白藍LED補光對溫室甜瓜幼苗生長發育的影響

李志鑫李松霖成杰楊延杰閆征南

(1.青島農業大學園藝學院，山東 青島 266109；2.東北農業大學園藝園林學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

甜瓜(Cucumis melon)是喜光作物，充足的光照能夠提高甜瓜的產量和品質。然而，近年來霧霾和陰雨天氣頻發，設施內光照不足，嚴重影響設施內甜瓜的產量和品質[1]。人工補光能夠彌補自然光照的不足，更高效地補充植物生長發育所需的光合輻射[2]。前人研究表明，對設施番茄和黃瓜幼苗進行補光能夠減少苗期徒長現象，顯著提高作物品質及產量[3]。因此，在甜瓜育苗關鍵時期人工補光，可為甜瓜壯苗培育提供有利條件。特別是在弱光區域或季節，設施甜瓜栽培對補光的需求更加迫切[4]。

傳統的人工補光光源主要有熒光燈、白熾燈和高壓鈉燈等，但這些光源均存在光效低和能耗大等缺點，能耗費用往往達到系統運行成本的40%以上[5]。因此，篩選能耗低、高效節能的補光方式尤為重要。與傳統光源相比，LED具有節能、光譜可調、良好的點光源性以及冷光性等特點[6]，現已應用于設施農業生產中。植物的干物質積累主要來自于光合作用，而光合作用又受光質的影響[7]。藍光處理下幼苗具有較高的根冠比和根系活力[8]，且葉綠素含量增加[9]，光合作用增強，地上部生長旺盛，下胚軸伸長受到抑制[10]。白色LED具有節能環保、發光效率高等優勢，如何將藍、白兩種LED光源進行合理配比實現產投比最大化，仍需進一步研究。因此，本研究以溫室自然光為對照，研究不同白、藍LED條件下藍光比例對甜瓜幼苗生長發育的影響，旨在探究適宜秋冬或早春季節甜瓜幼苗生長的光照環境，為蔬菜幼苗光環境調控策略提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試甜瓜品種為“日本甜寶王”，由福州金萬豪科技有限公司提供。將甜瓜種子播種于72孔穴盤中進行育苗，育苗基質為草炭＋蛭石＋珍珠巖(3∶1∶1，體積比)。育苗期間澆灌霍格蘭營養液，EC值控制在2.0～2.4 mS/cm，pH值調整在6.0～6.5。

LED燈具由濰坊恒信電器有限公司提供，其中白色與藍色LED光譜分布如圖1所示。

圖1 白色(左)和藍色(右)LED光源的光譜分布

1.2 試驗方法

試驗于2021年3—4月在青島農業大學智能溫室內進行，溫室溫度控制在18～25℃，相對濕度為60%～70%。試驗期間溫室內日累積光照量約為7.0 mol/(m2·d)，根據甜瓜幼苗適宜的日累積光照量和前人研究[11]確定補光強度和補光時長分別為106μmol/(m2·s)和10 h/d。采用白色LED或白藍LED組合進行補光，設置藍光比例分別為28.5%(W)、38.5%(WB10)、48.5%(WB20)、58.5%(WB30)和68.5%(WB40)，以溫室自然光為對照(CK)。

1.3 測定項目與方法

待甜瓜幼苗長至兩葉一心時，每個處理隨機選取6株長勢均勻的幼苗，分別測量其株高、莖粗、下胚軸長和葉面積，并將地上部和地下部分開后測量鮮重，烘干后分別測量干重，然后按公式(1)計算壯苗指數。使用掃描儀(Version 2016a，Regent Instruments Inc.，Quebec，QC，Canada)對幼苗根系進行掃描，測根表面積和體積。甜瓜幼苗葉片的過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性分別使用愈創木酚法[12]和氮藍四唑(NBT)法測定[13]。

1.4 數據統計與分析

數據處理和圖表制作使用Microsoft Excel 2019進行，數據統計分析使用DPS軟件完成，多重比較基于LSD(least-significant difference)法進行(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同比例藍光對甜瓜幼苗形態的影響

除藍光比例為28.5%(W)處理增加甜瓜幼苗株高外，補光處理均降低株高、下胚軸長，提高莖粗和總葉面積，且隨著補光光源中藍光比例的增加，甜瓜幼苗的莖粗和總葉面積呈先增加后降低的趨勢(表1)。其中，W、W20和W30的莖粗與CK差異顯著，分別高于CK 13.3%、30.0%和16.7%；WB10、WB20的總葉面積顯著高于CK，分別高27.6%和33.8%；WB10—WB40處理的下胚軸長均顯著低于CK，降幅為18.2%～36.4%，以WB30處理的下胚軸長下降最多。

