不同光質(zhì)配比對水培牧草大麥生長的影響

楊金鈺，孫九勝，喬小燕，槐國龍

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091）

0 引言

【研究意義】光質(zhì)、光強、光周期是光環(huán)境的關(guān)鍵組成部分，三者均可對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生顯著影響。光質(zhì)是對植物生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成有生理作用的光照波段，對植物的生長、形態(tài)建成、物質(zhì)代謝及基因表達等均具有調(diào)控作用。不同波長的LED 光源可以與植物光形態(tài)建成的光譜范圍吻合，具有光譜性能好、光效高、發(fā)熱少、體積較小和壽命長等諸多傳統(tǒng)光源無可比擬的優(yōu)勢，適用于可控設(shè)施環(huán)境中的植物栽培。研究不同LED光質(zhì)對植物生長發(fā)育的影響，實現(xiàn)對人工光源下植物的生長及形態(tài)建成的調(diào)控，對可控環(huán)境栽培作物的研究中具有重要意義。【前人研究進展】400～510 nm 的藍紫光區(qū)和610～720 nm的紅橙光區(qū)，被認(rèn)為是影響植物光合作用和形態(tài)建成的主要光譜范圍；紅藍光譜是植物光合作用的主要作用光譜，光合作用相對量子效率較高。紅光和藍光作為植物葉片葉綠素吸收最多的光質(zhì)，較其他波段光質(zhì)對光合的作用更為有效[1]。植物吸收紅藍光占總吸收光的90%以上[2]，紅藍光極大程度地影響著植物的生長和形態(tài)[3]。對于草莓苗、離體培養(yǎng)油菜籽（Brassica napusL.）和黃瓜苗最優(yōu)的的紅藍配比分別為7/3[4-6]。不同光質(zhì)LED 對植株形態(tài)建成的影響不同。紅光LED表現(xiàn)為促進植株的生長，而藍光LED可使植株生長的較為矮壯。紅藍混合光較純藍或純紅光處理可以提高Pn和干重[7-11]。小麥雖然在單色紅光下能夠完成生命周期，但要獲得較高的干物質(zhì)、光合速率和氣孔導(dǎo)度需補充藍光。1%的藍光補充可滿足莖葉和旗葉生長，10%的藍光補充可獲得相同相同數(shù)量的分蘗[8]。藍光能夠提高小麥葉片的CAT 活性，延緩葉片衰老[12]。生理特征變化（葉片光合作用）和形態(tài)特征（葉片發(fā)育）是紅藍光調(diào)節(jié)下提高生物量的重要機制，但不同作物間存在差異。【本研究切入點】目前，關(guān)于各種農(nóng)作物谷物的最佳生長光質(zhì)環(huán)境條件的研究較少，已有的研究表明LED 是谷類作物栽培的有效光源，并且可以通過改變LED光源的光質(zhì)和數(shù)量來優(yōu)化生長條件、調(diào)控代謝、產(chǎn)量和品質(zhì)。大麥幼苗蛋白質(zhì)高、氨基酸組成豐富，且富含礦物質(zhì)、維生素和代謝活性酶，莖葉柔嫩多汁，氣味芬芳，適口性好，易消化，是優(yōu)質(zhì)的青飼料[13]。人工光水培大麥技術(shù)的開發(fā)和利用，為解決集約化養(yǎng)殖中青綠飼料供應(yīng)不足，以及克服高寒高海拔地區(qū)光照資源利用不充分、冷季飼草短缺難題提供了新的途徑。較高的光源耗電量以及由光源散發(fā)熱量導(dǎo)致的降溫耗電量增加了運行成本。LED 光源能夠在一定程度上促進植物的生長，提高植物的產(chǎn)量、品質(zhì)和有效成分含量，以及改變某些植物的性狀。不同植物栽培生產(chǎn)中追求目的不同，其適合的光源條件也有所差異。現(xiàn)有研究尚未得出不同的光質(zhì)處理下，水培大麥的生長性狀變化，以及最為合適的光質(zhì)參數(shù)。還需研究提高光能利用率和大麥草的生長速率，以實現(xiàn)節(jié)能高效生產(chǎn)。【擬解決的關(guān)鍵問題】以水培牧草大麥為研究對象，分別用LED 白光、LED 藍光及LED 紅藍光配合進行處理，測定一個生長周期下大麥的株高、根長、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量。通過調(diào)節(jié)LED 光源的光質(zhì)配比，研究不同光質(zhì)對大麥的生長變化的影響，為實現(xiàn)人工光源在水培牧草領(lǐng)域的高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試大麥種子為春性二棱大麥（Hordeum distichum）。采用設(shè)計試制的新型牧草水培設(shè)備，箱體占地1.4m2，內(nèi)設(shè)溫度、噴水、光照、通風(fēng)、排水等智能控制系統(tǒng)。光源采用LED紅藍1：1組合、藍、白三種光質(zhì)。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

