蘇娜娜 鄔 奇 崔 瑾

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095）

以設(shè)施蔬菜為主體的中國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)在扭轉(zhuǎn)蔬菜長(zhǎng)期供應(yīng)不足，實(shí)現(xiàn)自給自足，并成為世界蔬菜第一出口大國(guó)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用（李式軍和郭世榮，2011）。育苗是蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，由于幼苗的形態(tài)建成是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的過(guò)程，幼苗的健壯程度將直接影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育，并與作物的產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)（汪俏梅，2000）。目前育苗技術(shù)發(fā)展的最高層次是工廠化育苗，蔬菜工廠化育苗可以在人工控制的最佳環(huán)境條件下，充分利用自然資源，采用科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)措施，運(yùn)用機(jī)械化、自動(dòng)化手段，使蔬菜幼苗的生產(chǎn)快速、優(yōu)質(zhì)、高效、批量而又穩(wěn)定 （王秀峰和陳振德，2000）。

溫度、光照、水分、營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境因素對(duì)幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育有著重要影響，環(huán)境因素調(diào)控不當(dāng)往往會(huì)造成蔬菜幼苗的徒長(zhǎng)、僵苗、凍害、風(fēng)干、漚根等問(wèn)題（劉立功 等，2009）。在工廠化育苗條件下，由于設(shè)施遮光和不良天氣條件等的影響，幼苗常因遭遇不適光環(huán)境而導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育不良、徒長(zhǎng)和品質(zhì)下降（戰(zhàn)吉宬 等，2003）。有研究報(bào)道黃瓜徒長(zhǎng)苗的前期產(chǎn)量較對(duì)照幼苗減產(chǎn)51%，嚴(yán)重影響果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)（明村豪 等，2011）。生產(chǎn)實(shí)踐中常采用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等化學(xué)物質(zhì)處理防止幼苗徒長(zhǎng)。由于化學(xué)調(diào)控手段存在環(huán)境污染和食品安全問(wèn)題，逐漸在許多國(guó)家和地區(qū)被禁止使用。近年來(lái)，通過(guò)非化學(xué)調(diào)控手段來(lái)培育壯苗日益受到重視，研究開發(fā)安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效的育苗技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的重要課題。而利用光調(diào)控技術(shù)來(lái)培育壯苗是一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效且簡(jiǎn)便易行的新方法，具有突出的優(yōu)勢(shì)。

1 光環(huán)境調(diào)控技術(shù)在蔬菜工廠化育苗中的研究及應(yīng)用

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基本要素之一，對(duì)植物的生長(zhǎng)、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝以及基因表達(dá)均有調(diào)控作用。植物在其整個(gè)生命周期中始終處于一個(gè)不斷變化的光環(huán)境中，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，植物適應(yīng)了光環(huán)境的變化。光環(huán)境分為3個(gè)部分：光照度（光強(qiáng)）、光質(zhì)（即光譜分布）以及光周期（即明/暗期時(shí)間）（魏靈玲 等，2009）。

1.1 光強(qiáng)對(duì)蔬菜幼苗生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響

光強(qiáng)是影響植物光合作用的重要參數(shù)之一，蔬菜育苗過(guò)程中光強(qiáng)過(guò)高或過(guò)低都會(huì)抑制光合作用。葉綠素和類胡蘿卜素作為光合作用中的捕光色素，其含量的變化能顯著影響光合作用。有研究表明，在適宜的溫度范圍內(nèi)，辣椒幼苗的光合速率隨著光強(qiáng)的增加而提高，而偏高溫弱光有利于辣椒幼苗葉片葉綠素a 和類胡蘿卜素的積累，適溫和偏強(qiáng)光使葉片中葉綠素b 的累積更明顯（劉景霞，2010）。秋茄幼苗葉片的葉綠素a、b 和總含量以及葉綠素a/b 比值均隨光強(qiáng)的減弱而上升（楊盛昌 等，2003）。這些結(jié)果表明，相對(duì)弱光下蔬菜葉片中色素含量會(huì)提高，這可能是弱光下光合系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率變緩、光合效率降低，植物為適應(yīng)弱光而采取的措施。

