红蓝绿LED延时补光对日光温室黄瓜育苗的影响

朱鹿坤，陈俊琴，赵雪雅，王正林，齐明芳

（沈阳农业大学 园艺学院/设施园艺省部共建教育部重点实验室/北方园艺设施设计与应用技术国家地方联合工程研究中心，沈阳110161）

黄瓜（Cucumis sativus L.）是我国设施生产中的主要蔬菜作物之一[1]。优质的黄瓜秧苗是生产高质量高品质产品的重要保障，而集约化育苗是生产健壮秧苗的有效途径。然而，我国北方日光温室在冬春季节果菜类蔬菜进行集约化育苗时，普遍存在白天日照时长少，光照强度低而温度高的现象，这种状况易导致蔬菜幼苗生长过旺，造成生长不良和徒长的问题[2]。在弱光情况下，进行合理的人工补光可以有效改善秧苗的质量和品质[3]。光为植物光合作用提供必要的能量，还可作为信号在植物光形态建成方面起到调节作用[4]。自然界光谱组成在300～2600nm，大部分植物需要光质在波长400～700nm 范围进行光合作用，其中红光与蓝光对植物生长发育的调控作用最显著[5]。相关研究发现红光在一定程度上能抑制植株节间过度伸长、具有增强光合作用并促进糖分等有机物质的积累、提高抗逆性等作用[6-7]，蓝光能抑制植物茎伸长、提高叶绿素含量、调节气孔开放、促进根系发育、调控向光性等[8-9]。绿光因具有透射性的特点，能照射到植株下冠层，减缓叶片衰老，促进低冠层利用光能，改善光合作用[10]，尤其是短波绿光更益于植株生长[11]，参与植物光合作用，能促进叶片气孔的开放运动，提高光合速率和干物质积累[12]。

LED（light emitting diode）用于蔬菜作物补光对其生长发育与光形态建成具有很大的潜力[13-15]。研究表明，适合比例的红、蓝光组合能促进植物光合速率[16]，提高同化物积累量并促进碳代谢[17]，改善果实的营养品质[18]。嫁接苗进行补光可促进胚轴伸长以达到嫁接水平，提高嫁接苗的成活率；移栽后的嫁接苗补照红蓝组合光，能促进伤口的快速愈合并提高适应能力[19]。另外，红、蓝光可增加生菜花青素含量[20]。在光源选择方面，不同光质进行组合要优于单一光源对植物生长的促进作用，研究发现，红光、蓝光处理的毛地黄组培苗生长弱，在红蓝组合光下生长健壮[21]。前人研究表明，红蓝组合光中补充绿光成分低于24%时能促进植物生长，而成分过高则抑制植物生长[22]。相关研究表明，绿光能提高生菜的干质量和叶面积，保持叶片的厚度，改善生菜的品质[23]。在红蓝组合光的基础上补充绿光能显著提高黄瓜叶片中叶绿素的含量，提高净光合速率，增加干物质的积累[24]。

LED 光质调控技术培育健壮的蔬菜幼苗已成为研究的热点。目前关于LED 光谱的选择与组配优化方面的研究仍显不足。另外，经光谱测定发现，LED 白光光源虽然涵盖了大范围波长的可见光（白光光源波长范围大概在410～720nm），但光谱波峰值却主要分布在蓝光和绿光波长部分，植物生长所需的红光波长部分光强几乎没有，如果长时间补照白光可能会因缺乏红光，而造成缺光现象。本研究利用LED 红蓝绿组合光对黄瓜幼苗进行夜间延时补光，探讨补光对其生长的调控作用，筛选促进黄瓜幼苗健壮生长的最佳组合光，以期为LED 光源在黄瓜设施育苗的应用与理论研究上提供实践指导。

1 材料与方法

1.1 材料

供试LED 光源为广东威谱照明科技有限公司生产。按照试验具体操作设计成形状为40cm（长）×30cm（宽）×7cm（高）的方形植物生长灯。试验补光光质为白光（W）以及由红光（R）、蓝光（B）、绿光（G）3 种 LED 单质光进行6 种不同比例搭配的LED 组合光。试验设置白光和各红蓝绿组合光质进行补光，共设7 个处理组。各红蓝绿组合光配置比例分别为红蓝组合光 9∶1（R9B1，9∶1 为灯的数量比，下同）、红蓝组合光 8∶2（R8B2）、红蓝组合光7:3（R7B3）、红绿组合光 9∶1（R9G1）、红蓝绿组合光 8∶1∶1（R8B1G1）、红蓝绿组合光 7∶2∶1（R7B2G1）。采用地物光谱仪 GER1500 型（Ocean Optical，美国）测定光谱，采用 Li-250 型光强仪（LI-COR，美国）测定光强[3]。经测定得红光（R）峰值波长为630nm，蓝光（B）峰值波长为460nm，绿光（G）峰值波长为520nm。各处理LED 光源光谱相对光量子通量及波长峰值见图1。

