橡胶林下不同光质对珠芽魔芋的影响

王大伟，唐晨冉，邹 军，石明明，李 杨，罗世鹏，刘雯斌，陈俊锋

(1.上海应用技术大学，上海 201418；2.浙江绿龙新材料有限公司，浙江 嘉兴 314400)

引言

云南省的西双版纳自治州有500多万亩的橡胶林，当地的胶农经常在橡胶林下种植阴生植物，如魔芋就是胶农大量种植的作物，其中主要种植的品种是珠芽魔芋。珠芽魔芋(amorphophallus bulbifer)是天南星科魔芋属的植物。分布在缅甸、印度、锡金、孟加拉以及中国大陆的广西、云南等地区，主要生长于海拔300～850 m的地区，一般多生于河边林下以及山谷雨林中[1]。太阳辐射通过树冠结构到达森林内部形成了林下的光环境特征，而林下的光照是植物生长和生理活动的重要能量来源和刺激因子[2]。光作为植物生长发育过程中最重要的环境因素之一，除光强和光周期外，光质及其组成比例也发挥着重要作用[3]。因此，如何提高珠芽魔芋的产量是研究人员关注的重要课题。

光质是不同波长组成的光谱，是由最大辐射能量的波长和光辐射的波长范围所决定，植物光质生物学大规模研究开始于20世纪90年代[4-6]。目前利用不同光质技术对温室内的蔬菜生长和品质控制技术已经非常成熟，自从1957年丹麦约克里斯顿农场建成了世界上第一座植物工厂，到今天植物工厂已经基本实现规模化和智能化。但是由于室外的影响因素太多，利用不同光质LED在室外进行补光的技术几乎没有。近年来，不同光质对薯芋作物生长及增产的研究报道颇多，但关于光质对珠芽魔芋生长及产量的影响却鲜有报道。

1 实验方法

1.1 试验材料

种芋材料：10 g左右的白珠芽魔芋种芋球茎若干(云南省热带作物研究所提供)。补光LED灯具采用四组300 W/36 V的大功率工矿灯，可调整光照强度，其中每个灯具红蓝灯珠比为R∶B=3∶1、1∶1、 2∶1、1∶2、全光谱，红光峰值波长660 nm左右，蓝光峰值波长450 nm左右。如图1所示，其中3RB代表红蓝灯珠比为R∶B=3∶1；RB代表红蓝灯珠比为R∶B=1∶1；2RB代表红蓝灯珠比为R∶B=2∶1；R2B代表红蓝灯珠比为R∶B=1∶2。

图1 补光光源光谱数据Fig.1 Spectral data of supplementary light source

1.2 试验时间与地点

2021年11月至2022年8月于云南省热带作物研究所橡胶种植基地，试验地海拔 400 m左右。

1.3 实验处理

采用十盏300 W/36 V的大功率工矿灯对珠芽魔芋进行补光，补光总面积为500 m2，设置五个处理，一个重复，每组补光面积为100 m2，以未进行橡胶林下补光区域为对照组(CK)。采用垄作栽培模式，珠芽魔芋行距为30 cm、间隔为30 cm，利用苗株移植的方式，确保珠芽魔芋的大小一致，播种时间为2022年3月19日，按照常规进行管理。

1.4 测试方法

采用远方PLA-300光谱仪对橡胶林下光环境进行分析，将每一组实验区域进行坐标化，左右间隔2 m取一个点，测量实验区域各点距离地面50 cm处光强，测量时间选择在早上7：00—9：00，这个时间段的太阳光还未通过冠层照射到橡胶林下，避免了林间透射太阳光的干扰。在坐标中绘制出光强分布情况，确定初始光照环境；采用华为mate30pro手机相机对橡胶树冠层进行拍照，利用MATLAB对图片进行二值化处理，并结合直方图分析冠层透光情况；测量珠芽魔芋的生长量指标，对珠芽魔芋的植株高度、径粗和冠幅采用卷尺和游标卡尺进行测量；用Li-6400光合作用测量系统测定珠芽魔芋叶片的光响应曲线；叶绿素含量的测量采用722型分光光度计。

