LED光對溫室植物生長的影響

摘要 研究紅色LED、藍色LED和白色LED組合光源對室內種植蔬菜生長的影響以及光的強度、光的照射時間對植物的營養成分的影響，同時研究3種不同的光對生菜的生物量、葉綠素、胡蘿卜素、可溶性蛋白和糖和硝酸鹽的含量影響以及市場對生菜外觀質感的評價。對比可溶性糖、可溶性蛋白、硝酸鹽在3種不同的光照后，葉綠素、胡蘿卜素和可溶性蛋白的含量隨這3種光的反映程度。研究結果表明，適當地補充特種光譜和光輻射，可以提高植物的產量和質量；在紅藍白LED照射后的生菜的營養價值更豐富。

關鍵詞 紅藍白LED；紅藍LED；熒光燈；生菜的營養值

中圖分類號 S26+8 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）25-08494-03

Abstract Effects of red， blue and white LED light on vegetable growth， the light intensity and and irradiation time on plant nutrition components， as well as effects of three lights on biomass， chlorophyll， carotene， soluble protein， sugar and nitrates were studied， the appearance of market on lettuce was evaluated. The results showed that appropriately adding special spectrum and light radiation can enhance plants’ yield and quality， the nutritional value of lettuce is more abundant after irradiated by RBW LED light.

Key words RBW LED light； RB LED light； Fluorescent lamp； The nutritional value of lettuce

LED可發出專一波長的窄譜單色光。目前已實現的波長范圍囊括了從UVC到紅外光（250～1 000 nm），單色LED光源的波長專一、光色純正。同時，LED可發出光譜的波段十分豐富，易于組合成復合光質。伴隨LED制造成本的下降，LED已變成用于低強度（光周期）和高強度（光合性）補光的優勢光源。LED可發出多種波段的光，特別是使各種波長的光組合對植物生長發育影響的研究成為可能，最后可獲得植物生長的最理想的光譜。采用人工光源補光來調控設施光環境（光強、光質和光周期），提高作物的光合速率，增加葉面積，促進作物生長，達到增產、高效、優質、抗病的目的。

不同的植物對光的反應有相當大的差異。目前只探討某一波段的波譜對某一特定的植物對光的量和波長需求和反映。紅光是提供植物生長和光合作用的最基本的成分之一，然而不同波長的紅光對植物生長的影響是不同的。研究表明，紅光在660、670、680、690 nm等波長段的LED燈質對生菜生長發育的調控。紅光LED從660～690 nm波長的光對植物的生物量和產量增加有非常大的影響。但是，Kim等[1]研究認為，單獨LED紅光或+LED遠紅外光處理下菊花組培苗莖過分伸長導致莖稈脆弱，其他重要指標也降低了。Whitelam等[2]研究認為，藍光直接或間接影響植物胚軸的伸長、酶的調節和合成、氣孔的張開、葉綠體的成熟和光形態建成。Tanaka等[3]研究發現，LED紅光促進了蘭花葉片的生長，但降低了葉綠素的含量，而藍光LED逆轉了這個效應。Moon等[4]研究認為，在LED紅藍復合光照下，植物的根數、鮮重和葉綠素含量綜合指標明顯好于單色LED和熒光燈處理，認為LED紅藍光組合可以通過增加凈光合速率以提高植物生長和發育。Johkan等[5]研究藍光、紅光、紅藍光對生菜的生長和產量的影響，發現采用藍光育苗可促進生菜移栽后的生長；紅光LED處理后，與白色熒光燈相比，生菜苗的葉面積和地上部鮮重增加了33%和25%，藍光處理生菜葉面積和鮮重降低了；無論是藍光還是紅光LED處理，生菜葉綠素總量低于熒光燈處理，而葉綠素a和葉綠素b比率、類胡蘿卜素含量在藍光處理下增加了。這是由于移栽前地上部和根部生物量高、光合色素含量高、抗氧化活性高，說明藍光LED培育的生菜苗形態緊湊益于移栽。

可溶性糖和可溶性蛋白質含量是蔬菜重要的營養品質指標。通常，紅光可促進作物可溶性糖的含量，但顯著抑制可溶性蛋白的合成。藍光處理下的作物蛋白質含量顯著高于白光和紅光處理，藍光促進蛋白質的合成，同時阻止蛋白質的喪失。葉綠素和胡蘿卜素在400～500和630～680 nm都具有高吸收性能，在530～610 nm吸收光性低。盡管所有的試驗都在相同的光通強度下卻得到不同的光的吸收量，植物表現出相似的吸收。應用光通強度在（210 mol/（m2·s）），已經達到某種最小的光通強度值，滿足最基本的光合葉綠素的合成。Saebo等[6]研究表明，植物較少的葉綠素含量似乎比更多的葉綠素含量對人體的吸收效率高。Goins等[7]認為，遠紅外LED（700～725 nm）超遠光合作用的區域對蔬菜（萵苣類）結合白色的熒光燈沒有明顯的影響。但，LED降低了葉綠素、花青素和胡蘿卜素的濃度，適時利用藍光對植物生長大有益處，如藍色光（440～476 nm）對植物生長和外觀的作用、形態的影響，集中反映在紅色的LED用藍色的LED補充，可以提高綠色植物的抗氧化性，提高多酚、VC、胡蘿卜素和花青素的含量，提高葉片的著色。同時，如果生菜在成熟前7 d，用LED 638 nm的光（補充自然光），增加了蔬菜的抗氧化能力，也提高了花青素、葉黃素的含量和VC，同時減少了硝酸鹽含量。

