不同紅外補(bǔ)光模式對(duì)植物工廠生菜生長及品質(zhì)的影響*1

馬太光，陳曉麗，郭文忠，李靈芝，李海平**

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，太谷 030801；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

不同紅外補(bǔ)光模式對(duì)植物工廠生菜生長及品質(zhì)的影響*1

馬太光1,2，陳曉麗2,3，郭文忠2，李靈芝1，李海平1**

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，太谷 030801；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

試驗(yàn)在密閉植物工廠內(nèi)進(jìn)行，以0：00-12：00照射的白色LED光為基礎(chǔ)光，在保證生菜正常生長的前提下以兩種峰值波長的LED紅外光（850nm和930nm）作為補(bǔ)充光，通過調(diào)節(jié)紅外光補(bǔ)光的時(shí)間點(diǎn)使之與白光形成半重疊（S）、全重疊（O）、不重疊（N）3種模式，分別為Fr930S、Fr850S、Fr930O、Fr850O、Fr930N、Fr850N共6個(gè)處理，各處理白光及紅外光的光強(qiáng)度、供光時(shí)長均一致，且處理間的耗電量也基本一致。通過測(cè)定各處理生菜生長及品質(zhì)指標(biāo)，以分析不同紅外光對(duì)生菜的作用是否獨(dú)立或依賴于基礎(chǔ)光，以及在相同耗電量下紅外光的最佳補(bǔ)光模式。結(jié)果表明：（1）同一峰值波長的紅外光在不同補(bǔ)光模式下對(duì)生菜的生長和品質(zhì)影響各異；而同一補(bǔ)光模式下，不同峰值波長紅外光對(duì)生菜的生長及品質(zhì)的影響也存在差異。（2）6個(gè)處理中，850nm紅外光獨(dú)立于白光補(bǔ)光時(shí)，生菜地上食用部分的鮮重最高；而生菜粗蛋白和可溶性糖含量均在 850nm紅外光半重疊模式下最高；930nm獨(dú)立補(bǔ)光時(shí)生菜Vc含量最高，硝酸鹽含量最低。因此，實(shí)際生產(chǎn)中，在耗能基本一致的前提下，可根據(jù)生產(chǎn)目的對(duì)紅外光的種類及其相對(duì)于基礎(chǔ)光的補(bǔ)光模式進(jìn)行選擇和調(diào)節(jié)。

LED；植物工廠；生菜；紅外光；營養(yǎng)品質(zhì)

生菜（Lactuca sativa L.）是葉用萵苣的俗稱，屬菊科萵苣屬，為1～2年生草本植物。生菜營養(yǎng)豐富，市場(chǎng)需求量大，隨著人們生活水平的提高，對(duì)高品質(zhì)蔬菜的需求也越來越迫切。植物工廠采用多層立體栽培，全方位精細(xì)調(diào)控生長環(huán)境，不受外部環(huán)境的影響，在極大提高生菜單位面積產(chǎn)量的同時(shí)，有效減少病蟲害的發(fā)生，安全無污染，可最大限度滿足人們對(duì)生菜產(chǎn)量及品質(zhì)的需求[1-2]。

光是植物生長的重要環(huán)境因子之一，包含光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期三個(gè)要素。光在植物光合作用、生長發(fā)育以及光形態(tài)建成等方面起著至關(guān)重要的作用[3]。在密閉植物工廠中，人工光源是植物生長的主要光源。早期使用的人工光源主要有白熾燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和熒光燈等，這些光源存在光譜不可調(diào)、耗電量大、電能利用率低等缺點(diǎn)。發(fā)光二極管（LED）作為新型的光源，具有波段窄、波譜可調(diào)節(jié)，產(chǎn)熱小以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，已被廣泛應(yīng)用于設(shè)施園藝尤其是密閉植物工廠的生產(chǎn)和研究中[6-8]。

