弱光条件下LED补光灯对苗期蔬菜生长的影响研究进展

马宁 田婧 鲁少尉等

摘要 随着现代农业体系的形成及发展，蔬菜育苗已成为较有前途的新兴产业而受到广大关注。如何在弱光条件下大规模生产高品质、低成本的优质种苗已成为近年来育苗产业研究的重点。从光质、光照强度和光周期3个方面叙述弱光条件下LED补光灯对苗期蔬菜生长发育影响的研究进展，并指出该方面研究存在的问题、今后的研究思路及可能的研究方向，以供研究人员参考。

关键词 弱光条件：LED；光环境；蔬菜幼苗

中图分类号 S123 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2018）32-0001-03

Research Progress of Effect of LED on Vegetable Seedling under Low Photon Flux Intensity

MA Ning1，2，TIAN Jing1，2，LU Shaowei1，2 et al （1.Chinese Academy of Agricultural Engineering Planning & Design，Beijing 100125；2.Key Laboratory of Farm Building in Structure and Construction，Ministry of Agriculture，Beijing 100125）

Abstract With the rapid development of modern agriculture，vegetable seedling has become a dynamic emerging industry received widespread attention.How to produce largescale，highquality and lowcost seedlings inweak and sparse light stresses has become the focus of research in the nursery industry.The research progress on effect of LED on vegetable seedling culture was described from light quality，light intensity and photoperiod three fields ，and the problems in this area and future research ideas and possible directions for the research departments were pointed out.It can provide reference for researchers.

Key words Low photon flux intensity；LED；Light environment；Vegetable seedling

基金項目 国家重点研发计划资助项目（2017YFD0701500）。

作者简介 马宁（1986—），女，山东招远人，工程师，博士，从事设施农业栽培研究。

收稿日期 2018-06-11

我国是传统的农业大国，农业在整个国民经济及其发展过程中具有非常重要的作用。大力发展设施园艺是保障我国农产品有效供给的重要方式，同时也是解决现代农业发展、环境及资源三大基本问题的重要手段，可通过发现现代设施园艺大幅度提升农业资源的利用率、农产品的质量及产量，因此设施园艺已成为我国多地国民经济的重要支柱产业。

光是植物生长发育过程中主要的能量来源之一，也是植物生长发育的基本因素之一。在作物的整个生命周期中，不断变化的光环境始终影响其生长发育。光作为一种信号作用于植物并同时对其生长、发育和分化等环节进行调节，使其能更好地适应外界环境，同时调控植物光合作用、形态建成、生长发育、物质代谢等过程。由于光对植物生长发育的重要性，科研工作者一直以来都将光照作为重要研究的方向之一，同时将光环境如何调节植物生长发育和形态建成作为设施农业生产中的一项重要技术进行研究[1]。

随着现代农业体系的形成及发展，蔬菜育苗已成为较有前途的新兴产业而广受关注。如何大规模地生产高品质、低成本的优质种苗已成为近年来育苗产业研究的重点，同时也是育苗技术发展的重要目标。近年来，我国设施蔬菜生产区及城市周边弱光寡照逆境现象频发，连续阴雨天和雾霾等不利气候所导致的弱光寡照逆境对冬春季园艺作物生长发育及经济效益影响十分严重，尤其危害冬春茬苗期蔬菜的生长发育。蔬菜的冬春茬生产是设施园艺作物周年生产赢利的关键茬口，其产品的产量和品质对农业的经济效益具有直接的影响[2]。其次，冬春茬是设施蔬菜作物生长发育的关键时期，也是雾霾、阴天等恶劣天气发生频率最高的时期，2个时期的重叠发生导致十分明显的设施蔬菜经济负效应。因此，当前利用调控光照的技术克服棚室蔬菜苗期生产中弱光寡照逆境的危害显得十分重要迫切[3-4]。

因此，在弱光条件下，利用光照调控技术培育蔬菜壮苗是一项经济、环保有效且简便易行的方法，但不同光周期、光照强度以及不同光质对蔬菜幼苗的培育都会存在不同程度的影响。发光二极管 LED（简称为 LED）光源的发展拓展了设施内光环境研究的领域，较传统光源有光谱纯、能耗低、寿命长的优势，同时更能精准地提供植物所需波长的光质及光强，在设施园艺光环境调控中具有重要的意义和作用，是现今设施农业生产中最为理想的补光光源[5-7]。

