三色发光二极管组合灯补光对生菜生长及光合特性的影响

周国泉，吴家森，汪小刚

（1.浙江林学院理学院，浙江临安，311300；2.浙江林学院林业与生物技术学院）

发光二极管（LED）因提供的蓝色、红色及远红色光谱正好与植物光合作用和光形态建成的光谱范围相匹配，常被应用于植物光生理研究和组织培养上。1996年，Okamoto等人使用超高亮度红光LED与蓝光LED作组培光源，在蓝光与红光光量子数之比为1∶2下正常培育了蔬菜[1]。应用LED已成功栽培的组培苗还有菠菜[2]、胡椒[3]和马铃薯[4]等。与使用日光灯管的栽培方式相比，LED作组培光源的组培苗生长数月后在鲜质量、干质量、叶片数、叶宽、根数及根长上并无显著差异，证实在环控室中使用LED作为栽培光源来栽培组培苗是可行的。但是，我国在这方面的研究起步较晚。2001年，台湾的饶瑞佶等人开始研究超高亮度发光二极管作为组培苗栽培人工光源的灯具制作[5]。2003年，郭双生等人将LED作为受控生态保护系统中植物生长的光源[6]。2003年，诸葛强等人将LED应用于桉树快繁，结果显示LED显著促进赤桉（Eucalyptus camaldulensis）组培苗生根和生长[7]。2007 年，吴沿友等人将LED应用于诸葛菜（Orychophragmus violaceus）和油菜（Brassica juncea）的组培苗上，结果表明经LED光源处理的组培苗鲜质量增长、碳酸酐酶活性以及叶绿素含量等明显高于对照的日光灯处理[8]。2008年，邸秀茹等人研究了LED辐射的不同光质配比对菊花组培苗生长的影响[9]。利用自制的红/蓝（R/B）比例均匀的发光二极管组合灯作栽培光源[10]，吴家森等人研究其对绿萝生长的影响[11]。本文利用自行研制的R/B和红/远红（R/FR）二者比例均匀且可调的红、蓝、远红光发光二极管组合补光灯[12]，研究三色发光二极管组合灯补光对温室生菜（Lactuca sativa）生长及光合特性的影响。

1 材料与方法

1.1 试验设备

本研究使用3种补光光源，LED组合1（R∶B∶FR=6∶1∶0.18）、LED 组合 2（R∶B∶FR=7∶1∶0.21）和 LED 组合 3（R∶B∶FR=5∶1∶0.15）。3 种补光光源的 R/FR 比值保持不变，但R/B比例却不相同。其中，红光LED型号：CHHE3B04ALD，标准电压：2.0～2.1 V，标准电流：10 mA，波长：626～629 nm，亮度：22～25 cd。蓝光 LED 型号：CH-HB3B04ALD-G，标准电压：3.0～3.2 V，标准电流：20 mA，波长：465～468 nm，亮度：5～7 cd。远红光 LED型号：L735-03AU，标准电压：1.85～2.0 V，标准电流：50 mA，波长：730～738 nm，亮度：640 mcd。

1.2 试验材料

生菜（种子购自杭州科丰种子有限公司），自行培育至3片叶片时，定植于营养钵中。

1.3 试验方法

将生菜苗种于温室大棚中，分为4组，每组种生菜苗10株，重复3次。第1组为空白对照，处理1～3分别用上述对应的LED组合灯1～3进行补光，组合灯位于生菜上方15 cm，试验期间即2008年12月1日至2009年1月6日利用定时装置每天在7：00～8：00、18：00～19：00对3组生菜自动进行2 h的补光。

测量的生长指标为：叶片数量、叶质量、地上部高度、地下部长度、主根（最粗的根）长度、整个生菜的鲜质量、叶和根中的矿物质元素含量。

气体交换参数测定：2009年1月7日9：00～11：30，对不同光质补光的生菜进行光合特性测定。测定叶片为顶端往下的第3片功能叶，光响应曲线利用Li-6400（美国，LI-Cor公司生产）红蓝光源6400-02测定，测量时的温室温度设置为25℃，二氧化碳摩尔分数设定为370μmol/L，光照强度梯度设置为2000，1 500，1 000，800，600，400，300，200，100，50，0 μmol·m-2·s-1，测定的指标有光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、气孔导度（Gs）。每处理测定 5株，每株1片叶。矿物质元素含量的测定方法为等离子发射光谱法即ICP法。叶绿素相对含量用SPAD-502（日本MINOLTA生产）叶绿素仪测定。