人工補(bǔ)光及光環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控是提高植物工廠蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的重要技術(shù)之一，目前關(guān)于 LED光配方的研究已涉及紅藍(lán)光、綠光、紫外光、紅外光等[9-14]。其中，單一的紅外光雖然不能滿足作物的正常生長，但是作為補(bǔ)充光質(zhì)，紅外光具有改變植物光敏色素狀態(tài)，調(diào)節(jié)植物結(jié)構(gòu)和生殖反應(yīng)的功能[15]。Heo等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在熒光燈的基礎(chǔ)上補(bǔ)充紅外光后鼠尾草的株高顯著增加。Stutte等[16]對(duì)生菜的研究發(fā)現(xiàn)，紅外光能刺激生菜葉片向上伸長生長，從而提高生菜單位葉面積的光量子接收量。Li等[13]探究以白光為基礎(chǔ)光，補(bǔ)充不同LED單質(zhì)光對(duì)生菜生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充紅外光（750nm）能提高生菜生物量和維生素 C（Vc）含量，但葉片中類胡蘿卜素的含量顯著減少；Chen等[9]也發(fā)現(xiàn)，與白光相比，補(bǔ)充紅外光（850nm）能顯著提高Vc含量，而生菜的葉綠素和類胡蘿卜素含量顯著降低。因此，在光質(zhì)調(diào)控中補(bǔ)充紅外光對(duì)植物工廠中蔬菜高效生產(chǎn)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，有關(guān)白光對(duì)蔬菜生長影響的研究已有較多報(bào)道，但國內(nèi)外關(guān)于紅外光對(duì)蔬菜影響的研究報(bào)道甚少，而不同紅外光補(bǔ)光模式調(diào)控蔬菜生長及營養(yǎng)品質(zhì)方面的研究鮮見報(bào)道。由此，本試驗(yàn)以白光為基礎(chǔ)光，在滿足生菜正常生長的前提下，以兩種峰值波長的紅外光（850nm和930nm）為補(bǔ)充光，調(diào)節(jié)紅外光供光時(shí)刻使之與白光形成全重疊、半重疊、不重疊三種模式，通過測(cè)定生菜生長動(dòng)態(tài)以及生物量、光合色素、Vc、可溶性糖及粗蛋白含量，探究紅外光對(duì)生菜的作用是否獨(dú)立或者受基礎(chǔ)光的影響，以及在同等耗電量下紅外光的最佳補(bǔ)光模式，以期為不同生產(chǎn)目的采取不同補(bǔ)光模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 光源參數(shù)

使用北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心研制的LED專用植物生長燈板（800mm×800mm×80mm），該燈板由白光（W）與紅外光（Fr）組成，每種光質(zhì)的強(qiáng)度及供光時(shí)間可以獨(dú)立設(shè)定和調(diào)節(jié)。紅外光有兩種峰值波長，分別為 850nm（Fr850）和 930nm （Fr930），其光譜見圖 1。光強(qiáng)度和光譜的測(cè)定采用USB-650型光譜儀（Ocean Optical, USA）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)在密閉植物工廠內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)材料為紅生1號(hào)生菜。先將生菜種子放在4℃條件下催芽，露白后播種至海綿塊中育苗，播種 15d后定植到水培槽上（800mm×800mm×100mm），每個(gè)水培槽上種植 36株，株距13cm。晝/夜溫度設(shè)置為22 /17℃ ℃，由空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)植物工廠內(nèi)溫度，每日 7：00-23：00控制溫度恒定為22℃，23：00-7：00為17℃。植物工廠內(nèi)空氣濕度65%，CO2濃度400μmol·mol-1，營養(yǎng)液 pH6.5，EC保持在 1.45mS·cm-1左右，營養(yǎng)液每周更換一次。試驗(yàn)生菜育苗階段共15d，不進(jìn)行光處理，定植期開始進(jìn)行光處理，定植24d后收獲，并測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

圖1 白光加兩種波峰紅外補(bǔ)充光的光譜圖Fig. 1 The spectrum of white light plus two kinds of far-red supplemental light

