光对菜心培育的作用研究

苏志能，洪燕南，杨 婷，陈光彩，陈大华

（1.广东绿爱生物科技股份有限公司，广东 鹤山 529728；2.广明源光科技股份有限公司，广东 鹤山 529728；

3.复旦大学 电光源研究所，上海 200433）

光对植物生长影响极大，植物能感觉到光照的变化并作出相应的形态改变，促使植物吸收CO2，生成碳水化合物，释放O2，能影响植物抽枝长叶、开花结果、衰老死亡等生长变化。因此，现代农业迫切需要研究这一领域，使人造光源的照明补光成为农业技术的新应用。由于LED光源的诸多优点，作为照明补光，契合现代农业可持续发展理念，颇具发展前景。文章探讨的菜心为十字花科1、2年生植物，食用部分含蛋白质13～16 g/kg、脂肪1～3 g/kg、碳水化合物22～42 g/kg、钙410～1 350 mg/kg、维生素C 790 mg/kg等，营养较丰富。菜心属长日照植物，温度过高过低，易导致菜薹品质差。广东菜心在冬季、春季生长温度适宜度比较高,夏季、秋季较低，影响其周年种植的关键问题是夏秋季“热害”[1]。栽培时可将叶绿素荧光参数作为评价菜心耐热性强弱的参考指标[2]。

目前中国针对叶菜补光单因素研究较多，但对整体光环境探究及应用提及尚少，为此试验选择LED光源对菜心进行全人工光照明，以探究LED灯光环境对水培菜心形态生长的影响，希望为农业叶菜栽培光环境选择提供较为实际而全面的参考依据，以便互相学习与交流探讨。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理设置

试验在广东绿爱生物科技股份有限公司植物工厂内完成。供试叶菜品种为矮脚菜心，栽培方式为水培，栽培条件：EC 2.0±0.2 ms/cm，PH 6.0～6.5；环境条件：室温25℃/20℃，相对湿度60%～80%。按试验设计选择健壮、长势均匀、苗龄20 d的菜心定植于水培槽上，整个光环境试验均在本公司自主研发的LED光源下进行。

光质试验共设置5个，分别为红蓝配比不同的5种LED光源（3R/4B、4R/3B、2R/1B、3R/1B、7R/1B），其光谱能量分布曲线SPD如图1所示。

光强试验共设置5个， PPFD分别为200 umol/(m2·s)、160 umol/(m2·s)、140 umol/(m2·s)、100 umol/(m2·s)、70 umol/(m2·s)，光质、光周期相同。光周期试验设置5个，光周期分别为16 h/d、14 h/d、12 h/d、10 h/d、8 h/d，其他光条件相同。

图1 红蓝光谱分布图

1.2 测定项目、方法和数据分析仪器

照明处理21 d，用仪器测量菜心的株高、冠幅、叶长、叶宽、根长、茎粗等常规形态生长指标，用电子天平称测量根系鲜重、可食部分鲜重、单株鲜重等质量指标。 采用EXCEL和DPS 7.05对数据进行统计分析和差异性分析。

2 结果与分析

2.1 光质对菜心形态生长的影响

不同光质的LED灯照明对菜心形态生长的影响如表1及图2所示，在光质比3R/1B、7R/1B照明下的菜心株高明显比3R/4B、4R/3B、2R/1B照明处理的高，2R/1B与3R/4B照明处理的对比也有明显差距。菜心冠幅以4R/3B照明处理的最大，显著大于2R/1B、7R/1B照明处理的。3R/1B、4R/3B照明下的菜心带柄叶明显长于2R/1B、7R/1B照明处理的。去柄叶长则以4R/3B照明处理的显著长于2R/1B、7R/1B照明处理的。不同光质比照明下生长的菜心叶宽、真叶数无明显差异。3R/1B照明下菜心茎粗显著大于3R/4B、2R/1B、7R/1B照明处理的，此外，4R/3B照明处理的也明显大于2R/1B、7R/1B照明处理的。菜心根长以3R/4B照明处理的最长并显著长于其他照明处理的。2R/1B、4R/3B照明下的菜心根系质量明显大于3R/4B、7R/1B照明处理的，而3R/4B照明下菜心根重又显著小于3R/1B照明处理的。菜心可食重、单株重方面，3R/1B照明处理的显著大于3R/4B、2R/1B照明处理的。此外，3R/4B照明处理的菜心单株质量也明显小于4R/3B、7R/1B照明处理的。

