紅藍白光與遠紅光對櫻桃蘿卜早期生長發育的影響

陳夢彤，季 清，董育辰，陳 麗

(1.蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215000；2.南京格尼茲農業科技有限責任公司，南京 211800)

引言

氣候變化所致的洪旱災害和人口的日益增長都給傳統農業帶來巨大壓力，我國耕地資源有限，人均耕地不到世界平均水平的1/2[1]，據有關部門預計，到2050年時，人均可耕地面積將會減少至不足2.1市畝，傳統農耕形式將不再是一種可持續發展的選擇，發展立體種植技術已被各國提上日程。

高效半導體發光二極管(LED)現在廣泛用于顯示、照明等領域，以取代傳統的白熾燈或熒光燈以節省能源[2]。發光二極管(LED)作為新型固態半導體光源，與熒光燈相比在植物工廠應用上具有節能環保、壽命長、體積小等諸多光電優勢，更重要的是其可以按照植物生理和生產需求調制光譜并自動化調控時間和空間上的連續光照動態模式，進而集成形成設施植物生產的調控策略，以實現植物生產力、生物量和碳水化合物數量的最大化。

LED植物工廠更適于葉菜、小根菜和一些藥用植物，目前植物工廠中栽培植物種類較單一，主要是葉菜，如生菜和菠菜，根菜很少在植物工廠種植，關于光條件對根菜生產影響的研究更少[3]。櫻桃蘿卜(Raphanus sativus L.var.radculus pers)作為四季蘿卜中的一種，具有生長周期短、營養價值高、經濟效益可觀的特點[4]，是我國廣泛種植的根莖類蔬菜之一。前人研究表明，蘿卜生長需要一定比例的紅藍光[5]，蘿卜的形態顯著依賴于光質，單獨紅光下，蘿卜不形成膨大根，根冠比低，但對地上部影響不大；紅光能夠促進櫻桃蘿卜的植高、株幅等增加，提高根鮮重和產量[6]。補充藍光能夠促進非結構糖在地上部和貯藏根的分配，從而促進貯藏根的增粗[7]。紅光LED補充10%藍色熒光能夠顯著增加蘿卜干重但仍無法達到蘿卜的最大生長效率[8]。因此本研究在前人研究基礎上，自制RBWF多光質LED植物燈，研究不同紅、遠紅、藍、暖白光光質配比對櫻桃蘿卜生長發育的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年3月于蘇州大學機電工程學院創新實驗室進行，供試的櫻桃蘿卜品種為滄州津科力豐種苗有限責任公司出產的“櫻桃蘿卜”。2021年3月6日播種在培養槽(長50 cm×寬19 cm×高15 cm)中，栽培基質是50%草碳、30%菇渣、10%珍珠巖、10%蛭石，基質深約12 cm。于2021年3月12日定苗，每槽定植10株，每槽每天澆水250 mL。栽培槽放置在補光架中部，每個補光架下放置兩個栽培槽，栽培槽正上方懸掛多光質LED植物燈(100 cm×8 cm)，本研究應用于植物補光燈的光源采用定制四芯片集成LED燈珠作為光源，其中LED燈珠含有紅光芯片(R，655～660 nm)、遠紅光芯片(FR，725～730 nm)、藍光芯片(B，452.5～455 nm)和暖白光芯片(W，2 800～3 200 K)四種芯片，光質均勻，且每種光質的強度可獨立調節。采用OHSP350P植物光照分析儀測定栽培槽中心距離植物燈50 cm處光強，調至試驗所需光強及光質。實驗室室溫保持在20～25 ℃。

1.2 試驗設計

試驗設置4種光質配比，如表1所示，其光譜如圖1～圖4所示。統一各組總光強為200 μmol·m-2·s-1，2R1B與RBW1的藍光絕對量相同，2R1B與RBW2的紅光絕對量相同，RBW1的藍光比例最高，RBW2的紅光比例最高。RBF的紅藍光強與2R1B相同，其中添加了遠紅光，紅光和遠紅光比例為2∶1。各組光期18 h，暗期6 h，各組光照空間分布相同。