同時(shí)，光強(qiáng)還能影響蔬菜幼苗其他生理特性。研究表明，在以完全自然光為對(duì)照的條件下，1/2 遮光處理的西瓜幼苗出現(xiàn)徒長(zhǎng)現(xiàn)象，2/3 光照處理的西瓜幼苗形態(tài)最好、脯氨酸含量最低且壯苗指數(shù)最高（高鳳菊和賀洪軍，2010）。在晝夜溫度28℃/23℃，光照周期16 h·d-1的條件下，辣椒幼苗的根系活力隨光強(qiáng)的降低而減弱，且光強(qiáng)在4 000～4 500 lx時(shí)辣椒幼苗的出苗率、長(zhǎng)勢(shì)、葉面積和壯苗指數(shù)均達(dá)到最佳（劉景霞，2010）。光強(qiáng)450 μmol·m-2·s-1時(shí)，葉用萵苣（生菜）幼苗的干質(zhì)量、根粗、葉綠素含量、凈光合速率、硝酸鹽含量及硝酸還原酶活性等指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)（周秋月 等，2009）。對(duì)番茄幼苗的研究表明，75%的自然光強(qiáng)（晴天中午光強(qiáng)710～874 μmol·m-2·s-1）對(duì)番茄植株生長(zhǎng)和產(chǎn)量無(wú)顯著影響，光強(qiáng)繼續(xù)下降至620 μmol·m-2·s-1以下時(shí)，番茄植株的生長(zhǎng)量、干物質(zhì)積累和產(chǎn)量則顯著降低，產(chǎn)生弱光脅迫（楊延杰 等，2007）。低溫弱光處理后的番茄幼苗經(jīng)全光照恢復(fù)時(shí)，加劇了葉片光抑制的發(fā)生；而遮蔭恢復(fù)時(shí)，葉片PSⅡ光化學(xué)活性快速恢復(fù)，天線色素?zé)岷纳⒛芰υ鰪?qiáng)，從而有利于光合作用的迅速恢復(fù)（胡文海 等，2011）。

多數(shù)蔬菜作物的光飽和點(diǎn)在850～1 750 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)，其中茄果類、西瓜、黃瓜、普通白菜等蔬菜的光飽和點(diǎn)較高，而葛芭、大蒜、韭菜、大白菜、姜等蔬菜種類較低，光補(bǔ)償點(diǎn)一般為20～75 μmol·m-2·s-1（張振賢 等，2001）。因此對(duì)于喜光蔬菜來(lái)說(shuō)，其生長(zhǎng)發(fā)育與光照強(qiáng)度密切相關(guān)。然而在深秋、冬季和早春設(shè)施栽培過(guò)程中，由于設(shè)施覆蓋材料的老化、棚室骨架結(jié)構(gòu)的遮蔭，以及季節(jié)性不良?xì)夂颦h(huán)境的影響，常會(huì)造成設(shè)施內(nèi)光照不足的弱光逆境環(huán)境，影響作物正常生長(zhǎng)和產(chǎn)量的形成，因而在工廠化育苗中充分保證相應(yīng)蔬菜的合適光強(qiáng)，將有利于培育蔬菜壯苗。

1.2 光質(zhì)對(duì)蔬菜幼苗生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響

研究光質(zhì)是從環(huán)境科學(xué)的領(lǐng)域來(lái)研究太陽(yáng)輻射對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響，是農(nóng)業(yè)生態(tài)研究的一個(gè)新領(lǐng)域（唐大為，2010）。植物通過(guò)光受體（光敏色素、隱花色素、向光蛋白）敏銳地感知光譜的某些區(qū)域：紅光（620～700 nm）、遠(yuǎn)紅光（700～800 nm）、藍(lán)光（380～350 nm）、UV-A（320～400 nm）和UV-B（280～320 nm）。

