白红与红蓝LED光照环境对两种生菜生长、品质和能量利用效率的影响

闫征南 贺冬仙 钮根花 周清 曲英华

|摘要|植物叶片的光合色素强烈吸收红橙光和蓝紫光，故红蓝LED光源被广泛应用于人工光型植物工厂。然而，长期在自然环境下生长的植物由于进化已形成了利用广谱太阳辐射的生理机制。为了对比红蓝组合LED光质与在白色LED中补充其他LED光质对水培生菜（Lactuca sativa L.）的影响，本试验在白色LED中补充红色LED，或在红蓝LED中分别补充紫外LED、绿色LED、远红外LED的光照条件下培育绿叶生菜‘绿蝶和紫叶生菜‘紫雅20天。结果表明，在红蓝LED中补充远红外LED使绿叶生菜的地上部鲜重和干重分别提高了28%和34%，补充紫外光对两品种生菜的生长和能源利用效率无显著性影响，补充绿光则使绿叶生菜的维生素C含量和紫叶生菜的花青素含量分别降低了44%和30%。与红蓝LED光照条件相比，红蓝LED补充绿色LED的光照条件下培育的紫叶生菜在绿光区域的光谱吸收率降低，这与其更高的花青素含量有关。在白色LED中补充红色LED的光照条件使得紫叶生菜的地上部鲜重和干重均提高了25%，但其维生素C和硝酸盐含量与白色LED光照条件下培育的无显著性差异。与红蓝LED 光照条件相比，白红LED光照条件下培育的两品种生菜的鲜质量、光能和电能利用效率更优或达到同等水平。综上所述，白红LED光质可替代红蓝LED光质用于绿叶和紫叶生菜（‘绿蝶和‘紫雅）的立体水培生产。

引言

叶绿素和类胡萝卜素是高等植物中的两类光合色素，吸收光能进而驱动光合作用[1]。叶绿素a和b是植物细胞中的主要色素，主要吸收光谱中的红橙光（主吸收峰在625～675 nm）和蓝紫光（主吸收峰在425～475 nm）[2]。前人研究发现植物叶片能够吸收超过90%的红光和蓝光以及大约70%的绿光[1，3]，表明大部分红光和蓝光被植物叶片吸收。植物叶片中的叶绿素对光质敏感，且不同种类植物之间存在差异[4]。在单色蓝光下生长的生菜（Lactuca sativa L.）比在单色红光下生长的生菜叶片中的叶绿素含量更高[5-6]，而在番茄植株中的结果却相反[7]。此外，在红蓝组合光下生长的植物叶绿素含量[5]、鲜重[8]和营养品质[8-9]比在单色红光下生长的植物更高。为此，前人研究了适宜生菜[5，10-11]、甜罗勒[12]、小白菜[13]和菠菜[14]的红蓝光组合光质。

在商业化的园艺生产中，LED因其光谱灵活可调、寿命长和能量转换效率高等优势而具有巨大的市场潜力[15]。生菜是世界范围内栽培的主要作物，且常作为模式植物被用于LED光环境研究[16-18]。红色LED和蓝色LED因其与叶绿素吸收光谱相吻合似乎更适合生菜生产[5，19]。然而，长期在自然环境下生长的植物由于进化已形成了利用广谱太阳辐射的生理机制[20-21]。除红光和蓝光外，光谱的其它部分也影响着植物的生长发育和次生代谢产物的积累。绿光可以穿透植物上层叶片，并且可以被叶片背面的叶绿体所吸收[22]。Kim等[23]观察到在红蓝LED中补充24%的绿光增加了绿叶生菜地上部鲜重。在红光中补充10%绿光的光环境下生长的生菜叶片的净光合速率增加，但在红蓝光中加入相同比例的绿光时，生菜叶片的净光合速率则降低[24]。与66%的红光下培育的生菜相比，68%的红光中补充8%的绿光下培育的红叶生菜（cv. Sunmang）的叶面积和地上部鲜重增加，但绿叶生菜（cv. Grand Rapid TBR）无显著性变化[25]。远红光通过增加植物叶面积而非光合反应来促进植物生长[26-27]。在红蓝LED中补充远红光，红橡叶生菜（cv. Cherokee）种苗的地上部和地下部鲜重显著增加，而在绿叶生菜（cv. Rex）种苗中无显著性变化[28]。在红色LED中补充远红光，红叶生菜干重变化趋势相似[29]。紫外线（UV）因其波长短、能量高常在可控环境中用来刺激植物化学物质的合成[30-31]。与无紫外线照射的实验区相比，补充紫外线提高了红叶生菜的花青素、黄酮和酚类含量[32]。Lee等[30]也得出了类似的结果。上述研究表明，植物的生长和营养品质可以通过补充其它光质来调节，且不同品种植物对光质有不同的形态和生理响应。

