熒光粉激發型遠紅光LED植物燈對番茄生長的影響研究

蓋淑杰 吳美韓 張曉娟 李亞男 黎 倩 彭 露 周 智 夏 茂

(湖南農業大學生物科學技術學院/化學與材料科學學院/湖南省作物種質創新與資源利用科學重點實驗室/湖南省光學農業工程技術研究中心，湖南 長沙 410128)

農業問題是關乎我國國計民生的根本性問題。發展現代農業有利于推進鄉村振興，加快農業農村現代化建設進程[1]。現代設施農業通過運用現代工程技術，為農作物提供最適宜的光溫水氣等外部環境，使其可以快速生長，具有優良性狀，進而有利于收獲高質量的農產品[2]。在現代設施農業中，溫室內部的光照環境與作物生長緊密相關，改善采光條件是提高溫室作物產量和質量的一項重要研究課題[3-4]。

番茄(Solanumlycopersicum)作為世界范圍內的重要蔬菜作物，具有較高的營養價值和經濟價值[5]。光是植物生長發育過程中最重要的環境影響因素之一，主要從光質、光強和光周期3個維度來影響植物生長，其中光質對植物整個生命過程的調控最為關鍵[6]。前人研究表明，紅光被植物色素吸收后能有效促進植株光合作用，調節其生長發育，調控其生長周期[7]。同時，紅光能抑制節間伸長，增加分蘗，促進光合色素的形成和糖類物質的積累，提高抗逆性等[8-9]。藍光具有抑制莖伸長、促進葉綠體發育并提高葉綠素含量、增加葉片厚度、調節氣孔開放、促進根系發育、調控植株向光性(向光性是一種典型的藍光效應)等作用[10]。遠紅光可以促進長日照植物開花，抑制短日照植物開花，打破植物休眠[11-12]，且能參與調控種子萌發、幼苗形成和晝夜節律響應等過程[13]，在植物生長發育中發揮重要作用。但傳統植物照明光源(白熾燈、熒光燈、金鹵燈)缺少遠紅光成分，限制了其進一步應用[14]。

與傳統植物照明光源相比，LED植物生長燈具有體積小、節能、壽命長、無頻閃、熱輻射小、效率高、易于程序控制等優點，逐漸成為最主要的補光光源，在設施農業領域得到廣泛應用[15-17]。新型LED植物生長燈的主流技術方案是“藍光LED+紅色/遠紅色熒光材料”，即通過藍光LED激發熒光材料獲得藍/紅/遠紅光，最終獲得LED植物生長光源。目前商業紅光熒光材料主要是(Ca,Sr)AlSiN3: Eu2+。但氮化物熒光材料因原料昂貴、合成條件苛刻(1 800℃、1.0 MPa、無水無氧)，且缺少高波段(700～780 nm)遠紅光成分，無法滿足日益增長的植物補光需求，極大地限制了其在農業照明領域的應用。因此，亟需開發高性能的新型LED植物生長燈用遠紅光發光材料。本研究采用自制新型尖晶石結構ZnGa2O4:Cr3+遠紅光熒光粉，搭配藍紫光LED芯片封裝成熒光粉激發型LED植物生長燈，用于番茄生長試驗，研究熒光粉激發型LED植物生長燈對番茄整個生長過程和番茄果實品質的影響，以期為番茄生長的精準補光提供技術支撐，為植物生長照明設備的設計提供技術借鑒。

1 材料與方法

1.1 熒光粉的制備與LED燈具的封裝

1.1.1 材料合成 采用“燃燒法+高溫二次燒結”工藝路線制備ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+熒光粉(圖1)。原料為ZnO(99.99%)、Ga2O3(99.99%)、Cr2O3(99.99%)、Li2CO3(99.99%)、Na2CO3(99.99%)、GeO2(99.99%)，均購于阿拉丁試劑(上海)有限公司，未經進一步精制。按照化學計量比精確稱量粉末放入剛玉坩堝中，再加入過量的稀HNO3加熱使其溶解，待溶液澄清后再加熱使過量的HNO3揮發，之后將硝酸混合物溶液在600℃中點燃，溫度控制在±7℃，溶液迅速燃燒，得到白色泡沫狀產物，整個反應在3 min內完成。最后將得到的產物與異丙醇混合，在瑪瑙研缽中充分研磨30 min，將得到的粉末混合物轉移至剛玉坩堝，在 1 300℃下高溫煅燒6 h，自然冷卻至室溫后，取出研磨得到最終產品，用于后續測試。

圖1 ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+熒光粉制備工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of preparation of ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+phosphor

