不同光质的LED光照对玫瑰花数量和开花周期的影响

孙 苗，刘旭文，刘木清

(复旦大学信息科学与工程学院 光源与照明工程系，上海 200433)

引言

玫瑰是一种观赏和经济价值极高的植物，其种植范围遍及全球。目前植物中已知的光受体主要有3大类：红光远红光受体光敏色素、蓝光受体向光素和隐花色素，因此在植物的生长过程中，红光、蓝光和远红光起着重要的作用[1]。研究表明640～660 nm红光和430～450 nm蓝光是植物进行光合作用和光形态建成的主要光谱区[2]。720～1 000 nm远红/红外光对植物的花期和种子的形成有重要影响[3]。因此，探究不同光质对玫瑰花生长的影响具有重要意义。发光二极管(Light-emitting Diodes，LED)具有节能高效、体积小和窄光谱等优点，我们能通过不同波长的LED组合，根据不同植物的需求调配出更优质的光谱[4-7]。本研究旨在探究不同光质的LED光照对玫瑰花生长的影响，寻找有利的光质条件，为高效栽培玫瑰花提供参考。

1 实验材料

1.1 植物材料

玫瑰(Rosa spp.)，在植物分类学上属于蔷薇科蔷薇属灌木。本实验用30株玫瑰采自上海市曲阳花鸟市场。采购时选取品种相同、大小相似、尚未开花且处于同一生长周期的玫瑰花。

1.2 光源

本实验用氙灯采购于江苏一品环保科技有限公司，型号为ED76、功率为75 W、色温为6 000 K。氙灯光谱与太阳光谱相似，通常采用氙灯来模拟自然光照。为了使尽可能多的光线照射在玫瑰花上，我们在氙灯上设置了一个起到聚光作用的灯罩。

本实验用LED红蓝混合灯具模组由上海光源科技有限公司提供，其中红光LED的峰值波长为640 nm、功率为20 W；蓝光LED的峰值波长为455 nm、功率为20 W。红蓝混合灯具模组由4个蓝光LED加4个红光LED间隔排布组成，以使模组发出的红蓝光尽可能均匀。一个LED驱动器通过分线器连接两个红光LED或者蓝光LED，蓝光LED电路上另接有一个脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)调光器，通过调节蓝光LED的占空比来调控蓝光强度，从而实现实验所需的红蓝光比例。远红光LED灯珠采购于深圳市盈锋光电有限公司，远红光(Far-red，FR)峰值波长为740 nm、功率为3 W。将远红光灯珠焊接在灯板上，并接上相应的LED驱动器，制成灯具模组。

2 实验方法

2.1 光照条件设置

本实验设置了5组光照条件，包括4个实验组和1个对照组。根据光质条件，我们将实验分为以下几组(表1)：(1)对照组(CTR)，用氙灯模拟自然太阳光照；(2)640 nm红光与455 nm蓝光配比为2∶1，无远红光(R∶B=2∶1)；(3)640 nm红光与455 nm蓝光配比为2∶1，加740 nm远红光(R∶B=2∶1+FR)；(4)640 nm红光与455 nm蓝光配比为6∶1，无远红光(R∶B=6∶1)；(5)640 nm红光与455 nm蓝光配比为6∶1，加740 nm远红光(R∶B=6∶1+FR)。实验采用微摩尔计测定光照强度，5组光照强度均为380± 5 μmol·m-2·s-1。

表1 不同光质条件参数

本实验在大棚内进行，为防止外界光照以及实验组之间的相互干扰，我们在各实验组之间设置了黑色遮光布作为遮挡物来吸收其他光线，以保证每组玫瑰花只接收到该组灯光的照射。实验环境如图1所示，每组灯具下均匀摆放6株玫瑰花，尽量使之受到的光照均匀。实验大棚内配有三台空调，室内温度保持在25±2 ℃。玫瑰花每日接收光照时间为12 h(8：00—20：00)，灯具由智能控制开关控制。每天给玫瑰花浇水一次，使其生长土壤保持湿润状态。

图1 实验场景示例Fig.1 The experimental environment

2.1 形态指标测定

整个实验共进行24 d，每2 d记录一次玫瑰花花苞数及开花数，共计12期。开花周期通过各期开花数与实验结束时开花总数的比值来反映。新生花苞数为各组玫瑰花从实验第1～24 d期间新生的花苞总数。