相同光強(qiáng)下，與全光譜光（自然光和熒光燈）培養(yǎng)相比，不同單色光對(duì)蔬菜幼苗生長(zhǎng)的影響不同。研究發(fā)現(xiàn)，在13 h·d-1光照周期，95 μmol·m-2·s-1的光強(qiáng)下，紅光能顯著提高青蒜苗中可溶性糖和大蒜素的含量（楊曉建 等，2010）；在12 h·d-1光照周期，50 μmol·m-2·s-1的光強(qiáng)下，紅光有利于萵苣和番茄幼苗葉片中碳水化合物的積累（張歡 等，2010）；在12 h·d-1光照周期，150 μmol·m-2·s-1的光強(qiáng)下，紅光有利于黃瓜幼苗根、莖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累（唐大為，2010）；在12 h·d-1光照周期，350 μmol·m-2·s-1的光強(qiáng)下，紅光還能提高黃瓜幼苗對(duì)白粉病的抗性（Wang et al.，2010）。藍(lán)光能提高青蒜苗中可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸和VC含量（楊曉建 等，2010），降低豌豆幼苗中粗纖維的含量（張立偉 等，2010），提高黃瓜幼苗抗氧化酶的活性（唐大為，2010），提高葉用萵苣幼苗葉片PSⅡ的活性，保護(hù)光合器官（李雯琳 等，2010）。黃光能提高葉用萵苣中葉綠素、Chla、Chlb 的含量，促進(jìn)葉用萵苣的光合速率和羧化速率（許莉 等，2007），能提高甜椒葉片的光合作用（劉壽東 等，2010）。在12 h·d-1光照周期，350 μmol·m-2·s-1的光強(qiáng)下，紫光能使黃瓜幼苗葉片維持較高的抗氧化酶水平，延緩了植株的衰老（王虹 等，2010）。

組合光相比單色光更有利于蔬菜幼苗的生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)紅/藍(lán)（1∶1）組合光能顯著提高葉用萵苣的生長(zhǎng)和品質(zhì)指標(biāo)（陳文昊 等，2011）；紅/藍(lán)（7∶3）是最適宜黃瓜幼苗生長(zhǎng)的光質(zhì)條件（唐大為，2010），且最大光合速率能達(dá)到單色紅光下的4倍（Hogewoning et al.，2007）。當(dāng)紅/藍(lán)為8∶1時(shí)，葉用萵苣表現(xiàn)出明顯的光合優(yōu)勢(shì)（聞婧，2009）。在紅藍(lán)復(fù)合光的基礎(chǔ)上添加黃光有利于菠菜光合色素的合成，顯著促進(jìn)菠菜的生長(zhǎng)（劉曉英 等，2012），添加黃光和紫光能提高櫻桃番茄幼苗的光合潛能，能夠緩解紅藍(lán)弱光脅迫（劉曉英 等，2010）。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用發(fā)光二極管（LED）精確調(diào)制光譜能量分布，研究不同光質(zhì)對(duì)黃瓜和番茄幼苗生長(zhǎng)的影響（蘇娜娜 等，2012）。結(jié)果表明（圖1），在16 h·d-1的光照周期和50 μmol·m-2·s-1的光強(qiáng)下，與對(duì)照白光培養(yǎng)相比，紅光和藍(lán)光顯著提高了幼苗的葉面積、株高和壯苗指數(shù)，紅光顯著提高了幼苗的葉綠素含量，藍(lán)光顯著增加了莖粗；黃光和綠光則顯著降低了幼苗的株高、葉面積、葉綠素含量和壯苗指數(shù)，對(duì)幼苗的生長(zhǎng)有抑制作用。

圖1 光質(zhì)對(duì)黃瓜和番茄幼苗生長(zhǎng)的影響

光質(zhì)對(duì)多種蔬菜幼苗的生長(zhǎng)、發(fā)育及光合都有顯著影響。許多研究報(bào)道認(rèn)為，紅光有利于蔬菜幼苗莖的伸長(zhǎng)、干物質(zhì)的積累等，藍(lán)光有利于蛋白的積累，促進(jìn)抗氧化酶的活性等，組合光比單一光質(zhì)更有利于蔬菜幼苗的光合和生長(zhǎng)。

