红蓝白光与远红光对樱桃萝卜早期生长发育的影响

陈梦彤，季 清，董育辰，陈 丽

(1.苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215000；2.南京格尼兹农业科技有限责任公司，南京 211800)

引言

气候变化所致的洪旱灾害和人口的日益增长都给传统农业带来巨大压力，我国耕地资源有限，人均耕地不到世界平均水平的1/2[1]，据有关部门预计，到2050年时，人均可耕地面积将会减少至不足2.1市亩，传统农耕形式将不再是一种可持续发展的选择，发展立体种植技术已被各国提上日程。

高效半导体发光二极管(LED)现在广泛用于显示、照明等领域，以取代传统的白炽灯或荧光灯以节省能源[2]。发光二极管(LED)作为新型固态半导体光源，与荧光灯相比在植物工厂应用上具有节能环保、寿命长、体积小等诸多光电优势，更重要的是其可以按照植物生理和生产需求调制光谱并自动化调控时间和空间上的连续光照动态模式，进而集成形成设施植物生产的调控策略，以实现植物生产力、生物量和碳水化合物数量的最大化。

LED植物工厂更适于叶菜、小根菜和一些药用植物，目前植物工厂中栽培植物种类较单一，主要是叶菜，如生菜和菠菜，根菜很少在植物工厂种植，关于光条件对根菜生产影响的研究更少[3]。樱桃萝卜(Raphanus sativus L.var.radculus pers)作为四季萝卜中的一种，具有生长周期短、营养价值高、经济效益可观的特点[4]，是我国广泛种植的根茎类蔬菜之一。前人研究表明，萝卜生长需要一定比例的红蓝光[5]，萝卜的形态显著依赖于光质，单独红光下，萝卜不形成膨大根，根冠比低，但对地上部影响不大；红光能够促进樱桃萝卜的植高、株幅等增加，提高根鲜重和产量[6]。补充蓝光能够促进非结构糖在地上部和贮藏根的分配，从而促进贮藏根的增粗[7]。红光LED补充10%蓝色荧光能够显著增加萝卜干重但仍无法达到萝卜的最大生长效率[8]。因此本研究在前人研究基础上，自制RBWF多光质LED植物灯，研究不同红、远红、蓝、暖白光光质配比对樱桃萝卜生长发育的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年3月于苏州大学机电工程学院创新实验室进行，供试的樱桃萝卜品种为沧州津科力丰种苗有限责任公司出产的“樱桃萝卜”。2021年3月6日播种在培养槽(长50 cm×宽19 cm×高15 cm)中，栽培基质是50%草碳、30%菇渣、10%珍珠岩、10%蛭石，基质深约12 cm。于2021年3月12日定苗，每槽定植10株，每槽每天浇水250 mL。栽培槽放置在补光架中部，每个补光架下放置两个栽培槽，栽培槽正上方悬挂多光质LED植物灯(100 cm×8 cm)，本研究应用于植物补光灯的光源采用定制四芯片集成LED灯珠作为光源，其中LED灯珠含有红光芯片(R，655～660 nm)、远红光芯片(FR，725～730 nm)、蓝光芯片(B，452.5～455 nm)和暖白光芯片(W，2 800～3 200 K)四种芯片，光质均匀，且每种光质的强度可独立调节。采用OHSP350P植物光照分析仪测定栽培槽中心距离植物灯50 cm处光强，调至试验所需光强及光质。实验室室温保持在20～25 ℃。

1.2 试验设计

试验设置4种光质配比，如表1所示，其光谱如图1～图4所示。统一各组总光强为200 μmol·m-2·s-1，2R1B与RBW1的蓝光绝对量相同，2R1B与RBW2的红光绝对量相同，RBW1的蓝光比例最高，RBW2的红光比例最高。RBF的红蓝光强与2R1B相同，其中添加了远红光，红光和远红光比例为2∶1。各组光期18 h，暗期6 h，各组光照空间分布相同。