2.3 数据处理与分析

本文使用GraphPad prism软件，采用单因素方差分析对实验结果进行统计学分析。当p<0.05时，我们认为差异具有显著性。

3 实验结果与分析

3.1 不同的光质对玫瑰开花数的影响

不同比例的红蓝光对玫瑰花开花数的影响结果如图2(a)所示。实验结果表明，当实验进行到最后一期，也就是第24 d时，氙灯对照组、R∶B=2∶1、R∶B=6∶1三组的最终开花数差异不明显，分别为64朵、64朵和62朵。图2(b)和图2(c)展示了在相同的红蓝光比例条件下，远红光的存在与否对玫瑰花开花数的影响。在R∶B=2∶1条件下，加远红光的实验组最终开花总数比不加远红光的组多52朵。在R∶B=6∶1条件下，加远红光的实验组最终开花总数比不加远红光的组多22朵，显然远红光对玫瑰花的开花数量有很大的促进作用，尤其是在红蓝光比为2∶1的条件下，这种促进作用更强。

图2 不同的光质对玫瑰开花数的影响：(a)不同比例的红蓝光组和对照组；(b)R∶B=2∶1有/无远红光组；(c)R∶B=6∶1有/无远红光组的开花总数；(d)不同实验组平均每株开花总数注：** p <0.01，*** p < 0.001，**** p < 0.0001。Fig.2 The effects of different light qualities on the number of rose blooms：(a)groups subjected to varying red-blue light ratios and the control group；(b)R∶B=2∶1 groups，with and without FR；(c)R∶B=6∶1 groups，with and without FR；(d)Aggregate bloom count per plant across different experimental groups

经过24 d的光照处理，不同光质对玫瑰开花数影响的统计学分析如图2(d)所示。在R∶B=2∶1+FR的光照条件下，平均每株玫瑰的开花数量最多，为19.33朵/株，显著高于其他组(p<0.05)。R∶B=2∶1、R∶B=6∶1以及氙灯对照组这三组的最终平均单株开花数均在11朵/株附近，分别为10.67朵/株、10.33朵/株和10.67朵/株。R∶B=6∶1+FR组的平均开花数为14.00朵/株，虽在绝对值上高于其他无远红光的组，但统计学上并无显著性差异。

3.2 不同的光质对玫瑰开花周期的影响

图3展示了不同光质条件下玫瑰花各期开花情况，纵坐标反映了每组的各期开花总数与实验结束时开花总数的比值。如图3(a)所示，在第1至第5个统计期间内，氙灯对照组和R∶B=2∶1、R∶B=6∶1这三组的开花总数与最终开花总数之比差异不明显。但从第6次统计期间开始(即光照第12 d)，R∶B=6∶1组的玫瑰花开花数与其他两组拉开距离，即R∶B=6∶1组的玫瑰花相对于其他两组先迎来了开花高峰期。从第7期开始，R∶B=2∶1组的玫瑰花当期开花总数与最终开花总数之比开始明显领先于对照组。从第9期开始，对照组的玫瑰花相对于其他两组开始迎来开花高峰期，其当期开花总数与最终开花总数之比值与其他两组值之间的差距开始明显缩小，最终达到相同。由此可见，R∶B=6∶1组的玫瑰花的开花高峰期最早，对照组的玫瑰花的开花高峰期最晚。

图3 不同的光质对玫瑰开花周期的影响：(a)不同比例的红蓝光组和对照组；(b)R∶B=2∶1有/无远红光组；(c)R∶B=6∶1有/无远红光组的各期开花总数/最终开花总数Fig.3 The effects of different light qualities on rose blooming cycles：The ratio of the aggregate bloom count at various stages to the final aggregate bloom count for (a)groups subjected to varying red-blue light ratios and the control group；(b)R∶B=2∶1 groups，with and without FR；(c)R∶B=6∶1 groups，with and without FR