大麥種子的水培過程分兩個階段，萌發(fā)期為3 d，然后在可控條件下水培箱內(nèi)培養(yǎng)6 d。稱取大麥種0.4 kg，經(jīng)清洗消毒后，置入長44 cm，寬34 cm 的育芽苗盤中，將種子鋪設(shè)均勻。萌發(fā)期溫度設(shè)為28℃，無光照。培養(yǎng)期溫度設(shè)為26℃，每4 h通過智能控制系統(tǒng)噴淋水60s，光照周期為4 h，光強為10 000 lx。每個處理6次重復(fù)。

1.2.2 測定指標(biāo)

完成水培周期的第6 d測定。

株高：采用5點法抽取每個重復(fù)處理的10株大麥，從育苗盤中分離出來，剪下根部將植株固定拉直，用刻度尺測量從主莖基部到葉尖頂部長度。

根長：用鑷子將根系擺放整齊并固定、拉直，用刻度尺測量主根莖基部到根尖的長度。

重量：在電子天平上秤取整個育苗盤內(nèi)植株鮮草重量；裝入大信封置入恒溫干燥箱105℃殺青20 min，鼓風(fēng)并75℃干燥24 h，恒重后秤干重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 軟件進行處理和繪圖，采用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行相關(guān)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)下水培大麥的株高

研究表明，不同光照條件下，大麥的生長表現(xiàn)出顯著差異。在白光照射條件下，大麥的株高為8.92 cm，顯著高于其他2個處理。紅藍光配合處理的株高次之，為8.04 cm。藍光處理的大麥株高最低，為6.62 cm，顯著低于其他2個處理不同光質(zhì)對大麥形態(tài)建成有顯著影響，白光可促進株高增大，藍光不利于植株莖的伸展伸長。圖1

圖1 不同光質(zhì)下水培大麥株高變化Fig.1 Plant height of barly under different light qualities

2.2 不同光質(zhì)下水培大麥的根長

研究表明，藍光照射下，大麥的根長最長，為10.42 cm，顯著高于其他2個處理。白光處理的根長為9.75 cm，紅藍光配合處理的根長為9.19 cm，2個處理間的差異不顯著。不同光質(zhì)對大麥根部生長的影響差異顯著，藍光可促進根部的伸長。圖2

圖2 不同光質(zhì)下水培大麥根長變化Fig.2 Root length of barly under different light qualities

2.3 不同光質(zhì)下水培大麥的鮮草重

研究表明，在7 d水培生長周期內(nèi)，藍光照射處理的生物量最高，為2.82 kg，紅藍光配合處理次之，為2.81 kg，2個處理間的差異不顯著，顯著高于白光處理的生物量。不同光質(zhì)處理下，藍光、紅藍光組合均可提高大麥草的鮮草生物量，白光處理鮮草生物量累積比藍光、紅藍光處理低16%。圖3

圖3 不同光質(zhì)下水培大麥鮮重變化Fig.3 Fresh weight of barly under different light qualities

2.4 不同光質(zhì)下水培大麥的干草重

研究表明，紅藍組合、藍光照射處理的干重最大，均為0.20kg，二者間相比差異不顯著。白光處理的大麥草干重最低，為0.16kg，顯著低于其他處理。不同光質(zhì)對大麥干重的影響差異顯著，藍光和紅藍光組合促進干物質(zhì)的累積，白光處理顯著降低大麥干物質(zhì)的累積量。圖4

