不同频率LED红蓝光交替照射对生菜生长与品质的影响

陈晓丽 杨其长 马太光 薛绪掌 乔晓军 郭文忠

(1.北京农业智能装备技术研究中心， 北京 100097； 2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081；3.山西农业大学园艺学院， 太谷 030801)

不同频率LED红蓝光交替照射对生菜生长与品质的影响

陈晓丽1杨其长2马太光3薛绪掌1乔晓军1郭文忠1

(1.北京农业智能装备技术研究中心， 北京 100097； 2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081；3.山西农业大学园艺学院， 太谷 030801)

在全人工光型植物工厂中进行试验，运用供光模式可调的红蓝LED光源，以不同频率的红蓝光交替照射生菜，并以同比例的红蓝光同时照射生菜作为对照组，通过测定生菜生长动态、光合色素、可溶性糖、粗蛋白、维生素C以及硝酸盐含量，研究红蓝光供光模式及交替频率对生菜生长与品质的影响。结果表明：在等能耗基础上，16 h光期里，红蓝光交替1次有利于生菜地上部分生物量、可溶性糖以及粗蛋白的积累；红蓝光交替4次有利于生菜中维生素C的积累以及硝酸盐的代谢；所有处理中，叶绿素及类胡萝卜素含量均以4次和8次红蓝光交替为最大，且二者之间无显著性差异。

生菜； 植物工厂； LED； 红蓝光； 交替频率

引言

光是植物光合作用的能量来源，也是调节植物生长和代谢的重要信号。不同波段的光质对植物的影响各不相同，其中，红、蓝光对应于植物光合色素光吸收的最大波段，因此对于植物光形态建成、生长代谢有着极为重要的影响，也成为近年来研究最多的光质[1-3]。红光在光合器官发育、植物光形态建成以及光化学合成中有着无可取代的作用，而蓝光在叶绿体发育、气孔开放以及光形态建成中也不可或缺[4-7]。红、蓝光在植物生长代谢过程中的作用各不相同且在同一物质代谢过程中红蓝光的作用效果可能相反，YANAGI等[8]研究表明，在红光照射下生菜干质量比蓝光下大，但蓝光下生菜形态显得更加健壮；张立伟等[9]发现，豌豆苗在蓝光照射下维生素C和可溶性蛋白含量都最高，但红光显著抑制了维生素C和可溶性蛋白的合成；而对于韭菜和芽苗菜而言，红光能降低植株中的硝酸盐含量，而蓝光则相反[9-10]。

植物在纯红光或纯蓝光下往往无法正常生长，而红蓝组合光被认为是比较适合作物生长的光[11-13]，目前关于红蓝光对植物的影响研究大多以红蓝光比例为主，研究表明最适的红蓝光比例随植物种类以及生产目的等的不同而有所差异。如生菜、草莓、油菜、黄瓜生物量最大的红蓝光比例分别为12∶1、7∶3、1∶3以及9∶1[13-16]；闻婧等[17]在生菜的研究中发现，LED红蓝光比例为8∶1时，有利于生菜生长和营养品质的提高，而随着红蓝光比例的降低，叶片中叶绿素含量随之降低；另有研究表明，蓝光在调节植物光合和生长代谢过程中是定量作用的，即蓝光占比类似于光强度，DOUGHER等[18]研究表明在红光基础上增加2%的蓝光，生菜生物量有显著提高；HOGEWONING等[19]的研究也表明，植物在纯红光下较容易导致光合组织机能失调，而仅7%的蓝光便足以阻止这种光合功能的失调。

虽然已有较多关于红蓝光对植物影响方面的研究，但红蓝光在作用于植物生长代谢过程中的相互关系尚不清楚。事实上，植物是在全波谱的自然光下进化来的，各波段的光质在作用于植物生长代谢过程中可能并非独立，而是相互依赖或相互影响的。CHEN等[20]研究表明，LED红光在生菜苗期并不利于生菜同化物的积累，而在成熟期可以显著促进叶片同化物积累，也就是说如果将红蓝光的供光时段错开可能得到更好的产量和品质结果。然而，关于红蓝光交替照射植物的研究目前仍较少，因此本文设置不同频率的红蓝交替光照射生菜，并以相同比例的红蓝光同时照射生菜作为对照，通过测定生菜生长动态、生物量、光合色素、可溶性糖、粗蛋白、维生素C及硝酸盐含量，以比较不同频率的红蓝光交替模式及红蓝光同时供光模式下生菜生长及品质的差异，以期为揭示红蓝光在作用于植物生长代谢过程中的相互影响关系提供研究思路。