综上所述，连续阴雨天和雾霾等不利气候导致的弱光寡照逆境对冬春茬苗期蔬菜生长发育影响十分严重，并将直接影响冬春季园艺作物生产的经济效益。目前，国内外有关弱光条件下LED补光灯对苗期蔬菜生长影响所涉及的面主要集中在不同光质的影响，在光周期、光照强度等方面研究较少，该研究将对国内外在弱光条件下LED补光灯对苗期蔬菜生长影响从光照时间、光照强度、不同光质等多方面进行阐述，并指出该方面研究目前存在的问题及今后可开展研究的思路及方向，以供研究人员参考。

1 不同光质LED补光灯对苗期蔬菜生长的影响

光质对植物的生长发育具有非常重要的作用，它不仅能可以调控光合作用，而且可以通过触发信号影响植物的生长发育。基于植物生长发育所需光配方实施智能光环境调控是人工LED 补光的高效应用策略。因此，在弱光条件下，将LED辐射的各种光谱按照蔬菜苗期生长发育所需进行配比应用在设施蔬菜生产中具有重要意义。植物的光谱敏感区为300～850 nm，主要包括近紫外光300～380 nm、蓝光380～500 nm、绿光500～620 nm、红光620～700 nm和远红光700～850 nm，其中，400～700 nm（蓝光、绿光和红光）为植物的最大光谱敏感区[8]。通过比较叶片色素的吸收光谱和光合作用的作用光谱，可以看出红光和蓝光是植物光合作用最有效的光[9-10]。因此，红蓝光比例在弱光下LED 补光灯光质对植物生长发育和形态建成至关重要。

Johkan 等[11]研究红光、蓝光以及红蓝混合的LED光源对红叶生菜植株幼苗

的品质和产量的影响，结果表明，经过不同光照强度7 d处理后可见，相比荧光灯处理，在红光处理下红叶生菜幼苗的鲜重和叶面积分别增加25%和33%，经蓝光LED 处理红叶生菜幼苗根重及芽干重分别增长83%和29%。Khoshimkhujaev等[12]研究红光以及紫外线A对幼苗生长的影响，结果发现，在两者混合的光作用下，番茄幼苗生长水平明显升高，在紫外线A处理下，幼苗干鲜重、叶面积明显增加。Hanyu 等[13]研究表明，经过LED补光灯蓝光处理的幼苗的植株多酚含量增多，而幼苗经过红光的处理欠缺的问题表现在光合形态上。蒲高斌等[14]认为，弱光条件下，利用LED补光灯在番茄苗期照射蓝光或红光不仅有利于番茄幼苗的生长，而且有利于培育壮苗。此外，经过蓝光处理后番茄产量显著提高。崔瑾等[15] 在辣椒、黄瓜和番茄等多个品种的幼苗上开展弱光条件下不同的LED 光质对其幼苗生长的影响，结果表明，在弱光条件下进行苗期补充红蓝光或红光可促进多种幼苗促成壮苗。杜洪涛[16]经试验发现，用不同光质处理3 种彩色甜椒幼苗，蓝光处理的植株较矮，红光处理的植株长势较高，说明促进茎的伸长方面红光具有典型优势。高艺等[17]对不同光质LED补光灯在影响丝瓜幼苗生长的方面进行研究，发现弱光条件下补充LED 光源能够提高丝瓜幼苗的生理品质，同时显著提高其壮苗指数。王绍辉等[18]认为，在黄瓜苗期利用增加红光和紫外线A的照射时间，同时减少蓝光和紫外线B的照射时间，能够促进黄瓜幼苗的生长。在光质比例方面，邬奇等[19]经研究发现，LED R/B=2∶1 的补光照射促使番茄幼苗光合、抗氧化酶活性及各生长指标均有所提高。高芳云等[20]认为，在R/B=7∶3 的 LED 补光处理下，番茄幼苗生长速率最高，同时最终产量最好。

综上所述，在有效物质的光调控过程较为复杂，红光、蓝光等不同光质对植物根生长方面的影响也有差异，蓝光有利于提高蛋白质的含量，红光则有利于提高植物体内碳水化合物的含量，LED补光灯组合光比单一光质更有利于弱光条件下蔬菜幼苗的生长。近年来，尽管国内外学者在研究植物苗期光调控机理及运用上取得了一定的进展，但不同植物的种类、品种及分布的不同生长阶段指标对LED 光质具有特定机制，同时表现出复杂的光生物学效应，为提高弱光条件下LED补光灯对蔬菜苗期生长的调控效果及区分其中的各类作用，需要进行更为深入的研究和剖析。

