植物工厂LED光质调控对芹菜生长及产量的影响

王哲，王宇航，王晓庆，樊怀福

(1.杭州汉徽光电科技有限公司，浙江 杭州 311300；2.南京优士环境技术有限公司，江苏 南京 210000；3.浙江农林大学 园艺科学学院，浙江 杭州 311300)

芹菜(ApiumgraveolensL.)是伞形科芹属一年或有限多年生草本植物，因药食同源在世界各地广泛种植，同时也是香精油、芹菜素等众多化工产品的主要来源[1]。在中国大多采用传统的大田和大棚单层种植，但受到外界环境影响较大，再加上土壤次生盐渍化加剧，很难做到高产、稳产、品质好[2]，单层种植极大地消耗着土地、空间、人工和时间。植物工厂可取代不稳定的农业环境，采用立体栽培模式可充分利用有限空间，精确调控水、光、温、气、肥，提高作物种植效率和作物品质[3]。

光是植物生命活动的主要能量源泉，也是制约植物生长发育的最重要非生物因子之一[4]，光质对植物的形态建成、光能转化、物质代谢、信号转导和基因表达等生理生化活动具有重要的调控作用，同时对植物的生物合成和品质的提高有重要影响[5]。由于植物体内存在着一套光接收和转导系统，所以植物会随着光质的改变而做出一定的适应性反应[6-7]。相比其他光源，LED光源具有节能环保、光电转化效率高、光谱可定制、耐用等优点[8]，可保障蔬菜和粮食安全，植物工厂创造出环境完全可控的植物生长环境，根据不同植物的生长发育特性，来设置环境控制相关参数，为植物生长提供最适宜的条件，以实现高产、优质、高效的目的。通过人工光源技术，调制利于植物特征生长的光谱，改变植物的生长规律，对提高产量和品质，加快现代农业发展具有重要的现实意义[9]。因此，本文配置不同的LED光质配比组合光源，研究不同光质配比对芹菜生长发育的影响，筛选芹菜较适宜的光质配比，以期为芹菜工厂化种植和未来农业发展提供参考依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为四季小香芹芹菜，由浙江省农业科学院提供。

1.2 试验设计

根据光质配比不同试验共设4个处理，分别为LED白光对照(CK)、红光∶蓝光=1∶1(A)、红光∶蓝光=2∶1(B)、红光∶蓝光=3∶1(C)。红色LED光源的峰值波长为660 nm，蓝色LED光源的峰值波长为450 nm。

1.3 试验方法

经筛选获得籽粒饱满、活性强的芹菜种子，在55 ℃下浸种15 min杀菌，然后浸于25 ℃水中浸泡24 h，再将种子平铺在湿度适宜的滤纸上并放于培养皿中，放入25 ℃培养箱中进行催芽，等到80%种子露白后进行播种，基质采用珍珠岩、蛭石、草炭混合基质。控制光照时期温度(22±2) ℃，黑暗时期温度(15±2) ℃，光照时间12 h·d-1，相对湿度75%。

当幼苗长至第4片真叶展平后，选取长势均一的幼苗，定植于水培槽上，置于各处理LED光源下方，通过调整光源到芹菜冠层表面的距离使试验材料所处的光照强度为280 μmol·m-2·s-1，每处理24株。营养液pH值调至6.5±0.5，EC值调至(2±0.5) mS·cm-1，7 d换一次营养液，栽培时间为55 d收获。

1.4 项目测定

每个处理随机选取6株进行形态指标测定，然后取平均值。用游标卡尺测量植株的株高(mm)、茎粗(mm)、主根长(mm)、叶柄长(mm)；用天平称量鲜重后，将芹菜地下部和地上部分开，分别于120 ℃下杀青30 min，随后于75 ℃下烘至恒重，并用精度为0.001 g的电子天平称重；计算根冠比，叶绿素含量采用叶绿素测定仪进行数据采集。

1.5 数据分析

本次试验数据采用office 365和SPSS 23.0软件进行方差分析及多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同光质配比处理对植物工厂芹菜叶片数的影响

由图1可知，不同的光质配比影响着芹菜叶片数，叶片数从多到少表现为处理C>CK>处理B>处理A。处理C达到53.33片，显著高于其他处理和CK，CK与处理B差异不显著，但显著高于处理A，与CK相比，处理C叶片数提高了37.93%。因此，从所有处理芹菜的叶片数来看，处理C最有利于芹菜叶片数的增加。

