LED 白光下播種量對黑麥草產(chǎn)量影響

陳艷琦，劉文科（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

黑麥草（Lolium perenneL.）隸屬于禾本科黑麥草屬，一年生或多年生、生長速度快、分蘗能力強(qiáng)、可刈割，是溫帶地區(qū)栽培最廣泛的一種禾本科牧草[1-2]。黑麥草不僅具有易栽培、抗逆性強(qiáng)、再生性強(qiáng)、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，而且作為飼草其適口性好、消化率高、營養(yǎng)豐富全面，其中粗蛋白含量可達(dá)20%，酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量分別約為22%～32% 和40%～60%，可溶性碳水化合物約為15%～27%[3-5]。黑麥草可作為牛、羊、豬、肉兔以及雞、鵝等禽畜的青飼料使用[6-7]，用途廣泛，市場需求大。當(dāng)前，中國正處于畜牧業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時(shí)期，“糧改飼”政策持續(xù)推進(jìn)雖然提高了牧草種植面積和單產(chǎn)，但缺口仍較大，牧草進(jìn)口額不斷上升，2020 年僅苜蓿草飼料進(jìn)口額達(dá)到了60687.56 萬美元[8]。牧草在各地區(qū)普遍存在季節(jié)性分布不均的情況，尤其是在北方地區(qū)存在冬春季新鮮牧草供應(yīng)不足的問題。因此探索周年可供應(yīng)的高效生產(chǎn)方法，解決地方性、季節(jié)性牧草供需矛盾，對保障畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

光合有效輻射(Photosynthetically active radiation,PAR）在太陽光譜中400～700 nm 處與可見光基本重合，包括藍(lán)光（400～500 nm）；綠光（500～600 nm）；紅光（600～700 nm），其中紅光和藍(lán)光是光合作用的基本能源[9]。此外，光作為一種環(huán)境信號，通過紅光和遠(yuǎn)紅光的受體光敏色素、藍(lán)紫光的受體隱花色素，以及向光素等光受體，直接或間接的調(diào)控植物的光形態(tài)建成，調(diào)節(jié)植物的生長、分化以及植株整合作用[10]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對于光以及光對植物生長調(diào)控機(jī)制研究的深入，人工光逐步從補(bǔ)充自然光到代替自然光，突破了太陽光對植物生長的限制，被廣泛應(yīng)用于設(shè)施栽培、組織培養(yǎng)、植物工廠和太空農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[11]。目前，生菜、番茄等蔬菜的光質(zhì)生理及對營養(yǎng)品質(zhì)的調(diào)控機(jī)理已經(jīng)有較全面的研究[12]。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，LED 光源由于具有高光電轉(zhuǎn)換效率、耗能低、體積小、壽命長、波長固定且發(fā)熱低等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的用于植物照射，并且其使用靈活、光質(zhì)光強(qiáng)可調(diào)節(jié)、可定制、可網(wǎng)絡(luò)化調(diào)節(jié)以及近距離照射等方面都優(yōu)于高壓鈉燈和熒光燈[13]，為人工光植物工廠提供了高效、穩(wěn)定、智能的光源。

植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的最高級階段，在植物工廠生產(chǎn)牧草，不受自然環(huán)境的影響，周年生產(chǎn)可以有效解決牧草季節(jié)性短缺的問題，高效供應(yīng)優(yōu)質(zhì)牧草。本文以黑麥草為材料，探討人工光植物工廠環(huán)境下播種密度對產(chǎn)量的影響，以期為黑麥草植物工廠生產(chǎn)的播種量和生產(chǎn)周期設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

材料與方法

試驗(yàn)材料與方法

黑麥草（寬葉四倍體黑麥草）購買于河南省鄭州開元草業(yè)有限公司，將黑麥草播種于育苗穴盤中，在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所人工光植物工廠中進(jìn)行栽培試驗(yàn)。植物工廠內(nèi)溫度為24±2 ℃，相對濕度為35%～50%，CO2濃度為500±50 μmol/mol。選用規(guī)格為49 cm×49 cm 白光LED 面板燈給予光照，面板燈安置在穴盤上方40 cm 處。

