光质对西瓜幼苗生长及光合特性的影响

陈艺群 王婷婷 马 健 杨玉凯 占 卓李 阳

（福建省中科生物股份有限公司光生物产业研究院，福建厦门 361008）

中国是世界上最大的西瓜产地，据农业部（2018）统计，2016年全国西瓜播种面积达189万hm2，所需的种苗数量巨大。随着设施农业的不断发展，目前所需的西瓜种苗主要通过温室进行育苗，但温室外围覆盖材料及内部结构会遮挡部分自然光，导致冬春季节温室内光照不足，幼苗易表现出徒长、植株长势较弱等问题，从而对后期栽培生长及产量造成影响。在生产上，常采用补光措施来弥补温室光照不足，但仍存在生产效率低，且易受外界环境影响等问题。

光是植物生长发育过程中最重要的因子之一，充足的光照条件能保证植物的正常生长。随着全人工光植物工厂的迅速发展，多层式立体栽培与LED相结合的模式，为多层工厂化育苗提供了基础，可逐步替代温室育苗。多层工厂化高效育苗的关键是人工光环境的设计，针对黄瓜（崔瑾 等，2009；Hogewoning et al.，2010；李雅旻 等，2016）、甜瓜（曹明 等，2017；崔晓辉 等，2017）、茄子（王

芳 等，2015；尹娟，2017）、辣椒（Jang et al.，2013）等蔬菜的光质育苗研究报道已有不少，李小娥等（2015）和善盈盈等（2017）研究了不同光质对西瓜幼苗生长状况的影响，但仅局限于传统耗能高的荧光灯或者不同的LED红蓝光配比，没有添加其他光质。而已有研究表明，在红蓝光基础上添加绿光、黄光、紫光等有利于植株叶片伸展（刘晓英 等，2010）。本试验以西瓜品种青峰为试验材料，在单色光影响西瓜种苗生产的研究基础上，利用不同光质组合，探究在植物工厂条件下6种光质处理对西瓜幼苗生长及光合特性的影响，筛选出适宜西瓜的育苗光质，以期提高育苗质量、缩短育苗周期，为植物工厂人工光培育西瓜幼苗提供光环境调控参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及播种育苗

以西瓜（Citrullus lanatus L.）品种青峰为试验材料，种子由农友种苗（中国）有限公司提供。试验于2017年9～10月在福建省中科生物股份有限公司光生物产业研究院植物工厂中试实验室人工气候箱进行。将种子置于55～60 ℃温水中浸泡20 min，转移到30 ℃清水中浸泡8 h后，用湿纱布包裹并置于30 ℃的恒温箱中催芽，保持纱布湿润，直到种子露白。将露白的种子播入含有基质（草炭∶蛭石=2∶1，体积比）的32孔育苗穴盘中，每穴1粒，播种后覆盖1.5 cm厚的育苗基质。子叶展开前仅浇灌去离子水，待子叶完全展开后，每隔48 h往育苗底盘添加等量的1/2 Hoagland营养液。

1.2 光环境处理

播种后，将吸足水分的穴盘移到人工气候箱进行培养，以荧光灯为对照（CK），设置6种LED光 质 处 理（5R/5B、5R/4B/1Y、4R/5B/1Y、5R/3B/2G、3R/5B/2G和4R/5B/1P），每个处理1个穴盘，3次重复，不同处理间用遮光布隔开，各处理的光子数分布见表1。LED光源由福建省中科生物股份有限公司自主研发，红光（R）的峰值波长为660 nm，蓝光（B）的峰值波长为450 nm，绿光（G）的峰值波长为526 nm，黄光（Y）的峰值波长为590 nm，紫光（P）的峰值波长为410 nm。LED光源和荧光灯距植株顶端分别为30、40 cm，各处理下植株顶端光照强度均为300 μmol·m-2·s-1，光照时间为12 h·d-1，人工气候箱昼夜温度为28℃/20 ℃（昼/夜），空气湿度为65%，CO2浓度为400 μmol·mol-1。处理22 d后，西瓜幼苗四叶一心至五叶一心时，进行相关形态指标和光合特性指标的测定。

表1 不同光质处理的光子数分布 μmol·m-2·s-1

1.3 测定项目与测定方法

1.3.1 形态指标的测定 各处理随机选取9株，先用去离子水清洗掉幼苗根系部分的育苗基质，再用滤纸擦干植株上的水分，进行株高、茎粗、地上部鲜质量和根系鲜质量的测定。测定结束后，将幼苗地上部和地下部分别放到烘箱中烘干，105 ℃杀青10 min，再用80 ℃烘干至恒重，称取干质量，并计算根冠比和壮苗指数。

1.3.2 光合参数的测定 处理22 d后9：00～11：00进行光合参数的测定，每个处理选取9株，从上往下选取第3片真叶，使用光合仪（LI-6800，美国LI-COR公司）进行光合参数的测定，主要包含光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞 间CO2浓 度（Ci）。测 定 光 强 为300 μmol·m-2·s-1，叶温为26 ℃，CO2浓度为400 μmol·mol-1，相对湿度为75%。

