不同外源光对元宝枫幼苗生长、养分积累和非结构性碳水化合物的影响

曹宝慧，刘 平，魏红旭，叶景丰，魏忠平，王玉涛

（1.沈阳农业大学 林学院，沈阳110161；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，长春130102；3.辽宁省林业科学研究院，沈阳110032）

光作为植物生长环境的重要因子，改变光照条件会对植物产生不同的影响。 在植物培养繁育过程中，光质和光周期一直是研究植物光环境条件的重要因子[1]。相比于普通光源，发光二极管（light-emitting diode，LED）具有结构简单、安全性高等特点，以及冷光源、低能耗、光效高、环保性高等光电优势[2-3]。 目前，LED 光源在蔬菜果树、药物植物、观赏植物等种苗繁育过程有诸多应用[4]，由于红光区和蓝光区是植物生长光合效能最高的辐射集中区，故该区域内光源一直是设施培育的热点研究对象[5]。 多数研究表明，LED 红、蓝光以及红蓝复合光源对植物生长发育的影响有一定的促进作用，但不同光质之间有一定差异。 红光有利于香椿（Toona sinensis）的株高生长以及生物量和可溶性糖的积累， 而蓝光提高了香椿苗可溶性蛋白含量[6]。 红蓝复合光能够增加观光木（Tsoongiodendron odorum）根系干物质量，且随复合光中蓝光的比例增加而增加[7]。 而周鹏等[8]研究乌饭树（Vaccinium bracteatum）组培苗发现单色红光对叶绿素合成产生了抑制，单色蓝光则会抑制新梢的诱导，而红蓝复合光对乌饭树组培苗生物量积累和根系发育最有利。 红蓝复合光在胡举伟等[9]研究中也表现出较单质红光、蓝光更适合桑树（Morus alba）幼苗的生长。

苗木培育研究中，延长光周期会影响植物的生长发育[1]，但快速生长会导致植物体内养分稀释，从而限制了植物幼苗的发育，而指数施肥已被证明可以有效的抑制幼苗体内养分的稀释，并促进幼苗的生长[10-11]。 指数施肥是将营养的指数供给与苗木的指数生长需养量结合，采用与相对生长率相似的特定的营养增加率，通过多次施肥及逐渐增加的施肥量，维持营养的稳定吸收，从而实现植物体内营养浓度的相对稳定，即稳态矿质营养。同时，通过控制单次施肥量，诱导奢侈消耗，建立营养库，最终在植物体内形成营养载荷[12-14]。

元宝枫（Acer truncatum）为槭树科槭树属落叶乔木，是我国珍贵树种，分布于东北、华北及长江流域各省，具有根系深、适应性强、栽植易成活等特点，是观赏绿化的重要树种[15-16]。 目前，LED 光源的研究主要集中在果蔬作物，对苗木影响的深入研究颇少，且元宝枫培育方法研究也较为单一。基于此，本研究以珍贵阔叶树种元宝枫为研究对象，以自然光为对照，设置了LED 白光和LED 红蓝复合光两种光源并延长苗木光周期，配以指数施肥方法补充苗木快速生长的养分供应，建立光养强化体系，并通过测量光照时动态形态指标以及光照后的养分含量和非结构性碳水化物，以此探究相比于自然光下元宝枫生长状态的差异。 以此为加速苗木的生长，缩短苗木培育周期，以及促进区域苗木产业发展与质量提升提供科学的理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2017 年在沈阳农业大学温室大棚内进行，供试元宝枫种子采于鞍山腾鳌，将种子筛选消毒后进行催芽，10 月播种于专用育苗穴盘（4×8=32 孔穴），并置于盛水托盘（55cm×35cm×8cm）中，以壮苗泥炭作为育苗基质，采用渗灌方法培育，每周浇水2～3 次。 苗木培育3 个月后，1 月选取长势形态相似的幼苗，每穴盘12 株，即设置每处理3 次重复（即3 组穴盘），共设置9 穴盘，并缓苗2 周。苗木培育环境温度为（28±2）℃，肥料采用N素复合肥。

1.2 试验设计

1.2.1 光源设计 试验光源共设置种3 种LED 光源处理，并设置同一光照强度，即光源下50cm 处光量子通量密度（PPFD）均为80μmol·m-2·s-1。 对照处理即全光谱日光下生长，LED 白光光源（RGB）处理为R/G/B=7.7∶1∶2.2，LED 红蓝混光光源（RB）处理为R/G/B=4.6∶0∶1（R、G、B 所指分别为红光、绿光、蓝光）。 采用立体式LED 灯架开展试验，每台灯架占地面积为1.2m×0.4m，灯架间距为0.6m，共摆设3 台灯架，并用黑色遮光布遮盖隔离不同光源处理组。 每套立体式LED 灯架分为3 层，每层净面积为1.2m×0.4m，高度为50cm。 每套灯架为同一种处理光源，并将每处理下的3 次重复分别置于每套灯架的3 层。 1 月24 日开始光照15 周，光周期为16h·d-1。

