光對菜心培育的作用研究

蘇志能，洪燕南，楊 婷，陳光彩，陳大華

（1.廣東綠愛生物科技股份有限公司，廣東 鶴山 529728；2.廣明源光科技股份有限公司，廣東 鶴山 529728；

3.復(fù)旦大學(xué) 電光源研究所，上海 200433）

光對植物生長影響極大，植物能感覺到光照的變化并作出相應(yīng)的形態(tài)改變，促使植物吸收CO2，生成碳水化合物，釋放O2，能影響植物抽枝長葉、開花結(jié)果、衰老死亡等生長變化。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)迫切需要研究這一領(lǐng)域，使人造光源的照明補(bǔ)光成為農(nóng)業(yè)技術(shù)的新應(yīng)用。由于LED光源的諸多優(yōu)點(diǎn)，作為照明補(bǔ)光，契合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念，頗具發(fā)展前景。文章探討的菜心為十字花科1、2年生植物，食用部分含蛋白質(zhì)13～16 g/kg、脂肪1～3 g/kg、碳水化合物22～42 g/kg、鈣410～1 350 mg/kg、維生素C 790 mg/kg等，營養(yǎng)較豐富。菜心屬長日照植物，溫度過高過低，易導(dǎo)致菜薹品質(zhì)差。廣東菜心在冬季、春季生長溫度適宜度比較高,夏季、秋季較低，影響其周年種植的關(guān)鍵問題是夏秋季“熱害”[1]。栽培時可將葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為評價菜心耐熱性強(qiáng)弱的參考指標(biāo)[2]。

目前中國針對葉菜補(bǔ)光單因素研究較多，但對整體光環(huán)境探究及應(yīng)用提及尚少，為此試驗(yàn)選擇LED光源對菜心進(jìn)行全人工光照明，以探究LED燈光環(huán)境對水培菜心形態(tài)生長的影響，希望為農(nóng)業(yè)葉菜栽培光環(huán)境選擇提供較為實(shí)際而全面的參考依據(jù)，以便互相學(xué)習(xí)與交流探討。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理設(shè)置

試驗(yàn)在廣東綠愛生物科技股份有限公司植物工廠內(nèi)完成。供試葉菜品種為矮腳菜心，栽培方式為水培，栽培條件：EC 2.0±0.2 ms/cm，PH 6.0～6.5；環(huán)境條件：室溫25℃/20℃，相對濕度60%～80%。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇健壯、長勢均勻、苗齡20 d的菜心定植于水培槽上，整個光環(huán)境試驗(yàn)均在本公司自主研發(fā)的LED光源下進(jìn)行。

光質(zhì)試驗(yàn)共設(shè)置5個，分別為紅藍(lán)配比不同的5種LED光源（3R/4B、4R/3B、2R/1B、3R/1B、7R/1B），其光譜能量分布曲線SPD如圖1所示。

光強(qiáng)試驗(yàn)共設(shè)置5個， PPFD分別為200 umol/(m2·s)、160 umol/(m2·s)、140 umol/(m2·s)、100 umol/(m2·s)、70 umol/(m2·s)，光質(zhì)、光周期相同。光周期試驗(yàn)設(shè)置5個，光周期分別為16 h/d、14 h/d、12 h/d、10 h/d、8 h/d，其他光條件相同。

圖1 紅藍(lán)光譜分布圖

1.2 測定項(xiàng)目、方法和數(shù)據(jù)分析儀器

照明處理21 d，用儀器測量菜心的株高、冠幅、葉長、葉寬、根長、莖粗等常規(guī)形態(tài)生長指標(biāo)，用電子天平稱測量根系鮮重、可食部分鮮重、單株鮮重等質(zhì)量指標(biāo)。 采用EXCEL和DPS 7.05對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光質(zhì)對菜心形態(tài)生長的影響

