不同光照條件對茄果類蔬菜幼苗生長發(fā)育的影響

龔婷+黃升雄+羅偉+周智+周南+劉曉穎+蓋淑杰+黃浩

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410128）

【摘要】以熒光燈和自然光為對照組，分別選用4種不同的LED光譜用于辣椒、番茄和茄子的育苗補(bǔ)光試驗(yàn)。育苗完成后測定不同茄果類蔬菜幼苗的生長指標(biāo)及光合特性。結(jié)果表明：經(jīng)適當(dāng)光質(zhì)的LED植物生長燈進(jìn)行補(bǔ)光后，辣椒、番茄和茄子幼苗的株高、根長、莖粗、葉面積和整個幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均有明顯的增長，辣椒、番茄和茄子幼苗葉中的可溶性糖、類胡蘿卜素及含氮量均有不同幅度的提高；辣椒、番茄和茄子幼苗的光合能力增強(qiáng)，氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度有一定程度的升高，蒸騰速率加快。LED補(bǔ)光使幼苗的品質(zhì)得到了提高，其中以處理組3的LED燈最佳。

前言

光是植物生長所需能量的來源，植物的生長發(fā)育、開花結(jié)果都是通過光合作用、光形態(tài)建成、光周期調(diào)節(jié)來完成，這些過程都需要光的參與。因此光照條件的好壞直接影響植物的產(chǎn)量與品質(zhì)。光照條件主要包含光質(zhì)（光譜組成）、光照強(qiáng)度[能量密度，單位μmol/（m2·s）]和光照周期（光照時間的長短），其中不同光質(zhì)對于植物生長發(fā)育的研究最為豐富。

從植物種類的角度，小白菜[1]、生菜[2]、青蒜苗[3]、蘿卜[4]、菠菜[5-8]、蘆薈[9]等20多種植物都已經(jīng)被廣泛研究。陳祥偉等[1]認(rèn)為紅/藍(lán)（7/1）光處理下小白菜植株莖粗、葉寬、葉面積及根系長度均顯著高于其他處理；光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均以紅光處理最高，而藍(lán)光處理下所得樣品都具有較高的胞間CO2濃度。張歡等[4]認(rèn)為不同光質(zhì)對蘿卜芽苗菜生長和營養(yǎng)品質(zhì)的影響在于促進(jìn)芽苗菜下胚軸伸長、子葉擴(kuò)張、促進(jìn)光合速率，并提高干物質(zhì)積累。劉文科等[10]以生菜為材料研究了不同LED光質(zhì)對生菜生長和營養(yǎng)品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，藍(lán)光處理下生菜地上部生物量最大，花青素含量最低，并且藍(lán)光顯著降低了生菜地上部分硝酸鹽的含量。

從不同光質(zhì)影響方式的角度，單色光的報(bào)道相對較多，主要集中在紅光、藍(lán)光和黃光。對于紅光，可以使番茄和茄子成熟期提前、產(chǎn)量提高；使茄子的株高上升[5]；也有研究認(rèn)為，紅光對促進(jìn)下胚軸伸長、子葉擴(kuò)張、光合速率提高及干物質(zhì)積累有重要作用[6]；紅光對煙草的株高和莖圍的增長有促進(jìn)作用[11]，并且可以降低植物體內(nèi)赤霉素（GA）的含量[12]，有利于葉綠素b和類胡蘿卜素的合成，增加葉片總碳、還原糖含量[13-14]；紅光可以降低硝酸鹽和草酸含量，提高菠菜品質(zhì)[6]；紅光不僅能促進(jìn)生菜干鮮重及根系活力，增加植物株高，還能提高生菜的可溶性糖含量[2]。對于藍(lán)光，用于水稻幼苗的研究表明藍(lán)光會降低水稻育苗的光合速率[15]；藍(lán)光處理下的菠菜地上部生長速度顯著降低[6]；藍(lán)光不僅提高生菜種子發(fā)芽指數(shù)[16]，還提高了生菜粗蛋白的含量[17]；藍(lán)光用于金銀花的研究結(jié)果表明，藍(lán)光對葉片的增長有抑制作用，但藍(lán)光卻能提高葉綠素a、葉綠素b和葉綠素（a+b）的含量。另外，黃光應(yīng)用于煙草培育，有助于煙株根部游離氨基酸的積累[18]，但對植物株高和莖圍的生長有抑制作用[11]；黃光還可以用于促進(jìn)蘆薈可溶性糖含量和葉綠素含量的升高[9]?；旌瞎獾膱?bào)道相對較少，并且主要集中在紅光和藍(lán)光配比。

