不同光質的LED光照對玫瑰花數量和開花周期的影響

孫 苗，劉旭文，劉木清

(復旦大學信息科學與工程學院 光源與照明工程系，上海 200433)

引言

玫瑰是一種觀賞和經濟價值極高的植物，其種植范圍遍及全球。目前植物中已知的光受體主要有3大類：紅光遠紅光受體光敏色素、藍光受體向光素和隱花色素，因此在植物的生長過程中，紅光、藍光和遠紅光起著重要的作用[1]。研究表明640～660 nm紅光和430～450 nm藍光是植物進行光合作用和光形態建成的主要光譜區[2]。720～1 000 nm遠紅/紅外光對植物的花期和種子的形成有重要影響[3]。因此，探究不同光質對玫瑰花生長的影響具有重要意義。發光二極管(Light-emitting Diodes，LED)具有節能高效、體積小和窄光譜等優點，我們能通過不同波長的LED組合，根據不同植物的需求調配出更優質的光譜[4-7]。本研究旨在探究不同光質的LED光照對玫瑰花生長的影響，尋找有利的光質條件，為高效栽培玫瑰花提供參考。

1 實驗材料

1.1 植物材料

玫瑰(Rosa spp.)，在植物分類學上屬于薔薇科薔薇屬灌木。本實驗用30株玫瑰采自上海市曲陽花鳥市場。采購時選取品種相同、大小相似、尚未開花且處于同一生長周期的玫瑰花。

1.2 光源

本實驗用氙燈采購于江蘇一品環?？萍加邢薰荆吞枮镋D76、功率為75 W、色溫為6 000 K。氙燈光譜與太陽光譜相似，通常采用氙燈來模擬自然光照。為了使盡可能多的光線照射在玫瑰花上，我們在氙燈上設置了一個起到聚光作用的燈罩。

本實驗用LED紅藍混合燈具模組由上海光源科技有限公司提供，其中紅光LED的峰值波長為640 nm、功率為20 W；藍光LED的峰值波長為455 nm、功率為20 W。紅藍混合燈具模組由4個藍光LED加4個紅光LED間隔排布組成，以使模組發出的紅藍光盡可能均勻。一個LED驅動器通過分線器連接兩個紅光LED或者藍光LED，藍光LED電路上另接有一個脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)調光器，通過調節藍光LED的占空比來調控藍光強度，從而實現實驗所需的紅藍光比例。遠紅光LED燈珠采購于深圳市盈鋒光電有限公司，遠紅光(Far-red，FR)峰值波長為740 nm、功率為3 W。將遠紅光燈珠焊接在燈板上，并接上相應的LED驅動器，制成燈具模組。

2 實驗方法

2.1 光照條件設置

本實驗設置了5組光照條件，包括4個實驗組和1個對照組。根據光質條件，我們將實驗分為以下幾組(表1)：(1)對照組(CTR)，用氙燈模擬自然太陽光照；(2)640 nm紅光與455 nm藍光配比為2∶1，無遠紅光(R∶B=2∶1)；(3)640 nm紅光與455 nm藍光配比為2∶1，加740 nm遠紅光(R∶B=2∶1+FR)；(4)640 nm紅光與455 nm藍光配比為6∶1，無遠紅光(R∶B=6∶1)；(5)640 nm紅光與455 nm藍光配比為6∶1，加740 nm遠紅光(R∶B=6∶1+FR)。實驗采用微摩爾計測定光照強度，5組光照強度均為380± 5 μmol·m-2·s-1。

表1 不同光質條件參數

本實驗在大棚內進行，為防止外界光照以及實驗組之間的相互干擾，我們在各實驗組之間設置了黑色遮光布作為遮擋物來吸收其他光線，以保證每組玫瑰花只接收到該組燈光的照射。實驗環境如圖1所示，每組燈具下均勻擺放6株玫瑰花，盡量使之受到的光照均勻。實驗大棚內配有三臺空調，室內溫度保持在25±2 ℃。玫瑰花每日接收光照時間為12 h(8：00—20：00)，燈具由智能控制開關控制。每天給玫瑰花澆水一次，使其生長土壤保持濕潤狀態。

圖1 實驗場景示例Fig.1 The experimental environment

2.1 形態指標測定

整個實驗共進行24 d，每2 d記錄一次玫瑰花花苞數及開花數，共計12期。開花周期通過各期開花數與實驗結束時開花總數的比值來反映。新生花苞數為各組玫瑰花從實驗第1～24 d期間新生的花苞總數。

