不同配比红蓝LED光对黄瓜果实产量和品质的影响

刘晓英, 徐文栋, 焦学磊, 徐志刚

(南京农业大学农学院, 江苏 南京 210095)



不同配比红蓝LED光对黄瓜果实产量和品质的影响

刘晓英, 徐文栋, 焦学磊, 徐志刚①

(南京农业大学农学院, 江苏 南京 210095)

摘要:以荧光灯为对照，研究不同配比红蓝LED光处理〔包括100%红光、75%红光-25%蓝光(R31)、50%红光-50%蓝光(R11)、25%红光-75%蓝光(R13)和100%蓝光〕对黄瓜(Cucumis sativus Linn.)果实性状、产量及营养品质的影响。结果表明：100%红光处理组黄瓜植株生长缓慢，果实发育异常，果实单株产量及VC、可溶性糖和可溶性蛋白质的含量均低于其他处理组。100%蓝光处理组的果实发育正常，果实单株产量显著低于红蓝LED光组合处理组，而果实中可溶性糖、蔗糖、游离氨基酸和可溶性固形物的含量总体上显著高于其他处理组，可溶性蛋白质含量也较高。R31处理组黄瓜果实的单果鲜质量显著高于其他处理组；R31和R11处理组的果实单株产量显著高于其他处理组，R11处理组的黄瓜果实中VC和可溶性蛋白质含量明显高于其他处理组。上述研究结果显示：黄瓜果实的单株产量和营养品质受红蓝光协同作用的影响，设施栽培黄瓜生产的较适宜光照比例为50%红光-50%蓝光。

关键词：黄瓜; 红蓝LED光; 果实; 单株产量; 营养品质

光谱能量分布显著影响植物的生长发育、光合作用、形态建成及产量品质[1]。波长640～660 nm的红光与波长430～450 nm的蓝紫光是植物进行光合作用和光形态建成的主要光谱[2]。其中，由红橙光辐射吸收的光能约占植物生理辐射光能的55%，由蓝紫光辐射吸收的光能约占植物生理辐射光能的8%[3]。红蓝复合光能明显促进辣椒(CapsicumannuumLinn.)[4]、南非醉茄〔Withaniasomnifera(Linn.) Dunal.〕[5]、菊花〔Dendranthemamorifolium(Ramat.) Tzvel.〕[6]、黄瓜(CucumissativusLinn.)[7-8]和东方百合(Liliumorientalhybrid ‘Pesaro’)[9]等植物的生物量积累，红蓝光已成为设施栽培植物全人工光照或补光的主要作用光谱[10]。

人工补光及光环境精准调控是设施作物产量和品质提高的重要技术之一。LED(light-emitting diode)能柔性调制光谱，而适合的光谱能促进植物生长，提高产量和品质。香蕉(MusaacuminataColla)试管苗在光密度60 μmol·m-2·s-1的红蓝复合光(光密度比4∶1)下，芽和根鲜质量较高[11]；菊花幼苗在红蓝光(光密度比1∶1)的复合LED光下叶片的净光合速率、干质量和鲜质量均最高[6]；光密度比2∶1的红蓝复合光对赤桉(EucalyptuscamaldulensisDehnh.)幼苗的生长有显著促进作用[12]。上述研究结果表明，植物对红光和蓝光的需求量因种类不同而存在一定的差异。

黄瓜是葫芦科(Cucurbitaceae)重要的蔬菜作物之一，也是设施栽培的主要蔬菜之一，因果实具有丰富的营养价值和预防保健功能深受消费者的青睐。曹刚等[13]认为，光密度比8∶2的红蓝复合光有利于黄瓜幼苗的生长；Hao等[14]研究认为，在温室中采用LED补光能明显提高黄瓜的感观品质，并且显著增加黄瓜结果初期的产量。但有关全生育期光照对黄瓜产量和品质影响的研究还比较少见，LED所提供的光环境虽与自然光环境有所差异，但可以研究精确调控光环境下植物的生长反应，揭示植物的生长机制[15]，因而，目前研究者多采用LED模拟光照进行相关研究。

本研究中，作者调制红蓝LED的光谱能量分布对黄瓜进行全生育期照光，旨在探明不同配比红蓝LED光对黄瓜果实性状和产量以及维生素C(VC)、可溶性固形物、可溶性糖、蔗糖、可溶性蛋白质和游离氨基酸的含量等品质指标的影响，以期寻找设施生产高效优质黄瓜的光调控参数。