所测量的数据通过WPS软件进行处理，采用IBM SPSS Statistics 25 软件进行统计分析、Origin 2022进行作图，再利用MATLAB对图片进行处理。

2 结果与分析

2.1 橡胶树冠层分析

光是影响植物生长发育的重要自然环境因素，不仅影响植物生理代谢和生长发育，而且还对植物的形态建成起着重要的调控作用[2]。通过对橡胶林下的魔芋进行额外的补光，促使魔芋达到增产的效果。要对魔芋进行补光，首先需要研究橡胶林下的光环境情况，随着演替的进程，林下光环境随着上方冠层的改变而改变，林下光照强度和光照质量的改变将使植物产生不同的反应[7]，随着林龄的增加，林冠开度基本呈减小的趋势，叶面积指数呈增加的趋势[8，9]。本研究中只需要了解清楚橡胶树冠层的透光情况，如图2所示，再对图2进行像素点统计分析，具体如图3所示。结果表明，透光情况由大到小依次为RB、R2B、全光谱、3RB、CK、2RB。如图4所示，透射在林下的光强分布情况，虽然有个别点的光强明显高于其他点位，但是总体的光强大小情况还是与图3述的光层透光情况一致。由图2可以看出，橡胶林下部分区域存在太阳光直射的情况，太阳直射光对珠芽魔芋光合机构有破坏性的伤害，致使珠芽魔芋幼苗无法存活。

图2 橡胶树冠层二值化图Fig.2 Binarization diagram of rubber canopy

图3 橡胶树冠层图片直方图Fig.3 Image histogram of rubber canopy注：左边代表暗部，右边代表亮部，而中间则代表中间调。纵向上代表就是分布在这个亮度上的像素点个数。

图4 橡胶林下光强分布图Fig.4 Distribution of light intensity under rubber forest

2.2 魔芋光强分布

如图4所示，通过将橡胶林下的魔芋种植位置进行坐标化，测得橡胶林下魔芋种植区域大概光强分布情况。通过补光后，橡胶林下光强得到83%左右的提升，使大部分点位的光强达到60 μmol/m2·s以上。

2.3 不同光质组合处理对珠芽魔芋的生长量的影响

根据陈祥伟等[10]研究指出，红光促进乌塌菜茎的加粗，而蓝光对其起抑制作用。陈娴等[11]研究认为，不同比例红蓝混合光及单质红光均促进韭菜茎粗和株高的增加，而蓝光作用与之相反。Tadayoshi等[12]研究表明，红光促进植株株高的增加，而蓝光抑制生菜叶面积的增大。本实验中橡胶林下不同比例红蓝光质的补光措施，在忽略林下自然光的干扰下，通过R2B光质组合补光的魔芋在植株高度、茎粗和叶幅方面都与对照CK组有显著性的差异，根据高勇等[13]研究指出，添加较高比例蓝光的处理并未表现出对生长的抑制，可能是被红光的促进作用所抵消。但是在魔芋单颗重量方面反而是3RB实验组重量最大，与对照组相比平均单颗魔芋重量超出98%左右，且与对照组CK和全光谱之间存在显著差异，通过特定的光质补光对魔芋的增产效果明显，而魔芋重量标准偏差出现数值较大的情况，是由于橡胶树冠层透光情况不均匀造成样本之间生长差异较大导致的。综上所述，通过补光的魔芋与对照组CK相比各项生长量数据都有不同程度的提升，具体数据见表1。

表1 不同光质组合对珠芽魔芋生长量的影响Table 1 Effect of different light quality combination on the growth of Amorphophallus arum