1.2.2 施肥设计 在光照的第1 天开始施肥，并隔1 周施肥1 次，采用渗灌方法进行施肥处理，方式采用氮素指数施肥，施肥公式为：

式中：r 为相对于化肥施用量，将NS增加到最终N 含量NT+NS所需的相对添加速率；NS和NT分别是幼苗苗体中的初始N 含量和待加入的量。 供养量NT设置为80mg·株-1[17]，根据试验光照前选择的初始幼苗（3 株）测定生物量和氮含量，得到苗体初始氮含量Ns=3.90mg·株-1；施肥次数（t）设定为15 次，每7d 施肥1 次，使用DUAN 等[10]方法即可计算出在特定日期施用的肥料数量（Nt）:

式中：Nt-1为第t 次前t-1 次所有施肥量的积累量，由此得到试验苗每次施氮量（图1）。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株形态指标测定 用卷尺和数显游标卡尺测量试验前初始株高、地径，光养强化培育期间每7d 测量1 次株高、地径。

1.3.2 生物量测定 处理15 周后将植株全部收获并清洗，晾干苗木表面水分后用电子分析天平称取地上部分和地下部分的鲜重，然后分别于105℃杀青30min、80℃烘干48h 后称取干重。

1.3.3 植株碳水化合物及养分测定 将烘干的植株分地上部分和地下部分磨碎过100 目筛，取0.100g 样品采用蒽酮-浓硫酸法测定可溶性糖含量，再将剩余沉淀烘干，采用蒽酮-高氯酸法测定淀粉含量。 取过筛的样品0.500g 经H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮仪（Hanon，K-9860）测定氮含量。 取过筛的样品0.500g 经H2SO4-HClO4消煮后，采用钼锑抗比色-分光光度法测磷含量。

图1 指数施肥动态施氮量Figure 1 Specific dynamics of nitrogen additions under exponential fertilizations

1.4 数据统计

采用Excel 2010 和SPSS 20.0 软件对数据进行统计分析。 采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan 法进行方差分析和多重比较（α=0.05）。 利用Excel 2010 软件作图。 图表中数据为12 次重复平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 不同外源光下元宝枫形态指标变化

由图2 可知，相比于CK 处理的缓慢生长趋势，RB 和RGB 处理下的元宝枫幼苗生长更快。 可知在育苗光照处理中后期（3 月14 日～4 月11 日），RB 和RGB 处理下株高的增长率迅速上升，到育苗光照处理后期（4 月11 日～5 月9 日） 株高的增长率略有降低， 育苗光照处理结束时RB 处理下的平均株高值为RGB 处理的115.05%，而CK 处理下株高一直增长缓慢，育苗光照处理结束时CK 处理平均株高为RB 处理的49.46%。 地径生长量较株高生长趋势较为平缓，但相比于CK 处理，RB 和RGB 的地径增长率较高，育苗结束时RB 处理的平均地径值分别为RGB 处理和CK 处理的110.59%和173.90%。

由表1 可知，RB 和RGB 处理下元宝枫的株高和地径的总增长量均高于CK 处理，且RB 处理下的株高和地径的总增长量均略高于RGB。 RB 和RGB 处理的株高总增长量分别为CK 处理的456.09%和391.05%，差异达到极显著水平（p＜0.01），而RB 处理下的株高总增长量稍高于RGB，差异不显著。 RB 和RGB 处理下地径总增长量分别为CK 处理的287.89%和250.69%，差异达到极显著水平（p＜0.01），而RB 处理下的地径总增长量稍高于RGB 且差异不显著。

图2 不同外源光下幼苗生长动态趋势图Figure 2 Dynamic trend diagram of seedlings growth under different exogenous light sources

表1 不同外源光下苗木生长指标Table 1 Growth index of seedling under different exogenous light sources

2.2 不同外源光下元宝枫各部分鲜重、干重变化及根冠比

由表1 可知，RB 处理下元宝枫的各部分鲜重和干重均高于RGB 和CK 处理。 RB 和RGB 处理的地上鲜重分别为CK 处理的354.05%和302.80%，RB 处理的地下鲜重为CK 处理的403.17%，差异均达到显著水平（p＜0.05）。 RB 和RGB 处理下地上干重分别为CK 处理的382.55%（p＜0.01）和313.87%（p＜0.05），其两种光源处理的地下干重分别为CK 处理的415.46%和345.72%，差异均达到了显著水平（p＜0.05）。 RGB 处理的根冠比值低于RB 和CK 处理，处理间差异不显著（p＞0.05）。

