植物工廠LED光質(zhì)調(diào)控對(duì)芹菜生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

王哲，王宇航，王曉慶，樊懷福

(1.杭州漢徽光電科技有限公司，浙江 杭州 311300；2.南京優(yōu)士環(huán)境技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000；3.浙江農(nóng)林大學(xué) 園藝科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 311300)

芹菜(ApiumgraveolensL.)是傘形科芹屬一年或有限多年生草本植物，因藥食同源在世界各地廣泛種植，同時(shí)也是香精油、芹菜素等眾多化工產(chǎn)品的主要來(lái)源[1]。在中國(guó)大多采用傳統(tǒng)的大田和大棚單層種植，但受到外界環(huán)境影響較大，再加上土壤次生鹽漬化加劇，很難做到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、品質(zhì)好[2]，單層種植極大地消耗著土地、空間、人工和時(shí)間。植物工廠可取代不穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)環(huán)境，采用立體栽培模式可充分利用有限空間，精確調(diào)控水、光、溫、氣、肥，提高作物種植效率和作物品質(zhì)[3]。

光是植物生命活動(dòng)的主要能量源泉，也是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的最重要非生物因子之一[4]，光質(zhì)對(duì)植物的形態(tài)建成、光能轉(zhuǎn)化、物質(zhì)代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)等生理生化活動(dòng)具有重要的調(diào)控作用，同時(shí)對(duì)植物的生物合成和品質(zhì)的提高有重要影響[5]。由于植物體內(nèi)存在著一套光接收和轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，所以植物會(huì)隨著光質(zhì)的改變而做出一定的適應(yīng)性反應(yīng)[6-7]。相比其他光源，LED光源具有節(jié)能環(huán)保、光電轉(zhuǎn)化效率高、光譜可定制、耐用等優(yōu)點(diǎn)[8]，可保障蔬菜和糧食安全，植物工廠創(chuàng)造出環(huán)境完全可控的植物生長(zhǎng)環(huán)境，根據(jù)不同植物的生長(zhǎng)發(fā)育特性，來(lái)設(shè)置環(huán)境控制相關(guān)參數(shù)，為植物生長(zhǎng)提供最適宜的條件，以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的目的。通過(guò)人工光源技術(shù)，調(diào)制利于植物特征生長(zhǎng)的光譜，改變植物的生長(zhǎng)規(guī)律，對(duì)提高產(chǎn)量和品質(zhì)，加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。因此，本文配置不同的LED光質(zhì)配比組合光源，研究不同光質(zhì)配比對(duì)芹菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響，篩選芹菜較適宜的光質(zhì)配比，以期為芹菜工廠化種植和未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為四季小香芹芹菜，由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)光質(zhì)配比不同試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為L(zhǎng)ED白光對(duì)照(CK)、紅光∶藍(lán)光=1∶1(A)、紅光∶藍(lán)光=2∶1(B)、紅光∶藍(lán)光=3∶1(C)。紅色LED光源的峰值波長(zhǎng)為660 nm，藍(lán)色LED光源的峰值波長(zhǎng)為450 nm。

1.3 試驗(yàn)方法

經(jīng)篩選獲得籽粒飽滿、活性強(qiáng)的芹菜種子，在55 ℃下浸種15 min殺菌，然后浸于25 ℃水中浸泡24 h，再將種子平鋪在濕度適宜的濾紙上并放于培養(yǎng)皿中，放入25 ℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽，等到80%種子露白后進(jìn)行播種，基質(zhì)采用珍珠巖、蛭石、草炭混合基質(zhì)。控制光照時(shí)期溫度(22±2) ℃，黑暗時(shí)期溫度(15±2) ℃，光照時(shí)間12 h·d-1，相對(duì)濕度75%。

