不同LED光強、光質(zhì)對三七種苗生長及光合特性的影響

殷小智，肖 紅，李冬雪，何忠俊

(云南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，云南 昆明 650201)

引言

三七(Panaxnotoginseng)屬于五加科人參屬多年生草本植物，是云南白藥、丹參滴丸、血塞通等中成藥的主要原料藥[1]。三七是典型的陰生植物，對環(huán)境要求極高，主要分布在我國西南海拔1 000～2 100 m的云貴高原，主產(chǎn)于云南省文山壯族苗族自治州。該地區(qū)云層薄，污染小，短波輻射多，光照充足，總輻射量多，非常適宜三七的生長。已有研究表明三七的產(chǎn)量與質(zhì)量主要由光環(huán)境決定[1]。但對于三七具體需光特性的研究，以往主要用有色棚膜或濾光片的覆蓋來研究光質(zhì)，用透光率來研究光強[2，3]。有色棚膜與濾光片存在老化，退色與光波長范圍大等缺點。透光率只是一個相對值，由于地域差異、海拔、坡度、坡向等的不同，太陽輻射強度差異很大，真正影響三七生長的光強。在以往的研究中，不同學者對于三七所需光強并未達成一致。陸善旦[4]認為三七棚最適透光率在40%～60%。崔秀明等[5]發(fā)現(xiàn)三七蔭棚透光率在12%～17%為宜，當透光率達到30%以上植株無法正常生長。羅美佳等[6]認為三七最適合在透光率16%左右的環(huán)境下生長，匡雙便等[7]發(fā)現(xiàn)白膜蔭棚宜在透光率10%左右，藍膜蔭棚宜在透光率為21%左右較為適宜。在三七需光特性的研究中，關(guān)于發(fā)光二極管(LED)光源對三七的影響卻鮮有報道。LED光源具有波長范圍窄、光質(zhì)純、光效高、體積小等優(yōu)點，已在蔬菜、花卉中藥材上顯示出很好的應(yīng)用前景[8-10]，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)最有發(fā)展?jié)摿Φ娜斯す庠?。本試驗用三七種苗為材料，研究LED光源不同光強與光質(zhì)的對其生長及光合特性的影響，旨在探索適宜三七種苗生長的單質(zhì)光源及其光強，為三七種苗繁育提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1)試驗材料。2017年6月除選取生長健壯的三七種苗，定植于長方形塑料花盆中(長30 cm×寬15 cm×高15 cm)，每盆10株，定植深度約為5 cm，培養(yǎng)基質(zhì)為林下土(紅壤)，每盆裝土4 kg，置于蔭棚中培育2個月。于8月初選取長勢一致的三七種苗移入LED光照培養(yǎng)箱中。設(shè)置紅、橙、綠、藍和白5個光質(zhì)，每個光質(zhì)設(shè)置4種光強，共20個實驗處理，每個處理重復(fù)三次，光照12 h/d，以透光率為17%的蔭棚為對照(CK)。60 d后測定相關(guān)指標。

表1 LED光譜能量分布參數(shù)Table 1 The parameter of the energy distribution of LED light

2)指標測定。光照處理60 d后，采用Li-6400光合-熒光儀，測定凈光合速率。充分暗處理葉片，于凌晨1點到5點間測量Fo、Fm、Fv/Fm與Fv/Fo值。整株取出，自來水沖洗干凈，風干表面水分，測量根、莖和葉的鮮重、株高。

3)數(shù)據(jù)處理。用Excel2013進行數(shù)據(jù)分析，用SPSS19.0軟件進行方差分析，Duncan法對處理間進行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光強為50μmol·m-2·s-1時不同LED光質(zhì)對三七種苗生長和光合特性的影響

Pn表示光凈光合速率，F(xiàn)v/Fo表示葉綠體光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)潛在光化學活性，值越大說明潛在活性越強，F(xiàn)v/Fm值反映了光系統(tǒng)Ⅱ的光能轉(zhuǎn)換效率，正常值一般在7.0～8.5之間，值越小表明葉綠體中類囊體膜上的光系統(tǒng)Ⅱ被破壞越嚴重，受到的光脅迫越嚴重[11-13]。由表2可知，光強50 μmol·m-2·s-1時，紅光處理的根、莖、葉和全株鮮重均最大，根鮮重其次是橙光與藍光，對照最小；莖鮮重其他處理間差異不明顯；葉鮮重紅光與白光均最大，橙光和藍光，綠光最小；全株鮮其次是橙光與藍光，最小的是綠光與對照。株高與株幅白光最大，其次是紅光，橙光最小。橙光處理的根冠比最大，其次是紅光和藍光。對照處理的Pn、Fv/Fm和Fv/Fo最大，其次是綠光，紅光最小。