2.3 數據處理與分析

本文使用GraphPad prism軟件，采用單因素方差分析對實驗結果進行統計學分析。當p<0.05時，我們認為差異具有顯著性。

3 實驗結果與分析

3.1 不同的光質對玫瑰開花數的影響

不同比例的紅藍光對玫瑰花開花數的影響結果如圖2(a)所示。實驗結果表明，當實驗進行到最后一期，也就是第24 d時，氙燈對照組、R∶B=2∶1、R∶B=6∶1三組的最終開花數差異不明顯，分別為64朵、64朵和62朵。圖2(b)和圖2(c)展示了在相同的紅藍光比例條件下，遠紅光的存在與否對玫瑰花開花數的影響。在R∶B=2∶1條件下，加遠紅光的實驗組最終開花總數比不加遠紅光的組多52朵。在R∶B=6∶1條件下，加遠紅光的實驗組最終開花總數比不加遠紅光的組多22朵，顯然遠紅光對玫瑰花的開花數量有很大的促進作用，尤其是在紅藍光比為2∶1的條件下，這種促進作用更強。

圖2 不同的光質對玫瑰開花數的影響：(a)不同比例的紅藍光組和對照組；(b)R∶B=2∶1有/無遠紅光組；(c)R∶B=6∶1有/無遠紅光組的開花總數；(d)不同實驗組平均每株開花總數注：** p <0.01，*** p < 0.001，**** p < 0.0001。Fig.2 The effects of different light qualities on the number of rose blooms：(a)groups subjected to varying red-blue light ratios and the control group；(b)R∶B=2∶1 groups，with and without FR；(c)R∶B=6∶1 groups，with and without FR；(d)Aggregate bloom count per plant across different experimental groups

經過24 d的光照處理，不同光質對玫瑰開花數影響的統計學分析如圖2(d)所示。在R∶B=2∶1+FR的光照條件下，平均每株玫瑰的開花數量最多，為19.33朵/株，顯著高于其他組(p<0.05)。R∶B=2∶1、R∶B=6∶1以及氙燈對照組這三組的最終平均單株開花數均在11朵/株附近，分別為10.67朵/株、10.33朵/株和10.67朵/株。R∶B=6∶1+FR組的平均開花數為14.00朵/株，雖在絕對值上高于其他無遠紅光的組，但統計學上并無顯著性差異。

3.2 不同的光質對玫瑰開花周期的影響

圖3展示了不同光質條件下玫瑰花各期開花情況，縱坐標反映了每組的各期開花總數與實驗結束時開花總數的比值。如圖3(a)所示，在第1至第5個統計期間內，氙燈對照組和R∶B=2∶1、R∶B=6∶1這三組的開花總數與最終開花總數之比差異不明顯。但從第6次統計期間開始(即光照第12 d)，R∶B=6∶1組的玫瑰花開花數與其他兩組拉開距離，即R∶B=6∶1組的玫瑰花相對于其他兩組先迎來了開花高峰期。從第7期開始，R∶B=2∶1組的玫瑰花當期開花總數與最終開花總數之比開始明顯領先于對照組。從第9期開始，對照組的玫瑰花相對于其他兩組開始迎來開花高峰期，其當期開花總數與最終開花總數之比值與其他兩組值之間的差距開始明顯縮小，最終達到相同。由此可見，R∶B=6∶1組的玫瑰花的開花高峰期最早，對照組的玫瑰花的開花高峰期最晚。

圖3 不同的光質對玫瑰開花周期的影響：(a)不同比例的紅藍光組和對照組；(b)R∶B=2∶1有/無遠紅光組；(c)R∶B=6∶1有/無遠紅光組的各期開花總數/最終開花總數Fig.3 The effects of different light qualities on rose blooming cycles：The ratio of the aggregate bloom count at various stages to the final aggregate bloom count for (a)groups subjected to varying red-blue light ratios and the control group；(b)R∶B=2∶1 groups，with and without FR；(c)R∶B=6∶1 groups，with and without FR