综上，不同光质照明下，3R/4B照明处理的菜心根系长，而植株高度、根系重量、可食重、单株重都是最小的。光质比4R/3B照明下生长的菜心冠幅、带柄叶长、去柄叶长值都比较大，功能叶相对面积大。2R/1B照明处理的菜心根系重，去柄叶长，茎干直径值比较小。3R/1B照明处理的菜心茎干直径、可食重、单株重比较大。7R/1B照明处理的菜心长得高，带柄叶短。试验处理对菜心叶片宽度、真叶数无明显差别影响。

2.2 光强对菜心形态生长的影响

不同光强LED灯对菜心的形态生长的影响如表2及图3所示。200 umol/(m2·s)照明处理的菜心明显高于其他，160 umol/(m2·s)照明处理的又显著高于100 umol/(m2·s)、70 umol/(m2·s)照明处理的，140 umol/(m2·s)、100 umol/(m2·s)照明处理的也显著高于70 umol/(m2·s)照明处理的。不同光强照明下菜心的冠幅、带柄叶长、去柄叶长、叶宽、茎粗、可食重、单株重表现出相似的差异性。以200 umol/(m2·s)照明处理的值最大，200 umol/(m2·s)、160 umol/(m2·s)处理的测量值显著大于其他照明处理的。140 umol/(m2·s)、100 umol/(m2·s)照明处理的也显著大于70 umol/(m2·s)照明处理的。菜心功能叶片在13～14片之间，经检验分析显示，70 umol/(m2·s)照明下菜心的叶片数明显少于200 umol/(m2·s)、160 umol/(m2·s)、140 umol/(m2·s)照明处理的。所有处理中菜心根系以160 umol/(m2·s)照明处理的最长，显著长于200 umol/(m2·s)、140 umol/(m2·s)、70 umol/(m2·s)照明处理的。200 umol/(m2·s)照明下菜心根系质量显著大于其他处理，160 umol/(m2·s)与100 umol/(m2·s)照明处理的也大于70 umol/(m2·s)照明处理的，70 umol/(m2·s)照明下的菜心根系为处理中最轻的。

表1 不同光质比下菜心形态生长指标表

图2 不同光质对菜心形态生长的影响

表2 不同光强下菜心形态生长指标表

图3 不同光强对菜心形态生长的影响

综上所述，不同光强照明对菜心的形态生长发育有一定影响，160 umol/(m2·s)照明处理的菜心根系长。200 umol/(m2·s)照明处理的菜心株高、冠幅、带柄叶长、去柄叶长、叶宽、叶数、茎粗、根重、可食重、单株重都比较大。而70 umol/(m2·s)处理的菜心株高、冠幅、带柄叶长、去柄叶长、叶宽、叶数、茎粗、根长、根重、可食重、单株重都比较小。总体趋势是光照越强菜心形态生长速度越快。

