光强和光周期对大麦草生长速率的影响

万茂科，苗洪利，程广壮，孙九胜，杨金钰，乔小燕

(1.中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

引言

光是植物生长发育的能量来源，也是植物生长最重要的环境因素之一[1]。光质、光强、光周期是光环境的关键组成部分，三者均可对植物的生长发育产生显著影响。研究表明[2-6]，光质会影响叶片光合色素的形成和积累，对植物的生长、形态建成、物质代谢及基因表达等均具有调控作用，400～510 nm的蓝紫光区和610～720 nm的红橙光区，被认为是影响植物光合作用和形态建成的主要光谱范围；光强是影响植物叶绿素含量及光合作用的重要因子，弱光环境下植物的光合作用强度较弱，当光强高于植物光饱和点后，又会发生光抑制现象，导致净光合速率下降；植物的生长发育受光周期的调节，光周期通过影响植物生理生化反应，进而调节种子萌发、幼苗生长、花芽分化及开花、根系生长和植物休眠。光周期不仅在诱导作物开花方面起到重要作用，对作物其他外在长势方面的影响也较为显著[7-9]。

不同波长的LED光源可以与植物光形态建成的光谱范围吻合，具有光谱性能好、光效高、发热少、体积较小和寿命长等诸多传统光源无可比拟的优势，适用于可控设施环境中的植物栽培，被认为是植物工厂中较为理想的人工光源[10-12]。红光和蓝光结合的LED光源能有效促进植物生长，20世纪90年代，日本开始使用大功率红、蓝LED组合光源对蔬菜进行补光培育，随后美国将不同光强配比的红色和蓝色LED应用于植物工厂补光。近年来，我国LED植物补光技术日趋成熟，通过改变LED光源的光质、控制光周期、调节光照强度，此技术已成功用于番茄、生菜、莴苣、小麦、菠菜、黄瓜等多种植物的补光[13-16]，但将LED补光应用于大麦草的培育。

牧草是畜牧业发展的物质基础，畜禽良好地生长发育离不开优质、高产的饲草。然而，我国大部分草地牧草产量较低且质量较差，加上过度放牧和草地退化的影响，天然草地每年仍在减少[17,18]。水培牧草培养装置因光照、温度、湿度等环境因子可控，已用于大批量、自动化、程序化生产新鲜牧草，此类设备的推广使用将极大提高我国牧草产量和品质，对于克服高寒地区恶劣的自然条件、缓解畜牧业压力、提高农民生活水平具有重要意义。目前关于牧草培养装置的文献大多强调的是控制系统，没有对补光光源进行具体介绍；虽然相关专利中采用LED作为补光光源，但没有严格控制光源的光质、光强和光周期；还有些人采用白炽灯、荧光灯等传统光源在温室大棚里种植牧草，这种培养方式的补光效率和能源利用率低、牧草生长周期长、产出率低、生产地点固定，给应用和推广带来局限[19,20]。

大麦草生长周期短、营养丰富、适口性好、易消化，可作为一种优质牲畜牧草。有研究表明，大麦在麦苗时期所含有的蛋白质、氨基酸在整个生育期内最高，且富含矿物质、维生素和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)，麦草的营养远高于籽粒，大麦草作为牧草可促进牲畜良好的生长发育[21，22]。

本文以大麦草为试验对象，具体的种子品种为春性二棱大麦(hordeum distichum)，利用水培技术在植物生长培育中的优势，将LED光源应用在牧草生产试验中。此次试验将红光与蓝光LED的光强比固定为7∶3，重点开展光强和光周期的试验，并将得到的大麦草高效生长光照环境参数应用到所设计的新型牧草光照培养箱中，为后者提供试验数据支撑。

1 材料和方法

1.1 试验设备及培养方法

光照培养箱为实验室自行设计，培养箱的箱体外部由美观平整、结实耐用的亚克力板制作，箱体的上方开有通风孔，以利于通气和补充二氧化碳。培养箱内部由温度控制模块、湿度控制模块和光照控制模块组成。温度控制模块包括温度传感器、温度控制器、加热器和排风扇，当温度传感器检测到箱内温度低于最小预设值时，启动加热器提升箱内温度；当箱内温度高于最大预设值时，启动风扇，降低箱内温度。湿度控制模块包括湿度传感器、喷水头、导管、抽水泵、水箱和喷水定时器，抽水泵放置在水箱中，通过导管与喷水头连接，当湿度传感器检测到箱内湿度不达标时，喷水控制器启动，喷水头定量喷水，使箱内湿度始终控制在合理范围内。培养盘底部开有排水孔，及时将种子和麦草吸收后的剩余污水排出，定期给水箱人工补水，实现水培过程中水的循环，整个培养过程不使用任何营养液。光照控制模块包括LED面光源、光强调节器和光周期定时器；LED面光源可灵活拆卸，根据试验需求设置不同的光质，光强调节器通过控制电流强度实现光照强度的调节，光周期定时器自动控制并调节LED光源每天亮与灭的时长，实现光周期的调节。

