不同配比紅藍(lán)LED光對(duì)黃瓜果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

劉曉英, 徐文棟, 焦學(xué)磊, 徐志剛

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

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不同配比紅藍(lán)LED光對(duì)黃瓜果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

劉曉英, 徐文棟, 焦學(xué)磊, 徐志剛①

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

摘要:以熒光燈為對(duì)照，研究不同配比紅藍(lán)LED光處理〔包括100%紅光、75%紅光-25%藍(lán)光(R31)、50%紅光-50%藍(lán)光(R11)、25%紅光-75%藍(lán)光(R13)和100%藍(lán)光〕對(duì)黃瓜(Cucumis sativus Linn.)果實(shí)性狀、產(chǎn)量及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：100%紅光處理組黃瓜植株生長(zhǎng)緩慢，果實(shí)發(fā)育異常，果實(shí)單株產(chǎn)量及VC、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)的含量均低于其他處理組。100%藍(lán)光處理組的果實(shí)發(fā)育正常，果實(shí)單株產(chǎn)量顯著低于紅藍(lán)LED光組合處理組，而果實(shí)中可溶性糖、蔗糖、游離氨基酸和可溶性固形物的含量總體上顯著高于其他處理組，可溶性蛋白質(zhì)含量也較高。R31處理組黃瓜果實(shí)的單果鮮質(zhì)量顯著高于其他處理組；R31和R11處理組的果實(shí)單株產(chǎn)量顯著高于其他處理組，R11處理組的黃瓜果實(shí)中VC和可溶性蛋白質(zhì)含量明顯高于其他處理組。上述研究結(jié)果顯示：黃瓜果實(shí)的單株產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)受紅藍(lán)光協(xié)同作用的影響，設(shè)施栽培黃瓜生產(chǎn)的較適宜光照比例為50%紅光-50%藍(lán)光。

關(guān)鍵詞：黃瓜; 紅藍(lán)LED光; 果實(shí); 單株產(chǎn)量; 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

光譜能量分布顯著影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用、形態(tài)建成及產(chǎn)量品質(zhì)[1]。波長(zhǎng)640～660 nm的紅光與波長(zhǎng)430～450 nm的藍(lán)紫光是植物進(jìn)行光合作用和光形態(tài)建成的主要光譜[2]。其中，由紅橙光輻射吸收的光能約占植物生理輻射光能的55%，由藍(lán)紫光輻射吸收的光能約占植物生理輻射光能的8%[3]。紅藍(lán)復(fù)合光能明顯促進(jìn)辣椒(CapsicumannuumLinn.)[4]、南非醉茄〔Withaniasomnifera(Linn.) Dunal.〕[5]、菊花〔Dendranthemamorifolium(Ramat.) Tzvel.〕[6]、黃瓜(CucumissativusLinn.)[7-8]和東方百合(Liliumorientalhybrid ‘Pesaro’)[9]等植物的生物量積累，紅藍(lán)光已成為設(shè)施栽培植物全人工光照或補(bǔ)光的主要作用光譜[10]。

人工補(bǔ)光及光環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控是設(shè)施作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要技術(shù)之一。LED(light-emitting diode)能柔性調(diào)制光譜，而適合的光譜能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。香蕉(MusaacuminataColla)試管苗在光密度60 μmol·m-2·s-1的紅藍(lán)復(fù)合光(光密度比4∶1)下，芽和根鮮質(zhì)量較高[11]；菊花幼苗在紅藍(lán)光(光密度比1∶1)的復(fù)合LED光下葉片的凈光合速率、干質(zhì)量和鮮質(zhì)量均最高[6]；光密度比2∶1的紅藍(lán)復(fù)合光對(duì)赤桉(EucalyptuscamaldulensisDehnh.)幼苗的生長(zhǎng)有顯著促進(jìn)作用[12]。上述研究結(jié)果表明，植物對(duì)紅光和藍(lán)光的需求量因種類不同而存在一定的差異。

