弱光條件下LED補光燈對苗期蔬菜生長的影響研究進展

馬寧 田婧 魯少尉等

摘要 隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系的形成及發(fā)展，蔬菜育苗已成為較有前途的新興產(chǎn)業(yè)而受到廣大關(guān)注。如何在弱光條件下大規(guī)模生產(chǎn)高品質(zhì)、低成本的優(yōu)質(zhì)種苗已成為近年來育苗產(chǎn)業(yè)研究的重點。從光質(zhì)、光照強度和光周期3個方面敘述弱光條件下LED補光燈對苗期蔬菜生長發(fā)育影響的研究進展，并指出該方面研究存在的問題、今后的研究思路及可能的研究方向，以供研究人員參考。

關(guān)鍵詞 弱光條件：LED；光環(huán)境；蔬菜幼苗

中圖分類號 S123 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）32-0001-03

Research Progress of Effect of LED on Vegetable Seedling under Low Photon Flux Intensity

MA Ning1，2，TIAN Jing1，2，LU Shaowei1，2 et al （1.Chinese Academy of Agricultural Engineering Planning & Design，Beijing 100125；2.Key Laboratory of Farm Building in Structure and Construction，Ministry of Agriculture，Beijing 100125）

Abstract With the rapid development of modern agriculture，vegetable seedling has become a dynamic emerging industry received widespread attention.How to produce largescale，highquality and lowcost seedlings inweak and sparse light stresses has become the focus of research in the nursery industry.The research progress on effect of LED on vegetable seedling culture was described from light quality，light intensity and photoperiod three fields ，and the problems in this area and future research ideas and possible directions for the research departments were pointed out.It can provide reference for researchers.

Key words Low photon flux intensity；LED；Light environment；Vegetable seedling

基金項目 國家重點研發(fā)計劃資助項目（2017YFD0701500）。

作者簡介 馬寧（1986—），女，山東招遠人，工程師，博士，從事設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培研究。

收稿日期 2018-06-11

我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在整個國民經(jīng)濟及其發(fā)展過程中具有非常重要的作用。大力發(fā)展設(shè)施園藝是保障我國農(nóng)產(chǎn)品有效供給的重要方式，同時也是解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展、環(huán)境及資源三大基本問題的重要手段，可通過發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)施園藝大幅度提升農(nóng)業(yè)資源的利用率、農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)量，因此設(shè)施園藝已成為我國多地國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)。

光是植物生長發(fā)育過程中主要的能量來源之一，也是植物生長發(fā)育的基本因素之一。在作物的整個生命周期中，不斷變化的光環(huán)境始終影響其生長發(fā)育。光作為一種信號作用于植物并同時對其生長、發(fā)育和分化等環(huán)節(jié)進行調(diào)節(jié)，使其能更好地適應(yīng)外界環(huán)境，同時調(diào)控植物光合作用、形態(tài)建成、生長發(fā)育、物質(zhì)代謝等過程。由于光對植物生長發(fā)育的重要性，科研工作者一直以來都將光照作為重要研究的方向之一，同時將光環(huán)境如何調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和形態(tài)建成作為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一項重要技術(shù)進行研究[1]。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系的形成及發(fā)展，蔬菜育苗已成為較有前途的新興產(chǎn)業(yè)而廣受關(guān)注。如何大規(guī)模地生產(chǎn)高品質(zhì)、低成本的優(yōu)質(zhì)種苗已成為近年來育苗產(chǎn)業(yè)研究的重點，同時也是育苗技術(shù)發(fā)展的重要目標。近年來，我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)區(qū)及城市周邊弱光寡照逆境現(xiàn)象頻發(fā)，連續(xù)陰雨天和霧霾等不利氣候所導(dǎo)致的弱光寡照逆境對冬春季園藝作物生長發(fā)育及經(jīng)濟效益影響十分嚴重，尤其危害冬春茬苗期蔬菜的生長發(fā)育。蔬菜的冬春茬生產(chǎn)是設(shè)施園藝作物周年生產(chǎn)贏利的關(guān)鍵茬口，其產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)對農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益具有直接的影響[2]。其次，冬春茬是設(shè)施蔬菜作物生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，也是霧霾、陰天等惡劣天氣發(fā)生頻率最高的時期，2個時期的重疊發(fā)生導(dǎo)致十分明顯的設(shè)施蔬菜經(jīng)濟負效應(yīng)。因此，當前利用調(diào)控光照的技術(shù)克服棚室蔬菜苗期生產(chǎn)中弱光寡照逆境的危害顯得十分重要迫切[3-4]。

