不同红外补光模式对植物工厂生菜生长及品质的影响*1

马太光，陈晓丽，郭文忠，李灵芝，李海平**

（1.山西农业大学园艺学院，太谷 030801；2.北京农业信息技术研究中心，北京 100097；3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

不同红外补光模式对植物工厂生菜生长及品质的影响*1

马太光1,2，陈晓丽2,3，郭文忠2，李灵芝1，李海平1**

（1.山西农业大学园艺学院，太谷 030801；2.北京农业信息技术研究中心，北京 100097；3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

试验在密闭植物工厂内进行，以0：00-12：00照射的白色LED光为基础光，在保证生菜正常生长的前提下以两种峰值波长的LED红外光（850nm和930nm）作为补充光，通过调节红外光补光的时间点使之与白光形成半重叠（S）、全重叠（O）、不重叠（N）3种模式，分别为Fr930S、Fr850S、Fr930O、Fr850O、Fr930N、Fr850N共6个处理，各处理白光及红外光的光强度、供光时长均一致，且处理间的耗电量也基本一致。通过测定各处理生菜生长及品质指标，以分析不同红外光对生菜的作用是否独立或依赖于基础光，以及在相同耗电量下红外光的最佳补光模式。结果表明：（1）同一峰值波长的红外光在不同补光模式下对生菜的生长和品质影响各异；而同一补光模式下，不同峰值波长红外光对生菜的生长及品质的影响也存在差异。（2）6个处理中，850nm红外光独立于白光补光时，生菜地上食用部分的鲜重最高；而生菜粗蛋白和可溶性糖含量均在 850nm红外光半重叠模式下最高；930nm独立补光时生菜Vc含量最高，硝酸盐含量最低。因此，实际生产中，在耗能基本一致的前提下，可根据生产目的对红外光的种类及其相对于基础光的补光模式进行选择和调节。

LED；植物工厂；生菜；红外光；营养品质

生菜（Lactuca sativa L.）是叶用莴苣的俗称，属菊科莴苣属，为1～2年生草本植物。生菜营养丰富，市场需求量大，随着人们生活水平的提高，对高品质蔬菜的需求也越来越迫切。植物工厂采用多层立体栽培，全方位精细调控生长环境，不受外部环境的影响，在极大提高生菜单位面积产量的同时，有效减少病虫害的发生，安全无污染，可最大限度满足人们对生菜产量及品质的需求[1-2]。

光是植物生长的重要环境因子之一，包含光强、光质和光周期三个要素。光在植物光合作用、生长发育以及光形态建成等方面起着至关重要的作用[3]。在密闭植物工厂中，人工光源是植物生长的主要光源。早期使用的人工光源主要有白炽灯、金属卤化物灯、高压钠灯和荧光灯等，这些光源存在光谱不可调、耗电量大、电能利用率低等缺点。发光二极管（LED）作为新型的光源，具有波段窄、波谱可调节，产热小以及寿命长等优点[4-5]，已被广泛应用于设施园艺尤其是密闭植物工厂的生产和研究中[6-8]。

人工补光及光环境精准调控是提高植物工厂蔬菜产量和品质的重要技术之一，目前关于 LED光配方的研究已涉及红蓝光、绿光、紫外光、红外光等[9-14]。其中，单一的红外光虽然不能满足作物的正常生长，但是作为补充光质，红外光具有改变植物光敏色素状态，调节植物结构和生殖反应的功能[15]。Heo等[14]研究发现，在荧光灯的基础上补充红外光后鼠尾草的株高显著增加。Stutte等[16]对生菜的研究发现，红外光能刺激生菜叶片向上伸长生长，从而提高生菜单位叶面积的光量子接收量。Li等[13]探究以白光为基础光，补充不同LED单质光对生菜生长的影响，结果发现补充红外光（750nm）能提高生菜生物量和维生素 C（Vc）含量，但叶片中类胡萝卜素的含量显著减少；Chen等[9]也发现，与白光相比，补充红外光（850nm）能显著提高Vc含量，而生菜的叶绿素和类胡萝卜素含量显著降低。因此，在光质调控中补充红外光对植物工厂中蔬菜高效生产具有重要的理论和现实意义。

