不同光质和光照度对寒地水稻秧苗素质的影响

萧长亮 王安东 解保胜 王士强 李静 那永光

（黑龙江省农垦科学院水稻研究所，黑龙江 佳木斯154007；第一作者：xiao_changliang@163.com；*通讯作者：nknyg@163.com）

黑龙江省地处高寒地区，气候条件限制了当地水稻生产只能种植一季。水稻收获期在每年9月中下旬至10月初，与次年4月份播种期间大约有6 个月自然状况下的非生长季节。为提高育种效率和品种扩繁速度，水稻育种者在这段时间一般都把种子转移到南方种植以实现加代的目的。然而，南繁需要大量的人力物力支持，极大的增加了水稻育种成本。前人在如何利用人造光源实现室内培育水稻方面进行了很多尝试[1-7]，但关于高寒地区冬季培育水稻方面的研究较少。在高寒地区冬季，作为限制因素之一的温度可以通过室内供暖得以解决，但冬季太阳光谱特征与水稻生长季节差异大，仅仅依靠冬季自然光照很难满足水稻生长的需求。补光是当地冬季培育水稻的必要措施，但传统的荧光灯、高压钠灯、镝灯等光源由于高能耗、光电转化效率低等缺点[8]，导致其应用受到限制。而发光二极管（LED）作为一种新型人工光源，可根据植物的需光特性定量提供特定波长，具有光效高、光质纯、节能、寿命长和波长类型丰富等优点[9-11]，在室内培育水稻上具有较好的应用前景。在黑龙江省研究冬季室内培育水稻秧苗，有利于充分利用当地育种空白期，节约水稻育种成本，提高育种效率。本研究以10 种不同基因型的水稻品种（系）为试验材料，探索独立LED 光源条件下不同光质和光照度对冬季室内水稻秧苗生长的影响，旨在为寒地冬季培育水稻壮秧提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择10 个不同基因型的水稻品种作为试验材料，分别是：绿稻、龙稻18、垦香稻169、垦稻95、垦稻33、垦稻26、垦稻12、黑稻、红稻、糯稻。LED 光源由上海合鸣照明电器有限公司提供。

图1 G1 光谱特征

1.2 试验设计

试验于2019年在黑龙江省农垦科学院水稻研究所实验室内进行。设置两种光质处理，分别计作G1 和G2，其中G1 的主波长λd=695 nm 左右、峰值波长λp=452 nm 左右，G2 的主波长λd=592 nm 左右、峰值波长λp=632 nm 左右，波长特征如图1 和图2。每种光质额定功率都选择14W、28W 和42W 3 个水平，分别记为L1、L2 和L3，以室内靠窗自然光照处理为对照。在培育水稻秧苗过程中，LED 灯光源与秧苗自然株高顶部距离保持30 cm，随秧苗生长持续调整。采用泰仕电子股份有限公司生产的TES 1339 型照度计测定3 种功率LED 灯下30 cm 处的光照度分别为1 700 lx 左右、3 500 lx 左右和5 300 lx 左右。各培育箱内温度与室内温度基本一致。除对照外，光照周期为12 h/d（6∶00 开启，18∶00 结束）。采用方形的发芽盒育苗，规格15 cm×15 cm，每个发芽盒中间对称隔开后播2 个品种，每个品种播100 粒。2月4日播种，待水稻出苗后移入自制的光照箱中培养。光照培养箱采用货架改装，三面用遮光物包裹，一面用遮光物做门帘，顶部不遮挡。苗期肥料采用黑龙江省农垦科学院水稻研究所研制的液施壮秧剂。基肥用量72 g/m2，在播种时对水配成24 g/L 左右浓度均匀浇在底土上；追肥用量66 g/m2，在秧苗2.5 叶期对水配成22 g/L 左右浓度均匀追施。

表1 光处理对水稻秧苗叶龄的影响 （叶）

表2 光处理对水稻秧苗株高的影响 （cm）

图2 G2 光谱特征

1.3 调查项目及方法

播种30 d 后（3月5日）分析各处理的秧苗素质，每个秧盘取5 株长势一致有代表性的秧苗，调查叶龄、株高、茎基宽、根长、根数、地上部干质量和根干质量，再随机取5 组秧苗，每组5 株，分离地上部分和地下部分，置于105℃鼓风干燥箱中杀青15 min，于80℃烘干至恒质量，用于测定地上部干质量和根干质量。壮苗指数＝[茎基宽（cm）/株高（cm）+根干质量（mg）/地上部干质量（mg）]×全株干质量（mg）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理，用SPSS 21.0 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同光处理对秧苗叶龄的影响