2.3 不同外源光下元宝枫各部分的非结构性碳水化合物变化

由图3 可知，RB 处理下元宝枫的各部分可溶性糖质量分数和淀粉质量分数均高于RGB 和CK 处理。 RB和RGB 处理的地下糖质量分数分别为CK 处理的150.46%和141.37%，差异均达到显著水平（p＜0.05）；而RB和RGB 处理的地上糖质量分数分别为CK 处理的117.26%和116.68%，处理间差异不显著（p＞0.05）。 RB 处理的地上淀粉质量分数为CK 处理的182.05%，差异达到显著水平（p＜0.05），RB 处理的地下淀粉质量分数为CK处理的118.31%，差异达到极显著水平（p＜0.01）。

图3 不同外源光下苗木的非结构性碳水化合物变化Figure 3 NSC changes of seedlings under different exogenous lightsurces

2.4 不同外源光下元宝枫各部分的养分积累变化

由图4 可知，RB 处理下元宝枫的各部分氮质量分数和磷质量分数均低于RGB 和CK 处理。 RB 处理的地上氮质量分数为CK 处理的72.62%，RB 和RGB 处理的地下氮质量分数分别为CK 处理的62.70%和69.57%，差异均达到显著水平 （p＜0.05）。 RB 处理的地上磷质量分数和地下磷质量分数分别为CK 处理的57.27%和54.59%，差异均达到极显著水平（p＜0.01），RGB 处理的地上磷质量分数为CK 处理的75.18%，差异达到极显著水平（p＜0.01），而RGB 处理的地下磷质量分数为CK 处理的71.42%，差异达到显著水平（p＜0.05）。 另外，RB 处理的地上磷质量分数为RGB 处理的76.18%，差异且达到显著水平（p＜0.05）。

图4 不同外源光下幼苗的养分变化Figure 4 Nutrient changes of seedlings under different exogenous light sources

2.5 不同外源光下元宝枫各部分鲜干重、生长量与碳水化合物、养分质量分数之间的关系

由表2 中可知，元宝枫幼苗各部分N、P 质量分数与鲜干重以及生长量均呈极显著负相关性（p＜0.01）。元宝枫幼苗各部分的可溶性糖质量分数和淀粉质量分数与鲜干重以及生长量之间呈正相关。 地上可溶性糖质量分数与干重和生长量有显著相关性（p＜0.05），而与鲜重相关性不显著。 地下糖质量分数与地上鲜重、干重和生长量均呈极显著相关性（p＜0.01），与地下鲜重也有显著相关性（p＜0.05）。 地上淀粉质量分数与鲜重、干重以及生长量极显著相关（p＜0.01）。 地下淀粉质量分数与鲜重、地上干重和生长量有显著相关（p＜0.05），而与地下干重相关性不显著。

表2 不同外源光下元宝枫鲜干重、生长量与非结构性碳水化合物、养分质量分数之间相关性分析Table 2 Correlation analysis between fresh and dry weight, growth and NSC, nutrient of Acer truncatum under different exogenous sources

3 讨论与结论

光是影响植物生长发育的重要因素之一，研究表明光质在植物的生长发育、物质代谢和光合作用等均有显著的调控作用[18-20]。有诸多研究表明，以LED 单一或组合光作为植物的光源，可促进生长发育，调控形态建成[21-22]。本研究以全光谱日光（CK）为对照，对LED 红蓝光源（RB）和LED 白光（RGB）两种光源处理下元宝枫幼苗生长特性及生物量等指标的影响研究表明，相对于对照处理，LED 两种光源下的元宝枫幼苗株高增长量、地径增长量以及生物量明显增加，且LED 红蓝光下幼苗株高增长量和地上部分生物量最高，这与李思静等[23]对枳壳（Trifoliate orange L.Raf）进行不同LED 光质培育试验中得出结果类似，说明LED 红蓝光在一定程度上会促进幼苗的生长。 但是相比于对照和LED 白光的根冠比值，LED 红蓝光的比值较低，从各部分生物量来看，LED 红蓝光的幼苗株高生长过高是其原因之一，再者容器体积不能满足幼苗根系的快速伸长，从而限制了根系的生长发育，导致了根冠比失调。本研究发现，同为延长光周期的两种LED 光源中，LED 红蓝光下的苗木生长趋势和生物量蓄积更好，但两种光源间未达到差异显著，原因可能是相比于光质对元宝枫幼苗生长发育的影响，延长光周期对其幼苗的生长影响更大。 这与刘成功等[24]对延长欧美杨（Populus×euramericana）幼苗光照光周期的研究所得出的结果相类似。

