不同波峰的LED红蓝光质组合对黄瓜苗生长和光合特性的影响

2013-08-02杨其长魏灵玲刘文科孟力力程瑞锋韦金河

江苏农业学报 2013年3期

闻婧，杨其长，魏灵玲，刘文科，孟力力，程瑞锋，韦金河，张俊

(1.江苏省农业科学院现代农业研究中心，江苏南京 210014;2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

LED(Light emitting diode)即发光二极管，作为一种节能环保、寿命长、体积小、易于组合安装的新型光源［1］，它的光谱域宽较窄，只有 ±20 nm［2］，便于光质配比的精准控制［3］。因此，在温室补光、植物工厂化生产、植物组培、航天农业等多个农业领域中LED作为新型植物光源表现出良好的发展前景［4］。

目前以LED为光源已经成功用于培养莴苣［5-7］、胡瓜［8］、小麦［9］、菠菜［10］、福禄考［11］等多种植物，并且与红、蓝、黄、绿等单色光相比，红蓝混合光下培养的植株更健壮。对于不同的植物，最适于生长发育的红蓝光混合比例也不相同［12-14］，有关最适黄瓜育苗的红蓝光混合比例还没有定论。此外，在已有研究中，红蓝光LED波峰的选择存在差异，其中红光主要使用660 nm和630 nm 2个波段，蓝光的使用差异较大，从440 nm至480 nm各不相同［5-14］，而鲜见有关植物在不同波峰光源下生长情况的报道。然而，不同波峰的LED对光源的电能转化率、耗电量［15］以及植物的光能利用率［16］都有直接影响，兼顾三者对LED在农业上的使用和推广具有重要影响。

因此，本试验选用了660 nm+450 nm的 LEDA型和630 nm+460 nm的LEDB型2种红蓝光组合光源［17］，并设置不同红蓝光配比(R/B)，进行黄瓜育苗试验，旨在探明2组波峰下不同R/B的LED光源对黄瓜育苗的影响，以期找到适合黄瓜育苗的高能效LED光源参数，为 LED光源在黄瓜育苗中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 光源设计参数

使用由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所与中国科学院半导体研究所合作开发研制的LEDA型和LEDB型光源。2种类型光源均可在一定范围内调节红蓝光组合配比、光合有效光量子流密度和光周期，具体的光源参数如表1所示。

表1 LED光源的性能参数Table 1 Performance parameter of LED light source

1.2 处理设置

试验在中国农业科学院密闭式植物工厂内完成。植物材料为千秋三号黄瓜(Cucumis sativus L.)。于2008年4月21日播种，待幼苗开始顶土，置于不同光源处理下培育28 d。LEDA型和LEDB型光源各设置4个不同R/B光质处理(表2)，另设1个荧光灯对照;每个处理光量子流密度均设置为(154±1)μmol/(m2·s)，光周期为 10 h/d。每个处理种植黄瓜幼苗15株，重复3次。

表2 不同光质处理的设计Table 2 Design of treatments with different light qualities

1.3 测定与分析方法

黄瓜播种28 d后，每个处理随机选取10株黄瓜幼苗，使用LI-6400型便携式光合测定仪测量各处理的光合指标，测定过程中使用普通自然光叶室，每株选取完全展开的第2片真叶进行测定;使用直尺和游标卡尺分别测量植株株高和茎基直径;使用AM-300型叶面积仪测量植株单株叶面积，测量叶片为完全展开的真叶;使用电子天平称取植株干鲜质量;采用氯化三苯基四氮唑还原法测定根系活力;比色法测定叶绿素和类胡萝卜素含量［18］。壮苗指数和能效采用以下公式计算:壮苗指数=茎粗/株高×整株干质量［19-21］，能效=整株干样质量/光源所消耗功率［22］。形态和生理指标测定均6次重复。

采用Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理和绘图，用DPS v3.01统计分析软件对数据进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同波峰和R/B值的LED光源对黄瓜幼苗形态指标的影响

