灰色关联分析法对叶用莴苣生长期光环境的优化

林魁　黄枝　徐永

摘 要 為保证设施叶用莴苣周年生产的供给，研究了人工气候条件下不同光照模式对叶用莴苣生长期生长特性的影响，以确定叶用莴苣生长的最优光环境，实验以‘意大利全年耐抽薹叶用莴苣（Lactuca sativa L.）为试材，设计LED红蓝配比（7：3、5：5、3：7）、光周期（12L/12D、16L/8D、20L/4D）及光照强度[100 μmol/（m2·s）、150 μmol/（m2·s）、200 μmol/（m2·s）]的3因素3水平正交实验，利用灰色关联分析法分析不同光照模式对生长期叶用莴苣植株的生长、光合色素含量及营养品质的影响。结果表明，不同处理对叶用莴苣生长期生长及品质的影响不同。相比于其他光环境条件，处理9[红蓝配比3：7，光周期20L/4D，光强150 μmol/（m2·s）]更有利于光合色素的积累。红蓝配比3：7的光照模式较其他处理更有利于蛋白质合成；处理3[红蓝配比7：3，光周期20L/4D，光强200 μmol/（m2·s）]有利于降低生长期叶用莴苣叶片硝态氮含量，促进可溶性糖的积累。综合分析得出3个光照因子对水培叶用莴苣生长及品质影响的重要程度依次为：光强、光质配比、光周期，最适的光照模式组合为：红蓝配比7：3、光强200 μmol/（m2·s）、光周期20L/4D。本研究结果可为叶用莴苣生长的最适光环境提供参考，同时为LED灯具在植物照明领域的设计提供技术支持。

关键词 莴苣；发光二极管（LED）；生长特性；正交实验

中图分类号 S626.9 文献标识码 A

Abstract In order to ensure the annual supply of facility lettuce， the effects of different lighting modes on the growth characteristics of lettuce in growth period under artificial climatic conditions were studied to determine the most suitable light environment for lettuce growth. The cultivar of lettuce （Lactuca sativa L.） used in this experiment was “Italy”， which has the advantage of resisting bolt all year round. We designed the orthogonal test with the ratios of red to blue light 7：3， 5：5 and 3：7， respectively， photoperiod 12L/12D， 16L/8D and 20L/4D， respectively （L for light， and D for Dark）， and light intensity 100 μmol/（m2·s）， 150 μmol/（m2·s） and 200 μmol/（m2·s）， respectively. The influence of the light settings on the growth， photosynthetic pigment content and quality of lettuce in growth period was analyzed using the gray relational analysis method. Results showed that compared with the other light environmental conditions， treatment with the ratio of red to blue 7：3， photoperiod 20L/4D and light intensity 150 μmol/（m2·s） was more conducive to the accumulation of photosynthetic pigments. The combination with the ratio of red to blue 3：7 was more conducive to protein synthesis than other treatments. Treatment with the ratio of red to blue 7：3， photoperiod 20L/4D and light intensity 200 μmol/（m2·s） had lower nitrate content and higher soluble sugar than other light treatments. From the results obtained in this paper we could conclude that the most influential factor on the growth and chemical accumulation of lettuce in the growth period was light intensity， followed by light quality and the least was photoperiod. The most suitable combination of light was as follows： the ratio of red to blue 7：3， light intensity 200 μmol/（m2·s）， and photoperiod 20L/4D. These results would provide some references for the settings of the best light environment for lettuce and some technological support for the design of LED （Light-emitting diode） lamps in the field of plant-lightings.