黃瓜是葫蘆科(Cucurbitaceae)重要的蔬菜作物之一，也是設(shè)施栽培的主要蔬菜之一，因果實(shí)具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和預(yù)防保健功能深受消費(fèi)者的青睞。曹剛等[13]認(rèn)為，光密度比8∶2的紅藍(lán)復(fù)合光有利于黃瓜幼苗的生長(zhǎng)；Hao等[14]研究認(rèn)為，在溫室中采用LED補(bǔ)光能明顯提高黃瓜的感觀品質(zhì)，并且顯著增加黃瓜結(jié)果初期的產(chǎn)量。但有關(guān)全生育期光照對(duì)黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究還比較少見，LED所提供的光環(huán)境雖與自然光環(huán)境有所差異，但可以研究精確調(diào)控光環(huán)境下植物的生長(zhǎng)反應(yīng)，揭示植物的生長(zhǎng)機(jī)制[15]，因而，目前研究者多采用LED模擬光照進(jìn)行相關(guān)研究。

本研究中，作者調(diào)制紅藍(lán)LED的光譜能量分布對(duì)黃瓜進(jìn)行全生育期照光，旨在探明不同配比紅藍(lán)LED光對(duì)黃瓜果實(shí)性狀和產(chǎn)量以及維生素C(VC)、可溶性固形物、可溶性糖、蔗糖、可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸的含量等品質(zhì)指標(biāo)的影響，以期尋找設(shè)施生產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)黃瓜的光調(diào)控參數(shù)。

1材料和方法

1.1材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)LED植物光源研究中心進(jìn)行，以黃瓜品種‘露豐’(‘Lufeng’)為實(shí)驗(yàn)材料。種子催芽5 d后，于2014年3月5日播種于直徑20 cm的營(yíng)養(yǎng)缽中，采用蔬菜栽培專用基質(zhì)育苗。待長(zhǎng)至兩葉一心時(shí)進(jìn)行光照處理，以熒光燈(CK)為對(duì)照，分別置于5種不同配比的紅藍(lán)LED光組合下，光密度設(shè)為(300±5) μmol·m-2·s-1。LED光源處理分別設(shè)置為：100%紅光(R)、75%紅光-25%藍(lán)光(RB31)、50%紅光-50%藍(lán)光(RB11)、25%紅光-75%藍(lán)光(RB13)和100%藍(lán)光(B)。紅光主峰波長(zhǎng)660 nm，半波寬20 nm；藍(lán)光主峰波長(zhǎng)445 nm，半波寬20 nm。栽培環(huán)境為晝溫(28±1) ℃， 夜溫(18±1) ℃， 空氣相對(duì)濕度60%～80%，光照時(shí)間12 h·d-1；生長(zhǎng)過程進(jìn)行精細(xì)管理。 每處理栽植9株， 3次重復(fù)。 3月5日至4月30日為黃瓜的幼苗期和初花期， 5月份為結(jié)果初期， 6月份為結(jié)果中期，7月份為結(jié)果后期。各個(gè)時(shí)期分別取樣，進(jìn)行各指標(biāo)的測(cè)定。

1.2測(cè)定指標(biāo)與方法

單果鮮質(zhì)量用Sartorius BSA124S天平稱量；單果長(zhǎng)與單果直徑用游標(biāo)卡尺測(cè)量；單株產(chǎn)量為各時(shí)期單果鮮質(zhì)量總和；果實(shí)中VC含量采用分光光度法[16]248進(jìn)行測(cè)定；可溶性固形物含量使用WYT-32型手持式折射計(jì)(糖量計(jì))(福州泉州光學(xué)儀器廠)進(jìn)行測(cè)定；可溶性糖和蔗糖含量使用蒽酮比色法[16]195進(jìn)行測(cè)定；可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法[16]184進(jìn)行測(cè)定；游離氨基酸含量采用水合茚三酮比色法[16]192進(jìn)行測(cè)定。各指標(biāo)均重復(fù)測(cè)定3次，結(jié)果取平均值。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2003和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后進(jìn)行方差分析(ANOVA)，并采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)。

2結(jié)果和分析

2.1不同配比紅藍(lán)LED光對(duì)黃瓜果實(shí)性狀及產(chǎn)量的影響

不同配比紅藍(lán)LED光對(duì)黃瓜果實(shí)性狀及產(chǎn)量的影響見表1。由表1可見：各紅藍(lán)LED光組合處理組黃瓜單果鮮質(zhì)量和單株產(chǎn)量高于100%紅光、100%藍(lán)光和對(duì)照(熒光燈)處理組。100%紅光處理組黃瓜的植株弱小，果實(shí)發(fā)育異常，單果鮮質(zhì)量、單株產(chǎn)量、果實(shí)長(zhǎng)和果實(shí)直徑總體上顯著低于其他處理組；100%藍(lán)光處理組的黃瓜單果鮮質(zhì)量和單株產(chǎn)量均低于紅藍(lán)LED光組合處理組；75%紅光-25%藍(lán)光(RB31)處理組黃瓜的單果鮮質(zhì)量顯著高于其他處理組，RB31與50%紅光-50%藍(lán)光(RB11)處理組的黃瓜單株產(chǎn)量顯著高于其他處理組。在3個(gè)紅藍(lán)LED光組合處理組中，隨著紅光比例的降低，黃瓜的單果鮮質(zhì)量和果實(shí)長(zhǎng)呈逐漸下降的趨勢(shì)，而果實(shí)直徑和單株產(chǎn)量呈先升后降的趨勢(shì)，以50%紅光處理組最高。