不同光質(zhì)的LED燈照明對菜心形態(tài)生長的影響如表1及圖2所示，在光質(zhì)比3R/1B、7R/1B照明下的菜心株高明顯比3R/4B、4R/3B、2R/1B照明處理的高，2R/1B與3R/4B照明處理的對比也有明顯差距。菜心冠幅以4R/3B照明處理的最大，顯著大于2R/1B、7R/1B照明處理的。3R/1B、4R/3B照明下的菜心帶柄葉明顯長于2R/1B、7R/1B照明處理的。去柄葉長則以4R/3B照明處理的顯著長于2R/1B、7R/1B照明處理的。不同光質(zhì)比照明下生長的菜心葉寬、真葉數(shù)無明顯差異。3R/1B照明下菜心莖粗顯著大于3R/4B、2R/1B、7R/1B照明處理的，此外，4R/3B照明處理的也明顯大于2R/1B、7R/1B照明處理的。菜心根長以3R/4B照明處理的最長并顯著長于其他照明處理的。2R/1B、4R/3B照明下的菜心根系質(zhì)量明顯大于3R/4B、7R/1B照明處理的，而3R/4B照明下菜心根重又顯著小于3R/1B照明處理的。菜心可食重、單株重方面，3R/1B照明處理的顯著大于3R/4B、2R/1B照明處理的。此外，3R/4B照明處理的菜心單株質(zhì)量也明顯小于4R/3B、7R/1B照明處理的。

綜上，不同光質(zhì)照明下，3R/4B照明處理的菜心根系長，而植株高度、根系重量、可食重、單株重都是最小的。光質(zhì)比4R/3B照明下生長的菜心冠幅、帶柄葉長、去柄葉長值都比較大，功能葉相對面積大。2R/1B照明處理的菜心根系重，去柄葉長，莖干直徑值比較小。3R/1B照明處理的菜心莖干直徑、可食重、單株重比較大。7R/1B照明處理的菜心長得高，帶柄葉短。試驗(yàn)處理對菜心葉片寬度、真葉數(shù)無明顯差別影響。

2.2 光強(qiáng)對菜心形態(tài)生長的影響

不同光強(qiáng)LED燈對菜心的形態(tài)生長的影響如表2及圖3所示。200 umol/(m2·s)照明處理的菜心明顯高于其他，160 umol/(m2·s)照明處理的又顯著高于100 umol/(m2·s)、70 umol/(m2·s)照明處理的，140 umol/(m2·s)、100 umol/(m2·s)照明處理的也顯著高于70 umol/(m2·s)照明處理的。不同光強(qiáng)照明下菜心的冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、莖粗、可食重、單株重表現(xiàn)出相似的差異性。以200 umol/(m2·s)照明處理的值最大，200 umol/(m2·s)、160 umol/(m2·s)處理的測量值顯著大于其他照明處理的。140 umol/(m2·s)、100 umol/(m2·s)照明處理的也顯著大于70 umol/(m2·s)照明處理的。菜心功能葉片在13～14片之間，經(jīng)檢驗(yàn)分析顯示，70 umol/(m2·s)照明下菜心的葉片數(shù)明顯少于200 umol/(m2·s)、160 umol/(m2·s)、140 umol/(m2·s)照明處理的。所有處理中菜心根系以160 umol/(m2·s)照明處理的最長，顯著長于200 umol/(m2·s)、140 umol/(m2·s)、70 umol/(m2·s)照明處理的。200 umol/(m2·s)照明下菜心根系質(zhì)量顯著大于其他處理，160 umol/(m2·s)與100 umol/(m2·s)照明處理的也大于70 umol/(m2·s)照明處理的，70 umol/(m2·s)照明下的菜心根系為處理中最輕的。