定植當(dāng)天開始人工光處理，通過LED燈板垂直懸掛于距離水培槽栽培板正上方25cm處供光。共設(shè)置6個(gè)處理，一個(gè)水培槽作為一個(gè)處理，分別為Fr930半重疊（Fr930S）、Fr850半重疊（Fr850S）、Fr930全重疊（Fr930O）、Fr850全重疊（Fr850O）、Fr930不重疊（Fr930N）、Fr850不重疊（Fr850N），各處理白光和紅外光的光強(qiáng)及供光時(shí)長相同，均為白光 160μmol·m-2·s-1、供光時(shí)長 12h，紅外光100μmol·m-2·s-1，供光時(shí)長12h，故每個(gè)處理用電量基本相同，而處理間差異在于紅外光供光時(shí)間段的不同，與基礎(chǔ)光（白光）形成了半重疊（S）、全重疊（O）、不重疊（N）3種模式，且紅外光有兩種不同的峰值波長。具體處理見表1。

表1 紅外補(bǔ)光與白光的組合模式Table 1 The combination mode of far-red supplement light and white light

1.3 項(xiàng)目測(cè)定與分析方法

生菜生長指標(biāo)動(dòng)態(tài)測(cè)定：隨機(jī)選取 6株生菜，重復(fù)3次，每5天用直尺測(cè)量并記錄生菜株高、株幅、葉長、葉寬。

收獲后指標(biāo)測(cè)定：取樣方法同生長指標(biāo)測(cè)定，取樣后先用電子天平稱量地上和地下部的鮮重，然后在60℃烘箱中烘至恒重后測(cè)其干重；葉綠素和類胡蘿卜素含量測(cè)定采用分光光度法[17]；粗蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[18]；Vc含量測(cè)定采用分光光度法[18]；可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法[19]；硝酸鹽含量測(cè)定采用紫外分光光度法[19]。

數(shù)據(jù)處理采用 Microsoft Excel 2013，顯著性差異分析采用SAS統(tǒng)計(jì)分析軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同補(bǔ)光模式對(duì)生菜生長的影響

由表2可見，不同補(bǔ)光模式處理24d后對(duì)生菜地上和地下部的生長影響不同。紅外與白光供光時(shí)間完全不重合處理中（Fr930N和Fr850N），生菜的地上干、鮮重均較大，而地下部干、鮮重間的差異則不顯著，說明紅外光與白光不重合時(shí)光照時(shí)間延長可使地上部重量顯著增加；但葉片長、寬以及株高均未表現(xiàn)出此變化特征，多表現(xiàn)為半重合處理中最高（Fr930S和Fr850S）?？傮w上看，紅外光與白光照射時(shí)間完全重合處理中（Fr930O和Fr850O），生菜的生長均表現(xiàn)最差，株高、葉片大小及地上鮮重均最低。比較相同時(shí)段補(bǔ)充兩種峰值波長紅外光照射下生菜生長情況，峰值波長為850nm的紅外光照射下生菜生長略優(yōu)于930nm紅外光，多個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)為差異顯著（P＜0.05）。

表2 不同處理生菜生長指標(biāo)比較Table 2 Comparison of the growth parameters of lettuce under different light treatments

由圖2可見，從定植到收獲期間，峰值波長為850nm的紅外光與白光不重疊補(bǔ)光處理（Fr850N）生菜生長較快，但峰值波長為 930nm的紅外光在相同的補(bǔ)光模式下（Fr930N）生菜生長速率與之相反；總的來看，在相同補(bǔ)光模式下，峰值波長為850nm的供光處理下生菜生長速率比峰值波長為930nm的較高，說明短波長的紅外光更有利于生菜生長。

2.2 不同補(bǔ)光模式對(duì)生菜葉片光合色素含量的影響

由圖3可知，不同補(bǔ)光模式對(duì)生菜葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響顯著。在紅外光與白光