表1 光质组成

图1 2R1B光谱图Fig.1 2R1B spectrum

图2 RBW1光谱图Fig.2 RBW1 spectrum

图3 RBW2光谱图Fig.3 RBW2 spectrum

图4 RBF光谱图Fig.4 RBF spectrum

LED驱动电路部分采用四路带有电流控制功能的Buck恒流驱动电路，分别控制红、远红、蓝、暖白光LED支路的电流来调节亮度，从而实现定量精确补光。各支路的驱动电流为持续稳定电流，无频闪。嵌入式控制部分按预设光质比设置各光质支路的电流值参考值，进行数字PID调节，计算对应支路Buck变换器的控制信号占空比，实现四路恒流驱动输出。

1.3 取样与测定方法

试验主要研究LED不同光质对樱桃萝卜生长发育的影响，在定植后每5 d用最小刻度为0.1 cm的刻度尺测量每株樱桃萝卜的株高，在长出真叶后每5 d测量每株樱桃萝卜最大叶长与叶绿素，最大叶长用游标卡尺测量，其中，测量叶绿素含量时选取植株上具有代表性的2片叶，用SPAD-502PLUS测定叶绿素含量，取平均值进行数据分析。樱桃萝卜成熟后，整株取出，将根系洗净，测定真叶数，使用游标卡尺测量根长和冠长等形态指标，利用分析天平测定樱桃萝卜根冠总鲜重、根鲜重和冠鲜重。

1.4 数据分析

试验数据运用EXCEL软件计算各组平均值和标准差，采用IBM SPSS Statistics 26软件的单因素方差分析(ANOVA)的新复极差法(Duncan)比较差异显著性，用EXCEL作图。

2 结果与分析

2.1 LED光质配比对樱桃萝卜地上部生长及生物量的影响

表2给出了播种29d后樱桃萝卜的真叶数量、冠长和冠鲜重，在红、远红、蓝、暖白光四种不同强度光配比LED光照射下，播种29d后樱桃萝卜真叶数和冠长均无显著差异。

表2 播种29d后光质配比对樱桃萝卜真叶数量、冠长、冠鲜重的影响

RBW2处理下冠鲜重最大，含有的生物量最多，显著高于RBF处理，同时真叶数也最大，因此RBW2处理显著增加了地上部鲜重；RBW2处理的冠鲜重略高于2R1B和RBW1处理，考虑到RBW2的红光比例最高，说明在红光绝对量相同的情况下，高比例的红光能够适当增加冠鲜重；2R1B、RBW1和RBW2处理冠鲜重无显著差异，说明白光对冠鲜重影响不显著。而2R1B处理的冠长最短，RBF处理的冠长最高，RBF仅在2R1B基础上添加了远红光，但是远红光处理后冠长增加，冠鲜重显著减少，说明含远红光处理的樱桃萝卜植株徒高，其含有的生物量却很少。因此，光质配比显著影响冠鲜重，对真叶数和冠长无显著影响，高比例红光能适当增加冠鲜重，白光对冠鲜重无显著影响，远红光使冠长徒高而所含生物量少。

