不同光質配比對水培牧草大麥生長的影響

楊金鈺，孫九勝，喬小燕，槐國龍

（新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091）

0 引言

【研究意義】光質、光強、光周期是光環境的關鍵組成部分，三者均可對植物的生長發育產生顯著影響。光質是對植物生長發育和產量品質形成有生理作用的光照波段，對植物的生長、形態建成、物質代謝及基因表達等均具有調控作用。不同波長的LED 光源可以與植物光形態建成的光譜范圍吻合，具有光譜性能好、光效高、發熱少、體積較小和壽命長等諸多傳統光源無可比擬的優勢，適用于可控設施環境中的植物栽培。研究不同LED光質對植物生長發育的影響，實現對人工光源下植物的生長及形態建成的調控，對可控環境栽培作物的研究中具有重要意義。【前人研究進展】400～510 nm 的藍紫光區和610～720 nm的紅橙光區，被認為是影響植物光合作用和形態建成的主要光譜范圍；紅藍光譜是植物光合作用的主要作用光譜，光合作用相對量子效率較高。紅光和藍光作為植物葉片葉綠素吸收最多的光質，較其他波段光質對光合的作用更為有效[1]。植物吸收紅藍光占總吸收光的90%以上[2]，紅藍光極大程度地影響著植物的生長和形態[3]。對于草莓苗、離體培養油菜籽（Brassica napusL.）和黃瓜苗最優的的紅藍配比分別為7/3[4-6]。不同光質LED 對植株形態建成的影響不同。紅光LED表現為促進植株的生長，而藍光LED可使植株生長的較為矮壯。紅藍混合光較純藍或純紅光處理可以提高Pn和干重[7-11]。小麥雖然在單色紅光下能夠完成生命周期，但要獲得較高的干物質、光合速率和氣孔導度需補充藍光。1%的藍光補充可滿足莖葉和旗葉生長，10%的藍光補充可獲得相同相同數量的分蘗[8]。藍光能夠提高小麥葉片的CAT 活性，延緩葉片衰老[12]。生理特征變化（葉片光合作用）和形態特征（葉片發育）是紅藍光調節下提高生物量的重要機制，但不同作物間存在差異。【本研究切入點】目前，關于各種農作物谷物的最佳生長光質環境條件的研究較少，已有的研究表明LED 是谷類作物栽培的有效光源，并且可以通過改變LED光源的光質和數量來優化生長條件、調控代謝、產量和品質。大麥幼苗蛋白質高、氨基酸組成豐富，且富含礦物質、維生素和代謝活性酶，莖葉柔嫩多汁，氣味芬芳，適口性好，易消化，是優質的青飼料[13]。人工光水培大麥技術的開發和利用，為解決集約化養殖中青綠飼料供應不足，以及克服高寒高海拔地區光照資源利用不充分、冷季飼草短缺難題提供了新的途徑。較高的光源耗電量以及由光源散發熱量導致的降溫耗電量增加了運行成本。LED 光源能夠在一定程度上促進植物的生長，提高植物的產量、品質和有效成分含量，以及改變某些植物的性狀。不同植物栽培生產中追求目的不同，其適合的光源條件也有所差異。現有研究尚未得出不同的光質處理下，水培大麥的生長性狀變化，以及最為合適的光質參數。還需研究提高光能利用率和大麥草的生長速率，以實現節能高效生產。【擬解決的關鍵問題】以水培牧草大麥為研究對象，分別用LED 白光、LED 藍光及LED 紅藍光配合進行處理，測定一個生長周期下大麥的株高、根長、鮮草產量、干草產量。通過調節LED 光源的光質配比，研究不同光質對大麥的生長變化的影響，為實現人工光源在水培牧草領域的高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試大麥種子為春性二棱大麥（Hordeum distichum）。采用設計試制的新型牧草水培設備，箱體占地1.4m2，內設溫度、噴水、光照、通風、排水等智能控制系統。光源采用LED紅藍1：1組合、藍、白三種光質。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

大麥種子的水培過程分兩個階段，萌發期為3 d，然后在可控條件下水培箱內培養6 d。稱取大麥種0.4 kg，經清洗消毒后，置入長44 cm，寬34 cm 的育芽苗盤中，將種子鋪設均勻。萌發期溫度設為28℃，無光照。培養期溫度設為26℃，每4 h通過智能控制系統噴淋水60s，光照周期為4 h，光強為10 000 lx。每個處理6次重復。

1.2.2 測定指標

完成水培周期的第6 d測定。

株高：采用5點法抽取每個重復處理的10株大麥，從育苗盤中分離出來，剪下根部將植株固定拉直，用刻度尺測量從主莖基部到葉尖頂部長度。

根長：用鑷子將根系擺放整齊并固定、拉直，用刻度尺測量主根莖基部到根尖的長度。

重量：在電子天平上秤取整個育苗盤內植株鮮草重量；裝入大信封置入恒溫干燥箱105℃殺青20 min，鼓風并75℃干燥24 h，恒重后秤干重。

1.3 數據處理

數據采用Excel 軟件進行處理和繪圖，采用SPSS統計分析軟件進行相關統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同光質下水培大麥的株高

研究表明，不同光照條件下，大麥的生長表現出顯著差異。在白光照射條件下，大麥的株高為8.92 cm，顯著高于其他2個處理。紅藍光配合處理的株高次之，為8.04 cm。藍光處理的大麥株高最低，為6.62 cm，顯著低于其他2個處理不同光質對大麥形態建成有顯著影響，白光可促進株高增大，藍光不利于植株莖的伸展伸長。圖1

