不同光质对韭菜各茬生长及营养品质的影响

周福君，翟 莹，魏 源，王玉龙

不同光质对韭菜各茬生长及营养品质的影响

周福君，翟 莹，魏 源，王玉龙

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

随着植物生产工厂化研究发展，人工光源对植物生长影响规律研究日渐深入。采用不同红蓝光比（R/B=3∶1；4∶1；5∶1；7∶1；9∶1）LED光源培养4个茬次韭菜，以普通白光为对照，研究不同红蓝比例LED光源对韭菜各茬生长及营养品质影响规律，运用主成分分析对其综合评价。结果表明，R/B=7∶1时，各茬次韭菜茎粗、叶宽、可溶性糖含量和产量均显著高于其他处理；R/B为3∶1时，各茬次韭菜VC和大蒜素含量显著高于其他处理。各茬次韭菜株高、茎粗、叶宽、叶绿素含量和产量呈上升趋势，VC含量则相反。主成分分析结果显示，R/B=7∶1时各茬次综合得分为1.563、2.313、1.280、2.038，均显著高于同一茬次其他处理；各处理在韭菜整个生长周期内综合总得分依次为7R1B＞9R1B＞4R1B＞5R1B＞3R1B＞CK。因此，R/B=7∶1 LED光源对提高韭菜生长速度及品质效果显著。

人工光源；LED；光质特性；红蓝比；韭菜生长规律

光照对蔬菜生长发育具有重要作用，是光合作用能量来源。蔬菜、花卉等经济作物生产、组培过程需人工光源补充光照。因此，大棚或温室内人工光源补充是促进植物生长有效途径[1-2]。

半导体光源LED（light emitting diode）具有发热量小、单管光辐射小、光源带结构照明、防水防潮、功耗低、可配比光学特性等优点。王志敏等研究LED光照强度对莴苣影响，发现光照强度为100和300 μmol·m-2·s-1时，均有利于提高莴苣生长和品质[3]；杨晓建等发现LED红蓝混合色光处理下青蒜苗Fv/Fm和Fv/Fo最优[4]；Nhut等研究不同光质处理对草莓生理特性影响，发现R7/B3光质配比为补光最佳光质组合[5]；樊小雪等发现不同红蓝光密度下，番茄叶片IAA、GA3和ZR含量随光密度增加而增加，ABA含量与光密度成反比[6]。此外，相关研究报道蔬菜植株对可见光吸收主要集中在400~510 nm蓝紫区以及610~720 nm红橙区[7]；与单色光源（红光、蓝光、绿光、黄光）相比，LED红蓝混合光对提高植株生长发育和品质效果更显著[5]。

韭菜（Allium tuberosum Rottl.ex Spreng）是传统蔬菜之一[8]。韭菜栽培相关研究主要集中于营养液栽培关键技术、植物源农药防治效果、地栽韭蛆发生和防治对策、韭菜和土壤中毒死蜱残留与降解等方面，LED光源对韭菜生长和营养品质影响鲜有报道。因此，本试验采用5种不同红蓝光比例LED光源，分析不同红蓝光比例对韭菜各茬生长及营养品质影响，运用主成分分析法对各处理综合评价，确定韭菜生长最佳LED红蓝光比例，为提高韭菜品质及产量奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验地点在东北农业大学现代园艺生产设备装备研究室，选用“紫根红”韭菜品种，2016年12月将韭菜直播于日光温室，常规管理。2017年2月将温室培养韭菜剪根（留5 cm），移栽到育苗盘（53 cm×25.5 cm×6 cm）中，每盘栽4行，每行8丛，每丛5株，基质为泥炭、草炭、蛭石及有机肥。移栽30 d后割去第一茬韭菜并将育苗盘转移到人工气候光质培养箱，置于不同波长光照下培养。控制白天温度（23±1）℃，夜间（11±1）℃，每天光照12 h，生长过程精细管理。30 d后收割新鲜韭菜以备测量各项指标。

1.2 试验设计

试验设6个光源处理，红蓝光比分别为3∶1（3R1B）、4∶1（4R1B）、5∶1（5R1B）、7∶1（7R1B）和9∶1（9R1B）（以下分别用 3R1B、4R1B、5R1B、7R1B、9R1B表示），以普通白光（CK）为对照，以上光源均由深圳市亮宇浩光电有限公司提供。不同处理光谱采用美国UnispecTM光谱分析系统测定，各光质发射光谱如图1所示。调节光源与韭菜距离，光强均为200 μmol·m-2·s-1。光照培养架为钢架结构，光源位于顶部，高度可调，培养架内层采用镀铝反光膜，外层为黑色遮光材料。各光质随机排列，每个光质设3次重复。

