补光时间和光质对温室甜椒叶片生长、碳代谢的影响

段青青，韩梅梅，谭月强，张自坤

（德州市农业科学研究院，山东德州 253015）

0 引言

光作为植物生长最主要的环境因子之一，调节植物器官的形态建成和组织分化，最终影响植物的生长发育[1]。近年来，发光二极管(light emitting diode，LED)作为人工光源，在温室蔬菜冬春季生产中应用越来越广泛。研究表明，红蓝混合光质补光更贴近植物的生长需求[2]，能够促进多种园艺作物的生长，从而提高产量并改善产品品质[3-7]。碳水化合物作为植物光合作用的重要产物，是植物进行生命活动的主要能量来源，而光作为光合作用的能源驱动，直接或间接影响着植物的碳代谢。研究表明，红光能够促进陆地棉幼苗[8]和烤烟叶片[9]中淀粉、蔗糖的积累，而蓝光能够提高葡萄果实[10]和蝴蝶兰组培苗[11]中淀粉、总糖、葡萄糖和果糖的含量。普遍认为，红光比例增加有利于植株的碳代谢，而蓝光比例增加促进了植株的氮代谢。前人研究表明，红蓝3:1的光质提高了番茄[12]和烟草[13]叶片中的碳代谢水平及其相关酶的活性，而红蓝1:3的光质提高了烟草叶片氮代谢的能力及其相关酶的活性[13]。蓝光提高了大葱碳代谢关键酶的活性和碳素的同化及总糖的积累，利于大葱的生长[14]，但是降低了芹菜叶片的碳积累代谢及其植株产量[15]。可见，光质对植物碳代谢的影响存在物种差异。除光质外，补光时间也影响植株碳代谢的水平，随着补光时间的延长，番茄幼苗的碳积累代谢减弱，碳转化代谢增强[16]。关于光质与补光时间的互作对植株碳代谢的影响至今未见报道。本研究以日光温室甜椒为试材，研究补光光质及补光时间互作对甜椒叶片生长及碳代谢的影响，以期为温室甜椒生产的光环境调控提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年11月—2018年2月在德州市农业科学研究院平原科技创新园15号日光温室进行。供试甜椒品种为‘奥黛丽’，采用穴盘基质育苗，育苗基质为草炭:珍珠岩:蛭石（体积比7:3:1），于2017年8月24日（苗龄45天）定植于日光温室内。

试验光源为定制LED植物补光灯，购于惠州可道科技股份有限公司，单灯功率100 W，每盏灯由高亮度的红色(R，630 nm)和蓝色(B，460 nm)灯珠组成。

1.2 试验设计

补光试验采用二因素随机区组设计，因素A为补光光质，设红光和蓝光组合R:B=2:1(2R1B)、R:B=4:1(4R1B)和R:B=8:1(8R1B)3个光质处理；因素B为补光时间，设补光2 h(18:00—20:00)、补光4 h(18:00—22:00)和补光8 h（18:00—次日02:00）3个补光时间；以不补光为对照(CK)，共计10个处理。每个处理设3次重复，每个重复为一个小区，每小区栽种90株，小区随机排列。补光灯悬吊于温室内，不同小区间用遮光布进行隔离。

试验补光光强设定为55 μmol/(m2·s)，通过调节光源与植物顶端的垂直距离，使各处理到达幼苗冠层的光量子通量密度相等，根据植株生长高度适时调整光源位置。光谱测定采用PLA-20植物光照分析仪（杭州远方光电信息股份有限公司，中国），各处理光质光谱分布见图1，补光时间由定时器控制。

图1 不同光质的光谱分布图

补光自11月1日开始，此时植株处于初果期，株高(50±2)cm，茎粗(10±1)mm，叶片（叶长＞2 cm）数(55±3)片，补光至2018年1月30日结束，补光周期90天。

1.3 测定项目与测定方法

补光90天后进行指标测定，3次重复。每处理选取5株植株，记录叶片数，用直尺测量叶片的叶长和叶宽，根据刘浩等[8]的叶片乘积回归模型，计算单叶叶面积；叶片烘干后称干重，计算比叶重[式(1)]；叶面积指数按照王珏等[9]的方法进行计算；选择相同位置的功能叶片（顶端生长点往下第6片叶）采用80%丙酮浸提法叶测定绿素含量；叶片生物量净积累速率(net assimilation rate，NAR)按照式(2)计算[19]。