1 材料与方法

1.1 光源参数

使用北京农业智能装备技术研究中心研制的LED植物生长灯板，该灯板由红光(R)与蓝光(B)组成，每种光质的强度及供光时间可以独立设定和调节。红、蓝光峰值波长分别为660 nm和450 nm，光谱见图1。光强度测定采用Li-250A型光量子计(LI-COR，美国)，光谱的测定采用USB-650型光谱仪(Ocean Optical，美国)。

图1 红、蓝光谱图Fig.1 Spectrum of red and blue lights

1.2 试验设计

试验在全人工光型植物工厂中进行。试验材料为红生1号生菜，先将生菜种子放在4℃条件下催芽，露白后播种至海绵块中育苗，播种15 d后定植到水培槽上(800 mm×800 mm×100 mm)，每个水培槽上种植36株，株、行距均为13 cm。植物工厂内昼/夜温度设置为22℃/17℃，空气相对湿度65%，CO2浓度400 μmol/mol，营养液采用霍格兰配方[21]，pH值、电导率分别保持在6.5和1.45 mS/cm左右，营养液每7 d更换一次。从播种日起第39天，即定植24 d后收获并测定相关指标。

定植当天即开始6个不同的光处理，LED灯板垂直悬挂于栽培板正上方25 cm处，各处理间红、蓝光的光强分别均为200、100 μmol/(m2·s)。共设置4个红蓝光交替处理和2个红蓝光同时供光处理。在16 h的光期里，红、蓝光每8 h切换1次，则交替频率为1，记作R/B1，同理，红、蓝光交替频率为2、4、8分别记作R/B2、R/B4和R/B8。2种红蓝光的同时供光模式分别计为RB和RB′，其中RB的日累积光积分(DLI)以及能耗与4个交替处理一样，但光期是8 h；另一个红蓝光同时供光处理RB′光期和4个交替处理一样(16 h)，但DLI以及能耗均为其他处理的2倍。具体试验设计见表1。

表1 红蓝光供光模式

1.3 项目测定与分析方法

生菜生长指标动态测定：每处理下随机选取6株生菜，每5 d用直尺测量并记录生菜株高、株幅、叶长、叶宽，其中叶长和叶宽所测叶片为从植株最外围选取的3片成熟叶。收获后指标测定：取样方法同生长指标测定，取样后先用电子天平称量地上和地下部的鲜质量，然后在 60℃干燥箱中干燥至质量恒定后测其干质量；叶绿素和类胡萝卜素含量测定采用分光光度法[17]；粗蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法[18]；维生素C含量测定采用分光光度法[18]；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[19]；硝酸盐含量测定采用紫外分光光度法[19]。

数据处理采用 Microsoft Excel 2013，显著性差异分析采用SAS统计分析软件。

2 结果与分析

2.1 不同红蓝光交替处理对生菜生长的影响

由表2可知，生菜地上可食部分鲜质量在RB′处理下最大，较其他处理提高了22.83%～90.23%; 而地上部干质量在R/B1处理下最大，较其他处理提高了11.83%～109.57%; 与RB处理相比较，生菜地上可食部分的鲜质量在交替处理R/B1下显著提高，而在R/B2、R/B4处理下显著降低，在R/B8处理下无显著性差异(p<0.05)；在红蓝光不同交替处理之间，生菜地上可食用部分鲜质量由大到小表现为：R/B1、R/B8、R/B4、R/B2，其中R/B1较R/B2而言，地上食用部分鲜质量显著提高了54.87%(p<0.05)。此外，所有处理中，R/B1处理下生菜叶长、株高和株幅均最大，其中株幅显著大于其他处理(p<0.05)。

表2 不同处理下生菜生长指标

注：同列不同小写字母表示处理间在p<0.05水平差异显著，下同。

由图2可知，从定植到收获期间，R/B1处理下生菜株高、株幅和叶长平均增长速率均最大，分别为5.69 mm/d、7.72 mm/d和6.26 mm/d，比增长速率最小的R/B2处理相应地提高了158.6%、184.9%和191.2%；处理RB′下生菜叶宽平均增长速率最大，为3.81 mm/d，比增长速率最小的处理R/B2提高了102.7%。