1.3 测试指标与方法

试验每个处理共收割韭菜4茬，第一茬、第二茬、第三茬、第四茬分别于2017年2月20日、3月21日、4月20日、5月20日收获。韭菜生长特性测定：游标卡尺测定株高、茎粗、叶宽，电子天平测定地上部可食用部分干鲜重。韭菜营养品质测定：叶绿素含量测定参照文献[9]；可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250法测定[10]；VC含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定[11]；粗纤维含量采用酸碱消煮法测定[11]；可溶性糖含量采用蒽酮法测定[10]；大蒜素采用气相色谱质谱联用技术测定；测定各小区韭菜产量。

图1 不同光质光谱Fig.1 Spectra of different light qualities

1.4 数据处理

数据均以平均值±标准误差表示，试验所有数据均采用Excel 2010和Origin 8.5整理分析、绘图制作。利用SPSS 22.0软件单因素方差分析（ANOVA），Duncan多重比较分析不同处理组间差异，以p＜0.05作为差异显著水平；利用SAS 9.2软件主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同LED光质对韭菜生长特性影响

韭菜地上部分是主要食用部分，韭菜各项生长指标可直观反映长势差异[12]。不同处理对韭菜生长特性影响根据不同收割茬次分别分析，结果如表1、2、3、4及图2所示。

根据表1结果可知，不同茬次韭菜株高呈不断增长趋势，且各茬次株高随红蓝光比例增加增加。韭菜整个生长周期内均表现为9R1B处理最高、CK最低、9R1B与7R1B差异不显著。9R1B处理各茬次分别比对照高19.14%、19.01%、18.56%、20.81%，表明不同红蓝光比例对韭菜株高影响显著，红蓝光比例越高促进韭菜株高增长作用越显著。

表1 不同LED光质对韭菜株高影响Table 1 Effect of different LED light quality on height of Chinese chive

由表2可知，不同茬次各处理韭菜茎粗呈增加趋势，茎粗随红蓝光比例增加呈先升后降趋势，均在7R1B处理达到峰值。第一茬、第二茬和第三茬时，各处理韭菜茎粗依次均为7R1B＞5R1B＞9R1B＞4R1B＞3R1B＞CK。除CK外，3R1B、4R1B、5R1B、7R1B、9R1B处理在第四茬时茎粗比第一茬分别提高24.50%、27.20%、21.11%、29.56%、28.03%，韭菜整个生长周期内均表现为7R1B处理最高，CK最低，说明红蓝光比例对韭菜茎粗影响显著。

如表3所示，不同茬次韭菜叶宽随红蓝光比例增加呈先升后降趋势。4R1B、5R1B、7R1B、9R1B处理在整个生长周期内叶宽呈增加趋势，均极显著高于对照。除第四茬外，各处理韭菜叶宽依次均为 7R1B＞5R1B＞9R1B＞4R1B＞3R1B＞CK。在7R1B处理下，叶宽在不同茬次均表现最高，分别比对照提高37.99%、38.74%、20.10%、31.75%。

地上部干鲜重可间接反应韭菜营养物质贮藏和消耗情况。根据表4结果可知，不同茬次地上部干鲜重呈“升-降-升”趋势，说明第二茬和第四茬有利于韭菜营养物质积累。不同茬次各处理均显著高于对照，均表现为7R1B或4R1B最高，CK最低，表明光质对韭菜地上部干鲜重影响显著。第一茬、第二茬、第四茬时，各处理韭菜地上部干鲜重依次均为7R1B＞4R1B＞9R1B＞5R1B＞3R1B＞CK。除第一茬外，5R1B与9R1B处理间差异不显著。

表2 不同LED光质对韭菜茎粗影响Table 2 Effect of different LED light quality on stem diameter of Chinese chive

表3 不同LED光质对韭菜叶宽影响Table 3 Effect of different LED light quality on leaf width of Chinese chive (mm)

表4 不同LED光质对韭菜地上部干鲜重比影响Table 4 Effect of different LED light quality on value of dry weight to fresh weight of Chines chive (%)

2.2 不同LED光质对韭菜营养品质影响

由图3可见，韭菜叶绿素含量不同茬次呈上升趋势；与第一茬相比，第四茬时3R1B、4R1B、5R1B、7R1B、9R1B、CK处理分别提高13.69%、19.27%、12.41%、17.50%、13.18%、5.46%。从第三茬开始，各处理叶绿素含量均显著高于CK。除第二茬外，3R1B与7R1B处理差异不显著、5R1B与9R1B处理差异不显著。不同茬次韭菜叶绿素含量表现为5R1B或CK最低，表明韭菜叶绿素含量变化与红蓝光比例无关，且5R1B处理对提高韭菜叶绿素含量作用不显著。

