光強和光周期對大麥草生長速率的影響

萬茂科，苗洪利，程廣壯，孫九勝，楊金鈺，喬小燕

(1.中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

引言

光是植物生長發(fā)育的能量來源，也是植物生長最重要的環(huán)境因素之一[1]。光質(zhì)、光強、光周期是光環(huán)境的關(guān)鍵組成部分，三者均可對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生顯著影響。研究表明[2-6]，光質(zhì)會影響葉片光合色素的形成和積累，對植物的生長、形態(tài)建成、物質(zhì)代謝及基因表達(dá)等均具有調(diào)控作用，400～510 nm的藍(lán)紫光區(qū)和610～720 nm的紅橙光區(qū)，被認(rèn)為是影響植物光合作用和形態(tài)建成的主要光譜范圍；光強是影響植物葉綠素含量及光合作用的重要因子，弱光環(huán)境下植物的光合作用強度較弱，當(dāng)光強高于植物光飽和點后，又會發(fā)生光抑制現(xiàn)象，導(dǎo)致凈光合速率下降；植物的生長發(fā)育受光周期的調(diào)節(jié)，光周期通過影響植物生理生化反應(yīng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)種子萌發(fā)、幼苗生長、花芽分化及開花、根系生長和植物休眠。光周期不僅在誘導(dǎo)作物開花方面起到重要作用，對作物其他外在長勢方面的影響也較為顯著[7-9]。

不同波長的LED光源可以與植物光形態(tài)建成的光譜范圍吻合，具有光譜性能好、光效高、發(fā)熱少、體積較小和壽命長等諸多傳統(tǒng)光源無可比擬的優(yōu)勢，適用于可控設(shè)施環(huán)境中的植物栽培，被認(rèn)為是植物工廠中較為理想的人工光源[10-12]。紅光和藍(lán)光結(jié)合的LED光源能有效促進(jìn)植物生長，20世紀(jì)90年代，日本開始使用大功率紅、藍(lán)LED組合光源對蔬菜進(jìn)行補光培育，隨后美國將不同光強配比的紅色和藍(lán)色LED應(yīng)用于植物工廠補光。近年來，我國LED植物補光技術(shù)日趨成熟，通過改變LED光源的光質(zhì)、控制光周期、調(diào)節(jié)光照強度，此技術(shù)已成功用于番茄、生菜、萵苣、小麥、菠菜、黃瓜等多種植物的補光[13-16]，但將LED補光應(yīng)用于大麥草的培育。

牧草是畜牧業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，畜禽良好地生長發(fā)育離不開優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的飼草。然而，我國大部分草地牧草產(chǎn)量較低且質(zhì)量較差，加上過度放牧和草地退化的影響，天然草地每年仍在減少[17,18]。水培牧草培養(yǎng)裝置因光照、溫度、濕度等環(huán)境因子可控，已用于大批量、自動化、程序化生產(chǎn)新鮮牧草，此類設(shè)備的推廣使用將極大提高我國牧草產(chǎn)量和品質(zhì)，對于克服高寒地區(qū)惡劣的自然條件、緩解畜牧業(yè)壓力、提高農(nóng)民生活水平具有重要意義。目前關(guān)于牧草培養(yǎng)裝置的文獻(xiàn)大多強調(diào)的是控制系統(tǒng)，沒有對補光光源進(jìn)行具體介紹；雖然相關(guān)專利中采用LED作為補光光源，但沒有嚴(yán)格控制光源的光質(zhì)、光強和光周期；還有些人采用白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源在溫室大棚里種植牧草，這種培養(yǎng)方式的補光效率和能源利用率低、牧草生長周期長、產(chǎn)出率低、生產(chǎn)地點固定，給應(yīng)用和推廣帶來局限[19,20]。

大麥草生長周期短、營養(yǎng)豐富、適口性好、易消化，可作為一種優(yōu)質(zhì)牲畜牧草。有研究表明，大麥在麥苗時期所含有的蛋白質(zhì)、氨基酸在整個生育期內(nèi)最高，且富含礦物質(zhì)、維生素和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)，麥草的營養(yǎng)遠(yuǎn)高于籽粒，大麥草作為牧草可促進(jìn)牲畜良好的生長發(fā)育[21，22]。

本文以大麥草為試驗對象，具體的種子品種為春性二棱大麥(hordeum distichum)，利用水培技術(shù)在植物生長培育中的優(yōu)勢，將LED光源應(yīng)用在牧草生產(chǎn)試驗中。此次試驗將紅光與藍(lán)光LED的光強比固定為7∶3，重點開展光強和光周期的試驗，并將得到的大麥草高效生長光照環(huán)境參數(shù)應(yīng)用到所設(shè)計的新型牧草光照培養(yǎng)箱中，為后者提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)備及培養(yǎng)方法