充分考虑大麦草自身生长的规律，将大麦种子入箱催芽到成长为成熟牧草的整个培养过程分为两个生长阶段，即种子萌发期和麦草生长期，其中种子萌发期为3 d，麦草生长期为6 d，整个培养过程共9 d。称取0.5 kg大麦草种子，经过清洗后，盛入长为30.5 cm，宽为22.5 cm且底部开有两排小孔的培养皿中，种子铺设厚度约为1 cm，这样可以保证每次试验的种子密度基本保持一致。种子萌发期，培养箱中温度设为28 ℃，空气湿度大于80%，黑暗条件下培养3 d，完成催芽。麦草生长期，培养箱中温度设置为26 ℃，空气湿度维持在60%～80%之间，加光照培养6 d，对大麦草生长速率评价指标进行测定。

1.2 光源选择与试验设计

培养箱内部两侧及顶部各安装一块红、蓝双色LED面光源，红光与蓝光的光强比为7∶3，红光LED峰值波长为660 nm，蓝光LED峰值波长为445 nm，带宽均为20 nm左右(SSP6612 LED光电参数综合测试仪测定)，光源光谱如图1所示。

图1 LED光源光谱Fig.1 Spectrum of LED light source

培养箱采用输出电流可调节的恒流电源供电，保持PR650光谱光度计与培养皿平行且处于同一高度，分别将其置于培养皿的四角和中间位置，用来测定红光和蓝光的光量子通量密度值，在要求总的光强下，通过调节电流的大小实现红光和蓝光的强度调节，使其强度比例始终为7∶3，重复三次测量取平均值。

探究光强对大麦草生长影响时，光周期固定为12 h·d-1(12 h光照，12 h无光照)，光强分别设置为150 μmol·m-2·s-1、300 μmol·m-2·s-1、450 μmol·m-2·s-1、600 μmol·m-2·s-1、750 μmol·m-2·s-1、900 μmol·m-2·s-1其他生长条件均不变，其光强配置如表1所示；探究光周期对大麦草生长影响时，光强固定为600 μmol·m-2·s-1光周期分别设置为4 h·d-1、8 h·d-1、12 h·d-1、16 h·d-1、20 h·d-1、24 h·d-1，其他生长条件均不变。

表1 光强配置Table 1 Configuration of light intensity

1.3 麦草生长评价

一个完整生长周期过后，采用五点取样法抽取40株大麦草，对大麦草生长形态参量和生物量进行多次测量，使用定性和定量相结合的评价方法对麦草生长状况进行评价。

1)定性观测：通过拍照记录，人眼主观观测，比较不同组大麦草的长势，包括比对株高、叶面宽度、叶片颜色、茎粗等壮苗指标。

2)定量测量：将大麦草样本从托盘中分离出来，去除植株上的污垢，用剪刀在每个样品相同的部位剪下根须，进行各项生长指标的测量。重复测量3次取平均值。

(a)量株高：将植株固定并拉直，用刻度尺测量从主茎基部到麦草叶尖顶部的长度。

(b)称重：将剪去根部的大麦草植株，放进称重专用纸袋中，放在电子分析天平上称鲜重；将样品封于纸袋中，放入105 ℃干燥箱中杀青20 min，然后在75 ℃下干燥至恒质量后，称干重。

(c)测叶面积：将每组麦草样品叶片展开铺平，固定在纸板上，使用Yaxin～1241叶面积仪上下多次扫描，待仪器显示屏上的数字趋于稳定，读取叶面积数值。

(d)叶绿素含量分析：采用分光光度法测定叶绿素含量。对不同组的大麦草冠层叶片进行采样，用剪刀将其剪成碎片，分别称取等质量样品，用镊子将其放入等体积的95%乙醇溶液中，置于避光环境浸泡24 h后，取萃取液，用UV～800紫外可见光分光光度计分别测定649 nm、665 nm处的吸光度值，然后结合公式计算出叶绿素浓度，最后换算成鲜重的叶绿素含量[23]。叶绿素含量计算公式为：

Ca=13.95A665-6.88A649

(1)

Cb=24.96A649-7.32A665

(2)

CT=Ca+Cb

(3)

其中，Ca为叶绿素a的含量，Cb为叶绿素b的含量，CT为总叶绿素的含量；和分别代表样品溶液在波长为665 nm和649 nm处的吸光度。

1.4 数据处理

1)采用Excel 2018软件进行数据整理；

2)借助统计软件SPSS 24.0进行单因素方差分析，并在0.05的显著水平下，采用邓肯式新复极差法进行事后检验；

3)使用Origin 9软件绘图，系统截图工具对图片进行修整。

2 结果与分析

2.1 光强对大麦草生长形态和生物含量的影响

大麦种子萌发之后，在不同光强下各培养6 d后，测量株高、叶面积、鲜重、干重和叶绿素含量，其各生长指标随光强的变化如图2～图5所示。

图2 不同光强大麦草株高Fig.2 Barley grass height under different light intensities

图3 不同光强大麦草叶面积Fig.3 Barley leaf area under different light intensities

图4 不同光强大麦草鲜重和干重Fig.4 Fresh weight and dry weight of barley grass under different light intensities

