LED紅藍(lán)光配比對菠菜生長及品質(zhì)的影響

黃碧陽， 林碧英， 李彩霞，申寶營， 廖自月， 劉亞男， 劉 旭， 尚英杰

(福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建福州 350002)

發(fā)光二極管(LED)是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，由鎵與砷、磷、氮、銦的化合物制成的二極管，可直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。LED 光源具有傳統(tǒng)光源無法比擬的光電特性和光譜優(yōu)勢，如體積小，壽命長，節(jié)能環(huán)保[1]；彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光源補(bǔ)光效率低的問題[2]；可以精確地調(diào)控光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期，適宜工廠化生產(chǎn)[3]等。張歡等研究結(jié)果表明，LED光譜調(diào)控應(yīng)用到農(nóng)業(yè)與生物領(lǐng)域具有可行性，可替代熒光燈大范圍應(yīng)用于設(shè)施育苗、植物組織培養(yǎng)和芽苗菜生產(chǎn)中[4]。到目前為止，LED已經(jīng)成功用于萵苣[5]、小麥[6]、草莓[7]等多種作物的設(shè)施栽培。LED燈在作物栽培領(lǐng)域的應(yīng)用，為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了智能化的光環(huán)境調(diào)控，實(shí)現(xiàn)光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期的按需調(diào)控的可行性。

菠菜，屬黎科菠菜屬，一二年生草本植物，別稱波斯草、赤根菜、角菜[8]，含有豐富的維生素C、維生素E和Fe、Zn等礦物質(zhì)，營養(yǎng)豐富，頗受人們的喜愛。光質(zhì)作為影響植物生長的重要因素，對植物的形態(tài)、代謝活動(dòng)、發(fā)育情況及產(chǎn)品品質(zhì)的調(diào)節(jié)作用非常強(qiáng)烈[9-11]。紅光照射有助于提高菠菜的碳水化合物含量和產(chǎn)量，藍(lán)光下菠菜葉片的氮代謝升高，紅光、藍(lán)光和黃光能降低菠菜地上部硝酸鹽含量，提高品質(zhì)，以紅光處理最佳[12]。但是，關(guān)于LED混合光對菠菜生長發(fā)育影響的相關(guān)方面研究偏少。因此，本試驗(yàn)采用LED固態(tài)照明，通過設(shè)置3種不同的紅藍(lán)光質(zhì)配比，研究紅藍(lán)混合光對菠菜生長及品質(zhì)的影響，探索適合菠菜生長的紅藍(lán)光質(zhì)配比，以期為菠菜的LED光源栽培提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料 三季豐菠菜王，原產(chǎn)于荷蘭，購于山東省昌邑市海濤種業(yè)有限公司。

1.1.2 設(shè)備 自主設(shè)計(jì)LED光源栽培架，每個(gè)隔間大小為90 cm×60 cm×60 cm，采用LED燈固態(tài)照明，光源為波長為660 nm的紅光和425 nm的藍(lán)光，可以根據(jù)試驗(yàn)的需要調(diào)節(jié)紅藍(lán)光組合，以400～700 nm的白色熒光燈為對照，光譜曲線如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年12月—2017年1月在福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地及實(shí)驗(yàn)室中完成。

2016年12月4日開始浸種催芽，12月7日將大部分露白的種子播于72孔的育苗穴盤里，育苗基質(zhì)為草炭 ∶蛭石 ∶珍珠巖=3 ∶1 ∶1(體積比)的混合基質(zhì)。育苗期間，給予苗充足的水分和光照條件。等到長出2張真葉后，選擇大小一致、生長健壯的幼苗，定植在10 cm×10 cm的營養(yǎng)缽。緩苗 2 d 后，將植株移到LED光源栽培架，設(shè)置4種不同的光質(zhì)環(huán)境，分別為白光(CK)，紅光 ∶藍(lán)光=1 ∶1(RB)，紅光 ∶藍(lán)光=1 ∶3(RB1)，紅光 ∶藍(lán)光=3 ∶1(RB2)，調(diào)節(jié)光強(qiáng)為 120 μmol/(m2·s)，光周期為12 h。生長過程溫度控制在 18～20 ℃，每隔5 d澆灌30 mL的華南農(nóng)業(yè)大學(xué)B營養(yǎng)液配方。在光質(zhì)處理后3、13、23、33 d測量菠菜的株高、莖粗、最大葉面積和葉片數(shù)；在處理后11、22、33 d測量菠菜的生物產(chǎn)量及其根冠比；在處理后的33 d測量菠菜的生長品質(zhì)指標(biāo)。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