可溶性蛋白是韭菜重要营养成分，由图3可知，不同茬次各处理韭菜可溶性蛋白含量呈先降后升趋势；表现为7R1B处理最高，CK处理最低，且各处理均显著高于对照，说明不同红蓝光比例对韭菜可溶性蛋白含量影响显著。不同茬次韭菜可溶性蛋白含量随红蓝光比例增加呈先升后降趋势，均在7R1B处理达到峰值。第二茬和第三茬时，各处理可溶性蛋白下降，韭菜营养物质积累变少。韭菜整个生长周期内，5R1B与7R1B处理差异不显著。

图2 韭菜各茬生长情况Fig.2 Physical drawing of growth situation of Chinese chive

图3 不同LED光质对韭菜叶绿素和可溶性蛋白含量影响Fig.3 Effect of different LED light quality on Chlorophyll and soluble protein content of Chinese chive

维生素C是一种抗氧化剂，也是韭菜重要营养成分之一。由图4可知，不同茬次韭菜VC含量呈下降趋势，且各茬次内VC含量随红蓝光比例增加而降低。在韭菜整个生长周期内，3R1B和4R1B处理VC含量均显著高于CK；7R1B与9R1B处理间差异不显著。除第二茬外，4R1B与5R1B处理间差异不显著；除第四茬外，9R1B与CK处理间差异不显著。与CK相比，3R1B在各茬次VC含量分别提高27.78%、18.22%、19.90%、7.30%，表明低比例红蓝光可显著提高韭菜VC含量。

由图4可知，不同茬次韭菜粗纤维含量呈先降后升趋势，随红蓝光比例增加而升高，表现为9R1B最高，CK或4R1B最低。所有茬次内，3R1B与4R1B处理间差异均不显著。第一茬和第三茬各处理韭菜粗纤维含量均为9R1B＞7R1B＞5R1B＞4R1B＞3R1B＞CK。结果表明，高比例红蓝光显著促进纤维素积累，低比例红蓝光培养韭菜其粗纤维含量适当。

由图5可知，不同茬次韭菜可溶性糖含量呈先升后降趋势，韭菜可溶性糖含量随红蓝光比例增加呈先升后降趋势；各处理均显著高于CK，表现为7R1B最高，CK最低，说明不同红蓝光比例显著提高韭菜可溶性糖含量。第三茬时，各处理可溶性糖含量达最大值，由于这一时期韭菜生长速度快，糖分积累减少，因此到第四茬时可溶性糖含量下降。韭菜整个生长周期内，3R1B与4R1B处理、7R1B与9R1B处理差异不显著。不同茬次可溶性糖含量均依次为7R1B＞9R1B＞5R1B＞4R1B＞3R1B＞CK。

图4 不同LED光质对韭菜Vc和粗纤维含量影响Fig.4 Effect of different LED light quality on Vc and crude fibre content of Chinese chive

图5 不同LED光质对韭菜可溶性糖和大蒜素含量影响Fig.5 Effect of different LED light quality on soluble sugar and garlicin content of Chinese chive

不同茬次大蒜素含量见图5，含量呈“升-降-升”趋势，韭菜大蒜素含量随红蓝光比例增加呈下降趋势；各茬次表现3R1B最高，CK或9R1B最低，表明低比例红蓝光可促进大蒜素含量增加，而7R1B和9R1B处理对提高韭菜大蒜素作用不显著。各处理大蒜素含量均在第二茬时达最大值，分别为0.209%、0.207%、0.200%、0.196%、0.192%、0.201%。3R1B与4R1B处理、5R1B与7R1B处理在韭菜整个生长周期内差异均不显著。与CK相比，3R1B在各茬次大蒜素含量分别提高5.35%、3.98%、7.87%、4.62%。

2.3 不同LED光质对韭菜产量影响

不同LED光质对韭菜产量影响如表5所示，不同茬次各处理韭菜产量不断上升，各茬次内韭菜产量随红蓝光比例增加呈先升后降趋势，7R1B处达到峰值，除3R1B外各处理产量均在第四茬时达到最大值。第一茬、第二茬、第三茬、第四茬和总产量各处理间差异显著，表现为7R1B最高，CK最低，表明不同比例红蓝光对提高韭菜产量有显著影响。总产量方面，4R1B与5R1B处理间差异不显著，各处理总产量依次为7R1B＞9R1B＞5R1B＞4R1B＞3R1B＞CK，与CK相比，各处理总产量分别提高14.34%、39.96%、42.42%、64.96%、50.20%，因此，红蓝光比例为7∶1时，对提高韭菜产量效果最显著。

