不同LED光强、光质对三七种苗生长及光合特性的影响

2020-09-11殷小智李冬雪何忠俊

照明工程学报 2020年4期

殷小智，肖红，李冬雪，何忠俊

(云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201)

引言

三七(Panaxnotoginseng)属于五加科人参属多年生草本植物，是云南白药、丹参滴丸、血塞通等中成药的主要原料药[1]。三七是典型的阴生植物，对环境要求极高，主要分布在我国西南海拔1 000～2 100 m的云贵高原，主产于云南省文山壮族苗族自治州。该地区云层薄，污染小，短波辐射多，光照充足，总辐射量多，非常适宜三七的生长。已有研究表明三七的产量与质量主要由光环境决定[1]。但对于三七具体需光特性的研究，以往主要用有色棚膜或滤光片的覆盖来研究光质，用透光率来研究光强[2，3]。有色棚膜与滤光片存在老化，退色与光波长范围大等缺点。透光率只是一个相对值，由于地域差异、海拔、坡度、坡向等的不同，太阳辐射强度差异很大，真正影响三七生长的光强。在以往的研究中，不同学者对于三七所需光强并未达成一致。陆善旦[4]认为三七棚最适透光率在40%～60%。崔秀明等[5]发现三七荫棚透光率在12%～17%为宜，当透光率达到30%以上植株无法正常生长。罗美佳等[6]认为三七最适合在透光率16%左右的环境下生长，匡双便等[7]发现白膜荫棚宜在透光率10%左右，蓝膜荫棚宜在透光率为21%左右较为适宜。在三七需光特性的研究中，关于发光二极管(LED)光源对三七的影响却鲜有报道。LED光源具有波长范围窄、光质纯、光效高、体积小等优点，已在蔬菜、花卉中药材上显示出很好的应用前景[8-10]，是现代农业最有发展潜力的人工光源。本试验用三七种苗为材料，研究LED光源不同光强与光质的对其生长及光合特性的影响，旨在探索适宜三七种苗生长的单质光源及其光强，为三七种苗繁育提供技术支撑。

1 材料与方法

1)试验材料。2017年6月除选取生长健壮的三七种苗，定植于长方形塑料花盆中(长30 cm×宽15 cm×高15 cm)，每盆10株，定植深度约为5 cm，培养基质为林下土(红壤)，每盆装土4 kg，置于荫棚中培育2个月。于8月初选取长势一致的三七种苗移入LED光照培养箱中。设置红、橙、绿、蓝和白5个光质，每个光质设置4种光强，共20个实验处理，每个处理重复三次，光照12 h/d，以透光率为17%的荫棚为对照(CK)。60 d后测定相关指标。

表1 LED光谱能量分布参数Table 1 The parameter of the energy distribution of LED light

2)指标测定。光照处理60 d后，采用Li-6400光合-荧光仪，测定净光合速率。充分暗处理叶片，于凌晨1点到5点间测量Fo、Fm、Fv/Fm与Fv/Fo值。整株取出，自来水冲洗干净，风干表面水分，测量根、茎和叶的鲜重、株高。

3)数据处理。用Excel2013进行数据分析，用SPSS19.0软件进行方差分析，Duncan法对处理间进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 光强为50μmol·m-2·s-1时不同LED光质对三七种苗生长和光合特性的影响

Pn表示光净光合速率，Fv/Fo表示叶绿体光系统Ⅱ(PSⅡ)潜在光化学活性，值越大说明潜在活性越强，Fv/Fm值反映了光系统Ⅱ的光能转换效率，正常值一般在7.0～8.5之间，值越小表明叶绿体中类囊体膜上的光系统Ⅱ被破坏越严重，受到的光胁迫越严重[11-13]。由表2可知，光强50 μmol·m-2·s-1时，红光处理的根、茎、叶和全株鲜重均最大，根鲜重其次是橙光与蓝光，对照最小；茎鲜重其他处理间差异不明显；叶鲜重红光与白光均最大，橙光和蓝光，绿光最小；全株鲜其次是橙光与蓝光，最小的是绿光与对照。株高与株幅白光最大，其次是红光，橙光最小。橙光处理的根冠比最大，其次是红光和蓝光。对照处理的Pn、Fv/Fm和Fv/Fo最大，其次是绿光，红光最小。