各處理隨機(jī)取樣，3次重復(fù)，測量菠菜的形態(tài)指標(biāo)；測量生理指標(biāo)則采取相同處理，混合取樣的方法。其中，株高(從莖基部到生長點(diǎn))用直尺測量；莖粗(子葉下端1 cm處)用游標(biāo)卡尺測量；最大葉面積采用EPSON Expression 11000XL進(jìn)行掃描測量；地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量用電子天平測量；可溶性糖含量用蒽酮比色法[13]測定，蛋白質(zhì)含量用考馬斯亮藍(lán)法G-250法[13]測定，維生素C含量用二甲苯萃取比色法[14]測定，硝酸鹽含量用水楊酸法[15]測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS的LSD多重比較進(jìn)行差異顯著性分析，用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同紅藍(lán)光配比對菠菜生長形態(tài)的影響

2.1.1 株高 由圖2可知，在菠菜生長初期，各處理菠菜株高沒有明顯的差異，隨著生育期的延長，菠菜的株高在不同的生長階段呈現(xiàn)不同幅度的增長趨勢。各處理間的株高在生長13 d時(shí)，有最大的增長幅度，為RB>RB2>RB1>CK；生長 23 d 時(shí)，株高的增幅相近；生長33 d時(shí)，各處理間菠菜株高差異最大，由大到小為RB2>RB>CK>RB1，RB2處理下菠菜株高增幅明顯大于其他處理。

2.1.2 莖粗 在整個(gè)生長過程中，菠菜莖粗的變化如圖3所示。生長13 d時(shí)，RB1處理下菠菜莖粗略低于RB2處理；13 d 以后的生長階段，各處理間菠菜莖粗出現(xiàn)一致增長趨勢，為RB1>RB>CK>RB2。生長33d時(shí)，菠菜莖粗差異達(dá)到最大，RB1處理莖粗最大，為2.61 cm，分別為RB2、CK、RB處理的1.25、2.36、1.08倍。菠菜莖粗的變化與株高正好相反，在紅藍(lán)混合光環(huán)境下紅光所占的比例逐漸減少，藍(lán)光比例逐漸增加，菠菜莖粗不斷增加。

2.1.3 最大葉面積和葉片數(shù) 對處理后菠菜最大葉面積和葉片數(shù)調(diào)查結(jié)果如圖4所示。整個(gè)生長過程中，RB和RB2處理菠菜葉片生長較快，始終高于CK和RB1處理；生長23 d時(shí)，RB與CK、RB1、RB2間的差異達(dá)到最大，分別為5.11、5.56、2.55 cm2；生長33 d時(shí)，RB處理最大葉面積略大于RB2，且均大于CK處理，RB1低于CK處理。相比最大葉面積，不同處理下菠菜葉片數(shù)變化及差異不明顯。生長13 d時(shí)，紅藍(lán)光處理的葉片數(shù)多于白光；13 d以后的生長階段，RB1和CK處理下葉片增加較快，RB1明顯大于CK；其次是RB2和RB；生長33 d時(shí)，處理間的葉片數(shù)高低大小為RB1>RB2>CK>RB，RB1處理的葉片數(shù)明顯多于其他處理。

2.2 不同紅藍(lán)光配比對菠菜生物量及根冠比的影響

在整個(gè)菠菜生長發(fā)育過程中，地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量變化過程如表1所示。生長11 d時(shí)，RB2處理下地上部鮮質(zhì)量略大于其他處理，為2.016 3 g，與其他處理差異顯著或極顯著；地下部鮮質(zhì)量以RB1處理較高，且與RB2處理差異不顯著。生長22 d時(shí)，CK、RB和RB2處理在地上鮮質(zhì)量方面差異不顯著，而與RB1處理差異極顯著；在地下部鮮質(zhì)量上，RB1處理最高，與其他處理存在顯著性差異。生長33 d時(shí)，地上部鮮質(zhì)量從大到小為RB2>RB>RB1>CK，地下部鮮質(zhì)量則是RB1>RB2>RB>CK，紅藍(lán)光處理顯著高于對照。表1還反映了菠菜在3個(gè)不同時(shí)期根冠比的變化情況，生長11 d時(shí)，紅藍(lán)混合光處理下菠菜根冠比差異不顯著，但與CK處理都存在極顯著差異；生長22 d時(shí)，各處理開始出現(xiàn)差異，由大到小為RB1>RB>RB2>CK，RB1與其他處理間均存在極顯著差異，RB2與CK差異不顯著；生長33 d時(shí)，RB1處理根冠比最高，為0.057 2，與其他處理存在顯著或極顯著差異，其他處理之間則差異不顯著。