1.3.3 叶绿素荧光参数的测定 叶绿素荧光的测定参照Genty等（1989）、Vankooten和Snel（1990）的方法，室温下利用PAM 2500便携式荧光测定仪（Heinz-Walz）测定暗适应的完整叶片的叶绿素荧光。每个处理选取9株，从上往下选取第3片真叶进行测定。打开饱和脉冲光测量最小荧光（F0）和最大荧光（Fm），20 s后打开光化光，并且每隔20 s重复打开饱和脉冲光，测定光照下最大荧光（Fm′）。

最小荧光（F0）的测定：暗适应的叶片在光强0.15 μmol·m-2·s-1下测定（避免产生可变荧光）。

最大荧光（Fm）的测定：利用4 500 μmol·m-2·s-1（0.8 s）的饱和脉冲光测定暗适应的叶片的最大荧光。

稳态荧光（Ft）的测定：当Fm慢慢回到接近F0后，打开光化光（100 μmol·m-2·s-1），当荧光达到稳定的时候，这时候的荧光就是稳态荧光。间隔不同的时间，利用饱和脉冲光（0.8 s，4 500 μmol·m-2·s-1）获得光适应下的最大荧光（Fm′），然后关闭光化光并同时打开远红光（3 s，7 μmol·m-2·s-1），测得光适应条件下的最小荧光（F0′）。

其中r为系数，具体为0.42；PAR为光合有效辐射。

1.3.4 光合色素含量的测定 待光合参数及荧光参数测定结束后，将叶片取下进行光合色素含量测定。采用混合液提取法（陈福明和陈顺伟，1984），提取溶剂为45%无水乙醇+45%丙酮+10%蒸馏水，使用分光光度计测定叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、叶绿素a/b和类胡萝卜素含量。

1.4 数据统计分析

对试验所得的数据，采用Excel 2003软件进行数据整理并制图，并用DPS软件多重比较Duncan’s新复极差法进行显著性分析，图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同光质对西瓜幼苗形态指标的影响

不同光质处理对西瓜幼苗形态指标存在显著的影响（表2）。与对照相比，LED光质处理下的西瓜幼苗株高均显著低于对照，表明6种光质处理均起到了矮化西瓜幼苗的作用，以5R/5B处理 下 最 低（5.30 cm）。5R/4B/1Y、4R/5B/1Y和5R/3B/2G处理下茎粗均大于对照，但不存在显著性差异，以4R/5B/1Y最大，为3.72 mm。不同光质对于西瓜幼苗的生物量积累也有影响，5R/4B/1Y和5R/3B/2G处理的全株鲜质量与对照差异不显著，除5R/4B/1Y处理外，其他光质处理的全株干质量均显著低于对照。5R/4B/1Y和4R/5B/1P处理下的西瓜幼苗根冠比高于对照，反映了其植株地上部分与地下部分的协调性。壮苗指数是衡量幼苗质量的综合指标，与对照相比，除5R/5B处理外，其他增加黄光、绿光和紫光的光质处理均显著提高了西瓜幼苗的壮苗指数，以5R/4B/1Y处理为最高，反映了复合光质可促进西瓜幼苗矮壮。

2.2 不同光质对西瓜幼苗叶片光合参数的影响

不同光质组合对西瓜幼苗叶片光合参数的影响存在显著差异（表3）。不同光质处理下的净光合速率（Pn）普遍高于对照，复合光质处理的Pn均高于单一的红蓝光组合（5R/5B），以5R/4B/1Y处理 的Pn最 高（12.69 μmol·m-2·s-1），5R/3B/2G处理次之。蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）的变化与Pn较接近，均以5R/4B/1Y和5R/3B/2G处理下较大，且均显著高于对照和5R/5B处理。而胞间CO2浓度（Ci）的变化趋势与其他光合参数不一致，红蓝及复合光质处理均降低了西瓜幼苗叶片的Ci值，以5R/4B/1Y和5R/3B/2G处理较低，分别比对照显著降低了16.62%和17.63%。综上可以看出，红蓝绿和红蓝黄组合光有利于明显提高西瓜幼苗叶片的光合作用能力，以5R/4B/1Y处理的效果最优。

2.3 不同光质对西瓜幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

如表4所示，不同光质处理下西瓜幼苗叶片PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm均表现正常，黑暗30 min后，对照、5R/5B、3R/5B/2G和4R/5B/1P处理的Fv/Fm相对较低，但都在正常的范围内，表明素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量；与对照相比，各处理下的类胡萝卜素含量均有所降低。综上，红蓝绿、红蓝黄组合光可以增加西瓜幼苗叶片叶绿素的积累，以5R/3B/2G和5R/4B/1Y处理最为显著。各处理并没有明显影响PSⅡ的潜在功能。不同光质条件下的实际光化学效率ΦPSⅡ变化不一致，以5R/3B/2G处理下最高，4R/5B/1P处理下最低；在红蓝光基础上添加绿光和黄光的LED光质处理的相对电子传递速率rETR都高于对照，其中以5R/3B/2G和3R/5B/2G处理较大，分别为78.910和76.696；表明在红蓝光基础上增加黄光或绿光，能够有效提升西瓜的ΦPSⅡ和rETR水平，反映了黄光和绿光在光合作用光反应中有促进作用。