1.2 方法

试验于2017 年10 月至2018 年5 月在沈阳农业大学园艺学院蔬菜日光温室科研基地进行，共重复3 次。供试黄瓜品种为优胜者，黄瓜种子常规催芽处理后，播于50 孔穴盘中进行育苗。幼苗白天置于日光温室内正常生长，试验组进行夜间延时补光处理，对照组不做补光处理。调节补光光源与幼苗的距离使光照强度达到（200±10）μmol·m-2·s-1，且补光的光照范围为（长 80cm×宽50cm×高25cm）。每种灯源相距1m 排列放置，各处理之间装置黑白反光膜，防止不同光源相互干扰。幼苗的培养条件为白天温度 23～28°C，夜间温度 12～18℃，延时补光时间为 4h·d-1，补光时段为 17：00～21：00，每处理100 株。待补光处理30d 后取样测定相关指标。

补光处理30d 后（黄瓜幼苗处于4 叶1 心时期），测定秧苗株高、茎粗、叶面积、植株地上部分和地下部分鲜质量、干质量。并计算相关壮苗指标：壮苗指数=（茎粗/株高+根部干质量/地上部分干质量）×全株干质量；G值=全株干质量/育苗天数；根分配率=根部干质量/全株干质量；叶面积/株高值；比叶面积=叶面积/叶干质量。

采用丙酮和乙醇（体积比1∶1）浸泡法提取叶绿素[25]，用紫外光分光光度计U-5100 分别在663nm、645nm 波长下测定吸光值，测定叶绿素a、叶绿素b 含量，并计算叶绿素（a+b）和a/b 值，其公式为：叶绿素a=12.72A663-2.59A645，叶绿素 b=22.88A645-4.67A663，叶绿素 a+b=8.05A663+20.29A645；采用 LI-6400 型便携式光合测定仪（LICOR，美国）测定幼苗的相关光合参数：净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间 CO2浓度（Ci）；采用氯化三苯基四氮唑TTC 法[26]测定幼苗的根系活力；采用蒽酮比色法[27]测定幼苗叶片中可溶性糖含量；采用水浴浸提法[28]测定幼苗叶片中脯氨酸（Pro）含量；采用硫代巴比妥酸比色法[27]测定幼苗叶片中丙二醛（MDA）含量。

采用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理和作图，采用SPSS 22.0 软件对3 个重复的试验数据平均值进行统计，采用Duncan 检验法进行多重比较和差异显著性（ɑ=0.05）分析。图表中的数据均为平均值±标准差。

图1 LED 组合光光谱图Figure 1 The LED combined light spectrum

2 结果与分析

2.1 不同组合光对黄瓜幼苗形态指标的影响

由表1 与图2 可知，对黄瓜幼苗夜间延时补光除组合光R9G1 外其余处理组均有提高茎粗的趋势，组合光R8B2 和R8B1G1 处理显著提高了黄瓜幼苗的茎粗，相对于CK 提高7.20%和7.75%；在株高方面，除R9G1 外，其他红蓝绿组合光和W 显著控制了黄瓜幼苗的株高，高成分蓝光的效果尤为明显；在鲜质量和干质量方面，黄瓜幼苗补光处理组均有增高趋势，其中，R8B1G1 处理组黄瓜幼苗的全株鲜质量和全株干质量分别高于对照组14.26%和37.19%；黄瓜幼苗补照LED 组合光处理组均显著提高了叶面积，其中，R8B1G1 处理组相比对照组增加35.80%。以上结果表明，补光在一定程度上促进了黄瓜幼苗生长，不同比例光质处理差异显著，其中R8B1G1 处理总体较好。

表1 不同LED 组合光对黄瓜幼苗生长形态的影响Table 1 Effects of different LED combination light on growth morphology of cucumber seedlings