2 不同光强LED补光灯对苗期蔬菜生长的影响

光照强度是植物生长的重要光照参数，不同光强的LED 补光灯对植物体内功能性化学物质积累的影响表现在多个方面[21]。弱光下蔬菜种苗会出现叶色减淡、叶面积增大、徒长等症状[22]，同时会产生光抑制。在自然光条件下，国内外研究人员开展了很多光照强度对细胞结构、蔬菜种苗外形特征及基因表达等方面的研究[23-24]，但在弱光条件下，不同光照强度LED补光灯对蔬菜种苗生长影响的研究还比较少见。郑亮等[25]采用不同强度的LED红光在茄果类蔬菜苗期進行暗期补光的试验表明，各处理的番茄、辣椒、茄子的生物量和壮苗指数均出现不同程度的提高，同时促进了幼苗的SOD、CAT 活性和类黄酮、总酚含量的提高，全面提升幼苗的环境适应能力。刘晓英等[26]研究指出在设施生产中LED补光育苗的光照强度如果参照自然光光强势必造成资源浪费或生长不良等特征，因为植物在自然光下的光饱点高于在LED 光下的光饱点，因此开展弱光条件下不同光照强度LED补光对植物生长发育的影响，对设施采用人工补光育苗具有重要意义。杨延杰等[27]对番茄幼苗补光的研究表明，当LED补光光照强度低至620 μmol/（m2·s）以下时，番茄植株生长量和产量显著降低。周秋月等[28]发现生菜LED补光育苗达450 μmol/（m2·s）的光强下，幼苗的干质量、光合速率等指标最优。王惠哲等[29]研究发现，弱光情况下黄瓜种苗的发育明显受到抑制，出现植物干重降低、产量降低、茎变细、光合速率下降等问题。

通过以上研究可以看出，植物的形态差异是植物对光照强度的自适应，充足的光照下，幼苗生长健壮，弱光下幼苗生长不良，低光照强度限制苗期蔬菜的生长，随着光照强度的增大，植株生物量显著增大，但光照强度超过某一数值，综合经济效益随着光照强度的增大光能效并没有显著提高。但与光质研究相比较，关于弱光条件下LED补光灯光照强度对蔬菜苗期生长的影响研究较少，多类蔬菜苗期最适LED补光光照强度及该方法对蔬菜幼苗在光学及生理等特性方面的影响机理还需进一步开展研究。

3 不同光周期LED补光灯对苗期蔬菜生长的影响

光周期是昼夜周期中暗期和光期的交替变化。植物通过向光蛋白感受光周期，并通过其调节自身的生理特性、开花反应等机能。光周期对于植物生长发育的影响大多在成花诱导和花芽分化等方面有所体现[30-31]。弱光条件下在蔬菜育苗过程中可通过利用LED补光灯适当延长光照时间提高蔬菜幼苗的壮苗指数，从而缩短蔬菜生长周期。陈敏等[32]发现，弱光条件下利用LED补光灯延长茄子幼苗的补光时间，茄子幼苗的壮苗指数、根冠比、抗氧化酶活性及叶绿素含量随补光时间增加而提高，同时株高、茎粗和生长速率也明显升高。李海云等[33]研究表明，在弱光条件下，通过增加光照时间黄瓜幼苗的茎粗、生长速率、根冠比均显著高于未补光处理，因此长日照对培育黄瓜壮苗具有显著作用。Torre等[34]发现，蔬菜种苗在暗向光的转变中，茎的生长速率明显降低，而在光向暗的转变过程中，茎的生长速率显著增加。李海云等[35]研究弱光条件下利用红蓝白混合LED补光灯进行不同光周期及光强度LED补光对水培蔬菜苗期生长及光形态的影响，结果表明，较低光强与较长光周期搭配生菜的光合速率显著提升，较高光强与较短光周期搭配生菜的生长发育速率显著提升；增加LED补光光照时间处理西葫芦幼苗，其生长、蛋白含量、根系活力较未补光前显著提高，但西葫芦的过氧化物酶活性及雌花节率明显降低。Blom等[36]、Lund等[37] 研究弱光条件下采用新型LED 光源50 μmol/（m2·s）的红光对番茄、黄瓜幼苗在暗期生长每隔2 h 照射红光5 min，结果发现，暗期红光处理显著抑制了番茄和黄瓜幼苗的株高、下胚轴长、叶面积和节间长度的生长，壮苗指数较对照分别提高了42%和24%；同时番茄和黄瓜幼苗干物质叶片的分配率均有所提高，但有机物向茎的分配和运输减少，影响地上部位干物质的分配。

