紅藍綠LED延時補光對日光溫室黃瓜育苗的影響

朱鹿坤，陳俊琴，趙雪雅，王正林，齊明芳

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院/設(shè)施園藝省部共建教育部重點實驗室/北方園藝設(shè)施設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，沈陽110161）

黃瓜（Cucumis sativus L.）是我國設(shè)施生產(chǎn)中的主要蔬菜作物之一[1]。優(yōu)質(zhì)的黃瓜秧苗是生產(chǎn)高質(zhì)量高品質(zhì)產(chǎn)品的重要保障，而集約化育苗是生產(chǎn)健壯秧苗的有效途徑。然而，我國北方日光溫室在冬春季節(jié)果菜類蔬菜進行集約化育苗時，普遍存在白天日照時長少，光照強度低而溫度高的現(xiàn)象，這種狀況易導(dǎo)致蔬菜幼苗生長過旺，造成生長不良和徒長的問題[2]。在弱光情況下，進行合理的人工補光可以有效改善秧苗的質(zhì)量和品質(zhì)[3]。光為植物光合作用提供必要的能量，還可作為信號在植物光形態(tài)建成方面起到調(diào)節(jié)作用[4]。自然界光譜組成在300～2600nm，大部分植物需要光質(zhì)在波長400～700nm 范圍進行光合作用，其中紅光與藍光對植物生長發(fā)育的調(diào)控作用最顯著[5]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)紅光在一定程度上能抑制植株節(jié)間過度伸長、具有增強光合作用并促進糖分等有機物質(zhì)的積累、提高抗逆性等作用[6-7]，藍光能抑制植物莖伸長、提高葉綠素含量、調(diào)節(jié)氣孔開放、促進根系發(fā)育、調(diào)控向光性等[8-9]。綠光因具有透射性的特點，能照射到植株下冠層，減緩葉片衰老，促進低冠層利用光能，改善光合作用[10]，尤其是短波綠光更益于植株生長[11]，參與植物光合作用，能促進葉片氣孔的開放運動，提高光合速率和干物質(zhì)積累[12]。

LED（light emitting diode）用于蔬菜作物補光對其生長發(fā)育與光形態(tài)建成具有很大的潛力[13-15]。研究表明，適合比例的紅、藍光組合能促進植物光合速率[16]，提高同化物積累量并促進碳代謝[17]，改善果實的營養(yǎng)品質(zhì)[18]。嫁接苗進行補光可促進胚軸伸長以達到嫁接水平，提高嫁接苗的成活率；移栽后的嫁接苗補照紅藍組合光，能促進傷口的快速愈合并提高適應(yīng)能力[19]。另外，紅、藍光可增加生菜花青素含量[20]。在光源選擇方面，不同光質(zhì)進行組合要優(yōu)于單一光源對植物生長的促進作用，研究發(fā)現(xiàn)，紅光、藍光處理的毛地黃組培苗生長弱，在紅藍組合光下生長健壯[21]。前人研究表明，紅藍組合光中補充綠光成分低于24%時能促進植物生長，而成分過高則抑制植物生長[22]。相關(guān)研究表明，綠光能提高生菜的干質(zhì)量和葉面積，保持葉片的厚度，改善生菜的品質(zhì)[23]。在紅藍組合光的基礎(chǔ)上補充綠光能顯著提高黃瓜葉片中葉綠素的含量，提高凈光合速率，增加干物質(zhì)的積累[24]。

