交替光譜輻照對(duì)葉用萵苣營養(yǎng)元素水平的影響

陳曉麗， 王利春， 李友麗， 郭文忠， 2*

1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097 2. 農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(北方)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100097

引 言

光是植物光合作用的唯一能量來源也是調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的環(huán)境信號(hào)， 光環(huán)境要素包括單一光譜的時(shí)空分布以及單一光譜強(qiáng)度， 光環(huán)境由若干單一光譜耦合而成， 是影響植物生長發(fā)育和栽培效益的關(guān)鍵環(huán)境方面。 發(fā)光二極管(LED)因具有光譜可調(diào)、 光量可控、 產(chǎn)熱少等優(yōu)勢(shì)， 被越來越多地應(yīng)用于園藝作物生產(chǎn)和研究中， 伴隨LED光譜調(diào)控系統(tǒng)的開發(fā)， 光環(huán)境調(diào)控不再局限于對(duì)光質(zhì)、 光強(qiáng)度以及光期的調(diào)節(jié)， 而是延伸到對(duì)光譜時(shí)空分布即供光模式的調(diào)節(jié)， 不同頻率的單一光譜交替供光模式是一種被證明有提高植物能量利用效率作用的供光方式[1]。 近年來， 紅、 藍(lán)光譜因?qū)?yīng)于植物光合色素吸收光譜的峰值波段而成為植物栽培領(lǐng)域光譜研究的主要光質(zhì)[2]。 研究表明， 在累計(jì)光積分和能量消耗相等的前提下， 與傳統(tǒng)的同時(shí)供光相比， 紅、 藍(lán)光譜以一定的時(shí)間間隔交替照射生菜植株， 能夠促進(jìn)生菜植物的生長以及其生物量的積累[3]， 這意味著紅、 藍(lán)光譜交替有潛力提高植物產(chǎn)出效益和栽培系統(tǒng)電能利用效率， 因此研究相同能耗條件下交替供光策略的潛在優(yōu)勢(shì)具有重要的實(shí)際意義。 K， P， Ca， Mg， Fe， Mn， Zn和Cu等礦質(zhì)元素不僅是葉用萵苣重要的食用性品質(zhì)指標(biāo)， 也是反映葉用萵苣對(duì)營養(yǎng)元素吸收水平的重要依據(jù)。 研究表明， 植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收及利用受到光環(huán)境的影響。 有報(bào)道指出， 紅、 藍(lán)組合光譜在不同的光譜光量比例下對(duì)基質(zhì)栽培生菜體內(nèi)礦質(zhì)元素的種類和含量具有誘導(dǎo)調(diào)節(jié)作用[4]， 然而紅、 藍(lán)交替光譜對(duì)葉用萵苣根系礦質(zhì)元素吸收的調(diào)控尚未報(bào)道。 因此， 本研究在封閉式植物工廠中采用LED紅、 藍(lán)交替光譜及深液流水培模式培育葉用萵苣， 設(shè)置了不同交替間隔時(shí)長的紅藍(lán)交替光處理， 并以紅藍(lán)光同時(shí)供光為對(duì)照， 運(yùn)用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)[5]， 探究了紅、 藍(lán)交替光譜對(duì)葉用萵苣礦質(zhì)元素吸收和積累的影響， 研究結(jié)果為植物工廠功能性蔬菜的生產(chǎn)及不同光環(huán)境下的營養(yǎng)液調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)， 也為更好的揭示紅、 藍(lán)光在作用于植物生長發(fā)育過程中的相互關(guān)系及高能量利用率的供光方式提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與處理

本試驗(yàn)在北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心的全人工光型植物工廠中進(jìn)行， 試驗(yàn)材料為奶油葉用萵苣(LactucasativaL. ‘Flandria’; Rijk Zwaan Co., Netherlands) 。 將葉用萵苣種子播種至海綿塊中進(jìn)行育苗， 14 d后定植到不同光環(huán)境的水培種植箱中。 植物工廠內(nèi)晝/夜溫度設(shè)置為24/20 ℃， 空氣濕度65%， CO2濃度700 μmol·mol-1， 霍格蘭營養(yǎng)液[6]pH和EC分別保持在6.5和1.45 mS·cm-1左右， 營養(yǎng)液每周更換一次。 從播種日起第54天(即定植后40 d)進(jìn)行收獲并測(cè)定收獲指標(biāo)。

