LED紅藍(lán)光質(zhì)比及其光周期對櫻桃蘿卜品種生長與產(chǎn)量的影響

査凌雁，劉文科

(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，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

LED紅藍(lán)光質(zhì)比及其光周期對櫻桃蘿卜品種生長與產(chǎn)量的影響

査凌雁，劉文科

(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，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

采用LED光源在室內(nèi)可控環(huán)境下研究了紅藍(lán)光配比(R∶B)與光周期對櫻桃蘿卜生長與產(chǎn)量的影響，以探索適合櫻桃蘿卜工廠化生產(chǎn)的光照條件。試驗設(shè)置了2種紅藍(lán)光比(1R∶1B、2R∶1B)和2種光周期(12/12、16/8)。結(jié)果表明，光周期為12/12時，1R∶1B和2R∶1B處理的真葉數(shù)、葉片葉綠素含量、根長、根直徑、根體積以及地上部和肉質(zhì)根干鮮重均無顯著差異。光周期為16/8時，2R∶1B處理顯著提高了櫻桃蘿卜的根直徑、根體積和肉質(zhì)根干鮮重，同時略增加了地上部干鮮重和新葉葉綠素含量。光質(zhì)一定時，葉片葉綠素含量隨光周期延長顯著增加。光質(zhì)2R∶1B、光周期16/8處理的真葉數(shù)、新葉葉綠素含量、根長、根直徑、根體積、地上部和肉質(zhì)根干鮮重以及根冠比均為最高。總之，光質(zhì)和光周期共同影響櫻桃蘿卜的生長發(fā)育，較高的紅藍(lán)比與較長的明期有利于提高櫻桃蘿卜地上部和肉質(zhì)根的生長發(fā)育。

人工光植物工廠；紅藍(lán)光比；光質(zhì)；光周期；根菜；產(chǎn)量

引言

植物工廠作為設(shè)施園藝的最高形式在生產(chǎn)中具有露地栽培無法比擬的優(yōu)勢，可避免外界環(huán)境影響，實現(xiàn)周年連續(xù)生產(chǎn)，縮短生長周期，提高產(chǎn)品的安全性及品質(zhì)等。近年來，LED作為一種更有效的光源廣泛應(yīng)用于植物工廠[1]。LED具有節(jié)能、光譜精確、體積小、使用壽命長、可按需調(diào)制等優(yōu)點。LED植物工廠是植物工廠的發(fā)展方向，能通過精確的光環(huán)境調(diào)控提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。相較而言小型植物，例如葉菜、小型根菜、藥用植物等更適合植物工廠栽培。但是，就目前而言LED植物工廠主要培育種植生菜、菠菜等葉菜類蔬菜[2-4]。早期研究也多以生菜為主的葉類蔬菜為對象進(jìn)行光照等環(huán)境條件的研究[4-6]。而根菜目前在植物工廠中種植較少，并且關(guān)于光環(huán)境對根菜調(diào)控研究也較少。櫻桃蘿卜是一種生長周期短，株型矮小根菜作物，并且其地上部及地下部均可食用，營養(yǎng)豐富，經(jīng)濟(jì)價值高非常適宜在植物工廠中栽培。

