重比較（P< 0.05）。實驗結果的表達方式為均值±標準偏差。

結果與討論

LED光質對水培生菜葉片的葉綠素含量、光合特性和分光光譜特性的影響

在紅藍LED中補充紫外、綠光或遠紅光對2個品種生菜的葉綠素含量無顯著性影響（表2）。綠葉生菜葉片的凈光合速率的變化趨勢與之相似。然而，與紅藍LED光照條件下培育的生菜相比，補充4.4%綠光降低了紫葉生菜的凈光合速率，這是由于綠光未被上部葉片有效吸收（圖2）。Kang等[24]觀察到，在紅藍LED中補充10%的綠光降低了綠葉生菜葉片的凈光合速率。然而，在紅藍LED和白紅LED中分別補充5%和24%的綠光時，綠葉生菜的葉綠素含量和凈光合速率無顯著性變化[23，40]。同時，與紅藍LED光照條件下培育的生菜相比，在紅藍LED中補充綠光降低了紫葉生菜葉片的凈光合速率，而紫葉生菜葉片的葉綠素含量在兩種處理之間無顯著性差異。這可能是由類胡蘿卜素含量的差異造成的，因為類胡蘿卜素作為葉綠素的輔助光感受器，主要吸收光譜的藍光區域[2]。兩個品種生菜在紅藍LED和白紅LED實驗區的葉綠素含量和凈光合速率沒有顯著差異，這與Mickens等[41]研究結果一致。

生菜葉片的吸收光譜主要在紅橙光（600～699 nm）和藍紫光（400～499 nm）區域，吸收峰在680 nm左右，2個品種生菜葉片的吸收率在680 nm以上急劇下降（圖2）。不同LED光照條件下水培生菜葉片的吸收光譜在藍紫光和紅橙光區域相似，而紫葉生菜葉片的吸收光譜在綠光（500～599 nm）區域差異顯著。生菜葉片在綠光區域的光譜吸收率較低，這是由于該區域具有較高的透過率和反射率。紫葉生菜葉片在綠光區域的吸收率分別在紅藍LED和紅藍綠LED光照條件下最高和最低，這種差異是由于紅藍LED光照條件下培育的紫葉生菜比紅藍綠LED光照條件下培育的紫葉生菜含有更多的花青素含量（圖3）。前人也發現了類似的趨勢[42-43]，表明綠光區域吸收光譜的差異是由花青素含量引起的。在紅藍LED中補充4.4%的綠光增加了紫葉生菜葉片的反射率，綠光區域的反射率明顯高于紅光和藍光區域，說明較大比例的可見光透過上部葉片，這一結果與Son和Oh[25]的研究結果一致，他們觀測到在含有綠光的LED光照條件下培育的生菜在綠光區域的透過率高于紅光和藍光區域。

LED光質對水培生菜生長的影響

與紅藍LED實驗區相比，在紅藍LED中補充紫外光、綠光或遠紅光對紫葉生菜地上部鮮重無顯著性影響。然而，在紅藍LED中補充4.4%綠光和7.4%遠紅光時，綠葉生菜的地上部鮮重分別增加了22.9%和27.5%（表3）。上述結果表明不同品種生菜對LED光質響應不同。Meng和Runkle[28]發現在紅藍LED中補充遠紅光可提高紅橡葉生菜種苗（cv. Cherokee）的地上部和地下部鮮重，而綠葉生菜（cv. Rex）種苗沒有顯著性變化。在白色熒光燈中補充遠紅光提高了紅葉生菜（cv. Red Cross）的地上部鮮重28.2%[16]，這可能是由于補充遠紅光導致具有較低R：Fr的光照環境，R：Fr對植物起信號作用，并導致植物產生避蔭反應，例如莖節的伸長和葉面積的增加。因此，遠紅光通過增加生菜葉面積從而增加光能截獲面積來促進生物量的積累[26-27]。Lee等[44]發現在R：Fr為1.2的光環境下培育的紅葉生菜的地上部和地下部鮮重比在R：Fr為4.1光環境下培育的分別提高1.3和1.6倍。在紅藍LED中補充4.4%的綠光或3.4%的紫外光對兩個品種生菜的地上部和地下部干重無顯著影響（表3）。同樣，Kim等[40]發現在紅藍LED中補充5%綠光時，生菜的葉面積、總葉綠素含量和地上部干重均無顯著性變化。在白色LED中補充9%的綠光在生菜播種后28天也未改變生菜葉片葉綠素含量、鮮重和干重[41]，這一結果可能是由于LED中補光的比例或強度太小未導致碳水化合物積累的差異。