當(dāng)幼苗長(zhǎng)至第4片真葉展平后，選取長(zhǎng)勢(shì)均一的幼苗，定植于水培槽上，置于各處理LED光源下方，通過(guò)調(diào)整光源到芹菜冠層表面的距離使試驗(yàn)材料所處的光照強(qiáng)度為280 μmol·m-2·s-1，每處理24株。營(yíng)養(yǎng)液pH值調(diào)至6.5±0.5，EC值調(diào)至(2±0.5) mS·cm-1，7 d換一次營(yíng)養(yǎng)液，栽培時(shí)間為55 d收獲。

1.4 項(xiàng)目測(cè)定

每個(gè)處理隨機(jī)選取6株進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)測(cè)定，然后取平均值。用游標(biāo)卡尺測(cè)量植株的株高(mm)、莖粗(mm)、主根長(zhǎng)(mm)、葉柄長(zhǎng)(mm)；用天平稱量鮮重后，將芹菜地下部和地上部分開，分別于120 ℃下殺青30 min，隨后于75 ℃下烘至恒重，并用精度為0.001 g的電子天平稱重；計(jì)算根冠比，葉綠素含量采用葉綠素測(cè)定儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用office 365和SPSS 23.0軟件進(jìn)行方差分析及多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜葉片數(shù)的影響

由圖1可知，不同的光質(zhì)配比影響著芹菜葉片數(shù)，葉片數(shù)從多到少表現(xiàn)為處理C>CK>處理B>處理A。處理C達(dá)到53.33片，顯著高于其他處理和CK，CK與處理B差異不顯著，但顯著高于處理A，與CK相比，處理C葉片數(shù)提高了37.93%。因此，從所有處理芹菜的葉片數(shù)來(lái)看，處理C最有利于芹菜葉片數(shù)的增加。

2.2 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜葉柄長(zhǎng)的影響

由圖2可知，不同的光質(zhì)配比顯著影響芹菜的葉柄長(zhǎng)，葉柄長(zhǎng)從長(zhǎng)到短表現(xiàn)為處理C>處理A>處理B>CK。處理A、C的葉柄長(zhǎng)均顯著高于CK，處理B與CK差異性未達(dá)到顯著水平，處理A、C葉柄長(zhǎng)差異性未達(dá)到顯著水平。因此，從所有處理芹菜的葉柄長(zhǎng)來(lái)看，處理C較有利于芹菜葉柄增長(zhǎng)。

圖2 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜葉柄長(zhǎng)的影響Fig.2 Effect of different light quality ratios on the petiole length of celery in plant factory

同組柱上無(wú)相同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖2～9同。圖1 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜葉片數(shù)的影響Fig.1 Effect of different light quality ratios on the number of celery leaves in plant factory

2.3 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜株高的影響

由圖3可知，不同的光質(zhì)配比顯著影響芹菜的株高，株高從高到低表現(xiàn)為處理C>處理A>處理B>CK。處理A、C的株高均顯著高于CK，處理B與CK之間差異性未達(dá)到顯著水平；處理A、C之間株高差異性未達(dá)到顯著水平。因此，從所有處理芹菜的株高來(lái)看，處理C最有利于芹菜株高增長(zhǎng)。

圖3 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜株高的影響Fig.3 Effect of different light quality ratios on plant height of celery in plant factory

2.4 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜莖粗的影響

由圖4可知，不同的光質(zhì)配比顯著影響芹菜的莖粗，莖粗從大到小表現(xiàn)為處理C>處理B>處理A>CK。各光質(zhì)配比處理組的莖粗均顯著高于CK，處理C莖粗達(dá)到23.15 mm，顯著高于CK、處理A和處理B，處理A、B之間差異未達(dá)到顯著水平；因此，從所有處理芹菜的莖粗來(lái)看，處理C利于芹菜莖粗的增長(zhǎng)。

圖4 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜莖粗的影響Fig.4 Effect of different light quality ratios on stem diameter of celery in plant factory