2.2 LED光质配比对樱桃萝卜地下部生长及生物量的影响

由表3可以看出，RBW2处理的根长最长，因此根鲜重也最大，与上述RBW2处理的冠鲜重最大结论一致；RBF处理的根长显著低于其他三个处理，根鲜重也最低，所含生物量最少，与上述RBF处理的冠鲜重最低结论一致；2R1B、RBW1、RBW2处理的根长差异不显著，说明白光对根长无显著性影响。RBW2处理的根鲜重显著高于其他三个处理；RBW1处理的根鲜重显著低于2R1B处理和RBW2处理，考虑到RBW1处理的红蓝比最低，由此可以得出红蓝比例过低不利于根部生物量积累；RBF处理的根鲜重最低， 说明远红光也不利于根部生物量积累。不同光照处理对根冠总鲜重影响显著，因为RBW2下根鲜重和冠鲜重均最高，所以其根冠总鲜重也显著高于其他三个处理，所含生物量最高；RBW1处理的根冠总鲜重显著低于2R1B处理和RBW2处理，考虑到前面2R1B、RBW1、RBW2处理的冠鲜重无显著差异，得出这是RBW1下的低红蓝比不利于根部生物量积累所致；RBF处理的根冠总鲜重最低。2R1B和RBW1处理的根冠比差异显著，和RBW2处理的根冠比差异不显著，又考虑到2R1B和RBW1处理蓝光绝对量相同，2R1B和RBW2处理红光绝对量相同且高于RBW1处理，说明在无远红光的情况下，红光影响根冠比，红光比例越高，根冠比越高；RBF处理的根冠比最低。因此，由2R1B、RBW1和RBW2三者比较可知，红光比例过低不利于根系生长，蓝光对根系促进作用不如红光明显；由2R1B和RBF二者比较可知，远红光阻碍樱桃萝卜根系生长。方差分析结果表明，不同光质处理对根冠总鲜重、根鲜重影响均达到极显著水平(P<0.01)，对根冠比影响达到显著性水平(P<0.05)。总的来说，高比例红光能促进樱桃萝卜地下部生物量积累，高比例蓝光不利于地下部生长，远红光抑制地下部生长。

表3 光质配比对樱桃萝卜根系、根冠总鲜重、根冠比的影响

2.3 LED光质配比对樱桃萝卜株高的影响

如图5所示，培养10d和15d时，各处理株高差异不显著，RBF处理的株高已有超过同期其他处理株高的趋势；到25d时RBF和RBW2处理的植株生长相对较快，RBF处理的株高最高，RBW2处理的株高仅次于RBF处理，2R1B处理的株高最低，RBW1和RBW2处理的株高均高于2R1B处理，说明白光对株高有促进作用；RBW2处理的株高又高于RBW1处理，考虑到RBW2处理的红蓝光比例高于RBW1处理，因此红蓝比例高对株高有促进作用。

综上，远红光处理对樱桃萝卜株高影响显著，白光、高比例红光和远红光促进樱桃萝卜地上部分增高，远红光的促进增高作用更明显。

图5 光质配比对樱桃萝卜株高的影响Fig.5 The effects of light quality ratio on plant height of cherry radish注：短线表示标准误差，以下图同。

2.4 LED光质配比对樱桃萝卜最大叶长的影响

如图6所示，13～28 d除RBF处理，各光质处理最大叶长均呈增长趋势，RBW1处理和RBW2处理的最大叶长均保持大于2R1B处理，说明白光对最大叶长有促进作用；RBW2处理的最大叶长均保持大于2R1B处理，因此低比例蓝光更有利于叶片伸长。13～23 d时各处理最大叶长无显著差异，13 d时RBF最大叶长最大，18～28 d时RBW2处理的最大叶长最大，18 d各处理最大叶长相比于13 d处理有较大增长，分别平均增长了60.0%，83.2%，80.8%和63.6%，23 d各处理最大叶长与18 d处理相比增长缓慢，除了RBF处理，其他处理28 d时最大叶长均高于23d处理，RBF处理下的叶片在23～28 d开始萎缩，到28 d时RBF处理显著低于其他三个处理。综合比较，白光和低比例蓝光都有利于叶片伸长，低比例蓝光RBW2处理促进作用更明显，远红光对叶片早期伸长有较大促进作用，后期远红光处理的叶片最先开始萎缩。