结合生物量的积累和能源利用效率，Park等[33]建议在人工光型植物工厂的生菜生产中使用白色LED替代荧光灯。与荧光灯相比，白红LED更适宜水培生菜的苗期[27]及后期栽培[17]。Chen等[20]研究表明，与白色LED相比，白红LED光源下培育的生菜更为紧凑和健壮，并推测生菜生物量会随着白色LED中补充的红光比例的增加而增加。然而，过量的红光可能对生菜生长和植物化学物质的积累有负面影响。Yan等[34]综合评价水培生菜生长、营养品质和能源利用效率，建议在白色LED中补充适量的红光（24.4%红光）用于紫叶生菜生产。然而，很少有研究比较不同品种生菜在红蓝LED與白红LED光源下的光合色素、吸收光谱特性和能源利用效率。

为了探究人工光型植物工厂中适宜的红蓝LED或白红LED光源，本研究从色素含量、生物量积累、叶片分光光谱特性、营养品质和能源利用效率等方面分析LED光质对水培绿叶和紫叶生菜生长和品质形成的影响，旨在为人工光型植物工厂中不同品种生菜生长所需LED光环境提供理论依据与技术指导。

材料与方法

实验材料和育苗条件

生菜（Lactuca sativa L.）的供试品种为绿叶生菜（cv. 绿蝶）和紫叶生菜（cv. 紫雅）。将海绵块（23 mm×23 mm×23 mm）在水中反复挤压使其充分吸水并置于塑料托盘中（520 mm×360 mm×90 mm）。将生菜种子直接播于完全浸湿的海绵块的圆孔中，将塑料托盘覆膜并置于人工光型植物工厂实验室（中国农业大学，北京，中国）。播种7天后，将生菜种苗假植于128孔的穴盘中再连续培养13天。播种20天后，随机选取长势均匀一致的生菜种苗，将其定植于4 mm厚的栽培床（1200 mm×900 mm×70 mm），每个栽培床定植35株植物。根据之前的研究结果[27]，生菜育苗期间光源为红蓝比（R：B）为2.2的白红LED灯具（WR-16W，北京盛阳谷科技有限公司，中国），光照强度为200 μmol/（m2·s）、

光照周期为16 h/天，明期的温度为22±1℃、相对湿度为65±5%、CO2浓度为800±50 μmol/mol;暗期的温度为18±1℃、相对湿度为75±10%、CO2浓度不控制。水培生菜在定植20天后采收。

生菜生长期间采用山崎生菜营养液配方，该配方由以下成分组成（mg/L）：Ca（NO3）2·4H2O，236;KNO3，404;MgSO4·7H2O，123;NH4H2PO4，57;Fe -DTPA（7%），28.571;MnSO4·H2O，0.615;CuSO4·5H2O，0.039;ZnSO4·7H2O，0.088;H3BO3，

1.127;（NH4）6Mo6O24·4H2O，0.013。将山崎生菜营养液的EC和pH分别调节为1.0～1.2 mS/cm和6.0～6.5。在播种2天后，每天用自来水浇灌生菜种苗1次。在子叶期和1～2片真叶期分别使用1/4倍和1/2倍的山崎生菜营养液。当第2片真叶展开后，采用标准的山崎生菜营养液配方，营养液在生菜种苗定植后每周更换1次。

实验区设置

利用在白色LED（W）中补充红色LED（WR），或在红蓝LED（RB）中分别补充紫外LED（RBUV）、绿色LED（RBG）或远红LED（RBFr）来设计LED光源，即在红蓝比分别为 0.9、2.2、4.6、5.1、5.4和5.6的LED光照环境下进行水培绿叶生菜（cv. 绿蝶）和紫叶生菜（cv. 紫雅）的LED光质影响试验。光照强度为250 μmol/（m2·s），光照周期为16 h/天。上述LED均由北京盛阳谷科技有限公司生产，全部采用交流电供电。LED光源上方安装不锈钢镜面反光板（1200 mm×900 mm×0.4 mm），墙壁由具有通风小孔的铝塑板组成。LED光环境实验区的分光光谱分布使用光纤光谱仪（AvaFiled-2， Avantes Inc.， 荷兰）在灯下15 cm处进行测量。基于分光光谱分布（表1）计算紫外光（UV，300～399 nm）、蓝光（B，400～499 nm）、绿光（G，500～599 nm）、红光（R，600～699 nm）和远红光（Fr，700～800 nm）的光量子通量。