1.3 光周期對(duì)蔬菜幼苗生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響

光周期是指光期和暗期長(zhǎng)短的交替變化。植物通過(guò)向光蛋白感受光周期的變化，調(diào)節(jié)植物的生理特性及開花反應(yīng)。

研究表明，在自然光條件下，用人工光源延長(zhǎng)茄子幼苗照光時(shí)間，茄子幼苗的株高、莖粗和生長(zhǎng)速率提高，其根冠比、壯苗指數(shù)、葉綠素含量及抗氧化酶活性隨著補(bǔ)光時(shí)間的增加而增加（陳敏和李海云，2010）；用高壓鈉燈人工光源模擬光周期試驗(yàn)，研究長(zhǎng)日照（15 h·d-1）和短日照（8 h·d-1） 2種光周期對(duì)青梗菜生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明長(zhǎng)日照能顯著促進(jìn)葉片光合作用，提高生長(zhǎng)速率、生物量和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率（巫一倫和梁韶莉，2008）；在光強(qiáng)460 μmol·m-2·s-1條件下，長(zhǎng)日照（16 h·d-1）比短日照（12 h·d-1和8 h·d-1）有利于促進(jìn)莖瘤芥（榨菜）莖的膨大（Xu et al.，2008）。此外，適當(dāng)延長(zhǎng)光周期能促進(jìn)菠菜體內(nèi)可溶性糖的積累，提前抽薹（劉莎莎 等，2009）。李海云等（2009）、李海云和楊玉杰（2012）研究表明，西葫蘆幼苗生長(zhǎng)、根系活力、葉片可溶性蛋白含量以及黃瓜幼苗的抗寒性長(zhǎng)日照（24 h·d-1）處理較短日照顯著提高，但降低了黃瓜的雌花節(jié)率和過(guò)氧化物酶的活性（文明玲 等，2007）。蘭樹斌和李建國(guó)（2009）對(duì)紫蘇的研究也發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)日照推遲了紫蘇的開花日期。因而，利用照明設(shè)施對(duì)喜光蔬菜幼苗進(jìn)行補(bǔ)光是延長(zhǎng)光照時(shí)間的有效途徑。人工補(bǔ)光可以很好的解決設(shè)施栽培中因地理位置、天氣狀況和季節(jié)變化引起的光強(qiáng)和光照時(shí)間不足等問(wèn)題，且隨著LED 技術(shù)的發(fā)展，利用LED光質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行育苗補(bǔ)光將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，已有研究表明，LED 紅光、綠光和藍(lán)光補(bǔ)光均能顯著提高黃瓜、辣椒和番茄的壯苗指數(shù)（崔瑾 等，2009）。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究了不同光周期對(duì)黃瓜和番茄幼苗生長(zhǎng)的影響（圖2），光源為熒光燈，光強(qiáng)為50 μmol·m-2·s-1。結(jié)果表明，隨著光周期的延長(zhǎng)，黃瓜和番茄幼苗株高有降低的趨勢(shì)；葉面積和壯苗指數(shù)在16 h·d-1后無(wú)顯著提高，相對(duì)于12、14 h·d-1有顯著提高；在較長(zhǎng)光周期條件下番茄幼苗的可溶性蛋白和可溶性糖含量相對(duì)較高（待發(fā)表）。16 h·d-1的光周期最有利于番茄和黃瓜幼苗的生長(zhǎng)，這為工廠化育苗中選擇合適的照光時(shí)間提供了科學(xué)依據(jù)。