植物的能量主要由非结构碳（non-structural carbohydrate，NSC）供给，其主要由可溶性糖和淀粉组成[25]。NSC是植物光合作用的主要产物，为植物呼吸、新陈代谢和生长提供能量[26]，维持植物体正常的生理代谢活动[27]，并可防御环境胁迫造成的伤害[28]。 可溶性糖是光合作用的直接产物，是碳运输和代谢过程中的主要形式，用于满足植物当前生命活动需要，淀粉是植物相对可溶性糖较为长期的能量储存物质，主要供应植物将来需求[29]，两者在一定条件下可以相互转换[30]。 本研究结果中，相比于对照处理，经过光养强化培育的元宝枫苗体内可溶性糖质量分数和淀粉质量分数均有提高。 这与张欢等[31]对番茄和莴苣幼苗试验结果类似，其研究表明LED 单色红光下番茄、莴苣幼苗的可溶性糖和淀粉质量分数均显著高于对照（荧光灯），且LED 红蓝光（R/B=8∶1）下莴苣幼叶叶片的可溶性糖和淀粉均显著高于LED 单色红光处理。 本研究中两种LED 光源下幼苗地下部分根系的可溶性糖质量分数均明显大于地上部分，而自然光下却是地上部分可溶性糖质量分数大于地下部分，这可能是由于对照处理的地上干重较地下干重更低于LED 两种光源所导致的。 史江莉等[32]对石榴（Pomegranate）幼树的研究结果表明LED 红蓝光RB（2∶8）和RB（3:7）能够促进光合作用，有利于提高叶片中可溶性糖质量分数，吴鹏飞等[33]在研究红颜草莓时也发现LED 组合光（R/G/B=1∶1∶1）可以提高果实的可溶性糖质量分数，本研究中RB与RGB 处理下可溶性糖质量分数差异不明显，但显著高于CK 说明很大可能延长光周期能够提高苗体的可溶性糖质量分数。

树木内在的营养储备是苗圃培育出苗时决定其品质的重要性状之一，因为充足的养分积累会通过养分运输促进移植后的生长状态[34]。 本研究中，RB 和RGB 处理下的氮质量分数和磷质量分数相比于CK 处理均明显降低，且分析显示元宝枫幼苗氮质量分数和磷质量分数与生物量和生长量呈负相关性，所以这可能是由于生长过快生物量增加所导致的养分稀释。 李思静等[23]对枳壳研究中发现红蓝1∶1 和红蓝4∶1 复合光均抑制了茎伸长，与本试验结果有所不同，这也可能是由于枳壳苗体发生了养分稀释，导致苗体内养分载荷量过低而不足以满足幼苗由于LED 红蓝光源诱导下的快速生长，而本研究结果中，3 种外源光下的磷质量分数均差异极显著，氮质量分数的显著性差异只体现在LED 红蓝光和对照处理之间，这很有可能是氮素指数施肥对苗体养分供给的影响，减弱了养分稀释[10-11]。 氮、磷质量分数的降低也有可能由于RB 和RGB 处理延长了光周期或者不同红蓝光配比对植物的影响。 韦秋梅[35]的研究发现RBPG 复合光（红蓝紫绿）下延长光周期使苗木各部分的氮、磷质量分数均有降低，但生物量有所提高，其结果也恰好说明了延长光周期可能会加速氮、磷养分向生长量的转化。结合本研究中LED 红蓝光较低的根冠比值，说明养分可能更多的被转移到地上部分所消耗从而供给了生长。 此外，3 种处理下地上部分的氮质量分数均明显高于地下部分的氮质量分数， 而地上部分和地下部分的磷质量分数比较相似，这可能由于氮素指数施肥对与苗体氮质量分数的补充在地上部分体现较为明显，可能促进了地上部分的氮代谢。在宁宇等对韭菜[36]和芹菜[37]研究中发现，复合光中增加蓝光比例可使氮代谢增强。李慧敏[38]以不同LED 复合光对秋葵组培苗的研究也表明了，相对于荧光灯对照均促进了其碳氮代谢。

相比于自然光，LED 红蓝光和白光处理能够显著提高元宝枫株高、地径、鲜干重、可溶性糖和淀粉含量，且LED 红蓝光处理下高于白光处理；LED 红蓝光和白光处理下显著降低元宝枫苗木的氮和磷含量， 有利于促进元宝枫生物量的快速积累；元宝枫苗体N、P 与鲜干重以及生长量均呈负相关性，可溶性糖和淀粉与鲜干重以及生长量呈正相关性。LED 红蓝光对元宝枫苗木生长、养分积累和非结构性碳水化合物等的影响更加有利于元宝枫的快速生长和促进苗木质量的提升。