不同脉冲光对生菜生长、品质及光合特性的影响

牟孙涛, 王嘉萱, 辛鑫, 杨振超*, 武勇军

(1.西北农林科技大学园艺学院, 陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学生命科学学院, 陕西 杨凌 712100)

随着设施农业发展以及LED补光技术的广泛应用，运用人工光源可以防止植株生长不良、产量低、品质低等问题，并在植物工厂中逐渐替代传统太阳光光照，已成为一种发展趋势[1-4]。脉冲光作为一种能提升光能利用率、实现光能高效转化的优质光源，而逐渐被关注和研究[5]。

研究表明，在脉冲光的供光模式下，其频率、占空比会影响植株的形态、产量、品质及叶片光合性能[6-7]，而Jishi等[8-9]研究则表明，脉冲光频率、占空比均会影响其光照下植物叶片的净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)。理论而言，植物叶片的净光合速率会直接影响植物的物质积累量及物质转化量，进而影响其产量和品质，故是否为脉冲光下植株叶片的净光合速率影响了植株物质积累，进而造成植物生长差异？脉冲光是一种高频的间歇光源，其功耗由静态功耗(受占空比影响)和动态功耗(受频率影响)组成，虽然频率、占空比较低时会影响植株叶片Pn，不利于植株生长，但在相同的瞬时光强下，过高的占空比与频率都会造成光源功耗增大，不利于脉冲光的节能效果[10]，故研究出既不影响实际生产同时又相对节能的频率与占空比的组合对脉冲光应用于实际生产具有重要意义。根据前人的研究，在相同光照时长下脉冲光能获得与连续光相同的生物量[11-12]，结合频率、占空比对Pn的影响，是否在不同占空比下，当频率正好使得脉冲光下叶片Pn与连续光相同时，该频率与其占空比组合的脉冲光下的植株就能获得相同甚至优于连续光的产量及品质？本研究通过基于与连续光相同的净光合速率的基础上，研究最小频率与其占空比组合的脉冲光对生菜生长、品质及光合特性的影响，为研制节能、高效的频率与占空比组合的植物生长光源提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

将生菜种子(青县现代农业技术推广中心提供)播种于72穴育苗穴盘中，置于人工气候箱进行常规育苗管理。一叶一心时去除长势不均的幼苗，四叶一心时定植于7 cm×7 cm的塑料营养钵中。试验采用的培养架尺寸为65 cm×65 cm，底部置物台高度可调控，LED灯板尺寸为35 cm×35 cm，置于顶部中央，植株均匀放置在灯板下方，其叶片部位光照强度为(180.24±6.44) μmol·m-2·s-1。

1.2 试验设计

采用Li-6800光合仪(LI-COR，美国)测定生菜生长点下第4片叶在180 μmol·m-2·s-1瞬时光强时，不同频率(1、2 、4、8、16、32、64、128、256、512、1 024、2 048、4 096、8 192 Hz)、占空比(20%、40%、80%、100%)脉冲光下的瞬时净光合速率(Pn)，重复3次。

选取在不同占空比下达到与连续光相同光合速率时最小频率与该占空比的组合，即2 048 Hz+20%(T1)、512 Hz+40%(T2)、128 Hz+80%(T3)三个组合，在相同瞬时光强下进行24 d光照试验处理，对照(CK)为连续光(占空比100%)，光周期均为12 h。试验中每5 d调整置物台高度以保持植株顶部叶片接受的光照强度与试验设计一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1形态指标及生物量测定 自处理之日起，每6 d测量一次形态指标，每处理随机选取3株，分别测量其株高(植株基部到顶部最高处距离)、株幅(植株地上部最大宽度)，最大叶叶长、叶宽。第24 d时，随机选取3株用CP213电子天平(奥豪斯)测量其地上、地下部鲜重和干重(60 ℃干燥箱中烘干至质量恒定)。

1.3.2品质测定 第24 d时，选取生长点往下第3～4片鲜叶分别采用钼蓝比色法[13]、考马斯亮蓝-G250染色法[13]、水杨酸硫酸法[13]测定维生素C、可溶性蛋白、硝态氮含量。取烘干后的干样分别采用蒽酮比色法[13]、3,5-二硝基水杨酸法[13]测定可溶性总糖及还原糖含量，各处理均取样3次。

1.3.3光合指标测定 第24 d时，每处理随机选取5株，取生长点往下第4片功能叶测量相关指标。叶绿素含量测定采用96%乙醇法[13]；光合参数采用Li-6800光合仪测量，采用荧光叶室，设定光强为600 μmol·m-2s-1、气体流速400 μmol·m-2s-1、空气相对湿度60%，待光合速率稳定10 min后记录其净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)；将生菜叶片暗处理30 min后，用PAM-2500便携式调制叶绿素荧光仪(WALZ，德国)测定其暗适应下的最大量子产量(Fv/Fm)、光适应下PSⅡ的光化学淬灭(qP)、光适应下PSⅡ的非光化学淬灭(NPQ)、光适应下PSⅡ的实际光化学效率(ΦPSⅡ)和相对电子传递速率(ETR)。