Keywords lactuca sativa； LED； morphological indicators； orthogonal test

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.08.003

光是植物生长发育最重要的环境因素之一[1-2]。影响植物生长的光环境主要包括光质、光强和光周期3个因素[3]。随着人工光源的快速发展，新型半导体发光二极管（light-emitting diode，LED）的出现使光环境三因子的筛选优化及其智能化管控技术与装备得以实现，并因其波长和光谱组成可控、带宽窄及效率高等特点而日益受到广泛关注[4-6]。

改变植物生长的光环境不仅能够改变植物的形态生长，还能有效促进植物体内功能性化学物质的积累。相关报道表明，红光能够促进幼苗生长、增大叶面积及增加可溶性糖的含量[7-8]。蓝光能够调节植物的趋光性、气孔开放及其体内相应的光保护机制等[9-10]。红蓝混合光能够促进植物的生长发育、提高壮苗指数及光能利用率等[11-12]，而不同的光强及红蓝配比可显著改变植株的生长指标，提高其体内光合色素[6]。光质和光周期协同作用能夠控制植物的开花时间[13]等。然而前期研究多关注光环境三因子中的单一因素或双因素组合对植物生长的影响，由于光环境调控的复杂性而鲜见对三因素的综合研究分析。

传统的分析方法主要包括回归分析、方差分析、主成分分析等，这些数理统计方法不仅要求有大量的数据样本，而且要求样本服从某个典型的概率分布等，容易出现量化结果与定性分析结果不符的现象，导致系统的关系和规律遭到误判[14]。若将其运用于植物生长光环境的优化分析中，只能找到现有条件下影响植物生长的条件，对于深入分析光环境的综合效应仍然有局限性。灰色关联分析法是灰色系统理论的一种分析方法，弥补了采用其他数理统计方法作系统分析所导致的缺憾，对样本量的多少和样本有无规律都同样适用[15]。因其不仅计算简便，而且能根据部分信息实现对系统的正确认识和有效控制而被广泛运用于诸多领域。谢延敏[16]为了得到板料成形工艺的最佳优化参数组合， 采用灰色关联分析法对多目标的灰色关联度进行分析， 研究结果表明，应用灰色关联分析能得到多目标优化的最优值和最佳参数，经优化后的板材质量显著提高。刘莉娜等[17]采用灰色关联分析法对中国农村家庭碳排放的影响因素进行了系统的研究，结果表明利用灰色关联分析法不仅能够对相关影响因素进行综合评价，而且得出不同驱动因子对碳排放的关联度。杨光华等[18]应用灰色关联分析法对不同西瓜品种的不同农艺性状进行综合评估，筛选出适合三亚地区种植的西瓜品种。黄斌等[19]采用灰色关联分析法分析杂交稻新组合，结果表明灰色关联分析法能准确揭示性状间的关联度以及筛选优良品种。

植物的生长期主要指营养体建成阶段，是发育的一个重要过程。植物生长期生长状况好坏直接影响其采收期的产量与品质。研究植物生长期的栽培光环境并对其进行优化，对于在生产过程中选取最优的节能光照方案具有重要的意义。因此，为探究植物生长期所需的光环境，以便对其作更精确的光照调控，本研究以叶用莴苣作为研究对象，采用正交实验设计方法设置叶用莴苣生长光环境条件，利用灰色关联分析法对其进行优化，以期为设置叶用莴苣生长期的最适光环境提供参考，同时为LED灯具在植物照明领域的运用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 实验材料与处理

实验供试叶用莴苣种子品种为‘意大利全年耐抽薹叶用莴苣，购于香港高华种子有限公司。采用穴盘育苗，育苗基质为草炭：蛭石：珍珠岩=3：1：1的混合基质，待植株长至三叶一心期时，选取长势一致的幼苗移至光照培养架中进行光照处理，处理14 d后（即生长期：从三叶一心到开花或抽薹之前）进行测定。

1.2 方法

1.2.1 实验设计 实验光源为5050 RGB（R：（662±20） nm；G：（525±20） nm；B：（455±20） nm）LED灯板（460 cm460 cm），定制于深圳纯英达业集团有限公司惠州分公司。设计LED红蓝配比（7：3、5：5、3：7）、光周期（12L/12D、16L/8D、20L/4D）及光照强度[100、150、200 μmol/（m2·s）]的3因素3水平正交实验，以荧光灯（FL）作为对照（CK），包括对照共组成10个处理，各处理如表1所示，每个处理3个重复，每个处理60株。