2.5 LED光质配比对樱桃萝卜叶绿素含量的影响

如图7所示，不同光质处理对樱桃萝卜叶绿素含量有显著影响，主要表现为13 d时2R1B处理下叶绿素最高，18～28 d内RBW2处理的叶绿素最高，RBW1处理的叶绿素含量均低于2R1B处理，说明低比例红光不利于叶绿素合成。13～23 d内2R1B和RBW1处理的叶绿素含量均持续下降，分别下降了10.0%和12.4%，与光照23 d的叶绿素相比，2R1B和RBW1处理28 d的叶绿素含量均有所回升，但仍略低于13 d处理的叶绿素含量；13～28 d内RBW2下的叶绿素含量呈现先增后减再增的趋势，13 d时RBW2处理显著低于2R1B处理，到23 d时显著高于2R1B处理，在28 d时高于其他处理，说明低比例蓝光对叶片叶绿素含量有延迟促进作用。RBF下的叶绿素含量持续下降，28 d时RBF处理的叶绿素含量低于其他光质处理，说明远红光抑制叶绿素合成，与RBF下植株徒高，根鲜重低结论一致。13～28 d内各光质处理的叶绿素含量均有下降趋势，除RBW2处理，28 d各光质处理的叶绿素含量均低于13 d处理。28 d时2R1B和RBW2处理叶绿素含量近似相等，均显著高于RBW1处理，而2R1B和RBW2处理红光比例相等，均高于RBW1处理，2R1B和RBW1处理蓝光比例相等，说明高比例红光促进叶绿素合成，蓝光促进作用不明显。因此，高比例红光促进叶绿素合成，低比例蓝光延迟促进叶绿素含量增长，远红光抑制叶绿素合成。

图6 光质配比对樱桃萝卜最大叶长的影响Fig.6 The effects of light quality ratio on largest leaf length of cherry radish

图7 光质配比对樱桃萝卜叶绿素的影响Fig.7 The effects of light quality ratio on chlorophyll content of cherry radish

2.6 LED光质配比对樱桃萝卜总体长势的影响

如图8所示，RBW2处理下樱桃萝卜膨大率最高，2R1B处理膨大率次之，RBW1较少膨大，说明红蓝光比例越高，膨大率越高。29 d时RBF处理叶子已有萎缩趋势，且几乎无膨大，说明远红光使樱桃萝卜提早枯萎且抑制根部膨大。

图8 29 d时不同光质配比处理樱桃萝卜植株形态Fig.8 The plant morphology of cherry radish under different lignt quaity ratios for 29 days

3 讨论与结论

综上所述，不同光质处理对樱桃萝卜早期真叶数和冠长影响不显著，高比例红光能适当增加冠鲜重，显著提高叶片叶绿素含量、根长、根鲜重和根冠比，有利于生物量积累，白光促进地上部增高，白光和低比例蓝光促进叶片伸长，低比例蓝光延迟促进叶绿素含量增长，高比例蓝光和远红光会抑制根系生长和叶绿素合成，远红光还会导致植株徒高，株高和冠长过长，而所含生物量少，前期叶片增长较快，后期最先萎缩，RBW2处理的樱桃萝卜所含生物量显著高于其他光质处理。

黄启良等[9]、陈冰星等[10]、CRAKER等[11]研究发现，长光照高比例的红光可以促进樱桃萝卜肉质根的形成，光照强度对贮藏器官发育有很大影响，这与本文研究结果一致。说明高比例红蓝光有利于根部膨大增粗，蓝光比例过高会抑制樱桃萝卜生长。

RBW1和2R1B蓝光比例相同，2R1B中部分红光用白光代替，红光比例降低，樱桃萝卜地下部生长明显不如2R1B处理；RBW2和2R1B红光比例相同，2R1B中部分蓝光用白光代替，蓝光比例降低，RBW2处理结果要优于2R1B处理。RBW1处理和RBW2处理地上部分长势均优于2R1B处理，白光对地上部生长有一定促进作用。

白光有利于樱桃萝卜早期地上部增高和叶片生长，高红蓝比RBW2处理有利于樱桃萝卜早期地下部生长、叶绿素合成与生物量积累，低红蓝比RBW1不利于肉质根膨大，远红光使植株徒高而含生物量少，抑制肉质根膨大和叶绿素合成。