表1 光質組成

圖1 2R1B光譜圖Fig.1 2R1B spectrum

圖2 RBW1光譜圖Fig.2 RBW1 spectrum

圖3 RBW2光譜圖Fig.3 RBW2 spectrum

圖4 RBF光譜圖Fig.4 RBF spectrum

LED驅動電路部分采用四路帶有電流控制功能的Buck恒流驅動電路，分別控制紅、遠紅、藍、暖白光LED支路的電流來調節亮度，從而實現定量精確補光。各支路的驅動電流為持續穩定電流，無頻閃。嵌入式控制部分按預設光質比設置各光質支路的電流值參考值，進行數字PID調節，計算對應支路Buck變換器的控制信號占空比，實現四路恒流驅動輸出。

1.3 取樣與測定方法

試驗主要研究LED不同光質對櫻桃蘿卜生長發育的影響，在定植后每5 d用最小刻度為0.1 cm的刻度尺測量每株櫻桃蘿卜的株高，在長出真葉后每5 d測量每株櫻桃蘿卜最大葉長與葉綠素，最大葉長用游標卡尺測量，其中，測量葉綠素含量時選取植株上具有代表性的2片葉，用SPAD-502PLUS測定葉綠素含量，取平均值進行數據分析。櫻桃蘿卜成熟后，整株取出，將根系洗凈，測定真葉數，使用游標卡尺測量根長和冠長等形態指標，利用分析天平測定櫻桃蘿卜根冠總鮮重、根鮮重和冠鮮重。

1.4 數據分析

試驗數據運用EXCEL軟件計算各組平均值和標準差，采用IBM SPSS Statistics 26軟件的單因素方差分析(ANOVA)的新復極差法(Duncan)比較差異顯著性，用EXCEL作圖。

2 結果與分析

2.1 LED光質配比對櫻桃蘿卜地上部生長及生物量的影響

表2給出了播種29d后櫻桃蘿卜的真葉數量、冠長和冠鮮重，在紅、遠紅、藍、暖白光四種不同強度光配比LED光照射下，播種29d后櫻桃蘿卜真葉數和冠長均無顯著差異。

表2 播種29d后光質配比對櫻桃蘿卜真葉數量、冠長、冠鮮重的影響

RBW2處理下冠鮮重最大，含有的生物量最多，顯著高于RBF處理，同時真葉數也最大，因此RBW2處理顯著增加了地上部鮮重；RBW2處理的冠鮮重略高于2R1B和RBW1處理，考慮到RBW2的紅光比例最高，說明在紅光絕對量相同的情況下，高比例的紅光能夠適當增加冠鮮重；2R1B、RBW1和RBW2處理冠鮮重無顯著差異，說明白光對冠鮮重影響不顯著。而2R1B處理的冠長最短，RBF處理的冠長最高，RBF僅在2R1B基礎上添加了遠紅光，但是遠紅光處理后冠長增加，冠鮮重顯著減少，說明含遠紅光處理的櫻桃蘿卜植株徒高，其含有的生物量卻很少。因此，光質配比顯著影響冠鮮重，對真葉數和冠長無顯著影響，高比例紅光能適當增加冠鮮重，白光對冠鮮重無顯著影響，遠紅光使冠長徒高而所含生物量少。

