LED光质、光强对西洋参生长及光合作用的影响

张玉彬，刘文科

(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)

引言

西洋参(Panaxquinquefolius)，五加科(AraLiaceae)，人参属(Panax)，为宿根性多年生草本植物[1]。其以根部入药，具有广泛的药用、保健、值临床价值，如：静心凝神、保护心血管系统、调节胰岛分泌等[2，3]，也是生产保健品、食品、化妆品等的重要原料[4]。目前，西洋参的生长、光温条件和光合特性等已进行了系统的研究[5-7]，西洋参对于生长环境要求苛刻，当前的农田、林下栽培等模式很难快速获得大量洋参根，且参地资源匮乏矛盾日渐突出，产品外观及质量因生产地气候、土质、栽培方式等的不同而差别较大[8]。

西洋参在长期的自然进化过程中形成了对特定生长环境的适应性，其生长发育以及体内有效成分的含量与温度、光照、水分和十壤等环境因素有关[9，10]。因此，在人工栽培时，应根据西洋参对环境的特殊要求，为其提供适宜的生长环境。人工光植物工厂是目前设施园艺发展的最高阶段，可以在高精度智能环境控制条件下实现周年生产叶菜等低矮植物，在蔬菜、药用植物生产和育苗等领域具有重大应用前景[11]。西洋参作为一种经济价值极高的药用植物，对生长环境要求苛刻。人工光植物工厂可以通过调控温度、光照等环境因素，为西洋参生长提供适宜的条件，人工光植物工厂西洋参栽培有很好的应用前景。

光环境是人工光植物工厂最重要的环境要素之一，是植物生长发育的必需环境要素[12]。光质、光强是光环境的关键组成部分，二者均可对根茎作物的生长发育产生显著影响。查凌雁等[13]研究发现，光强高于一定水平时适宜的红蓝光配比对樱桃萝卜根茎生长具有显著促进作用。赵姣姣等[14]发现红光促进白术苗期地上部的生长同时抑制根系的生长。Park等[15]通过研究LED光谱对人参不定根中物质代谢的影响，结果表明，LED蓝光照射可以显著提高蔗糖、α-生育酚和β-香树脂醇的含量。Ghimire等[16]进一步发现，LED蓝光可使参根中的对香豆酸、芥子酸、香草酸和丁香酸显著增加，LED红光处理下，人参不定根中的油菜甾醇、胆固醇、β-谷甾醇和豆甾醇显著提高。但目前关于LED光质及其光强对西洋参生长及光合的研究鲜有报道。本试验设置3种红蓝光配比(2R∶1B、3R∶1B、4R∶1B)和2种光照强度(50、80 μmol·m-2·s-1)，通过测定西洋参的形态指标指标及光合参数，探索多个光环境因子对西洋参生长及光合的影响，筛选出适宜西洋参生长发育的人工光生产的光环境条件，为实现西洋参在植物工厂的优质高产提供理论基础。

1 材料与方法

1)材料与处理。试验材料来自中国农业科学院特产研究所，选取长势一致、无病害的2a生西洋参苗，试验在中国农业科学院农业环境于可持续发展研究所植物工厂内进行。试验于2018年4月27日，将大小一致的2 a生西洋参苗随机移栽于长方形塑料栽培槽(57 cm×32 cm×18 cm)内，每槽8株。栽培基质为蛭石、草炭和珍珠岩(体积比为1∶1∶1)的混合物，基质含水量为手握成团、落地散开的状态。每周分别喷施2次500 ml营养液及2次200 ml纯水。营养液配方(mmol/L)∶(Ca(NO3)2·4H2O、0.75 K2SO4、0.5 KH2PO4、0.1 KCl、0.65 MgSO4·7H2O、1.0×10-3H3BO3、1.0×10-3MnSO4·H2O、1.0×10-4CuSO4·5 H2O、1.0×10-3ZnSO4·7H2O、5×10-6(NH4)6Mo7O24·4 H2O、0.1 EDTA-Fe)，其中氮水平设置为2.5 mmol/L。试验采用LED红蓝光组合灯板进行光照处理，采用LI 1500辐射照度测量仪测定栽培槽中心上方2 cm处(即植株顶部)光强，后根据参苗的长势调整光强以保障植物顶部所受光强一致。使用LI-6400型光合测定仪在8:00—17:00测定叶片光合参数。如表1所示，试验设置2R∶1B(Q2∶1)、3R∶1B(Q3∶1)和4R∶1B(Q4∶1)3种红蓝光质比例，50 μmol·m-2·s-1(I50)和80 μmol·m-2·s-1(I80)2种光强，共6个处理。处理栽培环境温度为26±1℃，相对湿度为70%±5%。