表2 光強50 μmol·m-2·s-1時不同光質(zhì)對三七苗生長及光合特性的影響Table 2 Effect of different light quality on Panax notoginseng seedlings when light intensity is 50 μmol·m-2·s-1

2.2 光強為100 μmol·m-2·s-1時不同LED光質(zhì)對三七種苗生長和光合特性的影響

由表3可知，光強100 μmol·m-2·s-1時，橙光與藍光處理的根和全株鮮重最大，其次是紅光與白光，綠光和對照處理最小。橙光和白光處理的莖鮮重最大，其次是紅光與藍光，綠光與對照最小。橙光的葉鮮重最大，綠光最小。藍光處理根冠比最大，其次是橙光，對照最小。白光處理的株高最高，其次是橙光，紅光最矮。除對照處理，綠光、白光和紅光處理的Pn最大，橙光最小，藍光處理Fv/Fm與Fv/Fo最大，紅光處理最小。

表3 光強100 μmol·m-2·s-1時不同光質(zhì)對三七種苗生長及光合特性的影響Table 3 Effect of different light quality on Panax notoginseng seedlings when light intensity is 100 μmol·m-2·s-1

2.3 光強為150 μmol·m-2·s-1時不同LED光質(zhì)對三七種苗生長和光合特性的影響

由表4可知，光強為150 μmol·m-2·s-1時，橙光處理的根、莖、葉及全株鮮重等形態(tài)指標均最大，其次為藍光。對照處理的根與莖鮮重最小，綠光處理的葉鮮重最小。白光處理的莖重和株高最大。除對照處理，綠光處理Pn最大，其次是白光，紅光最小，橙光、藍光和白光處理Fv/Fm和Fv/Fo最大，其次是綠光，紅光最小。

表4 光強為150 μmol·m-2·s-1時不同光質(zhì)對三七苗生長和光合特性的影響Table 4 Effect of different light quality on Panax notoginseng seedlings when light intensity is 150 μmol·m-2·s-1

2.4 光強為200 μmol·m-2·s-1時不同LED光質(zhì)對三七種苗生長和光合特性的影響

由表5可知，光強為200 μmol·m-2·s-1時，紅光處理地上部分枯萎。橙光與藍光處理根鮮重最大，紅光最小。綠光處理的莖鮮重最大，對照最小。葉鮮重各處理間差異不顯著。橙光和藍光處理全株鮮重與根冠比均最大。綠光和白光的株高最高。除對照處理，藍光Pn、Fv/Fm和Fv/Fo均最大，其次是橙光和白光，綠光最小。

表5 光強為200 μmol·m-2·s-1時不同光質(zhì)對三七苗生長和光合特性的影響Table 5 Effect of different light quality on Panax notoginseng seedlings when light intensity is 200 μmol·m-2·s-1

2.5 不同單質(zhì)光隨光強變化對三七種苗生長和光合-熒光特性的影響

隨光強的變化三七生長狀況如圖1所示，紅光處理的根、莖、葉及全株鮮重均在最小光強為50 μmol·m-2·s-1時最大，并隨光強的增加減小。橙光、藍光和白光處理的根重與全株重隨光強增加，均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在光強為100 μmol·m-2·s-1時達到最大，莖鮮重差異不明顯，葉鮮重有一定的差異，變化規(guī)律和根鮮重基本一致。綠光處理規(guī)律不明顯，葉和全株鮮重整體偏小。

圖1 不同光強的單質(zhì)光對三七生長的影響Fig.1 Effects of same light quality and different light density on the growth of Panax notoginseng

光強的變化對葉綠素熒光的影響如圖2所示，所有處理Fv/Fm的趨勢基本一致，隨光強的增加而下降，但下降幅度不同，紅光下降幅度最大，其他依次綠光、白光、橙光和藍光。隨光強的增加最大熒光(Fm)的差異不明顯，但初始熒光(Fo)差異顯著，除藍光外，均呈增加趨勢，其中紅光增加幅度最大，其他依次為綠光、白光和橙光。

圖2 不同光強的單質(zhì)光對三七葉綠素熒光的影響Fig.2 Effects of same light quality and different light density on the ChlorophyⅡFluorescence Panax notoginseng

光強的變化對三七凈光合速率(Pn)的影響如圖3所示，紅光、綠光與白光在50 μmol·m-2·s-1時Pn最大，且隨光強的增加Pn逐漸減小。橙光在50 μmol·m-2·s-1時Pn極顯著大于其他光強，其他光強之間差異不明顯。藍光處理Pn隨光強的增加，呈先減小后增加趨勢，在50 μmol·m-2·s-1和150 μmol·m-2·s-1時Pn最大，極顯著大于另外兩種光強。