本試驗(yàn)共8個(gè)處理， 試驗(yàn)光源采用北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心研制的LED植物光配方調(diào)控系統(tǒng)， 光源垂直懸掛于植物頂部。 該系統(tǒng)可以設(shè)置不同光質(zhì)、 光量配比以及供光模式和照射頻率。 定植當(dāng)天即開始不同的光處理照射。 光處理如表1所示， 共設(shè)8個(gè)紅藍(lán)交替光處理、 1個(gè)紅藍(lán)光同時(shí)供光處理。 純紅光(R)與純藍(lán)光(B)的處理中， 紅光和藍(lán)光的光強(qiáng)度均為200 μmol·m-2·s-1； 其他處理中紅、 藍(lán)光的光強(qiáng)分別設(shè)定為180和20 μmol·m-2·s-1， 即整個(gè)生育期內(nèi)紅光與藍(lán)光的光量子數(shù)比值為9∶1， 紅藍(lán)光峰值波長分別為660和450 nm。

表1 紅藍(lán)交替光試驗(yàn)處理

關(guān)于紅藍(lán)光交替處理模式的設(shè)置和命名見表1。 在每天16 h的光期里， 紅、 藍(lán)光每5 min切換1次， 交替頻率為96次·d-1， 處理記作R/B(5 m)， 同理紅、 藍(lán)光交替間隔時(shí)間為10 min， 15 min， 30 min， 60 min， 2 h， 4 h和8 h分別記作R/B(10 m)， R/B(15 m)， R/B(30 m)， R/B(60 m)， R/B(2 h)， R/B(4 h)和R/B(8 h)光期里對(duì)應(yīng)的紅藍(lán)光交替頻率則分別為48次、 32次、 16次、 8次、 4次、 2次、 1次， 紅藍(lán)光同時(shí)供光的處理為對(duì)照計(jì)為RB。 關(guān)于處理間的光量子數(shù)和耗電量見表2。 試驗(yàn)中紅藍(lán)光同時(shí)供光的處理RB每天的光期為8 h， 這是為了該處理作為對(duì)照與其他交替紅藍(lán)光處理具有相等的總光量和總耗電量。

表2 日累計(jì)光積分和耗電量

1.2 儀器與測(cè)試

光合有效輻射的測(cè)量采用光量子儀(model-1400， LI-COR， USA)； 光譜測(cè)試采用USB650型光譜儀(Ocean Optics, model-SD650, USA)， 波長范圍為350～1 000 nm， LED紅光峰值波長為660 nm， 藍(lán)光峰值波長為450 nm； 礦質(zhì)元素測(cè)試采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICAP 6300 ICP-OES Spectrometer， Thermo Fisher, USA)， 光譜儀條件為: 樣品提升量1.0 mL·min-1； 載氣0.8 L·min-1； 輔助氣0.5 L·min-1； 冷卻氣15.0 L·min-1； 高頻發(fā)生器功率1 300 W。

1.3 元素浸提及標(biāo)準(zhǔn)曲線

稱取0.50 g萵苣樣品于消煮管中， 加入濃硝酸和高氯酸的混合酸15 mL(體積比為4∶1)于180 ℃消煮6～8 h至溶液接近無色時(shí)冷卻， 過濾后濾液用去離子水定容至50 mL， 以同樣的方法制備空白對(duì)照。 濃硝酸和高氯酸均為優(yōu)級(jí)純購自北京化工廠， 元素標(biāo)準(zhǔn)液源自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。

配制不同濃度的K， P， Ca， Mg， Fe， Mn， Zn和Cu元素標(biāo)準(zhǔn)溶液， 各元素分析譜線波長見表3。 表3顯示， 標(biāo)準(zhǔn)液濃度與吸光度成較好的線性關(guān)系， 相關(guān)系數(shù)r在0.998 3～0.999 8之間， 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為0.23%～0.74%。

表3 各元素分析譜線波長、 標(biāo)準(zhǔn)液濃度、 相關(guān)系數(shù)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

1.4 數(shù)據(jù)處理

能量利用率計(jì)算參照文獻(xiàn)[7]， 數(shù)據(jù)采用Excel、 DPS 9.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 交替光譜對(duì)葉用萵苣中營養(yǎng)元素吸收量的影響

