夜間LED補光光照度和補光時間對番茄種苗質(zhì)量的影響

于鵬澎, 宋金修, 蔡 瑋, 李閆祥, 范玉龍, 沈朝萍, 曲開軍, 毛罕平

(1.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 3.安徽省林下作物智能裝備工程研究中心,安徽 六安 237012; 4.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212134; 5.句容市農(nóng)業(yè)資源開發(fā)科技服務(wù)中心,江蘇 句容 212400)

番茄作為全球范圍內(nèi)廣泛種植的園藝蔬菜,具有非常高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟效益。2022年中國番茄種植面積超過1.33×106hm2,其中2/3以上采用育苗移栽的生產(chǎn)方式[1]。目前,中國番茄種苗年需求量超過6×1010株[2],可控環(huán)境下的番茄設(shè)施育苗已經(jīng)成為滿足種苗市場需求、改善育苗環(huán)境、提高自動化水平的重要手段。光是植物生長發(fā)育的能量來源與信號來源,光環(huán)境的優(yōu)劣直接影響到番茄育苗質(zhì)量和后期產(chǎn)量的高低[3]。喜光型作物在大田育苗時常遇到冬春季節(jié)的低溫寡日照或夏秋季節(jié)的高溫強日照環(huán)境,導(dǎo)致幼苗生長緩慢、營養(yǎng)生長過旺或幼苗質(zhì)量劣化等問題[4-5]。在可控環(huán)境下,改善番茄育苗的光環(huán)境對提高種苗質(zhì)量、縮短育苗周期、降低育苗能耗具有重要意義。

發(fā)光二極管(Light emitting diode,LED)作為新型、高效、節(jié)能、環(huán)保的光源,具有發(fā)光效率高、光質(zhì)單一、散熱量低等突出優(yōu)勢[6],已成為設(shè)施番茄育苗過程中進行人工補光或立體栽培的主要人工補光光源。有研究結(jié)果表明,不同蔬菜作物在不同生育期適當進行LED補光后,其質(zhì)量均有所提升[7]。設(shè)施番茄育苗期間,盡管LED在補充光照、調(diào)節(jié)光照周期、誘導(dǎo)光形態(tài)建成等方面發(fā)揮了重要作用[8],但是,現(xiàn)在對不同LED光環(huán)境參數(shù)的研究結(jié)果還存在差異。設(shè)施番茄育苗過程中的電能消耗量占到育苗成本的80%左右,如何降低設(shè)施番茄育苗的能耗,提高設(shè)施番茄育苗過程中的光能利用效率是當前研究的熱點。

目前,在可控環(huán)境條件下,育苗光環(huán)境調(diào)控的研究主要集中在LED光照度、光照時間和光質(zhì)上[8-10],對于夜間LED補光的研究也僅限于延長光照時間[11]、夜間光照打斷[12-13]、補光光質(zhì)配比[14-15]等方面。例如,馬肖靜等[16]研究發(fā)現(xiàn),適當提高夜間LED補光光照度有利于番茄幼苗植株的生物質(zhì)積累,提高根系活力和壯苗指數(shù)。Cao等[17]研究發(fā)現(xiàn),利用20 μmol/(m2·s)的紅光對番茄進行夜間打斷會顯著抑制株高的增加,且打斷頻率越高,抑制效果越顯著。Wang等[14]研究發(fā)現(xiàn),藍光可以顯著增加黃瓜幼苗的葉面積,促進莖稈伸長。但是,關(guān)于夜間LED補光光照度和補光時間交互作用、夜間補充光能總量、LED夜間補光能耗等方面的研究較少。本研究擬針對目前番茄種苗需求量大、育苗質(zhì)量差以及LED補光能耗量較高等問題,在可控環(huán)境下探究夜間LED補光光照度和補光時間對穴盤番茄幼苗質(zhì)量的影響,提出適宜的夜間LED補光參數(shù),以期為可控環(huán)境下培育優(yōu)質(zhì)番茄種苗和提高能源利用效率提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試番茄(SolanumlycopersicumL.)品種為中雜9號[購自中蔬種業(yè)科技(北京)有限公司]。試驗于2023年3-6月在江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室的人工氣候室內(nèi)開展。番茄的育苗穴盤采用72孔標準穴盤,基質(zhì)采用珍珠巖、蛭石和草炭的混合基質(zhì)(1∶1∶3,體積比)。種子催芽后播于用混合基質(zhì)填充的穴盤中,種子發(fā)芽期間的溫度為(28±1) ℃,相對濕度為75%±10%,CO2濃度不進行控制。黑暗環(huán)境下培養(yǎng)3 d,待種子發(fā)芽后進行光照處理。育苗期間的明期溫度為(24±1) ℃,相對濕度為60%±10%,CO2濃度為(600±50) μmol/mol;暗期溫度為(20±1) ℃,相對濕度為70%±10%,CO2濃度不進行控制。