目前，有关白光对蔬菜生长影响的研究已有较多报道，但国内外关于红外光对蔬菜影响的研究报道甚少，而不同红外光补光模式调控蔬菜生长及营养品质方面的研究鲜见报道。由此，本试验以白光为基础光，在满足生菜正常生长的前提下，以两种峰值波长的红外光（850nm和930nm）为补充光，调节红外光供光时刻使之与白光形成全重叠、半重叠、不重叠三种模式，通过测定生菜生长动态以及生物量、光合色素、Vc、可溶性糖及粗蛋白含量，探究红外光对生菜的作用是否独立或者受基础光的影响，以及在同等耗电量下红外光的最佳补光模式，以期为不同生产目的采取不同补光模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 光源参数

使用北京农业智能装备技术研究中心研制的LED专用植物生长灯板（800mm×800mm×80mm），该灯板由白光（W）与红外光（Fr）组成，每种光质的强度及供光时间可以独立设定和调节。红外光有两种峰值波长，分别为 850nm（Fr850）和 930nm （Fr930），其光谱见图 1。光强度和光谱的测定采用USB-650型光谱仪（Ocean Optical, USA）。

1.2 试验设置

试验在密闭植物工厂内进行。试验材料为红生1号生菜。先将生菜种子放在4℃条件下催芽，露白后播种至海绵块中育苗，播种 15d后定植到水培槽上（800mm×800mm×100mm），每个水培槽上种植 36株，株距13cm。昼/夜温度设置为22 /17℃ ℃，由空调系统自动调节植物工厂内温度，每日 7：00-23：00控制温度恒定为22℃，23：00-7：00为17℃。植物工厂内空气湿度65%，CO2浓度400μmol·mol-1，营养液 pH6.5，EC保持在 1.45mS·cm-1左右，营养液每周更换一次。试验生菜育苗阶段共15d，不进行光处理，定植期开始进行光处理，定植24d后收获，并测定相关指标。

图1 白光加两种波峰红外补充光的光谱图Fig. 1 The spectrum of white light plus two kinds of far-red supplemental light

定植当天开始人工光处理，通过LED灯板垂直悬挂于距离水培槽栽培板正上方25cm处供光。共设置6个处理，一个水培槽作为一个处理，分别为Fr930半重叠（Fr930S）、Fr850半重叠（Fr850S）、Fr930全重叠（Fr930O）、Fr850全重叠（Fr850O）、Fr930不重叠（Fr930N）、Fr850不重叠（Fr850N），各处理白光和红外光的光强及供光时长相同，均为白光 160μmol·m-2·s-1、供光时长 12h，红外光100μmol·m-2·s-1，供光时长12h，故每个处理用电量基本相同，而处理间差异在于红外光供光时间段的不同，与基础光（白光）形成了半重叠（S）、全重叠（O）、不重叠（N）3种模式，且红外光有两种不同的峰值波长。具体处理见表1。

表1 红外补光与白光的组合模式Table 1 The combination mode of far-red supplement light and white light

1.3 项目测定与分析方法

生菜生长指标动态测定：随机选取 6株生菜，重复3次，每5天用直尺测量并记录生菜株高、株幅、叶长、叶宽。

收获后指标测定：取样方法同生长指标测定，取样后先用电子天平称量地上和地下部的鲜重，然后在60℃烘箱中烘至恒重后测其干重；叶绿素和类胡萝卜素含量测定采用分光光度法[17]；粗蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法[18]；Vc含量测定采用分光光度法[18]；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[19]；硝酸盐含量测定采用紫外分光光度法[19]。

