采前光照节律对LED红蓝光下水培生菜生长及营养元素吸收的影响

邵明杰，刘文科，周成波，王 奇，李宝石

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081； 2.农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

引言

在全封闭的人工光植物工厂中可以对环境因子实行精确控制，从而实现全年稳定生产优质农产品。近年来，随着LED技术的发展，人们对LED照明进行了深入的研究，以探索新型、动态的LED供光模式，从而提高植物工厂内蔬菜生产效率。

植物在细胞水平上具有内源性生物钟功能，该生物钟产生生物节律以预测环境因素，例如光和温度，并调节生物体内的生理过程，以与外部光暗周期同步[1,2]。昼夜节律系统是一个复杂的、相互联系和调节的网络，包括输入路径，内生振荡器本身和输出路径。在该网络中，外部刺激的光暗周期被输入路径感知并传输到振荡器，振荡器产生大约24 h周期的昼夜节律，然后通过输出路径传输节律以控制各种生理活动[3-5]。植物的生长、代谢、基因表达和许多其他生理过程都受到昼夜节律的深度调控[6,7]。

尽管按照定义，昼夜节律大约有24 h的周期，但确切的周期长度却有几个小时的变化，振幅和相位也可能有所不同[8]。为了达到植物工厂高效生产的目的，有必要结合影响植物生长的其他参数，制定相应的供光策略。生菜作为植物工厂光环境优化研究的一种模式植物，被广泛应用于昼夜节律的研究。生菜中生物钟的振荡频率通常取决于光质，光暗周期少于24 h的LED照射可以促进生菜生长[9]。Kang等[10](2013年)提出，缩短光暗周期(少于24 h)的高光强照射可以促进植物工厂中生菜的生长发育。 Chihiro等[11](2017)研究表明，在非24 h光暗周期的照射下生菜的生长速率显著高于使用LED在24 h光暗周期照射下的生菜。综上所述，调节光暗周期可以促进植物光能的利用。然而，在上述研究中，不同处理的日光积分(DLI)和电能消耗量存在差异，这可能会对结果造成影响。

在太阳光谱中，红色和蓝色波段被认为是植物光合作用不可缺少的。红光加低剂量的蓝光能使大多数植物正常生长发育，在植物栽培中被广泛使用[12,13]。综合考虑生菜在植物工厂的一般栽培期和光暗周期，我们人工光植物工厂中，使用LED红蓝灯进行水培，并在收获前进行短期(相对于其整个生长周期)的光照节律处理，探索在相同DLI条件下适于生菜生长和营养元素积累的最佳光暗周期模式。

1 实验部分

1.1 材料与处理

本研究以紫珊生菜(LactucasativaL. cv. ‘Zishan’)为供试品种，在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所的人工光植物工厂内完成。采用海绵块(2.0 cm×2.0 cm×2.0 cm)育苗，待幼苗长出两叶一心时，13个为一组分别移栽至装有10L营养液的水培槽(50 cm×50 cm×5 cm)中并进行光照处理。营养液采用霍格兰配方(mmol/L)：0.75 K2SO4，0.5 KH2PO4，0.1 KCl，0.65 MgSO4·7H2O，1.0×10-3H3BO3，1.0×10-3MnSO4·H2O, 1.0×10-4CuSO4·5H2O, 1.0×10-3ZnSO4·7H2O, 0.1 EDTA-Fe, 5×10-6(NH4)6Mo7O24·4H2O，3.0 Ca(NO3)2·4H2O (pH：6.3；EC：1.3 mS·cm-1)。试验期间植物工厂内温度为23±3 ℃, 湿度为40%～50%，CO2浓度为外界CO2浓度。LED灯采用无锡华兆泓光电科技有限公司研发的红蓝组合光强光质即时可调的植物生长灯，灯板规格为50 cm×50 cm，红、蓝LED峰值波长分别为655 nm和456 nm，灯板与水培槽上方的距离均为45 cm。采用LI-1500辐照度测量仪和LI-190R光合有效辐射传感器测定并调节栽培槽中心上方5 cm处的光强和光质。

1.2 试验设计

试验采用红蓝比为4:1、光强为200 μmol·m-2·s-1的LED光源，设置四个光处理，生菜生长初期，在相同光照条件下，以16/8 h(光/暗)的光周期照射14天。采前6天，将三个处理的光周期分别变为8/4 h(T12)、24/12 h(T36)和32/16 h(T48)。另外一个处理光周期不变，作为对照组(CK，16/8 h)(见图1)。

图1 光照模式Fig.1 Light supply modes

1.3 取样与测定方法

光处理结束后，每个处理随机取4株生菜从茎基部分开，用叶面积仪(LI-3100, Li-Cor Biosciences, Lincoln, Nebraska, USA)测量叶面积，用分析天平称取地上部和地下部鲜重，将生菜在105 ℃下杀青15 min，80 ℃，烘干至恒重，称取干重。

烘干后的植物样品用组织研磨器研磨过筛后采用原子吸收分光光度计和电感耦合等离子体发射质谱仪测定K、P、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn的含量[14]。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2013 软件对数据进行处理，采用 SPSS 25.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法，α=0.05)。