表1不同紅藍(lán)光配比對菠菜生物量及根冠比的影響

注：同列不同大寫字母、小寫字母分別表示相同處理時(shí)間處理間在0.01、0.05水平存在顯著差異。

2.3 不同紅藍(lán)光配比對菠菜生長品質(zhì)的影響

2.3.1 可溶性糖含量 由圖5可知，生長33 d時(shí)，紅藍(lán)混合光處理的菠菜可溶性糖含量均高于白光處理，且與CK處理均存在顯著差異。RB2處理的菠菜可溶性糖含量最高，為11.68 mg/g，與RB1處理差異不顯著，與RB、CK處理間差異顯著。

2.3.2 蛋白質(zhì)含量 由圖6可知，不同光質(zhì)處理對菠菜蛋白質(zhì)含量的影響不同。生長33 d時(shí)，各處理下菠菜蛋白質(zhì)含量由高到低依次為RB>RB1>RB2>CK；RB處理的含量最高，為12.58m g/g，與RB1、RB2和CK處理之間差異顯著，RB2和CK處理的蛋白質(zhì)含量相近，差異不顯著。

2.3.3 維生素C含量 由圖7可知，菠菜的維生素C含量在各處理間存在顯著差異，紅藍(lán)混合光處理下，菠菜維生素C含量均高于CK處理，分別為CK處理的1.38、1.34、1.05倍。RB處理的菠菜維生素C含量最高，為43.30 μg/g。

2.3.4 硝酸鹽含量 由圖8可知，不同光質(zhì)處理的菠菜硝酸鹽含量不同，各處理之間差異顯著。CK處理的菠菜硝酸鹽含量最高，為325.87 mg/g，顯著高于其他處理；在紅藍(lán)混合光中，硝酸鹽含量由大到小為RB1>RB>RB2，RB2處理的菠菜硝酸鹽含量最低，為63.83 mg/g。說明隨著紅光比例的減少，藍(lán)光比例的增加，硝酸鹽含量有增加的趨勢。

3 討論

3.1 不同紅藍(lán)光配比對菠菜生長形態(tài)的影響

光環(huán)境的變化，如光照強(qiáng)度、光照時(shí)間和光譜成分的改變，都會(huì)對植物產(chǎn)生深刻的影響[16]。至今為止，關(guān)于不同光質(zhì)及光質(zhì)組合對蔬菜栽培影響的研究層出不窮，在番茄[17]、黃瓜[18]、生菜[19]等多種蔬菜的研究指出，紅藍(lán)光及其組合能夠影響植株生長、形態(tài)建成及品質(zhì)等。國內(nèi)外都有相關(guān)研究，Tadayoshi等研究指出，紅光能夠加速生菜葉片的發(fā)育[20]；Dougher等研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光能夠促進(jìn)生菜葉片的生長，限制莖的伸長生長[21]。高波對芹菜的光質(zhì)栽培試驗(yàn)結(jié)果表明，芹菜的株高、葉柄長隨著R/B比例的增大而增大，芹菜的葉片數(shù)和和莖粗則隨著紅藍(lán)光復(fù)色光中藍(lán)光比例的增加有增大的趨勢[22]。本試驗(yàn)研究表明，RB2處理下菠菜生長較快，株高增幅較大，略大于RB，RB1處理最小，明顯低于CK處理；而莖粗在RB1處理下最大，在RB2處理下最小，明顯小于CK處理。說明適當(dāng)?shù)募t藍(lán)光比例才會(huì)促進(jìn)菠菜莖的伸長和生長，過高或過低都會(huì)起抑制作用。以紅光為主的復(fù)合光更能促進(jìn)菠菜葉柄的伸長，當(dāng)逐漸增加藍(lán)光比例，株高不斷降低，會(huì)抑制菠菜莖的生長；莖粗的變化規(guī)律與株高相反。

菠菜葉片在RB和RB2處理生長較快，生長33 d時(shí)，各處理的最大葉面積大小為RB>RB2>CK>RB1；在整個(gè)生長過程中，處理間葉片數(shù)差值不明顯，生長33 d后，RB1和RB2處理葉片數(shù)大于CK處理，RB處理最少。可見，在紅藍(lán)混合光中，紅光有利于葉片的生長，過高的藍(lán)光比例會(huì)降低植株的葉面積；適當(dāng)增加紅藍(lán)光配比中紅光或藍(lán)光的比例都有利于促進(jìn)葉片的發(fā)育。