数据处理采用 Microsoft Excel 2013，显著性差异分析采用SAS统计分析软件。

2 结果与分析

2.1 不同补光模式对生菜生长的影响

由表2可见，不同补光模式处理24d后对生菜地上和地下部的生长影响不同。红外与白光供光时间完全不重合处理中（Fr930N和Fr850N），生菜的地上干、鲜重均较大，而地下部干、鲜重间的差异则不显著，说明红外光与白光不重合时光照时间延长可使地上部重量显著增加；但叶片长、宽以及株高均未表现出此变化特征，多表现为半重合处理中最高（Fr930S和Fr850S）。总体上看，红外光与白光照射时间完全重合处理中（Fr930O和Fr850O），生菜的生长均表现最差，株高、叶片大小及地上鲜重均最低。比较相同时段补充两种峰值波长红外光照射下生菜生长情况，峰值波长为850nm的红外光照射下生菜生长略优于930nm红外光，多个指标表现为差异显著（P＜0.05）。

表2 不同处理生菜生长指标比较Table 2 Comparison of the growth parameters of lettuce under different light treatments

由图2可见，从定植到收获期间，峰值波长为850nm的红外光与白光不重叠补光处理（Fr850N）生菜生长较快，但峰值波长为 930nm的红外光在相同的补光模式下（Fr930N）生菜生长速率与之相反；总的来看，在相同补光模式下，峰值波长为850nm的供光处理下生菜生长速率比峰值波长为930nm的较高，说明短波长的红外光更有利于生菜生长。

2.2 不同补光模式对生菜叶片光合色素含量的影响

由图3可知，不同补光模式对生菜叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量的影响显著。在红外光与白光

供光时间半重叠的处理中，生菜叶片中叶绿素和类胡萝卜素的含量表现为 850nm的红外光处理（Fr850S）显著高于930nm处理（Fr930S）（P＜0.05）；与之相反，红外光与白光供光时间不重叠时，930nm的远红光（Fr930N）更能促进光合色素的形成（P＜0.05）；两种峰值波长的红外光与白光全重叠供光时，生菜叶片中的叶绿素和类胡萝卜素含量均无显著差异；总的来看，峰值波长为 930nm的红外光与白光供光时间不重叠时，生菜叶片中总的叶绿素和类胡萝卜素含量均最高，且与其它处理相比差异显著（P＜0.05）。

图2 不同处理下生菜植株生长变化过程Fig. 2 The growth dynamics of plants under different light treatments

图3 不同处理下生菜中叶绿素和类胡萝卜素含量的比较Fig. 3 The comparisons of the chlorophyll and carotenoid contents in lettuce among treatments

2.3 不同补光模式对生菜营养品质的影响

如图4可知，在红外光与白光供光时间半重叠处理中，生菜各营养品质指标均表现为 850nm的红外光处理（Fr850S）优于930nm处理（Fr930S），且Vc和可溶性糖的含量差异显著（P＜0.05）；相反，在红外光与白光供光时间不重叠的处理中，各营养指标均表现为930nm的红外光处理（Fr930N）下较好，但仅硝酸盐含量与其它处理表现为差异显著（P＜0.05），其它指标均无显著影响；总的来看，红外光与白光供光时间完全重叠（O）时，生菜中的营养品质均较低，且硝酸盐含量最高（P＜0.05），说明红外光和白光的供光时间重叠有利于硝酸盐的积累。

图 4 不同处理下生菜中营养物质含量的比较Fig. 4 The comparisons of the nutritional qualities of lettuce among treatments

3 结论与讨论

（1）试验表明，红外光与白光供光时间完全不重叠即延长红外光对生菜补光处理中，生菜的地上干、鲜重均较大，说明光照时间延长可促进生菜地上部的生长；两种峰值的红外光在相同模式下对生菜进行补光时，峰值波长为850nm的红外光照射下生菜生长速率略高于930nm照射，这可能是由于短波长的红外光能量较大，光敏色素接受短波长红外光的刺激反应更快，从而促进生菜的生长。

（2）峰值波长为 930nm的红外光与白光供光时间不重叠时，生菜叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量最高，但在半重叠下这两种色素的含量均最少，而在全重叠补光处理中色素含量相差不大，可能由于半重叠和重叠补光生菜获得辐射能较高，通过影响光敏色素的活性而抑制叶绿素和类胡萝卜素蛋白的形成，是否受辐射能的影响还有待进一步深入研究。

