紅藍白光與遠紅光對櫻桃蘿卜早期生長發(fā)育的影響

陳夢彤，季 清，董育辰，陳 麗

(1.蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215000；2.南京格尼茲農(nóng)業(yè)科技有限責任公司，南京 211800)

引言

氣候變化所致的洪旱災(zāi)害和人口的日益增長都給傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來巨大壓力，我國耕地資源有限，人均耕地不到世界平均水平的1/2[1]，據(jù)有關(guān)部門預(yù)計，到2050年時，人均可耕地面積將會減少至不足2.1市畝，傳統(tǒng)農(nóng)耕形式將不再是一種可持續(xù)發(fā)展的選擇，發(fā)展立體種植技術(shù)已被各國提上日程。

高效半導體發(fā)光二極管(LED)現(xiàn)在廣泛用于顯示、照明等領(lǐng)域，以取代傳統(tǒng)的白熾燈或熒光燈以節(jié)省能源[2]。發(fā)光二極管(LED)作為新型固態(tài)半導體光源，與熒光燈相比在植物工廠應(yīng)用上具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、體積小等諸多光電優(yōu)勢，更重要的是其可以按照植物生理和生產(chǎn)需求調(diào)制光譜并自動化調(diào)控時間和空間上的連續(xù)光照動態(tài)模式，進而集成形成設(shè)施植物生產(chǎn)的調(diào)控策略，以實現(xiàn)植物生產(chǎn)力、生物量和碳水化合物數(shù)量的最大化。

LED植物工廠更適于葉菜、小根菜和一些藥用植物，目前植物工廠中栽培植物種類較單一，主要是葉菜，如生菜和菠菜，根菜很少在植物工廠種植，關(guān)于光條件對根菜生產(chǎn)影響的研究更少[3]。櫻桃蘿卜(Raphanus sativus L.var.radculus pers)作為四季蘿卜中的一種，具有生長周期短、營養(yǎng)價值高、經(jīng)濟效益可觀的特點[4]，是我國廣泛種植的根莖類蔬菜之一。前人研究表明，蘿卜生長需要一定比例的紅藍光[5]，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；紅光能夠促進櫻桃蘿卜的植高、株幅等增加，提高根鮮重和產(chǎn)量[6]。補充藍光能夠促進非結(jié)構(gòu)糖在地上部和貯藏根的分配，從而促進貯藏根的增粗[7]。紅光LED補充10%藍色熒光能夠顯著增加蘿卜干重但仍無法達到蘿卜的最大生長效率[8]。因此本研究在前人研究基礎(chǔ)上，自制RBWF多光質(zhì)LED植物燈，研究不同紅、遠紅、藍、暖白光光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜生長發(fā)育的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年3月于蘇州大學機電工程學院創(chuàng)新實驗室進行，供試的櫻桃蘿卜品種為滄州津科力豐種苗有限責任公司出產(chǎn)的“櫻桃蘿卜”。2021年3月6日播種在培養(yǎng)槽(長50 cm×寬19 cm×高15 cm)中，栽培基質(zhì)是50%草碳、30%菇渣、10%珍珠巖、10%蛭石，基質(zhì)深約12 cm。于2021年3月12日定苗，每槽定植10株，每槽每天澆水250 mL。栽培槽放置在補光架中部，每個補光架下放置兩個栽培槽，栽培槽正上方懸掛多光質(zhì)LED植物燈(100 cm×8 cm)，本研究應(yīng)用于植物補光燈的光源采用定制四芯片集成LED燈珠作為光源，其中LED燈珠含有紅光芯片(R，655～660 nm)、遠紅光芯片(FR，725～730 nm)、藍光芯片(B，452.5～455 nm)和暖白光芯片(W，2 800～3 200 K)四種芯片，光質(zhì)均勻，且每種光質(zhì)的強度可獨立調(diào)節(jié)。采用OHSP350P植物光照分析儀測定栽培槽中心距離植物燈50 cm處光強，調(diào)至試驗所需光強及光質(zhì)。實驗室室溫保持在20～25 ℃。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4種光質(zhì)配比，如表1所示，其光譜如圖1～圖4所示。統(tǒng)一各組總光強為200 μmol·m-2·s-1，2R1B與RBW1的藍光絕對量相同，2R1B與RBW2的紅光絕對量相同，RBW1的藍光比例最高，RBW2的紅光比例最高。RBF的紅藍光強與2R1B相同，其中添加了遠紅光，紅光和遠紅光比例為2∶1。各組光期18 h，暗期6 h，各組光照空間分布相同。

