弱光条件下光质与连续光照对水培生菜生长与品质的影响

余　意，杨其长，刘文科

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京　100081)



弱光条件下光质与连续光照对水培生菜生长与品质的影响

余意，杨其长，刘文科

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京100081)

在密闭植物生长室中，采用LED光源研究了弱光条件下光质与连续光照对水培紫叶生菜和绿叶生菜产量和品质的影响。结果表明，绿叶生菜和紫叶生菜地上部鲜重及根系鲜重都在连续光照处理下显著提高。光周期条件相同时，紫叶生菜在红蓝光比例2∶1光质下地上部鲜重要显著大于红蓝光比例1∶2，绿叶生菜则无显著差异。连续光照处理对紫叶生菜和绿叶生菜总酚和类黄酮含量的影响因光质而异。光照时长相同时，紫叶生菜和绿叶生菜总酚和类黄酮相对含量都有随红光比例增加而显著降低的现象出现。紫叶生菜抗坏血酸含量都随光照时长增加而显著降低。紫叶生菜可溶性糖含量和可溶性蛋白含量受红蓝光比例和光照时长变化影响不显著。光照时长对绿叶生菜可溶性糖含量的影响因光质变化而异。光质相同条件下，绿叶生菜可溶性蛋白含量在连续光照处理下显著降低，且绿叶生菜可溶性糖和可溶性蛋白含量对光质变化的响应因光照时长差异而不同。

光周期; 生菜; LED; 品质; 叶色

红光和蓝光作用为影响植物生长的重要光源，一直是优化农业生产光环境重点关注的方面。大量研究表明，红光和蓝光对蔬菜生长的影响存在很大的差异。Chen等[1]发现蓝光对生菜叶面积的扩展和叶柄的生长的抑制有重要作用。Son等[2]的研究表明红叶生菜和绿叶生菜生长在以红光为主的光质条件下时生物量较高，但以蓝光为主的光质条件下生菜的叶绿素、酚类物质和花青素等品质物质含量较高。如何使红光和蓝光在蔬菜生产中更好的发挥作用、优化红蓝光组合比例，促进优质高产，值得进一步研究探索。

人工光源的电能消耗是植物工厂能耗的主要来源，约占总能耗的80%[3-5]。因此，放弃红光、蓝光以外其他低光合效率光质的使用，有利于降低植物工厂生产成本，简化LED光源构成和可控性。同时，在高于蔬菜光补偿点范围内适当降低人工光源光强，并适当延长光照时长，既可避免高光强对蔬菜的胁迫，又可在保证蔬菜产量的同时为电能消耗的降低提供一条可能的途径。已有学者研究了短期连续光照(24h明期无暗期)对生菜生长的影响，结果显示72h连续光照显著提高了生菜营养品质，且LED红蓝组合光光源效果优于荧光灯[6-7]。也有针对长期连续光照对植物生长的影响的研究，结果表明连续光照对植物的影响因植物品种和试验设置而异[8]。

目前，针对弱光条件下不同光质与连续光照对生菜生长的影响较少。本试验在弱光条件下研究光质与连续光照对水培紫叶生菜和绿叶生菜产量和品质的影响，以期为人工光植物工厂水培生菜节能高产的光环境管理提供技术支撑。

1　材料与方法

1.1试验设计

试验于2014年5月至7月在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所温室进行，供试生菜品种为紫叶生菜(P)和绿叶生菜(意大利生菜)(G)，试验温室平均气温 25℃。5月7日育苗，育苗基质为蛭石。15d后移栽幼苗至PV水培方盒，方盒大小为39cm×19cm×10cm，每盒可装6L营养液，可移栽21株幼苗。每种生菜幼苗移栽4盒，共8盒。基础营养组成(mmol/L)：5[Ca(NO3)2·5H2O]，0.75 K2SO4，0.5 KH2PO4，0.1 KCl，0.65 MgSO4，1.0×10-3H3BO3，1.0×10-3MnSO4，1.0×10-4CuSO4，1.0×10-3ZnSO4，5×10-6(NH4)6Mo7O24，0.1 EDTA-Fe。

幼苗移栽至水培盒中后，开始进行人工光处理，选用LED红蓝组合光(630&460nm)为光源，光强都为60μmol·m-2·s-1。共设置4个处理，处理光质、光周期设置如表1所示。