1.2 試驗設(shè)計

番茄幼苗采用紅藍光配比為1.2∶1.0、發(fā)光效率為2.8 μmol/(s·W)的LED植物生長燈(W-LED5/1-T5-16W,北京盛陽谷科技有限公司產(chǎn)品)進行處理,用智能定時器進行光照時間循環(huán)控制。明期時,光照度統(tǒng)一控制為200 μmol/(m2·s),光照時間統(tǒng)一控制為12 h/d。暗期時,補光處理利用LED植物生長燈設(shè)置3個補光光照度[100 μmol/(m2·s)、200 μmol/(m2·s)、300 μmol/(m2·s)]和2個補光時間(1 h和2 h,即在0:00-1:00和0:00-2:00時間段內(nèi)補光)進行組合,對照組為夜間未進行補光的處理,共計7個試驗處理,分別為P100-H1[補光光照度100 μmol/(m2·s)、補光時間1 h]、P100-H2[補光光照度100 μmol/(m2·s)、補光時間2 h]、P200-H1[補光光照度200 μmol/(m2·s)、補光時間1 h]、P200-H2[補光光照度200 μmol/(m2·s)、補光時間2 h]、P300-H1[補光光照度300 μmol/(m2·s)、補光時間1 h]、P300-H2[補光光照度300 μmol/(m2·s)、補光時間2 h]、CK(對照)。種子出芽后采用1/3標準濃度的山崎(番茄)營養(yǎng)液進行底面灌溉,待子葉展平后使用2/3標準濃度的山崎(番茄)營養(yǎng)液進行灌溉,當?shù)谝黄嫒~展開后使用標準濃度的山崎(番茄)營養(yǎng)液進行灌溉。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長形態(tài) 待番茄幼苗長至四葉一心時,隨機選取8株長勢一致的番茄幼苗測量其生長形態(tài)。其中,株高為幼苗莖稈基部至頂部生長點的長度,利用直尺測量(cm);莖粗為幼苗子葉下方1 cm處莖稈的直徑,利用游標卡尺測量(mm);葉片數(shù)為幼苗已成型的真葉數(shù)量(未完全展開的葉片記為0.5片);葉面積使用智能葉面積測量系統(tǒng)(YMJ-CH,浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司產(chǎn)品)掃描樣本所有真葉,記錄每株幼苗的總?cè)~面積(cm2),具體參照Song等[3]的測量與計算方法。

1.3.2 葉綠素含量與光合特性 隨機選取各試驗處理不同株番茄相同部位的6片完全展開葉,采用80%丙酮提取法[18]測定番茄葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量等。隨機選取各試驗處理6株番茄幼苗,利用手持式葉綠素儀(SPAD-502,柯尼卡美能達公司產(chǎn)品)測量同株番茄幼苗不同部位的3片完全展開葉片的SPAD值,取均值作為該株幼苗的SPAD值。隨機選取各試驗處理不同番茄植株的8片完全展開葉,測定葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率。測量儀器為便攜式光合測量系統(tǒng)(LI-6400XT,LI-COR公司產(chǎn)品),利用標準紅藍光源葉室(6400-02B)進行測量。光合特性測量選擇明期光照后4 h,每片葉片測量時間不少于3 min,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開始記錄。葉室的測量參數(shù)設(shè)定為:光照度250 μmol/(m2·s)、CO2濃度800 μmol/mol、葉室溫度24 ℃、氣流速度500 μmol/s[4]。

