白蓝LED补光对温室甜瓜幼苗生长发育的影响

李志鑫李松霖成杰杨延杰闫征南

(1.青岛农业大学园艺学院，山东 青岛 266109；2.东北农业大学园艺园林学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

甜瓜(Cucumis melon)是喜光作物，充足的光照能够提高甜瓜的产量和品质。然而，近年来雾霾和阴雨天气频发，设施内光照不足，严重影响设施内甜瓜的产量和品质[1]。人工补光能够弥补自然光照的不足，更高效地补充植物生长发育所需的光合辐射[2]。前人研究表明，对设施番茄和黄瓜幼苗进行补光能够减少苗期徒长现象，显著提高作物品质及产量[3]。因此，在甜瓜育苗关键时期人工补光，可为甜瓜壮苗培育提供有利条件。特别是在弱光区域或季节，设施甜瓜栽培对补光的需求更加迫切[4]。

传统的人工补光光源主要有荧光灯、白炽灯和高压钠灯等，但这些光源均存在光效低和能耗大等缺点，能耗费用往往达到系统运行成本的40%以上[5]。因此，筛选能耗低、高效节能的补光方式尤为重要。与传统光源相比，LED具有节能、光谱可调、良好的点光源性以及冷光性等特点[6]，现已应用于设施农业生产中。植物的干物质积累主要来自于光合作用，而光合作用又受光质的影响[7]。蓝光处理下幼苗具有较高的根冠比和根系活力[8]，且叶绿素含量增加[9]，光合作用增强，地上部生长旺盛，下胚轴伸长受到抑制[10]。白色LED具有节能环保、发光效率高等优势，如何将蓝、白两种LED光源进行合理配比实现产投比最大化，仍需进一步研究。因此，本研究以温室自然光为对照，研究不同白、蓝LED条件下蓝光比例对甜瓜幼苗生长发育的影响，旨在探究适宜秋冬或早春季节甜瓜幼苗生长的光照环境，为蔬菜幼苗光环境调控策略提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试甜瓜品种为“日本甜宝王”，由福州金万豪科技有限公司提供。将甜瓜种子播种于72孔穴盘中进行育苗，育苗基质为草炭＋蛭石＋珍珠岩(3∶1∶1，体积比)。育苗期间浇灌霍格兰营养液，EC值控制在2.0～2.4 mS/cm，pH值调整在6.0～6.5。

LED灯具由潍坊恒信电器有限公司提供，其中白色与蓝色LED光谱分布如图1所示。

图1 白色(左)和蓝色(右)LED光源的光谱分布

1.2 试验方法

试验于2021年3—4月在青岛农业大学智能温室内进行，温室温度控制在18～25℃，相对湿度为60%～70%。试验期间温室内日累积光照量约为7.0 mol/(m2·d)，根据甜瓜幼苗适宜的日累积光照量和前人研究[11]确定补光强度和补光时长分别为106μmol/(m2·s)和10 h/d。采用白色LED或白蓝LED组合进行补光，设置蓝光比例分别为28.5%(W)、38.5%(WB10)、48.5%(WB20)、58.5%(WB30)和68.5%(WB40)，以温室自然光为对照(CK)。

1.3 测定项目与方法

待甜瓜幼苗长至两叶一心时，每个处理随机选取6株长势均匀的幼苗，分别测量其株高、茎粗、下胚轴长和叶面积，并将地上部和地下部分开后测量鲜重，烘干后分别测量干重，然后按公式(1)计算壮苗指数。使用扫描仪(Version 2016a，Regent Instruments Inc.，Quebec，QC，Canada)对幼苗根系进行扫描，测根表面积和体积。甜瓜幼苗叶片的过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性分别使用愈创木酚法[12]和氮蓝四唑(NBT)法测定[13]。

1.4 数据统计与分析

数据处理和图表制作使用Microsoft Excel 2019进行，数据统计分析使用DPS软件完成，多重比较基于LSD(least-significant difference)法进行(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同比例蓝光对甜瓜幼苗形态的影响

除蓝光比例为28.5%(W)处理增加甜瓜幼苗株高外，补光处理均降低株高、下胚轴长，提高茎粗和总叶面积，且随着补光光源中蓝光比例的增加，甜瓜幼苗的茎粗和总叶面积呈先增加后降低的趋势(表1)。其中，W、W20和W30的茎粗与CK差异显著，分别高于CK 13.3%、30.0%和16.7%；WB10、WB20的总叶面积显著高于CK，分别高27.6%和33.8%；WB10—WB40处理的下胚轴长均显著低于CK，降幅为18.2%～36.4%，以WB30处理的下胚轴长下降最多。

