植物工廠LED 光質(zhì)調(diào)控對(duì)蘇州青幼苗生長(zhǎng)的影響

王 哲，王宇航，杜長(zhǎng)霞，樊懷福

（1.至農(nóng)科技發(fā)展（浙江）有限公司，杭州 311300；2.南京優(yōu)士環(huán)境技術(shù)有限公司，南京 210000；3.浙江農(nóng)林大學(xué)園藝科學(xué)學(xué)院，杭州 311300）

蘇州青是蘇州市優(yōu)良地方品種和主栽青菜品種，屬不結(jié)球白菜（Brassica campestrisssp.Chinensis）十字花科蕓薹屬，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，在世界范圍內(nèi)廣泛栽植。日益嚴(yán)重的土壤次生鹽漬化已成為制約中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要非生物脅迫環(huán)境因素，而工廠化生產(chǎn)可克服這種制約［1］。光是影響植物工廠中植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的主要環(huán)境因子，在光合作用、形態(tài)建成和物質(zhì)代謝等方面起關(guān)鍵作用。LED 光源不僅具有體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低、發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且能根據(jù)植物生長(zhǎng)發(fā)育的不同光環(huán)境需要進(jìn)行光譜的精準(zhǔn)配置，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成，從而提高產(chǎn)量和品質(zhì)［2］。與單色光相比，紅藍(lán)組合光顯著促進(jìn)碳水化合物的合成、增加株高和拓展葉片加深顏色，對(duì)植物根數(shù)、生物量和光合色素含量的增加有明顯的促進(jìn)作用［3］。利用光質(zhì)調(diào)控技術(shù)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育過程進(jìn)行調(diào)控具有高效節(jié)能、環(huán)保無害等優(yōu)勢(shì)。因此，本研究分析了不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠蘇州青育苗的影響，以期為蘇州青育苗和種植工廠化提供理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為蘇州青種子。

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)5 個(gè)處理，分別為L(zhǎng)ED 白光對(duì)照（CK）、紅光∶藍(lán)光=1∶1（處理A）、紅光∶藍(lán)光=3∶2（處理B）、紅光∶藍(lán)光=2∶1（處理C）、紅光∶藍(lán)光=3∶1（處理D）。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。3 次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)1 盤。

1.3 試驗(yàn)方法

經(jīng)篩選獲得籽粒飽滿、活性強(qiáng)的蘇州青種子，55 ℃溫湯浸泡15 min 后用清水浸泡2 h，然后將種子平鋪在濕潤(rùn)的濾紙上并置于培養(yǎng)皿中，放入25 ℃恒溫箱中催芽，待80%種子露白后播種于育苗盤中，基質(zhì)為珍珠巖、蛭石、草炭混合基質(zhì)。育苗盤置于不同處理LED 光源下培養(yǎng)20 d，通過調(diào)整光源距離使試驗(yàn)材料所處的光通量密度為280 μmol/（m2·s）?？刂乒庹諘r(shí)期溫度為（20±2）℃，黑暗時(shí)期溫度為（12±2）℃，光照時(shí)間為12 h/d。

1.4 項(xiàng)目測(cè)定

每個(gè)處理隨機(jī)選取6 株蘇州青幼苗進(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)量株高、莖粗、主根長(zhǎng)、葉柄長(zhǎng)，株高為根部以上到心葉的距離；用天平稱量單株鮮重后，將蘇州青地下部和地上部分開，分別于120 ℃下殺青30 min，隨后于75 ℃下烘干至恒重，并用精度為0.001 g 的電子天平稱重；計(jì)算壯苗指數(shù)，壯苗指數(shù)=（莖粗/株高+地下部干重/地上部干重）×全株干重［4］，葉綠素含量和氮含量采用葉綠素測(cè)定儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Office 2019 和SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析及多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青葉片數(shù)的影響

由圖1 可知，不同光質(zhì)配比影響蘇州青的葉片數(shù)，葉片數(shù)從多到少依次為A、B、C、CK、D。與CK相比，除D 外，其他處理蘇州青葉片數(shù)均多于CK，但差異均未達(dá)到顯著水平，且A、B 略多于其他處理。因此，從所有處理蘇州青的葉片數(shù)來看，A、B 較有利于蘇州青葉片數(shù)的增加。