表1 不同光質(zhì)比下菜心形態(tài)生長指標(biāo)表

圖2 不同光質(zhì)對菜心形態(tài)生長的影響

表2 不同光強(qiáng)下菜心形態(tài)生長指標(biāo)表

圖3 不同光強(qiáng)對菜心形態(tài)生長的影響

綜上所述，不同光強(qiáng)照明對菜心的形態(tài)生長發(fā)育有一定影響，160 umol/(m2·s)照明處理的菜心根系長。200 umol/(m2·s)照明處理的菜心株高、冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、葉數(shù)、莖粗、根重、可食重、單株重都比較大。而70 umol/(m2·s)處理的菜心株高、冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、葉數(shù)、莖粗、根長、根重、可食重、單株重都比較小?？傮w趨勢是光照越強(qiáng)菜心形態(tài)生長速度越快。

2.3 光周期對菜心形態(tài)生長的影響

如表3及圖4所示，在光周期16 h/d照明下菜心的植株高度、可食重、單株重值最大，與其他處理的對比差異明顯，且14 h/d、12 h/d照明處理的顯著大于10 h/d、8 h/d照明處理的。菜心冠幅以16 h/d照明處理的顯著大于其他照明處理的，同時12 h/d照明處理的顯著大于8 h/d照明處理的。菜心帶柄與去柄葉長不同照明處理之間的差異性表現(xiàn)相同，16 h/d照明下生長的明顯比其他處理的長，8 h/d照明下的明顯短于其他處理的。葉寬仍以16 h/d照明處理的顯著大于其他處理的，12 h/d照明處理的又顯著大于10 h/d、8 h/d照明處理的，10 h/d與8 h/d照明處理的對比也有明顯差別，8 h/d照明下的菜心葉片寬度是處理中最小的。16 h/d照明下的菜心有16片真葉，與12 h/d、10 h/d、8 h/d照明處理的對比有明顯差別，14 h/d與10 h/d、8 h/d照明處理的對比也有明顯差別，12 h/d照明處理的菜心葉數(shù)明顯多于8 h/d處理的。 8 h/d照明下的菜心莖干直徑明顯小于其他照明處理的，10 h/d照明處理的又明顯小于12 h/d、14 h/d、16 h/d照明處理的，16 h/d照明處理的菜心莖粗明顯是處理中最大的，為9.0 mm。14 h/d照明處理的菜心根長與其他照明處理的對比效果差異明顯，為處理中最短的。16 h/d照明處理的菜心根系質(zhì)量顯著大于12 h/d、10 h/d、8 h/d照明處理的，14 h/d、12 h/d照明處理的根系鮮重也明顯大于10 h/d、8 h/d照明處理的。

表3 不同光周期下菜心形態(tài)生長指標(biāo)表

圖4 不同光周期對菜心形態(tài)生長的影響

綜上，不同光周期照明對菜心形態(tài)生長有一定的影響，16 h/d照明處理的菜心株高、冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、葉數(shù)、莖粗、根重、可食重、單株重都比較大。14 h/d照明處理的菜心根系比較短。8 h/d照明處理的菜心株高、冠幅、帶柄葉長、去柄葉長、葉寬、葉數(shù)、莖粗、可食重、單株重都比較小?？傮w上光照周期越長菜心形態(tài)生長速度越快。