因此，在弱光條件下，利用光照調(diào)控技術(shù)培育蔬菜壯苗是一項經(jīng)濟、環(huán)保有效且簡便易行的方法，但不同光周期、光照強度以及不同光質(zhì)對蔬菜幼苗的培育都會存在不同程度的影響。發(fā)光二極管 LED（簡稱為 LED）光源的發(fā)展拓展了設(shè)施內(nèi)光環(huán)境研究的領(lǐng)域，較傳統(tǒng)光源有光譜純、能耗低、壽命長的優(yōu)勢，同時更能精準地提供植物所需波長的光質(zhì)及光強，在設(shè)施園藝光環(huán)境調(diào)控中具有重要的意義和作用，是現(xiàn)今設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為理想的補光光源[5-7]。

綜上所述，連續(xù)陰雨天和霧霾等不利氣候?qū)е碌娜豕夤颜漳婢硨Χ翰缑缙谑卟松L發(fā)育影響十分嚴重，并將直接影響冬春季園藝作物生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。目前，國內(nèi)外有關(guān)弱光條件下LED補光燈對苗期蔬菜生長影響所涉及的面主要集中在不同光質(zhì)的影響，在光周期、光照強度等方面研究較少，該研究將對國內(nèi)外在弱光條件下LED補光燈對苗期蔬菜生長影響從光照時間、光照強度、不同光質(zhì)等多方面進行闡述，并指出該方面研究目前存在的問題及今后可開展研究的思路及方向，以供研究人員參考。

1 不同光質(zhì)LED補光燈對苗期蔬菜生長的影響

光質(zhì)對植物的生長發(fā)育具有非常重要的作用，它不僅能可以調(diào)控光合作用，而且可以通過觸發(fā)信號影響植物的生長發(fā)育?；谥参锷L發(fā)育所需光配方實施智能光環(huán)境調(diào)控是人工LED 補光的高效應(yīng)用策略。因此，在弱光條件下，將LED輻射的各種光譜按照蔬菜苗期生長發(fā)育所需進行配比應(yīng)用在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中具有重要意義。植物的光譜敏感區(qū)為300～850 nm，主要包括近紫外光300～380 nm、藍光380～500 nm、綠光500～620 nm、紅光620～700 nm和遠紅光700～850 nm，其中，400～700 nm（藍光、綠光和紅光）為植物的最大光譜敏感區(qū)[8]。通過比較葉片色素的吸收光譜和光合作用的作用光譜，可以看出紅光和藍光是植物光合作用最有效的光[9-10]。因此，紅藍光比例在弱光下LED 補光燈光質(zhì)對植物生長發(fā)育和形態(tài)建成至關(guān)重要。

Johkan 等[11]研究紅光、藍光以及紅藍混合的LED光源對紅葉生菜植株幼苗

的品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，經(jīng)過不同光照強度7 d處理后可見，相比熒光燈處理，在紅光處理下紅葉生菜幼苗的鮮重和葉面積分別增加25%和33%，經(jīng)藍光LED 處理紅葉生菜幼苗根重及芽干重分別增長83%和29%。Khoshimkhujaev等[12]研究紅光以及紫外線A對幼苗生長的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在兩者混合的光作用下，番茄幼苗生長水平明顯升高，在紫外線A處理下，幼苗干鮮重、葉面積明顯增加。Hanyu 等[13]研究表明，經(jīng)過LED補光燈藍光處理的幼苗的植株多酚含量增多，而幼苗經(jīng)過紅光的處理欠缺的問題表現(xiàn)在光合形態(tài)上。蒲高斌等[14]認為，弱光條件下，利用LED補光燈在番茄苗期照射藍光或紅光不僅有利于番茄幼苗的生長，而且有利于培育壯苗。此外，經(jīng)過藍光處理后番茄產(chǎn)量顯著提高。崔瑾等[15] 在辣椒、黃瓜和番茄等多個品種的幼苗上開展弱光條件下不同的LED 光質(zhì)對其幼苗生長的影響，結(jié)果表明，在弱光條件下進行苗期補充紅藍光或紅光可促進多種幼苗促成壯苗。杜洪濤[16]經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，用不同光質(zhì)處理3 種彩色甜椒幼苗，藍光處理的植株較矮，紅光處理的植株長勢較高，說明促進莖的伸長方面紅光具有典型優(yōu)勢。高藝等[17]對不同光質(zhì)LED補光燈在影響絲瓜幼苗生長的方面進行研究，發(fā)現(xiàn)弱光條件下補充LED 光源能夠提高絲瓜幼苗的生理品質(zhì)，同時顯著提高其壯苗指數(shù)。王紹輝等[18]認為，在黃瓜苗期利用增加紅光和紫外線A的照射時間，同時減少藍光和紫外線B的照射時間，能夠促進黃瓜幼苗的生長。在光質(zhì)比例方面，鄔奇等[19]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，LED R/B=2∶1 的補光照射促使番茄幼苗光合、抗氧化酶活性及各生長指標均有所提高。高芳云等[20]認為，在R/B=7∶3 的 LED 補光處理下，番茄幼苗生長速率最高，同時最終產(chǎn)量最好。