3.2 不同紅藍(lán)光質(zhì)配比對菠菜生物量及根冠比的影響

許多研究顯示，光質(zhì)與植物本身同化產(chǎn)物的積累息息相關(guān)，如菊花[23]、馬鈴薯[24]、草莓[25]等植物光質(zhì)栽培研究表明，紅光也有利于植物干物質(zhì)的積累，提高產(chǎn)量；藍(lán)光則能矮化植物，提高其品質(zhì)。聞婧等研究報(bào)道，黃瓜幼苗的干鮮質(zhì)量、葉面積等隨著R/B值的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢[26]；張旭研究指出，紅膜處理下菠菜鮮質(zhì)量最大，即紅膜有利于菠菜的生長[27]。閆萌萌等研究指出，紅光促進(jìn)花生幼苗根系生長，藍(lán)光則相反[28]；石嶺等研究指出，紅光和紅藍(lán)混合光對河套密瓜根系生長發(fā)育有顯著促進(jìn)作用，藍(lán)光也具有一定的促進(jìn)作用，但與對照差異不顯著[29]。本試驗(yàn)研究表明，菠菜處理的3個(gè)時(shí)期，地上部鮮質(zhì)量在RB2和RB這2個(gè)處理相近，在RB1處理下最低，說明隨著紅藍(lán)復(fù)色光中紅光比例的增大，菠菜地上部鮮質(zhì)量增大，與杜健芳等研究結(jié)果[30]相吻合。地下部鮮質(zhì)量變化中，紅藍(lán)混合光處理始終大于對照，在3個(gè)處理時(shí)期，RB1均最大，RB2次之；生長33 d時(shí)，RB1與RB2差異不顯著，與其他2個(gè)處理間存在顯著或極顯著差異。可以得出，在紅藍(lán)混合光中，適當(dāng)提高紅光或者藍(lán)光的比例均能夠促進(jìn)根系生長。根冠比體現(xiàn)了植物地下部分與地上部分的生長相關(guān)性[31]，反映了植物的生長狀況及環(huán)境條件對根系與地上部的不同影響[32]。本試驗(yàn)研究表明，在生長過程中，RB1處理菠菜根冠比始終最大，RB和RB2處理下菠菜的根冠比均大于CK處理，RB和RB2處理在生長33 d時(shí)差值不大。綜合比較菠菜生物產(chǎn)量及根冠比的變化情況得出，RB2和RB處理能夠使菠菜地下部和地上部生長平衡，有利于提高產(chǎn)量。

3.3 不同紅藍(lán)光質(zhì)配比對菠菜生長品質(zhì)的影響

不同光質(zhì)對植物品質(zhì)有較大的調(diào)控作用[33-35]，通過調(diào)節(jié)蔬菜碳氮代謝、光合作用等過程來影響植物糖、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物的積累。陳強(qiáng)等研究指出，藍(lán)光能促進(jìn)番茄維生素C含量、可溶性蛋白含量的提高，紅光和紅藍(lán)光混合光有利于番茄果實(shí)中可溶性糖的積累[36]。陳嫻等研究報(bào)道，不同比例紅藍(lán)混合光能顯著提高韭菜可溶性糖含量，藍(lán)光處理可以促進(jìn)韭菜維生素C含量和可溶性蛋白含量的增加，紅光能降低韭菜硝酸鹽含量，藍(lán)光和紅藍(lán)混合光則相反[37]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，紅藍(lán)復(fù)色光有利于提高可溶性糖含量，RB2和RB1處理下菠菜可溶性糖含量高于RB處理。說明在混合光中，紅藍(lán)光間不同比例對菠菜可溶性糖含量的影響存在相互作用，適當(dāng)增加混合光中紅光或藍(lán)光的比例，有利于增加菠菜可溶性糖含量。蛋白質(zhì)和維生素C的含量變化相同，從大到小為RB>RB1>RB2>CK。由此可知，紅藍(lán)混合光中，適當(dāng)增加藍(lán)光比例對促進(jìn)蛋白質(zhì)和維生素C積累的效果顯著，過高則促進(jìn)作用降低。相比于CK處理，紅藍(lán)混合光能顯著降低菠菜硝酸鹽的含量，隨著混合光中紅光比例的增加，藍(lán)光比例的減少，硝酸鹽含量逐漸降低。

綜上，紅藍(lán)混合光處理下菠菜生長品質(zhì)優(yōu)于CK處理，其中，RB2和RB1處理的菠菜可溶性糖含量較高；RB和RB1處理下蛋白質(zhì)含量和維生素C含量高于RB2，RB2處理下硝酸鹽含量最低。綜合比較株高、莖粗、最大葉面積和葉片數(shù)4項(xiàng)指標(biāo)，可知，RB1和RB2處理下，菠菜的生長形態(tài)較好。由菠菜生物產(chǎn)量及根冠比的變化情況得出，RB2和RB能夠使菠菜地下部和地上部生長平衡，有利于提高產(chǎn)量。綜合考慮不同紅藍(lán)光比例對菠菜生長、生物量及品質(zhì)的影響，RB2處理更有利于菠菜的生長和品質(zhì)的提高，適用于菠菜的LED光源栽培。

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