2.2 LED光質配比對櫻桃蘿卜地下部生長及生物量的影響

由表3可以看出，RBW2處理的根長最長，因此根鮮重也最大，與上述RBW2處理的冠鮮重最大結論一致；RBF處理的根長顯著低于其他三個處理，根鮮重也最低，所含生物量最少，與上述RBF處理的冠鮮重最低結論一致；2R1B、RBW1、RBW2處理的根長差異不顯著，說明白光對根長無顯著性影響。RBW2處理的根鮮重顯著高于其他三個處理；RBW1處理的根鮮重顯著低于2R1B處理和RBW2處理，考慮到RBW1處理的紅藍比最低，由此可以得出紅藍比例過低不利于根部生物量積累；RBF處理的根鮮重最低， 說明遠紅光也不利于根部生物量積累。不同光照處理對根冠總鮮重影響顯著，因為RBW2下根鮮重和冠鮮重均最高，所以其根冠總鮮重也顯著高于其他三個處理，所含生物量最高；RBW1處理的根冠總鮮重顯著低于2R1B處理和RBW2處理，考慮到前面2R1B、RBW1、RBW2處理的冠鮮重無顯著差異，得出這是RBW1下的低紅藍比不利于根部生物量積累所致；RBF處理的根冠總鮮重最低。2R1B和RBW1處理的根冠比差異顯著，和RBW2處理的根冠比差異不顯著，又考慮到2R1B和RBW1處理藍光絕對量相同，2R1B和RBW2處理紅光絕對量相同且高于RBW1處理，說明在無遠紅光的情況下，紅光影響根冠比，紅光比例越高，根冠比越高；RBF處理的根冠比最低。因此，由2R1B、RBW1和RBW2三者比較可知，紅光比例過低不利于根系生長，藍光對根系促進作用不如紅光明顯；由2R1B和RBF二者比較可知，遠紅光阻礙櫻桃蘿卜根系生長。方差分析結果表明，不同光質處理對根冠總鮮重、根鮮重影響均達到極顯著水平(P<0.01)，對根冠比影響達到顯著性水平(P<0.05)。總的來說，高比例紅光能促進櫻桃蘿卜地下部生物量積累，高比例藍光不利于地下部生長，遠紅光抑制地下部生長。

表3 光質配比對櫻桃蘿卜根系、根冠總鮮重、根冠比的影響

2.3 LED光質配比對櫻桃蘿卜株高的影響

如圖5所示，培養10d和15d時，各處理株高差異不顯著，RBF處理的株高已有超過同期其他處理株高的趨勢；到25d時RBF和RBW2處理的植株生長相對較快，RBF處理的株高最高，RBW2處理的株高僅次于RBF處理，2R1B處理的株高最低，RBW1和RBW2處理的株高均高于2R1B處理，說明白光對株高有促進作用；RBW2處理的株高又高于RBW1處理，考慮到RBW2處理的紅藍光比例高于RBW1處理，因此紅藍比例高對株高有促進作用。

綜上，遠紅光處理對櫻桃蘿卜株高影響顯著，白光、高比例紅光和遠紅光促進櫻桃蘿卜地上部分增高，遠紅光的促進增高作用更明顯。

圖5 光質配比對櫻桃蘿卜株高的影響Fig.5 The effects of light quality ratio on plant height of cherry radish注：短線表示標準誤差，以下圖同。

2.4 LED光質配比對櫻桃蘿卜最大葉長的影響

如圖6所示，13～28 d除RBF處理，各光質處理最大葉長均呈增長趨勢，RBW1處理和RBW2處理的最大葉長均保持大于2R1B處理，說明白光對最大葉長有促進作用；RBW2處理的最大葉長均保持大于2R1B處理，因此低比例藍光更有利于葉片伸長。13～23 d時各處理最大葉長無顯著差異，13 d時RBF最大葉長最大，18～28 d時RBW2處理的最大葉長最大，18 d各處理最大葉長相比于13 d處理有較大增長，分別平均增長了60.0%，83.2%，80.8%和63.6%，23 d各處理最大葉長與18 d處理相比增長緩慢，除了RBF處理，其他處理28 d時最大葉長均高于23d處理，RBF處理下的葉片在23～28 d開始萎縮，到28 d時RBF處理顯著低于其他三個處理。綜合比較，白光和低比例藍光都有利于葉片伸長，低比例藍光RBW2處理促進作用更明顯，遠紅光對葉片早期伸長有較大促進作用，后期遠紅光處理的葉片最先開始萎縮。