光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期是光環(huán)境的關(guān)鍵組成部分，三者均可對根菜作物的生長發(fā)育產(chǎn)生顯著影響。早期報道蘿卜的形態(tài)顯著依賴于光質(zhì)，單獨紅光下，蘿卜不形成膨大根，根冠比低，但對地上部影響不大[7-9]。補(bǔ)充藍(lán)光能夠促進(jìn)非結(jié)構(gòu)糖在地上部和貯藏根的分配，從而促進(jìn)貯藏根的增粗[10]。紅光LED補(bǔ)充10%藍(lán)色熒光能夠顯著增加蘿卜干重且仍無法達(dá)到蘿卜的最大生長效率[11]。但Drozdova等[7]發(fā)現(xiàn)在1 440 μmol·m-2·s-1紅光下，蘿卜生長后期肉質(zhì)根中也能積累大量的干物質(zhì)。多個研究表明足夠的光照強(qiáng)度是根菜的肉質(zhì)根的生長發(fā)育的關(guān)鍵顯著影響[12-15]。隨著光強(qiáng)的下降，根甜菜、胡蘿卜、蘿卜的貯藏根干鮮重均顯著降低，但不同光強(qiáng)下根甜菜、胡蘿卜的地上部鮮重維持不變，蘿卜地上部干鮮重隨光強(qiáng)降低而降低但影響程度比根部輕[16]。延長光照時間增加了作物光合作用的時長，從而促進(jìn)作物生長。隨著光周期的增加蘿卜的地上部和肉質(zhì)根干鮮重、葉面積葉綠素濃度均顯著增加，但光周期增加至24 h時，增加效果有所減弱[17-19]。相同DLI(Daily light Integral)下長光周期，低光強(qiáng)更有利于蘿卜干物質(zhì)的累積和葉面積的增加[17,20]。

光強(qiáng)和光周期這三個光環(huán)境因子并不是相互獨立的，而是共同影響植物生長發(fā)育。不同光強(qiáng)下，光質(zhì)對植物的影響也會發(fā)生改變，光強(qiáng)100 μmol·m-2·s-1時，不同紅藍(lán)光比下生菜干重差異不大，而光強(qiáng)200、300 μmol·m-2·s-1時，藍(lán)紅比0.23～0.33的干重顯著高于其他比例[21]。Kang 等[4]研究發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)230 μmol·m-2·s-1時生菜的生物量隨著光周期的增加而增加，但光強(qiáng)260 μmol·m-2·s-1時生菜的生物量隨著光周期的增加而降低。Inada 和 Yabumoto[12]采用金屬鹵化物燈和高壓鈉燈研究了不同光質(zhì)和光強(qiáng)對蘿卜生長的影響，發(fā)現(xiàn)高紅藍(lán)比、低紅光遠(yuǎn)紅光對蘿卜隨光強(qiáng)增加的效果顯著高于其他光質(zhì)，但因其光譜范圍廣，無法確定是不同光質(zhì)的作用。目前關(guān)于多個光環(huán)境因子對蘿卜影響的研究相對較少，并且大多研究因光源的限制無法同時對光照強(qiáng)度、光質(zhì)進(jìn)行精確的調(diào)控。

因此本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，采用紅藍(lán)LED作為光源，研究不同紅藍(lán)光質(zhì)和光周期對櫻桃蘿卜品種生長與產(chǎn)量的影響。以探索多個光環(huán)境因子對櫻桃蘿卜的共同作用，篩選出適宜櫻桃蘿卜生長發(fā)育的人工光生產(chǎn)的光環(huán)境條件。以更低的能量投入實現(xiàn)櫻桃蘿卜在植物工廠中的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及栽培管理

試驗于2016年7月在中國農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所實驗室進(jìn)行，試驗材料為蘿卜(Raphanus sativus L.)，品種為常豐紅櫻桃蘿卜。2016年7月9日播種在培養(yǎng)槽(長38 cm×寬18 cm×高10 cm)中，栽培基質(zhì)是1∶1均勻混合的草炭和蛭石，基質(zhì)深約8 cm。出苗后5天定植，每槽定植10株。試驗過程中，每槽每天澆水200 ml；播種后第五天開始每隔五天每槽噴灑200 ml營養(yǎng)液。營養(yǎng)液配方(20L)為硫酸鉀2.61 g、磷酸二氫鉀1.36 g、氯化鉀0.149 g、硫酸鎂3.2 g、硝酸鈣11.8 g、EDTA2Na 0.746 g、七水合硫酸亞鐵0.556 g、微量元素2 ml。栽培槽放置在栽培箱(長75 cm×寬75 cm×高90 cm)中，栽培箱頂部中央懸掛LED紅藍(lán)光組合燈板(50 cm×50 cm)，紅藍(lán)光主波長分別為619 nm和548 nm。紅藍(lán)燈珠交錯分布，光質(zhì)均勻。采用LI-1500輻射照度測量儀和LI-190R光合有效輻射傳感器(美國LI-COR公司)測定栽培槽中心上方5 cm處光強(qiáng)，調(diào)至試驗所需光強(qiáng)及光質(zhì)。栽培溫度維持在(26～29)℃；