1.3.4数据分析 数据处理采用Microsoft Excel 2010，数据分析采用SPSS 19，绘图采用Origin 2017。

2 结果与分析

2.1 不同脉冲光组合的生菜叶片净光合速率

由图1可知，在脉冲光频率相同时，频率为1～128 Hz范围内，生菜叶片的净光合速率均表现为100%>80%>60%>40%>20%；除占空比为100%外，其他占空比条件下，随着频率的增加，生菜叶片的净光合速率均逐渐升高，且20%、40%、80%占空比处理下净光合速率分别在2 048 Hz、512 Hz、128 Hz时达到峰值并不再增加。因此，综合考虑选择20%+2 048 Hz、40%+512 Hz、80%+128 Hz三个脉冲光组合进行研究。

2.2 不同脉冲光处理对生菜生长的影响

由不同处理下生菜生长指标结果(图2)可知，从定植到收获期间，各处理的株高、叶长、叶宽随时间的变化趋势均一致。各处理的株幅在18 d前呈现相同的变化趋势，但在18～24 d时，T1、T2、CK处理株幅随时间的变化已趋于平缓，T3处理仍有明显增加的趋势。

从收获时不同处理下生菜的生长指标(表2)来看，收获时各处理的地上下部干重、地上下部鲜重、株高、叶宽与CK均无显著性差异，且处理间也无显著性差异；T3处理株幅最大，比CK显著提升了11.78%，T1、T2与CK差异不显著；叶长最长为T1处理，比CK增加8.50%，其余处理与对照相比无显著性差异。

表2 收获时不同处理下生菜的生长指标Table 2 Growth indexes of lettuce under different treatments at harvest time

2.3 不同脉冲光处理对生菜品质的影响

由不同处理下生菜的品质(表3)可知，不同脉冲光处理对生菜品质影响较大。CK处理的生菜叶片维生素C含量最高，为54.99 mg·g-1，但较T1处理并无显著性差异。T2、T3处理较CK显著降低9.26%、17.11%。T1处理较T3而言，维生素C含量显著提升20.37%。所有处理中，T2、T3处理的粗蛋白含量最高，其中T2处理较CK显著提升38.37%，T1、T3与CK则无显著性差异。蔬菜中的硝态氮是一种有害成分，会影响到人类身体健康[14]。生菜叶片硝态氮含量表现为T1

表3 不同处理下生菜的品质Table 3 Quality of the lettuce under different treatments (mg·g-1)

2.4 不同脉冲光处理对生菜叶片叶绿素含量及光合参数的影响

从不同处理下生菜叶片的光合色素含量(表4)，可见，T1、T2、T3的叶绿素含量均大于CK，且表现为T1>T2>T3>CK，处理T1的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)的含量最高，分别为0.79、0.56、1.35 mg·g-1。其中，叶绿素a的含量与T2无显著性差异，但显著高于T3与CK，较CK显著提升28.71%；叶绿素b及叶绿素(a+b)含量较T2、T3无显著性差异，但与CK相比分别显著提高35.85%、31.83%。T2处理类胡萝卜素含量最高，T1、T3、CK处理间则无显著性差异。由不同处理下叶片的光合参数(表4)可知，各处理间的净光合速率均无显著性差异，但T1、T2、T3处理的胞间二氧化碳浓度均显著高于CK，较CK分别升高3.66%、5.54%、3.49%。蒸腾速率及气孔导度均表现为T1、T3、CK处理间无显著性差异、T2显著高于其他处理。从试验中的光合参数来看，叶绿素a、叶绿素b及叶绿素(a+b)含量均呈现T1>T2>T3>CK的变化趋势，但各处理生菜叶片的光合能力并没有显著性差异。

表4 不同处理对叶片光合色素含量与光合参数的影响Table 4 Effects of different treatments on photosynthetic pigments content and photosynthetic parameters of lettuce leaves

2.5 不同脉冲光处理对生菜叶片叶绿素荧光的影响

由不同处理对叶片荧光参数的影响(表5)可知，所有处理的光适应下PSⅡ的qP、光适应下PSⅡ的ΦPSⅡ以及ETR均无显著性差异。T1处理的Fv/Fm与CK相比显著降低9.15%，T2、T3处理较CK无显著性差异。光适应下PSⅡ的NPQ最大为CK处理，且显著高于其他处理，T3处理最小，但较T2无显著性差异。整体来看各脉冲光处理对叶片的叶绿素荧光参数并未造成较大影响。

表5 不同处理对叶片荧光参数的影响Table 5 Effects of different treatments on the fluorescence parameters of lettuce leaves