LED 光質(zhì)調(diào)控技術(shù)培育健壯的蔬菜幼苗已成為研究的熱點。目前關(guān)于LED 光譜的選擇與組配優(yōu)化方面的研究仍顯不足。另外，經(jīng)光譜測定發(fā)現(xiàn)，LED 白光光源雖然涵蓋了大范圍波長的可見光（白光光源波長范圍大概在410～720nm），但光譜波峰值卻主要分布在藍光和綠光波長部分，植物生長所需的紅光波長部分光強幾乎沒有，如果長時間補照白光可能會因缺乏紅光，而造成缺光現(xiàn)象。本研究利用LED 紅藍綠組合光對黃瓜幼苗進行夜間延時補光，探討補光對其生長的調(diào)控作用，篩選促進黃瓜幼苗健壯生長的最佳組合光，以期為LED 光源在黃瓜設(shè)施育苗的應(yīng)用與理論研究上提供實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試LED 光源為廣東威譜照明科技有限公司生產(chǎn)。按照試驗具體操作設(shè)計成形狀為40cm（長）×30cm（寬）×7cm（高）的方形植物生長燈。試驗補光光質(zhì)為白光（W）以及由紅光（R）、藍光（B）、綠光（G）3 種 LED 單質(zhì)光進行6 種不同比例搭配的LED 組合光。試驗設(shè)置白光和各紅藍綠組合光質(zhì)進行補光，共設(shè)7 個處理組。各紅藍綠組合光配置比例分別為紅藍組合光 9∶1（R9B1，9∶1 為燈的數(shù)量比，下同）、紅藍組合光 8∶2（R8B2）、紅藍組合光7:3（R7B3）、紅綠組合光 9∶1（R9G1）、紅藍綠組合光 8∶1∶1（R8B1G1）、紅藍綠組合光 7∶2∶1（R7B2G1）。采用地物光譜儀 GER1500 型（Ocean Optical，美國）測定光譜，采用 Li-250 型光強儀（LI-COR，美國）測定光強[3]。經(jīng)測定得紅光（R）峰值波長為630nm，藍光（B）峰值波長為460nm，綠光（G）峰值波長為520nm。各處理LED 光源光譜相對光量子通量及波長峰值見圖1。

1.2 方法

試驗于2017 年10 月至2018 年5 月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院蔬菜日光溫室科研基地進行，共重復(fù)3 次。供試黃瓜品種為優(yōu)勝者，黃瓜種子常規(guī)催芽處理后，播于50 孔穴盤中進行育苗。幼苗白天置于日光溫室內(nèi)正常生長，試驗組進行夜間延時補光處理，對照組不做補光處理。調(diào)節(jié)補光光源與幼苗的距離使光照強度達到（200±10）μmol·m-2·s-1，且補光的光照范圍為（長 80cm×寬50cm×高25cm）。每種燈源相距1m 排列放置，各處理之間裝置黑白反光膜，防止不同光源相互干擾。幼苗的培養(yǎng)條件為白天溫度 23～28°C，夜間溫度 12～18℃，延時補光時間為 4h·d-1，補光時段為 17：00～21：00，每處理100 株。待補光處理30d 后取樣測定相關(guān)指標(biāo)。

補光處理30d 后（黃瓜幼苗處于4 葉1 心時期），測定秧苗株高、莖粗、葉面積、植株地上部分和地下部分鮮質(zhì)量、干質(zhì)量。并計算相關(guān)壯苗指標(biāo)：壯苗指數(shù)=（莖粗/株高+根部干質(zhì)量/地上部分干質(zhì)量）×全株干質(zhì)量；G值=全株干質(zhì)量/育苗天數(shù)；根分配率=根部干質(zhì)量/全株干質(zhì)量；葉面積/株高值；比葉面積=葉面積/葉干質(zhì)量。

采用丙酮和乙醇（體積比1∶1）浸泡法提取葉綠素[25]，用紫外光分光光度計U-5100 分別在663nm、645nm 波長下測定吸光值，測定葉綠素a、葉綠素b 含量，并計算葉綠素（a+b）和a/b 值，其公式為：葉綠素a=12.72A663-2.59A645，葉綠素 b=22.88A645-4.67A663，葉綠素 a+b=8.05A663+20.29A645；采用 LI-6400 型便攜式光合測定儀（LICOR，美國）測定幼苗的相關(guān)光合參數(shù)：凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間 CO2濃度（Ci）；采用氯化三苯基四氮唑TTC 法[26]測定幼苗的根系活力；采用蒽酮比色法[27]測定幼苗葉片中可溶性糖含量；采用水浴浸提法[28]測定幼苗葉片中脯氨酸（Pro）含量；采用硫代巴比妥酸比色法[27]測定幼苗葉片中丙二醛（MDA）含量。