表5 不同LED光质对韭菜产量影响Table 5 Effect of different LED light quality on yield of Chinese chive (Kg·plot-1)

2.4 主成分分析

试验数据变量可增加分析复杂性，但常忽略数据间内在关系。为解决此问题，采用主成分分析方法，通过分析和处理大量数据，将多指标简化为少量综合指标，反映原变量信息，得到该研究结果全面综合评价[13]。

主成分分析步骤为：

①构造样本矩阵，对样本阵元如下标准化变换：

得标准化矩阵Z；

③解样本相关矩阵R特征方程 ||R-λIp=0，得p

⑤对m个主成分加权求和，获得最终评价值，权数为每个主成分方差贡献率。

根据前文结果，对各茬韭菜11项生长和营养品质指标主成分分析，分析结果如表6所示。本试验选取特征值λ＞1确定最优主成分数。由表6可知，前2个主成分PC1、PC2对解释变量贡献最大，各茬累积方差贡献率分别达到84.334%、83.090%、82.289%、83.673%。

主成分载荷矩阵旋转之后载荷系数在接近1或者接近0时，各项主成分可更系统解释变量[14]。由表7可知，各茬韭菜第一主成分PC1综合韭菜株高、茎粗、叶宽、产量、地上部干鲜重、叶绿素含量、粗纤维含量、可溶性糖含量，共8项指标；第二主成分PC2综合韭菜可溶性蛋白含量、VC含量、大蒜素含量，共3项指标。

由图6可知，不同光质下培养各茬韭菜在PC1和PC2区间变现情况。所有茬次内7R1B和9R1B处理均落在第四区间，表明这三种光质下培养韭菜在可溶性蛋白含量、VC含量、大蒜素含量方面表现不佳，其他指标表现较好；3R1B处理均落在第二区间，与7R1B和9R1B处理情况相反；5R1B处理均落在原点附近，说明该处理培养韭菜品质和营养均处于中等水平。

第一茬时，4R1B处理落在PC1和PC2正区间，说明该光质下培养韭菜各项指标均较好。第二茬时，4R1B与3R1B处理均落在PC2正区间，但3R1B落在PC1负区间，表明其株高、茎粗等PC1指标有待提高。第三茬和第四茬时，4R1B处理均落在PC1和PC2正区间，相比于第三茬，4R1B处理在第四茬时韭菜可溶性蛋白含量、VC含量、大蒜素含量3项指标显著提高。

2.5 不同LED光质对韭菜产量影响

根据综合主成分函数模型[15]：

其中，b为贡献率；m为主成分个数；Z为主分量，计算出综合主成分分值排序，综合评分不同LED光质下各茬次韭菜。

由图7可知，不同茬次7R1B处理韭菜综合得分最高，分别为1.563、2.313、1.280、2.038，显著高于其他处理，说明7R1B处理在韭菜整个生长周期内均综合表现最佳；CK综合得分均最低，分别为-3.875、-3.396、-3.556、-3.292。各处理在所有茬次综合总得分依次为7R1B＞9R1B＞4R1B＞5R1B＞3R1B＞CK。

表6 主成分分析解释总变量Table 6 Total variance explained of PCA

表7 主成分分析旋转后成分载荷矩阵Table 7 Rotated component m atrix of PCA

图6 各茬韭菜主成分分析PC1、PC2得分Fig.6 PCA scores for each generation of Chinese chives on PC1 and PC2

图7 韭菜生长周期内各处理综合得分图Fig.7 Comprehensive score map of each processing period in Chinese chives growth cycle

3 讨论与结论

本试验结果表明，不同LED光质对韭菜株高和粗纤维含量影响随比值增加而增加，红光使吲哚乙酸（IAA）氧化酶活性降低，提高IAA水平，促进植物生长，蓝光反之，4这与前人不同作物研究结论一致[2,14-16]。本试验9R1B处理韭菜粗纤维含量显著高于其他处理，而3R1B和4R1B处理韭菜纤维素含量适中，与张立伟等研究一致[17]。说明不同比例红蓝光通过纤维素酶活性调节改变韭菜纤维素含量。

不同LED光质对韭菜茎粗、叶宽、叶绿素含量、可溶性糖含量、产量影响相同，随比值增加呈先升后降趋势，均在7R1B处理处达到峰值，说明R/B=7∶1处波长对韭菜以上指标调节具有相似性。不同茬次各处理韭菜茎粗、叶宽呈增长趋势，均在第四茬时达到最大值。