图2 黄瓜幼苗延时补照LED 组合光生长形态图Figure 2 Growth pattern of cucumber seedlings with extended photoperiod LED combination light

黄瓜幼苗延时补照LED 组合光处理组均可提高壮苗指数（表2），在红蓝光处理组中，随着蓝光比例的增加，壮苗指数在增加，但与对照组相比无显著性差异。在绿光替代蓝光的R9G1 处理组中，黄瓜幼苗的壮苗指数高于R9B1 处理组，但没有达到显著水平。在红蓝绿组合光处理中，壮苗指数相比对照组均达到了显著差异，其中R8B1G1 和R7B2G1 处理组分别高于对照组71.54%和47.97%，且差异显著，说明在红蓝组合光中加入少量绿光成分，在促进黄瓜幼苗健壮生长方面效果较为显著。另外，补光幼苗G 值、叶面积/株高值、根分配率以及比叶面积均得到了提高。由此可见，对黄瓜幼苗补照组合光能达到壮苗的效果。

表2 不同LED 组合光对黄瓜幼苗壮苗指标的影响Table 2 Effects of different LED combination light on seedling index of cucumber seedlings

2.2 不同组合光对黄瓜幼苗根系活力的影响

黄瓜幼苗补照LED 组合光能显著地提高其根系活力（图3）。在红蓝组合光处理组中，随着蓝光成分的增加，黄瓜幼苗的根系活力也在增加；在红蓝组合光中加入绿光成分，黄瓜幼苗的根系活力得到了大幅度提高，其中R8B1G1 处理组相比对照组增加89.49%，说明红蓝绿组合光能提高黄瓜幼苗根系活力，促进根系生长。组合光R9G1 处理组的黄瓜根系活力低于W 和其他补光处理组，说明蓝光对于幼苗根系的生长有重要的促进作用。同时，组合光处理组的黄瓜根系活力均高于对照，说明组合光对于幼苗根系的促进作用更强。

2.3 不同组合光对黄瓜幼苗光合色素含量、光合速率及可溶性糖含量的影响

黄瓜幼苗的叶绿素a 含量在LED 红蓝组合光处理组中显著高于对照组（图4），组合光R8B1G1 处理组中叶绿素a 含量最高，且显著高于对照组49.64%。说明对黄瓜幼苗夜间补照红蓝绿组合光能有效提高叶绿素a的含量。在叶绿素b 含量和叶绿素总量方面，补照红蓝绿组合光的黄瓜幼苗叶绿素b 含量与对照相比能得到显著提高。在叶绿素a/b 方面，所有处理组与对照无显著性差异。在红蓝组合光中，随着蓝光比例的增加，叶绿素各成分的含量有先增加再降低的趋势。在LED 红蓝组合光中加入绿光成分可有效提高黄瓜幼苗叶绿素的含量。

由图5 可知，对黄瓜幼苗补照LED 组合光，所有补光处理组的净光合速率和气孔导度均高于对照且差异显著。在红蓝组合中，R7B3 高于R9B1、R8B2 处理组且差异明显；在红蓝绿组合中，R8B1G1 处理组净光合速率和气孔导度达到最大。在蒸腾速率方面，补光处理组均高于对照，且差异显著。在胞间CO2浓度方面，所有处理组均低于对照且差异显著，幼苗叶片中的CO2浓度越低说明叶片中的光合作用转化CO2能力越强，净光合速率及蒸腾速率越高越有利于幼苗有机物质的积累，从而促进幼苗的生长，从一定程度上影响黄瓜幼苗的生长形态。从以上不同组合光补光对黄瓜幼苗光和特性的影响来看，R8B1G1 处理组更有利于促进黄瓜幼苗的光合作用，与对黄瓜幼苗生长形态的影响较为一致。

图4 不同LED 组合光对黄瓜幼苗叶绿素含量的影响Figure 4 Effects of different proportions of LED combined light on chlorophyll content in cucumber seedlings

图5 不同LED 组合光下黄瓜幼苗的光合指标的影响Figure 5 Effects of different LED combination light on photosynthetic index of cucumber seedlings

