LED紅藍組合光譜下強光照射時長及頻率對生菜生長及營養元素吸收的影響

邵明杰， 劉文科*， 周成波， 王 奇， 李寶石

1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所， 北京 100081 2. 農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室， 北京 100081

引 言

植物工廠作為一種新興的農業生產模式， 可實現工廠內光照、 溫度、 濕度、 二氧化碳濃度等環境因素人為調控， 使作物生長不受外界自然條件的影響， 被認為是21世紀解決人口、 資源、 環境問題的重要途徑[1]。 光是控制植物生長發育的重要環境因子之一， 對于人工光植物工廠， 人工光源的性能和供光策略對其作物生產和經濟效益具有重要影響。 近年來， 由于發光二極管(LED)具有窄波段、 高能效、 光譜光量任意可調等優勢， 在植物對人工光源組合光譜的生長反應研究中得到廣泛應用， 針對提高工廠生產率的新型動態LED照明策略的研究也日益深入[2]。

光譜組成是影響植物工廠內植物生長的重要光環境因子， 植物在全波譜的自然光下進化而來， 不同波段的光譜組成對植物的影響各不相同。 紅藍光譜作為植物光合色素光吸收的最大波段， 是植物光合作用的主要作用光譜， 在調節植物光形態建成和生長代謝方面起著重要作用[3-5]。 植物在單色光條件下往往無法正常生長發育， 而紅藍組合光被認為是適合植物生長的光。 基于紅藍光在植物生長發育中的不可或缺性和植物工廠目前發展面臨的光能耗過高問題， 探索LED紅藍光最優供光策略可為植物工廠系統能效的提高及廣泛應用提供科學的理論支撐。 目前對紅藍光在植物生長代謝過程中的相互作用關系尚不明確， 但已經有較多關于紅藍光不同照射模式對植物影響的研究。 例如， 有研究表明短期LED紅藍光連續光照可提高生菜產量和礦質元素含量， 而在相同的能量消耗和日累積光量(DLI)條件下， 紅光和藍光交替照射能顯著提高生菜的鮮重和干重[6-7]。 與紅藍光同時照射相比， 紅光延時照射可顯著促進生菜的生長， 說明光通量密度的日變化有助于促進植物生長[8]。 這些研究表明， 非連續供給的紅藍光如間歇供光、 交替供光能有效影響植物生長和生理過程， 并通過優化產量或品質達到提升植物工廠植物產出效益和光源電能利用率的目的。

生菜是一種世界性的葉菜類蔬菜， 具有很高的營養價值和經濟價值， 常被用作人工光源組合光譜生長反應研究的模式植物。 研究表明， 生菜的光飽和點低于其他蔬菜， 一般生菜在500～600 μmol·m-2·s-1的光強下生長會受到一定程度的光脅迫[9]。 在強光脅迫下， 植物吸收更多的光進行光合作用， 導致光能過剩。 光能系統中過量的激發能積累會引起光合作用的光抑制， 產生活性氧(ROS)。 有研究表明， 適度的強光照射是促進生菜抗氧化物質積累的潛在途徑。 Oh等研究發現， 與對照組相比， 在光強為800 μmol·m-2·s-1的強光下照射一天的生菜酚類化合物、 抗壞血酸、 類胡蘿卜素等營養物質含量顯著提高[10]。 Pérez-López等通過對綠葉和紫葉生菜進行試驗發現， 在收獲前施加四天的強光照射會增加兩種生菜的酚類化合物和抗氧化能力[11]。 因此推測， 在光期中間應用短時間的強光照射可以在保證作物產量的同時， 通過激活抗氧化物質合成提高植物營養品質。

營養元素含量是影響植物體內活性氧代謝和相應的清除系統的重要因素， 植物養分元素脅迫與活性氧代謝之間的關系近年來引起普遍關注[12]。 持續的強光照射下植物易出現葉片失綠、 壞死癥狀， 這與缺鎂誘導植物體內活性氧代謝失調有關， 缺鎂引起植物體內光氧化作用增強， 從而活性氧含量升高[13]。 強光脅迫下施加外源鈣提高了甜椒葉片中超氧化物歧化酶、 過氧化物酶、 過氧化氫酶等活性氧清除酶活性,有效地降低了活性氧積累所引起的傷害,對PSⅡ(光和系統Ⅱ)反應中心起到保護作用[14]。 營養元素的含量不僅是水培生菜重要的品質指標， 也是營養液配方管理的重要依據。 因此， 探究短時強光照射對植物營養元素吸收的影響， 有利于闡明強光傷害的機制， 并為短時強光照射在植物工廠中的合理應用提供參考。

本研究在環境可控的人工光植物工廠內， 采用波長分別為655和456 nm的紅藍組合LED光源， 運用電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)， 探究LED紅藍組合光譜下強光照射時長及頻率對生菜生長及礦質元素吸收的影響， 以期為植物光配方的探索提供新的研究思路。