表1 光質(zhì)組成

圖1 2R1B光譜圖Fig.1 2R1B spectrum

圖2 RBW1光譜圖Fig.2 RBW1 spectrum

圖3 RBW2光譜圖Fig.3 RBW2 spectrum

圖4 RBF光譜圖Fig.4 RBF spectrum

LED驅(qū)動電路部分采用四路帶有電流控制功能的Buck恒流驅(qū)動電路，分別控制紅、遠紅、藍、暖白光LED支路的電流來調(diào)節(jié)亮度，從而實現(xiàn)定量精確補光。各支路的驅(qū)動電流為持續(xù)穩(wěn)定電流，無頻閃。嵌入式控制部分按預(yù)設(shè)光質(zhì)比設(shè)置各光質(zhì)支路的電流值參考值，進行數(shù)字PID調(diào)節(jié)，計算對應(yīng)支路Buck變換器的控制信號占空比，實現(xiàn)四路恒流驅(qū)動輸出。

1.3 取樣與測定方法

試驗主要研究LED不同光質(zhì)對櫻桃蘿卜生長發(fā)育的影響，在定植后每5 d用最小刻度為0.1 cm的刻度尺測量每株櫻桃蘿卜的株高，在長出真葉后每5 d測量每株櫻桃蘿卜最大葉長與葉綠素，最大葉長用游標卡尺測量，其中，測量葉綠素含量時選取植株上具有代表性的2片葉，用SPAD-502PLUS測定葉綠素含量，取平均值進行數(shù)據(jù)分析。櫻桃蘿卜成熟后，整株取出，將根系洗凈，測定真葉數(shù)，使用游標卡尺測量根長和冠長等形態(tài)指標，利用分析天平測定櫻桃蘿卜根冠總鮮重、根鮮重和冠鮮重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)運用EXCEL軟件計算各組平均值和標準差，采用IBM SPSS Statistics 26軟件的單因素方差分析(ANOVA)的新復(fù)極差法(Duncan)比較差異顯著性，用EXCEL作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 LED光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜地上部生長及生物量的影響

表2給出了播種29d后櫻桃蘿卜的真葉數(shù)量、冠長和冠鮮重，在紅、遠紅、藍、暖白光四種不同強度光配比LED光照射下，播種29d后櫻桃蘿卜真葉數(shù)和冠長均無顯著差異。

表2 播種29d后光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜真葉數(shù)量、冠長、冠鮮重的影響

RBW2處理下冠鮮重最大，含有的生物量最多，顯著高于RBF處理，同時真葉數(shù)也最大，因此RBW2處理顯著增加了地上部鮮重；RBW2處理的冠鮮重略高于2R1B和RBW1處理，考慮到RBW2的紅光比例最高，說明在紅光絕對量相同的情況下，高比例的紅光能夠適當增加冠鮮重；2R1B、RBW1和RBW2處理冠鮮重無顯著差異，說明白光對冠鮮重影響不顯著。而2R1B處理的冠長最短，RBF處理的冠長最高，RBF僅在2R1B基礎(chǔ)上添加了遠紅光，但是遠紅光處理后冠長增加，冠鮮重顯著減少，說明含遠紅光處理的櫻桃蘿卜植株徒高，其含有的生物量卻很少。因此，光質(zhì)配比顯著影響冠鮮重，對真葉數(shù)和冠長無顯著影響，高比例紅光能適當增加冠鮮重，白光對冠鮮重無顯著影響，遠紅光使冠長徒高而所含生物量少。