1材料和方法

1.1材料和实验设计

实验在南京农业大学LED植物光源研究中心进行，以黄瓜品种‘露丰’(‘Lufeng’)为实验材料。种子催芽5 d后，于2014年3月5日播种于直径20 cm的营养钵中，采用蔬菜栽培专用基质育苗。待长至两叶一心时进行光照处理，以荧光灯(CK)为对照，分别置于5种不同配比的红蓝LED光组合下，光密度设为(300±5) μmol·m-2·s-1。LED光源处理分别设置为：100%红光(R)、75%红光-25%蓝光(RB31)、50%红光-50%蓝光(RB11)、25%红光-75%蓝光(RB13)和100%蓝光(B)。红光主峰波长660 nm，半波宽20 nm；蓝光主峰波长445 nm，半波宽20 nm。栽培环境为昼温(28±1) ℃， 夜温(18±1) ℃， 空气相对湿度60%～80%，光照时间12 h·d-1；生长过程进行精细管理。 每处理栽植9株， 3次重复。 3月5日至4月30日为黄瓜的幼苗期和初花期， 5月份为结果初期， 6月份为结果中期，7月份为结果后期。各个时期分别取样，进行各指标的测定。

1.2测定指标与方法

单果鲜质量用Sartorius BSA124S天平称量；单果长与单果直径用游标卡尺测量；单株产量为各时期单果鲜质量总和；果实中VC含量采用分光光度法[16]248进行测定；可溶性固形物含量使用WYT-32型手持式折射计(糖量计)(福州泉州光学仪器厂)进行测定；可溶性糖和蔗糖含量使用蒽酮比色法[16]195进行测定；可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝法[16]184进行测定；游离氨基酸含量采用水合茚三酮比色法[16]192进行测定。各指标均重复测定3次，结果取平均值。

1.3数据处理

采用EXCEL 2003和SPSS 16.0软件进行数据分析，然后进行方差分析(ANOVA)，并采用Duncan’s新复极差法进行差异显著性分析(P<0.05)。

2结果和分析

2.1不同配比红蓝LED光对黄瓜果实性状及产量的影响

不同配比红蓝LED光对黄瓜果实性状及产量的影响见表1。由表1可见：各红蓝LED光组合处理组黄瓜单果鲜质量和单株产量高于100%红光、100%蓝光和对照(荧光灯)处理组。100%红光处理组黄瓜的植株弱小，果实发育异常，单果鲜质量、单株产量、果实长和果实直径总体上显著低于其他处理组；100%蓝光处理组的黄瓜单果鲜质量和单株产量均低于红蓝LED光组合处理组；75%红光-25%蓝光(RB31)处理组黄瓜的单果鲜质量显著高于其他处理组，RB31与50%红光-50%蓝光(RB11)处理组的黄瓜单株产量显著高于其他处理组。在3个红蓝LED光组合处理组中，随着红光比例的降低，黄瓜的单果鲜质量和果实长呈逐渐下降的趋势，而果实直径和单株产量呈先升后降的趋势，以50%红光处理组最高。

处理Treatment单果鲜质量/gFreshweightperfruit果实长/cmFruitlength果实直径/cmFruitdiameter单株产量/gYieldperplant100%红光100%redlight(R)178.62±6.63c22.74±0.82b2.67±0.22c 386.81±18.42d75%红光-25%蓝光75%redlight-25%bluelight(RB31)296.51±1.55a41.08±2.81a3.35±0.36b1227.24±21.65a50%红光-50%蓝光50%redlight-50%bluelight(RB11)264.31±2.25b39.92±1.94a4.32±0.35a1318.15±12.37a25%红光-75%蓝光25%redlight-75%bluelight(RB13)248.56±1.42b32.63±2.72a3.82±0.37ab1179.61±15.32b100%蓝光100%bluelight(B)229.63±2.43bc34.66±1.03a3.41±0.56b907.33±10.27c荧光灯Fluorescentlamp(CK)200.62±2.71c33.52±0.94a4.81±0.15a861.54±12.83c

1)同列中不同的小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference among different treatments (P<0.05).