2.2 不同光质配比处理对植物工厂芹菜叶柄长的影响

由图2可知，不同的光质配比显著影响芹菜的叶柄长，叶柄长从长到短表现为处理C>处理A>处理B>CK。处理A、C的叶柄长均显著高于CK，处理B与CK差异性未达到显著水平，处理A、C叶柄长差异性未达到显著水平。因此，从所有处理芹菜的叶柄长来看，处理C较有利于芹菜叶柄增长。

图2 不同光质配比处理对植物工厂芹菜叶柄长的影响Fig.2 Effect of different light quality ratios on the petiole length of celery in plant factory

同组柱上无相同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。图2～9同。图1 不同光质配比处理对植物工厂芹菜叶片数的影响Fig.1 Effect of different light quality ratios on the number of celery leaves in plant factory

2.3 不同光质配比处理对植物工厂芹菜株高的影响

由图3可知，不同的光质配比显著影响芹菜的株高，株高从高到低表现为处理C>处理A>处理B>CK。处理A、C的株高均显著高于CK，处理B与CK之间差异性未达到显著水平；处理A、C之间株高差异性未达到显著水平。因此，从所有处理芹菜的株高来看，处理C最有利于芹菜株高增长。

图3 不同光质配比处理对植物工厂芹菜株高的影响Fig.3 Effect of different light quality ratios on plant height of celery in plant factory

2.4 不同光质配比处理对植物工厂芹菜茎粗的影响

由图4可知，不同的光质配比显著影响芹菜的茎粗，茎粗从大到小表现为处理C>处理B>处理A>CK。各光质配比处理组的茎粗均显著高于CK，处理C茎粗达到23.15 mm，显著高于CK、处理A和处理B，处理A、B之间差异未达到显著水平；因此，从所有处理芹菜的茎粗来看，处理C利于芹菜茎粗的增长。

图4 不同光质配比处理对植物工厂芹菜茎粗的影响Fig.4 Effect of different light quality ratios on stem diameter of celery in plant factory

2.5 不同光质配比处理对植物工厂芹菜鲜重与干重的影响

由图5可知，不同的光质配比显著影响芹菜的鲜重，单株鲜重从大到小表现为处理C>处理B>处理A>CK。处理A、B、C单株鲜重均高于CK，处理B、C均显著高于CK和处理A；处理A与CK差异不显著。地上部鲜重从大到小表现为处理B>处理C>处理A>CK。处理B、C地上部鲜重均显著高于CK，处理B、C之间差异不显著；处理A与CK差异不显著。地下部鲜重从大到小表现为处理C>CK>处理B>处理A。处理CK、C地下上部鲜重均高于A、B，且处理C显著高于处理A和处理B；CK显著高于处理A。

图5 不同光质配比处理对植物工厂芹菜鲜重的影响Fig.5 Effect of different light quality ratios on fresh weight of celery in plant factory

由图6可知，不同的光质配比显著影响芹菜的干重，单株干重从大到小表现为处理C>处理B>处理A>CK，以处理B、C表现较为突出，芹菜单株干重均显著高于CK，处理C单株干重最大，均达到了15.49 g，显著高于CK和处理A；CK和处理A之间芹菜单株干重差异不显著。地上部干重从大到小表现为处理C>处理B>处理A>CK，处理B、C芹菜地上部干重均显著高于CK，处理A、B、C之间差异不显著。地下部干重从大到小表现为处理C>处理B>CK>处理A，处理B、C芹菜地下部干重显著高于CK和处理A，且处理C显著高于处理B；CK与处理A之间差异不显著；因此，从鲜重和干重来看，处理C可能在促进有机物合成、转化、运输、固定等方面具有显著效果，最利于芹菜生长。

图6 不同光质配比处理对植物工厂芹菜干重的影响Fig.6 Effect of different light quality ratios on dry weight of celery in plant factory