綜上所述，在有效物質(zhì)的光調(diào)控過程較為復(fù)雜，紅光、藍光等不同光質(zhì)對植物根生長方面的影響也有差異，藍光有利于提高蛋白質(zhì)的含量，紅光則有利于提高植物體內(nèi)碳水化合物的含量，LED補光燈組合光比單一光質(zhì)更有利于弱光條件下蔬菜幼苗的生長。近年來，盡管國內(nèi)外學(xué)者在研究植物苗期光調(diào)控機理及運用上取得了一定的進展，但不同植物的種類、品種及分布的不同生長階段指標對LED 光質(zhì)具有特定機制，同時表現(xiàn)出復(fù)雜的光生物學(xué)效應(yīng)，為提高弱光條件下LED補光燈對蔬菜苗期生長的調(diào)控效果及區(qū)分其中的各類作用，需要進行更為深入的研究和剖析。

2 不同光強LED補光燈對苗期蔬菜生長的影響

光照強度是植物生長的重要光照參數(shù)，不同光強的LED 補光燈對植物體內(nèi)功能性化學(xué)物質(zhì)積累的影響表現(xiàn)在多個方面[21]。弱光下蔬菜種苗會出現(xiàn)葉色減淡、葉面積增大、徒長等癥狀[22]，同時會產(chǎn)生光抑制。在自然光條件下，國內(nèi)外研究人員開展了很多光照強度對細胞結(jié)構(gòu)、蔬菜種苗外形特征及基因表達等方面的研究[23-24]，但在弱光條件下，不同光照強度LED補光燈對蔬菜種苗生長影響的研究還比較少見。鄭亮等[25]采用不同強度的LED紅光在茄果類蔬菜苗期進行暗期補光的試驗表明，各處理的番茄、辣椒、茄子的生物量和壯苗指數(shù)均出現(xiàn)不同程度的提高，同時促進了幼苗的SOD、CAT 活性和類黃酮、總酚含量的提高，全面提升幼苗的環(huán)境適應(yīng)能力。劉曉英等[26]研究指出在設(shè)施生產(chǎn)中LED補光育苗的光照強度如果參照自然光光強勢必造成資源浪費或生長不良等特征，因為植物在自然光下的光飽點高于在LED 光下的光飽點，因此開展弱光條件下不同光照強度LED補光對植物生長發(fā)育的影響，對設(shè)施采用人工補光育苗具有重要意義。楊延杰等[27]對番茄幼苗補光的研究表明，當LED補光光照強度低至620 μmol/（m2·s）以下時，番茄植株生長量和產(chǎn)量顯著降低。周秋月等[28]發(fā)現(xiàn)生菜LED補光育苗達450 μmol/（m2·s）的光強下，幼苗的干質(zhì)量、光合速率等指標最優(yōu)。王惠哲等[29]研究發(fā)現(xiàn)，弱光情況下黃瓜種苗的發(fā)育明顯受到抑制，出現(xiàn)植物干重降低、產(chǎn)量降低、莖變細、光合速率下降等問題。

通過以上研究可以看出，植物的形態(tài)差異是植物對光照強度的自適應(yīng)，充足的光照下，幼苗生長健壯，弱光下幼苗生長不良，低光照強度限制苗期蔬菜的生長，隨著光照強度的增大，植株生物量顯著增大，但光照強度超過某一數(shù)值，綜合經(jīng)濟效益隨著光照強度的增大光能效并沒有顯著提高。但與光質(zhì)研究相比較，關(guān)于弱光條件下LED補光燈光照強度對蔬菜苗期生長的影響研究較少，多類蔬菜苗期最適LED補光光照強度及該方法對蔬菜幼苗在光學(xué)及生理等特性方面的影響機理還需進一步開展研究。