處理Treatment單果鮮質(zhì)量/gFreshweightperfruit果實(shí)長(zhǎng)/cmFruitlength果實(shí)直徑/cmFruitdiameter單株產(chǎn)量/gYieldperplant100%紅光100%redlight(R)178.62±6.63c22.74±0.82b2.67±0.22c 386.81±18.42d75%紅光-25%藍(lán)光75%redlight-25%bluelight(RB31)296.51±1.55a41.08±2.81a3.35±0.36b1227.24±21.65a50%紅光-50%藍(lán)光50%redlight-50%bluelight(RB11)264.31±2.25b39.92±1.94a4.32±0.35a1318.15±12.37a25%紅光-75%藍(lán)光25%redlight-75%bluelight(RB13)248.56±1.42b32.63±2.72a3.82±0.37ab1179.61±15.32b100%藍(lán)光100%bluelight(B)229.63±2.43bc34.66±1.03a3.41±0.56b907.33±10.27c熒光燈Fluorescentlamp(CK)200.62±2.71c33.52±0.94a4.81±0.15a861.54±12.83c

1)同列中不同的小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference among different treatments (P<0.05).

2.2不同配比紅藍(lán)LED光對(duì)黃瓜果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

不同配比紅藍(lán)LED光對(duì)黃瓜果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響見表2。

2.2.1對(duì)VC和可溶性固形物含量的影響 由表2可見： 50%紅光-50%藍(lán)光(RB11)處理組的黃瓜果實(shí)VC含量顯著高于其他處理組，100%藍(lán)光和75%紅光-25%藍(lán)光(RB31)處理組的VC含量也較高；100%紅光處理組的黃瓜果實(shí)VC含量最低，但與25%紅光-75%藍(lán)光(RB13)和對(duì)照(熒光燈)處理組間無顯著差異。100%藍(lán)光處理組的黃瓜果實(shí)中可溶性固形物含量顯著高于其他處理組，RB31和RB11處理組的可溶性固形物含量也較高；100%紅光和對(duì)照處理組的可溶性固形物含量顯著低于其他處理組(RB13處理組除外)；RB13處理組的可溶性固形物含量與100%紅光和對(duì)照處理組無顯著差異。

2.2.2對(duì)可溶性糖和蔗糖含量的影響 由表2還可見：100%藍(lán)光處理組的黃瓜果實(shí)中可溶性糖含量最高，顯著高于其他處理組；100%紅光處理組的黃瓜果實(shí)中可溶性糖含量最低，但與對(duì)照組無顯著差異。100%藍(lán)光和RB31處理組的黃瓜果實(shí)中蔗糖含量較高，顯著高于其他處理組；100%紅光、RB11和RB13處理組的黃瓜果實(shí)中蔗糖含量次之，且3個(gè)處理組間無顯著差異； 對(duì)照組的黃瓜果實(shí)中蔗糖含量最低， 顯著低于其他處理組。

處理2)Treatment2)VC含量/mg·g-1VCcontent可溶性固形物含量/%Solublesolidcontent可溶性糖含量/mg·g-1Solublesugarcontent蔗糖含量/mg·g-1Sucrosecontent可溶性蛋白質(zhì)含量/mg·g-1Solubleproteincontent游離氨基酸含量/mg·kg-1FreeaminoacidcontentR18.11±0.54c1.51±0.12c0.60±0.07c0.52±0.02b0.21±0.05c293.3±22.5cRB3141.62±0.71b3.92±0.15b1.57±0.04b0.70±0.04a0.60±0.06b535.1±13.1bRB1157.55±0.72a3.63±0.14b1.70±0.05b0.64±0.02b0.77±0.02a601.2±19.3bRB1338.91±0.81bc2.92±0.09bc1.73±0.02b0.50±0.03b0.45±0.03b379.2±15.2cB46.68±0.69b4.64±0.13a2.06±0.02a0.71±0.03a0.72±0.04a714.1±14.2aCK25.85±0.66c2.25±0.11c1.42±0.04bc0.27±0.04c0.37±0.02c483.2±15.3bc

1)同列中不同的小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference among different treatments (P<0.05).

