不同LED光質(zhì)對番茄幼苗生長特性的影響

何詩行 何 堤 許春林 趙立軍 陳 亞

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

引言

番茄是我國設(shè)施園藝的主要作物之一，目前其栽培面積達(dá)101.17萬hm2[1-2]。采用大型設(shè)施周年生產(chǎn)番茄更需要大批量番茄壯苗供應(yīng)。因此，由自然光平面育苗方式向人造光立體培育苗是必然趨勢。與此同時培育壯苗作為設(shè)施番茄連續(xù)周年生產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對于果實(shí)產(chǎn)量以及品質(zhì)的保障發(fā)揮重要作用[3]。在影響幼苗生長的諸多環(huán)境因素中，對于人工光環(huán)境的研究，能夠降低連續(xù)陰雨天和霧霾等不利氣候?qū)ζ渖L的制約，有利于標(biāo)準(zhǔn)化育秧，對于設(shè)施番茄規(guī)范化生產(chǎn)管理以及實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)具有重要意義[4-6]。

光質(zhì)作為光環(huán)境中重要因素通過光受體調(diào)節(jié)植物的光形態(tài)建成和生長發(fā)育。Mc Cree曲線表明植物吸收光波波段集中在350～720 nm的可見光部分[7]， 600～700 nm之間的紅光是植物最主要的吸收波段，約占被吸收的生理輻射光能的85%，400～500 nm之間的藍(lán)光約占12%[8]，因此紅藍(lán)光是植物生長所必須的光質(zhì)。紅光主要用于生成同化物，積累生物量[9]，藍(lán)光是葉綠素合成和葉綠體形成的必要條件，通過控制氣孔形態(tài)影響植物形態(tài)[10]。在人工氣候條件下，植物的光合作用所需的光能完全依靠人工光源提供，因此選擇適宜的人工光源是十分必要的。

LED光源是一種可以近距離照射植物的冷光源，可根據(jù)種植目的選用特定光譜波長，能量轉(zhuǎn)化效率高[11]，在溫室高濕環(huán)境下，其使用壽命仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他光源[12]。隨著LED生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和制造成本的降低，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注于將其應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域，主要應(yīng)用在溫室補(bǔ)光和人工照明方面[13-16]。前人研究多關(guān)注于照明以及補(bǔ)光光質(zhì)對作物幼苗生長發(fā)育的影響，但在人工氣候條件下，針對番茄幼苗生長不同時期內(nèi)所需人工光源光質(zhì)的研究相對較少。

本文旨在人工氣候條件下，研究不同LED光源照射對番茄幼苗不同時期內(nèi)生長特性的影響，通過綜合評價方法篩選較優(yōu)的光質(zhì)組合，為設(shè)施番茄育苗過程中人工光源光質(zhì)的合理和高效選擇提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，為設(shè)施番茄短程栽培提供新的育苗模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以“佳人”番茄(LycopersiconesculentumMiller)為試驗(yàn)材料，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院提供，育苗基質(zhì)采用泥炭∶珍珠巖∶蛭石體積比為3∶1∶1的混合基質(zhì)，72穴秧盤育苗。

試驗(yàn)在人工氣候箱中進(jìn)行，試驗(yàn)光源為4種不同光質(zhì)的LED植物生長燈(深圳華宸節(jié)能照明有限公司)，紅藍(lán)光質(zhì)比值為3(RB3/1)、5(RB5/1)、7(RB7/1)和白光(W)，其中紅光峰值波長630 nm，藍(lán)光峰值波長為460 nm，波長半寬為20 nm。各處理采用6支功率為9 W的LED燈管作為照射光源，安裝固定于秧苗上方，光照方向由上至下，高度可調(diào)。不同處理之間均粘貼遮光紙避免外界光源和不同光源間的影響。對照組為無人工光源照射的自然光照。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年10—11月進(jìn)行。種子經(jīng)過晾曬、選種、消毒后放至28℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽，出芽后于10月28日播種，每穴1粒。芽出土后于11月1日開始光照處理，2～3 d澆一次水，至11月29日試驗(yàn)結(jié)束，處理周期為28 d。生長期間通過調(diào)節(jié)苗盤與光源之間距離使各處理的光量子通量密度為50 μmol/(m2·s)。利用單片機(jī)控制各組處理光照時間為06：00—18：00，保證明光期和暗光期為12 h。試驗(yàn)期間明光期溫度設(shè)定為28～30℃，暗光期溫度為19～21℃，相對濕度為50%～70%。