2.6 不同光质配比处理对植物工厂芹菜叶绿素含量的影响

由图7可知，在不同的光质配比处理下，芹菜叶片中叶绿素含量表现为处理C>处理B>CK>处理A。处理C叶绿素含量最高，显著高于CK和处理A；CK与处理A、B之间差异不显著。叶绿素含量高可能代表光合速率较高，生产的光合产物较多，与前文处理C芹菜植株干重高相一致。说明处理C的光质配比可通过影响叶绿素含量来影响植株的光合作用，从而影响植株生长和产量，促进植物工厂芹菜幼苗的生长。

图7 不同光质配比处理对植物工厂芹菜叶绿素含量的影响Fig.7 Effect of different light quality ratios on chlorophyll content of celery in plant factory

2.7 不同光质配比处理对植物工厂芹菜根冠比的影响

由图8可知，在不同光质配比处理下，芹菜根冠比表现为处理C>处理B>CK>处理A。处理C达到0.37，显著高于CK和其他处理，处理B显著高于处理A，CK和处理A、B差异均不显著。说明处理C的光质配比比较利于芹菜壮苗培育。

图8 不同光质配比处理对植物工厂芹菜根冠比的影响Fig.8 Effect of different light quality ratios on root shoot ratio of celery in plant factory

2.8 不同光质配比处理对植物工厂芹菜产量的影响

由图9可知，在不同光质配比处理下，芹菜667 m2产量从高到低表现为处理C>处理B>处理A>CK。各处理均高于CK，且处理B和C显著高于CK和处理A，处理C 667 m2产量最高，达到3 675 kg，CK和处理A差异不显著。说明处理C的光质配比较利于芹菜产量的提高。

3 讨论与结论

光是制约植物工厂中植物各阶段生长发育的主要非生物因子之一，在光合作用和植物生长发育调控等方面至关重要。不同光质配比的光源会产生包括形态建成、有机物合成、碳氮代谢等在内的不同的生物学效应[10]。植物叶绿素主要吸收、转化可见光中的红蓝光，因此，红光和蓝光是光合作用的基本能源[11]。对大多数植物而言，红光可促进茎的伸长，可促进叶片增大，抑制叶绿素的形成[12]；蓝光则抑制叶片的增大，抑制茎的生长，矮化植株[13]，促进叶绿素的形成[14]；过量的红光可引起植物的徒长，造成幼苗抗性低、易倒伏[15]，过量的蓝光抑制植物生长，节间变短、提前衰老和降低产量[16]。因此，科学的红蓝光配比在植物的生长过程中尤其重要，更能促进植物生长[17]。本试验结果表明，红光∶蓝光=3∶1的光质配比同时促进了茎的伸长、横向生长和根系的生长，有利于植物工厂芹菜壮苗的生产培育。

植物的营养生长是评价幼苗生长培育情况的基础[18]。科学的红蓝光配比可促进叶绿素合成，提高光合作用效率增加有机物合成，进而促进植物的营养生长。而植株干物质含量是反映光能转化效率、有机物合成最重要的指标，正如该试验在光照强度为280 μmol·m-2·s-1的条件下，处理B、C红蓝配比光源均显著提高了芹菜植株的干物质含量，说明红蓝配比更有利于芹菜生长，尤其是红光∶蓝光=3∶1的光质配比条件下，植物工厂中芹菜干物质含量最大，667 m2产量高达3 675 kg，说明该光质配比更有利于芹菜进行光合产物积累转化，促进生长。

植株叶片中叶绿素含量的高低直接影响着叶片的光学性质[19]。植物体内含有多种光合色素，不同光质作用于植物体内相关的色素，从而对植物产生不同的生理影响。红光可通过抑制叶片光合产物的增加，来达到增加淀粉累积的目的，进而对植物的生长发育进行调控[20]；蓝光通过调节叶绿体和叶绿素的数量和形成速度、细胞气孔的开闭等措施来对植物的发育形态进行调控。本试验中红光∶蓝光=3∶1的光质配比下植物工厂中芹菜叶片叶绿素含量最高，且植株干物质含量也最高。

综上所述，在本试验条件下不同红蓝光配比的光源可显著调控植物工厂中芹菜幼苗的生长，与CK(LED白光)效果相比，处理C促进了叶片数、株高、茎粗、叶柄长、植株干重(单株、地上部和地下部)和根冠比的增加和提高，且差异最显著，因此，红光∶蓝光=3∶1为植物工厂芹菜育苗的优选光质配比。