龔婷+黃升雄+羅偉+周智+周南+劉曉穎+蓋淑杰+黃浩

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410128）

【摘要】以熒光燈和自然光為對(duì)照組，分別選用4種不同的LED光譜用于辣椒、番茄和茄子的育苗補(bǔ)光試驗(yàn)。育苗完成后測(cè)定不同茄果類蔬菜幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)及光合特性。結(jié)果表明：經(jīng)適當(dāng)光質(zhì)的LED植物生長(zhǎng)燈進(jìn)行補(bǔ)光后，辣椒、番茄和茄子幼苗的株高、根長(zhǎng)、莖粗、葉面積和整個(gè)幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均有明顯的增長(zhǎng)，辣椒、番茄和茄子幼苗葉中的可溶性糖、類胡蘿卜素及含氮量均有不同幅度的提高；辣椒、番茄和茄子幼苗的光合能力增強(qiáng)，氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度有一定程度的升高，蒸騰速率加快。LED補(bǔ)光使幼苗的品質(zhì)得到了提高，其中以處理組3的LED燈最佳。

前言

光是植物生長(zhǎng)所需能量的來(lái)源，植物的生長(zhǎng)發(fā)育、開花結(jié)果都是通過(guò)光合作用、光形態(tài)建成、光周期調(diào)節(jié)來(lái)完成，這些過(guò)程都需要光的參與。因此光照條件的好壞直接影響植物的產(chǎn)量與品質(zhì)。光照條件主要包含光質(zhì)（光譜組成）、光照強(qiáng)度[能量密度，單位μmol/（m2·s）]和光照周期（光照時(shí)間的長(zhǎng)短），其中不同光質(zhì)對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育的研究最為豐富。

從植物種類的角度，小白菜[1]、生菜[2]、青蒜苗[3]、蘿卜[4]、菠菜[5-8]、蘆薈[9]等20多種植物都已經(jīng)被廣泛研究。陳祥偉等[1]認(rèn)為紅/藍(lán)（7/1）光處理下小白菜植株莖粗、葉寬、葉面積及根系長(zhǎng)度均顯著高于其他處理；光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均以紅光處理最高，而藍(lán)光處理下所得樣品都具有較高的胞間CO2濃度。張歡等[4]認(rèn)為不同光質(zhì)對(duì)蘿卜芽苗菜生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響在于促進(jìn)芽苗菜下胚軸伸長(zhǎng)、子葉擴(kuò)張、促進(jìn)光合速率，并提高干物質(zhì)積累。劉文科等[10]以生菜為材料研究了不同LED光質(zhì)對(duì)生菜生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，藍(lán)光處理下生菜地上部生物量最大，花青素含量最低，并且藍(lán)光顯著降低了生菜地上部分硝酸鹽的含量。

從不同光質(zhì)影響方式的角度，單色光的報(bào)道相對(duì)較多，主要集中在紅光、藍(lán)光和黃光。對(duì)于紅光，可以使番茄和茄子成熟期提前、產(chǎn)量提高；使茄子的株高上升[5]；也有研究認(rèn)為，紅光對(duì)促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)、子葉擴(kuò)張、光合速率提高及干物質(zhì)積累有重要作用[6]；紅光對(duì)煙草的株高和莖圍的增長(zhǎng)有促進(jìn)作用[11]，并且可以降低植物體內(nèi)赤霉素（GA）的含量[12]，有利于葉綠素b和類胡蘿卜素的合成，增加葉片總碳、還原糖含量[13-14]；紅光可以降低硝酸鹽和草酸含量，提高菠菜品質(zhì)[6]；紅光不僅能促進(jìn)生菜干鮮重及根系活力，增加植物株高，還能提高生菜的可溶性糖含量[2]。對(duì)于藍(lán)光，用于水稻幼苗的研究表明藍(lán)光會(huì)降低水稻育苗的光合速率[15]；藍(lán)光處理下的菠菜地上部生長(zhǎng)速度顯著降低[6]；藍(lán)光不僅提高生菜種子發(fā)芽指數(shù)[16]，還提高了生菜粗蛋白的含量[17]；藍(lán)光用于金銀花的研究結(jié)果表明，藍(lán)光對(duì)葉片的增長(zhǎng)有抑制作用，但藍(lán)光卻能提高葉綠素a、葉綠素b和葉綠素（a+b）的含量。另外，黃光應(yīng)用于煙草培育，有助于煙株根部游離氨基酸的積累[18]，但對(duì)植物株高和莖圍的生長(zhǎng)有抑制作用[11]；黃光還可以用于促進(jìn)蘆薈可溶性糖含量和葉綠素含量的升高[9]?；旌瞎獾膱?bào)道相對(duì)較少，并且主要集中在紅光和藍(lán)光配比。