2)R: 100%紅光100% red light; RB31: 75%紅光-25%藍(lán)光75% red light-25% blue light; RB11: 50%紅光-50%藍(lán)光50% red light-50% blue light; RB13: 25%紅光-75%藍(lán)光25% red light-75% blue light; B: 100%藍(lán)光100% blue light; CK: 熒光燈Fluorescent lamp.

2.2.3對(duì)可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量的影響 由表2還可見：100%藍(lán)光和RB11處理組的黃瓜果實(shí)中可溶性蛋白質(zhì)含量較高，顯著高于其他處理組；RB13和RB31處理組的黃瓜果實(shí)中可溶性蛋白質(zhì)含量次之；100%紅光和對(duì)照處理組的黃瓜果實(shí)中可溶性蛋白質(zhì)含量較低，顯著低于其他處理組。100%藍(lán)光處理組的黃瓜果實(shí)中游離氨基酸含量最高，顯著高于其他處理組；RB31和RB11處理組的黃瓜果實(shí)中游離氨基酸含量次之；100%紅光、RB13和對(duì)照處理組的黃瓜果實(shí)中游離氨基酸含量較低。

3討論和結(jié)論

植物產(chǎn)量與光環(huán)境密切相關(guān)，設(shè)施補(bǔ)光能明顯促進(jìn)植物的光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育，提高果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)[17]。由于紅光和藍(lán)光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜峰值區(qū)域一致[18]，因此對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育能產(chǎn)生有益作用。本研究結(jié)果表明：?jiǎn)我患t光(100%紅光)處理組的黃瓜植株弱小、生長(zhǎng)緩慢、果實(shí)發(fā)育異常、單果鮮質(zhì)量小、單株產(chǎn)量低，這可能是由于單一紅光使葉片光合機(jī)構(gòu)功能紊亂[15]，不利于植株生長(zhǎng)所致。Yanagi等[19]的研究結(jié)果顯示：藍(lán)光能增強(qiáng)葉綠素和類胡蘿卜素的捕光能力，刺激植物體內(nèi)隱花色素的活性，從而促進(jìn)植物的光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育。本研究中也有類似的現(xiàn)象：?jiǎn)我凰{(lán)光(100%藍(lán)光)下黃瓜植株生長(zhǎng)正常，果實(shí)發(fā)育良好，單果鮮質(zhì)量和單株產(chǎn)量均高于對(duì)照。這也與藍(lán)光能夠提高蔬菜作物的抗氧化水平，提高類胡蘿卜素[20]、VC[21]和花青素[22]等影響葉片著色因子的含量有關(guān)。紅藍(lán)組合光能顯著促進(jìn)生菜(LactucasativaLinn.)[23]和甘藍(lán)(BrassicaoleraceaLinn.)[20]生物量的積累。本研究中，紅藍(lán)LED光組合處理能顯著提高黃瓜果實(shí)的單株產(chǎn)量，但不同配比紅藍(lán)光處理對(duì)黃瓜果實(shí)單株產(chǎn)量的影響不同，其中在50%紅光-50%藍(lán)光處理下黃瓜果實(shí)的單株產(chǎn)量最高，單果鮮質(zhì)量也較大。雖然不同植物光受體的種類一樣，但每種光受體的數(shù)量不同[24]。對(duì)于黃瓜而言，當(dāng)紅光比例在50%～75%之間時(shí)，紅藍(lán)復(fù)合光可能使藍(lán)光受體和紅光受體數(shù)量接近高效協(xié)同工作狀態(tài)，因而光合效能高、單株產(chǎn)量較高。