3 結(jié)論

植物對光的吸收波長集中在380～760 nm的可見光范圍內(nèi)，光質(zhì)對植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝以及基因表達(dá)均有調(diào)控作用[3]。其中光合調(diào)控包括可見光對子午氣孔器運(yùn)動、葉片生長、葉綠體結(jié)構(gòu)、光合色素、D1蛋白及其編碼基因和光合碳同化等的調(diào)節(jié)[4]。紅光促進(jìn)植物細(xì)胞伸長，莖桿伸長，藍(lán)光則抑制生長、伸長。高紅光比例7R/1B的LED光源照明下的菜心莖節(jié)伸長明顯，植株也更高。藍(lán)光占優(yōu)的3R/4B照明下的菜心莖桿短，個子矮。紅光促使碳水化合物合成，控制體內(nèi)干物質(zhì)的積累，故紅光比例少的3R/4B照明下菜心干物質(zhì)積累少，致使可食重、單株重也比較小。根系雖不直接接受光照，但藍(lán)光下培育的作物幼苗發(fā)根數(shù)目多，根須粗壯，生物量大，幼苗根系活力、總吸收面積和活躍吸收面積均得到提高[5]，3R/4B照明下菜心根系長，2R/1B照明下根系質(zhì)量大可能與此有關(guān)。紅藍(lán)光按一定比例組合，可提高蔬菜光能轉(zhuǎn)化效率和水分利用效率，增加作物體內(nèi)GA3和IAA含量，降低ABA含量，促進(jìn)植株的株高、莖粗、葉片的擴(kuò)展，以及植株的干鮮重積累[6]。也有研究表示，紅藍(lán)復(fù)合光是高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培生菜的良好光源[7]。光質(zhì)比3R/1B LED光源照明下的菜心莖干粗，可食重、單株重表現(xiàn)較其他處理突出，符合適當(dāng)?shù)募t藍(lán)光比例對莖干粗度、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量增加有促進(jìn)作用的說法。此外，光質(zhì)比4R/3B照明下菜心冠幅大、葉片長，對擴(kuò)展葉面積增加光吸收有明顯的優(yōu)勢。光強(qiáng)是農(nóng)業(yè)光環(huán)境的重要指標(biāo)之一。自然條件下光照時常變化,植物在進(jìn)化過程中形成相應(yīng)的適應(yīng)機(jī)制。植物的調(diào)控系統(tǒng)不但能通過調(diào)控葉片和葉綠體的運(yùn)動以及光合色素的積累調(diào)節(jié)光的吸收，還能通過光系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，靈活地調(diào)節(jié)捕光色素蛋白復(fù)合體吸收的能量分配[8]。弱光時，葉片的光合色素含量增加，并增強(qiáng)捕獲光強(qiáng)的能力。但若光太弱，植物會表現(xiàn)出適應(yīng)不良光環(huán)境的能力，降低光能的需求，呼吸速率和同化產(chǎn)物消耗下降。光強(qiáng)過光補(bǔ)償點(diǎn)后，光合效率隨光照加強(qiáng)而提高，能量的供應(yīng)加速了各種酶促反應(yīng)，活化碳同化酶系統(tǒng)，擴(kuò)大CO2進(jìn)入葉片的通道氣孔，促使光合機(jī)構(gòu)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。到光飽和點(diǎn)時，植物光合效率趨向平穩(wěn)。此時若光照過強(qiáng)，過剩的光能可引發(fā)氧化脅迫，對光合色素和光合膜產(chǎn)生巨大的傷害，會發(fā)生光抑制[9]?！疤K薹1號”菜心凈光合效率日變化規(guī)律呈單峰型，體現(xiàn)了光強(qiáng)日變化對植物光合變化的影響[10]。多數(shù)蔬菜作物的光補(bǔ)償點(diǎn)為20～75 umol/(m2·s)，光飽和點(diǎn)在850～1 750 umol/(m2·s)范圍內(nèi)[11]。菜心光強(qiáng)在0～2 000 umol/(m2·s)之間，菜心葉片的凈光合效率隨光照強(qiáng)度的增加而升高，形態(tài)生長指標(biāo)生長速度呈上升趨勢[12]。試驗(yàn)中高光強(qiáng)200 umol/(m2·s)照明下的菜心高度、株冠幅度、葉片長寬與數(shù)量、莖干直徑、根系、可食重、單株重等形態(tài)生長指標(biāo)的生長速度表現(xiàn)突出。低光強(qiáng)70 umol/(m2·s)照明下的菜心生長速度尤為緩慢，整體生長發(fā)育速度落后于其他處理。光周期在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育中也起到關(guān)鍵性的作用，采用LED燈進(jìn)行不同暗期間斷處理可提高菜心的莖粗、葉片數(shù)和生物量，提高VC、游離氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量,降低硝酸鹽含量[13]。采收前對生菜進(jìn)行連續(xù)光照處理，有利于提高葉菜的營養(yǎng)品質(zhì)[14]。光周期16 h/d照明下的菜心株高、冠幅、葉長、葉寬、葉數(shù)、莖粗、根系、可食重、單株重都比較大。菜薹的橫徑和高度同時增長,菜薹重量隨著菜薹發(fā)育不斷增加，葉面積與菜薹重量的相關(guān)系數(shù)顯著相關(guān)，充足的光照有助于提高菜心的生長發(fā)育速度[15]。與劉淵川研究的延長光照時間，植株鮮重及葉片可溶性糖含量顯著提高，菜心的菜薹粗與葉片數(shù)相應(yīng)增加，且顯著增加菜心葉片維生素C含量的結(jié)果相接近[16]。光周期8 h/d照明下的菜心各形態(tài)指標(biāo)生長速度基本落后于其他處理的，且植株表現(xiàn)出徒長等不良現(xiàn)象，也說明了光周期過短易影響菜心的正常生長。