圖1 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青葉片數(shù)的影響

2.2 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青葉柄長(zhǎng)的影響

由圖2 可知，不同光質(zhì)配比影響蘇州青的葉柄長(zhǎng)，葉柄長(zhǎng)從長(zhǎng)到短依次為A、B、D、CK、C。與CK相比，A、B、D 的葉柄長(zhǎng)均高于CK，且A、B 與CK 之間差異達(dá)到顯著水平，D 與CK 之間差異不顯著，CK明顯高于C，A、B 葉柄長(zhǎng)差異達(dá)到顯著水平。因此，從所有處理蘇州青的葉柄長(zhǎng)來看，A、B 較有利于蘇州青葉柄的增長(zhǎng)。

圖2 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青葉柄長(zhǎng)的影響

2.3 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青株高的影響

由圖3 可知，不同光質(zhì)配比明顯影響蘇州青的株高，株高從高到矮依次為B、A、C、D、CK。與CK 相比，A、B、C、D 的株高均高于CK，且A、B 與CK 間差異達(dá)到顯著水平，C、D 與CK 間差異未達(dá)到顯著水平；A、B、C 之間株高差異未達(dá)到顯著水平。因此，從所有處理蘇州青的株高來看，B 最有利于蘇州青株高的增加。

圖3 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青株高的影響

2.4 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青莖粗的影響

由圖4 可知，不同光質(zhì)配比顯著影響蘇州青的莖粗，莖粗從大到小依次為B、CK、A、C、D。B 蘇州青莖粗達(dá)4.12 mm，顯著高于CK 和其他處理，CK 莖粗達(dá)3.15 mm，顯著高于A、C、D。因此，從所有處理蘇州青的莖粗來看，B 最有利于蘇州青莖粗的增加。

圖4 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青莖粗的影響

2.5 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青主根長(zhǎng)的影響

由圖5 可知，不同光質(zhì)配比明顯影響蘇州青根系的生長(zhǎng)，主根長(zhǎng)從大到小依次為B、A、CK、D、C。A、B 主根長(zhǎng)與CK、C、D 差異達(dá)到顯著水平，B 蘇州青的主根長(zhǎng)達(dá)109.50 mm，較CK 高29.17 mm。C、D、CK 之間差異不顯著。因此，從所有處理蘇州青的主根長(zhǎng)來看，B 最有利于蘇州青主根的生長(zhǎng)。

圖5 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青主根長(zhǎng)的影響

2.6 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青單株鮮重與干重的影響

由圖6 可知，不同光質(zhì)配比明顯影響蘇州青的鮮重，單株鮮重從大到小依次為B、A、CK、C、D。B顯著高于CK 和C、D；A 與B 間差異不顯著，CK 和C、D 之間差異均未達(dá)到顯著水平。

圖6 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青單株鮮重的影響

由圖7 可知，不同光質(zhì)配比明顯影響蘇州青的單株干重，單株干重從大到小依次為B、A、CK、C、D，以A、B 表現(xiàn)較為突出。其中，A、B 蘇州青單株干重均顯著高于CK，B 單株干重最大，達(dá)0.418 g，顯著高于其他處理；CK 和C、D 之間蘇州青單株干重差異不顯著。

圖7 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青單株干重的影響

地上部干重從大到小依次為B、A、CK、C、D，A、B 蘇州青地上部干重均顯著高于CK 和C、D，CK 顯著高于C、D，C、D 間差異不顯著，B 與其他處理差異均達(dá)到顯著水平。

地下部干重從大到小依次為B、A、CK、D、C，A、B 蘇州青地下部干重均顯著高于CK 和其他處理，且B 顯著高于A；CK 與C、D 之間差異均不顯著。因此，從干重來看，B 在促進(jìn)有機(jī)物合成、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸、固定等方面具有明顯效果，有利于蘇州青的生長(zhǎng)。

2.7 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青葉綠素和氮含量的影響

由圖8 可知，在不同光質(zhì)配比處理下，蘇州青葉片中葉綠素含量和氮含量呈相同的變化趨勢(shì)，從高到低均表現(xiàn)為B、A、CK、C、D。在葉綠素含量方面，B 顯著高于CK 和其他處理；CK 與A、C、D 之間差異不顯著。在氮含量方面，CK 和A、B、C 之間差異均未達(dá)到顯著水平，但均顯著高于D。葉綠素含量高代表光合速率較高，生產(chǎn)的光合產(chǎn)物較多，與上述蘇州青植株干重較高相一致。說明B 的光質(zhì)配比可通過影響葉綠素和氮的含量來影響植株的光合作用，從而影響植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，促進(jìn)蘇州青幼苗的生長(zhǎng)。