1.3 測試指標(biāo)與方法

1.3.1幼苗形態(tài)指標(biāo)的測定

每處理隨機(jī)選取10株幼苗，從11月1日開始每7 d采集一次指標(biāo)，用直尺測量番茄幼苗株高，用游標(biāo)卡尺測量下胚軸長度、莖粗和根長，統(tǒng)計(jì)根數(shù)，用紙樣稱量法測定葉面積[17]。壯苗指數(shù)、G值和根冠比參照文獻(xiàn)[18]。

1.3.2幼苗生物量指標(biāo)的測定

用分析天平(精度為0.000 1 g，美國奧豪斯DV215CD型電子分析天平)稱量幼苗鮮質(zhì)量，將地上部分與地下部分分離封于紙袋中105℃下殺青20 min，75℃下干燥至恒質(zhì)量后稱量地上和地下部分干質(zhì)量，重復(fù)測量3次取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

Excel軟件處理數(shù)據(jù)，SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，Duncan新復(fù)極差法方法進(jìn)行多重比較(α=0.05)，Origin 9軟件作圖。

1.5 綜合評價分析

采用綜合評價法分析各評價指標(biāo)。5組處理(m)選取11個指標(biāo)(n)構(gòu)成決策矩陣X=xn×m，正、負(fù)向指標(biāo)分別為

(1)

(2)

式中R1、R2——轉(zhuǎn)化后的隸屬函數(shù)值

xij——原始指標(biāo)

min(xij)——第i個處理中第j個指標(biāo)最小值

max(xij)——第i個處理中第j個指標(biāo)最大值

α——功效系數(shù)，取0.6[19]

由隸屬度值構(gòu)建隸屬函數(shù)矩陣R。因各項(xiàng)指標(biāo)對幼苗生長特性的作用不一致，為消除評價指標(biāo)量綱和數(shù)量級不同的影響，采用熵值法獲得權(quán)重，得信息熵為

(3)

其中

(4)

某項(xiàng)指標(biāo)值變異程度越大，其熵值Hj越小，該指標(biāo)提供的信息量越大[20]。利用信息熵Hj計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

(5)

圖2 光質(zhì)對番茄幼苗不同時期形態(tài)指標(biāo)的影響Fig.2 Effect of light qualities on morphological index of tomato seedlings during different periods

綜合評價隸屬度U由隸屬函數(shù)矩陣R和權(quán)重分配集W確定，即

U=RW

2 結(jié)果與分析

2.1 光質(zhì)對不同時期番茄幼苗形態(tài)的影響

11月29日試驗(yàn)結(jié)束時，不同光質(zhì)處理下長勢一致且具有代表性番茄幼苗生長情況如圖1所示。

圖1 不同光質(zhì)處理下番茄幼苗的生長情況Fig.1 Growth condition of tomato seedlings under different light qualities

下胚軸長度能夠反應(yīng)幼苗的徒長情況[21]，光質(zhì)處理對番茄幼苗不同時期下胚軸的影響如圖2a所示，達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。處理RB7/1下胚軸長度始終顯著高于其他處理(P<0.05)，處理RB5/1 、RB3/1和W下胚軸長度差異不顯著。11月29日時，處理RB7/1較對照組下胚軸長36.16%，差異顯著(P<0.05)，其他組與對照組差異不顯著。