1.3.3 葉綠素熒光特性 測量開始前,將6片待測的不同株番茄幼苗葉片用便攜式光合熒光儀夾(Yaxin-1102G,北京雅欣理儀科技有限公司產(chǎn)品)暗適應(yīng)處理30 min以上,測量葉片的快速葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學(xué)(OJIP)曲線,并利用JIP-test方法計算PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過醌A的其他電子受體的概率(ψo)、用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(φEo)、以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)(PI_ABS)等葉綠素熒光參數(shù)。

1.3.4 生物質(zhì)積累量 隨機選取各試驗處理8株長勢一致的番茄幼苗,測量其生物質(zhì)積累量。地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量的測量:用萬分之一電子天平(ME204E,梅特勒-托利多國際有限公司產(chǎn)品)分別測量幼苗地上部和地下部鮮質(zhì)量(g)。總鮮質(zhì)量即番茄幼苗地上部鮮質(zhì)量與地下部鮮質(zhì)量之和(g)。地上部干質(zhì)量和地下部干質(zhì)量的測量:將上述樣本用報紙完全包裹后放入烘箱,105 ℃殺青3 h后,60 ℃烘干至恒質(zhì)量,用萬分之一電子天平測量烘干后幼苗地上部和地下部干質(zhì)量(mg)?？偢少|(zhì)量即番茄幼苗地上部干質(zhì)量與地下部干質(zhì)量之和(mg)。

1.3.5 壯苗指數(shù) 番茄幼苗質(zhì)量采用壯苗指數(shù)來衡量,按公式(1)計算:

壯苗指數(shù)=莖粗/株高×全株干質(zhì)量

(1)

1.3.6 能源利用效率 番茄育苗的能源利用效率包括光能利用效率(LUE)、電能利用效率(EUE),分別按照公式(2)和公式(3)[3]計算:

LUE=k×WD/PAR

(2)

EUE=k×WD/Et

(3)

式中,k為幼苗單位干質(zhì)量所含化學(xué)能,取值20 MJ/kg;WD為單位面積幼苗的干質(zhì)量增加量,kg/m2;PAR為光合有效輻射量,W/m2;Et為光源消耗的總電量,kW·h。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2019、DPS9.01以及Graphpad Prism 6.01進行試驗數(shù)據(jù)分析及圖表繪制,方差分析采用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 夜間LED補光光照度和補光時間對番茄幼苗生長形態(tài)的影響

雙因素方差分析結(jié)果(表1)表明,補光光照度和補光時間均對番茄幼苗的生長形態(tài)有顯著影響,補光光照度和補光時間的交互作用對番茄幼苗的莖粗、葉面積有顯著影響。表2顯示,與對照相比,夜間進行適當?shù)腖ED補光處理可以提高番茄幼苗的株高、莖粗、葉片數(shù)和葉面積。補光時間相同時,隨著補光光照度的增加,番茄幼苗的株高呈顯著增加趨勢,補光光照度為300 μmol/(m2·s)的番茄幼苗株高比對照番茄幼苗高55.8%。補光時間為2 h的番茄幼苗莖粗和葉面積隨著補光光照度的增加呈先增加后下降趨勢。其中,補光光照度為200 μmol/(m2·s)、補光時間為2 h的番茄幼苗莖粗和葉面積達到最大,分別比對照組番茄幼苗高47.2%和263.6%。補光光照度為200 μmol/(m2·s)條件下,補光時間為2 h處理的番茄幼苗莖粗、葉片數(shù)和葉面積顯著高于補光時間為1 h處理。

表1 補光光照度和補光時間對番茄幼苗生長形態(tài)影響的雙因素方差分析

2.2 夜間LED補光光照度和補光時間對番茄幼苗葉片光合能力的影響

2.2.1 葉綠素含量 雙因素方差分析結(jié)果(表3)表明,補光光照度和補光時間的交互作用對番茄葉片的總?cè)~綠素含量和葉綠素a/b具有顯著影響。表4顯示,經(jīng)過夜間LED補光處理的番茄葉片葉綠素a含量、類胡蘿卜素含量和總?cè)~綠素含量顯著高于對照。相同補光時間不同補光光照度處理之間的番茄葉片葉綠素b含量和總?cè)~綠素含量沒有顯著性差異,即補光光照度對番茄幼苗葉片的葉綠素b含量和總?cè)~綠素含量沒有產(chǎn)生顯著影響。相同補光光照度[100 μmol/(m2·s)、200 μmol/(m2·s)]下,補光時間為2 h處理的番茄幼苗葉片葉綠素a含量、總?cè)~綠素含量顯著高于補光時間為1 h處理,但是葉綠素b含量、類胡蘿卜含量和葉綠素a/b沒有顯著性差異。值得提出的是,番茄幼苗葉片總?cè)~綠素含量和葉綠素a/b是影響葉片光合能力的重要指標。因此,P100-H2、P200-H2處理的番茄葉片光合能力相對較高。