表1 不同比例藍光對甜瓜幼苗形態的影響

2.2 不同比例藍光對甜瓜幼苗生物量的影響

溫室補光能顯著提高甜瓜幼苗地上部和地下部干重和鮮重，且隨藍光比例的增加有降-升-降的變化趨勢(表2)。其中，WB20的地上部鮮重較高，地上部干重最高，分別比CK高34.7%和81.1%；而WB30的地下部鮮重干重均最高，分別高于CK 81.1%和138.9%。

表2 不同比例藍光對甜瓜幼苗生物量的影響 (g/株)

2.3 不同比例藍光對甜瓜幼苗根系發育的影響

補充38.5%(WB10)、48.5%(WB20)和58.5%(WB30)藍光處理下甜瓜幼苗根系與CK相比發育更好，根毛發育更優，長度更長(圖2)。補充58.5%(WB30)藍光處理下甜瓜幼苗根系表面積和體積最大，分別比CK增加66.8%和50.0%；補充48.5%(WB20)藍光的甜瓜幼苗根系表面積和體積也較大，分別比CK增加38.2%和41.7%。

圖2 不同比例藍光對甜瓜幼苗根系發育的影響

2.4 不同比例藍光對甜瓜幼苗壯苗指數的影響

補光能提高溫室甜瓜幼苗的壯苗指數，其中，藍光補光比例為48.5%(WB20)和58.5%(WB30)處理下壯苗指數顯著高于其他處理，與W相比分別提高36.7%和32.1%，與CK相比分別提高125.8%和118.2%；藍光比例為38.5%(WB10)和68.5%(WB40)時壯苗指數與W無顯著性差異(圖3)。

圖3 不同比例藍光對甜瓜幼苗壯苗指數的影響

2.5 不同比例藍光對甜瓜幼苗SOD和POD活性的影響

整體來說，甜瓜幼苗的SOD和POD活性隨著補充藍光比例的增加呈現先增加后降低的趨勢(圖4)。補充藍光38.5%(WB10)時，SOD活性最高，比CK顯著增加28.5%。補充藍光48.5%(WB20)、58.5%(WB30)時，POD活性顯著高于其他處理，分別比CK顯著增加130.8%和197.2%。

圖4 不同比例藍光對甜瓜幼苗生理指標的影響

3 討論與結論

在蔬菜幼苗生長過程中，弱光脅迫會導致幼苗徒長并延長生長周期，不利于有機物在植物葉片和根系中的積累，導致下胚軸過長或莖過細，降低蔬菜幼苗質量，進而影響后期的產量和品質。補光能夠顯著改善蔬菜幼苗根系形態，促進蔬菜幼苗地上部生長，增加植株生物量和營養物質的積累，提高壯苗指數[14]；同時，SOD活性受外源激素的調節，且與植物的抗逆性緊密相關，植物體可通過增加體內SOD、POD等抗氧化酶活性，加快活性氧的清除，從而維持植物體內活性氧代謝平衡，減少逆境脅迫對植物體的傷害[15，16]。前人研究表明，補充黃光有利于提高番茄壯苗指數，而補充紅藍光更有利于茄子、辣椒和黃瓜壯苗的生產[17]。補充藍光可以有效地提高壯苗指數和植株的干鮮重，抑制幼苗徒長，提高其抗逆性[18，19]；同時，藍光還具有促進線粒體的暗呼吸及氮代謝的作用[20]。

本試驗結果也表明，補充適當比例的藍光能夠促進溫室甜瓜幼苗生長發育，抑制下胚軸伸長，促進地上、地下部干物質積累，提高根系表面積和體積及壯苗指數，并提高SOD和POD活性，從而提升甜瓜幼苗的整體素質。地上部質量提高有利于幼苗光合作用，縮短有機物積累時間；而根系發育良好能夠增加根系與基質的接觸面積，增強離子交換能力，更好地吸收利用水分和營養物質，有利于甜瓜后期保持良好的生長形態，對提高甜瓜品質和產量具有積極作用[21]。但藍光比例過高也會對甜瓜幼苗的生長發育產生不利影響，導致壯苗指數下降。綜合分析，在本試驗條件下，藍光比例為48.5%(WB20)和58.5%(WB30)時，壯苗指數增加125.8%和118.2%，下胚軸長降低31.8%和36.4%，減少了甜瓜幼苗在弱光環境中徒長現象的發生。因此，48.5%～58.5%比例的藍光補光有利于培育優質甜瓜幼苗，適宜早春季節甜瓜壯苗的生產。

此外，本試驗補光時長由前期研究確定[22]，為10 h/d；補光時間的確定由光強決定，即每天中當光照強度高于200μmol/(m2·s)時停止補光；通過程序設置補光燈自動開啟，對甜瓜幼苗進行補光。采取這種補光模式既滿足了甜瓜幼苗的光照時間要求，又有效利用了早春時期有效太陽光照時間，有利于提高光能利用效率。