1 實驗部分

1.1 材料

本研究包含兩個試驗， 均以紫珊生菜(LactucasativaL. cv. ‘Zishan’)為供試品種， 在中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所的人工光植物工廠內完成。 采用海綿塊(2.0 cm×2.0 cm×2.0 cm)育苗， 待幼苗長出兩葉一心時， 12個為一組分別移栽至裝有10L營養液的水培槽(50 cm×50 cm×5 cm)中并進行光照處理。 營養液采用霍格蘭配方(mmol·L-1)： 0.75 K2SO4， 0.5 KH2PO4， 0.1 KCl， 0.65 MgSO4·7H2O， 1.0×10-3H3BO3， 1.0×10-3MnSO4·H2O,1.0×10-4CuSO4·5H2O,1.0×10-3ZnSO4·7H2O,0.1 EDTA-Fe,5×10-6(NH4)6Mo7O24·4H2O， 3.0 Ca(NO3)2·4H2O (pH： 6.3； EC： 1.3 mS·cm-1)。 試驗期間植物工廠內溫度為(23±3) ℃,濕度為40%～50%， CO2濃度為環境CO2濃度。 LED燈采用無錫華兆泓光電科技有限公司研發的紅藍組合光強光質即時可調的植物生長燈， 燈板規格為50 cm×50 cm， 紅、 藍LED峰值波長分別為655和456 nm， 燈板與水培槽上方的距離均為45 cm。 采用LI-1500輻照度測量儀和LI-190R光合有效輻射傳感器測定并調節栽培槽中心上方5 cm處的光強和光質。

1.2 試驗設計

試驗一設置5個光處理： 光強為500 μmol·m-2·s-1的強光(high light， HL)分別在常規光照(150 μmol·m-2·s-1)的光期中間照射0 h(CK)， 0.5 h(HL0.5)， 1 h(HL1)， 2 h(HL2)和4 h(HL4)。 光質和光周期分別為4R∶1B， 16/8 h， 處理時間為20 d(見表1)。

表1 試驗一的光照處理方案Table 1 Light supply modes of experiment 1

試驗二設置4個交替光處理和1個常規光照處理(NL， 170 μmol·m-2·s-1)， 在交替光處理中， 1 h的強光(500 μmol·m-2·s-1)在光期內分別出現1次(A1)、 3次(A3)、 6次(A6)和12次(A12)， 將光強為150 μmol·m-2·s-1的光期分為相等的時間段。 光質和光周期分別為4R∶1B， 16/8 h， 處理時間為20天(見圖1)。

圖1 試驗二的光照處理方案Fig.1 Light supply modes of experiment 2

1.3 取樣與測定方法

光處理結束后， 每個處理隨機取3株生菜從莖基部分開， 用葉面積儀(LI-3100,Li-Cor Biosciences,Lincoln,Nebraska,USA)測量葉面積， 用分析天平稱取地上部和地下部鮮重， 將生菜105 ℃下殺青15 min， 80 ℃烘干至恒重， 稱取干重。

烘干后的植物樣品用組織研磨器研磨過篩后采用原子吸收分光光度計(ATC-006)和電感耦合等離子體質譜儀(ATC-155)測定K， P， Ca， Mg， Fe， Mn， Cu和Zn的含量。 具體步驟為： 精確稱取0.3 g研磨過篩后的樣品于消煮管中， 加入60%高氯酸和濃硝酸的混合酸于180 ℃加熱>12 h， 消解后加10 mL的體積比1∶1 HCl， 最后定容到50 mL容量瓶， 上機測定。 生菜樣品中的C和N含量采用燃燒-同位素分析法進行測定。 樣品利用vario PYRO cube元素分析儀在填充有氧化銅的氧化管中(920 ℃)燃燒， 燃燒后形成的氣體在填有還原銅的管內還原為N2和CO2(650 ℃)。 隨后， N2和CO2通過氦載氣流經吸附與解吸附柱分離， 然后再進入同位素質譜儀(IRMS)進行同位素分析[15]。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對數據進行處理， 采用SPSS 25.0統計分析軟件對數據進行差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)。

2 結果與討論

2.1 強光照射時長對生菜生長的影響

由表2可知， 隨著強光照射時長增加， 生菜地上部鮮重先增大后減小。 與CK處理相比， HL1和HL2處理下生菜地上部鮮重分別提高了21%和12%。 此外， 與HL0.5和HL4處理相比， HL1處理下生菜的葉面積和地上部鮮重顯著增加且根冠比顯著降低。 各處理下生菜地上部干重差異不顯著。 結果表明， 短期的強光照射可以在不增加能耗的情況下提高生菜產量。 HL4處理下生菜根重和根冠比較高， 地上部鮮重最低， 葉面積最小， 這與之前的研究一致， 即在強光脅迫下生長的生菜根系鮮重和干重顯著增加， 而葉面積減少[10]。 植物的生長在很大程度上依賴于植物的光截獲和DLI[16]。 對于植物將更多的生物量分配到地上部而不是根部對增加光截獲率， 提高生長速度具有重要意義[17]。 生物量分配不合理， 葉片厚度增加， 必然導致光截獲率降低， 這可能是生菜地上部鮮重沒有隨著強光照射時長增加而持續增加的原因。 而短時間強光照射下生菜葉面積和地上部鮮重的增加可能是光合速率隨DLI的增加而增加的結果。 另一方面， 葉面積的變化直接影響光截獲， 本試驗中生菜地上部鮮重的變化趨勢與葉面積的變化趨勢一致， 說明隨著強光照射時間的增加生菜葉面積減小， 葉片厚度增加。 因此， 短時間的強光照射可以提高生菜產量， 而過長時間的強光照射可以通過減少葉面積來抑制生菜的生長， 從而降低產量。