1.1.2 LED燈具的封裝 燈具由長沙市斑點照明有限公司生產封裝，將合成的ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+熒光粉材料封裝成LED T5植物生長專用燈，電壓220 V，功率18 W，共封裝3種光源，分別為紅藍光(1R1B)∶遠紅光=3∶1、紅光∶藍光=1∶1、白光∶遠紅光=3∶1。

1.2 試材及取樣

本試驗以番茄品種紅矮生番茄為試材，于2021年2月至2021年7月在湖南省光學農業工程技術研究中心光學試驗室中進行。試驗初，將20株長勢基本一致的供試番茄苗(三葉一心)置于自然環境下生長1周，轉至自然活性后，再移至室內用全日照LED植物生長燈進行處理。人工氣候室所用燈具為1.1.2所述燈具，以白光作為對照(CK)，設置3個不同處理組，分別為T1：紅藍組合光(1R1B)加遠紅光(光質比為3∶1)、T2：紅藍組合光(1R1B)、T3：白光加遠紅光(光質比為3∶1)，每組試驗的光通量密度和光周期時間分別為100±10 μmol·m-2·s-1和12 h·d-1。每組處理5個平行樣，隨機排列，各處理光源互不干擾。光照貫穿番茄3個生長時期(幼苗期、開花坐果期和結果期)，每個時期均取樣檢測。室內白天溫度28℃，夜間溫度18℃，相對濕度為70%±10%。按日常栽培方式管理，幼苗期每天澆灌150 mL番茄專用水溶肥，后2個時期每天澆灌300 mL番茄專用水溶肥。培養架為鋼架結構，長、寬、高分別為200、55、210 cm，每個培養架分別有3層育苗層，育苗盤橫向放置在每層育苗盒內，上方為LED植物生長燈，為保證每個處理組下光照強度均為100 μmol·m-2·s-1，在處理前將育苗層高度做適量調整，確保光源距離植物生長點15 cm，隨著植株的生長，光源會在番茄植株上方作適度調整。培養架外層為黑色遮光材料，以確保LED植物生長燈為植物生長的唯一光源。

1.3 檢測內容與方法

1.3.1 熒光粉測試 采用F-4700熒光分光光度計(株式會社日立制作所，日本)配備150 W氙燈獲得光致發光(photoluminescence,PL)和光致發光激發(photoluminescence excitation,PLE)光譜數據。采用ATA-500測量系統對組裝后的LED器件的電致發光(electroluminescence,EL)光譜數據進行測試。

1.3.2 番茄農藝性狀 在番茄的3個生長時期(幼苗期、開花坐果期和結果期)，用卷尺測量每組分番茄從地上根基部至生長點的株高和最大葉片的葉長、葉寬，用游標卡尺測量子葉下端的莖粗。在番茄開花期，每2 d記錄1次番茄的開花情況；在坐果期每2 d記錄結果情況，同時根據番茄顏色記錄各組分番茄的成熟時間；使用烘箱法檢測60 d時植株全株干質量[18]。

1.3.3 色素含量 每20 d測量1次番茄光合色素含量，方法如下：每個處理組隨機選取基部以上第3分支第2葉，采用無水丙酮∶無水乙醇=1∶1(v:v)的提取液提取光合色素，黑暗提取8 h后，采用UV-1800紫外可見分光光度計(島津公司，日本)測定葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量，計算葉綠素含量(葉綠素a+葉綠素b)[18]。

1.3.4 番茄產量及品質指標測定 番茄果實轉色后采收，記錄每株果實數量，并使用分析天平進行稱重，記錄每株果實總重量；采用鉬藍比色法[19]，利用UV-1800紫外可見分光光度計測定維生素C的含量；參照文獻[20]的檢測方法，以含2%二氯甲烷的石油醚為溶劑測定番茄紅素的含量；采用蒽酮比色法[21]測定番茄可溶性糖含量。

1.4 數據分析

采用Excel 2016和Origin 2018軟件對試驗數據進行統計分析和繪圖，并運用SPSS 19.0軟件檢測數據的差異顯著性(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+熒光粉激發和發射光譜分析

由激發光譜可知(圖2-a)，ZGO：Cr3+，Ge4+，Li+熒光粉在200～350 nm(峰值310 nm)、350～480 nm(峰值410 nm)和480～650 nm波段(峰值550 nm)有3個激發譜帶，分別對應于Cr3+的4A2(4F) →4T1(4P)、4A2(4F) →4T1(4F)和4A2(4F)→ 4T2(4F)自旋允許躍遷。圖2-b為ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+熒光粉樣品的發射光譜圖(410 nm激發)，該熒光粉樣品的發射波段在650～800 nm之間，發射主峰位于710 nm，是一種新型的遠紅光熒光粉。表明該熒光粉能被近紫外、藍光和黃綠光有效激發，發射遠紅光。