1.2 試驗處理

試驗共設(shè)置2個光周期水平處理：光期12小時，暗期12小時；光期16小時，暗期8小時。每個光周期水平下設(shè)置2個不同紅藍(lán)光比光質(zhì)處理：紅藍(lán)光比例分別為1∶1、2∶1。試驗一共包含4個處理。所有處理光照強(qiáng)度均為240 μmol·m-2·s-1。

1.3 取樣與測試方法

在定植后24天每個處理選擇長勢具有代表性的三棵植株測定真葉數(shù)、葉綠素含量、根長、根直徑、根體積以及地上部和肉質(zhì)根的干鮮重。葉綠素含量采用SPAD葉綠素儀測定。選擇游標(biāo)卡尺測量根長和根部膨大最大處的直徑。地上部和肉質(zhì)根鮮重分別稱量后放到105 ℃烘箱中殺青后，用80 ℃烘48小時至恒重稱量干重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用SPSS 16.0進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 LED紅藍(lán)光質(zhì)比及光周期對櫻桃蘿卜地上部生長及生物量的影響

由表1可以看出，不同光照處理之間的真葉數(shù)差異不顯著；新葉和老葉葉綠素含量均是光周期16/8的兩個處理顯著高于光周期12/12的兩個處理。不同紅藍(lán)光質(zhì)比及光周期對櫻桃蘿卜的地上部鮮重和干重均無顯著影響。1R∶1B 12/12和2R1B 16/8兩個處理的地上部鮮重相對較高，而地上部干重則是1R∶1B 12/12處理略高于其他三個處理。光周期顯著影響葉綠素含量，但對真葉數(shù)和地上部含量均無顯著影響。

2.2 LED紅藍(lán)光質(zhì)比及光周期對櫻桃蘿卜肉質(zhì)根形態(tài)和干鮮重的影響

如表2所示，不同紅藍(lán)光質(zhì)比及光周期處理對櫻桃蘿卜肉質(zhì)根根長影響不顯著。相同光周期下2R∶1B 處理的根長略高于1R∶1B處理。光質(zhì)比2R∶1B、光周期16/8處理的根直徑、根體積以及肉質(zhì)根干鮮重均顯著高于其他處理。光周期為12/12時，1R∶1B和2R∶1B處理的根直徑、根體積以及肉質(zhì)根干鮮重均無顯著差異，而光周期為16/8時，2R∶1B處理的根直徑、根體積以及肉質(zhì)根干鮮重要顯著高于1R∶1B處理。方差分析結(jié)果顯示，光質(zhì)比對根長、根直徑和干鮮重有顯著作用，而光周期對肉質(zhì)根各形態(tài)指標(biāo)和生物量均無顯著影響。光質(zhì)比和光周期交互作用對根直徑、根體積和干鮮重的影響要顯著高于這兩個因子的單獨影響。

表1 紅藍(lán)光質(zhì)比及光周期對櫻桃蘿卜葉片數(shù)量、葉綠素含量和地上部干鮮重的影響Table 1 Effect of red:blue ratio and photoperiod on true leaf number，chlorophyll content(SPAD value) and fresh and dry weight of shoot in cherry radish