圖4 不同光質(zhì)下水培大麥干重變化Fig.4 Dry weight of barly under different light qualities

3 討論

研究表明，不同光質(zhì)處理對大麥生長的影響差異顯著。LED 白光處理下，大麥苗的株高顯著高于藍光和紅藍光組合處理，而生物量累積最少，鮮草重和干草重顯著低于其他處理。LED 藍光處理下，大麥的株高顯著最低，根系長顯著高于其他兩個處理，鮮重、干重顯著高于白光處理。用不同波長的光照射植物，植物發(fā)育對某些區(qū)域的光譜更敏感，尤其是紅光（波長620～700 nm）、藍光（波長350～380 nm）或UV-A（波長320～400 nm）、UV-B（波長280～320 nm）更敏感。植物主要通過光受體感受不同波長的光。目前的研究表明植物的光受體可分為四類，光敏色素主要感受紅光和遠紅光；隱花色素和向光蛋白主要調(diào)控對UV-A 和藍光的應(yīng)答；還有一個或者幾個尚未鑒定的UV-B受體。光受體可以感受不同的光質(zhì)，通過之間差異來調(diào)節(jié)及相互作用調(diào)控植物的生長發(fā)育[14]。不同光質(zhì)處理下，植物生長發(fā)育過程中表現(xiàn)出了不同的生長形態(tài)及物質(zhì)代謝特點。前人研究表明，LED 藍光能促進植株顯著矮化，促進根系的生長發(fā)育[15]，藍光對萵苣幼苗根系的生長具有促進作用[16]。LED白光能促進枳殼苗莖的伸長[17]。與研究結(jié)果基本一致，在試驗條件下，LED 白光促進大麥植株上部分莖的伸長，株高增大，而鮮重和干重及下部分的根系生長受抑制，低于藍光處理。

LED 紅光、藍光是高等植物完成生活史的必需光質(zhì)，紅藍組合光質(zhì)可替代連續(xù)全光譜光源進行植物栽培。研究和生產(chǎn)中往往回避藍光在LED 光源中的直接視覺顯現(xiàn)，而是應(yīng)用由藍光芯片加熒光粉衍生白光的LED 光源裝置。研究未涉及LED 紅光單色光質(zhì)的研究，僅對LED 白光、藍光和紅藍組合光進行了研究。結(jié)果表明，紅藍復(fù)合光質(zhì)下，大麥的鮮重和干重顯著高于LED白光處理，與藍光處理差異不顯著；株高介于白光和藍光處理之間，根長與白光處理差異不顯著。已有的研究表明，紅藍組合光被認(rèn)為是比較適合作物生長的光[18]。Goins 等[8]的研究表明，紅光LED處理下，補充藍光的紅藍組合LED光可增加小麥的生物量和種子產(chǎn)量、干物質(zhì)量，促進莖葉生長及分蘗。紅藍光組合可顯著提高水稻五葉期幼苗的鮮、干質(zhì)量[19]。以上結(jié)果與研究結(jié)果相似。Matsuda等[20]的研究指出，LED紅藍組合光可使水稻葉片的光合速率提高，并且歸因于紅光配以藍光后，葉片中的氮含量、Rubisco 酶含量和葉綠素含量的提高，葉片生物量變大、葉片變薄變寬有利于生物量累積。研究中，藍光、紅藍光LED 組合處理可促進大麥生物量的增加，白光LED 有利于大麥上部分莖的生長，藍光促進大麥下部分根的生長發(fā)育。植物生理特征變化（如葉片的光合作用）和形態(tài)特征（葉片發(fā)育狀況）是紅藍光調(diào)節(jié)下提高生物量的重要機制[21]。今后的研究中，應(yīng)結(jié)合葉片形態(tài)和光合作用來分析不同光質(zhì)對植物生長發(fā)育的影響。

4 結(jié)論

4.1 人工光水培條件下，不同光質(zhì)對大麥形態(tài)建成有顯著影響。LED 白光促進大麥植株上部分莖的伸長，在6 天的水培期內(nèi)株高達到8.92 cm，分別顯著比紅藍光配合及藍光處理高11%和35%，而鮮重和干重及下部分的根系生長受抑制，根長為9.75 cm，顯著比藍光處理低7%，鮮草重和干草重分別為2.35 kg、0.17 kg，分別顯著比藍光處理低16%和18%。LED藍光可促進大麥下部分根的生長發(fā)育和生物量的累積，根長可達10.42 cm，株高伸長受限，為6.62 cm。紅藍光LED 組合處理可促進大麥生物量的增加，鮮重和干重分別達2.8 和0.2 kg，且與藍光處理無差異，下部分的根系生長受限，為9.19cm，顯著低于藍光處理。

4.2 紅藍光組合可得到相對較高的植株及生物量，是水培方式下培育大麥牧草推薦采用的光質(zhì)。