表1　试验各处理光质和光周期设置

1.2测定方法

移栽27d后每个处理随机选取3株，从心部取第4片展开叶，1%盐酸-甲醇混合溶液提取总酚、类黄酮、花青素，测定提取液特定波长吸光度，计算三种物质相对含量[9]；用草酸溶液提取抗坏血酸，加入显色剂进行显色反应后用二甲苯萃取显色物质，将萃取液在500nm下进行比色以测定并计算抗坏血酸含量[10]；用蒸馏水提取生菜可溶性糖，加入0.09g/mL苯酚、浓硫酸与提取液进行显色反应，溶液冷却后载485nm下进行比色，测定并计算可溶性糖含量[9]；以蒸馏水提取生菜可溶性蛋白，加入考马斯亮蓝G-250染色，将染色后的提取液在595nm下进行比色以测定并计算可溶性蛋白含量[10]。

2　结果与分析

2.1光周期对紫叶生菜和绿叶生菜生物量的影响

如表2所示，绿叶生菜和紫叶生菜地上部鲜重及根系鲜重都在连续光照下显著提高。各处理地上部鲜重提高幅度都在1.9倍以上，并以紫叶生菜在RB 2∶1光质条件下提高最显著，达到2.7倍。光周期条件相同时，紫叶生菜在RB 2∶1光质下地上部鲜重要显著大于RB 1∶2，绿叶生菜则无显著差异。不同红蓝光比例对紫叶生菜根系鲜重没有显著影响，绿叶生菜则随红光比例的增加而稍有降低。说明紫叶生菜地上部鲜重对光照时长和光质变化的敏感程度都要高于绿叶生菜，而绿叶生菜根系鲜重对光质变化的敏感程度高于紫叶生菜。

表2　光周期对两种叶色生菜生物量的影响

2.2光周期对紫叶生菜和绿叶生菜营养品质指标的影响

如表3所示，RB 2∶1光质下紫叶生菜总酚和类黄酮相对含量在连续光照下提高，但在RB1∶2光质下受光照时长影响不显著。RB1∶2光质下绿叶生菜总酚和类黄酮相对含量随光照时长增加显著降低，而在RB 2∶1光质下受光照时长影响不显著。光照时长相同时，紫叶生菜总酚相对含量随红光比例增加而显著降低，绿叶生菜只在12h光照期时显著降低，在连续光照下受光质影响不显著。光照时长12h时，两种生菜类黄酮相对含量都随红光比例增加而显著降低。而在连续光照下，两种生菜类黄酮受光质影响都不显著。两种生菜花青素含量极低，未检测到其含量。紫叶生菜抗坏血酸含量受光质和光照时长影响不显著。在RB 1∶2光质下，绿叶生菜抗坏血酸含量随光照时长增加而稍有提高，在RB 1∶2光质下则相反。在RB 2∶1光质下，绿叶生菜可溶性糖含量在短期连续光照下显著降低，而在RB 1∶2光质下则相反。在相同光质环境下，绿叶生菜可溶性蛋白含量随光照时长增加而降低。光照时长为12h时，绿叶生菜可溶性糖含量随红光比例增加而显著降低，可溶性蛋白含量受光质影响不显著。光照时长为24h时，绿叶生菜可溶性糖含量随红光比例增加而显著提高，可溶性蛋白含量则稍有降低。说明紫叶生菜营养品质对光照时长和光质变化的敏感程度比绿叶生菜低。

表3　光周期对两种叶色生菜抗氧化物质、可溶性糖和可溶性蛋白的影响

3　讨论与结论

连续光照延长了植物光合作用的时间，有利于光合产物的积累。本研究试验结果表明，在连续光照处理下，紫叶生菜和绿叶生菜地上部鲜重都得到了显著提高，并且品种间存在敏感程度方面的差异。紫叶生菜和绿叶生菜生长在不同光质条件下的表现也有明显差异，紫叶生菜在以红光为主的RB 2∶1光质下地上部鲜重较高，绿叶生菜在不同红蓝光比例光源下则无显著差异。其中，紫叶生菜的表现与唐永康等[11]报道的LED红蓝光对油麦菜生长的影响结果相似。光质和光周期在生菜生长调控方面的相互作用机理有待进一步研究探索。紫叶生菜总酚和类黄酮相对含量的影响受到光质和连续光照的显著影响，其他营养品质指标则无显著影响。绿叶生菜除花青素以外，各个营养品质指标都受到了光质和连续光照的显著影响。绿叶生菜营养品质对光质和光照时长变化的敏感程度要高于紫叶生菜。并且，两种生菜营养品质指标随光照时长延长的变化趋势都因红蓝光比例的变化而异，其中规律和机理有待进一步研究。