图2 不同光处理下生菜生长动态Fig.2 Growth dynamics of lettuce under different light treatments

2.2 不同红蓝光交替处理对生菜叶片光合色素含量的影响

从表3可以看出，处理R/B8生菜叶片中的叶绿素a (Chla)、叶绿素b (Chlb)及类胡萝卜素 (Car)含量均最高，分别为0.36 mg/g、0.11 mg/g和0.13 mg/g，但与处理R/B4均无显著差异；在红蓝光同时供光模式下，RB′处理较RB处理生菜叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量分别显著降低了23.08%和27.27%(p<0.05)；在红蓝光交替供光模式处理下，叶片中的叶绿素和类胡萝卜素含量由大到小表现为：R/B8、R/B4、R/B1、R/B2，其中R/B8处理较R/B2处理而言，叶片中的叶绿素和类胡萝卜素含量分别显著提高了56.67%和62.5%(p<0.05)。

2.3 不同红蓝光交替处理对生菜营养品质的影响

如表4所示，生菜叶片中可溶性糖含量在不同的光处理间均呈现显著性差异，其中，RB′处理下可溶性糖含量最高，为21.90 mg/g(p<0.05)。在红蓝光同时供光模式下, RB′处理较RB处理显著提高了93.81%(p<0.05)；在红蓝光交替供光模式下，生菜中可溶性糖含量由大到小表现为：R/B1、R/B8、R/B2、R/B4，其中R/B1处理较R/B4处理而言，可溶性糖含量显著提高了44.28%(p<0.05)。

表3 不同处理下生菜中叶绿素和类胡萝卜素含量(以鲜质量中的含量计)

在所有处理中，RB′处理生菜叶片中的粗蛋白含量最高，为19.35 mg/g，显著高于其他处理(p<0.05)；在红蓝光同时供光模式下，RB′处理较RB处理叶片粗蛋白含量显著提高了69%(p<0.05)；在红蓝光交替供光的4个处理之间，R/B2处理下叶片粗蛋白含量最低，显著低于R/B1和R/B8处理，而R/B1、R/B4和R/B8处理间叶片粗蛋白含量无显著性差异(p<0.05)。

生菜中维生素C含量在交替处理R/B2和R/B4下最高，显著高于其他处理，相反，R/B1和R/B8处理下维生素C含量显著低于其他处理，而2个同 时供光处理RB和RB′之间维生素C含量无显著差异(p<0.05)。即与红蓝光同时供光模式相比，红蓝光交替频率为2和4的供光模式提高了维生素C含量而交替频率为1和8的供光模式降低了维生素C含量。

表4 不同处理下生菜可溶性糖、粗蛋白、维生素C、硝酸盐含量(以鲜质量中的含量计)

在所有处理中，R/B4处理生菜叶片中硝酸盐含量最低，为341.50 mg/kg，与红蓝光同时供光处理相比，显著降低了30%左右(p<0.05)。2个红蓝光同时供光处理之间，硝酸盐含量无显著差异；而在4个红蓝光交替供光处理之间，随着交替频率的变化，生菜硝酸盐含量差异显著，由小到大表现为：R/B4、R/B2、R/B8、R/B1, R/B1处理下硝酸盐含量为595.00 mg/kg，较R/B4处理显著提高了74.2%(p<0.05)。

3 讨论

从本试验结果可以看出，除了红蓝光比例可以调节生菜生长代谢外，红蓝光交替频率对生菜生长代谢也产生影响。如本试验中，较相同耗电量下的红蓝光同时供光处理RB而言，每8 h交替1次即交替频率为1的红蓝光处理R/B1显著提高了生菜地上可食用部分的鲜质量, 而交替频率为2和4时则相反。RB′处理下LED光源耗电量是R/B1处理的2倍，但RB′生菜地上部鲜质量仅比R/B1增加了22.8%，即电能利用率在RB′处理下明显降低，并不适用于实际生产。