2.5 LED光質配比對櫻桃蘿卜葉綠素含量的影響

如圖7所示，不同光質處理對櫻桃蘿卜葉綠素含量有顯著影響，主要表現為13 d時2R1B處理下葉綠素最高，18～28 d內RBW2處理的葉綠素最高，RBW1處理的葉綠素含量均低于2R1B處理，說明低比例紅光不利于葉綠素合成。13～23 d內2R1B和RBW1處理的葉綠素含量均持續下降，分別下降了10.0%和12.4%，與光照23 d的葉綠素相比，2R1B和RBW1處理28 d的葉綠素含量均有所回升，但仍略低于13 d處理的葉綠素含量；13～28 d內RBW2下的葉綠素含量呈現先增后減再增的趨勢，13 d時RBW2處理顯著低于2R1B處理，到23 d時顯著高于2R1B處理，在28 d時高于其他處理，說明低比例藍光對葉片葉綠素含量有延遲促進作用。RBF下的葉綠素含量持續下降，28 d時RBF處理的葉綠素含量低于其他光質處理，說明遠紅光抑制葉綠素合成，與RBF下植株徒高，根鮮重低結論一致。13～28 d內各光質處理的葉綠素含量均有下降趨勢，除RBW2處理，28 d各光質處理的葉綠素含量均低于13 d處理。28 d時2R1B和RBW2處理葉綠素含量近似相等，均顯著高于RBW1處理，而2R1B和RBW2處理紅光比例相等，均高于RBW1處理，2R1B和RBW1處理藍光比例相等，說明高比例紅光促進葉綠素合成，藍光促進作用不明顯。因此，高比例紅光促進葉綠素合成，低比例藍光延遲促進葉綠素含量增長，遠紅光抑制葉綠素合成。

圖6 光質配比對櫻桃蘿卜最大葉長的影響Fig.6 The effects of light quality ratio on largest leaf length of cherry radish

圖7 光質配比對櫻桃蘿卜葉綠素的影響Fig.7 The effects of light quality ratio on chlorophyll content of cherry radish

2.6 LED光質配比對櫻桃蘿卜總體長勢的影響

如圖8所示，RBW2處理下櫻桃蘿卜膨大率最高，2R1B處理膨大率次之，RBW1較少膨大，說明紅藍光比例越高，膨大率越高。29 d時RBF處理葉子已有萎縮趨勢，且幾乎無膨大，說明遠紅光使櫻桃蘿卜提早枯萎且抑制根部膨大。

圖8 29 d時不同光質配比處理櫻桃蘿卜植株形態Fig.8 The plant morphology of cherry radish under different lignt quaity ratios for 29 days

3 討論與結論

綜上所述，不同光質處理對櫻桃蘿卜早期真葉數和冠長影響不顯著，高比例紅光能適當增加冠鮮重，顯著提高葉片葉綠素含量、根長、根鮮重和根冠比，有利于生物量積累，白光促進地上部增高，白光和低比例藍光促進葉片伸長，低比例藍光延遲促進葉綠素含量增長，高比例藍光和遠紅光會抑制根系生長和葉綠素合成，遠紅光還會導致植株徒高，株高和冠長過長，而所含生物量少，前期葉片增長較快，后期最先萎縮，RBW2處理的櫻桃蘿卜所含生物量顯著高于其他光質處理。

黃啟良等[9]、陳冰星等[10]、CRAKER等[11]研究發現，長光照高比例的紅光可以促進櫻桃蘿卜肉質根的形成，光照強度對貯藏器官發育有很大影響，這與本文研究結果一致。說明高比例紅藍光有利于根部膨大增粗，藍光比例過高會抑制櫻桃蘿卜生長。

RBW1和2R1B藍光比例相同，2R1B中部分紅光用白光代替，紅光比例降低，櫻桃蘿卜地下部生長明顯不如2R1B處理；RBW2和2R1B紅光比例相同，2R1B中部分藍光用白光代替，藍光比例降低，RBW2處理結果要優于2R1B處理。RBW1處理和RBW2處理地上部分長勢均優于2R1B處理，白光對地上部生長有一定促進作用。

白光有利于櫻桃蘿卜早期地上部增高和葉片生長，高紅藍比RBW2處理有利于櫻桃蘿卜早期地下部生長、葉綠素合成與生物量積累，低紅藍比RBW1不利于肉質根膨大，遠紅光使植株徒高而含生物量少，抑制肉質根膨大和葉綠素合成。