從此次光環(huán)境試驗(yàn)可知，光配方3R/4B的LED燈照明下菜心主根系長，有助于植株大面積吸收營養(yǎng)物質(zhì)，滿足生長需求，可食用部分重量和單株鮮重小，很大程度影響產(chǎn)出效益。光質(zhì)比4R/3B照明下菜心冠幅大，功能葉長，葉面接收光照量多，更易提高光合反應(yīng)，積累代謝物質(zhì)。2R/1B照明下的菜心莖干纖細(xì)，粗壯指數(shù)基礎(chǔ)一般。3R/1B照明下菜心莖干粗壯，可食部分及單株質(zhì)量大，利于提高單位面積產(chǎn)量，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益好。7R/1B照明下的菜心個子高，頂端優(yōu)勢明顯。隨著光照加強(qiáng)，菜心的形態(tài)生長指標(biāo)、生長速度整體呈增長的趨勢，試驗(yàn)以最高光強(qiáng)200 umol/(m2·s)照明處理的比較突出，菜心長得高，葉片展開幅度大，葉片長且寬，功能葉數(shù)量多，莖干粗壯，根系質(zhì)量大根系多，單株及可收獲重量大，產(chǎn)量高，生長速度快，周期短。70 umol/(m2·s)照明下的菜心生長速度則相對較慢。適當(dāng)增加光照強(qiáng)度對菜心的營養(yǎng)生長有較好的促進(jìn)作用。同樣，光照時間影響菜心的生長速度，光周期16 h/d照明下的菜心高，冠幅大，葉片長且寬，真葉數(shù)多，莖干粗壯，根系發(fā)達(dá)，可食重、單株重都比較大。8 h/d照明下的菜心生長速度則相對遲緩。適當(dāng)延長光照時間有助于促進(jìn)葉菜生長發(fā)育速度，縮短生產(chǎn)周期，提前收割上市，搶先占領(lǐng)市場。不過光強(qiáng)過高或光周期過長對菜心品質(zhì)外觀等或存在一些不良影響，葉菜光環(huán)境應(yīng)用還要充分考慮光電技術(shù)、生產(chǎn)效益、電力成本、環(huán)控水平等要素。本次試驗(yàn)結(jié)果對以后植物照明產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)，特別是室內(nèi)栽培光環(huán)境的應(yīng)用都有一定的參考價值與借鑒意義。當(dāng)然此次試驗(yàn)還有一些尚需完善的內(nèi)容，在針對菜心光環(huán)境生長形態(tài)研究的同時，也應(yīng)著手探討光條件與菜心生長發(fā)育的生理變化的內(nèi)在聯(lián)系及逆境下菜心的耐脅迫機(jī)制等。