光照培养架为层高50 cm的组培架，共4层。光源固定于培养架顶部，距离植株（15±5） cm，对照（CK）和各处理光谱图如图1所示。培养架内层用镀铝反光膜加以隔离，顶部和四周用遮光布遮盖以避免外界光源和不同光源间的影响。营养液的配制采用华南农大叶菜B营养液配方[20]，每周更换一次营养液，以保证营养液的pH和电导度分别为6.5～7和1.1～1.3 S/cm。各处理的环境温度为24/20 ℃（昼/夜），湿度为70%±5%，二氧化碳浓度为580～600 mg/L。

1.2.2 测定项目与方法 叶用莴苣幼苗在各光照处理下生长14 d后，对其形态指标进行测定：每个处理随机选取6株叶用莴苣植株，用精度为

0.01 cm的直尺测量叶用莴苣的株高（根茎部到生长点）、下胚轴长；用精度为0.01 mm的游标卡尺测量叶用莴苣的茎粗；用感量为0.000 1 g的电子天平测出各处理叶用莴苣植株地上部和地下部的干鲜质量，并计算平均重量。SPAD值采用SPAD-502plus叶绿素仪测定叶用莴苣叶片（从顶部向下第3片功能叶片）叶绿素含量（SPAD值）。整株鲜重=地上部鲜重+地下部鲜重，并计算平均值。

叶用莴苣幼苗在各光照处理下生长14 d后，对其生理生化指标进行测定：光合色素含量的测定采用混合液提取法[21]，计算公式为：叶绿素a含量（mg/g）=（12.7D663–2.69D645）×V/1000×W；叶绿素b含量（mg/g）=（22.9D645–4.68D663）× V/1000× W；类胡萝卜素含量（mg/g）= [4.7D440–0.27× （20.21D645+8.02D663]）×V/1000×W；式中，D663、D645、D440分别为相应波长下的光密度值，V为提取液体积（mL），W为叶片鲜重（g）。可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量和硝态氮含量的测定分别采用王学奎[22]的蒽酮比色法、考马斯亮蓝G-250法和水杨酸-硫酸法测定。各生理指标测定重复3次，并计算平均值。

1.2.3 灰色关联分析模型 灰色关联分析法是根据曲线间相似程度来分析和确定因子间的影响程度或因子对系统特征序列的贡献程度[15]。其中，灰色关联系数表征了各数据序列相对于始点的变化速率之间的关系，它们的变化速率越接近，关联系数值越大；灰色综合关联度分析既体现了各序列曲线在几何意义上相似程度，又反映出各序列相对于始点的变化速率的接近程度，较为全面地表征了各数据序列之间的联系紧密程度。因此，本研究利用灰色综合关联度来分析系统中各因素与叶用莴苣植株生长指标及营养品质指标的综合关联度大小，进而确定叶用莴苣生长最适的光环境条件。灰色关联分析系统模型建模具体步骤如下：

1）确定评价叶用莴苣生长最适光环境的参考序列和比较序列

设用于评价叶用莴苣生长的样本序列数即参考序列有m个，包含n个评价指标，则第i实测样本序列为：

设分级标准作为比较序列，共分s级，因此第j级标准的比较序列为：

2）序列的规范化处理

由于样本序列中叶用莴苣各指标的物理意义不同，导致数据的量綱也不一定相同，必须对它们进行指标值规范化处理，将其转换为可比较的数据序列，以加强各因素间的可比性。常用的指标值规范化处理方法为初值化与均值化方法。本文采用均值化法，即用每列数据除以该列均值。

3）计算关联系数

Yj对于Xi在第k点的关联系数为：

根据式（3）可给出各评价单元的优劣排序。某待比较序列若与参考序列的关联度大，则表明该比较序列与参考序列即指标最优序列最相似，亦即指标最优。这样最终可得到不同光照处理下叶用莴苣各项指标的综合评价结果。

1.3 数据处理

使用DPS 7.05软件Duncan新复极差法进行差异显著性分析（α=0.05）；采用Excel软件绘图；利用Matlab R2014a软件进行灰色关联分析及综合评判。