株高和莖粗是反映植株?duì)I養(yǎng)生長狀況的重要指標(biāo)，光質(zhì)處理對番茄幼苗不同時期株高的影響如圖2b所示。11月15日之前，不同處理間無顯著差異，11月22日后光質(zhì)對株高影響顯著(P<0.05)，11月29日時影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。此時，處理RB7/1較對照組株高大17.91%，達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其他處理與對照組無顯著差異。

光質(zhì)處理對番茄幼苗不同時期莖粗的影響如圖2c所示。11月15日后光質(zhì)對莖粗影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)。11月22日時處理RB7/1與W莖粗顯著大于對照組(P<0.05)，處理RB5/1與RB3/1與對照組無顯著差異。11月29日時處理RB7/1莖粗比對照組大23.38%，達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其他組與對照組無顯著差異。

葉片是光合作用的主要場所，葉面積影響生物學(xué)產(chǎn)量的積累[22-23]。不同光質(zhì)處理對不同生長期番茄幼苗葉面積的影響如圖2d所示，影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。11月8日—15日，處理RB7/1的葉面積最大，處理W次之，RB3/1葉面積最小。11月22日時，處理W的葉面積最大，處理RB7/1次之，這兩組處理分別比對照組葉面積大66.73%和45.25%，差異顯著(P<0.05)。11月29日時，處理W、RB7/1和RB5/1分別比對照組葉面積大83.02%、42.68%和19.94%,差異顯著(P<0.05)，處理RB3/1葉面積較對照組略大，但差異不顯著。

根系的生長發(fā)育狀況直接影響到地上部的生長和產(chǎn)量的形成[24]，光質(zhì)處理對番茄幼苗不同時期根長的影響如圖2e所示。11月8日后光質(zhì)處理對根長影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。11月22日時，處理RB7/1和W的根長與對照組無顯著差異，處理RB3/1和RB5/1顯著低于對照組(P<0.05)。11月29日時，處理RB7/1根長比對照組大17.95%，差異顯著(P<0.05)，處理RB5/1與W與對照組無顯著差異，而處理RB3/1根長比對照組小25.07%。

光質(zhì)處理對番茄幼苗不同時期根數(shù)的影響如圖2f所示。11月15日前光質(zhì)對番茄苗期根數(shù)的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，11月22日后光質(zhì)對該指標(biāo)影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，此時處理W的根數(shù)顯著高于對照組(P<0.05)，處理RB5/1和RB7/1與對照組無顯著差異。隨著番茄苗生長，11月29日時處理W根數(shù)比對照組多23.71%，差異顯著(P<0.05)，紅藍(lán)配比的3個處理與對照組無顯著差異。

圖3 光質(zhì)對番茄幼苗不同時期生物量的影響Fig.3 Effect of light qualities on biomass of tomato seedlings during different periods

2.2 光質(zhì)對不同時期番茄幼苗生物量的影響

不同光質(zhì)處理對不同時期番茄幼苗生物量的影響如圖3所示(圖上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)。由圖3a可以看出，幼苗初期，各處理對幼苗鮮質(zhì)量影響不顯著，11月8日后光質(zhì)對鮮質(zhì)量影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，且鮮質(zhì)量隨著紅藍(lán)配比的增加而增加。11月15日時，處理RB7/1與W鮮質(zhì)量顯著高于對照組，但前兩者差異則不顯著。11月29日時，處理W鮮質(zhì)量最大，此時處理W、RB7/1和RB5/1鮮質(zhì)量分別比對照組大55.48%、31.82和16.80%，差異顯著(P<0.05)，處理RB3/1與對照組差異不顯著。由圖3b可以看出，隨著幼苗的生長光質(zhì)處理對干質(zhì)量的影響由前期的不顯著到11月8日開始呈現(xiàn)顯著影響(P<0.05)。從11月15日處理W下的幼苗干質(zhì)量最大，處理RB7/1次之，至11月29日時，處理W、RB7/1和RB5/1的幼苗干質(zhì)量分別較對照組大73.80%、27.37%和11.85%，差異顯著(P<0.05)，處理RB3/1與對照組差異不顯著。由此可知，在番茄幼苗生長的中后期，紅藍(lán)光質(zhì)配比下的番茄幼苗鮮干質(zhì)量均隨著紅光添加量的增加而增加，且在此期間，白光LED處理的番茄鮮干質(zhì)量逐漸高于紅藍(lán)配比光。