測量指标与方法

◆水培生菜叶片的叶绿素含量与光合特性

每实验区随机选取6株长势均匀的生菜，选取完全展开的第3片叶测量其叶绿素含量和光合特性。将叶片去掉中脉后剪碎，称取样本0.1 g

左右置于15 mL试管中，加入10 mL的80%丙酮浸提48 h，使用分光光度计（UV3150，岛津制作所，日本）测定提取物在波长663 nm和645 nm处的吸光度。叶绿素a和b含量根据Arnon[35]计算，并计算叶绿素总量。生菜叶片净光合速率采用便携式光合仪（LI-6400XT，LI-COR公司，美国）进行测定。叶室内光源的光照强度设置为250 μmol/（m2·s）、叶温为22℃、参比气CO2浓度为800 μmol/mol。

◆水培生菜叶片的分光光谱特性

每实验区随机选取5株长势一致的生菜，选取完全展开的成熟叶片测量其主叶脉一侧的中间位置。生菜叶片的透过率和反射率在采收时使用分光光度计（UV-3150，岛津制作所，日本）进行测量。分光光度计的扫描波长为300～800 nm。依次测量叶片的透过率和反射率并计算其吸收率。

◆水培生菜的生长特性

每实验区随机选取6株长势一致的生菜，分别测量其地上部和地下部鲜重，随后将鲜样置于105℃的烘箱中进行杀青处理，3 h后将烘箱温度调至80℃后，烘干至恒重。待样本冷却至室温后用万分之一天平（FA1204B，BioonGroup，上海）分别称量其地上部干重和地下部干重。

◆水培生菜的营养品质

在每个处理中随机选取6株长势均匀的生菜作为待测样本。将叶片样品剪碎，混合均匀后分别采用2，6-二氯酚靛酚滴定法[36]、水杨酸-浓硫酸比色法[37]和分光光度法[38]检测水培生菜叶片中的维生素C、硝酸盐和花青素含量。用上述分光光度计在410 nm波长下测定硝酸盐含量，用530 nm和600 nm波长下提取液的吸光度计算花青素含量。

◆光能和电能利用效率

根据Kozai和Niu[39]计算光能利用效率（LUE）和电能利用效率（EUE），定义为：LUE = f×D/PAR，EUE = h×LUE。式中f为单位干物质植物具有的化学能（约20 MJ/kg），D为单位栽培面积的植物干物重增加量[kg/（m2·h）]，PAR为栽培周期光合有效辐射积算值[MJ/（m2·h）]，h为电能到光合有效辐射能量的转化系数。白色LED、白红LED、红蓝LED、红蓝紫外LED、红蓝绿LED和红蓝远红LED的h值分别为0.455、0.368、0.343、0.332、0.333和0.337。人工光源的耗电量使用微型电力检测仪（TP9004，深圳市北电仪表有限公司，中国）进行测量。百克鲜重耗电量和每克干重耗电量根据Zhang等[17]计算。

数据分析

统计处理和图表绘制分别使用SPSS 18.0 （IBM， Inc.， Chicago， IL， USA）和Microsoft Excel 2010软件完成。数据的方差分析是基于LSD（Least-Significant Difference）法进行的多重比较（P< 0.05）。实验结果的表达方式为均值±标准偏差。

结果与讨论

LED光质对水培生菜叶片的叶绿素含量、光合特性和分光光谱特性的影响

在红蓝LED中补充紫外、绿光或远红光对2个品种生菜的叶绿素含量无显著性影响（表2）。绿叶生菜叶片的净光合速率的变化趋势与之相似。然而，与红蓝LED光照条件下培育的生菜相比，补充4.4%绿光降低了紫叶生菜的净光合速率，这是由于绿光未被上部叶片有效吸收（图2）。Kang等[24]观察到，在红蓝LED中补充10%的绿光降低了绿叶生菜叶片的净光合速率。然而，在红蓝LED和白红LED中分别补充5%和24%的绿光时，绿叶生菜的叶绿素含量和净光合速率无显著性变化[23，40]。同时，与红蓝LED光照条件下培育的生菜相比，在红蓝LED中补充绿光降低了紫叶生菜叶片的净光合速率，而紫叶生菜叶片的叶绿素含量在两种处理之间无显著性差异。这可能是由类胡萝卜素含量的差异造成的，因为类胡萝卜素作为叶绿素的辅助光感受器，主要吸收光谱的蓝光区域[2]。两个品种生菜在红蓝LED和白红LED实验区的叶绿素含量和净光合速率没有显著差异，这与Mickens等[41]研究结果一致。