植物對可見光的吸收主要集中在400～510 nm的藍紫區和610～720 nm的紅橙區，因此使用紅色和藍色LED即可培養菠菜、草莓、辣椒等多種蔬菜。但，未見到利用LED組合和交替對生菜的栽培試驗。生菜是重要的鮮食蔬菜；生菜是較適宜的太空食物，可食率高，垃圾產生率低；生菜品種多樣，生長速率快，易于水培生長，葉色有綠色、紅色、紫色等，既有皺葉型又有平滑葉型；植物化學物質累積上具有可調性，如硝酸鹽含量指標。因此，筆者采用生菜，研究不同LED組合、在生長不同時間段對其產量和營養含量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置設計

將生菜種子放在2.5 cm*2.5 cm*3.0 cm的巖棉盒子里，水培養使其發芽，在白色的熒光燈下照射，放在室內環境中15 d，光的強度控制在100 μmol/（m2·s），溫度控制在24 ℃下（14 h/d）。在5葉期后，將種子放在聚苯乙烯容器（59.0 cm*48.0 cm*9.7 cm）中，充滿營養液，然后頂上放有8個洞的塑料板。營養液每周更換1次，營養液的pH 6，電導率0.011 s/m，光周期一般為16 h。在整個實驗過程中，空氣溫度保持在20～24 ℃，相對濕度75%，CO2水平保持在900 μmol/mol。

1.2 光的處理

3個經濟光源交替使用：①紅藍（RB）LED燈；②紅藍白（RBW）LED燈；③熒光燈。3種光源分別是在各自的最大光合作用的效率之內，盒子中水平安置一個校準光譜儀掃描儀，掃描范圍在LED 燈的400～700 nm，步長為2 nm。傳感器放在容器的玻璃蓋子上，每次對盒子中植物進行處理，記錄植物冠層的頻譜，在B和R 光譜500～600 nm范圍RBW LED燈峰值輸出。所有的工作過程保持在16 h光周期/8 h暗周期，具有相同光強的白色熒光燈在植物冠層測得210 mol/（m2·s），播種后35 d收獲。這個試驗分2次、隨機的、分別獨立完成，一共測量16株植物（每次8株）。

1.3 植物生長的測量

測量綠色幼苗上部質量、根部質量、烘干后的幼苗質量、干根的質量、烘干的苗/根的質量、葉片的面積、指定的葉片面積。在稱重前，將植物組織樣本放在70 ℃干燥爐上48 h，測定葉綠素和胡蘿卜素的含量。

2 結果分析

2.1 植物的生長形態和葉綠素含量

從表1可以看出，光譜處理后的生菜生物量顯示了植物在接受不同的光后的反應值。在紅藍白LED照射下，鮮重和干重的苗以及鮮重和干重的根均是最大，在紅藍LED照射下均是最小。在紅藍白LED照射下，鮮苗的質量明顯比在熒光燈下照射的重10%。植物在紅藍白LED照射下（16.3，葉苗/干的每棵根）比在紅藍LED（12.8）和熒光（12.3）照射下高。總體生菜葉片的面積在這3種光照射后（與正常生長比）是減少的。但是，在熒光下又比在紅藍光下高很多。此外，在紅藍白LED照射下，生菜外觀感覺結實，在紅藍LED照射后看起來菜比較矮小，有2株甚至嚴重萎縮了。但是，也看到經過這些光處理后的生菜葉綠素a含量均高于葉綠素b含量。但是，無論哪種光譜照射，各種葉綠素和胡蘿卜素沒有明顯的差異。

2.2 生菜的營養品質 從表2可以看出，各種光照射下可溶性蛋白含量幾乎沒有變化。而可溶性糖和硝酸鹽含量受光的影響很大，可溶性糖含量在紅藍白LED照射下最高，其次在熒光照射下，最后在紅藍光照射下。另一方面，在紅藍白LED照射下，該生菜硝酸鹽含量顯著低于在紅藍LED照射的和熒光。

2.3 感官鑒定

顏色、形狀、甜、脆是市場上對生菜質量的主要評價因素。感官評價是由市場推銷員和連鎖調配中心的采購成員組成的，口感和視覺效果的是由寧波M6連鎖中心的配貨員所描述的。在紅藍白LED照射后的生菜所有參數最高。如果劃分1～6等級，則可以達到5.0～5.5，熒光照射參數最低4.5。據觀察，在紅藍白LED和熒光照射下，上面提到的4個外觀參數均超過均分（假設均分是3），而紅藍LED照射的不被看好。