供光時(shí)間半重疊的處理中，生菜葉片中葉綠素和類胡蘿卜素的含量表現(xiàn)為 850nm的紅外光處理（Fr850S）顯著高于930nm處理（Fr930S）（P＜0.05）；與之相反，紅外光與白光供光時(shí)間不重疊時(shí)，930nm的遠(yuǎn)紅光（Fr930N）更能促進(jìn)光合色素的形成（P＜0.05）；兩種峰值波長的紅外光與白光全重疊供光時(shí)，生菜葉片中的葉綠素和類胡蘿卜素含量均無顯著差異；總的來看，峰值波長為 930nm的紅外光與白光供光時(shí)間不重疊時(shí)，生菜葉片中總的葉綠素和類胡蘿卜素含量均最高，且與其它處理相比差異顯著（P＜0.05）。

圖2 不同處理下生菜植株生長變化過程Fig. 2 The growth dynamics of plants under different light treatments

圖3 不同處理下生菜中葉綠素和類胡蘿卜素含量的比較Fig. 3 The comparisons of the chlorophyll and carotenoid contents in lettuce among treatments

2.3 不同補(bǔ)光模式對(duì)生菜營養(yǎng)品質(zhì)的影響

如圖4可知，在紅外光與白光供光時(shí)間半重疊處理中，生菜各營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)均表現(xiàn)為 850nm的紅外光處理（Fr850S）優(yōu)于930nm處理（Fr930S），且Vc和可溶性糖的含量差異顯著（P＜0.05）；相反，在紅外光與白光供光時(shí)間不重疊的處理中，各營養(yǎng)指標(biāo)均表現(xiàn)為930nm的紅外光處理（Fr930N）下較好，但僅硝酸鹽含量與其它處理表現(xiàn)為差異顯著（P＜0.05），其它指標(biāo)均無顯著影響；總的來看，紅外光與白光供光時(shí)間完全重疊（O）時(shí)，生菜中的營養(yǎng)品質(zhì)均較低，且硝酸鹽含量最高（P＜0.05），說明紅外光和白光的供光時(shí)間重疊有利于硝酸鹽的積累。

圖 4 不同處理下生菜中營養(yǎng)物質(zhì)含量的比較Fig. 4 The comparisons of the nutritional qualities of lettuce among treatments

3 結(jié)論與討論

（1）試驗(yàn)表明，紅外光與白光供光時(shí)間完全不重疊即延長紅外光對(duì)生菜補(bǔ)光處理中，生菜的地上干、鮮重均較大，說明光照時(shí)間延長可促進(jìn)生菜地上部的生長；兩種峰值的紅外光在相同模式下對(duì)生菜進(jìn)行補(bǔ)光時(shí)，峰值波長為850nm的紅外光照射下生菜生長速率略高于930nm照射，這可能是由于短波長的紅外光能量較大，光敏色素接受短波長紅外光的刺激反應(yīng)更快，從而促進(jìn)生菜的生長。

（2）峰值波長為 930nm的紅外光與白光供光時(shí)間不重疊時(shí)，生菜葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量最高，但在半重疊下這兩種色素的含量均最少，而在全重疊補(bǔ)光處理中色素含量相差不大，可能由于半重疊和重疊補(bǔ)光生菜獲得輻射能較高，通過影響光敏色素的活性而抑制葉綠素和類胡蘿卜素蛋白的形成，是否受輻射能的影響還有待進(jìn)一步深入研究。

（3）整體看來，當(dāng)生菜中可溶性糖含量較低時(shí)，硝酸鹽含量就會(huì)增加，這可能是由于積累的可溶性糖能夠增加硝酸鹽還原酶信使RNA，從而導(dǎo)致硝酸鹽含量降低[20]。峰值波長為930nm的紅外光與白光不重疊供光處理中，可能由于生菜中的可溶性糖積累較多，從而降低硝酸鹽含量；粗蛋白含量在同一補(bǔ)光模式下差異均不顯著，可能蛋白質(zhì)合成酶受紅外光的影響不大。在半重疊補(bǔ)光處理中，生菜品質(zhì)指標(biāo)均表現(xiàn)為850nm的優(yōu)于930nm，而重疊補(bǔ)光處理中 Vc、粗蛋白和可溶性糖的含量均降低，但在不重疊供光處理中各營養(yǎng)指標(biāo)相差不大。