根據(jù)補(bǔ)光設(shè)備的不同，人工光源經(jīng)歷了高壓鈉燈、金鹵燈、熒光燈和LED燈4個(gè)階段。高壓鈉燈和金鹵燈因其發(fā)熱量大、能耗高等問(wèn)題正在逐步退出補(bǔ)光領(lǐng)域，熒光燈的光視效能大概在60～90 lm/W，使用壽命約為10000 h，被廣泛應(yīng)用。雖然熒光燈需要使用水作為激發(fā)源，不環(huán)保，但在LED出現(xiàn)前，它是主要的補(bǔ)光光源。普通的白光LED光視效能可達(dá)到130～150 lm/W，使用壽命為100000 h，不含水銀、環(huán)保、體積小、便于個(gè)性封裝，價(jià)格雖高，但在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐漸增加。

茄果類蔬菜是指茄科植物中以漿果為食用器官的蔬菜，包括番茄、茄子、辣椒等，前3種茄果類蔬菜最為常見。茄果類蔬菜不但營(yíng)養(yǎng)豐富，果實(shí)中含有較多的糖類、有機(jī)酸、多種維生素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)元素，而且結(jié)果期長(zhǎng)、產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、分布范圍廣、栽培面積大，因此在生產(chǎn)、供應(yīng)等方面都占有重要的地位。育苗質(zhì)量直接決定了植物成活率和植物生長(zhǎng)的整體素質(zhì)，茄果類蔬菜亦是如此。普通育苗多采用塑料大棚育苗，對(duì)于環(huán)境因子（光、溫、水、氣、肥）很難做到精準(zhǔn)控制，而智能溫室或植物工廠育苗能夠解決此問(wèn)題。植物工廠光照采用人工光，但光質(zhì)對(duì)于茄果類蔬菜影響的報(bào)道相對(duì)較少。有研究表明，補(bǔ)光改變了番茄葉片光合速率日變化規(guī)律，延長(zhǎng)光合作用時(shí)間[19]。蔡鴻昌等[20]通過(guò)研究不同光質(zhì)下番茄穴盤幼苗的生長(zhǎng)情況，證實(shí)了苗期在白光的基礎(chǔ)上補(bǔ)充一定的紅光或紅藍(lán)光組合更有利于培育壯苗，因?yàn)榧t藍(lán)光復(fù)合光質(zhì)使得幼苗矮壯，比葉面積小，根冠比及壯苗指數(shù)高，從而有利于生長(zhǎng)發(fā)育[21]。植物所含的葉綠素對(duì)強(qiáng)吸收波長(zhǎng)400～480 nm的藍(lán)光和650～680 nm范圍內(nèi)的紅光有吸收，對(duì)綠光吸收不明顯[22]。

本研究用自制發(fā)射波長(zhǎng)為630 nm的紅色熒光粉和商用藍(lán)光芯片（455 nm）組合封裝得到LED光源，并根據(jù)熒光粉的封裝濃度調(diào)整光譜中紅色光譜和藍(lán)色光譜的比例，應(yīng)用于番茄、茄子和辣椒育苗?？疾炝薒ED植物生長(zhǎng)燈和熒光燈在相同功率輸出條件下對(duì)于茄果類蔬菜育苗的影響，探明了茄果類蔬菜在幼苗形態(tài)、生理特性和光合參數(shù)上面的差別，分析了不同波段的光質(zhì)對(duì)于茄果類蔬菜育苗過(guò)程的作用方式和機(jī)理。

材料與方法

試驗(yàn)材料與處理

試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。種子用高錳酸鉀浸泡5～6 min，用蒸餾水清洗之后置于培養(yǎng)皿中，在26℃的恒溫箱里培養(yǎng)2～3天，發(fā)芽之后移到育苗專用基質(zhì)中進(jìn)行漂浮育苗，漂浮盆放置在四層鐵架臺(tái)上，鐵架臺(tái)安裝功率相同且不同光質(zhì)的燈具。實(shí)驗(yàn)室的溫度保持在25～28℃，濕度保持在75%～85%。

處理組LED光源為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室自主研制的熒光粉激發(fā)型LED燈。光源為自制的紅色熒光粉Sr0.5Ca0.5SiAlN3：Eu2+與有機(jī)硅膠按照一定質(zhì)量比混合，然后與藍(lán)光芯片封裝成長(zhǎng)60 cm、寬30 cm的平面光源器件。設(shè)置6個(gè)處理組，分別為處理組1、2、3、4、5、6。處理組1～4的LED光源分別按照熒光粉與硅膠1：3、1：5、1：10、1：20的質(zhì)量比制成的LED植物光源，以飛利浦熒光燈與自然光為對(duì)照。設(shè)置光照周期為12 h，時(shí)間為8：00～20：00。各處理組的光譜設(shè)置如表1所示。