营养指标中，可溶性糖含量在所有处理中均差异显著，说明该品种生菜的可溶性糖含量对于红蓝光的供光模式较为敏感。可溶性糖含量是影响生菜口感的重要指标之一。已有研究报道，光质通过光敏色素调控蔗糖代谢过程的相关酶活性及酶基因表达[22]。本试验中，RB′处理下获得最高的可溶性糖含量，这可能是由于延长DLI导致可溶性糖代谢相关酶合成量增加，但该处理增加了光源的耗电量，不利于实际推广。而在其他5个能耗和DLI都相等的处理中，R/B1处理可溶性糖含量最高，因此在等能耗的基础上R/B1处理是糖指标的较优处理；植物中蛋白质的含量受光质影响，KOWALLIK[23]发现，在蓝光照射下，叶片中线粒体的暗呼吸显著提高，而呼吸产生的有机酸能够为氨基酸的合成提供碳骨架，促进蛋白质的合成。本试验RB′处理中粗蛋白含量最高，可能是由于延长光期的同时蓝光DLI随之增加而有利于生菜粗蛋白的合成；而在另外5个能耗和DLI都相等的处理中，红蓝光交替处理下的生菜粗蛋白含量均显著高于对照RB, 表明与红光错开供光时间更能发挥蓝光促进蛋白质合成的作用；维生素C是人体所需的营养之一，已有研究表明，半乳糖酸内脂脱氢酶(GLDH)是合成维生素C的关键酶，红光显著降低GLDH的活性，而蓝光能够提高该关键酶的活性[24-26]。在本试验中，红蓝光在不同的交替频率下对生菜维生素C含量的作用差异较大，表明红蓝光在维生素C合成过程中相互影响，选择合适的交替频率有利于发挥蓝光的促合成效应而抵消红光的抑制效应；硝酸盐含量是衡量生菜安全的重要品质指标，硝酸盐含量受硝酸还原酶的影响。在R/B4处理下，硝酸盐含量显著低于其他处理，可能是因为该频率下的红蓝光交替刺激了硝酸还原酶的合成或提高了硝酸还原酶的活性，从而降低硝酸盐含量。

综上，在不增加人工光源耗电量的基础上，可以根据目的指标通过不同频率的红蓝光交替模式优化供光策略，提高电能利用率，即除了红蓝光比例外，红蓝光交替模式也应成为研究光配方的一个重要方向。然而，要阐明红蓝光交替模式对生菜生长代谢过程中的作用机理，还需要在光质交替节点生菜叶片光合效率以及各种营养物质代谢相关酶基因的表达等方面做更深入的研究。

4 结论

(1)交替供给红蓝光对生菜生长动态、生物量以及营养指标等都有不同程度的影响，而作用效果与红蓝光在一定光期内的交替频率密切相关。

(2)在等能耗基础上，16 h光期里，红蓝光交替1次有利于生菜地上部分生物量、可溶性糖以及粗蛋白的积累；红蓝光交替4次有利于生菜中维生素C的积累以及硝酸盐的代谢；生菜叶绿素及类胡萝卜素含量均以4次和8次红蓝光交替为最大，且二者之间无显著性差异。

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Effects of Red and Blue LED Irradiation in Different Alternating Frequencies on Growth and Quality of Lettuce

CHEN Xiaoli1YANG Qichang2MA Taiguang3XUE Xuzhang1QIAO Xiaojun1GUO Wenzhong1

(1.BeijingResearchCentreofIntelligentEquipmentforAgriculture,Beijing100097,China2.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China3.CollegeofHorticulture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Lettuce was grown in the fully artificial light plant factory, where adjustable red and blue LED panels were used as the sole light source for lettuce growth. Red and blue light with different alternating frequencies were provided to test plant responses to the alternating red and blue lights. Meanwhile, concurrent red and blue light treatments were set as controls. Results were analyzed in terms of the growth dynamics, and the accumulation of biomass, photosynthesis pigments, soluble sugar, crude protein, vitamin C contents as well as nitrate content in lettuce. The results showed that based on the same energy consumption, alternating red and blue lights with the frequency of one time (R/B1) in a 16 h period promoted the accumulation of biomass, soluble sugar and crude protein contents, while alternating red and blue lights with the frequency of four times (R/B4) in a 16 h period enhanced the vitamin C content and decreased nitrate content of lettuce. Among all the treatments, the highest chlorophyll and carotenoid contents were both detected under R/B1 or R/B4 treatments, no significant difference existed between the two treatments for the pigment content. Therefore, the focal point was the comparison of red and blue lights provided at the same time and those provided separately with different alternating intervals based on the same daily light integral. The goal was to determine the effects of different radiation modes of red and blue LED lights on the growth and quality of lettuce. The alternating modes would provide methods for deeply studying the relationship of red and blue lights when acting on plants. Meanwhile, the selection of light formula based on the same energy consumption was more acceptable in practical production.

lettuce; plant factory; LED; red and blue lights; alternating frequency

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.033

2017-03-17

2017-04-17

北京市自然科学基金项目(6174041)和国家高技术研究发展计划(836计划)项目(2013AA103005)

陈晓丽(1987—)，女，工程师，主要从事植物光生理研究，E-mail: chenxl@nercita.org.cn

郭文忠(1970—)，男，研究员，主要从事水肥一体化及植物工厂研究，E-mail: guowz@nercita.org.cn

S626.9； S123

A

1000-1298(2017)06-0257-06