2.3 光質(zhì)對不同時期番茄幼苗壯苗指標(biāo)的影響

光質(zhì)處理對番茄幼苗壯苗指標(biāo)的影響如圖4所示，由方差分析可知，光質(zhì)對初期番茄幼苗壯苗指標(biāo)影響顯著(P<0.05)，11月8日后影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。11月8日時處理RB7/1的壯苗指數(shù)最大，處理W次之，但該兩組處理與對照組差異不顯著。11月29日，處理W的壯苗指數(shù)比對照組提高了70.51%，差異顯著(P<0.05)，但紅藍(lán)配比光處理下的壯苗指數(shù)則與對照組差異不顯著。

圖4 光質(zhì)對番茄幼苗不同時期壯苗指標(biāo)的影響Fig.4 Effect of light qualities on healthy seedling parameters of tomato seedlings during different periods

根冠比可以用來表征光合產(chǎn)物在植株體內(nèi)的分配以及生長特性[25]。光質(zhì)對番茄幼苗根冠比的影響達(dá)到顯著水平(P<0.01)。初期處理W根冠比雖低于對照組，但差異不顯著，11月8日后，對照組根冠比顯著高于其他各處理(P<0.05)，11月29日時，處理RB7/1和W的根冠比分別為對照組的80.38%和82.06%。

G值能夠反映出番茄幼苗干物質(zhì)積累的速率。光質(zhì)對初期番茄幼苗G值影響顯著(P<0.05)，11月8日后該影響達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。幼苗生長前期，處理RB7/1干物質(zhì)積累的速率較快，而11月22日開始，處理W的G值最大，處理RB7/1次之，11月29日時，處理W、RB7/1和RB5/1的G值較對照組分別大73.80%、27.36%和11.84%，差異顯著(P<0.05)，處理RB3/1略低于對照組，但差異不顯著。

2.4 光質(zhì)對不同時期番茄幼苗指標(biāo)的綜合評價

光質(zhì)處理對番茄幼苗不同時期內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的影響存在差異，憑單一指標(biāo)難以評判不同處理優(yōu)劣，因此采用綜合評價方法以確定番茄苗期的最優(yōu)人工光源組合，如表1所示。

由表1綜合排名可以看出，11月1日與11月8日各處理綜合評分中、處理RB7/1條件下幼苗各項(xiàng)指標(biāo)綜合評分最高，處理W綜合評分次之。由此可見，在此階段內(nèi)，最佳光質(zhì)為紅藍(lán)配比RB7/1的光質(zhì)處理。11月15日和11月22日的綜合評價評分由大到小為W、RB7/1、RB5/1、CK、RB3/1，11月29日的綜合評價評分由大到小為W、RB7/1、CK、RB5/1、RB3/1。由此可見，11月8日前處理RB7/1的綜合評分排名最高，11月15日—29日期間處理W的綜合評分排名最高，與此同時在番茄幼苗生長期間處理RB3/1的綜合評分最低，不適宜作為番茄苗期生長的人工光源。依據(jù)綜合評價可知，在試驗(yàn)周期內(nèi)，番茄苗出芽后14 d內(nèi)采用光質(zhì)RB7/1，生長至中后期采用白光LED光質(zhì)處理為較優(yōu)的人工光源組合。