由表4和表5可見， 交替紅藍(lán)光譜照射對(duì)葉用萵苣體內(nèi)常量及微量元素含量水平有較明顯的影響。 R/B(5 m)下Fe元素含量顯著高于其他任意處理， 植株Fe元素含量較其他處理增加了38.87%～85.37%， 高頻次的紅、 藍(lán)光切換照射刺激了葉用萵苣植株對(duì)Fe元素的吸收。 與紅藍(lán)光同時(shí)供光相比， 所有的紅、 藍(lán)交替光譜輻射處理均不同程度地降低了葉用萵苣植株中Ca元素含量。 R/B(10 m)處理下葉用萵苣中K元素含量水平在處理間呈最低值為55.08 mg·g-1、 Mg元素含量在處理間呈最高值為4.79 mg·g-1； 相反， R/B(15 m)處理下， K元素含量水平在處理間最高， 而Mg元素含量表現(xiàn)為處理間最低。 此外， 處理間次低水平的K元素含量出現(xiàn)在R/B(4 h)和R/B(60 m)處理下， 分別為55.52和56.97 mg·g-1， 與R/B(10 m)處理下K元素含量水平無顯著性差異， 同時(shí)這兩個(gè)處理下的Mg元素含量水平僅次于R/B(10 m)下的最高值， 且與之無顯著性差異。 這可能是由于K離子對(duì)Mg離子拮抗強(qiáng)烈導(dǎo)致的， K對(duì)離子通道的搶奪能力強(qiáng)于Mg， K吸收的降低導(dǎo)致Mg吸收的增加。 類似地， R/B(4 h)處理下葉用萵苣中Mn元素含量水平在處理間最高， 而Zn元素含量為處理間的最低， 可能存在離子吸收過程中的拮抗效應(yīng)。 此外， R/B(8 h)處理下植株體內(nèi)Zn和Cu元素含量水平顯著高于其他任意處理， 較對(duì)照分別增加了54.0%和103.6%。 R/B(30 m)處理下葉用萵苣中P， Ca， Fe和Mn等四種元素的含量水平均呈現(xiàn)處理間最低水平， 其中P和Ca元素含量水平顯著低于對(duì)照。

表4 不同交替光譜處理下葉用萵苣中大量元素含量(mg·g-1， n=3)

表5 不同交替光譜處理下葉用萵苣中微量元素含量(μg·g-1， n=3)

2.2 交替光譜對(duì)葉用萵苣生物量的影響

由表6可見， 與紅藍(lán)同時(shí)供光的RB處理相比， 所有的交替光譜均顯著提高了葉用萵苣地上部生物量， 其中鮮重提高幅度約為18.6%～67.4%， 干重提高幅度約為5.1%～88.0%。 R/B(4 h)處理下植株地上部分生物量最高， 干重和鮮重分別達(dá)到125.82和5.32 g。 R/B(4 h)處理下生產(chǎn)單位干物質(zhì)葉用萵苣所需的光子數(shù)處理間最低為1.73 mol·g-1， 較對(duì)照RB降低了46.8%； 所消耗的電能同樣是處理間最低為0.99 MJ·g-1， 較對(duì)照RB降低了87.9%。 因此， 與紅藍(lán)光同時(shí)供光相比， 紅藍(lán)交替光譜輻射有利于提高葉用萵苣的光子利用效率和電能利用效率， 提高幅度與紅藍(lán)交替光譜的交替間隔時(shí)間有關(guān)， 其中間隔為4 h的紅藍(lán)交替光譜輻射下光子和電能利用效率最高。

表6 不同交替光譜處理下葉用萵苣地上部分生物量及單位干物質(zhì)所需的光子和電量

2.3 交替光譜對(duì)葉用萵苣能量利用率的影響

由表7可見， 交替光譜對(duì)葉用萵苣光能利用率和電能利用率有一定的影響， 與紅藍(lán)同時(shí)供光的RB處理相比， 所有交替處理均顯著提高了葉用萵苣的光、 電能利用率， 提高幅度分別約為34.3%～87.5%和34.6%～87.9%。 在交替光譜處理之間， R/B(4 h)處理下的葉用萵苣光、 電能利用率均達(dá)到最大值， 分別為6.13%和2.01%， R/B(5 m)和R/B(10 m)處理下葉用萵苣光、 電能利用率顯著低于該最大值， 而其他交替光譜處理下的葉用萵苣光、 電能利用率與該最大值無顯著性差異。