2.4 不同光质组合处理对叶绿素含量的影响

不同的光质处理对叶绿素的含量起着重要的影响。研究发现，叶片中叶绿素的含量在红光处理下较高，而蓝光处理下叶绿素含量较低[14]。但也有研究表明，增加蓝光比率可使烟草叶绿素含量增加，而增加红光比率可降低其叶绿素含量[15]，光质对不同植物叶片叶绿素含量的影响也因植物种类而不同。如表2所示，在本研究中R2B光质补光的叶绿素的含量最高，全光谱补光的叶绿素含量相对其他实验组最低，说明高比例的蓝光会促进叶绿素合成；而且五组补光魔芋的叶绿素含量都显著高于对照组CK，说明通过不同比例的红蓝光进行补光，可以不同程度地增加魔芋的叶绿素含量。

表2 不同光质补光对叶绿素含量的影响Table 2 Effect of supplementing light with different light quality on chlorophyll content

2.5 不同光质组合处理对光响应曲线的影响

自然界中不同植物对不同光质的光响应程度也是不同的。光质不仅可以改变植株光合特性，也影响气孔开放状态[16]，相较荧光灯，不同光质组合可以提高作物光合水平。李南林[17]研究表明，覆膜处理能显著影响魔芋叶片的光合特性；许莉等[18]发现红光能增加植株净光合速率Pn，蓝光则使净光合速率Pn降低；洪桂华等[19]研究认为，蓝光有利于人参光合作用，而绿光则降低人参的光合作用；魏胜林等[20]研究发现，红光会降低菊花的净光合速率 Pn，而蓝光则增加菊花净光合速率Pn。在本研究中，根据光响应曲线的描述，如图5所示，当光强达到225 μmol/m2·s时，净光合速率Pn由高到低分别是全光谱、2RB、3RB、RB、R2B、CK，通过补光的魔芋植株净光合速率Pn都明显高于对照组CK。通过补光的魔芋在光饱和点、净光合速率和耐强光方面都明显高于未经过补光的对照组CK，与古鸿辉[21]蓝网、红网与绿网处理有利于缓解强光对魔芋叶片光合机构的损伤和提高光合效率的研究一致。

图5 不同光质补光对光响应曲线的影响Fig.5 The influence of supplementary light with different light quality on light responsecurve

3 结论与展望

由上述分析结果可知，橡胶林下的光环境非常不均匀，冠层树叶密集的区域下方光环境对于魔芋来说非常不适宜。因此，在光环境不适宜时及时采取补光措施，不仅能有效地缓解弱光给植物生产带来的损失，还可有效的增产，但不同的光源增产效应不同[22]，而且每种植物对光源的光质、光强、光周期都有其独特的偏好，并且在同一种植物的不同生长阶段，其对光源的偏好也是动态变化的[23]。根据对上述魔芋补光实验的测量数据分析讨论和相关文献的证明下，我们在云南西双版纳橡胶林下为了增加魔芋产量的补光探索方案是可行的。经过补光的魔芋在生长量、叶绿素含量、光合特性、产量方面都明显高于未经过补光的魔芋，其中R2B的光质组合在生长量、叶绿素含量，光合特性方面补光效果最佳，而魔芋单颗重量方面3RB补光效果最佳。特别是在耐高光强方面作用效果比较大，我们可以利用这个特点在魔芋幼苗阶段对其补光，增加叶绿素的含量，提高光合性能，增加魔芋幼苗的耐强光性，减小魔芋幼苗在橡胶林下透过冠层照射的强光对魔芋幼苗光合系统的损伤，增加魔芋幼苗存活率。在生长阶段，光照强度过低时通过补光的方式提高林下的光照强度，使魔芋能够进行光合作用，不断地积累有机物，促进魔芋生长，增加魔芋的产量；当太阳光透过橡胶树冠层直射的时候，通过补光的魔芋拥有很强的光合系统，能够承受强光的照射而光合系统不会受到破坏，确保光合作用的正常进行。

通过对橡胶林下珠芽魔芋的补光研究，对植物补光技术在室外的应用提供基础理论依据，为大面积橡胶林下魔芋种植增产增收提供技术支持，同时增加了橡胶林下物种的多样性，保持生态系统的可持续发展。