3 不同光周期LED補光燈對苗期蔬菜生長的影響

光周期是晝夜周期中暗期和光期的交替變化。植物通過向光蛋白感受光周期，并通過其調(diào)節(jié)自身的生理特性、開花反應(yīng)等機能。光周期對于植物生長發(fā)育的影響大多在成花誘導(dǎo)和花芽分化等方面有所體現(xiàn)[30-31]。弱光條件下在蔬菜育苗過程中可通過利用LED補光燈適當延長光照時間提高蔬菜幼苗的壯苗指數(shù)，從而縮短蔬菜生長周期。陳敏等[32]發(fā)現(xiàn)，弱光條件下利用LED補光燈延長茄子幼苗的補光時間，茄子幼苗的壯苗指數(shù)、根冠比、抗氧化酶活性及葉綠素含量隨補光時間增加而提高，同時株高、莖粗和生長速率也明顯升高。李海云等[33]研究表明，在弱光條件下，通過增加光照時間黃瓜幼苗的莖粗、生長速率、根冠比均顯著高于未補光處理，因此長日照對培育黃瓜壯苗具有顯著作用。Torre等[34]發(fā)現(xiàn)，蔬菜種苗在暗向光的轉(zhuǎn)變中，莖的生長速率明顯降低，而在光向暗的轉(zhuǎn)變過程中，莖的生長速率顯著增加。李海云等[35]研究弱光條件下利用紅藍白混合LED補光燈進行不同光周期及光強度LED補光對水培蔬菜苗期生長及光形態(tài)的影響，結(jié)果表明，較低光強與較長光周期搭配生菜的光合速率顯著提升，較高光強與較短光周期搭配生菜的生長發(fā)育速率顯著提升；增加LED補光光照時間處理西葫蘆幼苗，其生長、蛋白含量、根系活力較未補光前顯著提高，但西葫蘆的過氧化物酶活性及雌花節(jié)率明顯降低。Blom等[36]、Lund等[37] 研究弱光條件下采用新型LED 光源50 μmol/（m2·s）的紅光對番茄、黃瓜幼苗在暗期生長每隔2 h 照射紅光5 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暗期紅光處理顯著抑制了番茄和黃瓜幼苗的株高、下胚軸長、葉面積和節(jié)間長度的生長，壯苗指數(shù)較對照分別提高了42%和24%；同時番茄和黃瓜幼苗干物質(zhì)葉片的分配率均有所提高，但有機物向莖的分配和運輸減少，影響地上部位干物質(zhì)的分配。

通過以上研究可以看出，光周期調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育過程，同時不同光周期處理可以明顯改變植物的發(fā)育進程?？梢娛卟松L過程中光周期不僅與花期有關(guān)，同時也影響蔬菜種苗發(fā)育。光周期之所以影響植物的幼苗生長，可能是由于植物生長的物質(zhì)濃度受到光周期的調(diào)節(jié)，同時影響植物根系對營養(yǎng)元素的吸收[38-39]，以上研究均為弱光條件下LED補光燈對苗期蔬菜生長提供了更大的研究空間。

4 討論

我國設(shè)施園藝總面積占據(jù)世界第一，其中設(shè)施育苗對環(huán)境的要求均較為嚴格，連續(xù)陰雨天和霧霾等不利氣候?qū)е碌娜豕夤颜盏沫h(huán)境極易造成設(shè)施內(nèi)幼苗的徒長。通過光形態(tài)調(diào)控法解決弱光問題，是環(huán)保、經(jīng)濟有效且易行的方法。

目前，在植物栽培領(lǐng)域LED補光燈的出現(xiàn)已經(jīng)引起世界的廣泛關(guān)注，隨著精細農(nóng)業(yè)的發(fā)展和能源緊缺形勢的嚴俊，植物生長光源被節(jié)能光源LED所取代，利用LED光源全面實現(xiàn)植物的高效生產(chǎn)，在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。但迄今為止，弱光條件下LED 光環(huán)境調(diào)控在我國蔬菜苗期生長中的應(yīng)用還處于起步階段，如何借鑒國內(nèi)外研究成果，進一步深入系統(tǒng)地研究與LED 相關(guān)的各種技術(shù)和產(chǎn)品，應(yīng)用于弱光條件下蔬菜育苗的生產(chǎn)實踐中，急需多學(xué)科學(xué)者共同合作，同時開發(fā)出符合我國在弱光條件下可用于生產(chǎn)實際的育苗光環(huán)境調(diào)控LED光源，這對于我國蔬菜設(shè)施栽培產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有非常重要的實際意義。

總之，弱光條件下LED補光燈對苗期蔬菜生長的影響方面研究取得了很好的成果，但還有一些問題在研究過程中仍需要進一步的精細化和精確化。應(yīng)針對設(shè)施弱光條件下每一種蔬菜苗期的生長過程，探討其最佳的波長、照射時間長度等，同時對結(jié)果做出適當?shù)睦碚摻忉?，并推廣示范，全面指導(dǎo)實際生產(chǎn)，從而促使弱光條件下LED補光燈在苗期蔬菜生長應(yīng)用中產(chǎn)生更大的社會和經(jīng)濟效益。

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