2.4 紅藍白LED對生菜產量和質量的影響

考察了不同的光譜在相同的環境中對生菜的產量和質量的影響。研究表明，在熒光照射下的生菜嚴重松、謝、軟、肥大。從表1可以看出，生菜的葉和根在紅藍白LED和熒光照射后明顯比在紅藍LED照射大。但是，植物的苗在紅藍白LED和紅藍LED的分別照射下，外觀結實；而白色的LED可以促進植物的生長，由于白色的LED光可以穿透植物的冠層，比紅藍光更有利于植物的光合作用。紅藍白LED光照射可平衡光譜的環境，有利于補充白光（210 mol/（m2·s PFD））對植物生長的輔助。在紅藍白LED光照射下，生菜葉的生物量顯著的增加。光合作用與照射到葉片表面光合輻射有關。從果實被遮光降低VC含量方面，更能有效說明果實中的VC代謝依賴于葉片的光照。相反，在光照射很少的情況下，剛發芽幼苗的莖會生長得很快，但是它的根發育不良。這將不能給今后葉苗的生長提供充足的營養。這也表明光通量直接影響植物根的生長。試驗中，紅藍LED光照射比在熒光照射生長發育差。在藍色的LED照射下，葉片面積擴大，葉片面積的生物量提高。不過，在藍色LED照射下，干苗質量比白LED照射輕。如果僅暴露在紅色LED的光下，植物莖的生長和生物量都將被削弱。試驗中，紅藍LED光照射生長發育比熒光照射差，表明植物對光反應的依賴性。

2.5 紅藍白LED對生菜營養成分的影響

從表1可以看出，在所有的光譜照射下，葉綠素a綜合反映比葉綠素b強，也就是說葉綠素a的分子更容易接受光合作用。研究中，盡管葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）和胡蘿卜素含量統計不存在差異，但是葉綠素和胡蘿卜素含量在紅藍白LED光照射下最低。同時，經過紅藍白LED生菜的胡蘿卜素含量比紅藍LED燈照射充足得多。植物葉綠素有特定的波長吸收模式。植物葉綠素產生的生物合成波長所涉及的波就是吸收光譜。葉綠素和胡蘿卜素在400～500和630～680 nm都具有高吸收性能。盡管所有的試驗都在相同的光通強度下，但得到不同的光的吸收量，植物表現出相似的吸收。應用光通強度在（210 mol/（m2·s）），已經達到某種最小的光通強度值。這滿足最基本的光合葉綠素的合成。也有報道表明，植物較少的葉綠素含量似乎比更多的葉綠素含量對人體的吸收效率高。

從表2可以看出，不同光照處理的生菜硝酸鹽的積累存在非常大的差異。紅藍LED光可以刺激植物的生命活力和硝酸鹽的攝取燈光，可以刺激高等植物的硝酸還原酶的更新和合成，并且糖可以替代燈光，誘導硝酸還原酶的信使，增加RNA的積累。因此，輔助添加紅到藍（500～600 nm）的廣譜光能源的照射，可以提高糖的積累，紅藍白LED處理可分解硝酸鹽。研究還表明，生菜（萵苣）類植物在紅藍白LED光下有最高的可溶性糖含量，在此條件下這類植物有利于積累可溶性糖。在紅藍白LED光和熒光下生長的生菜整體明顯有著較高的感官評價，尤其口感脆。但是，這類植物葉片可溶性蛋白含量在所有的光照下均無顯著差異。這表明光譜可能不利于蛋白質合成，也有可能該項研究評估的光照參數不適合生菜類植物的可溶性蛋白的合成。但是，降低蔬菜中亞硝酸鹽的含量，提高蔬菜質量是相當明確的。

3 結論與討論

研究表明，一些經過特定LED光線照射后的蔬菜營養、產量和商業價值有所改變。在特定的LED燈照射后，可以提高蔬菜的新陳代謝系統。光合作用能量主要是積聚在植物葉片上，影響最敏感的產物是糖，而糖又是其他營養質量和含量的導火索，而且是參與生命過程、調節分子的新陳代謝的主要信號。可溶性糖的含量高，是由于它是食物質量的重要參數。該研究是為了開發一種新的LED植物蔬菜生長的優化裝置，以期找到一種適合植物生長的足夠強度的LED，使得菊科萵苣屬的這類蔬菜生長得更健康，周期更短，產量更高。研究還表明，紅藍白LED對這一屬的蔬菜有著許多正面效應。利用家庭廚房廢水，加入一定的市場上銷售的無土栽培營養液，可以滿足高品質、新鮮的需求，同時滿足大規模的商業化車間生產的要求。

參考文獻

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