表2 強光照射時長對生菜生長的影響Table 2 Effects of high light duration on the growth of lettuce

2.2 強光照射時長對生菜營養元素含量和累積量的影響

表3和表4分別為5個強光時長處理下生菜礦質元素的含量和累積量， 可以看出生菜礦質元素含量隨強光照射時長的增加無明顯的變化趨勢。 HL2處理下生菜中N， P， Fe， Cu和Zn的含量均低于其他處理。 CK處理下生菜K， Mg和Mn的含量均低于其他處理， Cu和Zn的含量均高于其他處理。 HL0.5處理下生菜P， Ca， Mg和Mn元素含量最高。 由表4可以看出， 生菜的大中量元素(N， C， P， K， Ca， Mg)的累積量均隨著強光照射時長的增加呈現先增加后降低的趨勢， HL2處理下生菜的大中量元素累積量最高， CK處理下最低。 相比于CK處理， HL1處理顯著提高生菜的Fe累積量， HL0.5和HL2處理顯著提高生菜的Mn累積量， HL0.5， HL2和HL4處理顯著降低生菜的Cu累積量， 各處理下生菜Zn的累積量均無顯著差異。 本研究中生菜的大中量元素累積量和其地上部生物量一樣， 隨強光照射時間的延長有先增加后降低的趨勢， 表明強光照射下生菜養分累積量受地上部干重的影響， 光照可以同時影響植物營養元素含量和生物量， 進而影響其營養元素的累積量。 強光照射時間過長會導致植物體內產生過多的活性氧(ROS)， 無法被清除的ROS會引起植物體內生物大分子的損傷， 并改變植物細胞生物膜流動性、 離子運輸等基本特性[18]， 進而影響營養元素的累積， 而生菜體內營養元素含量降低會進一步加劇光合活性的降低和光合器官的傷害。 因此， 提高營養液濃度可能是提高強光照射下生菜產量的重要手段。

表3 強光照射時長對生菜營養元素含量的影響Table 3 Effects of high light duration on the nutrient contents of lettuce

表4 強光照射時長對生菜營養元素累積量的影響Table 4 Effects of high light duration on nutrient accumulations of lettuce

2.3 強光照射頻率對生菜生長的影響

如表5所示， 在CK， A3和A12處理下生菜地上部鮮重顯著高于A6。 與A6處理相比， A1， A3和A12處理顯著增加了生菜的葉面積， 而A6處理下生菜根冠比最高， 比其他處理提高了37%～47%。 不同處理間生菜的地上部干重、 地下部干鮮重和比葉重無顯著性差異。 雖然試驗一已經證實， 短時間的強光照射可以促進生菜的生長， 但試驗二的結果表明， 當強光時長被分成幾個更短的區段進行交替照射時， 其對生菜生長的影響非常小， 這可能是因為光形態反應需要長時間的照射才能完全表達[20]。

表5 強光照射頻率對生菜生長的影響Table 5 Effects of alternating frequencies of high light on the growth of lettuce

2.4 強光照射頻率對生菜營養元素含量和累積量的影響

表6和表7分別為5個處理下生菜營養元素的含量和累積量。 與NL處理相比， 交替光處理下生菜C元素含量顯著增加， A3處理下生菜N和Fe元素的含量顯著增加， A6處理下生菜Mn元素的含量顯著增加， 而A6和A12處理下生菜Ca元素的含量顯著降低。 各處理間生菜P， K， Mg， Cu和Zn各元素的含量均無顯著差異。 NL處理下生菜的Ca， Cu和Zn各元素累積量最高， 生菜的其他元素累積量在A1處理下最高， 且各處理間生菜營養元素累積量無顯著差異。

表6 強光照射頻率對生菜營養元素含量的影響Table 6 Effects of alternating frequencies of high light on the nutrient contents of lettuce

表7 強光照射頻率對生菜營養元素累積量的影響Table 7 Effects of alternating frequencies of high light on nutrient accumulations of lettuce

3 結 論

在光期中間進行短時間的強光照射不僅有利于生菜產量的增加， 也有利于營養元素的累積。 但是， 當強光照射時間過長， 生菜生物量顯著降低， 營養元素累積量也呈下降趨勢。 在DLI相同的條件下， 將短時間的強光分開進行強弱光交替照射， 顯著提高了生菜的C元素含量， 但是對生菜生物量的累積和其他營養元素的吸收沒有顯著影響。 因此， 在實際生產中在光期中間進行短時間連續的強光照射是提高生菜產量的有效手段。