生菜叶片的吸收光谱主要在红橙光（600～699 nm）和蓝紫光（400～499 nm）区域，吸收峰在680 nm左右，2个品种生菜叶片的吸收率在680 nm以上急剧下降（图2）。不同LED光照条件下水培生菜叶片的吸收光谱在蓝紫光和红橙光区域相似，而紫叶生菜叶片的吸收光谱在绿光（500～599 nm）区域差异显著。生菜叶片在绿光区域的光谱吸收率较低，这是由于该区域具有较高的透过率和反射率。紫叶生菜叶片在绿光区域的吸收率分别在红蓝LED和红蓝绿LED光照条件下最高和最低，这种差异是由于红蓝LED光照条件下培育的紫叶生菜比红蓝绿LED光照条件下培育的紫叶生菜含有更多的花青素含量（图3）。前人也发现了类似的趋势[42-43]，表明绿光区域吸收光谱的差异是由花青素含量引起的。在红蓝LED中补充4.4%的绿光增加了紫叶生菜叶片的反射率，绿光区域的反射率明显高于红光和蓝光区域，说明较大比例的可见光透过上部叶片，这一结果与Son和Oh[25]的研究结果一致，他们观测到在含有绿光的LED光照条件下培育的生菜在绿光区域的透过率高于红光和蓝光区域。

LED光质对水培生菜生长的影响

与红蓝LED实验区相比，在红蓝LED中补充紫外光、绿光或远红光对紫叶生菜地上部鲜重无显著性影响。然而，在红蓝LED中补充4.4%绿光和7.4%远红光时，绿叶生菜的地上部鲜重分别增加了22.9%和27.5%（表3）。上述結果表明不同品种生菜对LED光质响应不同。Meng和Runkle[28]发现在红蓝LED中补充远红光可提高红橡叶生菜种苗（cv. Cherokee）的地上部和地下部鲜重，而绿叶生菜（cv. Rex）种苗没有显著性变化。在白色荧光灯中补充远红光提高了红叶生菜（cv. Red Cross）的地上部鲜重28.2%[16]，这可能是由于补充远红光导致具有较低R：Fr的光照环境，R：Fr对植物起信号作用，并导致植物产生避荫反应，例如茎节的伸长和叶面积的增加。因此，远红光通过增加生菜叶面积从而增加光能截获面积来促进生物量的积累[26-27]。Lee等[44]发现在R：Fr为1.2的光环境下培育的红叶生菜的地上部和地下部鲜重比在R：Fr为4.1光环境下培育的分别提高1.3和1.6倍。在红蓝LED中补充4.4%的绿光或3.4%的紫外光对两个品种生菜的地上部和地下部干重无显著影响（表3）。同样，Kim等[40]发现在红蓝LED中补充5%绿光时，生菜的叶面积、总叶绿素含量和地上部干重均无显著性变化。在白色LED中补充9%的绿光在生菜播种后28天也未改变生菜叶片叶绿素含量、鲜重和干重[41]，这一结果可能是由于LED中补光的比例或强度太小未导致碳水化合物积累的差异。

较高比例的红光结合蓝光或白光导致生菜[5，34]、辣椒种苗[45]和甜罗勒[12]生物量的增加。与白色LED相比，白红LED提高了紫叶生菜的地上部和地下部鲜重，但对绿叶生菜无显著性影响。前人研究表明，在白色LED中补充14.0%[41]、18.0%[20]和24.4%[34]的红光可提高生菜产量。然而，在白色荧光灯中补充33.4%的红光对红叶生菜鲜重和干重没有显著影响[16]。白色LED和白红LED光照条件下培育的绿叶生菜的地上部鲜重分别比红蓝LED光照条件下培育的绿叶生菜高22.6%和25.9%。然而，红蓝LED和白红LED光照条件下培育的紫色生菜的地上部和紫叶生菜地下部鲜重无显著性差异（表3）。Mickens等[41]发现含有32.0%红光的白色LED或含有46.0%红光的白红LED实验区培育的生菜的鲜重高于含有60.0%红光的红蓝LED实验区。同样，Han等[46]观察到宽光谱或窄光谱白色LED下培育的生菜的叶面积和总鲜重高于红蓝LED实验区培育的生菜。与含有66.7%红光的红蓝LED实验区相比，含有54.6%红光的暖白LED光照条件下培育的绿叶和红叶生菜地上部鲜重更高[47]。以上研究表明，白色LED或白红LED在生菜生物量积累上与红蓝LED相似或更高，可用于不同品种生菜的生产。