表2 不同光质对西瓜幼苗形态指标的影响

表3 不同光质对西瓜幼苗叶片光合参数的影响

2.4 不同光质对西瓜幼苗叶片光合色素含量的影响

由表5可以看出，叶绿素a含量以5R/3B/2G和5R/4B/1Y处理较高，分别比对照显著高出15.48%和14.29%；叶绿素b含量与叶绿素a+b含量的差异变化与叶绿素a一致，均以5R/3B/2G处理下最大，5R/4B/1Y处理次之，表明在红蓝光基础上添加一定比例的黄光和绿光，可以增加叶绿

表4 不同光质对西瓜幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

表5 不同光质对西瓜幼苗叶片光合色素含量的影响

3 结论与讨论

3.1 不同光质对西瓜幼苗生长的影响

不同光质对植物幼苗的株高、茎粗和生物量均有调节作用。崔瑾等（2009）和曹刚等（2013）研究表明，红光可以促进黄瓜、辣椒和番茄茎的伸长、叶面积的扩展，而蓝光则可以使植株矮化。本试验中，6种LED组合光质均含有蓝色光质，蓝光能降低植物叶片细胞壁的可塑性，提高IAA氧化酶活性，降低IAA含量（孙莉莉 等，2014），达到矮化西瓜幼苗的作用，这与前人在茄子（狄清华，2017）、辣椒（韦峰，2015）和番茄（邬奇 等，2013）等作物上的研究结果一致。Kim等（2004）研究表明，红蓝绿组合光质可以提高莴苣的生物量，这与本试验所得出的不同LED组合光质处理均没有提高西瓜幼苗生物量的结果相反，可能是由于对照荧光灯处理下的西瓜幼苗明显徒长，茎和叶片抽长，导致生物量积累较大，而且由于研究的植物种类不同，结果也会存在差异。各组合光质处理均提高了西瓜幼苗的壮苗指数，以5R/4B/1Y处理最佳。

3.2 不同光质对西瓜幼苗光合特性的影响

不同光质对西瓜幼苗叶片光合参数和叶绿素荧光参数的变化存在显著作用。刘庆等（2015）、周成波等（2017）研究表明，与荧光灯相比，组合光质会提高植物的光合能力。400～500 nm的蓝光和600～700 nm的红光是植物进行光合作用最有效的波段。本试验中，6种光质组合均在一定程度上提高了西瓜幼苗的光合作用效率，在红、蓝光基础上添加绿光和黄光，有利于提高西瓜幼苗叶片的光合速率、蒸腾速率、气孔导度、实际光化学效率和电子传递速率，刘晓英等（2010）在樱桃番茄上的研究也得到相似的结果。5R/4B/1Y和5R/3B/2G处理下的西瓜幼苗叶片的光合参数和叶绿素荧光参数的值大多高于对照，光合潜能较大，能够在一定程度上提高西瓜幼苗的光合能力，促进植物生长。

叶绿素含量及组成会直接影响植物叶片的光合效率，在一定程度上可以反映植物生长发育状况。闫萌萌等（2014）、周锦业等（2015）、卢素萍等（2016）研究表明，不同光质对植物叶片叶绿素含量均有显著的影响。本试验中，各组合光质均以红蓝光质为主，红光对植物光合器官的正常发育起调控作用，蓝光则有利于植物光合色素的合成与积累，从而提高西瓜幼苗叶片的叶绿素含量，这与王芳等（2015）在苦瓜和辣椒光质育苗上的研究结果一致。此外，在红、蓝光基础上添加绿光或者黄光有利于促进叶绿素含量的增加，但添加紫光并无明显促进作用，这与刘振威等（2015）的研究结果相似。本试验中，以5R/3B/2G和5R/4B/1Y处理下的叶绿素含量较高，有利于提高叶片光合效率。

相对传统荧光灯而言，白光LED灯各波段光谱比例因需求而异，在传统的农业生产应用中尚未普及，不具代表性；荧光灯灯管表面温度较LED灯可高出2～3 ℃（魏进莉，2017），在本试验中，人工气候箱内温度可自动调节，而且光源与植株间的距离可消除灯管产热导致的试验误差。综合来看，5R/4B/1Y处理下的西瓜幼苗株型较紧凑、矮壮，叶片叶绿素含量、光合参数和叶绿素荧光参数值均较高，表现出最佳的优势，推荐5R/4B/1Y（红光150 μmol·m-2·s-1，蓝光120 μmol·m-2·s-1，黄光30 μmol·m-2·s-1）作为西瓜人工光育苗的较佳光质配比。