測(cè)定指標(biāo)及方法

幼苗形態(tài)的測(cè)定

待培養(yǎng)45天之后，隨機(jī)選取同一品種、不同漂浮盆里的幼苗，分別測(cè)量熒光粉激發(fā)型LED與普通熒光燈下辣椒、番茄與茄子的幼苗形態(tài)（株高、莖粗、根長(zhǎng)、鮮樣質(zhì)量、干樣質(zhì)量、壯苗指數(shù)）。用直尺測(cè)定株高、根長(zhǎng)；用游標(biāo)卡尺測(cè)定莖粗；壯苗指數(shù)=莖粗/株高×全株干樣質(zhì)量。

生理特性的測(cè)定

分別測(cè)定熒光粉激發(fā)型LED與普通熒光燈下辣椒、番茄與茄子的生理特性（可溶性糖、根系活力、類胡蘿卜素、含氮量）。根系活力用TTC法測(cè)定；可溶性糖用蒽酮比色法測(cè)定；類胡蘿卜素含量用UPLC（高效液相色譜法）；含氮量用凱式定氮法。

光合參數(shù)的測(cè)定

使用美國(guó)生產(chǎn)的LI-6400XT光合測(cè)定儀測(cè)定其凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等光合作用參數(shù)。

數(shù)據(jù)處理

各處理數(shù)據(jù)測(cè)定3次，采用Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與制圖。

結(jié)果與分析

不同光照對(duì)茄果類蔬菜幼苗形態(tài)的影響

分別采用處理組1～6共計(jì)6組光譜用于辣椒、番茄、茄子育苗，待育苗完成后測(cè)試?yán)苯?、番茄、茄子幼苗的形態(tài)構(gòu)成，如表2～4所示。

不同光照對(duì)辣椒幼苗形態(tài)的影響

由表2可知，分別從株高、莖粗、根長(zhǎng)、鮮樣質(zhì)量與干樣質(zhì)量綜合比較，處理組1的幼苗形態(tài)最差，處理組3的幼苗形態(tài)最好。辣椒幼苗采用LED燈補(bǔ)光的幼苗形態(tài)均比采用熒光燈、自然光補(bǔ)光的幼苗形態(tài)好，所以LED光源對(duì)辣椒幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，LED光源是促進(jìn)辣椒幼苗形態(tài)的最佳光源。

不同光照對(duì)番茄幼苗形態(tài)的影響

由表3可知，分別從株高、莖粗、根長(zhǎng)、鮮樣質(zhì)量與干樣質(zhì)量綜合比較，處理組1的幼苗形態(tài)最差，處理組3的幼苗形態(tài)最好。番茄幼苗采用LED燈補(bǔ)光的幼苗形態(tài)均比采用熒光燈、自然光補(bǔ)光的幼苗形態(tài)要好，所以LED光源對(duì)番茄幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，LED光源是促進(jìn)番茄幼苗形態(tài)的最佳光源。李軍等[23]采用3種不同光質(zhì)（藍(lán)、紅、白）LED光源對(duì)秋番茄植株生長(zhǎng)及果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)的影響進(jìn)行研究，認(rèn)為在藍(lán)光、紅光組合處理下，植株的相對(duì)株高、節(jié)間距、葉面積顯著降低，莖粗顯著增加。試驗(yàn)處理組3的LED光源既能促進(jìn)根與葉面積增長(zhǎng)，也能促進(jìn)株高、莖粗、鮮樣質(zhì)量顯著增長(zhǎng)。

不同光照對(duì)茄子幼苗形態(tài)的影響

由表4可知，分別從株高、莖粗、根長(zhǎng)、鮮樣質(zhì)量與干樣質(zhì)量綜合比較，處理組1的幼苗形態(tài)最差，處理組3的幼苗形態(tài)最好。茄子幼苗采用LED燈補(bǔ)光的幼苗形態(tài)均比采用熒光燈、自然光補(bǔ)光的幼苗形態(tài)要好，所以LED光源對(duì)番茄幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，LED光源是促進(jìn)番茄幼苗形態(tài)的最佳光源。

不同光照對(duì)辣椒、番茄與茄子幼苗生理特性的影響

分別采用處理組1～6共計(jì)6組光譜用于辣椒、番茄、茄子育苗，待育苗完成后測(cè)試?yán)苯贰⒎?、茄子幼苗的生理特性，如圖1～3所示。

不同光照對(duì)辣椒幼苗生理特性的影響

由圖1可知，綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對(duì)辣椒幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，所以該光源是促進(jìn)辣椒幼苗形態(tài)的最佳光源。本試驗(yàn)采用的熒光粉激發(fā)型LED，在普通LED的基礎(chǔ)上更能顯著提高幼苗的可溶性糖含量、根系活力、類胡蘿卜素含量和含氮量。