表1 不同時期番茄幼苗指標(biāo)隸屬度與綜合評價指標(biāo)Tab.1 Dependence degree and indexes for comprehensive evaluation of tomato seedlings indexes during different periods

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證綜合評價所得的最優(yōu)光質(zhì)組合，以番茄苗出芽后采用14 d的RB7/1照射，然后置于白光LED照射14 d的組合光質(zhì)為試驗(yàn)組，以苗期完全白光照射為對照組，按上述方法進(jìn)行2組試驗(yàn)，處理28 d后試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 組合光質(zhì)與白光LED對番茄幼苗影響的對比Tab.2 Comparison of combined light qualities and white LED on tomato seedlings

注：表中數(shù)據(jù)采用測量值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

對比兩者的數(shù)據(jù)可知，組合光質(zhì)的莖粗、葉面積、干質(zhì)量和G值比白光分別高10.49%、19.52%、3.53%和3.43%，達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其他指標(biāo)差異不顯著。由此可見，采用優(yōu)化后的組合光質(zhì)培育番茄幼苗優(yōu)于全程使用LED白光。

3 討論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光質(zhì)處理對番茄苗期不同生長時期的各項(xiàng)指標(biāo)影響存在差異，表現(xiàn)出一定的調(diào)控作用。與自然光對照組相比，紅藍(lán)配比光質(zhì)和白光促進(jìn)了番茄幼苗下胚軸的伸長以及葉面積的擴(kuò)展，且影響程度存在著差異。除處理RB3/1外，試驗(yàn)結(jié)束期其他處理的株高、莖粗、鮮干質(zhì)量均高于對照組。在根部形態(tài)方面，處理RB7/1與W比對照組利于生根，處理RB3/1下的幼苗根發(fā)育不良。在壯苗參數(shù)方面，處理RB7/1的壯苗指數(shù)和G值在幼苗初期存在優(yōu)勢，W處理在后期存在優(yōu)勢，在該2種條件下既滿足地上部分生物量的積累又保證了根部的生長發(fā)育。

紅光對番茄幼苗下胚軸和株高的伸長起促進(jìn)作用，有利于葉面積擴(kuò)展以及生物量積累，其原因是紅光增加植物的光合速率[26]和光合產(chǎn)物的形成與積累[27]，同時促進(jìn)使光合產(chǎn)物較多的轉(zhuǎn)運(yùn)到葉片[28]。增加藍(lán)光有利于控制徒長，這是由于光質(zhì)通過調(diào)控植株內(nèi)源生長激素的含量進(jìn)而影響幼苗的形態(tài)特征[29-30]。因此，不同紅藍(lán)光質(zhì)配比對番茄幼苗生長的影響存在差異。由于番茄營養(yǎng)期較短，第2～3片真葉后即進(jìn)行花芽分化，因此其生物量積累和葉面積的快速擴(kuò)展可為后期果實(shí)質(zhì)量和品質(zhì)提供了前提條件。

由于幼苗形態(tài)參數(shù)會受到諸多環(huán)境因素的共同影響，因此不同光環(huán)境因素與溫、濕度等其他環(huán)境條件的交互作用對番茄秧苗生長影響則有待進(jìn)一步研究與分析。

4 結(jié)論

(1)光質(zhì)對番茄幼苗不同時期生長特性影響顯著，且對不同指標(biāo)的影響存在差異。紅藍(lán)配比為RB7/1和白光LED光質(zhì)作為人工氣候條件下的唯一光源能夠滿足番茄苗期的生長需求，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于自然光條件。但紅藍(lán)比為RB3/1的光質(zhì)不適宜用于培育番茄幼苗。

(2)依據(jù)番茄幼苗不同時期各項(xiàng)指標(biāo)的綜合評價可知，出芽后兩周內(nèi)采用光質(zhì)RB7/1，然后采用白光LED光質(zhì)處理有利于培育優(yōu)質(zhì)壯苗，其效果優(yōu)于育苗全程使用白光LED。

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