通過以上研究可以看出，光周期调节植物生长发育过程，同时不同光周期处理可以明显改变植物的发育进程。可见蔬菜生长过程中光周期不仅与花期有关，同时也影响蔬菜种苗发育。光周期之所以影响植物的幼苗生长，可能是由于植物生长的物质浓度受到光周期的调节，同时影响植物根系对营养元素的吸收[38-39]，以上研究均为弱光条件下LED补光灯对苗期蔬菜生长提供了更大的研究空间。

4 讨论

我国设施园艺总面积占据世界第一，其中设施育苗对环境的要求均较为严格，连续阴雨天和雾霾等不利气候导致的弱光寡照的环境极易造成设施内幼苗的徒长。通过光形态调控法解决弱光问题，是环保、经济有效且易行的方法。

目前，在植物栽培领域LED补光灯的出现已经引起世界的广泛关注，随着精细农业的发展和能源紧缺形势的严俊，植物生长光源被节能光源LED所取代，利用LED光源全面实现植物的高效生产，在我国具有广阔的应用前景。但迄今为止，弱光条件下LED 光环境调控在我国蔬菜苗期生长中的应用还处于起步阶段，如何借鉴国内外研究成果，进一步深入系统地研究与LED 相关的各种技术和产品，应用于弱光条件下蔬菜育苗的生产实践中，急需多学科学者共同合作，同时开发出符合我国在弱光条件下可用于生产实际的育苗光环境调控LED光源，这对于我国蔬菜设施栽培产业发展具有非常重要的实际意义。

总之，弱光条件下LED补光灯对苗期蔬菜生长的影响方面研究取得了很好的成果，但还有一些问题在研究过程中仍需要进一步的精细化和精确化。应针对设施弱光条件下每一种蔬菜苗期的生长过程，探讨其最佳的波长、照射时间长度等，同时对结果做出适当的理论解释，并推广示范，全面指导实际生产，从而促使弱光条件下LED补光灯在苗期蔬菜生长应用中产生更大的社会和经济效益。

参考文献

[1]

陈炎华，张善端.LED应用于莴苣补光照明综述[J].照明工程学报，2013，24（S1）：156-161.

[2] 段奇珍，曲梅，高丽红.不同LED 光源对黄瓜幼苗质量的影响[J].北方园艺，2010（15）：125-128.

[3] 刘文科，刘义飞.设施园艺LED 光源设计与应用策略探讨[J].中国照明电器，2017，11（11）：24-27.

[4] 刘文科，杨其长.雾霾天气与设施园艺补光[J].科技导报，2014，32（10）：12.

[5] HERNNDEZ R，KUBOTA C.Growth and morphological response of cucumber seedlings to supplemental red and blue photon flux ratios under varied solar daily light integrals[J].Scientia horticulturae，2014，173：92-99.

[6] HOGEWONING S W，TROUWBORST G，MALJAARS H，et al.Blue light dose-responses of leaf photosynthesis，morphology，and chemical composition of Cucumis sativus grown under different combinations of red and blue light[J].Journal of experimental botany，2010，61（11）：3107-3117.

[7] ZHANG H，XU Z G，CUI J，et al.Effects of light quality on the growth and chloroplast ultrastructure of tomato and lettuce seedlings[J].Chinese journal of applied ecology，2010，21（4）：959-965.

[8] 徐景致，李同凯，葛大勇，等.植物生长发育对光波段选择性吸收的研究进展[J].河北林果研究，2002，17（2）：180-184.

[9] MATSUDA R，OHASHIKANEKO K，FUJIWARA K，et al.Photosynthetic characteristics of rice leaves grown under red light with or without supplemental blue light[J].Plant & cell physiology，2004，45（12）：1870-1874.

[10] MORTENSEN L M，STRMME E.Effects of light quality on some greenhouse crop[J].Scientia horticulturae，1987，33（1）：27-36.

