LED紅藍(lán)光光強(qiáng)對(duì)兩種洋蔥生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

劉家源，賀一鳴，劉文科，陳艷琦，王 奇

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.唐山市農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)技術(shù)指導(dǎo)站，河北 唐山 063000)

引言

人工光植物工廠是一種新興的設(shè)施植物生產(chǎn)方式，是衡量一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一，是滿足21世紀(jì)食物安全的重要手段，是設(shè)施園藝發(fā)展的最高級(jí)形式，是顛覆性的土地利用方式和農(nóng)作方式。人工光植物工廠具有生產(chǎn)要素控制精度高、資源利用率高、可周年連續(xù)生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品安全無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于露地[1]。人工光植物工廠非常適合根葉菜、種苗和藥用植物等諸多植物種類的高效生產(chǎn)，應(yīng)用前景誘人。加快人工光植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)提升我國(guó)設(shè)施園藝技術(shù)水平、保障農(nóng)產(chǎn)品的安全意義重大。眾所周知，光照是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一，可調(diào)控植物光合作用和光形態(tài)建成，影響植物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)。發(fā)光二極管(Light-emitting diode，LED)是人工光植物工廠的理想光源，作為新型節(jié)能半導(dǎo)體光源，可發(fā)出單色光，使用壽命長(zhǎng)，可按照生產(chǎn)的需求精確調(diào)制光譜和智能控制等[2-4]。利用LED光環(huán)境智能可控的優(yōu)勢(shì)，增加植物的有效光照，是提高人工光植物工廠生產(chǎn)效率最有效的方法，以紅藍(lán)光為核心的LED光環(huán)境調(diào)控是提高人工光植物工廠蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的有效途徑。眾多研究表明，優(yōu)化紅藍(lán)光比例及光強(qiáng)、光周期等條件可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量和品質(zhì)[5-9]。

洋蔥(AlliumcepaL.)原產(chǎn)于西亞，屬于百合科蔥屬的兩年生植物，是最古老的栽培作物之一。洋蔥具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，富含膳食纖維、維生素和氨基酸，食用價(jià)值非常高[10]。此外，洋蔥還具有降血壓、降血脂和抗氧化等功效，深受國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者喜愛(ài)，被譽(yù)為“蔬菜皇后”[11]。洋蔥的種質(zhì)資源十分豐富，有黃、白、紫3種不同的皮色，不同地區(qū)的洋蔥品種特性具有一定的差異性[12-14]。莊勇等[15]研究表明，不同皮色的洋蔥品種所含有的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)也有顯著差異。目前，國(guó)外已將洋蔥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)應(yīng)用到醫(yī)藥、化妝品及功能飲料中，洋蔥及其制品的研究和發(fā)展已經(jīng)引起了全世界的廣泛重視。我國(guó)是世界上主要的洋蔥生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，我國(guó)對(duì)洋蔥及其制品的需求潛力巨大，具有廣闊的發(fā)展前景，隨著現(xiàn)代設(shè)施園藝的不斷發(fā)展，洋蔥及其制品將會(huì)在許多方面發(fā)揮重大作用。所以，運(yùn)用植物工廠栽培技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高我國(guó)洋蔥的產(chǎn)量和品質(zhì)顯得尤為重要。有研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境和遺傳因素通過(guò)影響洋蔥的生理機(jī)能來(lái)影響洋蔥的生長(zhǎng)發(fā)育，光周期在洋蔥鱗莖發(fā)育中起關(guān)鍵作用，長(zhǎng)時(shí)間光照和高溫能促進(jìn)洋蔥鱗莖的生長(zhǎng)，但種植密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鱗莖發(fā)育不良[15]。有研究發(fā)現(xiàn)，在植物工廠連續(xù)光照條件下，洋蔥增產(chǎn)效果顯著，24h的連續(xù)光照比12h的光照更有利于洋蔥鱗莖的生長(zhǎng)，但會(huì)降低洋蔥地上部葉面積[16]。因此，在人工光植物工廠中，探究洋蔥生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中光環(huán)境調(diào)控對(duì)洋蔥生長(zhǎng)的影響，探索最適宜洋蔥生長(zhǎng)的光環(huán)境具有重要意義。