2.3 光周期对菜心形态生长的影响

如表3及图4所示，在光周期16 h/d照明下菜心的植株高度、可食重、单株重值最大，与其他处理的对比差异明显，且14 h/d、12 h/d照明处理的显著大于10 h/d、8 h/d照明处理的。菜心冠幅以16 h/d照明处理的显著大于其他照明处理的，同时12 h/d照明处理的显著大于8 h/d照明处理的。菜心带柄与去柄叶长不同照明处理之间的差异性表现相同，16 h/d照明下生长的明显比其他处理的长，8 h/d照明下的明显短于其他处理的。叶宽仍以16 h/d照明处理的显著大于其他处理的，12 h/d照明处理的又显著大于10 h/d、8 h/d照明处理的，10 h/d与8 h/d照明处理的对比也有明显差别，8 h/d照明下的菜心叶片宽度是处理中最小的。16 h/d照明下的菜心有16片真叶，与12 h/d、10 h/d、8 h/d照明处理的对比有明显差别，14 h/d与10 h/d、8 h/d照明处理的对比也有明显差别，12 h/d照明处理的菜心叶数明显多于8 h/d处理的。 8 h/d照明下的菜心茎干直径明显小于其他照明处理的，10 h/d照明处理的又明显小于12 h/d、14 h/d、16 h/d照明处理的，16 h/d照明处理的菜心茎粗明显是处理中最大的，为9.0 mm。14 h/d照明处理的菜心根长与其他照明处理的对比效果差异明显，为处理中最短的。16 h/d照明处理的菜心根系质量显著大于12 h/d、10 h/d、8 h/d照明处理的，14 h/d、12 h/d照明处理的根系鲜重也明显大于10 h/d、8 h/d照明处理的。

表3 不同光周期下菜心形态生长指标表

图4 不同光周期对菜心形态生长的影响

综上，不同光周期照明对菜心形态生长有一定的影响，16 h/d照明处理的菜心株高、冠幅、带柄叶长、去柄叶长、叶宽、叶数、茎粗、根重、可食重、单株重都比较大。14 h/d照明处理的菜心根系比较短。8 h/d照明处理的菜心株高、冠幅、带柄叶长、去柄叶长、叶宽、叶数、茎粗、可食重、单株重都比较小。总体上光照周期越长菜心形态生长速度越快。

3 结论

植物对光的吸收波长集中在380～760 nm的可见光范围内，光质对植物的生长发育、形态建成、光合作用、物质代谢以及基因表达均有调控作用[3]。其中光合调控包括可见光对子午气孔器运动、叶片生长、叶绿体结构、光合色素、D1蛋白及其编码基因和光合碳同化等的调节[4]。红光促进植物细胞伸长，茎杆伸长，蓝光则抑制生长、伸长。高红光比例7R/1B的LED光源照明下的菜心茎节伸长明显，植株也更高。蓝光占优的3R/4B照明下的菜心茎杆短，个子矮。红光促使碳水化合物合成，控制体内干物质的积累，故红光比例少的3R/4B照明下菜心干物质积累少，致使可食重、单株重也比较小。根系虽不直接接受光照，但蓝光下培育的作物幼苗发根数目多，根须粗壮，生物量大，幼苗根系活力、总吸收面积和活跃吸收面积均得到提高[5]，3R/4B照明下菜心根系长，2R/1B照明下根系质量大可能与此有关。红蓝光按一定比例组合，可提高蔬菜光能转化效率和水分利用效率，增加作物体内GA3和IAA含量，降低ABA含量，促进植株的株高、茎粗、叶片的扩展，以及植株的干鲜重积累[6]。也有研究表示，红蓝复合光是高产优质栽培生菜的良好光源[7]。光质比3R/1B LED光源照明下的菜心茎干粗，可食重、单株重表现较其他处理突出，符合适当的红蓝光比例对茎干粗度、干物质积累、产量增加有促进作用的说法。此外，光质比4R/3B照明下菜心冠幅大、叶片长，对扩展叶面积增加光吸收有明显的优势。光强是农业光环境的重要指标之一。自然条件下光照时常变化,植物在进化过程中形成相应的适应机制。植物的调控系统不但能通过调控叶片和叶绿体的运动以及光合色素的积累调节光的吸收，还能通过光系统状态的转换，灵活地调节捕光色素蛋白复合体吸收的能量分配[8]。弱光时，叶片的光合色素含量增加，并增强捕获光强的能力。但若光太弱，植物会表现出适应不良光环境的能力，降低光能的需求，呼吸速率和同化产物消耗下降。光强过光补偿点后，光合效率随光照加强而提高，能量的供应加速了各种酶促反应，活化碳同化酶系统，扩大CO2进入叶片的通道气孔，促使光合机构的高速运转。到光饱和点时，植物光合效率趋向平稳。此时若光照过强，过剩的光能可引发氧化胁迫，对光合色素和光合膜产生巨大的伤害，会发生光抑制[9]。“苏薹1号”菜心净光合效率日变化规律呈单峰型，体现了光强日变化对植物光合变化的影响[10]。多数蔬菜作物的光补偿点为20～75 umol/(m2·s)，光饱和点在850～1 750 umol/(m2·s)范围内[11]。菜心光强在0～2 000 umol/(m2·s)之间，菜心叶片的净光合效率随光照强度的增加而升高，形态生长指标生长速度呈上升趋势[12]。试验中高光强200 umol/(m2·s)照明下的菜心高度、株冠幅度、叶片长宽与数量、茎干直径、根系、可食重、单株重等形态生长指标的生长速度表现突出。低光强70 umol/(m2·s)照明下的菜心生长速度尤为缓慢，整体生长发育速度落后于其他处理。光周期在调节植物生长发育中也起到关键性的作用，采用LED灯进行不同暗期间断处理可提高菜心的茎粗、叶片数和生物量，提高VC、游离氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量,降低硝酸盐含量[13]。采收前对生菜进行连续光照处理，有利于提高叶菜的营养品质[14]。光周期16 h/d照明下的菜心株高、冠幅、叶长、叶宽、叶数、茎粗、根系、可食重、单株重都比较大。菜薹的横径和高度同时增长,菜薹重量随着菜薹发育不断增加，叶面积与菜薹重量的相关系数显著相关，充足的光照有助于提高菜心的生长发育速度[15]。与刘渊川研究的延长光照时间，植株鲜重及叶片可溶性糖含量显著提高，菜心的菜薹粗与叶片数相应增加，且显著增加菜心叶片维生素C含量的结果相接近[16]。光周期8 h/d照明下的菜心各形态指标生长速度基本落后于其他处理的，且植株表现出徒长等不良现象，也说明了光周期过短易影响菜心的正常生长。