光照培養(yǎng)箱為實驗室自行設(shè)計，培養(yǎng)箱的箱體外部由美觀平整、結(jié)實耐用的亞克力板制作，箱體的上方開有通風(fēng)孔，以利于通氣和補充二氧化碳。培養(yǎng)箱內(nèi)部由溫度控制模塊、濕度控制模塊和光照控制模塊組成。溫度控制模塊包括溫度傳感器、溫度控制器、加熱器和排風(fēng)扇，當(dāng)溫度傳感器檢測到箱內(nèi)溫度低于最小預(yù)設(shè)值時，啟動加熱器提升箱內(nèi)溫度；當(dāng)箱內(nèi)溫度高于最大預(yù)設(shè)值時，啟動風(fēng)扇，降低箱內(nèi)溫度。濕度控制模塊包括濕度傳感器、噴水頭、導(dǎo)管、抽水泵、水箱和噴水定時器，抽水泵放置在水箱中，通過導(dǎo)管與噴水頭連接，當(dāng)濕度傳感器檢測到箱內(nèi)濕度不達(dá)標(biāo)時，噴水控制器啟動，噴水頭定量噴水，使箱內(nèi)濕度始終控制在合理范圍內(nèi)。培養(yǎng)盤底部開有排水孔，及時將種子和麥草吸收后的剩余污水排出，定期給水箱人工補水，實現(xiàn)水培過程中水的循環(huán)，整個培養(yǎng)過程不使用任何營養(yǎng)液。光照控制模塊包括LED面光源、光強調(diào)節(jié)器和光周期定時器；LED面光源可靈活拆卸，根據(jù)試驗需求設(shè)置不同的光質(zhì)，光強調(diào)節(jié)器通過控制電流強度實現(xiàn)光照強度的調(diào)節(jié)，光周期定時器自動控制并調(diào)節(jié)LED光源每天亮與滅的時長，實現(xiàn)光周期的調(diào)節(jié)。

充分考慮大麥草自身生長的規(guī)律，將大麥種子入箱催芽到成長為成熟牧草的整個培養(yǎng)過程分為兩個生長階段，即種子萌發(fā)期和麥草生長期，其中種子萌發(fā)期為3 d，麥草生長期為6 d，整個培養(yǎng)過程共9 d。稱取0.5 kg大麥草種子，經(jīng)過清洗后，盛入長為30.5 cm，寬為22.5 cm且底部開有兩排小孔的培養(yǎng)皿中，種子鋪設(shè)厚度約為1 cm，這樣可以保證每次試驗的種子密度基本保持一致。種子萌發(fā)期，培養(yǎng)箱中溫度設(shè)為28 ℃，空氣濕度大于80%，黑暗條件下培養(yǎng)3 d，完成催芽。麥草生長期，培養(yǎng)箱中溫度設(shè)置為26 ℃，空氣濕度維持在60%～80%之間，加光照培養(yǎng)6 d，對大麥草生長速率評價指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.2 光源選擇與試驗設(shè)計

培養(yǎng)箱內(nèi)部兩側(cè)及頂部各安裝一塊紅、藍(lán)雙色LED面光源，紅光與藍(lán)光的光強比為7∶3，紅光LED峰值波長為660 nm，藍(lán)光LED峰值波長為445 nm，帶寬均為20 nm左右(SSP6612 LED光電參數(shù)綜合測試儀測定)，光源光譜如圖1所示。

圖1 LED光源光譜Fig.1 Spectrum of LED light source

培養(yǎng)箱采用輸出電流可調(diào)節(jié)的恒流電源供電，保持PR650光譜光度計與培養(yǎng)皿平行且處于同一高度，分別將其置于培養(yǎng)皿的四角和中間位置，用來測定紅光和藍(lán)光的光量子通量密度值，在要求總的光強下，通過調(diào)節(jié)電流的大小實現(xiàn)紅光和藍(lán)光的強度調(diào)節(jié)，使其強度比例始終為7∶3，重復(fù)三次測量取平均值。

探究光強對大麥草生長影響時，光周期固定為12 h·d-1(12 h光照，12 h無光照)，光強分別設(shè)置為150 μmol·m-2·s-1、300 μmol·m-2·s-1、450 μmol·m-2·s-1、600 μmol·m-2·s-1、750 μmol·m-2·s-1、900 μmol·m-2·s-1其他生長條件均不變，其光強配置如表1所示；探究光周期對大麥草生長影響時，光強固定為600 μmol·m-2·s-1光周期分別設(shè)置為4 h·d-1、8 h·d-1、12 h·d-1、16 h·d-1、20 h·d-1、24 h·d-1，其他生長條件均不變。