表1 光质与光强处理Table 1 Light quality and light intensity treatment

2)取样与测定方法。移栽30 d后开始测定西洋参植株形态指标，每隔7 d测定1次，连续测定5次。每个处理选取具有代表性的4株参苗进行测定茎高(植株主茎从床面到总柄长分叉处的高度)、总柄长(叶片小柄至植株主茎的长度)、叶长、叶宽、茎粗(植株主茎1/2高度处的直径)、总柄粗(叶片小柄至植株主茎的1/2长度处的直径)、叶绿素含量参数。其中，叶绿素含量采用SPAD叶绿素仪(SPAD-502，Konica Minolta，日本)其余指标用游标卡尺测定。采用Li-6400便携式光合仪在第60 d，即植株开花期，测定不同光强下叶片的净光合速率(Pn)对光强的响应曲线。试验选取Q3∶1下光合活力最高的展开叶，测定时光强由弱到强，设定的光合有效辐射依次为0，50，80，150，250，500，800 μmol·m-2·s-1和1 000 μmol·m-2·s-1，每个光强梯度下平衡5 min，测定各处理叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)，每片叶子重复测5次，取其平均值。

3)数据处理。采用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理，采用Orgin9.0进行作图分析，采用SPSS25统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法，α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 光质与光照强度处理对西洋参生长的影响

由图1知，由于采用不同光质与光照强度的处理，各处理的各项形态指标均有明显差异，且变化趋势一致。定植30 d后，不同光照条件下，Q4∶1I80与其他处理有显著差异，其他处理间没有差异。随着生长期的延长，西洋参茎高持续增长，在生长期第52～59 d生长缓慢，各处理间的茎高开始不再有显著差异。第59 d时，Q2∶1I50处理下的西洋参最高，但与Q3∶1I50没有显著差异。在I50和I80下，LED光质对茎高的影响为Q2∶1>Q3∶1>Q4∶1，说明在I50和I80下，降低红蓝光质比利于西洋参茎高的增长。总柄长随生育时期延长而逐渐增长，Q3∶1与I50处理下的总柄长与其他处理在同一水平、同一生长期时最佳。同一光质处理下，I50处理下的总柄长较长，但无显著差异。Q3∶1I50处理下的总柄长最长，生长势最强，始终表现为最佳。叶长、叶宽随生育时期延长而逐渐增长，同一光强水平，LED光质对叶长、叶宽的影响为Q3∶1> Q2∶1>Q4∶1，Q4∶1与其他处理有显著差异，但Q3∶1与Q2∶1处理下无显著差异。同一光质处理下，I50处理下的叶长、叶宽较长，即该处理下叶面积较大，说明光强低、光质比低利于西洋参叶面积的增大。Q2∶1I50处理下，西洋参的叶长、叶宽最长，该处理下叶面积最大。茎粗、总柄粗直径随生育时期延长呈现先增大后减小的趋势，同一光强水平，Q4∶1下的茎粗、总柄粗直径最小，其变化率也最小，Q2∶1下的茎粗、总柄粗直径最大，其变化率也最大。Q2∶1I50对其影响最大，第59 d时的茎粗、总柄粗直径分别比测定最大值减小了11.80%和21.23%。同一光质水平，I50下的茎粗、总柄粗直径较大，其变化率也最大。各处理间叶片中的叶绿素含量随生育时期延长先后呈现出先降低后升高的趋势，Q4∶1下叶片的叶绿素含量低于其他处理的叶绿素含量。同一光质水平下，西洋参叶片的叶绿素含量，在I50和I80下无显著差异。以上结果显示，同一光强水平下，LED光质对西洋参形态指标的影响为Q3∶1> Q2∶1>Q4∶1，同一光质水平下，LED光强对西洋参形态指标的影响为I50>I80，Q3∶1I50处理是利于西洋参生长的最佳条件。