目前，洋蔥適宜在人工光植物工廠中栽培，但有關(guān)人工光植物工廠中光環(huán)境調(diào)控對(duì)洋蔥生長(zhǎng)影響的研究鮮有報(bào)道，研究探討LED光環(huán)境對(duì)洋蔥生長(zhǎng)發(fā)育的影響具有重要意義。因此，在植物工廠中探究光環(huán)境調(diào)控對(duì)洋蔥生長(zhǎng)的影響勢(shì)在必行。LED紅藍(lán)光是重要的光譜組合，適合于多數(shù)葉菜種類的生長(zhǎng)，尤其是紅藍(lán)光4∶1組合栽培效果較佳。本研究選取“紫玉”和“金冠”兩個(gè)洋蔥品種，在環(huán)境可控的人工光植物工廠內(nèi)，探究了5種光強(qiáng)的LED紅藍(lán)光對(duì)兩種洋蔥生長(zhǎng)的影響，以期探明兩種洋蔥對(duì)LED紅藍(lán)光的響應(yīng)差異，有助于深入理解LED紅藍(lán)光光強(qiáng)對(duì)兩種洋蔥產(chǎn)量、形態(tài)的影響和品種間差異，為L(zhǎng)ED紅藍(lán)光在植物工廠中的應(yīng)用提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)于2021年11月—2022年1月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所植物工廠內(nèi)進(jìn)行。選取“紫玉”和“金冠”兩個(gè)品種的洋蔥作為試驗(yàn)材料，以基質(zhì)培方式進(jìn)行栽培。2021年11月16日播種，首先將基質(zhì)(體積比為草炭∶蛭石∶珍珠巖=3∶1∶1)填充于32孔穴盤中并用蒸餾水澆透，每孔填充至90%，將洋蔥種子每孔播種兩粒，之后覆上一層基質(zhì)并置于黑暗環(huán)境中5天，于11月21日開(kāi)始進(jìn)行光照處理。試驗(yàn)期間植物工廠內(nèi)晝夜溫度和濕度分別維持在23±1 ℃/20±1 ℃和50%～60%。營(yíng)養(yǎng)液配方為霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液。選用LED紅藍(lán)組合面板燈進(jìn)行光照處理，面板燈尺寸為50 cm×50 cm，紅光波長(zhǎng)655 nm，藍(lán)光波長(zhǎng)437 nm。面板燈懸掛于栽培槽上方45 cm處。采用LI-1500輻射照度測(cè)量?jī)x(美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn))測(cè)定栽培槽中心上方5 cm處光強(qiáng)，并調(diào)節(jié)光質(zhì)和光強(qiáng)至設(shè)定值。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用LED紅藍(lán)光對(duì)兩種洋蔥進(jìn)行栽培，設(shè)置5種光強(qiáng)分別為100、200、300、400和500 μmol·m-2·s-1的處理，并分別標(biāo)記為ZT1、ZT2、ZT3、ZT4、ZT5和JT1、JT2、JT3、JT4、JT5。其中，Z代表“紫玉”洋蔥品種，J代表“金冠”洋蔥品種。所有處理的紅藍(lán)光光質(zhì)比為4∶1、光周期為16/8 h。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

在2022年1月12日光照結(jié)束后取樣。將洋蔥從莖基部分開(kāi)，用天平稱取地上部和地下部(鱗莖)鮮重，測(cè)量地上部高度為株高，用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖基部粗度為莖粗，并測(cè)定鱗莖高度和直徑(兩個(gè)垂直角度測(cè)定后取平均值)，用排水法測(cè)得洋蔥體積。然后將洋蔥地上部和鱗莖100 ℃下殺青20 min，以80 ℃烘干至恒重，分別用天平測(cè)定地上部和地下部干重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

分別用Microsoft Excel 2010和SPSS 23軟件處理數(shù)據(jù), 用方差分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析, 并運(yùn)用Duncan檢驗(yàn)法對(duì)顯著性差異(P<0.05)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 LED紅藍(lán)光光強(qiáng)對(duì)兩種洋蔥產(chǎn)量的影響

如圖1所示，隨著LED紅藍(lán)光光強(qiáng)增加，“紫玉”洋蔥地上部鮮干重和鱗莖鮮干重均呈增加趨勢(shì)。在光強(qiáng)300 μmol·m-2·s-1時(shí)，地上部鮮干重增加最為顯著；在光強(qiáng)500 μmol·m-2·s-1時(shí)，鱗莖鮮干重最大。如圖2所示，隨著LED紅藍(lán)光光強(qiáng)增加，“金冠”洋蔥地上部鮮干重和鱗莖鮮干重均呈增加趨勢(shì)。在光強(qiáng)500 μmol·m-2·s-1時(shí)，地上部鮮干重和鱗莖鮮干重增加最為顯著。

