LED 白光下播种量对黑麦草产量影响

2022-04-27陈艳琦刘文科中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京100081

农业工程技术 2022年4期

陈艳琦，刘文科（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081）

黑麦草（Lolium perenneL.）隶属于禾本科黑麦草属，一年生或多年生、生长速度快、分蘖能力强、可刈割，是温带地区栽培最广泛的一种禾本科牧草[1-2]。黑麦草不仅具有易栽培、抗逆性强、再生性强、产量高等优点，而且作为饲草其适口性好、消化率高、营养丰富全面，其中粗蛋白含量可达20%，酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量分别约为22%～32% 和40%～60%，可溶性碳水化合物约为15%～27%[3-5]。黑麦草可作为牛、羊、猪、肉兔以及鸡、鹅等禽畜的青饲料使用[6-7]，用途广泛，市场需求大。当前，中国正处于畜牧业转型升级的关键时期，“粮改饲”政策持续推进虽然提高了牧草种植面积和单产，但缺口仍较大，牧草进口额不断上升，2020 年仅苜蓿草饲料进口额达到了60687.56 万美元[8]。牧草在各地区普遍存在季节性分布不均的情况，尤其是在北方地区存在冬春季新鲜牧草供应不足的问题。因此探索周年可供应的高效生产方法，解决地方性、季节性牧草供需矛盾，对保障畜牧业持续发展具有重要意义。

光合有效辐射(Photosynthetically active radiation,PAR）在太阳光谱中400～700 nm 处与可见光基本重合，包括蓝光（400～500 nm）；绿光（500～600 nm）；红光（600～700 nm），其中红光和蓝光是光合作用的基本能源[9]。此外，光作为一种环境信号，通过红光和远红光的受体光敏色素、蓝紫光的受体隐花色素，以及向光素等光受体，直接或间接的调控植物的光形态建成，调节植物的生长、分化以及植株整合作用[10]。随着科学技术的进步，对于光以及光对植物生长调控机制研究的深入，人工光逐步从补充自然光到代替自然光，突破了太阳光对植物生长的限制，被广泛应用于设施栽培、组织培养、植物工厂和太空农业等领域[11]。目前，生菜、番茄等蔬菜的光质生理及对营养品质的调控机理已经有较全面的研究[12]。随着光电技术的发展，LED 光源由于具有高光电转换效率、耗能低、体积小、寿命长、波长固定且发热低等优点，越来越多的用于植物照射，并且其使用灵活、光质光强可调节、可定制、可网络化调节以及近距离照射等方面都优于高压钠灯和荧光灯[13]，为人工光植物工厂提供了高效、稳定、智能的光源。

植物工厂是设施农业发展的最高级阶段，在植物工厂生产牧草，不受自然环境的影响，周年生产可以有效解决牧草季节性短缺的问题，高效供应优质牧草。本文以黑麦草为材料，探讨人工光植物工厂环境下播种密度对产量的影响，以期为黑麦草植物工厂生产的播种量和生产周期设计提供科学依据。

材料与方法

试验材料与方法

黑麦草（宽叶四倍体黑麦草）购买于河南省郑州开元草业有限公司，将黑麦草播种于育苗穴盘中，在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所人工光植物工厂中进行栽培试验。植物工厂内温度为24±2 ℃，相对湿度为35%～50%，CO2浓度为500±50 μmol/mol。选用规格为49 cm×49 cm 白光LED 面板灯给予光照，面板灯安置在穴盘上方40 cm 处。

基质配比为草炭：珍珠岩：蛭石=3:1:1，加蒸馏水均匀混拌，调节含水量至55%～60%，堆置2～3 h 待基质充分吸收水分后均匀装于54 cm×28 cm 的32 孔穴盘中。选择颗粒饱满、大小均一的种子进行播种。

试验设计

设置白光LED 的光强为350 μmol/(m2/s)、光谱分布如图1 所示，光暗周期为16 h/8 h，其中光期时段为5:00～21:00。设置7、14 粒/ 穴两种播种密度进行播种，本实验于2021 年11 月2 日播种，播种后避光培养，11 月5 日开始光照，光照培养期间向育苗托盘中补充Hoagland营养液[14]。

图1 LED 白光面板灯光谱分布

刈割指标及方法

观察植株平均高度达到面板灯高度时进行刈割。分别于11 月22 日、12 月9 日和12 月26 日刈割，刈割间期为17 天。留茬高度2.5±0.5 cm，刈割时随机选取3 穴植株，将刈割的黑麦草称重并记录，计算每平方米产量见公式（1），分别代入公式计算不同播种量和刈割次数产量，W 为各刈割茬次累计鲜重。