表1 光強配置Table 1 Configuration of light intensity

1.3 麥草生長評價

一個完整生長周期過后，采用五點取樣法抽取40株大麥草，對大麥草生長形態(tài)參量和生物量進(jìn)行多次測量，使用定性和定量相結(jié)合的評價方法對麥草生長狀況進(jìn)行評價。

1)定性觀測：通過拍照記錄，人眼主觀觀測，比較不同組大麥草的長勢，包括比對株高、葉面寬度、葉片顏色、莖粗等壯苗指標(biāo)。

2)定量測量：將大麥草樣本從托盤中分離出來，去除植株上的污垢，用剪刀在每個樣品相同的部位剪下根須，進(jìn)行各項生長指標(biāo)的測量。重復(fù)測量3次取平均值。

(a)量株高：將植株固定并拉直，用刻度尺測量從主莖基部到麥草葉尖頂部的長度。

(b)稱重：將剪去根部的大麥草植株，放進(jìn)稱重專用紙袋中，放在電子分析天平上稱鮮重；將樣品封于紙袋中，放入105 ℃干燥箱中殺青20 min，然后在75 ℃下干燥至恒質(zhì)量后，稱干重。

(c)測葉面積：將每組麥草樣品葉片展開鋪平，固定在紙板上，使用Yaxin～1241葉面積儀上下多次掃描，待儀器顯示屏上的數(shù)字趨于穩(wěn)定，讀取葉面積數(shù)值。

(d)葉綠素含量分析：采用分光光度法測定葉綠素含量。對不同組的大麥草冠層葉片進(jìn)行采樣，用剪刀將其剪成碎片，分別稱取等質(zhì)量樣品，用鑷子將其放入等體積的95%乙醇溶液中，置于避光環(huán)境浸泡24 h后，取萃取液，用UV～800紫外可見光分光光度計分別測定649 nm、665 nm處的吸光度值，然后結(jié)合公式計算出葉綠素濃度，最后換算成鮮重的葉綠素含量[23]。葉綠素含量計算公式為：

Ca=13.95A665-6.88A649

(1)

Cb=24.96A649-7.32A665

(2)

CT=Ca+Cb

(3)

其中，Ca為葉綠素a的含量，Cb為葉綠素b的含量，CT為總?cè)~綠素的含量；和分別代表樣品溶液在波長為665 nm和649 nm處的吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1)采用Excel 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；

2)借助統(tǒng)計軟件SPSS 24.0進(jìn)行單因素方差分析，并在0.05的顯著水平下，采用鄧肯式新復(fù)極差法進(jìn)行事后檢驗；

3)使用Origin 9軟件繪圖，系統(tǒng)截圖工具對圖片進(jìn)行修整。

2 結(jié)果與分析

2.1 光強對大麥草生長形態(tài)和生物含量的影響

大麥種子萌發(fā)之后，在不同光強下各培養(yǎng)6 d后，測量株高、葉面積、鮮重、干重和葉綠素含量，其各生長指標(biāo)隨光強的變化如圖2～圖5所示。

圖2 不同光強大麥草株高Fig.2 Barley grass height under different light intensities

圖3 不同光強大麥草葉面積Fig.3 Barley leaf area under different light intensities

圖4 不同光強大麥草鮮重和干重Fig.4 Fresh weight and dry weight of barley grass under different light intensities

圖5 不同光強下大麥草葉綠素含量Fig.5 Chlorophyll content of barley grass under different light intensities

分析大麥草生長形態(tài)、生物含量變化可知，在確定的光質(zhì)和光周期下，隨著光強的增加，大麥草的株高、葉面積、鮮重、干重和葉綠素含量呈均現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在600 μmol·m-2·s-1的光強下達(dá)到最大值，與其他光強相比差異較為顯著，此光強下麥草長勢亦最好；150 μmol·m-2·s-1和900 μmol·m-2·s-1的光強下生長速率評價指標(biāo)值較小，麥草長勢亦較差。綜合分析，光強過低或過高都不利于大麥草健康、高效生長，600 μmol·m-2·s-1為最適宜光強。

2.2 光周期對大麥草生長形態(tài)及生物含量的影響

大麥種子萌發(fā)之后，在不同光周期下各培養(yǎng)6 d后，測量株高、葉面積、鮮重、干重和葉綠素含量，其各生長指標(biāo)隨光周期的變化情況如圖6～圖9所示。