如表3所示，在2种LED光源下，黄瓜幼苗植株干鲜重和叶面积指标的变化趋势相同，即随着R/B值的增加呈现先增加后降低的趋势，其中LEDA2(R/B=7)和LEDB3(R/B=9)处理的各项指标均无显著差异，且均显著高于其他处理和荧光灯对照。但株高则随着R/B值的增加而增加，而茎基直径的差异不明显。对于不同处理间的壮苗指数，LEDA2处理显著高于其他处理及对照，而LEDA1、LEDA3和LEDA4 3个处理显著低于对照;LEDB1、LEDB2和 LEDB3 3个处理间无显著差异;其中R/B=20的处理分别低于其他R/B值处理。2种LED光源下，根冠比均呈现随着R/B值的增加而减小的趋势，其中LEDA1处理显著高于其他LEDA处理，LEDA2、LEDA3和 LEDA4间无显著差异;LEDB1、LEDB2和LEDB3间无显著差异，并显著高于LEDB4。

表3 不同光质处理黄瓜幼苗形态指标Table 3 The morphological indexes of cucumber seedling with different lighting treatments

在整体水平上，LEDA处理和LEDB处理的各项形态指标无显著差异。综合各项指标，LEDA光源下，R/B=7(LEDA2)的处理优于其他处理和对照;LEDB光源下，R/B=9(LEDB3)的处理优于其他处理和对照。

2.2 不同波峰和R/B值的LED光源对黄瓜幼苗根系活力的影响

如图1所示，在2种LED光源下，不同R/B处理的根系活力变化趋势相同，但LEDA光源下各处理的变化幅度小于LEDB光源下各处理的变化幅度。LEDA和LEDB在整体水平上无显著差异，但LED各处理均低于对照。

图1 不同光质处理黄瓜幼苗根系活力Fig.1 The root activity of cucumber seedling with different lighting treatments

2.3 不同波峰和R/B值的LED光源对黄瓜幼苗能效的影响

能效是指消耗同样的电能植物所产的干物质［22］。如图2所示，LEDB3处理的能效最高，比对照提高 50%;LEDB光源下，各处理(LEDB1、LEDB2、LEDB3和LEDB4)的能效均分别高于LEDA光源下各处理(LEDA1、LEDA2、LEDA3和 LEDA4)111%、13%、88%和54%。在整体水平上，LEDB光源的能效比LEDA光源和荧光灯对照的能效分别提高55%和13%。

图2 不同光质处理黄瓜幼苗能效Fig.2 The energy efficiency of cucumber seedling with different lighting treatments

2.4 不同波峰和R/B值的LED光源对黄瓜幼苗光合色素含量的影响

如表4所示，在2种LED光源处理下黄瓜幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量随R/B值的变化趋势相同，即先增加后降低，其中LEDA光源下，R/B=7(LEDA2)处理显著高于R/B为5(LEDA1)、9(LEDA3)和 20(LEDA4)的处理;LEDB 光源下，R/B=9(LEDB3)处理的叶绿素含量最高，显著高于R/B为5(LEDB1)和20(LEDB4)的处理，与R/B=7(LEDB2)的处理无显著差异。两种LED光源处理下，叶绿素a/b比值均表现为R/B=20时最大，显著高于对照。而类胡萝卜素含量在不同R/B处理间无显著差异。在整体水平上，LEDA光源处理的叶绿素a+b含量和类胡萝卜素含量显著高于LEDB光源。

表4 不同光质处理黄瓜幼苗叶绿素含量和类胡萝卜素含量Table 4 The chlorophyll content and carotenoids content of cucumber seedling with different lighting treatments

2.5 不同波峰和R/B值的LED光源对黄瓜幼苗光合指标的影响

如表5所示，LEDA光源下，黄瓜幼苗的光合速率、蒸腾速率和气孔导度的变化趋势相同，即随着R/B值的增加呈现先增加后降低的趋势，其中LEDA2处理显著高于其他处理和对照;而胞间CO2浓度则随着R/B值的增加而显著增加，其中LEDA4处理显著高于其他处理和对照。在LEDB光源下各项光合指标的变化趋势相同，即随着R/B值的增加呈现先增加后降低的趋势，其中LEDB3处理显著高于其他处理和对照。

表5 不同光质处理黄瓜幼苗光合指标Table 5 The photosynthetic indexes of cucumber seedling with different lighting treatments

在整体水平上，LEDA和LEDB两种光源处理的各项光合指标无显著差异。而LEDA2处理的光合速率和气孔导度两项指标显著高于 LEDB3，LEDB3处理的蒸腾速率显著高于LEDA2。

