采前光照節律對LED紅藍光下水培生菜生長及營養元素吸收的影響

邵明杰，劉文科，周成波，王 奇，李寶石

(1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081； 2.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

在全封閉的人工光植物工廠中可以對環境因子實行精確控制，從而實現全年穩定生產優質農產品。近年來，隨著LED技術的發展，人們對LED照明進行了深入的研究，以探索新型、動態的LED供光模式，從而提高植物工廠內蔬菜生產效率。

植物在細胞水平上具有內源性生物鐘功能，該生物鐘產生生物節律以預測環境因素，例如光和溫度，并調節生物體內的生理過程，以與外部光暗周期同步[1,2]。晝夜節律系統是一個復雜的、相互聯系和調節的網絡，包括輸入路徑，內生振蕩器本身和輸出路徑。在該網絡中，外部刺激的光暗周期被輸入路徑感知并傳輸到振蕩器，振蕩器產生大約24 h周期的晝夜節律，然后通過輸出路徑傳輸節律以控制各種生理活動[3-5]。植物的生長、代謝、基因表達和許多其他生理過程都受到晝夜節律的深度調控[6,7]。

盡管按照定義，晝夜節律大約有24 h的周期，但確切的周期長度卻有幾個小時的變化，振幅和相位也可能有所不同[8]。為了達到植物工廠高效生產的目的，有必要結合影響植物生長的其他參數，制定相應的供光策略。生菜作為植物工廠光環境優化研究的一種模式植物，被廣泛應用于晝夜節律的研究。生菜中生物鐘的振蕩頻率通常取決于光質，光暗周期少于24 h的LED照射可以促進生菜生長[9]。Kang等[10](2013年)提出，縮短光暗周期(少于24 h)的高光強照射可以促進植物工廠中生菜的生長發育。 Chihiro等[11](2017)研究表明，在非24 h光暗周期的照射下生菜的生長速率顯著高于使用LED在24 h光暗周期照射下的生菜。綜上所述，調節光暗周期可以促進植物光能的利用。然而，在上述研究中，不同處理的日光積分(DLI)和電能消耗量存在差異，這可能會對結果造成影響。

在太陽光譜中，紅色和藍色波段被認為是植物光合作用不可缺少的。紅光加低劑量的藍光能使大多數植物正常生長發育，在植物栽培中被廣泛使用[12,13]。綜合考慮生菜在植物工廠的一般栽培期和光暗周期，我們人工光植物工廠中，使用LED紅藍燈進行水培，并在收獲前進行短期(相對于其整個生長周期)的光照節律處理，探索在相同DLI條件下適于生菜生長和營養元素積累的最佳光暗周期模式。

1 實驗部分

1.1 材料與處理

本研究以紫珊生菜(LactucasativaL. cv. ‘Zishan’)為供試品種，在中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所的人工光植物工廠內完成。采用海綿塊(2.0 cm×2.0 cm×2.0 cm)育苗，待幼苗長出兩葉一心時，13個為一組分別移栽至裝有10L營養液的水培槽(50 cm×50 cm×5 cm)中并進行光照處理。營養液采用霍格蘭配方(mmol/L)：0.75 K2SO4，0.5 KH2PO4，0.1 KCl，0.65 MgSO4·7H2O，1.0×10-3H3BO3，1.0×10-3MnSO4·H2O, 1.0×10-4CuSO4·5H2O, 1.0×10-3ZnSO4·7H2O, 0.1 EDTA-Fe, 5×10-6(NH4)6Mo7O24·4H2O，3.0 Ca(NO3)2·4H2O (pH：6.3；EC：1.3 mS·cm-1)。試驗期間植物工廠內溫度為23±3 ℃, 濕度為40%～50%，CO2濃度為外界CO2濃度。LED燈采用無錫華兆泓光電科技有限公司研發的紅藍組合光強光質即時可調的植物生長燈，燈板規格為50 cm×50 cm，紅、藍LED峰值波長分別為655 nm和456 nm，燈板與水培槽上方的距離均為45 cm。采用LI-1500輻照度測量儀和LI-190R光合有效輻射傳感器測定并調節栽培槽中心上方5 cm處的光強和光質。

1.2 試驗設計

試驗采用紅藍比為4:1、光強為200 μmol·m-2·s-1的LED光源，設置四個光處理，生菜生長初期，在相同光照條件下，以16/8 h(光/暗)的光周期照射14天。采前6天，將三個處理的光周期分別變為8/4 h(T12)、24/12 h(T36)和32/16 h(T48)。另外一個處理光周期不變，作為對照組(CK，16/8 h)(見圖1)。

圖1 光照模式Fig.1 Light supply modes

1.3 取樣與測定方法

光處理結束后，每個處理隨機取4株生菜從莖基部分開，用葉面積儀(LI-3100, Li-Cor Biosciences, Lincoln, Nebraska, USA)測量葉面積，用分析天平稱取地上部和地下部鮮重，將生菜在105 ℃下殺青15 min，80 ℃，烘干至恒重，稱取干重。

烘干后的植物樣品用組織研磨器研磨過篩后采用原子吸收分光光度計和電感耦合等離子體發射質譜儀測定K、P、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn的含量[14]。

1.4 數據處理

采用 Microsoft Excel 2013 軟件對數據進行處理，采用 SPSS 25.0統計分析軟件對數據進行差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)。