（3）整体看来，当生菜中可溶性糖含量较低时，硝酸盐含量就会增加，这可能是由于积累的可溶性糖能够增加硝酸盐还原酶信使RNA，从而导致硝酸盐含量降低[20]。峰值波长为930nm的红外光与白光不重叠供光处理中，可能由于生菜中的可溶性糖积累较多，从而降低硝酸盐含量；粗蛋白含量在同一补光模式下差异均不显著，可能蛋白质合成酶受红外光的影响不大。在半重叠补光处理中，生菜品质指标均表现为850nm的优于930nm，而重叠补光处理中 Vc、粗蛋白和可溶性糖的含量均降低，但在不重叠供光处理中各营养指标相差不大。

（4）本试验 6个处理的耗电量几乎一致，但不同红外补光处理下生菜生物量积累和营养指标表现出较为明显的差异。在850nm红外光与白光不重叠补光处理下，生菜地上食用部分的鲜重最高，Vc含量在930nm红外光与白光不重叠补光下最高；粗蛋白和可溶性糖含量均在850nm红外光半重叠模式下最高；硝酸盐含量在930nm红外独立补光模式下最低；但全重叠补光模式抑制生菜的生长和品质含量的积累，因此，实际生产中，在耗能基本一致的前提下，可根据生产目的对红外光的种类及其相对于基础光的补光模式进行选择和调节。

综上，红外光对生菜生长和品质的影响较复杂，受红外光的峰值波长以及红外光相对于基础光的补光模式影响，但其影响机理目前尚不清晰，有待进一步深入研究。另外，本试验涉及两种峰值波长和三种补光模式，其它峰值波长的红外光如 720nm、730nm等也需在下一步的试验中应用，进而验证本试验的研究结果。

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Effects of Far-red Light on the Growth and Qualities of Lettuce in Plant Factory

MA Tai-guang1,2,CHEN Xiao-li2,3,GUO Wen-zhong2,LI Ling-zhi1,LI Hai-ping1
(1.College of Horticulture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi, China; 2.Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Beijing 100097; 3. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

The experiment was carried out in a closed plant factory, where white light irradiation for 12h (0：00-12：00) was used as the basal light to ensure the normal growth of lettuce. Two kinds of LED far-red light (peak at 850nm and 930nm) were used as supplemental light. Three modes of far-red light that were respectively semi-overlapped(S), overlapped(O) and non-overlapped(N) relative to the basal white light were applied by adjusting the on and off time of far-red light. That was, six treatments which were respectively Fr930S, Fr850S, Fr930O, Fr850O, Fr930N, and Fr850N had been examined in the study. The light intensity, lighting period as well as the electric energy consumption were the same among treatments. The growth and nutritional qualities of lettuce were measured in order to analyze the effects of different far-red light as well as to determine the best supply mode of far-red light. The results showed that: (1) different modes of far-red light with the same peak wavelength resulted in various influence on the growth and quality of lettuce. Meanwhile, different peak wavelengths of far-red light with the same supply mode also caused discrepancies in the growth and quality of lettuce. (2) Among the six light treatments, the fresh weight of shoot was the highest under 850nm far-red light with non-overlapped mode; The crude protein andsoluble sugar content were both the highest under 850nm far-red light with semi-overlapped mode; The highest vitamin C content as well as the lowest nitrate content were both detected under 930nm far-red with non-overlapped mode. Therefore, during the practical production, based on the same energy consumption, people can choose and adjust the wavelength and supply modes of far-red light according to different productive purposes.

LED; Plant factory; Lettuce; Far-red light; Nutritional quality

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.05.004

马太光,陈晓丽,郭文忠,等.不同红外补光模式对植物工厂生菜生长及品质的影响[J].中国农业气象,2017,38(5):301-307

2017-01-20**

。E-mail: lihp0205@163.com

国家“863”计划（2013AA103005）

马太光（1991-），硕士生，研究方向为蔬菜栽培与生理。E-mail:matg1717@163.com