圖1 不同光質下水培大麥株高變化Fig.1 Plant height of barly under different light qualities

2.2 不同光質下水培大麥的根長

研究表明，藍光照射下，大麥的根長最長，為10.42 cm，顯著高于其他2個處理。白光處理的根長為9.75 cm，紅藍光配合處理的根長為9.19 cm，2個處理間的差異不顯著。不同光質對大麥根部生長的影響差異顯著，藍光可促進根部的伸長。圖2

圖2 不同光質下水培大麥根長變化Fig.2 Root length of barly under different light qualities

2.3 不同光質下水培大麥的鮮草重

研究表明，在7 d水培生長周期內，藍光照射處理的生物量最高，為2.82 kg，紅藍光配合處理次之，為2.81 kg，2個處理間的差異不顯著，顯著高于白光處理的生物量。不同光質處理下，藍光、紅藍光組合均可提高大麥草的鮮草生物量，白光處理鮮草生物量累積比藍光、紅藍光處理低16%。圖3

圖3 不同光質下水培大麥鮮重變化Fig.3 Fresh weight of barly under different light qualities

2.4 不同光質下水培大麥的干草重

研究表明，紅藍組合、藍光照射處理的干重最大，均為0.20kg，二者間相比差異不顯著。白光處理的大麥草干重最低，為0.16kg，顯著低于其他處理。不同光質對大麥干重的影響差異顯著，藍光和紅藍光組合促進干物質的累積，白光處理顯著降低大麥干物質的累積量。圖4

圖4 不同光質下水培大麥干重變化Fig.4 Dry weight of barly under different light qualities

3 討論

研究表明，不同光質處理對大麥生長的影響差異顯著。LED 白光處理下，大麥苗的株高顯著高于藍光和紅藍光組合處理，而生物量累積最少，鮮草重和干草重顯著低于其他處理。LED 藍光處理下，大麥的株高顯著最低，根系長顯著高于其他兩個處理，鮮重、干重顯著高于白光處理。用不同波長的光照射植物，植物發育對某些區域的光譜更敏感，尤其是紅光（波長620～700 nm）、藍光（波長350～380 nm）或UV-A（波長320～400 nm）、UV-B（波長280～320 nm）更敏感。植物主要通過光受體感受不同波長的光。目前的研究表明植物的光受體可分為四類，光敏色素主要感受紅光和遠紅光；隱花色素和向光蛋白主要調控對UV-A 和藍光的應答；還有一個或者幾個尚未鑒定的UV-B受體。光受體可以感受不同的光質，通過之間差異來調節及相互作用調控植物的生長發育[14]。不同光質處理下，植物生長發育過程中表現出了不同的生長形態及物質代謝特點。前人研究表明，LED 藍光能促進植株顯著矮化，促進根系的生長發育[15]，藍光對萵苣幼苗根系的生長具有促進作用[16]。LED白光能促進枳殼苗莖的伸長[17]。與研究結果基本一致，在試驗條件下，LED 白光促進大麥植株上部分莖的伸長，株高增大，而鮮重和干重及下部分的根系生長受抑制，低于藍光處理。

LED 紅光、藍光是高等植物完成生活史的必需光質，紅藍組合光質可替代連續全光譜光源進行植物栽培。研究和生產中往往回避藍光在LED 光源中的直接視覺顯現，而是應用由藍光芯片加熒光粉衍生白光的LED 光源裝置。研究未涉及LED 紅光單色光質的研究，僅對LED 白光、藍光和紅藍組合光進行了研究。結果表明，紅藍復合光質下，大麥的鮮重和干重顯著高于LED白光處理，與藍光處理差異不顯著；株高介于白光和藍光處理之間，根長與白光處理差異不顯著。已有的研究表明，紅藍組合光被認為是比較適合作物生長的光[18]。Goins 等[8]的研究表明，紅光LED處理下，補充藍光的紅藍組合LED光可增加小麥的生物量和種子產量、干物質量，促進莖葉生長及分蘗。紅藍光組合可顯著提高水稻五葉期幼苗的鮮、干質量[19]。以上結果與研究結果相似。Matsuda等[20]的研究指出，LED紅藍組合光可使水稻葉片的光合速率提高，并且歸因于紅光配以藍光后，葉片中的氮含量、Rubisco 酶含量和葉綠素含量的提高，葉片生物量變大、葉片變薄變寬有利于生物量累積。研究中，藍光、紅藍光LED 組合處理可促進大麥生物量的增加，白光LED 有利于大麥上部分莖的生長，藍光促進大麥下部分根的生長發育。植物生理特征變化（如葉片的光合作用）和形態特征（葉片發育狀況）是紅藍光調節下提高生物量的重要機制[21]。今后的研究中，應結合葉片形態和光合作用來分析不同光質對植物生長發育的影響。

4 結論

4.1 人工光水培條件下，不同光質對大麥形態建成有顯著影響。LED 白光促進大麥植株上部分莖的伸長，在6 天的水培期內株高達到8.92 cm，分別顯著比紅藍光配合及藍光處理高11%和35%，而鮮重和干重及下部分的根系生長受抑制，根長為9.75 cm，顯著比藍光處理低7%，鮮草重和干草重分別為2.35 kg、0.17 kg，分別顯著比藍光處理低16%和18%。LED藍光可促進大麥下部分根的生長發育和生物量的累積，根長可達10.42 cm，株高伸長受限，為6.62 cm。紅藍光LED 組合處理可促進大麥生物量的增加，鮮重和干重分別達2.8 和0.2 kg，且與藍光處理無差異，下部分的根系生長受限，為9.19cm，顯著低于藍光處理。

4.2 紅藍光組合可得到相對較高的植株及生物量，是水培方式下培育大麥牧草推薦采用的光質。