表2 補光光照度和補光時間對番茄幼苗生長形態(tài)的影響

表3 LED夜間補光條件下番茄幼苗葉片葉綠素含量的雙因素方差分析

葉片SPAD值是直觀反映植物葉片相對葉綠素含量的無損檢測指標。圖1顯示,與對照相比,夜間LED補光處理可以顯著提高番茄幼苗葉片的相對葉綠素含量。相同補光時間下,補光光照度為200 μmol/(m2·s)處理和補光光照度為300 μmol/(m2·s)處理之間的番茄幼苗SPAD值沒有顯著性差異。相同補光光照度下,補光時間為2 h處理的番茄幼苗SPAD值比補光時間為1 h處理的番茄幼苗平均高14.2%以上。P200-H2處理與P300-H2處理之間的番茄幼苗SPAD值沒有顯著性差異,分別比對照高32.3%和25.5%。

表4 補光光照度和補光時間對番茄幼苗葉片葉綠素含量的影響

圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。CK、P100-H1、P100-H2、P200-H1、P200-H2、P300-H1、P300-H2見表2注。圖1 補光光照度和補光時間對番茄幼苗葉片SPAD值的影響Fig.1 Effects of supplementary light intensity and supplementary light time on SPAD value of tomato leaves

2.2.2 光合特性 雙因素方差分析結(jié)果(表5)表明,補光光照度和補光時間均對番茄葉片凈光合速率產(chǎn)生了顯著影響,但兩者的交互作用對番茄葉片凈光合速率沒有顯著影響。補光時間、補光光照度×補光時間對葉片的氣孔導(dǎo)度也有顯著影響。表6顯示,與對照相比,夜間LED補光處理能顯著提高番茄幼苗葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。補光時間為1 h時,番茄葉片的氣孔導(dǎo)度隨著補光光照度的增加呈先增加后降低的趨勢,不同補光光照度處理之間的葉片胞間CO2濃度和蒸騰速率沒有顯著性差異;補光時間為2 h時,番茄葉片胞間CO2濃度隨著補光光照度的增加呈先降低后增加的趨勢,不同補光光照度處理之間的葉片蒸騰速率沒有顯著性差異。相同補光光照度下,補光時間為2 h處理的番茄幼苗葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度顯著高于補光時間為1 h處理。其中,P200-H2處理的番茄幼苗葉片凈光合速率最高,較對照高出59.6%,胞間CO2濃度最低。

表5 補光光照度和補光時間對番茄幼苗葉片光合特性影響的雙因素方差分析

表6 補光光照度和補光時間對番茄幼苗葉片光合特性的影響

2.2.3 葉綠素熒光特性 由番茄幼苗葉片的快速葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線和JIP-test分析發(fā)現(xiàn),與對照相比,夜間LED補光處理并未引起番茄葉片F(xiàn)v/Fm的顯著下降,但對番茄葉片的ψo、φEo和PI_ABS存在顯著影響(圖2)。在補光時間為1 h的條件下,不同補光光照度處理之間的Fv/Fm、ψo、φEo并未出現(xiàn)顯著差異。在相同補光光照度[200 μmol/(m2·s)、300 μmol/(m2·s)]條件下,補光時間為2 h處理的ψo和φEo顯著低于補光時間為1 h的處理。P300-H1處理的番茄幼苗葉片PI_ABS顯著高于P300-H2處理。說明夜間LED補光在一定程度上造成了番茄幼苗的光環(huán)境脅迫,但未引起PSⅡ最大光化學(xué)效率顯著下降。

圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。CK、P100-H1、P100-H2、P200-H1、P200-H2、P300-H1、P300-H2見表2注。Fv/Fm:PSⅡ最大光化學(xué)效率;ψo:捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過醌A的其他電子受體的概率;φEo:用于電子傳遞的量子產(chǎn)額;PI_ABS:以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)。圖2 補光光照度和補光時間對番茄幼苗葉片葉綠素熒光特性的影響Fig.2 Effects of supplementary light intensity and supplementary light time on chlorophyll fluorescence characteristics of tomato seedling leaves

2.3 夜間LED補光光照度和補光時間對番茄幼苗生物質(zhì)積累量和種苗質(zhì)量的影響

2.3.1 生物質(zhì)積累量 圖3顯示,與對照相比,夜間LED補光處理的番茄幼苗植株地上部鮮質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量、地下部干質(zhì)量顯著提高。P200-H2處理和P300-H2處理的番茄幼苗地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量均顯著高于其他處理。相同補光時間下,隨著補光光照度的增加,番茄幼苗的地下部干質(zhì)量增加。補光時間為1 h條件下,補光光照度為200 μmol/(m2·s)處理與補光光照度為300 μmol/(m2·s)處理之間的番茄幼苗地上部鮮質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量沒有顯著性差異。補光光照度為100 μmol/(m2·s)時,補光時間為2 h處理的番茄幼苗地下部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量和地下部干質(zhì)量均顯著高于補光時間為1 h處理。補光光照度為200 μmol/(m2·s)時,補光時間為2 h處理的番茄幼苗地上部鮮質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量和地下部干質(zhì)量均顯著高于補光時間為1 h處理。補光光照度為300 μmol/(m2·s)時,補光時間為2 h處理的番茄幼苗地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量顯著高于補光時間為1 h的處理,但地上部干質(zhì)量和地下部干質(zhì)量沒有顯著差異。相比較而言,補光時間為2 h時,補光光照度為200 μmol/(m2·s)處理與補光光照度為300 μmol/(m2·s)處理之間的番茄幼苗地下部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量沒有顯著差異,而補光光照度為200 μmol/(m2·s)處理的番茄幼苗地上部鮮質(zhì)量顯著高于補光光照度為300 μmol/(m2·s)的處理。

2.3.2 種苗質(zhì)量 由番茄幼苗的光合特性和生物質(zhì)積累量分析結(jié)果可知,夜間LED補光有助于提高番茄幼苗葉片的光合能力。圖4顯示,補光時間為1 h各補光光照度處理間的壯苗指數(shù)沒有顯著性差異;補光時間為2 h各補光光照度處理間的壯苗指數(shù)隨著補光光照度的增加呈先增加后下降的趨勢,其中補光光照度為200 μmol/(m2·s)的番茄幼苗壯苗指數(shù)最高。相同補光光照度下,只有補光光照度為200 μmol/(m2·s)時延長補光時間能顯著提高番茄幼苗的壯苗指數(shù)。

圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。CK、P100-H1、P100-H2、P200-H1、P200-H2、P300-H1、P300-H2見表2注。圖3 補光光照度和補光時間對番茄幼苗生物質(zhì)積累的影響Fig.3 Effects of supplementary light intensity and supplementary light time on biomass accumulation of tomato seedlings

圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。CK、P100-H1、P100-H2、P200-H1、P200-H2、P300-H1、P300-H2見表2注。圖4 補光光照度和補光時間對番茄幼苗壯苗指數(shù)的影響Fig.4 Effects of supplementary light intensity and supplementary light time on healthy index of tomato seedlings