圖8 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青葉綠素和氮含量的影響

2.8 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青壯苗指數(shù)的影響

由圖9 可知，在不同光質(zhì)配比處理下，蘇州青幼苗壯苗指數(shù)表現(xiàn)為B、A、CK、D、C。A、B 壯苗指數(shù)顯著高于CK 和其他處理，且B 顯著高于A，CK 和C、D之間壯苗指數(shù)差異均不顯著。說明B 的光質(zhì)配比有利于蘇州青壯苗的培育。

圖9 不同光質(zhì)配比對(duì)植物工廠中蘇州青壯苗指數(shù)的影響

3 討論與小結(jié)

光是影響植物工廠中植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的主要物理環(huán)境因子，促進(jìn)光合作用和調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育。不同光質(zhì)或波長(zhǎng)的光具有明顯不同的生物學(xué)效應(yīng)［5］，包括形態(tài)建成、有機(jī)物合成、碳氮代謝等。光合色素中葉綠素主要吸收、轉(zhuǎn)化紅光和藍(lán)光。因此，紅光和藍(lán)光是光合作用的基本能源［6］。對(duì)大多數(shù)植物而言，紅光可促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)，促進(jìn)葉片增大，抑制葉綠素的形成［7］；藍(lán)光則抑制葉片的增大，抑制莖的生長(zhǎng)，矮化植株［8］，促進(jìn)葉綠素的形成［9］；過量的紅光可引起植物的徒長(zhǎng)，造成幼苗抗性低、易倒伏［10］，過量的藍(lán)光會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，使植物節(jié)間變短、提前衰老和降低產(chǎn)量［11］。因此，科學(xué)的紅藍(lán)光配比在植物的生長(zhǎng)過程中尤其重要，更能促進(jìn)植物生長(zhǎng)［12］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，紅光∶藍(lán)光=3∶2 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)，有利于植物工廠蘇州青壯苗的生產(chǎn)培育。

營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)是評(píng)價(jià)植物幼苗生長(zhǎng)狀況的基礎(chǔ)［13］。光合色素能夠吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換光能，是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量與組成直接影響葉片的光合速率［14］。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)。植株干物質(zhì)含量是反映光能轉(zhuǎn)化效率、有機(jī)物合成的重要指標(biāo)，如該試驗(yàn)在光合光子通量密度為280 μmol/（m2·s）的條件下，A、B紅藍(lán)配比光源均顯著提高了蘇州青植株的干物質(zhì)含量，說明紅藍(lán)光配比更有利于蘇州青生長(zhǎng)，尤其是紅光∶藍(lán)光=3∶2 的光質(zhì)配比條件下，植物工廠中蘇州青單株干重含量最大，說明該光質(zhì)配比更有利于蘇州青進(jìn)行光合產(chǎn)物積累轉(zhuǎn)化，促進(jìn)生長(zhǎng)。

植株葉片中葉綠素和氮素含量的高低直接影響葉片的光學(xué)性質(zhì)［15］。在一定時(shí)期內(nèi)葉片中葉綠素含量和氮含量呈線性相關(guān)關(guān)系，氮含量較高，促進(jìn)葉綠素和多種蛋白質(zhì)合成，促進(jìn)光合作用和植物體內(nèi)的新陳代謝。本試驗(yàn)中紅光∶藍(lán)光=3∶2 的光質(zhì)配比下，植物工廠中蘇州青葉片葉綠素含量和氮含量均最高，且植株單株干重含量也最高。

綜上所述，在本試驗(yàn)條件下不同紅藍(lán)光配比的光源可調(diào)控植物工廠中蘇州青幼苗的生長(zhǎng)，與CK（LED 白光）效果相比，B 促進(jìn)了葉片數(shù)、株高、莖粗、主根、葉柄長(zhǎng)、植株干重（單株、地上部和地下部）和壯苗指數(shù)的增加和提高，且大部分指標(biāo)差異顯著，因此，紅光∶藍(lán)光=3∶2 為植物工廠中蘇州青育苗的優(yōu)選光質(zhì)配比。