圖2 光周期對(duì)黃瓜和番茄幼苗生長(zhǎng)的影響

蔬菜育苗過(guò)程中適當(dāng)延長(zhǎng)光照時(shí)間能增加蔬菜幼苗的壯苗指數(shù)，縮短培養(yǎng)周期，并能緩解冷害。但長(zhǎng)日照卻可以推遲開花時(shí)間，減少雌花節(jié)率。因此，蔬菜育苗過(guò)程的前期和后期可以選擇不同的光周期，以達(dá)到前期提高幼苗素質(zhì)，后期促進(jìn)開花的目的。

2 光環(huán)境調(diào)控技術(shù)在蔬菜工廠化育苗中的應(yīng)用前景

蔬菜工廠化育苗是一種高度專業(yè)化、現(xiàn)代化的種苗生產(chǎn)方式，由于受自然條件影響小，作物生產(chǎn)計(jì)劃性強(qiáng)，生產(chǎn)周期短，自動(dòng)化程度高，同時(shí)可進(jìn)行多層立體式培育，可以節(jié)約3～5倍的土地。

蔬菜工廠化育苗中照明的成本占總耗電量的70%～80%（魏玲靈 等，2009）。目前，蔬菜工廠化育苗的人工光源多為熒光燈，由于其紅外和遠(yuǎn)紅光的比例較大，較多的能量以熱的形式散發(fā)，增加了育苗成本。新型LED光源，具有波長(zhǎng)可調(diào)、節(jié)能環(huán)保、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間短、體積小、重量輕、發(fā)熱量少等許多優(yōu)于傳統(tǒng)電光源的重要特點(diǎn)（Morrow，2008）。LED 作為冷光源，可近距離照射植物，能有效利用種植空間，提高單產(chǎn)，降低成本。因此被認(rèn)為是在植物設(shè)施栽培中十分有前途的人工光源（崔瑾 等，2008）。目前LED 在植物栽培領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注。隨著能源緊缺和精細(xì)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能光源LED 取代現(xiàn)有植物生長(zhǎng)光源，實(shí)現(xiàn)植物的高效生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

迄今為止，LED光環(huán)境調(diào)控在我國(guó)蔬菜工廠化育苗中的應(yīng)用還處于起步階段，制約我國(guó)LED光調(diào)控技術(shù)在工廠化育苗中大面積應(yīng)用主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：一是LED光源價(jià)格相對(duì)傳統(tǒng)光源偏高，但隨著每年20%～30%的下降和在建芯片產(chǎn)能的釋放，高成本問(wèn)題有望得到解決；二是農(nóng)業(yè)用LED 成熟度需要進(jìn)一步提高，相關(guān)方面的研發(fā)和經(jīng)費(fèi)投入不足，嚴(yán)重滯后于現(xiàn)實(shí)對(duì)農(nóng)用LED 技術(shù)的需求；三是產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化仍然較低，農(nóng)用LED光源還處在試驗(yàn)研究階段，未形成完善的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系，缺乏將研究成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化的專業(yè)性企業(yè)，農(nóng)用LED 示范工程建設(shè)和推廣力度不足；四是缺乏有效的政策扶持，在LED 農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域缺乏有效的科技支撐和政策支撐。

因此，借鑒國(guó)內(nèi)外研究成果，進(jìn)一步深入系統(tǒng)地研究LED光環(huán)境調(diào)控技術(shù)在我國(guó)蔬菜工廠化育苗上的應(yīng)用具有重要意義。作為設(shè)施園藝面積居世界第一的大國(guó)（郭世榮 等，2012），我國(guó)急需研發(fā)符合蔬菜工廠化育苗實(shí)際的LED 照明自動(dòng)控制系統(tǒng)、新型LED 調(diào)控裝置和大型蔬菜工廠化育苗設(shè)施等。隨著LED 技術(shù)的發(fā)展與生產(chǎn)成本的逐年下降，特別是隨著我國(guó)半導(dǎo)體照明工程發(fā)展的不斷成熟，與LED 相關(guān)的各種技術(shù)和產(chǎn)品必將廣泛應(yīng)用于蔬菜工廠化育苗的生產(chǎn)實(shí)踐中。

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