式中，W1、L1是第T1天的叶片干重和叶面积，W2、L2是第T2天的叶片干重和叶面积。

烘干后的叶片粉碎后过筛，采用凯氏定氮法测全氮含量，采用钼锑抗比色法测全磷含量，采用火焰光度法测全钾含量，采用原子吸收光谱法测定钙、镁含量[20]。

叶片烘干粉碎过筛后测定糖类物质含量。叶片总糖含量用间苯二酚法测定，蔗糖和果糖含量采用蒽酮比色法测定[21]，淀粉含量用高氯酸法测定[22]。按照Nielsen等[23]的方法测定酸性转化酶(acid invertase，AI)、中性转化酶(neutral invertase，NI)活性；蔗糖合成酶(sucrose synthase，SS)、蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)活性以生成1 μmol/(mg·min)蔗糖为1个酶活力单位，按照宁宇等[15]的方法测定。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2010软件进行数据处理，用IBM SPSS-Statistics 21.0（SPSS Inc，美国）统计软件进行方差分析，差异显著性分析采用Tukey法进行检验(P＜0.05)，OriginPro 8.1软件作图。主成分分析采用IBM SPSS-Statistics 21.0软件完成，先将所有指标的数据进行标准化，根据标准化后的数据矩阵求出相关系数矩阵R，再求出R矩阵的特征根和特征向量，提取确定主成分。

2 结果与分析

2.1 补光时间及光质对甜椒叶片生长的影响

由表1可知，光质对甜椒植株的叶片数影响显著，4R1B、8R1B光质处理的叶片数显著多于CK，2R1B光质处理2、4 h的叶片数与CK差异不显著，但补光8 h的叶片数显著低于CK。叶面积指数的变化趋势与总叶面积相同，即光质8R1B和4R1B处理2、8 h的总叶面积和叶面积指数显著大于CK，其余处理与CK无显著差异。光质8R1B处理2、4、8 h和4R1B处理4、8 h的比叶重显著大于CK，光质2R1B处理8 h的比叶重显著低于CK，其余处理与CK无显著差异。光质4R1B、8R1B处理的叶绿素总量显著高于CK，而2R1B处理的叶绿素总量与CK差异不显著。生物量净积累速率反映了植株叶片的干物质积累情况，与CK相比，补光处理显著增加了甜椒植株的生物量净积累速率，光质8R1B处理的生物量净积累速率较高，光质2R1B处理的生物量净积累速率较低，从补光时间看，补光8 h的生物量净积累速率显著高于补光2 h。方差分析结果显示，光质对甜椒叶片的生长影响显著，而补光时间对甜椒叶片数、总叶面积、比叶重和叶绿素总量无显著影响，但对叶面积指数和生物量净积累速率的影响显著，光质与补光时间对甜椒叶片的生长存在显著的交互作用，光质8R1B补光8 h对甜椒叶片生长的促进作用较显著。

表1 补光时间及光质对甜椒叶片生理指标的影响

2.2 补光时间及光质对甜椒叶片养分含量的影响

补光对甜椒叶片不同种类元素含量的影响趋势有差异。由表2可知，补光对甜椒叶片氮、磷含量的影响不显著，但显著影响了钾、钙、镁的含量。补光降低了叶片中的钾含量，除2R1B补光2 h和8R1B补光4 h的钾含量与CK无显著差异外，其余处理钾含量显著低于CK。补光对叶片钙含量的影响不明显，除2R1B、8R1B补光8 h处理的钙含量显著低于CK外，其余处理的钙含量与CK差异不显著。补光对叶片镁含量影响较大，8R1B补光2 h的镁含量最低，显著低于CK及其他处理，2R1B补光2、4 h和4R1B补光2、8 h的镁含量与CK差异不显著，其余处理的镁含量显著高于CK。方差分析结果显示，光质对甜椒叶片氮、磷、钾、镁含量的影响不显著，显著影响了钙含量；补光时间对氮、磷含量无显著影响，但对钾、钙、镁含量的影响显著；光质与补光时间对叶片钾、钙、镁含量的影响存在显著的交互作用，2R1B补光2 h和8R1B补光4 h有利于叶片钾、钙、镁含量的积累。