2.2 熒光粉的電致發光圖譜及植物色素吸收光譜分析

為了評價ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+在植物栽培LED照明中的實際應用，本試驗將這些熒光樣品與藍紫光LED芯片相結合，制作了LED器件。圖3為制作的LED器件的電致發光圖譜，插圖為制作的LED器件的發光照片。如插圖所示，ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+在藍紫光芯片的激發下得到了明亮的光斑；而且器件具有良好的發光可調性，隨著熒光粉的重量逐漸增加，所制備的LED器件由藍紫光光譜變為遠紅光光譜(LED1-LED2-LED3→藍紫光-遠紅光)。作為植物生長LED器件，其電致發光光譜必須能夠與植物色素的吸收光譜很好地匹配，因此，本研究測定了LED3的電致發光圖譜(圖4)，并與葉綠素a、葉綠素b、光敏色素紅光(phytochrome red light,PR)、先敏色素遠紅光(phytochrome far-red light,PFR)的吸收譜進行了綜合比較，其中LED3的電致發光圖譜與葉綠素b和PFR的吸收光譜存在較大的重疊，說明該LED器件可以作為植物生長的光源。綜上所述，ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+型熒光粉在農業照明應用中有巨大潛力。

圖2 ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+熒光粉的激發光譜(a)和發射光譜圖(b)Fig.2 Excitation(a) and Emission(b) spectra of ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+phosphors

注：內插圖是LED1，LED2和LED3器件發光時的照片。Note: The inset is the photo of LED1，LED2 and LED3 devices when they are illuminated.圖3 自制ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+熒光粉激發型LED器件的電致發光光譜圖Fig.3 Electroluminescence photoluminescence spectra of ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+ phosphor excited LED devices

圖4 LED3的電致發光圖譜與植物色素的吸收光譜Fig.4 Electroluminescence spectra of LED3 and plant pigment absorption spectra

2.3 番茄生長及品質指標

2.3.1 番茄生理周期時長分析 一般番茄生理周期時長為110～170 d。由表1可知，LED光譜各處理組的番茄總生育期為64～108 d，其中CK最長，T3最短，T1和T2與CK相比分別顯著縮短了26和31 d。幼苗-開花期表現為T1最短，較CK顯著減少39 d，T3、T2較CK分別顯著縮短37、32 d；開花-結果期表現為T1最長，為34 d，比CK顯著增加11 d，T3最短，較CK顯著縮短8 d，而T2與CK所用時長相近，僅比CK少2 d；成熟期表現為T1、T2和T3與CK相比均無顯著差異。綜上，遠紅光和紅藍光均有縮短番茄周期的效果，且單獨在白光中添加遠紅光縮短番茄生長周期最為顯著。

2.3.2 番茄農藝性狀分析 不同光質LED植物生長燈處理對番茄農藝性狀的影響如表2所示，分別在番茄生長后20、40和60 d進行檢測對比。結果表明，20 d時各處理的株高、莖粗、葉長和葉寬均無顯著差異。40 d時，T1和T3的番茄株高與CK相比無顯著差異，而T2的株高比CK顯著降低55.74%；T1的番茄莖粗與CK相比無顯著差異，而T2和T3的莖粗顯著低于CK；葉長和葉寬在生長40 d時CK和T3與T1和T2之間差異顯著，在20和60 d時各處理間無顯著差異。60 d時，CK的株高比T1、T2和T3分別顯著提高24.30%、70.74%和52.60%，CK與T1、T2、T3的全株干重均存在顯著差異，而莖粗、葉長和葉寬基本無顯著差異。綜上，在60 d的生長過程中，3組不同燈光處理下的番茄生長各異，但總體農藝性狀均低于CK，說明補充本試驗的遠紅光對此品種番茄的農藝性狀無明顯促進作用。

表1 不同光質組合處理對番茄生理周期時長的影響Table 1 Effects of different light quality combination treatments on physiological cycle length of tomato /d

表2 不同光質組合處理對番茄農藝性狀的影響Table 2 Effects of different light quality combination treatments on agronomic characters of tomato

2.3.3 番茄光合色素分析 由表3可知，經20、40和60 d的番茄補光處理，不同光質LED植物生長燈處理對番茄光合色素的影響與對番茄農藝性狀的影響結果趨勢一致。20 d時，CK的光合色素含量最高，T1最低，主要表現為葉綠素a和類胡蘿卜素含量最低，CK、T2和T3處理間差異不顯著。40 d時，T2的總葉綠素含量顯著高于其他處理組，T3的總葉綠素含量最低，CK的類胡蘿卜素含量最高。T2總葉綠素含量最高，主要表現在葉綠素a含量最高，而葉綠素b對總葉綠素的貢獻不大。60 d時，CK的總葉綠素含量最高，達到60 d內的最高值，同時類胡蘿卜素含量也顯著高于其他3個處理。相比之下，補充遠紅光的T1和T3處理總葉綠素含量較低，且二者之間無顯著差異。T2的總葉綠素含量介于CK與T1之間，與二者均具有顯著差異。