2.2 LED光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜地下部生長及生物量的影響

由表3可以看出，RBW2處理的根長最長，因此根鮮重也最大，與上述RBW2處理的冠鮮重最大結(jié)論一致；RBF處理的根長顯著低于其他三個處理，根鮮重也最低，所含生物量最少，與上述RBF處理的冠鮮重最低結(jié)論一致；2R1B、RBW1、RBW2處理的根長差異不顯著，說明白光對根長無顯著性影響。RBW2處理的根鮮重顯著高于其他三個處理；RBW1處理的根鮮重顯著低于2R1B處理和RBW2處理，考慮到RBW1處理的紅藍比最低，由此可以得出紅藍比例過低不利于根部生物量積累；RBF處理的根鮮重最低， 說明遠紅光也不利于根部生物量積累。不同光照處理對根冠總鮮重影響顯著，因為RBW2下根鮮重和冠鮮重均最高，所以其根冠總鮮重也顯著高于其他三個處理，所含生物量最高；RBW1處理的根冠總鮮重顯著低于2R1B處理和RBW2處理，考慮到前面2R1B、RBW1、RBW2處理的冠鮮重無顯著差異，得出這是RBW1下的低紅藍比不利于根部生物量積累所致；RBF處理的根冠總鮮重最低。2R1B和RBW1處理的根冠比差異顯著，和RBW2處理的根冠比差異不顯著，又考慮到2R1B和RBW1處理藍光絕對量相同，2R1B和RBW2處理紅光絕對量相同且高于RBW1處理，說明在無遠紅光的情況下，紅光影響根冠比，紅光比例越高，根冠比越高；RBF處理的根冠比最低。因此，由2R1B、RBW1和RBW2三者比較可知，紅光比例過低不利于根系生長，藍光對根系促進作用不如紅光明顯；由2R1B和RBF二者比較可知，遠紅光阻礙櫻桃蘿卜根系生長。方差分析結(jié)果表明，不同光質(zhì)處理對根冠總鮮重、根鮮重影響均達到極顯著水平(P<0.01)，對根冠比影響達到顯著性水平(P<0.05)?？偟膩碚f，高比例紅光能促進櫻桃蘿卜地下部生物量積累，高比例藍光不利于地下部生長，遠紅光抑制地下部生長。

表3 光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜根系、根冠總鮮重、根冠比的影響

2.3 LED光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜株高的影響

如圖5所示，培養(yǎng)10d和15d時，各處理株高差異不顯著，RBF處理的株高已有超過同期其他處理株高的趨勢；到25d時RBF和RBW2處理的植株生長相對較快，RBF處理的株高最高，RBW2處理的株高僅次于RBF處理，2R1B處理的株高最低，RBW1和RBW2處理的株高均高于2R1B處理，說明白光對株高有促進作用；RBW2處理的株高又高于RBW1處理，考慮到RBW2處理的紅藍光比例高于RBW1處理，因此紅藍比例高對株高有促進作用。

綜上，遠紅光處理對櫻桃蘿卜株高影響顯著，白光、高比例紅光和遠紅光促進櫻桃蘿卜地上部分增高，遠紅光的促進增高作用更明顯。

圖5 光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜株高的影響Fig.5 The effects of light quality ratio on plant height of cherry radish注：短線表示標準誤差，以下圖同。

2.4 LED光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜最大葉長的影響

如圖6所示，13～28 d除RBF處理，各光質(zhì)處理最大葉長均呈增長趨勢，RBW1處理和RBW2處理的最大葉長均保持大于2R1B處理，說明白光對最大葉長有促進作用；RBW2處理的最大葉長均保持大于2R1B處理，因此低比例藍光更有利于葉片伸長。13～23 d時各處理最大葉長無顯著差異，13 d時RBF最大葉長最大，18～28 d時RBW2處理的最大葉長最大，18 d各處理最大葉長相比于13 d處理有較大增長，分別平均增長了60.0%，83.2%，80.8%和63.6%，23 d各處理最大葉長與18 d處理相比增長緩慢，除了RBF處理，其他處理28 d時最大葉長均高于23d處理，RBF處理下的葉片在23～28 d開始萎縮，到28 d時RBF處理顯著低于其他三個處理。綜合比較，白光和低比例藍光都有利于葉片伸長，低比例藍光RBW2處理促進作用更明顯，遠紅光對葉片早期伸長有較大促進作用，后期遠紅光處理的葉片最先開始萎縮。