表2 紅藍(lán)光質(zhì)比及光周期對櫻桃蘿卜肉質(zhì)根形態(tài)和干鮮重的影響

2.3 LED紅藍(lán)光質(zhì)比及光周期對櫻桃蘿卜根冠比的影響

如圖1所示，光質(zhì)比2R∶1B、光周期16/8處理的鮮重根冠比和干重根冠比均顯著高于其他處理。光周期為12/12時，1R∶1B和2R∶1B處理的鮮重根冠比和干重根冠比均無顯著差異，而光周期為16/8時，2R∶1B處理的鮮重根冠比和干重根冠比均顯著高于1R∶1B處理。光質(zhì)比2R∶1B、光周期16/8 處理的鮮重根冠比高于干重根冠比，而其他三個處理則相反。

圖1 LED紅藍(lán)光質(zhì)比及光周期對櫻桃蘿卜鮮重根冠比和干重根冠比的影響Fig.1 Effect of red:blue ratio and photoperiod on FW root-shoot ratio and DW root-shoot ratio in cherry radish

3 討論與結(jié)論

在試驗二中僅葉綠素含量表現(xiàn)出隨著光周期增加而增加的趨勢。生菜和蘿卜的葉長、葉面積、干鮮重、葉綠素濃度、凈同化率都隨著光周期的延長而增加[12]。Adams和 Langton[22]總結(jié)多人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)50種植物中有41種在長日照條件下葉面積增加，并且長日照能夠促進(jìn)長日植物和短日植物干重的增加。本研究中當(dāng)紅藍(lán)光比例為2∶1時，蘿卜干鮮重等指標(biāo)才表現(xiàn)出與前人研究相一致的結(jié)果。前文也論證了比例為2∶1的紅藍(lán)光更有利于蘿卜的生長發(fā)育，這說明在光質(zhì)適宜的條件下適當(dāng)提高光照時間能夠促進(jìn)蘿卜鮮重和干重。同時紅藍(lán)光比1∶1、光周期12/12的處理也有較高的地上部鮮重和根鮮重。

光周期和光質(zhì)同時作用于蘿卜時，二者共同影響蘿卜的生長發(fā)育，紅藍(lán)光比1R∶1B、光周期12/12的處理能夠提高的地上部鮮重和根鮮重，而紅藍(lán)光2R∶1B、光周期16/8的處理則有利于同時提高地上部和根的鮮重與干重。2R∶1B、光周期16/8的處理的櫻桃蘿卜生物量顯著高于其他光質(zhì)光周期組合。

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EffectsofLightQualityandPhotoperiodonGrowthandYieldofCherryRadishGrownunderRedPlusBlueLEDs

ZHA Lingyan，LIU Wenke
(InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture，ChineseAcademyofAgriculturalSciences;KeyLab.ofEnergyConservationandWasteManagementofAgriculturalStructures，MinistryofAgriculture，Beijing100081，China)

In order to optimize the light condition of plant factory with LED light source for cherry radish growth，the effects of red light to blue light ratio and photoperiod of LED light source on growth and yield of cherry radish grown in environmentally-controlled chamber were investigated.Two light quality treatments of various red light to blue light ratios(1R∶1B and 2R∶1B) and two photoperiods were designed.The results showed that light quality did not affect true leaf number，leafy chlorophyll content，shoot and root biomass under 12 hours photoperiod.However，under 16 hours photoperiod，2R∶1B treatment improved root diameter，root volume and storage root dry & fresh weight compared with 1R∶1B.Under certain light quality，leafy chlorophyll content increased with prolonged with photoperiod.The most optimal light quality and photoperiod for cherry radish was red light to blue light ratio 2R∶1B，and 16 hours photoperiod for cherry radish production in plant factory.

plant factory with artificial light；red light to blue light ratio；light quality；photoperiod；root vegetable；yield

國家自然科學(xué)基金面上項目(31672202)，“十二五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2013AA103001)

劉文科，Email：liuwenke@caas.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.015