3 讨论

植物叶片所吸收的光能，一部分用于光合电子链传递，多余的光能则通过热交换耗散和反应中心的过剩激发[15]，而早在20世纪初，Brown和Escombe利用旋转的圆盘在不改变光质的情况下使光照强度相对减少25%，发现光合速率没有下降，这表明在极短的时间内将连续光变为间歇光并不影响植物光合作用的进行。随着对植物叶片光合系统地进一步研究，研究人员提出了光合中间体的猜想[16-17]，并且在此基础上建立了通过估计光合中间体积累和消耗的动态变化模型来研究脉冲光频率及占空比等因素对Pn的影响[18]。同时，有研究人员[19-21]发现，脉冲光对作物有促进生长、增加产量及提升品质等作用，但这些试验大多基于与连续光相同的日累积光量(DLI)设计，与连续光相比延长了光照时间，而本试验则基于与连续光相同的光周期与Pn，从结果来看，各脉冲光处理在与连续光相同的Pn以及光周期的基础上，并没有显著地促进生菜生长及提升产量，但明显改善了生菜的品质，且试验选择了最小频率与占空比的组合，使脉冲光在不同占空比下能获得最小的动态功耗，运用于实际生产既不影响产量，较连续光而言也更为节能。

从本试验结果可以看出，当脉冲光下叶片光合速率与连续光相同时，其不同频率与占空比组合的光照下的生菜干重、鲜重与连续光相比均无显著性差异，这表明脉冲光下生菜的物质积累可能仅与叶片的净光合速率有关。Sager等[22]研究表明,脉冲光下植株叶片的净光合速率仅能接近连续光而不能超过，这与本试验结果一致，说明在与连续光相同光照时长时，脉冲光供光模式下的植株可能最多仅能获得与连续光相同的生物量[23]。以生菜整体形态而言，不同脉冲光处理下除株幅及叶长分别有一个处理差异较大，其余指标在各处理间均无显著性差异，表明在相同Pn的基础上，不同频率、占空比组合的脉冲光对植株形态的影响也较小。故在实际生产中仅考虑产量的前提下，选用脉冲光作为人工光源时只需考虑频率与占空比的组合是否能使其光照下叶片的净光合速率达到与连续光相同即可，过高的频率与占空比则会导致电能浪费，不利于脉冲光的节能效果。

光周期延长能提升植物体内硝酸盐的同化速率，增加植物体内硝酸盐含量[24]。本试验中，脉冲光下生菜叶片的硝态氮含量随着占空比的增加逐渐增大，可能是由于脉冲光占空比增大其辐射量随之增大所导致。此外，生菜体内可溶性总糖及还原糖含量也呈现相同的变化趋势，这表明低频高占空比的脉冲光更利于生菜体内糖类物质的积累。从整体品质来看，除维生素C含量以外，所有脉冲光处理下品质指标表现均不劣于连续光，硝态氮、可溶性总糖及还原糖含量均优于连续光，在高频低占空比脉冲光(T1)处理下，维生素C含量也达到与连续光相比不显著的水平。故较连续光而言，生菜在脉冲光的供光模式下能获得更好的品质，且在高频低占空比条件下品质表现更好，同时也能获得最小的静态功耗，但在实际生产中，应综合考虑脉冲光在不同频率、占空比下的总能耗及其对作物品质方面的影响，选择相对节能且其供光下作物品质较好的频率与占空比的组合为光源。

研究表明喜阴植物在适当遮光的情况下会使其单位叶绿素含量提高[25]，植物在弱光条件下单位叶绿体数目减少，但叶绿体变大，叶绿素含量也会增加[26]，脉冲光因其光源的特殊性，会形成类似于遮光或弱光的效果，占空比越小，效果越明显，所以占空比较小的处理(T1、T2)叶绿素含量相对较高。T2处理蒸腾速率显著高于其他处理，从试验测得的光合参数来看，可能是其气孔导度较高所导致。光适应下PSⅡ的NPQ是植物在光照过强时用来保护自己而应用的一种机制，反映了植物耗散过剩光能为热的能力。在本试验中，各脉冲光处理下生菜叶片的NPQ显著低于连续光，可能是由于脉冲光的光质特性所决定；在相同的瞬时光强下，连续光下叶片在一定时间内所接受的累积光量大于脉冲光，可能在长期的光照适应下，连续光接收了较多的光能从而形成更好的耗散过剩光能为热能的能力。Olveragonzalez等[27]研究发现当中表脉冲光频率较低(0.1、1 Hz)时，叶片具有较高的ΦPSⅡ，但从本试验的光合系统参数及荧光参数来看，不同脉冲光处理下生菜叶片的Pn、qP、ΦPSⅡ以及ETR，均较连续光无显著性差异，说明在与连续光相同的Pn基础上，脉冲光供光模式对生菜叶片的光合系统不会造成较大影响，这表明脉冲光对叶片光合及荧光参数影响，可能由于叶片在低频低占空比下光合速率较低，从而导致物质积累产生一定差异，进而影响到叶片的光合特性。