表2 补光时间及光质对甜椒叶片元素含量的影响

2.3 补光时间及光质对甜椒叶片碳代谢的影响

2.3.1 对碳转化与积累的影响 补光对甜椒叶片中糖含量的影响显著。由表3可知，光质4R1B、8R1B补光处理的总糖含量均显著高于CK；2R1B补光2、4 h的总糖含量与CK无差异，补光8 h的总糖含量最低，显著低于CK。光质4R1B补光2、4、8 h和光质8R1B补光8 h的果糖含量显著高于CK，光质2R1B补光4 h和光质8R1B补光2、4 h的果糖含量与CK无差异，其余处理显著低于CK。补光对甜椒叶片蔗糖含量的影响较小，除8R1B补光4、8 h的蔗糖含量显著高于CK外，其余处理均与CK无显著差异。光质4R1B、8R1B补光2 h的淀粉含量与CK无差异，但补光4、8 h的淀粉含量显著高于CK，2R1B处理的淀粉含量均显著低于CK。方差分析结果显示，光质对甜椒叶片总糖、果糖、蔗糖、淀粉含量的影响显著，8R1B和4R1B处理的糖含量较高，2R1B处理的糖含量较低；补光时间也显著影响了糖含量的变化，总体上看，补光8 h的糖含量较高，补光2 h的糖含量较低；光质与补光时间对叶片糖含量的影响存在显著的交互作用，光质8R1B补光8 h最有利于叶片有机碳的转化和糖的积累。

表3 补光时间及光质对甜椒叶片糖含量的影响

2.3.2 对碳代谢关键酶活性的影响 补光显著影响了甜椒叶片中的碳代谢相关酶的活性。由表4可知，光质4R1B、8R1B补光处理的AI、NI和SS活性均显著高于CK，光质2R1B处理的AI、NI、SS和SPS活性与CK无显著差异。光质4R1B和8R1B补光2 h的SPS活性与CK差异不显著，但补光8 h的SPS活性显著高于CK。从补光时间上看，补光2 h的AI、NI、SS和SPS活性较低，补光8 h的AI、NI、SS和SPS活性较高，尤其是光质4R1B、8R1B补光8 h的AI、NI、SS和SPS活性显著高于补光2 h。方差分析结果显示，光质与补光时间对叶片AI、NI、SS和SPS活性的影响存在显著的交互作用，光质8R1B补光8 h处理下叶片蔗糖代谢最强，但与光质4R1B处理8 h差异不显著。

2.4 主成分分析

对甜椒叶片生长、元素含量、糖含量、碳代谢相关酶活性等指标进行主成分分析，结果显示，不同补光光质及补光时间处理间差异很大，在主成分1(PC1)和主成分2(PC2)上显著分开（图2A）。共筛选出2个主成分，PC1主要反映甜椒叶片生长（叶片数、总叶面积、叶绿素总量、比叶重、叶面积指数、NAR）和碳代谢（总糖、果糖、蔗糖、淀粉含量和AI、NI、SS、SPS代谢酶）的信息，贡献率为66.83%；PC2主要反映叶片元素含量(N、P、K、Ca、Mg)的信息，贡献率为17.58%（图2B）。叶片生长和碳代谢在PC1的主成分值显示，与CK相比，光质2R1B不利于叶片的生长和碳代谢，而光质4R1B和8R1B显著促进了甜椒叶片的生长和碳代谢水平（图2C），其中光质8R1B的促进效果更显著；补光光质与补光时间存在交互作用，光质8R1B补光8 h甜椒叶片生长和碳代谢水平最高，光质2R1B补光8 h叶片生长和碳代谢水平最低。叶片元素含量在PC2的主成分值显示，补光2 h增加了叶片元素含量，补光时间与补光光质之间存在交互作用，光质8R1B补光8 h叶片元素含量的主成分值最低，光质8R1B补光2 h叶片元素含量的主成分值最高（图2D）。

3 讨论

叶片的形态建成受光质、光强、光周期的调控，进而影响植株的生长。蓝光下大葱叶片的鲜重和干物质量高于红光处理[24]。但是在添加白光的基础上，红光处理的韭菜叶宽和叶厚显著高于蓝光处理[25]。补光能显著增加草莓、番茄的叶片数和叶面积[26-27]，且适当增加红光比例有利于叶面积的增加[27-28]。比叶重的增加有益于光合速率的提升[29-30]，补充红蓝7:1的光质能提高番茄的比叶重[29]，而6:1的红蓝光质对越橘叶片比叶重的增加优于红蓝3:1的光质处理[30]。由此可见，光质对植物叶片生长的影响存在物种差异，本试验结果表明，光质2R1B处理不利于甜椒叶片的生长，其叶片数、总叶面积、比叶重、叶面积指数和叶绿素总量显著低于CK或与CK无差异；而光质4R1B和8R1B处理的叶片数、总叶面积、比叶重、叶面积指数、叶绿素总量和生物量净积累速率高于CK，且在补光时间一致时，8R1B处理的叶片数、总叶面积、比叶重、叶面积指数、叶绿素总量和生物量净积累速率高于4R1B处理，说明适当增加红光比例能够促进甜椒叶片的生长，这与前人的研究结果[27-28]一致。从补光时间上看，补光8 h处理的叶片生长优于补光2 h，但效果因光质不同有差异，当蓝光比例增大（2R1B处理）时，补光8 h不利于叶片生长。补光光质与补光时间存在交互作用，光质8R1B补光8 h对甜椒叶片生长的促进作用较显著。