表2 光强50 μmol·m-2·s-1时不同光质对三七苗生长及光合特性的影响Table 2 Effect of different light quality on Panax notoginseng seedlings when light intensity is 50 μmol·m-2·s-1

2.2 光强为100 μmol·m-2·s-1时不同LED光质对三七种苗生长和光合特性的影响

由表3可知，光强100 μmol·m-2·s-1时，橙光与蓝光处理的根和全株鲜重最大，其次是红光与白光，绿光和对照处理最小。橙光和白光处理的茎鲜重最大，其次是红光与蓝光，绿光与对照最小。橙光的叶鲜重最大，绿光最小。蓝光处理根冠比最大，其次是橙光，对照最小。白光处理的株高最高，其次是橙光，红光最矮。除对照处理，绿光、白光和红光处理的Pn最大，橙光最小，蓝光处理Fv/Fm与Fv/Fo最大，红光处理最小。

表3 光强100 μmol·m-2·s-1时不同光质对三七种苗生长及光合特性的影响Table 3 Effect of different light quality on Panax notoginseng seedlings when light intensity is 100 μmol·m-2·s-1

2.3 光强为150 μmol·m-2·s-1时不同LED光质对三七种苗生长和光合特性的影响

由表4可知，光强为150 μmol·m-2·s-1时，橙光处理的根、茎、叶及全株鲜重等形态指标均最大，其次为蓝光。对照处理的根与茎鲜重最小，绿光处理的叶鲜重最小。白光处理的茎重和株高最大。除对照处理，绿光处理Pn最大，其次是白光，红光最小，橙光、蓝光和白光处理Fv/Fm和Fv/Fo最大，其次是绿光，红光最小。

表4 光强为150 μmol·m-2·s-1时不同光质对三七苗生长和光合特性的影响Table 4 Effect of different light quality on Panax notoginseng seedlings when light intensity is 150 μmol·m-2·s-1

2.4 光强为200 μmol·m-2·s-1时不同LED光质对三七种苗生长和光合特性的影响

由表5可知，光强为200 μmol·m-2·s-1时，红光处理地上部分枯萎。橙光与蓝光处理根鲜重最大，红光最小。绿光处理的茎鲜重最大，对照最小。叶鲜重各处理间差异不显著。橙光和蓝光处理全株鲜重与根冠比均最大。绿光和白光的株高最高。除对照处理，蓝光Pn、Fv/Fm和Fv/Fo均最大，其次是橙光和白光，绿光最小。

表5 光强为200 μmol·m-2·s-1时不同光质对三七苗生长和光合特性的影响Table 5 Effect of different light quality on Panax notoginseng seedlings when light intensity is 200 μmol·m-2·s-1

2.5 不同单质光随光强变化对三七种苗生长和光合-荧光特性的影响

随光强的变化三七生长状况如图1所示，红光处理的根、茎、叶及全株鲜重均在最小光强为50 μmol·m-2·s-1时最大，并随光强的增加减小。橙光、蓝光和白光处理的根重与全株重随光强增加，均呈现先增加后减小的趋势，在光强为100 μmol·m-2·s-1时达到最大，茎鲜重差异不明显，叶鲜重有一定的差异，变化规律和根鲜重基本一致。绿光处理规律不明显，叶和全株鲜重整体偏小。

图1 不同光强的单质光对三七生长的影响Fig.1 Effects of same light quality and different light density on the growth of Panax notoginseng

光强的变化对叶绿素荧光的影响如图2所示，所有处理Fv/Fm的趋势基本一致，随光强的增加而下降，但下降幅度不同，红光下降幅度最大，其他依次绿光、白光、橙光和蓝光。随光强的增加最大荧光(Fm)的差异不明显，但初始荧光(Fo)差异显著，除蓝光外，均呈增加趋势，其中红光增加幅度最大，其他依次为绿光、白光和橙光。

图2 不同光强的单质光对三七叶绿素荧光的影响Fig.2 Effects of same light quality and different light density on the ChlorophyⅡFluorescence Panax notoginseng