图5 不同光强下大麦草叶绿素含量Fig.5 Chlorophyll content of barley grass under different light intensities

分析大麦草生长形态、生物含量变化可知，在确定的光质和光周期下，随着光强的增加，大麦草的株高、叶面积、鲜重、干重和叶绿素含量呈均现先增加后减少的趋势，在600 μmol·m-2·s-1的光强下达到最大值，与其他光强相比差异较为显著，此光强下麦草长势亦最好；150 μmol·m-2·s-1和900 μmol·m-2·s-1的光强下生长速率评价指标值较小，麦草长势亦较差。综合分析，光强过低或过高都不利于大麦草健康、高效生长，600 μmol·m-2·s-1为最适宜光强。

2.2 光周期对大麦草生长形态及生物含量的影响

大麦种子萌发之后，在不同光周期下各培养6 d后，测量株高、叶面积、鲜重、干重和叶绿素含量，其各生长指标随光周期的变化情况如图6～图9所示。

图6 不同光周期大麦草株高Fig.6 Plant height of barley grass under different photoperiods

图7 不同光周期大麦草叶面积Fig.7 Leaf area of barley grass under different photoperiods

图8 不同光周期下大麦草的鲜重和干重Fig.8 Fresh weight and dry weight of barley grass under different photoperiods

图9 不同光周期大麦草叶绿素含量Fig.9 Chlorophyll content of barley grass under different photoperiods

分析大麦草生长形态、生物含量变化可知，16 h·d-1的光周期下大麦草生长速率评价指标值最高，麦草叶片较厚、颜色深绿，长势最为健壮，与其他光周期相比差异也较为显著。20 h·d-1的光周期下各指标值次之，此光周期下幼苗长势良好；4 h·d-1的光周期下大麦幼苗各项评价指标值最低，此光周期下的大麦草长势最差。综合分析，在确定的光质和光强下，延长光周期能够有效地增加大麦草的株高、叶面积、鲜重、干重和叶绿素含量，但光周期并非越长越好，16 h·d-1是大麦草生长的最适光周期。

3 讨论与总结

光是植物进行光合作用的主要能量来源，光照强弱与光照时间长短决定着植物光合作用的效率，对植物的生长发育、光合作用、物质代谢等方面具有重要的调控作用。本文的试验结果表明，大麦草的高效生长需要适宜的光强和光周期。

光强过高会使叶片中光合色素的含量和细胞中保护酶的活性降低，进而导致光合作用强度减弱，因而植物进行正常生命活动存在一个适宜的光强[24]。朱小青等[25]在研究中提到，过强或过弱光照均不利于费菜生长和发育，在光强为600 μmol·m-2·s-1的光照条件下，其生长发育状况最佳。徐慧等[26]研究发现，0～1 000 lx的低光强下，小球藻光合作用受到限制，生长缓慢，而3 000 lx和5 500 lx的光强下，小球藻光合效率较高，对于7 000 lx和9 000 lx的高光强下，小球藻生长受到抑制。本文研究结果与前人的结论具有相同之处，试验结果表明，光强过低，不利于大麦草叶片对光能的吸收和转化，从而影响光合效率；光强过高，又会发生光抑制现象，叶片中叶绿素含量急剧下降，导致净光合速率降低。在光强从150～至900 μmol·m-2·s-1增加过程中，大麦草生长速率的各项指标值均呈现先升高后降低的特点，与其他光强处理相比，600 μmol·m-2·s-1的光强更适合大麦草的生长。

光周期影响植物茎的伸长和内源生长素的水平，适当延长光周期可以提高光合产物的积累，从而产生更多的碳水化合物以支持植株的生长发育[27]。徐文栋[28]发现，生菜叶鲜质量在16 h·d-1、20 h·d-1的光周期处理下比12 h·d-1处理分别高108.88%和121.75%，这与本文研究结果有相似之处。何蔚等[29]研究发现，6 h·d-1和12 h·d-1的短光周期处理下，番茄小苗的叶绿素生物合成受到抑制，严重影响植株生物量的积累，24 h·d-1的光周期更适宜番茄小苗生长。本文研究结果不同之处在于大麦草的最适光周期比番茄小苗的最适光周期略短，分析原因可能是大麦草对光周期敏感程度更高，光周期过长导致大麦草适应能力不足，抑制其生长。试验结果表明，不同光周期处理可以明显改变大麦草的生长发育进程，在一定范围内延长光照时间，有利于光合产物的积累，能有效地促进大麦草生长。然而，在最适光周期下继续延长光照时间将不利于光合产物的积累。与其他光周期处理相比，16 h·d-1的光周期为大麦草生长的最适光周期。

由于试验条件等的限制，本文分别探究了适合大麦草高效生长的最适光强和光周期，综合多个光照因素的最佳光照环境有待于进一步探究。