图3(b)和图3(c)分别显示了在红蓝光配比为2∶1和6∶1的条件下，有无远红光对玫瑰花开花周期的影响情况。在R∶B=2∶1的光照条件下，从第6期开始，加远红光组的玫瑰花开始先于无远红光组开花，从第9期开始，无远红光组的当期玫瑰花开花总数与最终开花总数之比与有远红光组接近相同并开始反超。在R∶B=6∶1的光照条件下，从第3期开始，加远红光组的玫瑰花就开始先于无远红光组开花，在第8期开始，无远红光组当期玫瑰花开花总数与最终开花总数之比才开始与有远红光组的接近相同。通过上述分析，我们发现远红光可以促进玫瑰花提前开花，使玫瑰花的开花周期提前进入高峰期，在红蓝光配比为6∶1的条件下，远红光对玫瑰花开花周期提前的促进效果更加明显。

3.3 不同的光质对玫瑰新生花苞数的影响

为了探究不同光质对玫瑰花花苞生长的影响，我们对实验过程中每组新生的花苞数进行了统计与分析，结果如图4所示。在R∶B=2∶1+FR时，实验期间平均每株新生的花苞数最多，为21.17朵/株，与其他光照组相比均具有显著性差异，相比于未加远红光的R∶B=2∶1组新生花苞数多8.83朵/株。R∶B=6∶1+FR组的新生花苞数与未加远红光的R∶B=6∶1组、对照组相比具有显著性差异，相比于未加远红光的R∶B=6∶1组多4朵/株。这表明，远红光对玫瑰花在生长期间的花苞新生有显著的促进作用，尤其是在红蓝光比为2∶1的光照条件下。未加远红光的三组平均每株玫瑰花新生花苞数分别为11.17朵/株、12.33朵/株和11.67朵/株，三组之间均无显著性差异。

图4 不同的光质对玫瑰新生花苞数的影响注：* p <0.05，** p <0.01，*** p < 0.001，**** p < 0.0001。Fig.4 The effects of different light qualities on the number of new buds

4 结论

本研究比较了不同光质对玫瑰花生长调节的影响，结果表明，红蓝比2∶1和6∶1的LED光照组与氙灯对照组对玫瑰开花数量的影响无明显差异，而加有远红光组的玫瑰开花数明显增加，尤其是在红蓝比为2∶1时，远红光对开花数有显著性影响。这种实验现象表明远红光对玫瑰开花数量有很大的促进作用。

关于玫瑰开花周期，本研究结果表明相比于仿日光的氙灯，不同红蓝比的光照可以提前玫瑰开花周期，其中红蓝比6∶1的光照条件促进效果更强。结果还表明远红光进一步促使玫瑰提前进入开花高峰期，这与Runkle等[8]的研究结果相符合，即远红光可以使长日植物的开花期提前，玫瑰正是一种喜阳的长日植物。

关于玫瑰花苞新生情况，本研究结果表明，加有远红光组的玫瑰花苞新生数有显著性增加，尤其是在红蓝比6∶1补加远红光的条件下，对玫瑰新生花苞的促进效果最为显著。由此可见远红光对玫瑰花苞的新生也有一定的促进效果。

综合考虑不同光质LED光照对玫瑰花生长的影响，我们发现补加适当的远红光可以促进玫瑰开花数和新生花苞数，还可以使玫瑰提前进入开花期。Li等[9]的研究曾提出一种解释，远红光可能通过增大叶面积，提高光吸收和光合作用量，从而促进植物生长。国内外也有一些研究得出了相似的结论。盖淑杰等[10]研究发现，补加远红光(710 nm)可以有效调控番茄开花时间，缩短其生理周期，同时对番茄品质有较好的改善作用。李雅旻[11]研究发现，远红光补光能显著促进芥蓝生长，改变其植株形态，加速芥蓝从营养生长到生殖生长的进程，并且能显著增加芥蓝叶片中叶绿素的含量。本实验得出了远红光促进玫瑰花生长的结论，但实验设置的光照条件偏少，尤其对于远红光只设置了有/无两种情况。未来可以增设多种远红光与其他光的比例条件，探究不同比例的远红光对玫瑰花生长调节的影响，以更准确地找到最适合玫瑰花生长的光质条件。

综上所述，在本实验设置的光照条件中，红蓝比2∶1补加远红光的光照条件可以较好地提升玫瑰的开花数量和花苞新生数量，红蓝比6∶1补加远红光的光照条件对促进玫瑰开花周期提前的效果较好。本文研究结果可以为玫瑰花种植过程中光质条件的设置提供参考，也可以为LED在植物照明领域的应用提供一些经验。