黄瓜幼苗补照LED 组合光所有处理组叶片中可溶性糖含量高于对照组（图6）。R8B1G1 和R7B2G1 处理组的黄瓜幼苗叶片中可溶性糖含量与对照相比分别提高86.80%和65.40%，且差异显著。黄瓜幼苗在LED 红绿组合光R9G1 处理组中的可溶性糖含量高于红蓝组合光处理组，说明绿光成分对于可溶性糖的影响要强于蓝光。同时，在LED 红蓝组合中加入绿光成分后，黄瓜幼苗叶片中可溶性糖含量有大幅度增加，幼苗叶片中可溶性糖含量比红蓝组合处理显著性增加，说明红光、蓝光和绿光的共同作用比红蓝组合光对增加叶片中可溶性糖含量积累的作用更明显。

2.4 不同组合光对黄瓜幼苗抗逆指标的影响

由图7 可知，对黄瓜幼苗夜间延时补照LED 组合光，其脯氨酸的含量均高于对照组，且差异显著，说明LED 组合光能够提高幼苗脯氨酸的含量。其中，在红蓝组合光处理中，随着蓝光比例的增加，脯氨酸也在增加；在红蓝组合光中加入绿光成分的处理组中，脯氨酸含量得到了显著增加，特别是R8B1G1 处理组相比对照组增加139.13%，说明在红光的基础上增加蓝光和绿光成分有助于促进幼苗脯氨酸的合成，从而可能会提高幼苗的抗逆性。

由图8 可知，夜间延时补照LED 组合光的黄瓜幼苗，其叶片中丙二醛的含量均出现了下降的趋势，说明补照组合光能够减少幼苗发生膜脂过氧化反应，从而增强幼苗的抗逆性。其中，在红蓝组合光中加入绿光成分的处理组，黄瓜幼苗的丙二醛含量均显著地低于对照组和红蓝组合光处理组，其中R8B1G1 处理组相比对照组减少47.72%，由此可以看出，红蓝绿组合光对黄瓜幼苗细胞发生膜脂过氧化反应能起到控制作用。

图6 不同LED 组合光对黄瓜幼苗叶片可溶性糖含量的影响Figure 6 Effects of different LED combination light on soluble sugar content in cucumber seedling leaves

图7 不同LED 组合光对黄瓜幼苗脯氨酸含量的影响Figure 7 Effects of different LED combination light on proline content in cucumber seedlings

图8 不同LED 组合光对黄瓜幼苗丙二醛含量的影响Figure 8 Effects of different LED combination light on MDA content in cucumber seedlings

3 讨论与结论

研究表明，红蓝组合光能显著改善黄瓜、辣椒、番茄幼苗的生长[29-30]，本试验夜间延时补照红蓝组合光能改善黄瓜幼苗的生长形态，相比红蓝组合光，红蓝绿组合光显著增加黄瓜幼苗的茎粗、叶面积与全株鲜干质量，株高显著降低。由此可见，红蓝绿组合光能在控制株高上起到一定作用，这与令狐伟等[31]研究的结果有相似之处。本试验结果表明，红绿组合光处理组中幼苗的株高有所增加，与红蓝绿组合光处理组的株高存在显著性差异，这与曹刚等[32]证明蓝光能控制黄瓜株高的结果一致。申宝营等[33]研究发现红蓝组合光可提高黄瓜幼苗的壮苗指数，本试验补照组合光能提高黄瓜幼苗壮苗指数，而且补照LED 红蓝绿组合光R8B1G1 能显著提高壮苗指数，说明红蓝绿组合光光在改善植株生长方面也有一定的积极作用，而且黄瓜幼苗的G 值、叶面积/株高值、根分配率以及比叶面积均得到了提高。由此可见，对黄瓜幼苗补照组合光能达到壮苗的效果，红蓝组合光中加入少量绿光成分在促进幼苗健壮生长方面的效果较为显著。高活力的根系有利于地上部器官的生长发育[34-35]，研究发现蓝光有利于提高根系活力，改善根系形态的生长[36]。在本试验组合光处理中，随着蓝光成分的增加黄瓜幼苗的根系活力存在上升的趋势，这与蓝光能提高茄子和辣椒幼苗根系活力的研究结论一致[37]，并且R7B2G1 处理组根系活力增加量最大，说明红蓝绿组合光不仅促进黄瓜幼苗地上部分的生长，同时也有效改善了地下根系的生长状态，增强根系活力，提高了根系吸收水分和矿物质的能力，进而提高了黄瓜幼苗整体植株的长势。也有可能是因为红蓝绿组合光的协同作用满足黄瓜幼苗叶片对光质需求，促进了光合同化物质向黄瓜幼苗地下部分配而改善了根系的生长。综上表明，在红蓝光组合中增加少量比例的绿光成分能进一步改善黄瓜幼苗的生长状态，这与我们之前研究中红蓝绿光组合能显著改善番茄幼苗生长的结果相似[3]。