由表1 可知，在两种光质灯光照射下，多数品种水稻秧苗叶龄进程都表现为随光照度增加而加快趋势。从分析均值可以看出，同一光质条件下随光照度增加水稻秧苗出叶速度越快的趋势明显；光照度相同条件下水稻秧苗叶龄相似；自然光照处理相对于不同光质和光照度处理的出叶速度略快。与自然光照条件下秧苗比较，G1 处理在L1、L2 和L3 水平下水稻秧苗叶龄分别少0.6、0.5 和0.3 叶；G2 处理在L1、L2 和L3 水平下秧苗叶龄分别少0.6、0.4 和0.3 叶。

2.2 不同光处理对秧苗株高的影响

由表2 可知，在两种光质灯光照射下，各品种秧苗株高随光照度变化的趋势不明显。从分析均值可以看出，与自然光照条件下秧苗相比，G1 处理在L1、L2 和L3 水平下秧苗株高增减幅度分别为-0.7%、-8.2%和2.1%；G2 处理在L1、L2 和L3 水平下秧苗株高减少幅度分别为7.5%、2.7%和6.2%。

表3 光处理对水稻秧苗茎基宽的影响 （cm）

表4 光处理对水稻秧苗根系性状的影响

2.3 不同光处理对秧苗茎基宽的影响

由表3 可知，在两种光质灯光照射下，多数品种秧苗茎基宽都表现为随光照度增加而增加的趋势。从分析均值可以看出，同一光质处理随光照度增加秧苗茎基宽显著增加；同一光照度水平下不同光质之间秧苗茎基宽相似；自然光照条件下秧苗茎基宽均大于两种光质处理的L1 水平，小于L3 水平，与L2 水平相当。与自然光照条件下秧苗相比，G1 处理在L1 水平下秧苗茎基宽减少15.0%左右，在L3 水平下增加8.3%左右；G2 处理在L1 水平下秧苗茎基宽减少13.5%左右，在L3 水平下增加9.0%左右。

2.4 不同光处理对秧苗根系性状的影响

由表4 可知，在两种光质灯光照射下，各品种秧苗根长随光照度变化趋势不明显。从分析均值可以看出，G1 处理水稻秧苗根长不同光照度间差异不显著，G2处理秧苗根长有随光照度增加而增加的趋势，但不同光照度间差异也未达显著水平；自然光照条件下水稻根长与G1 和G2 处理各光照度水平间差异不显著。与自然光照条件下秧苗比较，G1 处理在L1、L2 和L3 水平下秧苗根长增减幅度分别为9.8%、-3.9%和-2.0%；G2 处理在L1、L2 和L3 水平下水稻根长增减幅度分别为-7.8%、3.9%和5.9%。

在两种光质灯光照射下，各品种秧苗根数随光照度变化趋势不明显。从分析均值可以看出，G1 和G2 处理水稻秧苗根数均表现为随光照度增加而增加的趋势；G1 处理下不同光照度水平间差异不显著，G2 处理L1 水平水稻秧苗根数显著少于L2 和L3 水平，而L2和L3 水平间差异未达显著水平；自然光照条件下秧苗根数与G1 处理L3 水平、G2 处理L2 和L3 水平间差异不显著，但都显著多于两种光质下的L1 水平。与自然光照条件下秧苗比较，G1 处理L1、L2 和L3 水平水稻秧苗根数分别减少14.6%、12.2%和7.3%；G2 处理L1、L2 和L3 水平水稻秧苗根数增减幅度分别为-14.6%、2.4%和7.3%。

2.5 不同光处理对秧苗干质量的影响

由表5 可知，在两种光质灯光照射下，多数品种秧苗地上部干质量都表现为随光照度增加而增加趋势。从分析均值可以看出，两种光质处理下水稻秧苗地上部干质量表现为L3＞L2＞L1，其中G1 处理L3 水平秧苗地上部干质量显著大于L1 和L2 水平，而L1 和L2 水平间差异不显著；G2 处理秧苗地上部干质量不同光照度水平间差异显著；自然光照条件下秧苗地上部干质量均显著低于两种光质处理下的L3 水平，与L1 和L2水平间差异不显著，但有高于L1 水平的趋势。与自然光照条件下秧苗相比，G1 处理在L1、L2 和L3 水平下秧苗地上部干质量增减幅度分别为-7.5%、-3.3%和25.6%；G2 处理在L1、L2 和L3 水平下秧苗地上部干质量增减幅度分别为-12.9%、6.4%和19.0%。