采用Microsoft Excel 2010 軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用SPSS 22.0 軟件對3 個重復(fù)的試驗數(shù)據(jù)平均值進行統(tǒng)計，采用Duncan 檢驗法進行多重比較和差異顯著性（ɑ=0.05）分析。圖表中的數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準差。

圖1 LED 組合光光譜圖Figure 1 The LED combined light spectrum

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組合光對黃瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

由表1 與圖2 可知，對黃瓜幼苗夜間延時補光除組合光R9G1 外其余處理組均有提高莖粗的趨勢，組合光R8B2 和R8B1G1 處理顯著提高了黃瓜幼苗的莖粗，相對于CK 提高7.20%和7.75%；在株高方面，除R9G1 外，其他紅藍綠組合光和W 顯著控制了黃瓜幼苗的株高，高成分藍光的效果尤為明顯；在鮮質(zhì)量和干質(zhì)量方面，黃瓜幼苗補光處理組均有增高趨勢，其中，R8B1G1 處理組黃瓜幼苗的全株鮮質(zhì)量和全株干質(zhì)量分別高于對照組14.26%和37.19%；黃瓜幼苗補照LED 組合光處理組均顯著提高了葉面積，其中，R8B1G1 處理組相比對照組增加35.80%。以上結(jié)果表明，補光在一定程度上促進了黃瓜幼苗生長，不同比例光質(zhì)處理差異顯著，其中R8B1G1 處理總體較好。

表1 不同LED 組合光對黃瓜幼苗生長形態(tài)的影響Table 1 Effects of different LED combination light on growth morphology of cucumber seedlings

圖2 黃瓜幼苗延時補照LED 組合光生長形態(tài)圖Figure 2 Growth pattern of cucumber seedlings with extended photoperiod LED combination light

黃瓜幼苗延時補照LED 組合光處理組均可提高壯苗指數(shù)（表2），在紅藍光處理組中，隨著藍光比例的增加，壯苗指數(shù)在增加，但與對照組相比無顯著性差異。在綠光替代藍光的R9G1 處理組中，黃瓜幼苗的壯苗指數(shù)高于R9B1 處理組，但沒有達到顯著水平。在紅藍綠組合光處理中，壯苗指數(shù)相比對照組均達到了顯著差異，其中R8B1G1 和R7B2G1 處理組分別高于對照組71.54%和47.97%，且差異顯著，說明在紅藍組合光中加入少量綠光成分，在促進黃瓜幼苗健壯生長方面效果較為顯著。另外，補光幼苗G 值、葉面積/株高值、根分配率以及比葉面積均得到了提高。由此可見，對黃瓜幼苗補照組合光能達到壯苗的效果。

表2 不同LED 組合光對黃瓜幼苗壯苗指標(biāo)的影響Table 2 Effects of different LED combination light on seedling index of cucumber seedlings

2.2 不同組合光對黃瓜幼苗根系活力的影響

黃瓜幼苗補照LED 組合光能顯著地提高其根系活力（圖3）。在紅藍組合光處理組中，隨著藍光成分的增加，黃瓜幼苗的根系活力也在增加；在紅藍組合光中加入綠光成分，黃瓜幼苗的根系活力得到了大幅度提高，其中R8B1G1 處理組相比對照組增加89.49%，說明紅藍綠組合光能提高黃瓜幼苗根系活力，促進根系生長。組合光R9G1 處理組的黃瓜根系活力低于W 和其他補光處理組，說明藍光對于幼苗根系的生長有重要的促進作用。同時，組合光處理組的黃瓜根系活力均高于對照，說明組合光對于幼苗根系的促進作用更強。