根據(jù)補(bǔ)光設(shè)備的不同，人工光源經(jīng)歷了高壓鈉燈、金鹵燈、熒光燈和LED燈4個階段。高壓鈉燈和金鹵燈因其發(fā)熱量大、能耗高等問題正在逐步退出補(bǔ)光領(lǐng)域，熒光燈的光視效能大概在60～90 lm/W，使用壽命約為10000 h，被廣泛應(yīng)用。雖然熒光燈需要使用水作為激發(fā)源，不環(huán)保，但在LED出現(xiàn)前，它是主要的補(bǔ)光光源。普通的白光LED光視效能可達(dá)到130～150 lm/W，使用壽命為100000 h，不含水銀、環(huán)保、體積小、便于個性封裝，價(jià)格雖高，但在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐漸增加。

茄果類蔬菜是指茄科植物中以漿果為食用器官的蔬菜，包括番茄、茄子、辣椒等，前3種茄果類蔬菜最為常見。茄果類蔬菜不但營養(yǎng)豐富，果實(shí)中含有較多的糖類、有機(jī)酸、多種維生素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營養(yǎng)元素，而且結(jié)果期長、產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、分布范圍廣、栽培面積大，因此在生產(chǎn)、供應(yīng)等方面都占有重要的地位。育苗質(zhì)量直接決定了植物成活率和植物生長的整體素質(zhì)，茄果類蔬菜亦是如此。普通育苗多采用塑料大棚育苗，對于環(huán)境因子（光、溫、水、氣、肥）很難做到精準(zhǔn)控制，而智能溫室或植物工廠育苗能夠解決此問題。植物工廠光照采用人工光，但光質(zhì)對于茄果類蔬菜影響的報(bào)道相對較少。有研究表明，補(bǔ)光改變了番茄葉片光合速率日變化規(guī)律，延長光合作用時間[19]。蔡鴻昌等[20]通過研究不同光質(zhì)下番茄穴盤幼苗的生長情況，證實(shí)了苗期在白光的基礎(chǔ)上補(bǔ)充一定的紅光或紅藍(lán)光組合更有利于培育壯苗，因?yàn)榧t藍(lán)光復(fù)合光質(zhì)使得幼苗矮壯，比葉面積小，根冠比及壯苗指數(shù)高，從而有利于生長發(fā)育[21]。植物所含的葉綠素對強(qiáng)吸收波長400～480 nm的藍(lán)光和650～680 nm范圍內(nèi)的紅光有吸收，對綠光吸收不明顯[22]。

本研究用自制發(fā)射波長為630 nm的紅色熒光粉和商用藍(lán)光芯片（455 nm）組合封裝得到LED光源，并根據(jù)熒光粉的封裝濃度調(diào)整光譜中紅色光譜和藍(lán)色光譜的比例，應(yīng)用于番茄、茄子和辣椒育苗?？疾炝薒ED植物生長燈和熒光燈在相同功率輸出條件下對于茄果類蔬菜育苗的影響，探明了茄果類蔬菜在幼苗形態(tài)、生理特性和光合參數(shù)上面的差別，分析了不同波段的光質(zhì)對于茄果類蔬菜育苗過程的作用方式和機(jī)理。

材料與方法

試驗(yàn)材料與處理

試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。種子用高錳酸鉀浸泡5～6 min，用蒸餾水清洗之后置于培養(yǎng)皿中，在26℃的恒溫箱里培養(yǎng)2～3天，發(fā)芽之后移到育苗專用基質(zhì)中進(jìn)行漂浮育苗，漂浮盆放置在四層鐵架臺上，鐵架臺安裝功率相同且不同光質(zhì)的燈具。實(shí)驗(yàn)室的溫度保持在25～28℃，濕度保持在75%～85%。

處理組LED光源為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室自主研制的熒光粉激發(fā)型LED燈。光源為自制的紅色熒光粉Sr0.5Ca0.5SiAlN3：Eu2+與有機(jī)硅膠按照一定質(zhì)量比混合，然后與藍(lán)光芯片封裝成長60 cm、寬30 cm的平面光源器件。設(shè)置6個處理組，分別為處理組1、2、3、4、5、6。處理組1～4的LED光源分別按照熒光粉與硅膠1：3、1：5、1：10、1：20的質(zhì)量比制成的LED植物光源，以飛利浦熒光燈與自然光為對照。設(shè)置光照周期為12 h，時間為8：00～20：00。各處理組的光譜設(shè)置如表1所示。