2.5 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜鮮重與干重的影響

由圖5可知，不同的光質(zhì)配比顯著影響芹菜的鮮重，單株鮮重從大到小表現(xiàn)為處理C>處理B>處理A>CK。處理A、B、C單株鮮重均高于CK，處理B、C均顯著高于CK和處理A；處理A與CK差異不顯著。地上部鮮重從大到小表現(xiàn)為處理B>處理C>處理A>CK。處理B、C地上部鮮重均顯著高于CK，處理B、C之間差異不顯著；處理A與CK差異不顯著。地下部鮮重從大到小表現(xiàn)為處理C>CK>處理B>處理A。處理CK、C地下上部鮮重均高于A、B，且處理C顯著高于處理A和處理B；CK顯著高于處理A。

圖5 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜鮮重的影響Fig.5 Effect of different light quality ratios on fresh weight of celery in plant factory

由圖6可知，不同的光質(zhì)配比顯著影響芹菜的干重，單株干重從大到小表現(xiàn)為處理C>處理B>處理A>CK，以處理B、C表現(xiàn)較為突出，芹菜單株干重均顯著高于CK，處理C單株干重最大，均達(dá)到了15.49 g，顯著高于CK和處理A；CK和處理A之間芹菜單株干重差異不顯著。地上部干重從大到小表現(xiàn)為處理C>處理B>處理A>CK，處理B、C芹菜地上部干重均顯著高于CK，處理A、B、C之間差異不顯著。地下部干重從大到小表現(xiàn)為處理C>處理B>CK>處理A，處理B、C芹菜地下部干重顯著高于CK和處理A，且處理C顯著高于處理B；CK與處理A之間差異不顯著；因此，從鮮重和干重來(lái)看，處理C可能在促進(jìn)有機(jī)物合成、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸、固定等方面具有顯著效果，最利于芹菜生長(zhǎng)。

圖6 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜干重的影響Fig.6 Effect of different light quality ratios on dry weight of celery in plant factory

2.6 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜葉綠素含量的影響

由圖7可知，在不同的光質(zhì)配比處理下，芹菜葉片中葉綠素含量表現(xiàn)為處理C>處理B>CK>處理A。處理C葉綠素含量最高，顯著高于CK和處理A；CK與處理A、B之間差異不顯著。葉綠素含量高可能代表光合速率較高，生產(chǎn)的光合產(chǎn)物較多，與前文處理C芹菜植株干重高相一致。說(shuō)明處理C的光質(zhì)配比可通過(guò)影響葉綠素含量來(lái)影響植株的光合作用，從而影響植株生長(zhǎng)和產(chǎn)量，促進(jìn)植物工廠芹菜幼苗的生長(zhǎng)。

圖7 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜葉綠素含量的影響Fig.7 Effect of different light quality ratios on chlorophyll content of celery in plant factory

2.7 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜根冠比的影響

由圖8可知，在不同光質(zhì)配比處理下，芹菜根冠比表現(xiàn)為處理C>處理B>CK>處理A。處理C達(dá)到0.37，顯著高于CK和其他處理，處理B顯著高于處理A，CK和處理A、B差異均不顯著。說(shuō)明處理C的光質(zhì)配比比較利于芹菜壯苗培育。

圖8 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜根冠比的影響Fig.8 Effect of different light quality ratios on root shoot ratio of celery in plant factory

2.8 不同光質(zhì)配比處理對(duì)植物工廠芹菜產(chǎn)量的影響

由圖9可知，在不同光質(zhì)配比處理下，芹菜667 m2產(chǎn)量從高到低表現(xiàn)為處理C>處理B>處理A>CK。各處理均高于CK，且處理B和C顯著高于CK和處理A，處理C 667 m2產(chǎn)量最高，達(dá)到3 675 kg，CK和處理A差異不顯著。說(shuō)明處理C的光質(zhì)配比較利于芹菜產(chǎn)量的提高。