光强的变化对三七净光合速率(Pn)的影响如图3所示，红光、绿光与白光在50 μmol·m-2·s-1时Pn最大，且随光强的增加Pn逐渐减小。橙光在50 μmol·m-2·s-1时Pn极显著大于其他光强，其他光强之间差异不明显。蓝光处理Pn随光强的增加，呈先减小后增加趋势，在50 μmol·m-2·s-1和150 μmol·m-2·s-1时Pn最大，极显著大于另外两种光强。

图3 不同光强的单质光对三七净光合速率的影响Fig.3 Effects of same light quality and different light density on the Photosythesis of Panax notoginseng

3 讨论与结论

光环境决定了三七的产量与质量，光强与光质是光环境重要的部分，能直接影响植物组织与器官，对植物的生长与发育产生影响。不同光质处理植株对植物的影响存在明显差异；LED红光能显著促进上海青与樱桃萝卜地上部分的生长，而LED蓝光会使植株显著矮化，促进其根的生长[14]；LED绿光能显著促进萝卜芽菜根的生长[15]；LED白光能促进枳壳苗茎的伸长[16]；光质与光强对三七生长的影响也存在显著差异，红膜与橙膜覆盖能促进三七茎的伸长，株幅增大。青膜与黄膜覆盖促进三七根的膨大[3]。不同颜色的棚膜覆盖所适宜的光强不尽相同，白膜荫棚宜在透光率10%左右，蓝膜荫棚宜在透光率为21%左右[8]。本研究发现LED红光在光强50 μmol·m-2·s-1时，三七种苗生长最好，根、茎、叶鲜重，株高与株幅都是最大的。LED橙、蓝、白光在100 μmol·m-2·s-1时，三七种苗生长最好，LED绿光下的三七种苗各部分的鲜重整体都偏低。研究还发现三七种苗在不同光强的LED白光下植株均较高，LED红光只有在低光强下植株较高，LED绿光只有在高光强下植株较高，LED橙、蓝光在150 μmol·m-2·s-1时植株较高，因此，光强与光质可能对三七株高都会产生影响。

Fv/Fo表示PSⅡ潜在活性，Fv/Fm反映了PSⅡ中心光能转换效率。当叶片发生光氧化破坏，光合机构受损，就会引起Fv/Fo与Fv/Fm的下降和Fo的上升[17]。但除LED蓝光外三七种苗的Fo均显著上升，光强达到150 μmol·m-2·s-1时Fv/Fm与Fv/Fo值均显著下降，表明光胁迫严重，叶绿体受损，如果延长试验时间，光强为150～200 μmol·m-2·s-1下的植株可能会因光胁迫而大量死亡，但需要进一步试验验证。随着光强的增加，Fv/Fm与Fv/Fo下降最显著的是LED红光处理，光强200 μmol·m-2·s-1时植株全部枯萎，其次是LED绿光，影响最小的是LED蓝光。因此，三七所需光强可能主要是由长波长的红光决定。

光质与光强均能影响三七的光合速率，研究表明三七在透光率为10%左右时净光合速率最大，小于或超过这值都会使净光合速率的下降[18]。不同颜色棚膜覆盖对三七的净光合速率的影响也不尽相同，陈茵等发现透光率为10%左右时，红膜与青膜下三七的净光合速率最大，绿膜最小[3]。张勤涛等发现滇重楼在LED绿光下净光合速率较高，LED橙光下净光合速率相对较低[18]。本试验发现低光强50 μmol·m-2·s-1时，LED绿光处理下的三七净光合速率最高，红光相对较低。光强为100 μmol·m-2·s-1时LED橙光处理的净光合速率最低，其次是蓝光，这两个处理的三七生长最好。在净光合速率方面，本研究结论与之前人研究存在差异，这可能与试验使用人工光源而非自然光或测量方法有关，测量时仪器用相同饱和光强的红蓝光进行测量，得出来的是潜在最大净光合速率，而不是实际条件下的净光合速率。除蓝光外随光强的增加净光合速率均呈下降趋势，与之前的研究不尽相同，这可能试验设置的光强太大，没有呈现出弱光光抑制的部分。蓝光组净光合速率呈现出先降低后增加的趋势，难以解释，有待进一步研究。