2.2不同配比红蓝LED光对黄瓜果实营养品质的影响

不同配比红蓝LED光对黄瓜果实营养品质的影响见表2。

2.2.1对VC和可溶性固形物含量的影响 由表2可见： 50%红光-50%蓝光(RB11)处理组的黄瓜果实VC含量显著高于其他处理组，100%蓝光和75%红光-25%蓝光(RB31)处理组的VC含量也较高；100%红光处理组的黄瓜果实VC含量最低，但与25%红光-75%蓝光(RB13)和对照(荧光灯)处理组间无显著差异。100%蓝光处理组的黄瓜果实中可溶性固形物含量显著高于其他处理组，RB31和RB11处理组的可溶性固形物含量也较高；100%红光和对照处理组的可溶性固形物含量显著低于其他处理组(RB13处理组除外)；RB13处理组的可溶性固形物含量与100%红光和对照处理组无显著差异。

2.2.2对可溶性糖和蔗糖含量的影响 由表2还可见：100%蓝光处理组的黄瓜果实中可溶性糖含量最高，显著高于其他处理组；100%红光处理组的黄瓜果实中可溶性糖含量最低，但与对照组无显著差异。100%蓝光和RB31处理组的黄瓜果实中蔗糖含量较高，显著高于其他处理组；100%红光、RB11和RB13处理组的黄瓜果实中蔗糖含量次之，且3个处理组间无显著差异； 对照组的黄瓜果实中蔗糖含量最低， 显著低于其他处理组。

处理2)Treatment2)VC含量/mg·g-1VCcontent可溶性固形物含量/%Solublesolidcontent可溶性糖含量/mg·g-1Solublesugarcontent蔗糖含量/mg·g-1Sucrosecontent可溶性蛋白质含量/mg·g-1Solubleproteincontent游离氨基酸含量/mg·kg-1FreeaminoacidcontentR18.11±0.54c1.51±0.12c0.60±0.07c0.52±0.02b0.21±0.05c293.3±22.5cRB3141.62±0.71b3.92±0.15b1.57±0.04b0.70±0.04a0.60±0.06b535.1±13.1bRB1157.55±0.72a3.63±0.14b1.70±0.05b0.64±0.02b0.77±0.02a601.2±19.3bRB1338.91±0.81bc2.92±0.09bc1.73±0.02b0.50±0.03b0.45±0.03b379.2±15.2cB46.68±0.69b4.64±0.13a2.06±0.02a0.71±0.03a0.72±0.04a714.1±14.2aCK25.85±0.66c2.25±0.11c1.42±0.04bc0.27±0.04c0.37±0.02c483.2±15.3bc

1)同列中不同的小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference among different treatments (P<0.05).

2)R: 100%红光100% red light; RB31: 75%红光-25%蓝光75% red light-25% blue light; RB11: 50%红光-50%蓝光50% red light-50% blue light; RB13: 25%红光-75%蓝光25% red light-75% blue light; B: 100%蓝光100% blue light; CK: 荧光灯Fluorescent lamp.

2.2.3对可溶性蛋白质和游离氨基酸含量的影响 由表2还可见：100%蓝光和RB11处理组的黄瓜果实中可溶性蛋白质含量较高，显著高于其他处理组；RB13和RB31处理组的黄瓜果实中可溶性蛋白质含量次之；100%红光和对照处理组的黄瓜果实中可溶性蛋白质含量较低，显著低于其他处理组。100%蓝光处理组的黄瓜果实中游离氨基酸含量最高，显著高于其他处理组；RB31和RB11处理组的黄瓜果实中游离氨基酸含量次之；100%红光、RB13和对照处理组的黄瓜果实中游离氨基酸含量较低。

3讨论和结论

植物产量与光环境密切相关，设施补光能明显促进植物的光合作用和生长发育，提高果实的产量和品质[17]。由于红光和蓝光的光谱能量分布与叶绿素吸收光谱峰值区域一致[18]，因此对植物的生长发育能产生有益作用。本研究结果表明：单一红光(100%红光)处理组的黄瓜植株弱小、生长缓慢、果实发育异常、单果鲜质量小、单株产量低，这可能是由于单一红光使叶片光合机构功能紊乱[15]，不利于植株生长所致。Yanagi等[19]的研究结果显示：蓝光能增强叶绿素和类胡萝卜素的捕光能力，刺激植物体内隐花色素的活性，从而促进植物的光合作用和生长发育。本研究中也有类似的现象：单一蓝光(100%蓝光)下黄瓜植株生长正常，果实发育良好，单果鲜质量和单株产量均高于对照。这也与蓝光能够提高蔬菜作物的抗氧化水平，提高类胡萝卜素[20]、VC[21]和花青素[22]等影响叶片着色因子的含量有关。红蓝组合光能显著促进生菜(LactucasativaLinn.)[23]和甘蓝(BrassicaoleraceaLinn.)[20]生物量的积累。本研究中，红蓝LED光组合处理能显著提高黄瓜果实的单株产量，但不同配比红蓝光处理对黄瓜果实单株产量的影响不同，其中在50%红光-50%蓝光处理下黄瓜果实的单株产量最高，单果鲜质量也较大。虽然不同植物光受体的种类一样，但每种光受体的数量不同[24]。对于黄瓜而言，当红光比例在50%～75%之间时，红蓝复合光可能使蓝光受体和红光受体数量接近高效协同工作状态，因而光合效能高、单株产量较高。