2.4 夜間LED補充光能總量對番茄幼苗生物質(zhì)積累量的影響

夜間LED補光光照度為200 μmol/(m2·s)、補光時間為2 h處理的番茄幼苗壯苗指數(shù)最高,但尚無法確定該補光條件是否為番茄幼苗培養(yǎng)的最佳條件。夜間LED補光增加了番茄幼苗葉片接受到的光能總量,延長了葉片進行光合作用的時間。通過分析LED補充光能總量與番茄幼苗總干質(zhì)量、總鮮質(zhì)量的關(guān)系(圖5)可知,番茄幼苗的總鮮質(zhì)量和總干質(zhì)量總體隨著葉片接受光能總量的增加而增加。CK、P100-H1、P100-H2、P200-H1、P200-H2、P300-H1、P300-H2處理的LED全天補充光能總量(DLI)分別為8.64 mol/(m2·d)、9.00 mol/(m2·d)、9.36 mol/(m2·d)、9.36 mol/(m2·d)、10.08 mol/(m2·d)、9.72 mol/(m2·d)、10.80 mol/(m2·d),LED夜間補充光能總量分別為0 mol/(m2·d)、0.36 mol/(m2·d)、0.72 mol/(m2·d)、0.72 mol/(m2·d)、1.44 mol/(m2·d)、1.08 mol/(m2·d)、2.16 mol/(m2·d)。

2.5 夜間LED補光光照度和補光時間對番茄育苗能源利用效率的影響

圖6顯示,與對照相比,夜間LED補光處理提高了番茄育苗的電能利用效率和光能利用效率。補光光照度200 μmol/(m2·s)、補光時間2 h處理的EUE和LUE最高,分別達到0.267和0.145,其次為補光光照度為300 μmol/(m2·s)、補光時間為2 h處理。

DLI:發(fā)光二極管(LED)全天補充光能總量。圖5 全天補充光能總量與番茄幼苗總干質(zhì)量、總鮮質(zhì)量的關(guān)系Fig.5 The relationships between the total amount of light energy supplemented throughout the day and the total dry weight and total fresh weight of tomato seedlings

LUE:光能利用效率;EUE:電能利用效率。CK、P100-H1、P100-H2、P200-H1、P200-H2、P300-H1、P300-H2見表2注。圖6 不同處理下的能源利用效率Fig.6 Energy utilization efficiency of tomato seedlings under different treatments

3 討 論

設(shè)施育苗是番茄高效生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。中國番茄育苗常集中在冬春季節(jié)或夏秋季節(jié),由于冬春季節(jié)常遇到低溫寡日照或梅雨、夏秋季節(jié)常遇到高溫強光照或臺風,番茄幼苗不可避免地出現(xiàn)生長緩慢或者徒長現(xiàn)象,種苗質(zhì)量較差[4]。LED人工補光是設(shè)施生產(chǎn)中促進作物生長發(fā)育的重要手段。有研究發(fā)現(xiàn),LED補光可以提高甜瓜幼苗葉片的光合速率,增加光合有效面積,提高幼苗壯苗指數(shù)和質(zhì)量[19]。LED光環(huán)境調(diào)控可以引起作物幼苗的生長形態(tài)變化,過高或過低的補光光照度以及過長或過短的補光時間都不利于培育優(yōu)質(zhì)壯苗[16]。本研究結(jié)果表明,補光時間相同條件下,番茄幼苗的株高隨著補光光照度的增加而逐漸增加,莖粗和葉面積呈先增加后下降的趨勢,該結(jié)果與丁娟娟等[20]的研究結(jié)果類似,這說明夜間LED補光光照度過高容易造成光合產(chǎn)物在葉片內(nèi)堆積,限制了葉片的光合能力[21]。在補光光照度為200μmol/(m2·s)時延長補光時間提高了番茄的葉面積,反過來又增加了葉片捕獲的光能總量,這與崔瑾等[22]的研究結(jié)果相近。因此,在一定補光光照度下,適當延長補光時間有利于培育番茄壯苗[23-24]。