基質(zhì)配比為草炭：珍珠巖：蛭石=3:1:1，加蒸餾水均勻混拌，調(diào)節(jié)含水量至55%～60%，堆置2～3 h 待基質(zhì)充分吸收水分后均勻裝于54 cm×28 cm 的32 孔穴盤中。選擇顆粒飽滿、大小均一的種子進(jìn)行播種。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置白光LED 的光強(qiáng)為350 μmol/(m2/s)、光譜分布如圖1 所示，光暗周期為16 h/8 h，其中光期時(shí)段為5:00～21:00。設(shè)置7、14 粒/ 穴兩種播種密度進(jìn)行播種，本實(shí)驗(yàn)于2021 年11 月2 日播種，播種后避光培養(yǎng)，11 月5 日開始光照，光照培養(yǎng)期間向育苗托盤中補(bǔ)充Hoagland營養(yǎng)液[14]。

圖1 LED 白光面板燈光譜分布

刈割指標(biāo)及方法

觀察植株平均高度達(dá)到面板燈高度時(shí)進(jìn)行刈割。分別于11 月22 日、12 月9 日和12 月26 日刈割，刈割間期為17 天。留茬高度2.5±0.5 cm，刈割時(shí)隨機(jī)選取3 穴植株，將刈割的黑麥草稱重并記錄，計(jì)算每平方米產(chǎn)量見公式（1），分別代入公式計(jì)算不同播種量和刈割次數(shù)產(chǎn)量，W 為各刈割茬次累計(jì)鮮重。

數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 23 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，單因素ANOVA 分析和LSD 檢驗(yàn)（P＜0.05）比較均值的差異顯著性。

結(jié)果與分析

3 次刈割總產(chǎn)量和不同刈割茬次產(chǎn)量如圖2所示。從平均產(chǎn)量上來看，兩種播種密度的產(chǎn)量趨勢均表現(xiàn)為第一茬＞第三茬＞第二茬，分別為24.7 g ＞15.41 g ＞12.35 g（7 粒/穴）、36.6 g ＞19.72 g ＞16.98 g（14 粒/ 穴）。兩種播種密度在刈割第一茬產(chǎn)量間存在顯著差異（圖2a），第二茬、第三茬和總產(chǎn)量間無顯著差異（圖2b、圖2c、圖2d）。

圖2 播種量與刈割茬次對黑麥草產(chǎn)量的影響

按照不同刈割方案計(jì)算生產(chǎn)周期，僅刈割1次周期為20 天；刈割2 次為37 天；刈割3 次為54 天。兩種播種量，不同累計(jì)刈割次數(shù)的單位面積產(chǎn)量如圖3 所示。播種量為7 粒/穴刈割1 次的產(chǎn)量最低，僅有5.23 kg/m2。當(dāng)播種量為14 粒/穴時(shí)，累計(jì)刈割3 次的產(chǎn)量為15.51 kg/m2，約達(dá)到7 粒/ 穴刈割1 次產(chǎn)量的3 倍，且顯著高于其他刈割次數(shù)，刈割3 次的生長周期長度是刈割1 次的2.7 倍，但產(chǎn)量僅約為刈割1 次的2 倍。播種量為7 粒/ 穴刈割3 次時(shí)的產(chǎn)量與14 粒/ 穴刈割2 次的產(chǎn)量無顯著差異，但兩種方式的生產(chǎn)周期差17天。播種量為14 粒/ 穴刈割1 次時(shí)，其產(chǎn)量與7粒/穴刈割1 或2 次的產(chǎn)量無顯著差異。

圖3 兩種播種量條件下刈割1～3 次的黑麥草產(chǎn)量

結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)植物工廠LED 白光下黑麥草可以正常生長，可按照多次收獲方式生產(chǎn)。由于環(huán)境穩(wěn)定適宜，刈割后再生速度快，據(jù)觀察刈割后第1 天即可生長約3 cm。在第二茬刈割時(shí)就出現(xiàn)了拔節(jié)、孕穗的黑麥草。據(jù)文獻(xiàn)記載田間種植的黑麥草從播種到拔節(jié)期不越冬需要約56 天[15]，越冬則需要約120 天[16]，第一次刈割后繼續(xù)生長26天，黑麥草開始開花并且能觀察到有花粉產(chǎn)生，第三次刈割時(shí)，處于拔節(jié)抽穗期的黑麥草數(shù)量增多。與田間試驗(yàn)不同，本試驗(yàn)中，黑麥草株高可達(dá)60 cm，高于生長空間的高度，由于穴盤到面板燈板的高度限制了黑麥草的生長高度，因此葉面出現(xiàn)了一定程度彎曲，既影響了株型，還使得被壓住的葉面受光減少、穴盤平面內(nèi)光照不均勻，出現(xiàn)產(chǎn)量差異的情況。