表3 不同光質組合處理對番茄光合色素含量的影響Table 3 Effects of different light quality combination treatments on photosynthetic pigment content in tomato /(mg·g-1FW)

2.3.4 番茄產量及品質分析 由表4可知，不同LED植物生長燈處理下的番茄單株果實數和單株果實總重量以T1處理最高，顯著高于CK。不同處理的番茄可溶性糖含量有明顯差異，其中T3的含量最高，為CK的3.30倍，T2和T3分別為CK的2.17和3.10倍。T1和T2的番茄紅素含量有顯著差異，而T2與T3之間差異不顯著，T1的番茄紅素含量相比CK顯著增加了30.88%。T1的維生素C含量最高，是CK的3倍，T3次之，是CK的2.53倍，T2的維生素C含量與CK無顯著差異。

表4 不同光質組合處理對番茄品質的影響Table 4 Effects of different light quality combination treatments on tomato quality

3 討論

番茄是喜光植物，受光照后會產生一系列生理生化反應，農藝性狀、光合色素以及品質等方面均會受到較大影響。為進行番茄精準補光，本試驗通過自制新型尖晶石結構ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+遠紅光熒光粉，匹配藍紫光LED芯片封裝成熒光粉激發型LED植物生長燈，用于番茄生長試驗。試驗結果表明，使用此LED植物生長燈的遠紅光培養番茄，番茄開花時間相比于白光顯著縮短，與黃薪歷等[22]的研究結果較一致。究其原因可能是不同光質和光周期下番茄FT-like基因在番茄開花過程中發揮了關鍵作用；而植物感受外界紅光和遠紅光的主要光感受體為光敏色素，其影響了FT-like基因的表達，使番茄開花時長縮短[23-24]。

光可以調控番茄農藝性狀，本試驗中紅藍組合光以及添加了遠紅光的紅藍組合光與全光譜白光處理相比株高較矮，莖粗、葉長和葉寬與對照的差異性并不完全顯著，其中葉長和葉寬在40 d時才有顯著效果，可能是由于全光譜白光最能促進番茄的壯苗指數[25]，也體現了作物對不同光的反應有一定的差異性。

本試驗發現在添加了遠紅光后，番茄葉片中的光合色素含量有所降低。光合色素是植物進行光合作用的物質基礎，也是合成營養物質的基礎[26]，但添加了遠紅光處理的番茄果實中營養物質含量有所增加，說明葉綠素含量的高低并不能完全決定植物體內光合能力的強弱。植物對光質的響應有一定復雜性[27]。

研究表明開花時間會影響植株的產量，本試驗中紅藍光加遠紅光處理番茄后，其幼苗到開花的時間相比于白光顯著縮短，而番茄單株產量顯著提升，這與黃薪歷等[22]的研究結果較一致。同時本試驗發現紅藍組合光、遠紅光可提高番茄品質中番茄紅素的積累，促進維生素C含量的增加和可溶性糖的積累，這與前人研究結果一致[21,28-30]。并且紅藍組合光添加遠紅光處理對番茄品質中的維生素C和可溶性糖含量促進作用更加明顯，原因可能是紅藍組合光和遠紅光通過提高番茄光合效率促進了碳代謝強度和碳水化合物合成[23，31]；也可能是由于光質的改變導致光敏色素對蔗糖代謝酶的調控方式發生改變，進而促進了蔗糖代謝相關酶活性提升，使光合作用積累的產物更多地分配到番茄果實中[32-34]。但維生素C含量的變化與徐師華等[35]的研究結果有差異，這反映出不同作物對光質的需求多樣，同時光質的差異可能影響不同光受體間的平衡，導致果實中維生素C合成酶活性的不同，進而影響植物的代謝并最終導致維生素C含量發生變化[36]。綜上所述，ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+遠紅光熒光粉激發型LED植物生長燈可以有效調控番茄開花時間，縮短其生理周期，同時對番茄品質有較好的改善作用，可應用于植物補光領域。

4 結論

本研究通過自制ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+遠紅光熒光粉激發型LED植物燈為番茄生長提供直接光源，又將光源與紅藍組合光配比，發現相較于白光對照組，紅藍組合光加遠紅光處理組可顯著縮短番茄生理周期，提高番茄品質，使番茄果實中的可溶性糖、維生素C和番茄紅素含量增加。說明ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+遠紅光熒光粉激發型LED植物燈在調控番茄開花及品質方面作用效果明顯，同時為設施栽培提供了新思路和新方法。