測定指標(biāo)及方法

幼苗形態(tài)的測定

待培養(yǎng)45天之后，隨機(jī)選取同一品種、不同漂浮盆里的幼苗，分別測量熒光粉激發(fā)型LED與普通熒光燈下辣椒、番茄與茄子的幼苗形態(tài)（株高、莖粗、根長、鮮樣質(zhì)量、干樣質(zhì)量、壯苗指數(shù)）。用直尺測定株高、根長；用游標(biāo)卡尺測定莖粗；壯苗指數(shù)=莖粗/株高×全株干樣質(zhì)量。

生理特性的測定

分別測定熒光粉激發(fā)型LED與普通熒光燈下辣椒、番茄與茄子的生理特性（可溶性糖、根系活力、類胡蘿卜素、含氮量）。根系活力用TTC法測定；可溶性糖用蒽酮比色法測定；類胡蘿卜素含量用UPLC（高效液相色譜法）；含氮量用凱式定氮法。

光合參數(shù)的測定

使用美國生產(chǎn)的LI-6400XT光合測定儀測定其凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等光合作用參數(shù)。

數(shù)據(jù)處理

各處理數(shù)據(jù)測定3次，采用Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與制圖。

結(jié)果與分析

不同光照對茄果類蔬菜幼苗形態(tài)的影響

分別采用處理組1～6共計(jì)6組光譜用于辣椒、番茄、茄子育苗，待育苗完成后測試?yán)苯贰⒎?、茄子幼苗的形態(tài)構(gòu)成，如表2～4所示。

不同光照對辣椒幼苗形態(tài)的影響

由表2可知，分別從株高、莖粗、根長、鮮樣質(zhì)量與干樣質(zhì)量綜合比較，處理組1的幼苗形態(tài)最差，處理組3的幼苗形態(tài)最好。辣椒幼苗采用LED燈補(bǔ)光的幼苗形態(tài)均比采用熒光燈、自然光補(bǔ)光的幼苗形態(tài)好，所以LED光源對辣椒幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，LED光源是促進(jìn)辣椒幼苗形態(tài)的最佳光源。

不同光照對番茄幼苗形態(tài)的影響

由表3可知，分別從株高、莖粗、根長、鮮樣質(zhì)量與干樣質(zhì)量綜合比較，處理組1的幼苗形態(tài)最差，處理組3的幼苗形態(tài)最好。番茄幼苗采用LED燈補(bǔ)光的幼苗形態(tài)均比采用熒光燈、自然光補(bǔ)光的幼苗形態(tài)要好，所以LED光源對番茄幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，LED光源是促進(jìn)番茄幼苗形態(tài)的最佳光源。李軍等[23]采用3種不同光質(zhì)（藍(lán)、紅、白）LED光源對秋番茄植株生長及果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)的影響進(jìn)行研究，認(rèn)為在藍(lán)光、紅光組合處理下，植株的相對株高、節(jié)間距、葉面積顯著降低，莖粗顯著增加。試驗(yàn)處理組3的LED光源既能促進(jìn)根與葉面積增長，也能促進(jìn)株高、莖粗、鮮樣質(zhì)量顯著增長。

不同光照對茄子幼苗形態(tài)的影響

由表4可知，分別從株高、莖粗、根長、鮮樣質(zhì)量與干樣質(zhì)量綜合比較，處理組1的幼苗形態(tài)最差，處理組3的幼苗形態(tài)最好。茄子幼苗采用LED燈補(bǔ)光的幼苗形態(tài)均比采用熒光燈、自然光補(bǔ)光的幼苗形態(tài)要好，所以LED光源對番茄幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，LED光源是促進(jìn)番茄幼苗形態(tài)的最佳光源。

不同光照對辣椒、番茄與茄子幼苗生理特性的影響

分別采用處理組1～6共計(jì)6組光譜用于辣椒、番茄、茄子育苗，待育苗完成后測試?yán)苯?、番茄、茄子幼苗的生理特性，如圖1～3所示。

不同光照對辣椒幼苗生理特性的影響

由圖1可知，綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對辣椒幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，所以該光源是促進(jìn)辣椒幼苗形態(tài)的最佳光源。本試驗(yàn)采用的熒光粉激發(fā)型LED，在普通LED的基礎(chǔ)上更能顯著提高幼苗的可溶性糖含量、根系活力、類胡蘿卜素含量和含氮量。