不同配比红蓝光谱影响温室蔬菜的品质，适宜的红蓝光配比能有效提高蔬菜营养物质的含量[25]。糖是植物光合作用的直接产物，也是生菜营养品质最重要的评价依据[21]。本研究中，100%红光处理组的黄瓜果实中可溶性糖和蔗糖含量较低，这可能与100%红光处理下黄瓜叶片的光合作用机能失调，无法大量合成光合产物有关[15]。植物碳代谢和氮代谢过程对立统一：一方面，碳代谢为氮代谢提供能量和碳架[26]，有利于氨基酸的合成；另一方面，CO2的同化和NO3-的还原因对光反应产物的竞争而相互抑制[27]。本研究中，100%蓝光处理下黄瓜果实中可溶性糖、蔗糖、游离氨基酸和可溶性固形物含量都明显高于其他处理组，这可能是由于蓝光诱发了隐花色素和花青素等植物色素活性，从而促进了黄瓜的碳代谢和氮代谢，使代谢产物含量增加[22]。通常蓝光有利于蛋白质的合成，但25%红光-75%蓝光处理组黄瓜果实中可溶性蛋白质含量却低于50%红光-50%蓝光处理组，推测在25%红光-75%蓝光处理下氨基酸合成量较少，阻碍了蛋白质的合成。光谱分布不仅影响碳氮代谢，还可通过提高可溶性碳水化合物含量而增加VC含量[28]。本研究中，50%红光-50%蓝光处理组的黄瓜果实中可溶性糖和蔗糖含量较高，VC含量也显著高于其他处理组，提升了黄瓜的营养品质。

综上所述，红光比例为50%～75%的红蓝复合光有利于提高黄瓜的单株产量，红光比例为50%的红蓝复合光以及100%蓝光下黄瓜的营养品质较好。根据先高产后优质的需求，设施栽培黄瓜推荐红光比例为50%的红蓝复合光，既可保证产量也能获得品质较好的商品黄瓜。不同配比红蓝光对黄瓜产量及品质的影响是一个复杂的过程，受到各方面因素的制约，需要进一步的深入研究。

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(责任编辑： 张明霞)

收稿日期：2015-02-03

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA103003); 国家农业部公益性行业(农业)科研专项(201303108)

作者简介：刘晓英(1972—)，女，新疆奇台人，博士，副教授，主要从事植物光生物学与环境调控研究。 ①通信作者E-mail: xuzhigang@njau.edu.cn

中图分类号：S625.5+2; S642.2

文献标志码：A

文章编号：1674-7895(2016)02-0080-05

DOI:10.3969/j.issn.1674-7895.2016.02.10

Effect of different proportions of red and blue LED lights on yield and quality of fruit ofCucumissativus

LIU Xiaoying, XU Wendong, JIAO Xuelei, XU Zhigang①

(College of Agriculture, Nanjing AgriculturalUniversity,Nanjing210095,China),J.PlantResour. &Environ., 2016, 25(2): 80-84

Abstract:Taking fluorescent lamp as the control, effect of different proportions of red and blue LED lights 〔including 100% red light, 75% red light-25% blue light (R31), 50% red light-50% blue light (R11), 25% red light-75% blue light (R13) and 100% blue light〕 on traits, yield and nutritional quality of fruit of Cucumis sativus Linn. were researched. The results show that in the treatment group of 100% red light, seedling of C. sativus grows slowly, development of fruit is abnormal, and yield per plant and contents of VC, soluble sugar and soluble protein in fruit are lower than those in other treatment groups. In the treatment group of 100% blue light, development of fruit is normal, fruit yield per plant is significantly lower than that in the combined treatment groups of red and blue LED lights, while contents of soluble sugar, sucrose, free amino acids and soluble solid in fruit are generally significantly higher than those in other treatment groups, and soluble protein content is also high. Fresh weight per fruit of C. sativus in R31 treatment group is significantly higher than that in other treatment groups, fruit yield per plant in R31 and R11 treatment groups is significantly higher than that in other treatment groups, and also, contents of VC and soluble protein in fruit in R11 treatment group are significantly higher than those in other treatment groups. It is suggested that yield per plant and nutritional quality of fruit of C. sativus is affected by synergistic effect of red and blue lights, and more suitable light proportion for culturing C. sativus in greenhouse is 50% red light-50% blue light.

Key words:Cucumis sativus Linn.; red and blue LED lights; fruit; yield per plant; nutritional quality