表5 光处理对水稻秧苗干质量的影响

表6 光处理对水稻秧苗壮苗指数的影响

在两种光质灯光照射下，多数品种秧苗根干质量都表现为随光照度增加而增加的趋势。从分析均值可以看出，两种光质处理下水稻秧苗根干质量均表现为L3＞L2＞L1，其中G1 处理下不同光照度水平间差异显著，G2 处理L3 水平水稻秧苗根干质量比L1 和L2 水平增加显著，而L1 和L2 水平间差异未达显著水平；自然光照条件下秧苗根干质量在两种光质处理下均表现为大于L1 水平，小于L2 和L3 水平的趋势，而且与L3水平间的差异达显著水平。与自然光照条件下秧苗相比，G1 处理在L1、L2 和L3 水平下水稻秧苗根干质量增减幅度分别为-11.4%、7.6%和32.8%；G2 处理在L1、L2 和L3 水平下水稻秧苗根干质量增减幅度分别为-9.2%、1.4%和36.0%。

2.6 不同光处理对秧苗壮苗指数的影响

由表6 可知，在两种光质照射条件下，多数品种水稻秧苗壮苗指数都表现为随光照度增加而提高的趋势。从分析均值可以看出，两种光质处理下水稻秧苗壮苗指数都表现为L3＞L2＞L1，其中G1 处理各光照度水平间差异显著，G2 处理L3 水平秧苗壮苗指数显著高于L1 和L2 水平，且L1 和L2 水平间差异不显著；自然光照条件下秧苗壮苗指数有高于两种光质条件下L1水平但低于L2 和L3 水平的趋势，而且与L3 水平间差异达到显著水平。与自然光照条件下秧苗相比，G1 处理在L1、L2 和L3 水平下水稻秧苗壮苗指数增减幅度分别为-13.9%、10.1%和33.6%；G2 处理在L1、L2 和L3 水平下水稻秧苗壮苗指数增减幅度分别为-10.5%、2.1%和41.8%。

3 结论与讨论

水稻是喜光作物，只有在充足的阳光下才能健壮生长，不同的光照度与光质决定着水稻生长的快慢、生育期的长短、开花结实的好坏以及产量的高低[12]。从黑龙江省每年水稻育苗的实践来看，4月份适宜的气温和良好的光照条件有利于培育壮苗，而持续过高或过低的气温以及弱光则是造成水稻秧苗素质差的重要原因。由此可见，在寒地冬季室内培育水稻秧苗，只有在良好的光照和温度条件下才能实现培育壮苗的目标。冬季室内增温问题较易解决，因此，光成为影响室内培育水稻秧苗的主要限制因素。适当补充光照有利于作物生长前期早生快发[13]。但由于目前利用LED 光源在室内培育水稻技术方面还处于初级阶段，包括光质和光照度的选择还不甚清晰，想要通过人造光源创造出类似水稻生长季节那样良好的光照条件难度较大。MACHLIS 等[14]研究发现，对植物生长具有影响的光波波段是350～720 nm 的可见光部分，而起主要影响的波段是在400～520 nm 的蓝光区部分和610～720 nm 的红光区部分。郭银生等[7]研究了不同单质光和红蓝混合光对水稻幼苗的影响，认为红蓝混合光处理优于单质光处理。光照度也是主要影响因素之一，不同的作物所需的光照度差异很大[15]，但光照度越高不代表水稻幼苗素质越好[16]。本试验利用红蓝光峰度不同的两种组合光质，在基本没有其他光源干扰的前提下单独对水稻秧苗进行处理，研究结果表明，两种光质对水稻秧苗的影响差异不大，水稻在各光照度水平下均能完成苗期生育进程，可能说明水稻苗期对光的要求相对较低；不同水稻品种对光处理的反应有所差异，但在两种光质灯光照射下，大部分品种都表现为提高光照度后水稻秧苗叶龄进程加快、茎基宽增加、根系状况改善、壮苗指数提高的趋势。与自然光对照相比，光照度1 700 lx左右时秧苗素质较差，光照度3 500 lx 左右时秧苗素质相近，光照度5 300 lx 左右时秧苗素质显著提高。在高寒地区冬季室内培育水稻秧苗时选择与试验类似的光源有利于完成水稻苗期生长阶段。