3 讨论

光是植物生长发育的基本因素之一，光质对植物的生长发育、形态建成、光合作用等均有调节作用［4］。试验中，不同R/B值的光源对黄瓜幼苗的各项形态指标、根系活力、光合色素含量以及光合指标均表现出了调节作用，这与杨雅婷等对甘薯组培苗［23］和唐大为等对黄瓜育苗［24］的研究结果相符，但调节规律不同。

不同R/B值的光源对黄瓜幼苗的干鲜重、叶面积、根系活力、叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率以及气孔导度的调节变化趋势相同，即随着R/B值的增加呈现先增加后降低的趋势，说明不同波峰的LED光源对黄瓜幼苗以上几个指标的调节作用具有相似性，这与闻婧等［25］对叶用莴苣品质的研究结果相似。

不同R/B值的光源对黄瓜幼苗株高的影响则随着R/B值的增加而增加，表明红光的增加有利于茎的伸长，与Nhut等［14］的研究结果一致。试验中，LED光源处理下株高均(除LEDA2处理外)大于荧光灯对照，也是由于LED光源中红光所占的比例大于荧光灯。而LED光源处理中R/B=5时，由于蓝光的增加，显著降低了株高，但同时也降低了植株的干鲜重，由此导致LED光源处理下壮苗指数整体低于荧光灯对照，其中只有LEDA2处理兼顾了株高和干鲜重，使得壮苗指数显著高于其他处理和荧光灯对照。说明通过调节红蓝光的配比可以培养优质的黄瓜壮苗，但荧光灯(610～720 nm红光波段的光量子流密度占27%，400～510 nm蓝光波段的光量子流密度占18%)仅利用了少量的红蓝光就可以培育黄瓜壮苗，说明荧光灯中其他光谱能量对黄瓜壮苗的培育起到重要作用。崔瑾等［19］研究发现补充黄光可显著提高辣椒镇研六号的茎粗、干样质量及壮苗指数，补充绿光可提高辣椒镇研六号的株高和干鲜重。杜洪涛等［26］研究发现黄光有利于彩色甜椒壮苗。但黄、绿光对黄瓜幼苗生长的影响还有待进一步研究。

LED光源对根冠比的影响则随着R/B值的增加而呈现降低的趋势，表明蓝光有利于提高黄瓜幼苗的根冠比，说明蓝光能促进同化物向地下部的分配［21］，这与蒲高斌等［27］的研究结论相符。对于根系活力，常涛涛等研究发现的红光+蓝光+绿光处理下番茄幼苗的根系活力高于红光+蓝光处理［22］，本研究中LED光源处理下的根系活力低于荧光灯对照，我们认为是由于荧光灯中含有绿光的成分，但绿光是如何促进根系活力，还需要进一步研究。

660 nm+450 nm的LEDA型光源处理下黄瓜幼苗叶绿素a+b和类胡萝卜素的整体含量显著高于630 nm+460 nm的LEDB型光源处理，说明660 nm+450 nm的LEDA型光源比630 nm+460 nm的LEDB型光源更有利于叶绿素a+b和类胡萝卜素含量的增加，更符合光合色素的光吸收波峰。两种光源下，叶绿素a/b值在R/B=20时显著高于其他处理，我们认为是由于红光的增加促进了叶绿素a的积累;而LEDA4(R/B=20)处理的叶绿素a/b值显著低于LEDB4(R/B=20)处理，是由于630 nm比660 nm的红光降低叶绿素a含量的幅度大于460 nm比450 nm的蓝光降低叶绿素b含量的幅度。

在660 nm+450 nm的LEDA型和630 nm+460 nm的LEDB型2种光源处理下，黄瓜幼苗在整体水平上没有显著差异，但对不同R/B值表现出不同的适应性。在LEDA型光源下，R/B=7时，各项指标显著优于其他处理;在LEDB型光源下，R/B=9时，各项指标显著优于其他处理，表明不同波峰的LED光源需要不同的R/B值才能充分发挥黄瓜幼苗的生长潜力。而闻婧等在对叶用莴苣的研究中发现，不同波峰的LED光源均表现为R/B=8时最有利于植株生长［25］，说明不同植物对光的选择性和适应性存在差别。

此外，LEDB型光源红、蓝光的电能转化效率比LEDA型光源分别提高了317.9%和38.5%，而且LEDB光源的能效比LEDA光源和荧光灯分别提高了55%和13%。因此，LEDB型光源比LEDA型光源降低了制造成本，提高了能效，较有利于在黄瓜育苗中应用。

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