不同光照對(duì)番茄幼苗生理特性的影響

由圖2可知，綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對(duì)番茄幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，為最佳光源。唐大為等[24]以白色熒光燈為對(duì)照，采用LED光源研究紅光、藍(lán)光、紅藍(lán)組合光（R/B=9：1、8：2、7：3、6：4、5：5）對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)和生理特性的影響，結(jié)果證明，紅光處理下黃瓜可溶性糖的含量顯著高于對(duì)照。由于紅光芯片較貴，本試驗(yàn)采用的熒光粉激發(fā)型LED相對(duì)制作簡(jiǎn)單而且價(jià)格便宜。

不同光照對(duì)茄子幼苗生理特性的影響

由圖3可知，相比于其他補(bǔ)光下的幼苗，處理組3的LED光源下的幼苗含氮量顯著提高，類胡蘿卜素含量大幅度增加，可溶性糖含量和根系活力也有一定程度上的增加。綜合上述分析，處理組3的LED光源為最佳光源。

不同光照對(duì)辣椒、番茄與茄子幼苗光合參數(shù)的影響

分別采用處理組1～6共計(jì)6組光譜用于辣椒、番茄、茄子育苗，待育苗完成后測(cè)試?yán)苯?、番茄、茄子幼苗的光合參?shù)，如圖4～6所示。

不同光照對(duì)辣椒幼苗光合參數(shù)的影響

由圖4可知，處理組3的LED光源下的辣椒幼苗相比其他補(bǔ)光下的幼苗，凈光合速率和蒸騰速率都有大幅度的提高，氣孔導(dǎo)度增加量相對(duì)比較小。綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對(duì)茄子幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，為最佳光源。

不同光照對(duì)番茄幼苗光合參數(shù)的影響

由圖5可知，處理組3的LED光源下的番茄幼苗相比其他補(bǔ)光下的幼苗凈光合速率和蒸騰速率都有大幅度的提高，氣孔導(dǎo)度增加量相對(duì)比較小。綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對(duì)番茄幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，為最佳光源。

不同光照對(duì)茄子幼苗光合參數(shù)的影響

由圖6可知，處理組3的LED光源下的辣椒幼苗相比其他補(bǔ)光下的幼苗凈光合速率和蒸騰速率都有大幅度的提高，氣孔導(dǎo)度增加量相對(duì)比較小。綜合可溶性糖含量、類胡蘿卜素含量、含氮量及根系活力分析，處理組3的LED光源對(duì)茄子幼苗形態(tài)的促進(jìn)作用更加明顯，為最佳光源。

結(jié)論

本試驗(yàn)通過(guò)自制紅色熒光粉封裝得到LED植物光源，并將組裝得到的LED植物燈燈具，成功應(yīng)用于茄果類蔬菜育苗當(dāng)中。

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必要因素之一，光質(zhì)對(duì)植物幼苗的幼苗形態(tài)生理特性及光合參數(shù)均有一定的影響。本試驗(yàn)中，熒光粉與硅膠按不同的質(zhì)量比制成的LED光源對(duì)辣椒番茄和茄子幼苗的幼苗形態(tài)生理特性及光合參數(shù)均表現(xiàn)出了一定的調(diào)節(jié)作用。這與蘇娜娜等[25]研究LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)和光合特性的影響，以及徐凱等[26]研究不同光質(zhì)對(duì)草莓葉片光合作用和葉綠素?zé)晒獾挠绊懴嘁恢隆?/p>

本試驗(yàn)處理組1的LED光源補(bǔ)光幼苗的幼苗形態(tài)、生理特性及光合參數(shù)最差，處理組3的LED光源補(bǔ)光的幼苗的幼苗形態(tài)、生理特性及光合參數(shù)最好。但所有的熒光粉激發(fā)型LED光源補(bǔ)光的幼苗的幼苗形態(tài)、生理特性及光合參數(shù)均明顯高于對(duì)照組。

致謝

感謝湖南綠米科技有限公司提供試驗(yàn)所涉及的LED燈具，感謝湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供試驗(yàn)環(huán)境。

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項(xiàng)目支持：湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2016JJ3065）。

作者簡(jiǎn)介：龔婷（1995-），湖南常德人，本科生，研究方向：植物光學(xué)。

通信作者：周智（1982-），湖南益陽(yáng)人，博士，碩士生導(dǎo)師湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物光學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任，研究方向：植物光學(xué)。