LED补光除了能够影响叶片的生长，还对叶片营养元素的含量有一定的调节作用[10]。红蓝比例7:3处理的生菜叶片的氮、磷、钾、钙、镁含量显著高于自然光对照[32]，但是补充红蓝比例3:1或1:1的光质对万寿菊的磷、钾、钙、镁含量与自然光相比没有显著变化[33]。蓝光处理的甜椒叶片中氮和磷的含量显著高于对照，但红光处理的甜椒叶片中钾的含量显著高于对照[34]。本研究结果显示，补光对甜椒叶片氮、磷含量的影响不显著，但显著影响了钾、钙、镁的含量。与CK相比，补光处理的钾和钙含量显著降低或差异不显著，而光质2R1B、8R1B补光8 h和光质4R1B、8R1B补光4 h的镁含量显著高于CK，其余与CK无差异，这与前人的研究结论不完全一致[32-33]，可能是植物种类、光质配比、补光时间等不同造成的。补光时间对氮、磷含量的影响不显著，但总体上补光8 h处理不利于钾、钙元素的吸收，这是因为试验在甜椒坐果期进行，补光促进了营养元素向果实的转移，因此导致叶片中元素含量的降低[35-36]；补光8 h增加了叶片中镁的含量，可能与镁是叶绿素的主要组成部分有关[37]，这可能也是补光8 h甜椒叶片中叶绿素含量较高的原因。主成分分析结果显示，补光2 h有利于增加叶片元素含量，而补光8 h则相反。

植物碳代谢分碳的同化、碳水化合物的运输转化、碳的积累3个阶段[25]。本研究中，光质2R1B处理不利于糖的积累，总糖、果糖、蔗糖和淀粉含量总体上低于CK，但AI、NI、SS和SPS活性与CK无显著差异，这可能是因为蓝光比例增加有助于同化产物向果实分配，因此叶片中的糖含量降低[35-36]。光质4R1B和8R1B处理糖的总糖、果糖、蔗糖和淀粉含量显著高于CK，AI、NI、SS和SPS活性也显著高于CK，说明适当增加红光比例有助于碳的同化、转化和积累代谢[15]。前人研究表明，随着补光时间的延长，番茄叶片的总糖和蔗糖含量逐渐降低，而淀粉含量逐渐增加[16]。本试验中，补光光质与补光时间对甜椒叶片的糖含量及相关酶活性存在交互作用，除2R1B处理外，光质4R1B和8R1B处理的总糖、果糖、蔗糖、淀粉含量和AI、NI、SS、SPS活性均随着补光时间的延长逐渐增加，这可能与延长补光时间提高了叶片的光化学效率和最大净光合速率有关[38]，还有待一步研究证实。叶片生长和碳代谢在PC1的主成分值显示，光质2R1B不利于叶片的生长和碳代谢，而光质4R1B和8R1B显著促进了甜椒叶片的生长和碳代谢水平，其中光质8R1B的促进效果更显著。

4 结论

光质与补光时间能显著影响甜椒叶片的生长、元素含量的变化、糖含量及碳代谢相关酶活性，且两者之间存在交互作用。光质对甜椒叶片元素含量的影响不大，但光质2R1B处理不利于叶片的生长及碳代谢，而光质4R1B和8R1B处理的叶片数、总叶面积、叶绿素总量、生物量净积累速率、总糖含量及AI、NI和SS活性显著高于CK，且8R1B处理表现更好，说明红光比例增大有利于甜椒叶片的生长和碳代谢；补光时间显著影响了叶片的生长、元素含量及碳代谢，总体来说，补光2 h不利于叶片的生长及碳代谢，但对叶片元素含量的增加有利，补光8 h显著促进了甜椒叶片的生长及碳代谢水平。综上，光质8R1B补光8 h对促进甜椒叶片的生长、营养元素的吸收及碳代谢水平的提升表现最好。