圖3(b)和圖3(c)分別顯示了在紅藍光配比為2∶1和6∶1的條件下，有無遠紅光對玫瑰花開花周期的影響情況。在R∶B=2∶1的光照條件下，從第6期開始，加遠紅光組的玫瑰花開始先于無遠紅光組開花，從第9期開始，無遠紅光組的當期玫瑰花開花總數與最終開花總數之比與有遠紅光組接近相同并開始反超。在R∶B=6∶1的光照條件下，從第3期開始，加遠紅光組的玫瑰花就開始先于無遠紅光組開花，在第8期開始，無遠紅光組當期玫瑰花開花總數與最終開花總數之比才開始與有遠紅光組的接近相同。通過上述分析，我們發現遠紅光可以促進玫瑰花提前開花，使玫瑰花的開花周期提前進入高峰期，在紅藍光配比為6∶1的條件下，遠紅光對玫瑰花開花周期提前的促進效果更加明顯。

3.3 不同的光質對玫瑰新生花苞數的影響

為了探究不同光質對玫瑰花花苞生長的影響，我們對實驗過程中每組新生的花苞數進行了統計與分析，結果如圖4所示。在R∶B=2∶1+FR時，實驗期間平均每株新生的花苞數最多，為21.17朵/株，與其他光照組相比均具有顯著性差異，相比于未加遠紅光的R∶B=2∶1組新生花苞數多8.83朵/株。R∶B=6∶1+FR組的新生花苞數與未加遠紅光的R∶B=6∶1組、對照組相比具有顯著性差異，相比于未加遠紅光的R∶B=6∶1組多4朵/株。這表明，遠紅光對玫瑰花在生長期間的花苞新生有顯著的促進作用，尤其是在紅藍光比為2∶1的光照條件下。未加遠紅光的三組平均每株玫瑰花新生花苞數分別為11.17朵/株、12.33朵/株和11.67朵/株，三組之間均無顯著性差異。

圖4 不同的光質對玫瑰新生花苞數的影響注：* p <0.05，** p <0.01，*** p < 0.001，**** p < 0.0001。Fig.4 The effects of different light qualities on the number of new buds

4 結論

本研究比較了不同光質對玫瑰花生長調節的影響，結果表明，紅藍比2∶1和6∶1的LED光照組與氙燈對照組對玫瑰開花數量的影響無明顯差異，而加有遠紅光組的玫瑰開花數明顯增加，尤其是在紅藍比為2∶1時，遠紅光對開花數有顯著性影響。這種實驗現象表明遠紅光對玫瑰開花數量有很大的促進作用。

關于玫瑰開花周期，本研究結果表明相比于仿日光的氙燈，不同紅藍比的光照可以提前玫瑰開花周期，其中紅藍比6∶1的光照條件促進效果更強。結果還表明遠紅光進一步促使玫瑰提前進入開花高峰期，這與Runkle等[8]的研究結果相符合，即遠紅光可以使長日植物的開花期提前，玫瑰正是一種喜陽的長日植物。

關于玫瑰花苞新生情況，本研究結果表明，加有遠紅光組的玫瑰花苞新生數有顯著性增加，尤其是在紅藍比6∶1補加遠紅光的條件下，對玫瑰新生花苞的促進效果最為顯著。由此可見遠紅光對玫瑰花苞的新生也有一定的促進效果。

綜合考慮不同光質LED光照對玫瑰花生長的影響，我們發現補加適當的遠紅光可以促進玫瑰開花數和新生花苞數，還可以使玫瑰提前進入開花期。Li等[9]的研究曾提出一種解釋，遠紅光可能通過增大葉面積，提高光吸收和光合作用量，從而促進植物生長。國內外也有一些研究得出了相似的結論。蓋淑杰等[10]研究發現，補加遠紅光(710 nm)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。李雅旻[11]研究發現，遠紅光補光能顯著促進芥藍生長，改變其植株形態，加速芥藍從營養生長到生殖生長的進程，并且能顯著增加芥藍葉片中葉綠素的含量。本實驗得出了遠紅光促進玫瑰花生長的結論，但實驗設置的光照條件偏少，尤其對于遠紅光只設置了有/無兩種情況。未來可以增設多種遠紅光與其他光的比例條件，探究不同比例的遠紅光對玫瑰花生長調節的影響，以更準確地找到最適合玫瑰花生長的光質條件。

綜上所述，在本實驗設置的光照條件中，紅藍比2∶1補加遠紅光的光照條件可以較好地提升玫瑰的開花數量和花苞新生數量，紅藍比6∶1補加遠紅光的光照條件對促進玫瑰開花周期提前的效果較好。本文研究結果可以為玫瑰花種植過程中光質條件的設置提供參考，也可以為LED在植物照明領域的應用提供一些經驗。