2 结果与讨论

2.1 采前光照节律对生菜生长的影响

如表1所示，与其他处理相比，T12显著增加了生菜地上部和地下部的鲜重和干重，扩大了叶面积，降低了根冠比。在采前光照周期延长至24 h以上的处理中，与对照相比，T36显著促进生菜的地上部和地下部生物量的积累，T48则显著降低了生菜地上部干鲜重。T48处理的生菜含水量显著低于其他处理最低。各处理间比叶重差异不显著。

植物的生物钟在许多生理过程中起着至关重要的作用，如生长、基因表达和光合作用[15,16]。外源节律与内源生理和代谢的匹配对于植物适应环境变化至关重要[17-19]，是影响植物生长的重要因素。在本研究中，所有处理在整个生长期间都得到相同的PPF，因此，不同处理的结果不同是由于植物对外界光暗周期信号的适应性反应。结果表明，在相同DLI条件下，采前缩短或延长光暗周期，可以显著提高生菜的产量。其中，T12对生菜地上部鲜干重、根鲜重和叶面积的促进作用最为显著。其原因可能是，在LED光照的影响下，生菜植株的内源昼夜节律往往短于24 h[20]，相对短的光照节律可以在不牺牲生长速度的前提下减少生菜的倒伏[21]。此外，与对照相比，T36显著增加了生菜的鲜重。而T48处理的生产鲜重、干重和最小叶面积均显著低于T48，说明超长光暗周期对生菜生长有明显的抑制作用。这可能是因为长时间的光照或暗期影响了生菜植株的水分利用率，导致生菜含水量降低。生菜地上部鲜干重和叶面积随光暗周期的变化趋势一致，说明光照节律可以通过改变叶片形态来调节植物的生长。

表1 采前光照节律对生菜生长的影响Table 1 Effects of light-dark cycle altered at pre-harvest stage on the growth of lettuce

2.2 采前光照节律对生菜营养元素含量和累积量的影响

表2和表3分别为四种处理下生菜营养元素的含量和累积量。结果表明，采前改变光照节律对生菜中大量元素(N、C、P、K)含量无显著影响。和其它处理相比，T12显著降低了生菜中Mn和Zn的含量，T12处理下生菜中Fe的含量也显著低于T48。T12处理下生菜中N、C、P、K、Ca、Mg元素累积量最高，且均显著高于对照组和T48处理。有研究表明，随着光照时间的延长，玉米对N、P、K的养分吸收显著增加[22]，但是在本试验中，T48处理下生菜中N、C、P、K、Ca、Mg元素累积量最低，说明光周期延长不利于生菜幼苗对于大量元素的积累，这可能是由于T48处理中不仅延长了光照时间，同时也延长了暗期时间，采前改变光照节律的条件下，生菜养分积累量的变化主要受植株干重的影响。T36处理下生菜中Zn元素累积量最高且显著高于T12处理。各处理之间Fe、Mn、Cu元素累积量无显著差异。

采前改变光照节律对植株根冠比产生显著影响，因此，本试验中生菜生长的差异可能归因于光照节律改变根系对养分的吸收。植物主要通过根表皮细胞的选择运输过程吸收矿质元素，光可以通过调节作用于细胞膜上载体蛋白的酶的活性而影响矿质元素的吸收的种类和数量[23]。有关光周期对植物营养元素吸收的影响的研究较少，有研究表明，长期的光照会显著降低生菜的光合速率、气孔导度和蒸腾速率[24]，蒸腾拉力是植物水分上升的主要动力，矿质元素是以离子形式随水分经木质部向上运输，其主要动力则是由叶片蒸腾作用产生的蒸腾拉力，因而蒸腾速率的降低会影响矿质元素的吸收与运输。其次，光周期能够改变植物生长调节物的浓度[25]，这些植物调节物能够影响植物根系对营养的吸收。长期的光照会导致植物体内产生过量的活性氧(ROS)，ROS能引起蛋白等生物大分子的损伤，改变生物膜流动性、离子运输等基本特性。光周期还会通过改变光敏色素系统来改变细胞膜对离子的渗透性。矿质元素是植物光合作用所必须的的元素，长光照条件下生菜内矿质元素累积量的减少会进一步加剧光合活性的降低和光合器官的伤害。因此，长光周期下生长的植物必须吸收更多的矿质元素，在实际生产过程中可以通过提高营养液的浓度，减轻长光周期对生菜产生的伤害。光通过何种途径调控这些生理过程，还有待进一步深入探讨。

表2 采前光照节律对生菜营养元素含量的影响Table 2 Effects of light-dark cycle altered at pre-harvest stage on the nutrient contents of lettuce

表3 采前光照节律对生菜营养元素累积量的影响Table 3 Effects of light-dark cycle altered at pre-harvest stage on nutrient accumulations of lettuce

3 结论

在采前改变光照节律对生菜产量影响较大。与大多数人工光植物工厂采用的24 h光周期的供光模式相比，采前将光周期变为12 h和36 h显著促进了生菜的生长，48 h的光周期则抑制了生菜的生长。生菜大量元素累积量与地上部干重的大小有关，采前缩短光周期至12 h可有效促进生菜营养元素的累积。因此，在实际生产中采用合理的光照节律照射模式是提高生菜产量的有效手段。