表1 不同比例蓝光对甜瓜幼苗形态的影响

2.2 不同比例蓝光对甜瓜幼苗生物量的影响

温室补光能显著提高甜瓜幼苗地上部和地下部干重和鲜重，且随蓝光比例的增加有降-升-降的变化趋势(表2)。其中，WB20的地上部鲜重较高，地上部干重最高，分别比CK高34.7%和81.1%；而WB30的地下部鲜重干重均最高，分别高于CK 81.1%和138.9%。

表2 不同比例蓝光对甜瓜幼苗生物量的影响 (g/株)

2.3 不同比例蓝光对甜瓜幼苗根系发育的影响

补充38.5%(WB10)、48.5%(WB20)和58.5%(WB30)蓝光处理下甜瓜幼苗根系与CK相比发育更好，根毛发育更优，长度更长(图2)。补充58.5%(WB30)蓝光处理下甜瓜幼苗根系表面积和体积最大，分别比CK增加66.8%和50.0%；补充48.5%(WB20)蓝光的甜瓜幼苗根系表面积和体积也较大，分别比CK增加38.2%和41.7%。

图2 不同比例蓝光对甜瓜幼苗根系发育的影响

2.4 不同比例蓝光对甜瓜幼苗壮苗指数的影响

补光能提高温室甜瓜幼苗的壮苗指数，其中，蓝光补光比例为48.5%(WB20)和58.5%(WB30)处理下壮苗指数显著高于其他处理，与W相比分别提高36.7%和32.1%，与CK相比分别提高125.8%和118.2%；蓝光比例为38.5%(WB10)和68.5%(WB40)时壮苗指数与W无显著性差异(图3)。

图3 不同比例蓝光对甜瓜幼苗壮苗指数的影响

2.5 不同比例蓝光对甜瓜幼苗SOD和POD活性的影响

整体来说，甜瓜幼苗的SOD和POD活性随着补充蓝光比例的增加呈现先增加后降低的趋势(图4)。补充蓝光38.5%(WB10)时，SOD活性最高，比CK显著增加28.5%。补充蓝光48.5%(WB20)、58.5%(WB30)时，POD活性显著高于其他处理，分别比CK显著增加130.8%和197.2%。

图4 不同比例蓝光对甜瓜幼苗生理指标的影响

3 讨论与结论

在蔬菜幼苗生长过程中，弱光胁迫会导致幼苗徒长并延长生长周期，不利于有机物在植物叶片和根系中的积累，导致下胚轴过长或茎过细，降低蔬菜幼苗质量，进而影响后期的产量和品质。补光能够显著改善蔬菜幼苗根系形态，促进蔬菜幼苗地上部生长，增加植株生物量和营养物质的积累，提高壮苗指数[14]；同时，SOD活性受外源激素的调节，且与植物的抗逆性紧密相关，植物体可通过增加体内SOD、POD等抗氧化酶活性，加快活性氧的清除，从而维持植物体内活性氧代谢平衡，减少逆境胁迫对植物体的伤害[15，16]。前人研究表明，补充黄光有利于提高番茄壮苗指数，而补充红蓝光更有利于茄子、辣椒和黄瓜壮苗的生产[17]。补充蓝光可以有效地提高壮苗指数和植株的干鲜重，抑制幼苗徒长，提高其抗逆性[18，19]；同时，蓝光还具有促进线粒体的暗呼吸及氮代谢的作用[20]。

本试验结果也表明，补充适当比例的蓝光能够促进温室甜瓜幼苗生长发育，抑制下胚轴伸长，促进地上、地下部干物质积累，提高根系表面积和体积及壮苗指数，并提高SOD和POD活性，从而提升甜瓜幼苗的整体素质。地上部质量提高有利于幼苗光合作用，缩短有机物积累时间；而根系发育良好能够增加根系与基质的接触面积，增强离子交换能力，更好地吸收利用水分和营养物质，有利于甜瓜后期保持良好的生长形态，对提高甜瓜品质和产量具有积极作用[21]。但蓝光比例过高也会对甜瓜幼苗的生长发育产生不利影响，导致壮苗指数下降。综合分析，在本试验条件下，蓝光比例为48.5%(WB20)和58.5%(WB30)时，壮苗指数增加125.8%和118.2%，下胚轴长降低31.8%和36.4%，减少了甜瓜幼苗在弱光环境中徒长现象的发生。因此，48.5%～58.5%比例的蓝光补光有利于培育优质甜瓜幼苗，适宜早春季节甜瓜壮苗的生产。

此外，本试验补光时长由前期研究确定[22]，为10 h/d；补光时间的确定由光强决定，即每天中当光照强度高于200μmol/(m2·s)时停止补光；通过程序设置补光灯自动开启，对甜瓜幼苗进行补光。采取这种补光模式既满足了甜瓜幼苗的光照时间要求，又有效利用了早春时期有效太阳光照时间，有利于提高光能利用效率。