（4）本試驗(yàn) 6個(gè)處理的耗電量幾乎一致，但不同紅外補(bǔ)光處理下生菜生物量積累和營養(yǎng)指標(biāo)表現(xiàn)出較為明顯的差異。在850nm紅外光與白光不重疊補(bǔ)光處理下，生菜地上食用部分的鮮重最高，Vc含量在930nm紅外光與白光不重疊補(bǔ)光下最高；粗蛋白和可溶性糖含量均在850nm紅外光半重疊模式下最高；硝酸鹽含量在930nm紅外獨(dú)立補(bǔ)光模式下最低；但全重疊補(bǔ)光模式抑制生菜的生長和品質(zhì)含量的積累，因此，實(shí)際生產(chǎn)中，在耗能基本一致的前提下，可根據(jù)生產(chǎn)目的對(duì)紅外光的種類及其相對(duì)于基礎(chǔ)光的補(bǔ)光模式進(jìn)行選擇和調(diào)節(jié)。

綜上，紅外光對(duì)生菜生長和品質(zhì)的影響較復(fù)雜，受紅外光的峰值波長以及紅外光相對(duì)于基礎(chǔ)光的補(bǔ)光模式影響，但其影響機(jī)理目前尚不清晰，有待進(jìn)一步深入研究。另外，本試驗(yàn)涉及兩種峰值波長和三種補(bǔ)光模式，其它峰值波長的紅外光如 720nm、730nm等也需在下一步的試驗(yàn)中應(yīng)用，進(jìn)而驗(yàn)證本試驗(yàn)的研究結(jié)果。

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Effects of Far-red Light on the Growth and Qualities of Lettuce in Plant Factory

MA Tai-guang1,2,CHEN Xiao-li2,3,GUO Wen-zhong2,LI Ling-zhi1,LI Hai-ping1
(1.College of Horticulture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi, China; 2.Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Beijing 100097; 3. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

The experiment was carried out in a closed plant factory, where white light irradiation for 12h (0：00-12：00) was used as the basal light to ensure the normal growth of lettuce. Two kinds of LED far-red light (peak at 850nm and 930nm) were used as supplemental light. Three modes of far-red light that were respectively semi-overlapped(S), overlapped(O) and non-overlapped(N) relative to the basal white light were applied by adjusting the on and off time of far-red light. That was, six treatments which were respectively Fr930S, Fr850S, Fr930O, Fr850O, Fr930N, and Fr850N had been examined in the study. The light intensity, lighting period as well as the electric energy consumption were the same among treatments. The growth and nutritional qualities of lettuce were measured in order to analyze the effects of different far-red light as well as to determine the best supply mode of far-red light. The results showed that: (1) different modes of far-red light with the same peak wavelength resulted in various influence on the growth and quality of lettuce. Meanwhile, different peak wavelengths of far-red light with the same supply mode also caused discrepancies in the growth and quality of lettuce. (2) Among the six light treatments, the fresh weight of shoot was the highest under 850nm far-red light with non-overlapped mode; The crude protein andsoluble sugar content were both the highest under 850nm far-red light with semi-overlapped mode; The highest vitamin C content as well as the lowest nitrate content were both detected under 930nm far-red with non-overlapped mode. Therefore, during the practical production, based on the same energy consumption, people can choose and adjust the wavelength and supply modes of far-red light according to different productive purposes.

LED; Plant factory; Lettuce; Far-red light; Nutritional quality

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.05.004

馬太光,陳曉麗,郭文忠,等.不同紅外補(bǔ)光模式對(duì)植物工廠生菜生長及品質(zhì)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(5):301-307

2017-01-20**

。E-mail: lihp0205@163.com

國家“863”計(jì)劃（2013AA103005）

馬太光（1991-），碩士生，研究方向?yàn)槭卟嗽耘嗯c生理。E-mail:matg1717@163.com