田間試驗(yàn)生產(chǎn)，播種量一般為1.80～3.75 kg/m2，刈割3～5 茬，累計(jì)鮮重產(chǎn)量約為11.4 0～12.67 kg/m2[15-17]。本試驗(yàn)中7、14 粒/ 穴播種量分別為5.93 g/m2、11.85 g/m2，刈割3 茬累計(jì)鮮重產(chǎn)量分別為11.11 kg/m2和15.51 kg/m2，鮮重產(chǎn)量可達(dá)到田間生產(chǎn)水平，此外由于植物工廠可以層架栽培[18]，單位面積的產(chǎn)量還能通過層架數(shù)的合理設(shè)計(jì)提高。在環(huán)境可控的植物工廠中為黑麥草持續(xù)提供了充足水分和營養(yǎng)元素，而田間種植依賴于降雨量以及定期灌溉，生長過程的水分供應(yīng)有明顯的區(qū)別，因此還需進(jìn)一步對干重和干物質(zhì)積累程度進(jìn)行分析比較。一些研究表明，拔節(jié)期的黑麥草粗蛋白含量高于其他生長期，營養(yǎng)成分較高且生長速度快[15-17]，關(guān)于植物工廠生產(chǎn)黑麥草營養(yǎng)品質(zhì)和相對飼喂價(jià)值，還需要對不同生育期的黑麥草進(jìn)行評價(jià)。

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，14 粒/ 穴的播種量在不同刈割次數(shù)的產(chǎn)量都高于7 粒/ 穴，但播種量增加一倍時(shí)產(chǎn)量并沒有提高一倍，當(dāng)生長周期延長時(shí)，產(chǎn)量也沒有呈現(xiàn)相應(yīng)的增長，刈割次數(shù)的增加會增加產(chǎn)量，但也增加了工作時(shí)長?？紤]到周年化生產(chǎn)，對不同播種量和刈割次數(shù)的年產(chǎn)量進(jìn)行了計(jì)算，據(jù)結(jié)果顯示，當(dāng)使用14 粒/ 穴播種，出苗后光照17 天刈割1 次結(jié)束生長，全年可生產(chǎn)約21 批，那么年產(chǎn)量可達(dá)162.67 kg/m2，顯著高于兩種播種量條件下其他刈割次數(shù)的年產(chǎn)量。

在生產(chǎn)中，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的層架數(shù)、架高、播種量以提高單位面積產(chǎn)量，結(jié)合營養(yǎng)品質(zhì)評價(jià)適時(shí)刈割，提高產(chǎn)品質(zhì)量，還需考慮種子、人工、鮮草貯藏等經(jīng)濟(jì)成本。當(dāng)前牧草業(yè)還面臨著產(chǎn)品流通體系不健全、商品化程度不高等問題，只能在局部區(qū)域流通，不利于在全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)草畜結(jié)合[19]。植物工廠生產(chǎn)不僅能縮短黑麥草的收獲周期、提高單位面積的產(chǎn)出率、實(shí)現(xiàn)周年的鮮草供應(yīng)，還能夠根據(jù)畜牧業(yè)的地域分布和產(chǎn)業(yè)規(guī)模建廠生產(chǎn)，降低物流成本。

結(jié)論

綜上所述，在LED 光源下生產(chǎn)黑麥草具有可行性，3 次刈割7 粒/穴和14 粒/穴均為第一茬產(chǎn)量較高，呈現(xiàn)出相同的產(chǎn)量先降低后增加的趨勢，兩種播種量生產(chǎn)54 天時(shí)產(chǎn)量可達(dá)11.11 kg/m2和15.51 kg/m2。因此，植物工廠生產(chǎn)黑麥草具有商業(yè)化應(yīng)用潛力。