植物体内叶绿素与光合作用关系密切，含量与韭菜植株生长情况有关。本试验各处理叶绿素含量均显著高于CK，说明不同光质对韭菜叶绿素含量影响显著，与储钟稀等研究结果相似[18]，但与车生泉和杨晓建等结论不同[19-20]，因韭菜光合器官中两种光系统（PSⅡ与PSⅠ）活性比值可变，不同红蓝光处理均可调节两种光系统发育。

本试验结果表明，高比例红蓝光极显著提高韭菜可溶性糖含量，低比例红蓝光则相反。与蒲高斌等研究结果一致[14,21]，由于蓝光破坏韭菜叶绿体光合片层结构，光合效率降低。另外，不同红蓝光比例使光敏色素对蔗糖代谢酶调控产生变化，影响蔗糖代谢相关酶活性[22]。不同茬次韭菜可溶性糖含量呈先升后降趋势，原因是前三茬韭菜植株不断生长，第四茬时可溶性糖分积累减少。

韭菜产量与其生长规律变化呈正相关性，不同处理对各茬次韭菜产量影响差异显著，表明LED红蓝光比例对韭菜产量影响显著。不同茬次韭菜产量增长，7R1B处理产量均最高，可使产量最大化。

不同LED光质对韭菜VC含量和大蒜素含量随比值增加而呈下降趋势。本试验研究结果表明，低比例红蓝光可显著提高韭菜VC含量，由于蓝光提高半乳糖酸内酯脱氢酶（GLDH）活性，提高VC合成酶活性，红光则反之。这与蒲高斌等[21]、杨晓建等[23]番茄和青蒜苗研究结果一致。

不同LED光质处理下，地上部干鲜重差异明显，其中以R/B=7∶1处理最佳，不同茬次地上部干鲜重呈“升-降-升”趋势，说明第二茬和第四茬时韭菜光合效率升高，有利于营养物质积累。

光质对植物蛋白质代谢有调节作用[24]。本研究结果表明，不同红蓝光处理均显著促进韭菜可溶性蛋白积累，与张立伟等研究结果相似[17]，原因是蓝光可促进亲和性较高丙酮酸激酶合成，更利于蛋白质代谢。

本文选择红蓝比为7∶1的组合光可提高韭菜植株生长和营养品质。后续应添加更多红蓝光比例光质，检测其他营养品质指标，进一步探索红蓝光对韭菜及其他蔬菜的作用规律。

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Effect of LED source on growth and nutritional quality of Chinese chive in different cutting stages/

ZHOU Fujun,ZHAI Ying,WEI Yuan,WANG

Yulong
(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

With the development of plant industrialization,which makes the research on artificial light source regularity necessary.In order to ensure the effects of different proportions of red and blue lights on the growth and nutrient quality of Chinese chives,an experiment was conducted by five kinds of LED lights with different red and blue light ratio(R/B=3∶1;4∶1;5∶1;7∶1;9∶1),and the natural light was used as the control.The method of principal component analysis was used to evaluate the effects of different ratios of red light to blue light(R/B)on the growth and nutrient quality of Chinese chive.The results showed that the values,including stem diameter,leaf width,soluble sugar content and yield of Chinese chive were significantly higher than those of other treatments at the treatment using 7∶1 of R/B.While contents of VC and allicin at the treatment of 3∶1 of R/B were significantly higher than those of other treatments.The plant height,stem diameter,leaf width,chlorophyll content and yield of each generation Chinese chive were increasing,while the content of VC was the opposite.The results of principal component analysis showed that the composite score of eachcutting was 1.563,2.313,1.280,and 2.038,respectively,under the condition of R/B=7∶1,which was significantly higher than the same cutting period dealing with other conditions.The sequence of the average score of different treatments was 7R1B＞9R1B＞4R1B＞5R1B＞3R1B＞CK.Therefore,it was an important decision that choosing 7∶1 of R/B to improve the growth and nutritional quality of Chinese chive in northern China.

artificial light;LED;quality characteristic;red blue ratio;growth regularity of leek

S627

A

1005-9369（2017）11-0051-11

时间2017-12-7 12:36:48 [URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20171207.1236.012.html

周福君,翟莹,魏源,等.不同光质对韭菜各茬生长及营养品质的影响[J].东北农业大学学报,2017,48(11):51-62.

Zhou Fujun,Zhai Ying,Wei Yuan,et al.Effect of LED source on growth and nutritional quality of Chinese chive in different cutting stages[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(11):52-62.(in Chinese with English abstract)

2017-08-27

国家自然科学基金项目（51405078）

周福君（1969-），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为农业机械化工程、农业生物环境控制。E-mail:fjzhou@163.com