圖6 不同光周期大麥草株高Fig.6 Plant height of barley grass under different photoperiods

圖7 不同光周期大麥草葉面積Fig.7 Leaf area of barley grass under different photoperiods

圖8 不同光周期下大麥草的鮮重和干重Fig.8 Fresh weight and dry weight of barley grass under different photoperiods

圖9 不同光周期大麥草葉綠素含量Fig.9 Chlorophyll content of barley grass under different photoperiods

分析大麥草生長形態(tài)、生物含量變化可知，16 h·d-1的光周期下大麥草生長速率評價指標(biāo)值最高，麥草葉片較厚、顏色深綠，長勢最為健壯，與其他光周期相比差異也較為顯著。20 h·d-1的光周期下各指標(biāo)值次之，此光周期下幼苗長勢良好；4 h·d-1的光周期下大麥幼苗各項評價指標(biāo)值最低，此光周期下的大麥草長勢最差。綜合分析，在確定的光質(zhì)和光強下，延長光周期能夠有效地增加大麥草的株高、葉面積、鮮重、干重和葉綠素含量，但光周期并非越長越好，16 h·d-1是大麥草生長的最適光周期。

3 討論與總結(jié)

光是植物進(jìn)行光合作用的主要能量來源，光照強弱與光照時間長短決定著植物光合作用的效率，對植物的生長發(fā)育、光合作用、物質(zhì)代謝等方面具有重要的調(diào)控作用。本文的試驗結(jié)果表明，大麥草的高效生長需要適宜的光強和光周期。

光強過高會使葉片中光合色素的含量和細(xì)胞中保護(hù)酶的活性降低，進(jìn)而導(dǎo)致光合作用強度減弱，因而植物進(jìn)行正常生命活動存在一個適宜的光強[24]。朱小青等[25]在研究中提到，過強或過弱光照均不利于費菜生長和發(fā)育，在光強為600 μmol·m-2·s-1的光照條件下，其生長發(fā)育狀況最佳。徐慧等[26]研究發(fā)現(xiàn)，0～1 000 lx的低光強下，小球藻光合作用受到限制，生長緩慢，而3 000 lx和5 500 lx的光強下，小球藻光合效率較高，對于7 000 lx和9 000 lx的高光強下，小球藻生長受到抑制。本文研究結(jié)果與前人的結(jié)論具有相同之處，試驗結(jié)果表明，光強過低，不利于大麥草葉片對光能的吸收和轉(zhuǎn)化，從而影響光合效率；光強過高，又會發(fā)生光抑制現(xiàn)象，葉片中葉綠素含量急劇下降，導(dǎo)致凈光合速率降低。在光強從150～至900 μmol·m-2·s-1增加過程中，大麥草生長速率的各項指標(biāo)值均呈現(xiàn)先升高后降低的特點，與其他光強處理相比，600 μmol·m-2·s-1的光強更適合大麥草的生長。

光周期影響植物莖的伸長和內(nèi)源生長素的水平，適當(dāng)延長光周期可以提高光合產(chǎn)物的積累，從而產(chǎn)生更多的碳水化合物以支持植株的生長發(fā)育[27]。徐文棟[28]發(fā)現(xiàn)，生菜葉鮮質(zhì)量在16 h·d-1、20 h·d-1的光周期處理下比12 h·d-1處理分別高108.88%和121.75%，這與本文研究結(jié)果有相似之處。何蔚等[29]研究發(fā)現(xiàn)，6 h·d-1和12 h·d-1的短光周期處理下，番茄小苗的葉綠素生物合成受到抑制，嚴(yán)重影響植株生物量的積累，24 h·d-1的光周期更適宜番茄小苗生長。本文研究結(jié)果不同之處在于大麥草的最適光周期比番茄小苗的最適光周期略短，分析原因可能是大麥草對光周期敏感程度更高，光周期過長導(dǎo)致大麥草適應(yīng)能力不足，抑制其生長。試驗結(jié)果表明，不同光周期處理可以明顯改變大麥草的生長發(fā)育進(jìn)程，在一定范圍內(nèi)延長光照時間，有利于光合產(chǎn)物的積累，能有效地促進(jìn)大麥草生長。然而，在最適光周期下繼續(xù)延長光照時間將不利于光合產(chǎn)物的積累。與其他光周期處理相比，16 h·d-1的光周期為大麥草生長的最適光周期。

由于試驗條件等的限制，本文分別探究了適合大麥草高效生長的最適光強和光周期，綜合多個光照因素的最佳光照環(huán)境有待于進(jìn)一步探究。