从此次光环境试验可知，光配方3R/4B的LED灯照明下菜心主根系长，有助于植株大面积吸收营养物质，满足生长需求，可食用部分重量和单株鲜重小，很大程度影响产出效益。光质比4R/3B照明下菜心冠幅大，功能叶长，叶面接收光照量多，更易提高光合反应，积累代谢物质。2R/1B照明下的菜心茎干纤细，粗壮指数基础一般。3R/1B照明下菜心茎干粗壮，可食部分及单株质量大，利于提高单位面积产量，生产经济效益好。7R/1B照明下的菜心个子高，顶端优势明显。随着光照加强，菜心的形态生长指标、生长速度整体呈增长的趋势，试验以最高光强200 umol/(m2·s)照明处理的比较突出，菜心长得高，叶片展开幅度大，叶片长且宽，功能叶数量多，茎干粗壮，根系质量大根系多，单株及可收获重量大，产量高，生长速度快，周期短。70 umol/(m2·s)照明下的菜心生长速度则相对较慢。适当增加光照强度对菜心的营养生长有较好的促进作用。同样，光照时间影响菜心的生长速度，光周期16 h/d照明下的菜心高，冠幅大，叶片长且宽，真叶数多，茎干粗壮，根系发达，可食重、单株重都比较大。8 h/d照明下的菜心生长速度则相对迟缓。适当延长光照时间有助于促进叶菜生长发育速度，缩短生产周期，提前收割上市，抢先占领市场。不过光强过高或光周期过长对菜心品质外观等或存在一些不良影响，叶菜光环境应用还要充分考虑光电技术、生产效益、电力成本、环控水平等要素。本次试验结果对以后植物照明产品的研发生产，特别是室内栽培光环境的应用都有一定的参考价值与借鉴意义。当然此次试验还有一些尚需完善的内容，在针对菜心光环境生长形态研究的同时，也应着手探讨光条件与菜心生长发育的生理变化的内在联系及逆境下菜心的耐胁迫机制等。