[11] JOHKAN M，SHOJI K，GOTO F，et al.Blue light-emitting diode light irradiation of seedlings improves seedling quality and growth after transplanting in red leaf lettuce[J].Hortscience，2010， 45（12）：1809-1814.

[12] KHOSHIMKHUJAEV B，KWON J K，PARK K S，et al.Effect of monochromatic UV-A LED irradiation on the growth of tomato seedlings[J].Horticulture environment biotechnology，2014， 55（4）：287-292.

[13] HANYU H，SHOJI K.Acceleration of growth in spinach by shortterm exposure to red and blue light at the beginning and at the end of the daily dark period[J].Acta horticulturae，2002，580：145-150.

46卷32期 马 宁等 弱光条件下LED补光灯对苗期蔬菜生长的影响研究进展

[14] 蒲高斌，刘世琦，刘磊，等.不同光质对番茄幼苗生长和生理特性的影响[J].园艺学报，2005，32（3）：420-425.

[15] 崔瑾，马志虎，徐志刚，等.不同光质补光对黄瓜、辣椒和番茄幼苗生长及生理特性的影响[J].园艺学报，2009，36（5）：663-670.

[16] 杜洪涛.光质对彩色甜椒幼苗生长发育特性的影响[D].泰安：山东农业大学，2005.

[17] 高艺，刘厚诚，董皓，等.不同光质LED灯对丝瓜幼苗生长的影响[C]//中国园艺学.中国园艺学会设施园艺分会2013年年会·蔬菜优质安全生产技术研讨会暨现场观摩会论文摘要集.广州：华南农业大学，2013：7.

[18] 王绍辉，孔云，陈青君，等.不同光质补光对日光温室黄瓜产量与品质的影响[J].中国生态农业学报，2006，14（4）：119-121.

[19] 邬奇，苏娜娜，崔瑾.LED 光质对番茄幼苗生长及内源性GA 和IAA 含量的影响[J].西北植物学报，2013，33（6）：1171-1176.

[20] 高芳云，王芳，郑汉文，等.不同光质LED灯育苗对设施番茄生长及产量的影响[J].长江蔬菜，2015（14）：54-55.

[21] 林魁，徐永.LED 照明对植物体内功能性化学物质积累的影响[J].植物学报，2015，50（2）：263-271.

[22] 战吉宬，黄卫东，王利军.植物弱光逆境生理研究综述[J].植物学通报，2003，20（1）：43-50.

[23] FUKUDA N，KOBAYASHIYOSHINAKA M，UBUKAWA M，et al.Effects of light quality，intensity and duration from different artificial light sources on the growth of petunia （Petunia×hybrida Vilm.）[J].Journal of the Japanese society for horticultural science，2002，71（4）：509-516.

[24] 黃俊，郭世荣，吴震，等.弱光对不结球白菜光合特性与叶绿体超微结构的影响[J].应用生态学报，2007，18（2）：352-358.

[25] 郑亮，邢文鑫，董海泉，等.LED 苗期暗期补光对茄果类蔬菜发育和生理的影响[J].中国蔬菜，2012（18）：111-115.

[26] 刘晓英，徐志刚，常涛涛，等.不同光质LED 弱光对樱桃番茄植株形态和光合性能的影响[J].西北植物学报，2010，30（4）：725-732.

[27] 杨延杰，李天来，林多，等.光照强度对番茄生长及产量的影响[J].青岛农业大学学报（自然科学版），2007，24（3）：199-202.

[28] 周秋月，吴沿友，许文祥，等.光强对生菜硝酸盐累积的影响[J].农机化研究，2009，31（1）：189-192.

[29] 王惠哲，庞金安，李淑菊，等.弱光对春季温室黄瓜生长发育的影响[J].华北农学报，2005，20（1）：55-58.

[30] 杨娜，郭维明，陈发棣，等.光周期对秋菊品种‘神马花芽分化和开花的影响[J].园艺学报，2007 ，34（4）：965-972 .

[31] HAYAMA R，COUPLAND G.The molecular basis of diversity in the photoperiodic flowering responses of Arabidopsis and rice[J].Plant physiology，2004，135（2）：677-684.

[32] 陈敏，李海云.不同光周期对茄子幼苗生长的影响[J].北方园艺，2010（16）：53-55.

[33] 李海云，杨玉杰.不同光周期对黄瓜幼苗抗冷性的影响[J].中国农学通报，2012，28（4）：115-119.