2.3 不同組合光對黃瓜幼苗光合色素含量、光合速率及可溶性糖含量的影響

黃瓜幼苗的葉綠素a 含量在LED 紅藍組合光處理組中顯著高于對照組（圖4），組合光R8B1G1 處理組中葉綠素a 含量最高，且顯著高于對照組49.64%。說明對黃瓜幼苗夜間補照紅藍綠組合光能有效提高葉綠素a的含量。在葉綠素b 含量和葉綠素總量方面，補照紅藍綠組合光的黃瓜幼苗葉綠素b 含量與對照相比能得到顯著提高。在葉綠素a/b 方面，所有處理組與對照無顯著性差異。在紅藍組合光中，隨著藍光比例的增加，葉綠素各成分的含量有先增加再降低的趨勢。在LED 紅藍組合光中加入綠光成分可有效提高黃瓜幼苗葉綠素的含量。

由圖5 可知，對黃瓜幼苗補照LED 組合光，所有補光處理組的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均高于對照且差異顯著。在紅藍組合中，R7B3 高于R9B1、R8B2 處理組且差異明顯；在紅藍綠組合中，R8B1G1 處理組凈光合速率和氣孔導(dǎo)度達到最大。在蒸騰速率方面，補光處理組均高于對照，且差異顯著。在胞間CO2濃度方面，所有處理組均低于對照且差異顯著，幼苗葉片中的CO2濃度越低說明葉片中的光合作用轉(zhuǎn)化CO2能力越強，凈光合速率及蒸騰速率越高越有利于幼苗有機物質(zhì)的積累，從而促進幼苗的生長，從一定程度上影響黃瓜幼苗的生長形態(tài)。從以上不同組合光補光對黃瓜幼苗光和特性的影響來看，R8B1G1 處理組更有利于促進黃瓜幼苗的光合作用，與對黃瓜幼苗生長形態(tài)的影響較為一致。

圖4 不同LED 組合光對黃瓜幼苗葉綠素含量的影響Figure 4 Effects of different proportions of LED combined light on chlorophyll content in cucumber seedlings

圖5 不同LED 組合光下黃瓜幼苗的光合指標(biāo)的影響Figure 5 Effects of different LED combination light on photosynthetic index of cucumber seedlings

黃瓜幼苗補照LED 組合光所有處理組葉片中可溶性糖含量高于對照組（圖6）。R8B1G1 和R7B2G1 處理組的黃瓜幼苗葉片中可溶性糖含量與對照相比分別提高86.80%和65.40%，且差異顯著。黃瓜幼苗在LED 紅綠組合光R9G1 處理組中的可溶性糖含量高于紅藍組合光處理組，說明綠光成分對于可溶性糖的影響要強于藍光。同時，在LED 紅藍組合中加入綠光成分后，黃瓜幼苗葉片中可溶性糖含量有大幅度增加，幼苗葉片中可溶性糖含量比紅藍組合處理顯著性增加，說明紅光、藍光和綠光的共同作用比紅藍組合光對增加葉片中可溶性糖含量積累的作用更明顯。

2.4 不同組合光對黃瓜幼苗抗逆指標(biāo)的影響

由圖7 可知，對黃瓜幼苗夜間延時補照LED 組合光，其脯氨酸的含量均高于對照組，且差異顯著，說明LED 組合光能夠提高幼苗脯氨酸的含量。其中，在紅藍組合光處理中，隨著藍光比例的增加，脯氨酸也在增加；在紅藍組合光中加入綠光成分的處理組中，脯氨酸含量得到了顯著增加，特別是R8B1G1 處理組相比對照組增加139.13%，說明在紅光的基礎(chǔ)上增加藍光和綠光成分有助于促進幼苗脯氨酸的合成，從而可能會提高幼苗的抗逆性。

由圖8 可知，夜間延時補照LED 組合光的黃瓜幼苗，其葉片中丙二醛的含量均出現(xiàn)了下降的趨勢，說明補照組合光能夠減少幼苗發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)，從而增強幼苗的抗逆性。其中，在紅藍組合光中加入綠光成分的處理組，黃瓜幼苗的丙二醛含量均顯著地低于對照組和紅藍組合光處理組，其中R8B1G1 處理組相比對照組減少47.72%，由此可以看出，紅藍綠組合光對黃瓜幼苗細胞發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)能起到控制作用。