2 結果與討論

2.1 采前光照節律對生菜生長的影響

如表1所示，與其他處理相比，T12顯著增加了生菜地上部和地下部的鮮重和干重，擴大了葉面積，降低了根冠比。在采前光照周期延長至24 h以上的處理中，與對照相比，T36顯著促進生菜的地上部和地下部生物量的積累，T48則顯著降低了生菜地上部干鮮重。T48處理的生菜含水量顯著低于其他處理最低。各處理間比葉重差異不顯著。

植物的生物鐘在許多生理過程中起著至關重要的作用，如生長、基因表達和光合作用[15,16]。外源節律與內源生理和代謝的匹配對于植物適應環境變化至關重要[17-19]，是影響植物生長的重要因素。在本研究中，所有處理在整個生長期間都得到相同的PPF，因此，不同處理的結果不同是由于植物對外界光暗周期信號的適應性反應。結果表明，在相同DLI條件下，采前縮短或延長光暗周期，可以顯著提高生菜的產量。其中，T12對生菜地上部鮮干重、根鮮重和葉面積的促進作用最為顯著。其原因可能是，在LED光照的影響下，生菜植株的內源晝夜節律往往短于24 h[20]，相對短的光照節律可以在不犧牲生長速度的前提下減少生菜的倒伏[21]。此外，與對照相比，T36顯著增加了生菜的鮮重。而T48處理的生產鮮重、干重和最小葉面積均顯著低于T48，說明超長光暗周期對生菜生長有明顯的抑制作用。這可能是因為長時間的光照或暗期影響了生菜植株的水分利用率，導致生菜含水量降低。生菜地上部鮮干重和葉面積隨光暗周期的變化趨勢一致，說明光照節律可以通過改變葉片形態來調節植物的生長。

表1 采前光照節律對生菜生長的影響Table 1 Effects of light-dark cycle altered at pre-harvest stage on the growth of lettuce

2.2 采前光照節律對生菜營養元素含量和累積量的影響

表2和表3分別為四種處理下生菜營養元素的含量和累積量。結果表明，采前改變光照節律對生菜中大量元素(N、C、P、K)含量無顯著影響。和其它處理相比，T12顯著降低了生菜中Mn和Zn的含量，T12處理下生菜中Fe的含量也顯著低于T48。T12處理下生菜中N、C、P、K、Ca、Mg元素累積量最高，且均顯著高于對照組和T48處理。有研究表明，隨著光照時間的延長，玉米對N、P、K的養分吸收顯著增加[22]，但是在本試驗中，T48處理下生菜中N、C、P、K、Ca、Mg元素累積量最低，說明光周期延長不利于生菜幼苗對于大量元素的積累，這可能是由于T48處理中不僅延長了光照時間，同時也延長了暗期時間，采前改變光照節律的條件下，生菜養分積累量的變化主要受植株干重的影響。T36處理下生菜中Zn元素累積量最高且顯著高于T12處理。各處理之間Fe、Mn、Cu元素累積量無顯著差異。

采前改變光照節律對植株根冠比產生顯著影響，因此，本試驗中生菜生長的差異可能歸因于光照節律改變根系對養分的吸收。植物主要通過根表皮細胞的選擇運輸過程吸收礦質元素，光可以通過調節作用于細胞膜上載體蛋白的酶的活性而影響礦質元素的吸收的種類和數量[23]。有關光周期對植物營養元素吸收的影響的研究較少，有研究表明，長期的光照會顯著降低生菜的光合速率、氣孔導度和蒸騰速率[24]，蒸騰拉力是植物水分上升的主要動力，礦質元素是以離子形式隨水分經木質部向上運輸，其主要動力則是由葉片蒸騰作用產生的蒸騰拉力，因而蒸騰速率的降低會影響礦質元素的吸收與運輸。其次，光周期能夠改變植物生長調節物的濃度[25]，這些植物調節物能夠影響植物根系對營養的吸收。長期的光照會導致植物體內產生過量的活性氧(ROS)，ROS能引起蛋白等生物大分子的損傷，改變生物膜流動性、離子運輸等基本特性。光周期還會通過改變光敏色素系統來改變細胞膜對離子的滲透性。礦質元素是植物光合作用所必須的的元素，長光照條件下生菜內礦質元素累積量的減少會進一步加劇光合活性的降低和光合器官的傷害。因此，長光周期下生長的植物必須吸收更多的礦質元素，在實際生產過程中可以通過提高營養液的濃度，減輕長光周期對生菜產生的傷害。光通過何種途徑調控這些生理過程，還有待進一步深入探討。

表2 采前光照節律對生菜營養元素含量的影響Table 2 Effects of light-dark cycle altered at pre-harvest stage on the nutrient contents of lettuce

表3 采前光照節律對生菜營養元素累積量的影響Table 3 Effects of light-dark cycle altered at pre-harvest stage on nutrient accumulations of lettuce

3 結論

在采前改變光照節律對生菜產量影響較大。與大多數人工光植物工廠采用的24 h光周期的供光模式相比，采前將光周期變為12 h和36 h顯著促進了生菜的生長，48 h的光周期則抑制了生菜的生長。生菜大量元素累積量與地上部干重的大小有關，采前縮短光周期至12 h可有效促進生菜營養元素的累積。因此，在實際生產中采用合理的光照節律照射模式是提高生菜產量的有效手段。