为进一步分析不同组合光对黄瓜幼苗的促进作用，本试验分析了补光对黄瓜叶片叶绿素含量、光合作用及其产物积累的影响。在红蓝组合光下，随着蓝光比例增加黄瓜幼苗的叶绿素含量有所增加的趋势，而红蓝绿组合光显著地提高了叶绿素含量，可以反映出红蓝绿组合光的互补作用明显，这与赵飞等[24]研究发现红蓝绿组合光能提高黄瓜叶片中叶绿素含量的结论相似。黄瓜幼苗在红蓝绿组合光处理下含有较高含量的叶绿素可能是提高光合速率的重要因素之一。另外，黄瓜幼苗延时补照R8B1G1 组合光，其净光合速率均显著高于对照，叶片可溶性糖含量也最高，说明红蓝组合光中添加绿光对增强黄瓜光合作用和提高有机物质积累也有显著作用。还有研究表明，红蓝光可以通过提高光合速率来促进植物的生长发育，其原因是红光与蓝光的光谱与叶绿素吸收光谱相一致[16]。而红蓝组合光中加入绿光后幼苗进一步增强了光合作用，分析其原因可能是红蓝绿组合光能提高幼苗叶片中相关光合酶活性和光化学效率，进而提高净光合速率[38]，还有可能是红蓝绿组合光相比红蓝组合光光质较为完整，增加了三种光质的共有效果。在本试验红蓝组合光处理中，随着蓝光比例的增加气孔导度也在增加，表明蓝光对黄瓜幼苗气孔的开放具有促进作用；各补光处理组的胞间CO2浓度均低于对照，而且随着组合光中蓝光比值的升高，胞间CO2浓度在持续下降。在红蓝组合光中加入绿光后，胞间CO2浓度降幅更大，表明绿光可能有效促进叶片中CO2在光合作用下的利用和转化，提高同化物积累，促进碳代谢来增加干物质的积累。

大量研究表明，红光可明显促进可溶性糖积累，对干物质的积累具有调控作用[39]。研究还表明，在红蓝光基础上添加绿光可提高生菜可溶性糖含量[40]。本试验结果表明，黄瓜幼苗补照LED 组合光幼苗的可溶性糖含量均高于对照，在红蓝组合中，随着蓝光比例的增加，可溶性糖含量随之减少；在红绿组合处理中，黄瓜幼苗叶片中可溶性糖含量比红蓝组合处理显著性增加，表明绿光对增加叶片中可溶性糖含量也具有促进的作用。分析其原因可能是红蓝绿组合光增强叶片碳水化合物的合成与积累[3]，因此补照红蓝绿组合光的黄瓜幼苗叶片中可溶性糖含量大幅度增加。

研究表明，植株在受到低温等胁迫后其体内会有大量脯氨酸的快速积累，脯氨酸对细胞起到保护的作用，能提高植株的抗逆能力[41]。另外，在逆境中植物遭受氧化胁迫会发生膜质过氧化反应而产生丙二醛，其含量反映了植物细胞膜质过氧化程度及对逆境条件反应的强弱[42]。本试验结果表明，黄瓜幼苗补照组合光能够提高叶片中脯氨酸的含量、降低丙二醛含量。与对照相比，红蓝组合光中加入绿光的R8B1G1 处理组脯氨酸含量得到了显著增加，而丙二醛含量显著降低，表明补照红蓝绿光有助于促进幼苗脯氨酸的合成，减少幼苗发生膜脂过氧化反应，从而增强幼苗的抗逆性，提高其对冬春季节不良环境如冷害等逆境的抵抗能力。

综上所述，黄瓜幼苗延时补照LED 组合光特别是组合光R8B1G1，通过提高幼苗叶片中的叶绿素含量、净光合速率以及根系活力，进而增加其茎粗、叶面积和全株鲜干质量，可以有效改善其生长形态，提高幼苗的抗逆能力，并达到壮苗的效果。因此，LED 红蓝绿组合光R8B1G1 为本试验条件下黄瓜幼苗达到最佳壮苗效果的最适补光组合。关于红蓝绿LED 光质对蔬菜幼苗的具体作用机理及途径仍待继续深入研究。