圖6 不同LED 組合光對黃瓜幼苗葉片可溶性糖含量的影響Figure 6 Effects of different LED combination light on soluble sugar content in cucumber seedling leaves

圖7 不同LED 組合光對黃瓜幼苗脯氨酸含量的影響Figure 7 Effects of different LED combination light on proline content in cucumber seedlings

圖8 不同LED 組合光對黃瓜幼苗丙二醛含量的影響Figure 8 Effects of different LED combination light on MDA content in cucumber seedlings

3 討論與結(jié)論

研究表明，紅藍組合光能顯著改善黃瓜、辣椒、番茄幼苗的生長[29-30]，本試驗夜間延時補照紅藍組合光能改善黃瓜幼苗的生長形態(tài)，相比紅藍組合光，紅藍綠組合光顯著增加黃瓜幼苗的莖粗、葉面積與全株鮮干質(zhì)量，株高顯著降低。由此可見，紅藍綠組合光能在控制株高上起到一定作用，這與令狐偉等[31]研究的結(jié)果有相似之處。本試驗結(jié)果表明，紅綠組合光處理組中幼苗的株高有所增加，與紅藍綠組合光處理組的株高存在顯著性差異，這與曹剛等[32]證明藍光能控制黃瓜株高的結(jié)果一致。申寶營等[33]研究發(fā)現(xiàn)紅藍組合光可提高黃瓜幼苗的壯苗指數(shù)，本試驗補照組合光能提高黃瓜幼苗壯苗指數(shù)，而且補照LED 紅藍綠組合光R8B1G1 能顯著提高壯苗指數(shù)，說明紅藍綠組合光光在改善植株生長方面也有一定的積極作用，而且黃瓜幼苗的G 值、葉面積/株高值、根分配率以及比葉面積均得到了提高。由此可見，對黃瓜幼苗補照組合光能達到壯苗的效果，紅藍組合光中加入少量綠光成分在促進幼苗健壯生長方面的效果較為顯著。高活力的根系有利于地上部器官的生長發(fā)育[34-35]，研究發(fā)現(xiàn)藍光有利于提高根系活力，改善根系形態(tài)的生長[36]。在本試驗組合光處理中，隨著藍光成分的增加黃瓜幼苗的根系活力存在上升的趨勢，這與藍光能提高茄子和辣椒幼苗根系活力的研究結(jié)論一致[37]，并且R7B2G1 處理組根系活力增加量最大，說明紅藍綠組合光不僅促進黃瓜幼苗地上部分的生長，同時也有效改善了地下根系的生長狀態(tài)，增強根系活力，提高了根系吸收水分和礦物質(zhì)的能力，進而提高了黃瓜幼苗整體植株的長勢。也有可能是因為紅藍綠組合光的協(xié)同作用滿足黃瓜幼苗葉片對光質(zhì)需求，促進了光合同化物質(zhì)向黃瓜幼苗地下部分配而改善了根系的生長。綜上表明，在紅藍光組合中增加少量比例的綠光成分能進一步改善黃瓜幼苗的生長狀態(tài)，這與我們之前研究中紅藍綠光組合能顯著改善番茄幼苗生長的結(jié)果相似[3]。