2 结果与分析

2.1 不同光质补光对生菜生长的影响

生菜在不同光质补光37 d后的生长指标见表1。补光后地上部高度均有不同程度的增长，尤为处理3增长最多；地下部有不同程度的缩短，以处理2缩短最多；主根处理3有较多的增长，但处理1和2略有缩短；叶片数量均增多，以处理1增加最多；叶质量有增长，处理1和处理3明显好于处理2；整个生菜的鲜质量均略有增长，以处理1增长最多，处理3紧随其后。由于土质松软，所以地下部均比较长，大大超过了地上部，形状呈须状，但主根不是很长。

对处理1～3的叶和根分别进行烘干消化处理后，送南京林业大学生态实验室进行矿物质元素含量的测定，结果见表2和3。由表2可知，补光后，所测量的指标均有不同程度的增长，尤其是对人体十分有益的锌和铁成倍增长，磷和钙也有一定增长。处理1和3中铜含量偏多。处理1，2，3中生菜叶的矿物质元素全面，如果食用，对人体的健康有益。根中矿物质元素含量不同于叶中的含量。根中硼、锌含量与叶中差不多，钙、磷和锰含量为叶中的1/2左右，铁含量明显高于叶中的含量，钠含量为叶中的2.5倍左右。处理3根中硼的含量特别少，然而铜的含量又特别高（表3）。总的来讲，生菜根中矿物质元素含量也是很丰富的，但生菜的根一般不食用。

表1 不同光质补光条件下生菜的生长指标

表2 不同光质补光条件下生菜叶中矿物质元素的含量mg/g

表3 不同补光条件下生菜根中矿物质元素的含量 mg/g

图1 生菜光合作用光响应曲线

图2 生菜气孔导度对光强的响应

图3 生菜胞间二氧化碳对光强的响应

图4 生菜蒸腾速率对光强的响应

2.2 不同光质补光对生菜光合特性的影响

光响应曲线反映了植物光合速率随光照强度的变化而变化的规律。从图1可以看出，起初随着光量子通量的增大，净光合速率几乎呈直线上升；当光量子通量达到一定值后，净光合速率增加的幅度就逐渐减慢，最后达到一定限度，不再随光量子通量的增加而增加，即达到光饱和。图1表明，在弱光条件下，生菜在3种LED组合补光下光合速率较一致，但光量子通量超过 300 μmol·m-2·s-1时，LED 组合灯补光的生菜光合速率大于自然条件，其中处理3＞处理1＞处理2。由图2可知，随着光照强度的增强，生菜气孔导度逐渐下降，生菜的气孔导度总体表现为处理1＞处理3＞处理2＞CK。随着光照强度的增加，生菜胞间二氧化碳浓度略有下降，如图3所示。当光量子通量小于100 μmol·m-2·s-1时，3种处理的生菜胞间二氧化碳浓度很难区分，但均高于空白对照组。当光量子通量较大时，CK＞处理1＞处理2＞处理3，其中空白对照组和处理1差异较小。图4中的蒸腾速率随光量子通量的增加，除CK略有增加外，其他处理则缓慢下降，且保持较稳定的水平，其中处理1＞处理3＞处理2。

通过光响应曲线可以计算出光补偿点、光饱和点及最大净光合速率，结果见表4。LED组合灯补光大大提高了光饱和点，处理2和处理3提高了2.5倍左右，处理1也提高了近2倍；光补偿点也有较大幅度的提高，以处理3提高最多，处理1其次。采用LED组合灯补光后，生菜叶绿素相对含量也得到了提高，其中处理3提高最多，处理1和处理2相差不多。

表4 不同光质补光条件下生菜的光合生理指标

3 结论

与自然条件相比，使用红、蓝、远红光三色LED组合灯对生菜进行补光，能使生菜较好地生长，特别是在 R∶B 为 5∶1 和 6∶1 时，其叶片数、叶片长、叶质量和整个生菜的鲜质量等均有明显的增长，但地下部分略有缩短；补光后，生菜叶的矿物质元素含量均有不同幅度的提高，尤其是对人体十分有益的锌和铁成倍增长。当R∶B为5∶1和 6∶1时，生菜叶中铜的含量偏多。生菜根中矿物质元素含量不同于叶中的含量，钙、磷和锰含量为叶中的一半左右，铁含量明显高于叶中的含量，钠含量为叶中的 2.5 倍左右。R∶B 为 5∶1 时，生菜根中硼的含量特别少，而铜的含量特别高。使用LED组合灯补光，使生菜的光补偿点和光饱和点升高，光合能力增强，气孔导度加大，蒸腾速率加快，叶绿素含量提高，但胞间二氧化碳浓度略有下降。综合考虑，补光使生菜的品质得到了提高，以R∶B=5∶1为最合适，R∶B=6∶1其次。再增大R/B的比例，生菜的生长指标提高不显著，但矿物质元素含量能得到有效提高。

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