3 討論與結(jié)論

光是制約植物工廠中植物各階段生長(zhǎng)發(fā)育的主要非生物因子之一，在光合作用和植物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控等方面至關(guān)重要。不同光質(zhì)配比的光源會(huì)產(chǎn)生包括形態(tài)建成、有機(jī)物合成、碳氮代謝等在內(nèi)的不同的生物學(xué)效應(yīng)[10]。植物葉綠素主要吸收、轉(zhuǎn)化可見(jiàn)光中的紅藍(lán)光，因此，紅光和藍(lán)光是光合作用的基本能源[11]。對(duì)大多數(shù)植物而言，紅光可促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)，可促進(jìn)葉片增大，抑制葉綠素的形成[12]；藍(lán)光則抑制葉片的增大，抑制莖的生長(zhǎng)，矮化植株[13]，促進(jìn)葉綠素的形成[14]；過(guò)量的紅光可引起植物的徒長(zhǎng)，造成幼苗抗性低、易倒伏[15]，過(guò)量的藍(lán)光抑制植物生長(zhǎng)，節(jié)間變短、提前衰老和降低產(chǎn)量[16]。因此，科學(xué)的紅藍(lán)光配比在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中尤其重要，更能促進(jìn)植物生長(zhǎng)[17]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，紅光∶藍(lán)光=3∶1的光質(zhì)配比同時(shí)促進(jìn)了莖的伸長(zhǎng)、橫向生長(zhǎng)和根系的生長(zhǎng)，有利于植物工廠芹菜壯苗的生產(chǎn)培育。

植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)是評(píng)價(jià)幼苗生長(zhǎng)培育情況的基礎(chǔ)[18]。科學(xué)的紅藍(lán)光配比可促進(jìn)葉綠素合成，提高光合作用效率增加有機(jī)物合成，進(jìn)而促進(jìn)植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。而植株干物質(zhì)含量是反映光能轉(zhuǎn)化效率、有機(jī)物合成最重要的指標(biāo)，正如該試驗(yàn)在光照強(qiáng)度為280 μmol·m-2·s-1的條件下，處理B、C紅藍(lán)配比光源均顯著提高了芹菜植株的干物質(zhì)含量，說(shuō)明紅藍(lán)配比更有利于芹菜生長(zhǎng)，尤其是紅光∶藍(lán)光=3∶1的光質(zhì)配比條件下，植物工廠中芹菜干物質(zhì)含量最大，667 m2產(chǎn)量高達(dá)3 675 kg，說(shuō)明該光質(zhì)配比更有利于芹菜進(jìn)行光合產(chǎn)物積累轉(zhuǎn)化，促進(jìn)生長(zhǎng)。

植株葉片中葉綠素含量的高低直接影響著葉片的光學(xué)性質(zhì)[19]。植物體內(nèi)含有多種光合色素，不同光質(zhì)作用于植物體內(nèi)相關(guān)的色素，從而對(duì)植物產(chǎn)生不同的生理影響。紅光可通過(guò)抑制葉片光合產(chǎn)物的增加，來(lái)達(dá)到增加淀粉累積的目的，進(jìn)而對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行調(diào)控[20]；藍(lán)光通過(guò)調(diào)節(jié)葉綠體和葉綠素的數(shù)量和形成速度、細(xì)胞氣孔的開閉等措施來(lái)對(duì)植物的發(fā)育形態(tài)進(jìn)行調(diào)控。本試驗(yàn)中紅光∶藍(lán)光=3∶1的光質(zhì)配比下植物工廠中芹菜葉片葉綠素含量最高，且植株干物質(zhì)含量也最高。

綜上所述，在本試驗(yàn)條件下不同紅藍(lán)光配比的光源可顯著調(diào)控植物工廠中芹菜幼苗的生長(zhǎng)，與CK(LED白光)效果相比，處理C促進(jìn)了葉片數(shù)、株高、莖粗、葉柄長(zhǎng)、植株干重(單株、地上部和地下部)和根冠比的增加和提高，且差異最顯著，因此，紅光∶藍(lán)光=3∶1為植物工廠芹菜育苗的優(yōu)選光質(zhì)配比。