不同配比紅藍(lán)光譜影響溫室蔬菜的品質(zhì)，適宜的紅藍(lán)光配比能有效提高蔬菜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量[25]。糖是植物光合作用的直接產(chǎn)物，也是生菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)最重要的評(píng)價(jià)依據(jù)[21]。本研究中，100%紅光處理組的黃瓜果實(shí)中可溶性糖和蔗糖含量較低，這可能與100%紅光處理下黃瓜葉片的光合作用機(jī)能失調(diào)，無法大量合成光合產(chǎn)物有關(guān)[15]。植物碳代謝和氮代謝過程對(duì)立統(tǒng)一：一方面，碳代謝為氮代謝提供能量和碳架[26]，有利于氨基酸的合成；另一方面，CO2的同化和NO3-的還原因?qū)夥磻?yīng)產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)而相互抑制[27]。本研究中，100%藍(lán)光處理下黃瓜果實(shí)中可溶性糖、蔗糖、游離氨基酸和可溶性固形物含量都明顯高于其他處理組，這可能是由于藍(lán)光誘發(fā)了隱花色素和花青素等植物色素活性，從而促進(jìn)了黃瓜的碳代謝和氮代謝，使代謝產(chǎn)物含量增加[22]。通常藍(lán)光有利于蛋白質(zhì)的合成，但25%紅光-75%藍(lán)光處理組黃瓜果實(shí)中可溶性蛋白質(zhì)含量卻低于50%紅光-50%藍(lán)光處理組，推測(cè)在25%紅光-75%藍(lán)光處理下氨基酸合成量較少，阻礙了蛋白質(zhì)的合成。光譜分布不僅影響碳氮代謝，還可通過提高可溶性碳水化合物含量而增加VC含量[28]。本研究中，50%紅光-50%藍(lán)光處理組的黃瓜果實(shí)中可溶性糖和蔗糖含量較高，VC含量也顯著高于其他處理組，提升了黃瓜的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

綜上所述，紅光比例為50%～75%的紅藍(lán)復(fù)合光有利于提高黃瓜的單株產(chǎn)量，紅光比例為50%的紅藍(lán)復(fù)合光以及100%藍(lán)光下黃瓜的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較好。根據(jù)先高產(chǎn)后優(yōu)質(zhì)的需求，設(shè)施栽培黃瓜推薦紅光比例為50%的紅藍(lán)復(fù)合光，既可保證產(chǎn)量也能獲得品質(zhì)較好的商品黃瓜。不同配比紅藍(lán)光對(duì)黃瓜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到各方面因素的制約，需要進(jìn)一步的深入研究。

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(責(zé)任編輯： 張明霞)

收稿日期：2015-02-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA103003); 國(guó)家農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303108)

作者簡(jiǎn)介：劉曉英(1972—)，女，新疆奇臺(tái)人，博士，副教授，主要從事植物光生物學(xué)與環(huán)境調(diào)控研究。 ①通信作者E-mail: xuzhigang@njau.edu.cn

中圖分類號(hào)：S625.5+2; S642.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-7895(2016)02-0080-05

DOI:10.3969/j.issn.1674-7895.2016.02.10

Effect of different proportions of red and blue LED lights on yield and quality of fruit ofCucumissativus

LIU Xiaoying, XU Wendong, JIAO Xuelei, XU Zhigang①

(College of Agriculture, Nanjing AgriculturalUniversity,Nanjing210095,China),J.PlantResour. &Environ., 2016, 25(2): 80-84

Abstract:Taking fluorescent lamp as the control, effect of different proportions of red and blue LED lights 〔including 100% red light, 75% red light-25% blue light (R31), 50% red light-50% blue light (R11), 25% red light-75% blue light (R13) and 100% blue light〕 on traits, yield and nutritional quality of fruit of Cucumis sativus Linn. were researched. The results show that in the treatment group of 100% red light, seedling of C. sativus grows slowly, development of fruit is abnormal, and yield per plant and contents of VC, soluble sugar and soluble protein in fruit are lower than those in other treatment groups. In the treatment group of 100% blue light, development of fruit is normal, fruit yield per plant is significantly lower than that in the combined treatment groups of red and blue LED lights, while contents of soluble sugar, sucrose, free amino acids and soluble solid in fruit are generally significantly higher than those in other treatment groups, and soluble protein content is also high. Fresh weight per fruit of C. sativus in R31 treatment group is significantly higher than that in other treatment groups, fruit yield per plant in R31 and R11 treatment groups is significantly higher than that in other treatment groups, and also, contents of VC and soluble protein in fruit in R11 treatment group are significantly higher than those in other treatment groups. It is suggested that yield per plant and nutritional quality of fruit of C. sativus is affected by synergistic effect of red and blue lights, and more suitable light proportion for culturing C. sativus in greenhouse is 50% red light-50% blue light.

Key words:Cucumis sativus Linn.; red and blue LED lights; fruit; yield per plant; nutritional quality