2.5 LED光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜葉綠素含量的影響

如圖7所示，不同光質(zhì)處理對櫻桃蘿卜葉綠素含量有顯著影響，主要表現(xiàn)為13 d時2R1B處理下葉綠素最高，18～28 d內(nèi)RBW2處理的葉綠素最高，RBW1處理的葉綠素含量均低于2R1B處理，說明低比例紅光不利于葉綠素合成。13～23 d內(nèi)2R1B和RBW1處理的葉綠素含量均持續(xù)下降，分別下降了10.0%和12.4%，與光照23 d的葉綠素相比，2R1B和RBW1處理28 d的葉綠素含量均有所回升，但仍略低于13 d處理的葉綠素含量；13～28 d內(nèi)RBW2下的葉綠素含量呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢，13 d時RBW2處理顯著低于2R1B處理，到23 d時顯著高于2R1B處理，在28 d時高于其他處理，說明低比例藍光對葉片葉綠素含量有延遲促進作用。RBF下的葉綠素含量持續(xù)下降，28 d時RBF處理的葉綠素含量低于其他光質(zhì)處理，說明遠紅光抑制葉綠素合成，與RBF下植株徒高，根鮮重低結(jié)論一致。13～28 d內(nèi)各光質(zhì)處理的葉綠素含量均有下降趨勢，除RBW2處理，28 d各光質(zhì)處理的葉綠素含量均低于13 d處理。28 d時2R1B和RBW2處理葉綠素含量近似相等，均顯著高于RBW1處理，而2R1B和RBW2處理紅光比例相等，均高于RBW1處理，2R1B和RBW1處理藍光比例相等，說明高比例紅光促進葉綠素合成，藍光促進作用不明顯。因此，高比例紅光促進葉綠素合成，低比例藍光延遲促進葉綠素含量增長，遠紅光抑制葉綠素合成。

圖6 光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜最大葉長的影響Fig.6 The effects of light quality ratio on largest leaf length of cherry radish

圖7 光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜葉綠素的影響Fig.7 The effects of light quality ratio on chlorophyll content of cherry radish

2.6 LED光質(zhì)配比對櫻桃蘿卜總體長勢的影響

如圖8所示，RBW2處理下櫻桃蘿卜膨大率最高，2R1B處理膨大率次之，RBW1較少膨大，說明紅藍光比例越高，膨大率越高。29 d時RBF處理葉子已有萎縮趨勢，且?guī)缀鯚o膨大，說明遠紅光使櫻桃蘿卜提早枯萎且抑制根部膨大。

圖8 29 d時不同光質(zhì)配比處理櫻桃蘿卜植株形態(tài)Fig.8 The plant morphology of cherry radish under different lignt quaity ratios for 29 days

3 討論與結(jié)論

綜上所述，不同光質(zhì)處理對櫻桃蘿卜早期真葉數(shù)和冠長影響不顯著，高比例紅光能適當增加冠鮮重，顯著提高葉片葉綠素含量、根長、根鮮重和根冠比，有利于生物量積累，白光促進地上部增高，白光和低比例藍光促進葉片伸長，低比例藍光延遲促進葉綠素含量增長，高比例藍光和遠紅光會抑制根系生長和葉綠素合成，遠紅光還會導致植株徒高，株高和冠長過長，而所含生物量少，前期葉片增長較快，后期最先萎縮，RBW2處理的櫻桃蘿卜所含生物量顯著高于其他光質(zhì)處理。

黃啟良等[9]、陳冰星等[10]、CRAKER等[11]研究發(fā)現(xiàn)，長光照高比例的紅光可以促進櫻桃蘿卜肉質(zhì)根的形成，光照強度對貯藏器官發(fā)育有很大影響，這與本文研究結(jié)果一致。說明高比例紅藍光有利于根部膨大增粗，藍光比例過高會抑制櫻桃蘿卜生長。

RBW1和2R1B藍光比例相同，2R1B中部分紅光用白光代替，紅光比例降低，櫻桃蘿卜地下部生長明顯不如2R1B處理；RBW2和2R1B紅光比例相同，2R1B中部分藍光用白光代替，藍光比例降低，RBW2處理結(jié)果要優(yōu)于2R1B處理。RBW1處理和RBW2處理地上部分長勢均優(yōu)于2R1B處理，白光對地上部生長有一定促進作用。

白光有利于櫻桃蘿卜早期地上部增高和葉片生長，高紅藍比RBW2處理有利于櫻桃蘿卜早期地下部生長、葉綠素合成與生物量積累，低紅藍比RBW1不利于肉質(zhì)根膨大，遠紅光使植株徒高而含生物量少，抑制肉質(zhì)根膨大和葉綠素合成。