2.2 光质与光照强度处理对西洋参光合的影响

植物光合是植物生长过程中重要的反应过程，光环境是影响光合的重要因素之一。如图2所示，测定并拟合了生长光强50 μmol·m-2·s-1和80 μmol·m-2·s-1下的光响应曲线，净光合速率随着光强的上升逐渐增大值某个值后，随光强的进一步上升呈略微增加而逐渐趋于饱和的状态。50 μmol·m-2·s-1和80 μmol·m-2·s-1下的暗呼吸速率分别为0.55和0.09 μmolCO2·m-2·s-1，在500 μmol·m-2·s-1时光合速率开始逐渐降低，在800 μmol·m-2·s-1时光响应曲线趋于平缓，即净光合速率达到最大值，分别为3.24和3.91 μmolCO2·m-2·s-1，80 μmol·m-2·s-1处理一直大于50 μmol·m-2·s-1处理下的西洋参叶片净光合速率，也说明800 μmol·m-2·s-1为50 μmol·m-2·s-1和80 μmol·m-2·s-1处理下西洋参叶片的饱和光强。

图1 LED光质与光强对西洋参生长的影响Fig.1 Effect of LED light quality and light intensity on the growth of panax quinquefolius

图2 50 μmol·m-2·s-1和80 μmol·m-2·s-1下的西洋参叶片光响应曲线Fig.2 Light response curves of Panax quinquefolius leaves under 50 μmol·m-2·s-1 and 80 μmol·m-2·s-1

由表2知，不同光环境处理对西洋参光合有一定的影响。I50下，净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均在Q3∶1处理下达到最大，Q4∶1下最小。I80下，LED光质对西洋参净光合速率的影响为Q4∶1> Q3∶1> Q2∶1。对西洋参气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率的影响为Q2∶1> Q3∶1>Q4∶1。净光合速率在Q4∶1I80处理下最高，Q2∶1I50处理下最低。同一光强处理下，不同光质比处理对西洋参叶片光合能力的影响不大。同一光质处理下，80 μmol·m-2·s-1处理下的光合指标高于50 μmol·m-2·s-1处理下的，表明西洋参在80 μmol·m-2·s-1处理下具有较强的光合能力。

表2 LED光质与光强对西洋参光合特性的影响Table2 Effect of LED light quality and light intensity on photosynthetic characteristics of panax quinquefolius

3 讨论与结论

不同光环境下，各处理的茎高、总柄长、叶长、叶宽、茎粗、总柄粗、叶绿素含量均有明显差异，变化规律相似。西洋参茎高在整个生育时期中持续增长，约在生长期第52～59 d生长缓慢，各处理间的茎高开始不再有显著差异。在I50和I80下，LED光质对茎高的影响为Q2∶1>Q3∶1>Q4∶1，降低红蓝光质比利于西洋参茎高的增长。总柄长随生育时期延长而逐渐增长，Q3∶1与I50处理下的总柄长与其他处理在同一水平、同一生长期生长状况最佳。Q3∶1I50处理下的总柄长最长，生长势最强，始终表现为最佳。同一光强水平，LED光质对叶长、叶宽的影响为Q3∶1> Q2∶1>Q4∶1，同一光质处理下，I50处理下的叶长、叶宽较长，光强低、光质比低利于西洋参叶面积的增大。Q2∶1I50处理下，西洋参的叶长、叶宽最长，该处理下叶面积最大。李万莲等[17]研究了不同遮荫材料对西洋参生长发育的影响，发现以蓝色遮荫网加PVC参用膜作遮荫材料区的参棚光质环境对西洋参生长发育有利，该处理下的蓝紫光所占比例最高。这一结果与本研究的结果基本相符。茎粗、总柄粗随生育时期延长呈现先增大后减小的趋势，Q2∶1I50对其影响最大，第59 d时的茎粗、总柄粗直径分别比测定最大值减小了11.80%和21.23%。各处理间叶片中的叶绿素含量随生育时期延长先后呈现出先降低后升高的趋势，Q4∶1下叶片的叶绿素含量低于其他处理的叶绿素含量。Jang等[6]研究表明温室中的人参总皂苷含量随着透光率的增加而增加，透光率达到17%时总皂苷含量达到最大。但具体的红蓝光质比对西洋参产量与品质的影响还不清楚，有待进一步探究。

综上所述，LED光质与光强处理对西洋参生长及其光和特性有一定影响。同一光强水平下，LED光质比例3R∶1B对西洋参形态指标的影响最大，LED光质比例对西洋参叶片光合能力的影响不大。同一光质水平下，LED光强对西洋参形态指标的影响为I50>I80，在80 μmol·m-2·s-1处理下西洋参具有较强的光合能力。低光强下，3R∶1B是适合西洋参生长的最佳条件。