数据分析

使用SPSS 23 软件进行数据分析，单因素ANOVA 分析和LSD 检验（P＜0.05）比较均值的差异显著性。

结果与分析

3 次刈割总产量和不同刈割茬次产量如图2所示。从平均产量上来看，两种播种密度的产量趋势均表现为第一茬＞第三茬＞第二茬，分别为24.7 g ＞15.41 g ＞12.35 g（7 粒/穴）、36.6 g ＞19.72 g ＞16.98 g（14 粒/ 穴）。两种播种密度在刈割第一茬产量间存在显著差异（图2a），第二茬、第三茬和总产量间无显著差异（图2b、图2c、图2d）。

图2 播种量与刈割茬次对黑麦草产量的影响

按照不同刈割方案计算生产周期，仅刈割1次周期为20 天；刈割2 次为37 天；刈割3 次为54 天。两种播种量，不同累计刈割次数的单位面积产量如图3 所示。播种量为7 粒/穴刈割1 次的产量最低，仅有5.23 kg/m2。当播种量为14 粒/穴时，累计刈割3 次的产量为15.51 kg/m2，约达到7 粒/ 穴刈割1 次产量的3 倍，且显著高于其他刈割次数，刈割3 次的生长周期长度是刈割1 次的2.7 倍，但产量仅约为刈割1 次的2 倍。播种量为7 粒/ 穴刈割3 次时的产量与14 粒/ 穴刈割2 次的产量无显著差异，但两种方式的生产周期差17天。播种量为14 粒/ 穴刈割1 次时，其产量与7粒/穴刈割1 或2 次的产量无显著差异。

图3 两种播种量条件下刈割1～3 次的黑麦草产量

结论

本研究发现植物工厂LED 白光下黑麦草可以正常生长，可按照多次收获方式生产。由于环境稳定适宜，刈割后再生速度快，据观察刈割后第1 天即可生长约3 cm。在第二茬刈割时就出现了拔节、孕穗的黑麦草。据文献记载田间种植的黑麦草从播种到拔节期不越冬需要约56 天[15]，越冬则需要约120 天[16]，第一次刈割后继续生长26天，黑麦草开始开花并且能观察到有花粉产生，第三次刈割时，处于拔节抽穗期的黑麦草数量增多。与田间试验不同，本试验中，黑麦草株高可达60 cm，高于生长空间的高度，由于穴盘到面板灯板的高度限制了黑麦草的生长高度，因此叶面出现了一定程度弯曲，既影响了株型，还使得被压住的叶面受光减少、穴盘平面内光照不均匀，出现产量差异的情况。

田间试验生产，播种量一般为1.80～3.75 kg/m2，刈割3～5 茬，累计鲜重产量约为11.4 0～12.67 kg/m2[15-17]。本试验中7、14 粒/ 穴播种量分别为5.93 g/m2、11.85 g/m2，刈割3 茬累计鲜重产量分别为11.11 kg/m2和15.51 kg/m2，鲜重产量可达到田间生产水平，此外由于植物工厂可以层架栽培[18]，单位面积的产量还能通过层架数的合理设计提高。在环境可控的植物工厂中为黑麦草持续提供了充足水分和营养元素，而田间种植依赖于降雨量以及定期灌溉，生长过程的水分供应有明显的区别，因此还需进一步对干重和干物质积累程度进行分析比较。一些研究表明，拔节期的黑麦草粗蛋白含量高于其他生长期，营养成分较高且生长速度快[15-17]，关于植物工厂生产黑麦草营养品质和相对饲喂价值，还需要对不同生育期的黑麦草进行评价。

本试验结果显示，14 粒/ 穴的播种量在不同刈割次数的产量都高于7 粒/ 穴，但播种量增加一倍时产量并没有提高一倍，当生长周期延长时，产量也没有呈现相应的增长，刈割次数的增加会增加产量，但也增加了工作时长。考虑到周年化生产，对不同播种量和刈割次数的年产量进行了计算，据结果显示，当使用14 粒/ 穴播种，出苗后光照17 天刈割1 次结束生长，全年可生产约21 批，那么年产量可达162.67 kg/m2，显著高于两种播种量条件下其他刈割次数的年产量。

在生产中，应设计合理的层架数、架高、播种量以提高单位面积产量，结合营养品质评价适时刈割，提高产品质量，还需考虑种子、人工、鲜草贮藏等经济成本。当前牧草业还面临着产品流通体系不健全、商品化程度不高等问题，只能在局部区域流通，不利于在全国范围内实现草畜结合[19]。植物工厂生产不仅能缩短黑麦草的收获周期、提高单位面积的产出率、实现周年的鲜草供应，还能够根据畜牧业的地域分布和产业规模建厂生产，降低物流成本。