圖3 不同光強的單質(zhì)光對三七凈光合速率的影響Fig.3 Effects of same light quality and different light density on the Photosythesis of Panax notoginseng

3 討論與結(jié)論

光環(huán)境決定了三七的產(chǎn)量與質(zhì)量，光強與光質(zhì)是光環(huán)境重要的部分，能直接影響植物組織與器官，對植物的生長與發(fā)育產(chǎn)生影響。不同光質(zhì)處理植株對植物的影響存在明顯差異；LED紅光能顯著促進上海青與櫻桃蘿卜地上部分的生長，而LED藍光會使植株顯著矮化，促進其根的生長[14]；LED綠光能顯著促進蘿卜芽菜根的生長[15]；LED白光能促進枳殼苗莖的伸長[16]；光質(zhì)與光強對三七生長的影響也存在顯著差異，紅膜與橙膜覆蓋能促進三七莖的伸長，株幅增大。青膜與黃膜覆蓋促進三七根的膨大[3]。不同顏色的棚膜覆蓋所適宜的光強不盡相同，白膜蔭棚宜在透光率10%左右，藍膜蔭棚宜在透光率為21%左右[8]。本研究發(fā)現(xiàn)LED紅光在光強50 μmol·m-2·s-1時，三七種苗生長最好，根、莖、葉鮮重，株高與株幅都是最大的。LED橙、藍、白光在100 μmol·m-2·s-1時，三七種苗生長最好，LED綠光下的三七種苗各部分的鮮重整體都偏低。研究還發(fā)現(xiàn)三七種苗在不同光強的LED白光下植株均較高，LED紅光只有在低光強下植株較高，LED綠光只有在高光強下植株較高，LED橙、藍光在150 μmol·m-2·s-1時植株較高，因此，光強與光質(zhì)可能對三七株高都會產(chǎn)生影響。

Fv/Fo表示PSⅡ潛在活性，F(xiàn)v/Fm反映了PSⅡ中心光能轉(zhuǎn)換效率。當葉片發(fā)生光氧化破壞，光合機構(gòu)受損，就會引起Fv/Fo與Fv/Fm的下降和Fo的上升[17]。但除LED藍光外三七種苗的Fo均顯著上升，光強達到150 μmol·m-2·s-1時Fv/Fm與Fv/Fo值均顯著下降，表明光脅迫嚴重，葉綠體受損，如果延長試驗時間，光強為150～200 μmol·m-2·s-1下的植株可能會因光脅迫而大量死亡，但需要進一步試驗驗證。隨著光強的增加，F(xiàn)v/Fm與Fv/Fo下降最顯著的是LED紅光處理，光強200 μmol·m-2·s-1時植株全部枯萎，其次是LED綠光，影響最小的是LED藍光。因此，三七所需光強可能主要是由長波長的紅光決定。

光質(zhì)與光強均能影響三七的光合速率，研究表明三七在透光率為10%左右時凈光合速率最大，小于或超過這值都會使凈光合速率的下降[18]。不同顏色棚膜覆蓋對三七的凈光合速率的影響也不盡相同，陳茵等發(fā)現(xiàn)透光率為10%左右時，紅膜與青膜下三七的凈光合速率最大，綠膜最小[3]。張勤濤等發(fā)現(xiàn)滇重樓在LED綠光下凈光合速率較高，LED橙光下凈光合速率相對較低[18]。本試驗發(fā)現(xiàn)低光強50 μmol·m-2·s-1時，LED綠光處理下的三七凈光合速率最高，紅光相對較低。光強為100 μmol·m-2·s-1時LED橙光處理的凈光合速率最低，其次是藍光，這兩個處理的三七生長最好。在凈光合速率方面，本研究結(jié)論與之前人研究存在差異，這可能與試驗使用人工光源而非自然光或測量方法有關(guān)，測量時儀器用相同飽和光強的紅藍光進行測量，得出來的是潛在最大凈光合速率，而不是實際條件下的凈光合速率。除藍光外隨光強的增加凈光合速率均呈下降趨勢，與之前的研究不盡相同，這可能試驗設(shè)置的光強太大，沒有呈現(xiàn)出弱光光抑制的部分。藍光組凈光合速率呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，難以解釋，有待進一步研究。

4 結(jié)論

總的來說，綠光與白光不利于三七的生長，且綠光容易產(chǎn)生光脅迫，破壞葉綠體，對植物光合作用產(chǎn)生阻礙。藍光與橙光在光強為100 μmol·m-2·s-1左右時適宜三七的生長，且產(chǎn)生的光脅迫最小。紅光只有在低光密度時產(chǎn)生的光脅迫才小，最有利于三七的生長，光強適宜在50 μmol·m-2·s-1左右。