综上所述，紫叶生菜和绿叶生菜产量主要受光照时长影响，连续光照将两种生菜产量至少提高了1.9倍，而光照时长仅提高了1倍。紫叶生菜品质受光照时长和光质的影响不显著，光照时长对绿叶生菜营养品质的影响因光质而异，且连续光照并未造成绿叶生菜品质的下降。因此，利用连续光照提高生菜产量、降低生产成本是可行的。

[1] CHEN Xiaoli, GUO Wenzhong, XUE Xuzhang, et al. Growth and quality responses of ‘Green Oak Leaf’ lettuce as affectedby monochromic or mixed radiation provided by fluorescent lamp(FL) and light-emitting diode (LED)[J]. Scientia Horticulturae, 2014, 172:168-175.

[2] SON Kiho, OH Myungmin. Leaf Shape, growth, and antioxidant phenolic compounds of two lettuce cultivars grown under various combinations of blue and red light-emitting diodes [J]. HortScience, 2013, 48(8): 988-995.

[3] OHYAMA K, KOZAI T, YOSHINAGA K. Electric energy, water and carbon dioxide utilization efficiencies of a closed-type transplant production system[M]//OHYAMA K, KOZAI T, YOSHINAGA K. Transplant Production in the 21st Century. Berlin: Springer Netherlands, 2000.

[4] NISHIMURA M, KOZAI T, KUBOTA C, et al. Analysis of electric energy consumption and its cost for a closed-type transplant production system[J]. Shokubutsu Kojo Gakkaishi, 2001, 13(3): 204-209.

[5] SAEBO, A., KREKLING T. Appelgren, M. Light quality affects photosynthesis and leaf anatomy of birch plantlets in vitro[J]. Plant Cell Tissue Organ Cult,1995, 41:177-185.

[6] ZHOU Wanlai, LIU Wenke, YANG Qichang. Reducing nitrate content in lettuce by pre-harvest continuous light delivered by red and blue light-emitting diodes[J]. Journal of Plant Nutrition, 2013,36:481-490.

[7] ZHOU Wanlai, LIU Wenke, YANG Qichang. Quality changes in hydroponic lettuce grown under pre-harvest short-duration continuous light of different intensities[J].JournalofHorticulturalScience&Biotechnology, 2012, 87(5):429-434.

[8] MAINA I., EUGENIA F., TATJANA G., et al. Plants under continuous light: a review [J]. Global science books, 2010:1-17.

[9] 曹建康,姜微波,赵玉梅.果蔬采后生理生化实验指导[M].北京：中国轻工业出版社,2006:44-46.

[10] 李合生,孙群,赵世杰,等.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:高等教育出版社,2000:248-250.

[11] 唐永康, 郭双生, 艾为党, 等. 不同比例红蓝LED光照对油麦菜生长发育的影响[J]. 航天医学与医学工程, 2010, 23(3):206-212.

Influence of Light Quality and Continuous Lighting on Growth and Nutritional Quality of Two Two-color Lettuce Cultivars

YU Yi, YANG QiChang, LIU Wenke

(InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,KeyLabofEnergyConservationandWasteManagementofAgriculturalStructures,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China)

Purple lettuce and green lettuce were hydroponically cultivated in a culture room to investigate the influence of light quality and continuous lighting on their growth and nutritional quality. The results showed that the shoot fresh weight and root fresh weight of the two kinds of lettuce improved under treatment of continuous lighting. The shoot fresh weight of purple lettuce under RB 2∶1 treatment was significantly higher than that of RB 1∶2 when the photoperiod was the same, but that of green lettuce didn’t showed significant difference. Phenol and flavonoid relative contents of purple lettuce and green lettuce responded to continuous lighting treatment differently with the variation of light quality. When under the same lighting period, phenol and flavonoid relative contents of purple lettuce and green lettuce reduced with the increasing of red light ratio. The ascorbic acid content of purple lettuce lessened greatly under continuous lighting. The soluble sugar and soluble protein contents of purple lettuce didn’t change much with the variation of red and blue light ratio and lighting period. The influence of continuous lighting on soluble sugar content of green lettuce differed with the change of light quality. When under the same light quality, soluble protein contents of green lettuce dropped under treatment of continuous lighting. And soluble sugar and soluble protein contents of green lettuce responded differently to the change of light quality with the alteration of lighting period.

Photoperiod; lettuce; LED; quality; leaf color

国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2013AA103001),新疆维吾尔自治区科技计划项目(201332103)资助

刘文科，E-mail：liuwke@163.com

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.022