LED光质对水培生菜营养品质的影响

在红蓝LED中补充紫外光、绿光或远红光对绿叶和紫叶生菜叶片硝酸盐含量无显著性影响（图3）。在红蓝LED中分别加入8.5 μmol/（m2·s）的紫外光和18.5 μmol/（m2·s）的远红光时，紫叶生菜叶片的花青素含量无显著性差异（图3）。同样，Samuoliene等[48]发现补充光照强度为4 μmol/（m2·s）的紫外光没有引起花青素含量的显著性变化。这些研究结果与Li和Kubota[16]的研究结果略有不同，他们发现在白色LED中补充16.3 μmol/（m2·s）的紫外光和154 μmol/（m2·s）的远红光时，生菜叶片的花青素含量分别增加了11.2%和降低了40.5%，这些差异可能与补光强度、其它光谱组成或品种有关。在红蓝LED光源中补充绿光降低了绿叶生菜44.3%的维生素C含量和紫叶生菜29.5%的花青素含量。前人研究表明，补充1.7%[29]或17.8%[16]的绿光对生菜叶片的花青素含量无显著性影响。2个品种生菜的花青素含量和维生素C含量在白红LED和红蓝LED光照条件下无显著性差异。白色LED和白红LED光照条件下培育的紫叶生菜叶片的硝酸盐、维生素C和花青素含量无显著性差异，这一结果与前人研究结果一致，在白色荧光灯中补充33.4%的红光[16]和白红LED中补充14.1%的红光[17]对生菜叶片花青素和硝酸盐含量无显著性影响。

水培生菜生产的能源利用效率

适宜植物生长的LED光谱组成应最大限度地提高生物量的积累并考虑能源利用效率。在红蓝LED中补充紫外光、绿光或远红光对紫叶生菜的百克鲜重耗电量、每克干重耗电量、LUE和EUE无显著性影响（表4）。然而，在红蓝LED中补充远红光导致绿叶生菜较低的百克鲜重耗电量和每克干重耗电量，以及较高的LUE和EUE。这一结果归因于在红蓝LED中补充远红光提高了生菜产量。紫叶生菜的能源利用效率在红蓝LED和白红LED之间无显著性差异。然而，与红蓝LED实验区相比，白红LED导致绿叶生菜更高的LUE和EUE。白红LED光照条件下生长的紫叶生菜的LUE和EUE分别比白色LED光照条件下生长的紫叶生菜提高45.5%和18.2%，这与Yan等[34]研究结果一致，他们发现在白色LED中补充24.4%的红光，LUE和EUE分别提高了22.7%和7.1%以上。

结论

水培生菜的生长、营养品质和能源利用效率可以通过在红蓝LED或白色LED中补充其它光质进行调整。此外，水培生菜生产中的光环境管理与生菜品种相关。与红蓝LED光照条件相比，白红LED光照条件下培育的两个品种生菜的鲜重、光能和电能利用效率更优或达到同等水平。综上所述，白红LED光质可替代红蓝LED光质用于绿叶和紫叶生菜（cv. 绿蝶和紫雅）的立体水培生产。（文中参考文献请参见英文全文。）

版权说明：该文曾收录在2019年高附加值植物生产的环控技术国际研讨会（2019ECTV）论文集中，英文全文首发在《国际农业与生物工程学报》（IJABE）2020年第2期（文章题目及相关信息附后）。经作者与首发期刊IJABE许可授权，贺冬仙教授团队将论文全文翻译成中文后，以中文形式全文刊发于《农业工程技术》温室园艺专辑，以便中文读者更好阅读理解和参阅。

1.Yan Z N， He D X*， Niu G H， Zhou Q， Qu Y H. Growth， nutritional quality， and energy use efficiency in two lettuce cultivars as influenced by white plus red versus red plus blue LEDs[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering， 13（2）： 33-40.

*项目支持：国家重点研发计划项目“设施种苗生产LED关键技术研究于应用示范”（2017YFB0403901）。

作者简介：闫征南（1991-），男，河北保定人，博士，研究方向为植物环境生理。

**通信作者：贺冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士生导师，研究方向为生物环境工程。

[引用信息]闫征南，贺冬仙，钮根花，等.白红与红蓝LED光照环境对两种生菜生长、品质和能量利用效率的影响[J].农业工程技术，2020，40（25）：40-46.