2 结果与分析

2.1 红蓝配比、光周期及光照强度对叶用莴苣生长期植株形态和SPAD的影响

叶用莴苣生长期株高、茎粗、下胚轴长、鲜重（地上、地下和整株）、干重（地上和地下）能够直观反映其生长状态，SPAD的测定可实现对植物叶片的叶绿素含量的快速测定，便于进行无损以及动态追踪观测。不同红蓝配比、光周期及光照强度对叶用莴苣生长期株高、茎粗、下胚轴长、鲜重（地上、地下和整株）、干重（地上和地下）及SPAD的影响如表2所示。由表2可以看出，叶用莴苣生长期的株高以处理1最大，较对照增加了6.48%。处理3中叶用莴苣生长期植株的茎粗与对照相比差异显著（p<0.05），比对照增加了49.80%。下胚轴长以处理2最长，达到1.79 cm，比对照增加了26.95%。地上鲜重、地下鲜重和整株鲜重均在处理3中达到最大，与对照相比差异显著（p<0.05），分别比对照增加了83.98%、65.91%和80.24%，表明处理3能显著促进叶用莴苣生长期鲜重的增加。处理2的地上干重最大，与对照相比差异显著（p<0.05），比对照增加了205.56%。地下干重以处理5最大，与对照相比差异显著（p<0.05），比对照增加了一倍。SPAD值以处理9最高，处理7次之，与其他处理相比差异显著（p<0.05），分别比对照增加了52.04%和39.95%。

2.2 红蓝配比、光周期及光照强度对叶用莴苣生长期叶片光合色素的影响

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量多少直接影响植物的光合能力。不同红蓝配比、光周期及光照强度对叶用莴苣生长期叶片中叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素（a+b）含量和

类胡萝卜素含量以鲜重计的影响如图2所示。由图2可知，叶绿素a含量以处理9为最大，与对照相比差异显著（p<0.05），比对照增加了81.08%，对照中叶绿素a含量最低。正交组合实验结果表明，红蓝配比为3：7（处理7、8和9）处理的叶用莴苣生长期叶片中叶绿素a含量大于红蓝配比为5：5

（处理4、5和6）的处理，红蓝配比为7：3（处理1、2和3）处理的叶用莴苣生长期叶片中叶绿素a含量较低。叶绿素b含量以处理9最大，与对照相比差异显著（p<0.05），比对照增加了66.67%。叶绿素（a+b）含量以处理9最大，与对照相比差异显著（p<0.05），比对照增加了77.55%，且红蓝配比为3：7（处理7、8和9）处理的叶用莴苣生长期叶片中叶绿素b和（a+b）含量最大。类胡萝卜素含量以处理9最大，与对照相比差异显著（p<0.05），比对照增加了60.00%。综上可知，处理9（红蓝配比为3：7，光强150 μmol/（m2·s），光周期20L/4D）能显著促进叶用莴苣生长期叶片光合色素含量的增加。

2.3 红蓝配比、光周期及光照强度对叶用莴苣生长期植株品质的影响

不同红蓝配比、光周期及光照强度对叶用莴

苣生长期可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量和硝态氮含量（以鲜重计）的影响如图3所示。由图3可知，处理3的可溶性糖含量最大，处理9次之，与对照相比差异显著（p<0.05），分别比对照增加了8.71倍和6.86倍，且处理3、6和9下的叶用莴苣生长期植株可溶性糖含量显著高于对照，表明光周期为20L/4D的组合更有利于叶用莴苣生长期植株可溶性糖的积累。可溶性蛋白质含量以处理9最大，与对照相比差异显著（p<0.05），比对照增加了56.38%。红蓝配比为7：3（处理1、2和3）的正交组合下的叶用莴苣生长期植株可溶性蛋白质含量较低，与对照相比无显著性差异（p<0.05），分别比对照降低了5.70%、7.38%和8.39%。硝态氮含量以处理1下最高，与对照相比差异显著（p<0.05），比对照增加了83.91%。处理3下硝态氮含量最低，与对照相比差异显著（p<0.05），比对照降低了38.60%。

2.4 红蓝配比、光周期及光照强度对叶用莴苣生长期植株生长及品质的综合评价

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