表7 不同交替光譜處理下葉用萵苣能量利用率

2.4 交替光譜對(duì)葉用萵苣營養(yǎng)元素累積量的影響

由表8和表9可見， 大量元素中， 植株單株累積量的高低順序?yàn)镵>Ca>P>Mg， 微量元素中單株累積量的高低順序?yàn)镕e>Mn>Zn>Cu。 與同時(shí)照射模式相比， 交替紅藍(lán)光照射下葉用萵苣體內(nèi)所有元素的單株累積量均有所提高， 其中Mg， Fe和Zn元素植株累積量的提高達(dá)到顯著水平(p<0.05)。 K和Fe元素的植株累積量分別在R/B(15 m)和R/B(5 m)處理下最高， 顯著高于對(duì)照， 分別較對(duì)照提高了84.7%和115.3%； Zn和Cu元素的植株累積量在R/B(8 h)處理下最高， 顯著高于對(duì)照， 分別較對(duì)照提高了140.0%和217.3%； P， Ca， Mg和Mn元素的植株累積量在R/B(4 h)處理下最高， 顯著高于對(duì)照， 分別較對(duì)照提高了70.0%， 67.4%， 88.0%和154.5%。

表8 不同交替光譜處理下葉用萵苣中大量元素單株累積量(mg·plant -1, n=3)

表9 不同交替光譜處理下葉用萵苣中微量元素單株累積量(μg·plant -1, n=3)

3 結(jié) 論

植物的養(yǎng)分吸收受到光環(huán)境的影響， 反過來植物葉片對(duì)光能的傳導(dǎo)和利用也受到體內(nèi)營養(yǎng)元素種類及水平的影響， 例如Fe是光合電子傳遞鏈中細(xì)胞色素、 鐵氧還蛋白以及Fe-S蛋白的組成成分， Cu是光合電子傳遞鏈中質(zhì)體藍(lán)素的組成成分、 Mg是光合色素葉綠素的重要成分， Mn在光合作用光反應(yīng)水的光解中有不可替代的作用， P作用于ATP的生成等。

本研究表明， 紅藍(lán)光交替光譜對(duì)葉用萵苣的營養(yǎng)元素吸收和積累與紅藍(lán)光譜的交替間隔以及營養(yǎng)元素種類有關(guān)。 與同時(shí)照射模式相比， 所有的交替光譜均顯著增加了葉用萵苣地上部生物量、 提高了光子和電能利用效率及Mg， Fe和Zn元素的植株累積量， 同時(shí)不同程度地降低了植株中Ca元素含量。 5 min間隔的紅、 藍(lán)光交替照射下， 植株Fe元素吸收得到促進(jìn)， 而30 min間隔的紅、 藍(lán)光交替照射下植株P(guān)， Ca， Fe和Mn等元素的吸收受到抑制， 說明紅、 藍(lán)光在作用于葉用萵苣元素吸收的過程中是相互影響的。 然而， 就某一種元素而言， 未觀察到元素含量或積累量與紅、 藍(lán)交替光譜間隔時(shí)間的明顯正/負(fù)相關(guān)關(guān)系， 紅、 藍(lán)光譜的相互作用機(jī)制較為復(fù)雜， 可能與紅、 藍(lán)光的光受體及信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)。 紅光和藍(lán)光通過光受體蛋白影響植物的光響應(yīng)， 光受體蛋白包括作為紅光受體的光敏色素(phyA—phyE)， 作為藍(lán)紫外光受體的隱花色素(cry1—cry3)和光敏素(phot1， phot2)[8-10]， 紅、 藍(lán)光通過這些光受體完成在植物中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)， 這些光受體在不同生理活動(dòng)或不同環(huán)境狀態(tài)下表現(xiàn)出協(xié)同或拮抗關(guān)系， 交替紅、 藍(lán)光照射下光受體的激活途徑可能不同于同步紅藍(lán)光下的激活途徑， 也就是說紅、 藍(lán)光的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可能存在信號(hào)串?dāng)_或放大。 適當(dāng)間隔的紅、 藍(lán)交替照射可以消除紅、 藍(lán)光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之間的信號(hào)串?dāng)_或拮抗作用， 也可能抵消正向的信號(hào)放大， 因此造成植株體內(nèi)不同種類元素的吸收利用在各異的紅、 藍(lán)光交替間隔下表現(xiàn)不同。 總體而言， 在光子量和電量消耗一致的前提下， 紅、 藍(lán)光交替光譜對(duì)葉用萵苣體內(nèi)礦質(zhì)元素吸收和積累有明顯的調(diào)控作用， 這對(duì)功能性蔬菜的生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。