圖1 LED紅藍(lán)光光強(qiáng)對(duì)“紫玉”洋蔥產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of LED red-blue light intensity on the yield of “Ziyu” onion注：圖中小寫字母表示處理間差異顯著性(p<0.05)，誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差。下同。

圖2 LED紅藍(lán)光光強(qiáng)對(duì)“金冠”洋蔥產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of LED red-blue light intensity on the yield of “Jinguan” onion注：圖中小寫字母表示處理間差異顯著性(p<0.05)，誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差。下同。

2.2 LED紅藍(lán)光光強(qiáng)對(duì)兩種洋蔥生長(zhǎng)形態(tài)的影響

如表1所示，隨著LED紅藍(lán)光光強(qiáng)增加，“紫玉”洋蔥地上部莖粗、鱗莖直徑、鱗莖高度和鱗莖體積均增加，地上部株高呈先增后減趨勢(shì)。隨著LED紅藍(lán)光光強(qiáng)增加，“金冠”洋蔥地上部莖粗、鱗莖直徑和鱗莖體積均增加，鱗莖高度呈先減后增趨勢(shì)，地上部株高呈先增后減趨勢(shì)。

表1 LED紅藍(lán)光光強(qiáng)對(duì)兩種洋蔥生長(zhǎng)形態(tài)的影響Table 1 Effect of LED red-blue light intensity on the morphology of two varieties of onions

3 討論與結(jié)論

人工光植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的最高級(jí)形式，但其成本與運(yùn)行費(fèi)用偏高、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題一直束縛著人工光植物工廠的發(fā)展，提升生產(chǎn)效率已成為人工光植物工廠以及設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)難題。眾所周知，光照是植物產(chǎn)量增加的重要限制因子，大量研究表明，提高光強(qiáng)可促進(jìn)植株生長(zhǎng)，增加植株產(chǎn)量和品質(zhì)[18-20]。隨著洋蔥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和洋蔥及其制品在全球范圍內(nèi)的推廣，洋蔥地上部分應(yīng)用價(jià)值逐漸提升，且在人工光植物工廠中種植的洋蔥地上部葉片十分鮮嫩可口，除鱗莖外，洋蔥植株地上部的發(fā)育情況也是評(píng)價(jià)洋蔥品質(zhì)的重要組成部分。本研究結(jié)果表明，光強(qiáng)100～200 μmol·m-2·s-1時(shí)，“紫玉”洋蔥地上部干鮮重和鱗莖干鮮重?zé)o變化，但光強(qiáng)增加到300 μmol·m-2·s-1時(shí)，地上部干鮮重和鱗莖干鮮重增加十分顯著，光強(qiáng)300～500 μmol·m-2·s-1時(shí)，地上部干鮮重增加趨勢(shì)減緩，但鱗莖干鮮重在500 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)時(shí)達(dá)到最大值。隨LED紅藍(lán)光光強(qiáng)增加，“紫玉”洋蔥地上部莖粗、鱗莖直徑、鱗莖高度和鱗莖體積均增加；“金冠”洋蔥的地上部干鮮重、鱗莖干鮮重、地上部莖粗、鱗莖直徑、鱗莖高度和鱗莖體積均呈增加趨勢(shì)。但光強(qiáng)過(guò)高時(shí)，兩種洋蔥的地上部株高均出現(xiàn)小幅降低。綜合植株產(chǎn)量、品質(zhì)和生產(chǎn)效率等多重因素考慮，應(yīng)在提高能源利用率的同時(shí)提高產(chǎn)量，300 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)最適宜“紫玉”洋蔥的生長(zhǎng)，500 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)最適宜“金冠”洋蔥的生長(zhǎng)。從洋蔥生物量上來(lái)看，LED紅藍(lán)光下洋蔥生物量不理想，其原因需要進(jìn)一步從光譜組成、光強(qiáng)高低等方面研究闡述。但是，試驗(yàn)結(jié)果本身具有一定的參考價(jià)值，為深入研究植物工廠LED光源下洋蔥栽培提供了科學(xué)依據(jù)。

綜上所述，LED紅藍(lán)光能顯著提高兩種洋蔥的產(chǎn)量，并顯著增加洋蔥鱗莖的體積，但光強(qiáng)超過(guò)400 μmol·m-2·s-1會(huì)抑制地上部生長(zhǎng)。光強(qiáng)300 μmol·m-2·s-1時(shí)，“紫玉”洋蔥長(zhǎng)勢(shì)較好且能源利用率較高，光強(qiáng)500 μmol·m-2·s-1更適合“金冠”洋蔥的生長(zhǎng)。