葉片中葉綠素與類胡蘿卜素作為綠色植物體內(nèi)的重要色素,有利于提高葉片的光合能力,進而促進生物質(zhì)的積累[25]。本研究結(jié)果表明,相同補光時間下,不同補光光照度處理之間的總?cè)~綠素含量并沒有出現(xiàn)顯著性差異。這與一些研究結(jié)果[26-27]不一致,但與馬肖靜等[16]的研究結(jié)果一致,出現(xiàn)這種差異的原因可能是夜間補光的時間不同。與對照相比,夜間LED補光處理可以提高番茄葉片的葉綠素a含量和總?cè)~綠素含量,這是因為LED中擁有較多的藍光,促進了葉片葉綠素a的合成[28],研究結(jié)果與Hogewoning等[29]的研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn),適當提高LED補光光照度或延長補光時間均可以提高葉片SPAD值,但是補光時間較補光光照度對SPAD值的影響更大,這也與本研究中相同補光時間下補光光照度對葉片總?cè)~綠素含量沒有顯著影響,相同補光光照度下補光時間對葉片總?cè)~綠素含量存在顯著影響的結(jié)論一致。光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)。有研究發(fā)現(xiàn),夜間進行LED補光會延長光合啟動時間,但可以提高葉片的凈光合速率[30-31]。在本研究中,夜間適當提高補光光照度和補光時間都可以增加番茄葉片的凈光合速率,其中以P200-H2處理的番茄葉片凈光合速率最高,這與多數(shù)研究人員的結(jié)果[16,32]相近,但本研究結(jié)果與黃丹丹等[33]的研究結(jié)果不一致,其原因主要是黃丹丹等人采用了單色LED進行夜間補光,降低了葉片氣孔開度,導(dǎo)致單色光下葉片凈光合速率低于組合光。對番茄葉片的葉綠素熒光特性進行分析可知,夜間補光并未引起葉片F(xiàn)v/Fm的顯著下降,但在補光時間為2 h的各試驗處理的番茄幼苗中,提高補光光照度可以顯著降低番茄葉片的ψo、φEo,這與劉志強等[34]、文蓮蓮等[23]的研究結(jié)果相似。這充分說明,夜間補光在一定程度上引起了番茄葉片的光脅迫。另外,苗齡較大和光合產(chǎn)物過度積累引起番茄幼苗葉片老化,也可能是導(dǎo)致葉片受到光脅迫的重要原因。

番茄幼苗的生物質(zhì)積累量是葉片進行光合作用、積累光合產(chǎn)物的結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn),在補光時間為2 h時,補光光照度為200 μmol/(m2·s)處理與補光光照度為300 μmol/(m2·s)處理之間的番茄幼苗總干質(zhì)量沒有顯著性差異,這可能是因為補光光照度的提高有利于葉片凈光合速率的提升,補光時間的延長增加了光合作用的時間[35],進而影響到作物體內(nèi)的碳代謝過程和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收轉(zhuǎn)化[23,36],但是夜間補光光照度過高會導(dǎo)致光呼吸增加,限制了光合產(chǎn)物的持續(xù)積累[37-38]。壯苗指數(shù)是評價番茄種苗質(zhì)量和生長狀態(tài)的重要指標之一。本研究發(fā)現(xiàn),補光光照度為200 μmol/(m2·s)時,番茄幼苗較長時間補光有利于提高其壯苗指數(shù),這與前人研究結(jié)果[39]相似。其原因主要是夜間LED補光提高了番茄植株的生物質(zhì)積累量,同時LED中的紅藍光抑制了莖稈徒長[13,23,26]。

夜間補充光能總量結(jié)合夜間LED補光光照度和補光時間,表征番茄幼苗夜間進行光合作用的強度與時間。Song等[3]和Zhang等[40]研究發(fā)現(xiàn)的作物植株干質(zhì)量、鮮質(zhì)量與夜間LED補充光能總量之間的相關(guān)關(guān)系與本研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn),適當提高光能總量有助于番茄幼苗的干物質(zhì)積累。補充光能總量過高不利于番茄幼苗葉片夜間的光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運和光合能力恢復(fù),也會增加育苗系統(tǒng)的能源消耗量[3]。由番茄育苗的EUE和LUE分析結(jié)果可知,補光光照度為200 μmol/(m2·s)、補光時間為2 h處理的番茄幼苗的能源利用效率最高。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明,在可控環(huán)境條件下,夜間LED補光光照度和補光時間對番茄幼苗的質(zhì)量具有重要影響。綜合分析番茄幼苗的生長形態(tài)、光合能力、生物質(zhì)積累量和能源利用效率,即可得到可控環(huán)境下番茄育苗的夜間LED適宜補光參數(shù)。本研究認為夜間LED補光光照度為200 μmol/(m2·s)、補光時間為2 h有助于培育優(yōu)質(zhì)番茄壯苗,同時降低育苗系統(tǒng)的能耗量。夜間LED補光會引起葉片中光合產(chǎn)物積累,影響葉片光合能力恢復(fù),今后應(yīng)進一步對夜間補光時段與補光的光色配方開展深入研究。