為進一步分析不同組合光對黃瓜幼苗的促進作用，本試驗分析了補光對黃瓜葉片葉綠素含量、光合作用及其產(chǎn)物積累的影響。在紅藍組合光下，隨著藍光比例增加黃瓜幼苗的葉綠素含量有所增加的趨勢，而紅藍綠組合光顯著地提高了葉綠素含量，可以反映出紅藍綠組合光的互補作用明顯，這與趙飛等[24]研究發(fā)現(xiàn)紅藍綠組合光能提高黃瓜葉片中葉綠素含量的結(jié)論相似。黃瓜幼苗在紅藍綠組合光處理下含有較高含量的葉綠素可能是提高光合速率的重要因素之一。另外，黃瓜幼苗延時補照R8B1G1 組合光，其凈光合速率均顯著高于對照，葉片可溶性糖含量也最高，說明紅藍組合光中添加綠光對增強黃瓜光合作用和提高有機物質(zhì)積累也有顯著作用。還有研究表明，紅藍光可以通過提高光合速率來促進植物的生長發(fā)育，其原因是紅光與藍光的光譜與葉綠素吸收光譜相一致[16]。而紅藍組合光中加入綠光后幼苗進一步增強了光合作用，分析其原因可能是紅藍綠組合光能提高幼苗葉片中相關(guān)光合酶活性和光化學(xué)效率，進而提高凈光合速率[38]，還有可能是紅藍綠組合光相比紅藍組合光光質(zhì)較為完整，增加了三種光質(zhì)的共有效果。在本試驗紅藍組合光處理中，隨著藍光比例的增加氣孔導(dǎo)度也在增加，表明藍光對黃瓜幼苗氣孔的開放具有促進作用；各補光處理組的胞間CO2濃度均低于對照，而且隨著組合光中藍光比值的升高，胞間CO2濃度在持續(xù)下降。在紅藍組合光中加入綠光后，胞間CO2濃度降幅更大，表明綠光可能有效促進葉片中CO2在光合作用下的利用和轉(zhuǎn)化，提高同化物積累，促進碳代謝來增加干物質(zhì)的積累。

大量研究表明，紅光可明顯促進可溶性糖積累，對干物質(zhì)的積累具有調(diào)控作用[39]。研究還表明，在紅藍光基礎(chǔ)上添加綠光可提高生菜可溶性糖含量[40]。本試驗結(jié)果表明，黃瓜幼苗補照LED 組合光幼苗的可溶性糖含量均高于對照，在紅藍組合中，隨著藍光比例的增加，可溶性糖含量隨之減少；在紅綠組合處理中，黃瓜幼苗葉片中可溶性糖含量比紅藍組合處理顯著性增加，表明綠光對增加葉片中可溶性糖含量也具有促進的作用。分析其原因可能是紅藍綠組合光增強葉片碳水化合物的合成與積累[3]，因此補照紅藍綠組合光的黃瓜幼苗葉片中可溶性糖含量大幅度增加。

研究表明，植株在受到低溫等脅迫后其體內(nèi)會有大量脯氨酸的快速積累，脯氨酸對細胞起到保護的作用，能提高植株的抗逆能力[41]。另外，在逆境中植物遭受氧化脅迫會發(fā)生膜質(zhì)過氧化反應(yīng)而產(chǎn)生丙二醛，其含量反映了植物細胞膜質(zhì)過氧化程度及對逆境條件反應(yīng)的強弱[42]。本試驗結(jié)果表明，黃瓜幼苗補照組合光能夠提高葉片中脯氨酸的含量、降低丙二醛含量。與對照相比，紅藍組合光中加入綠光的R8B1G1 處理組脯氨酸含量得到了顯著增加，而丙二醛含量顯著降低，表明補照紅藍綠光有助于促進幼苗脯氨酸的合成，減少幼苗發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)，從而增強幼苗的抗逆性，提高其對冬春季節(jié)不良環(huán)境如冷害等逆境的抵抗能力。

綜上所述，黃瓜幼苗延時補照LED 組合光特別是組合光R8B1G1，通過提高幼苗葉片中的葉綠素含量、凈光合速率以及根系活力，進而增加其莖粗、葉面積和全株鮮干質(zhì)量，可以有效改善其生長形態(tài)，提高幼苗的抗逆能力，并達到壯苗的效果。因此，LED 紅藍綠組合光R8B1G1 為本試驗條件下黃瓜幼苗達到最佳壯苗效果的最適補光組合。關(guān)于紅藍綠LED 光質(zhì)對蔬菜幼苗的具體作用機理及途徑仍待繼續(xù)深入研究。