不同光照對番茄幼苗生理特性的影響

由圖2可知，綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對番茄幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，為最佳光源。唐大為等[24]以白色熒光燈為對照，采用LED光源研究紅光、藍(lán)光、紅藍(lán)組合光（R/B=9：1、8：2、7：3、6：4、5：5）對黃瓜幼苗生長和生理特性的影響，結(jié)果證明，紅光處理下黃瓜可溶性糖的含量顯著高于對照。由于紅光芯片較貴，本試驗(yàn)采用的熒光粉激發(fā)型LED相對制作簡單而且價(jià)格便宜。

不同光照對茄子幼苗生理特性的影響

由圖3可知，相比于其他補(bǔ)光下的幼苗，處理組3的LED光源下的幼苗含氮量顯著提高，類胡蘿卜素含量大幅度增加，可溶性糖含量和根系活力也有一定程度上的增加。綜合上述分析，處理組3的LED光源為最佳光源。

不同光照對辣椒、番茄與茄子幼苗光合參數(shù)的影響

分別采用處理組1～6共計(jì)6組光譜用于辣椒、番茄、茄子育苗，待育苗完成后測試?yán)苯?、番茄、茄子幼苗的光合參?shù)，如圖4～6所示。

不同光照對辣椒幼苗光合參數(shù)的影響

由圖4可知，處理組3的LED光源下的辣椒幼苗相比其他補(bǔ)光下的幼苗，凈光合速率和蒸騰速率都有大幅度的提高，氣孔導(dǎo)度增加量相對比較小。綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對茄子幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，為最佳光源。

不同光照對番茄幼苗光合參數(shù)的影響

由圖5可知，處理組3的LED光源下的番茄幼苗相比其他補(bǔ)光下的幼苗凈光合速率和蒸騰速率都有大幅度的提高，氣孔導(dǎo)度增加量相對比較小。綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對番茄幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，為最佳光源。

不同光照對茄子幼苗光合參數(shù)的影響

由圖6可知，處理組3的LED光源下的辣椒幼苗相比其他補(bǔ)光下的幼苗凈光合速率和蒸騰速率都有大幅度的提高，氣孔導(dǎo)度增加量相對比較小。綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對茄子幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，為最佳光源。

結(jié)論

本試驗(yàn)通過自制紅色熒光粉封裝得到LED植物光源，并將組裝得到的LED植物燈燈具，成功應(yīng)用于茄果類蔬菜育苗當(dāng)中。

光是植物生長發(fā)育的必要因素之一，光質(zhì)對植物幼苗的幼苗形態(tài)生理特性及光合參數(shù)均有一定的影響。本試驗(yàn)中，熒光粉與硅膠按不同的質(zhì)量比制成的LED光源對辣椒番茄和茄子幼苗的幼苗形態(tài)生理特性及光合參數(shù)均表現(xiàn)出了一定的調(diào)節(jié)作用。這與蘇娜娜等[25]研究LED光質(zhì)補(bǔ)光對黃瓜幼苗生長和光合特性的影響，以及徐凱等[26]研究不同光質(zhì)對草莓葉片光合作用和葉綠素?zé)晒獾挠绊懴嘁恢隆?/p>

本試驗(yàn)處理組1的LED光源補(bǔ)光幼苗的幼苗形態(tài)、生理特性及光合參數(shù)最差，處理組3的LED光源補(bǔ)光的幼苗的幼苗形態(tài)、生理特性及光合參數(shù)最好。但所有的熒光粉激發(fā)型LED光源補(bǔ)光的幼苗的幼苗形態(tài)、生理特性及光合參數(shù)均明顯高于對照組。

致謝

感謝湖南綠米科技有限公司提供試驗(yàn)所涉及的LED燈具，感謝湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供試驗(yàn)環(huán)境。

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項(xiàng)目支持：湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2016JJ3065）。

作者簡介：龔婷（1995-），湖南常德人，本科生，研究方向：植物光學(xué)。

通信作者：周智（1982-），湖南益陽人，博士，碩士生導(dǎo)師湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任，研究方向：植物光學(xué)。