較高比例的紅光結合藍光或白光導致生菜[5，34]、辣椒種苗[45]和甜羅勒[12]生物量的增加。與白色LED相比，白紅LED提高了紫葉生菜的地上部和地下部鮮重，但對綠葉生菜無顯著性影響。前人研究表明，在白色LED中補充14.0%[41]、18.0%[20]和24.4%[34]的紅光可提高生菜產量。然而，在白色熒光燈中補充33.4%的紅光對紅葉生菜鮮重和干重沒有顯著影響[16]。白色LED和白紅LED光照條件下培育的綠葉生菜的地上部鮮重分別比紅藍LED光照條件下培育的綠葉生菜高22.6%和25.9%。然而，紅藍LED和白紅LED光照條件下培育的紫色生菜的地上部和紫葉生菜地下部鮮重無顯著性差異（表3）。Mickens等[41]發現含有32.0%紅光的白色LED或含有46.0%紅光的白紅LED實驗區培育的生菜的鮮重高于含有60.0%紅光的紅藍LED實驗區。同樣，Han等[46]觀察到寬光譜或窄光譜白色LED下培育的生菜的葉面積和總鮮重高于紅藍LED實驗區培育的生菜。與含有66.7%紅光的紅藍LED實驗區相比，含有54.6%紅光的暖白LED光照條件下培育的綠葉和紅葉生菜地上部鮮重更高[47]。以上研究表明，白色LED或白紅LED在生菜生物量積累上與紅藍LED相似或更高，可用于不同品種生菜的生產。

LED光質對水培生菜營養品質的影響

在紅藍LED中補充紫外光、綠光或遠紅光對綠葉和紫葉生菜葉片硝酸鹽含量無顯著性影響（圖3）。在紅藍LED中分別加入8.5 μmol/（m2·s）的紫外光和18.5 μmol/（m2·s）的遠紅光時，紫葉生菜葉片的花青素含量無顯著性差異（圖3）。同樣，Samuoliene等[48]發現補充光照強度為4 μmol/（m2·s）的紫外光沒有引起花青素含量的顯著性變化。這些研究結果與Li和Kubota[16]的研究結果略有不同，他們發現在白色LED中補充16.3 μmol/（m2·s）的紫外光和154 μmol/（m2·s）的遠紅光時，生菜葉片的花青素含量分別增加了11.2%和降低了40.5%，這些差異可能與補光強度、其它光譜組成或品種有關。在紅藍LED光源中補充綠光降低了綠葉生菜44.3%的維生素C含量和紫葉生菜29.5%的花青素含量。前人研究表明，補充1.7%[29]或17.8%[16]的綠光對生菜葉片的花青素含量無顯著性影響。2個品種生菜的花青素含量和維生素C含量在白紅LED和紅藍LED光照條件下無顯著性差異。白色LED和白紅LED光照條件下培育的紫葉生菜葉片的硝酸鹽、維生素C和花青素含量無顯著性差異，這一結果與前人研究結果一致，在白色熒光燈中補充33.4%的紅光[16]和白紅LED中補充14.1%的紅光[17]對生菜葉片花青素和硝酸鹽含量無顯著性影響。

水培生菜生產的能源利用效率

適宜植物生長的LED光譜組成應最大限度地提高生物量的積累并考慮能源利用效率。在紅藍LED中補充紫外光、綠光或遠紅光對紫葉生菜的百克鮮重耗電量、每克干重耗電量、LUE和EUE無顯著性影響（表4）。然而，在紅藍LED中補充遠紅光導致綠葉生菜較低的百克鮮重耗電量和每克干重耗電量，以及較高的LUE和EUE。這一結果歸因于在紅藍LED中補充遠紅光提高了生菜產量。紫葉生菜的能源利用效率在紅藍LED和白紅LED之間無顯著性差異。然而，與紅藍LED實驗區相比，白紅LED導致綠葉生菜更高的LUE和EUE。白紅LED光照條件下生長的紫葉生菜的LUE和EUE分別比白色LED光照條件下生長的紫葉生菜提高45.5%和18.2%，這與Yan等[34]研究結果一致，他們發現在白色LED中補充24.4%的紅光，LUE和EUE分別提高了22.7%和7.1%以上。

結論

水培生菜的生長、營養品質和能源利用效率可以通過在紅藍LED或白色LED中補充其它光質進行調整。此外，水培生菜生產中的光環境管理與生菜品種相關。與紅藍LED光照條件相比，白紅LED光照條件下培育的兩個品種生菜的鮮重、光能和電能利用效率更優或達到同等水平。綜上所述，白紅LED光質可替代紅藍LED光質用于綠葉和紫葉生菜（cv. 綠蝶和紫雅）的立體水培生產。（文中參考文獻請參見英文全文。）

版權說明：該文曾收錄在2019年高附加值植物生產的環控技術國際研討會（2019ECTV）論文集中，英文全文首發在《國際農業與生物工程學報》（IJABE）2020年第2期（文章題目及相關信息附后）。經作者與首發期刊IJABE許可授權，賀冬仙教授團隊將論文全文翻譯成中文后，以中文形式全文刊發于《農業工程技術》溫室園藝專輯，以便中文讀者更好閱讀理解和參閱。

1.Yan Z N， He D X*， Niu G H， Zhou Q， Qu Y H. Growth， nutritional quality， and energy use efficiency in two lettuce cultivars as influenced by white plus red versus red plus blue LEDs[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering， 13（2）： 33-40.

*項目支持：國家重點研發計劃項目“設施種苗生產LED關鍵技術研究于應用示范”（2017YFB0403901）。

作者簡介：閆征南（1991-），男，河北保定人，博士，研究方向為植物環境生理。

**通信作者：賀冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士生導師，研究方向為生物環境工程。

[引用信息]閆征南，賀冬仙，鈕根花，等.白紅與紅藍LED光照環境對兩種生菜生長、品質和能量利用效率的影響[J].農業工程技術，2020，40（25）：40-46.