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        不同波峰的LED紅藍(lán)光質(zhì)組合對黃瓜苗生長和光合特性的影響

        2013-08-02 00:52:10楊其長魏靈玲劉文科孟力力程瑞鋒韋金河

        聞 婧, 楊其長, 魏靈玲, 劉文科, 孟力力, 程瑞鋒, 韋金河, 張 俊

        (1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心,江蘇 南京 210014;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

        LED(Light emitting diode)即發(fā)光二極管,作為一種節(jié)能環(huán)保、壽命長、體積小、易于組合安裝的新型光源[1],它的光譜域?qū)捿^窄,只有 ±20 nm[2],便于光質(zhì)配比的精準(zhǔn)控制[3]。因此,在溫室補(bǔ)光、植物工廠化生產(chǎn)、植物組培、航天農(nóng)業(yè)等多個(gè)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中LED作為新型植物光源表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景[4]。

        目前以LED為光源已經(jīng)成功用于培養(yǎng)萵苣[5-7]、胡瓜[8]、小麥[9]、菠菜[10]、福祿考[11]等多種植物,并且與紅、藍(lán)、黃、綠等單色光相比,紅藍(lán)混合光下培養(yǎng)的植株更健壯。對于不同的植物,最適于生長發(fā)育的紅藍(lán)光混合比例也不相同[12-14],有關(guān)最適黃瓜育苗的紅藍(lán)光混合比例還沒有定論。此外,在已有研究中,紅藍(lán)光LED波峰的選擇存在差異,其中紅光主要使用660 nm和630 nm 2個(gè)波段,藍(lán)光的使用差異較大,從440 nm至480 nm各不相同[5-14],而鮮見有關(guān)植物在不同波峰光源下生長情況的報(bào)道。然而,不同波峰的LED對光源的電能轉(zhuǎn)化率、耗電量[15]以及植物的光能利用率[16]都有直接影響,兼顧三者對LED在農(nóng)業(yè)上的使用和推廣具有重要影響。

        因此,本試驗(yàn)選用了660 nm+450 nm的 LEDA型和630 nm+460 nm的LEDB型2種紅藍(lán)光組合光源[17],并設(shè)置不同紅藍(lán)光配比(R/B),進(jìn)行黃瓜育苗試驗(yàn),旨在探明2組波峰下不同R/B的LED光源對黃瓜育苗的影響,以期找到適合黃瓜育苗的高能效LED光源參數(shù),為 LED光源在黃瓜育苗中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 光源設(shè)計(jì)參數(shù)

        使用由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所合作開發(fā)研制的LEDA型和LEDB型光源。2種類型光源均可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)紅藍(lán)光組合配比、光合有效光量子流密度和光周期,具體的光源參數(shù)如表1所示。

        表1 LED光源的性能參數(shù)Table 1 Performance parameter of LED light source

        1.2 處理設(shè)置

        試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院密閉式植物工廠內(nèi)完成。植物材料為千秋三號黃瓜(Cucumis sativus L.)。于2008年4月21日播種,待幼苗開始頂土,置于不同光源處理下培育28 d。LEDA型和LEDB型光源各設(shè)置4個(gè)不同R/B光質(zhì)處理(表2),另設(shè)1個(gè)熒光燈對照;每個(gè)處理光量子流密度均設(shè)置為(154±1)μmol/(m2·s),光周期為 10 h/d。每個(gè)處理種植黃瓜幼苗15株,重復(fù)3次。

        表2 不同光質(zhì)處理的設(shè)計(jì)Table 2 Design of treatments with different light qualities

        1.3 測定與分析方法

        黃瓜播種28 d后,每個(gè)處理隨機(jī)選取10株黃瓜幼苗,使用LI-6400型便攜式光合測定儀測量各處理的光合指標(biāo),測定過程中使用普通自然光葉室,每株選取完全展開的第2片真葉進(jìn)行測定;使用直尺和游標(biāo)卡尺分別測量植株株高和莖基直徑;使用AM-300型葉面積儀測量植株單株葉面積,測量葉片為完全展開的真葉;使用電子天平稱取植株干鮮質(zhì)量;采用氯化三苯基四氮唑還原法測定根系活力;比色法測定葉綠素和類胡蘿卜素含量[18]。壯苗指數(shù)和能效采用以下公式計(jì)算:壯苗指數(shù)=莖粗/株高×整株干質(zhì)量[19-21],能效=整株干樣質(zhì)量/光源所消耗功率[22]。形態(tài)和生理指標(biāo)測定均6次重復(fù)。

        采用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖,用DPS v3.01統(tǒng)計(jì)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同波峰和R/B值的LED光源對黃瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

        如表3所示,在2種LED光源下,黃瓜幼苗植株干鮮重和葉面積指標(biāo)的變化趨勢相同,即隨著R/B值的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,其中LEDA2(R/B=7)和LEDB3(R/B=9)處理的各項(xiàng)指標(biāo)均無顯著差異,且均顯著高于其他處理和熒光燈對照。但株高則隨著R/B值的增加而增加,而莖基直徑的差異不明顯。對于不同處理間的壯苗指數(shù),LEDA2處理顯著高于其他處理及對照,而LEDA1、LEDA3和LEDA4 3個(gè)處理顯著低于對照;LEDB1、LEDB2和 LEDB3 3個(gè)處理間無顯著差異;其中R/B=20的處理分別低于其他R/B值處理。2種LED光源下,根冠比均呈現(xiàn)隨著R/B值的增加而減小的趨勢,其中LEDA1處理顯著高于其他LEDA處理,LEDA2、LEDA3和 LEDA4間無顯著差異;LEDB1、LEDB2和LEDB3間無顯著差異,并顯著高于LEDB4。

        表3 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)Table 3 The morphological indexes of cucumber seedling with different lighting treatments

        在整體水平上,LEDA處理和LEDB處理的各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)無顯著差異。綜合各項(xiàng)指標(biāo),LEDA光源下,R/B=7(LEDA2)的處理優(yōu)于其他處理和對照;LEDB光源下,R/B=9(LEDB3)的處理優(yōu)于其他處理和對照。

        2.2 不同波峰和R/B值的LED光源對黃瓜幼苗根系活力的影響

        如圖1所示,在2種LED光源下,不同R/B處理的根系活力變化趨勢相同,但LEDA光源下各處理的變化幅度小于LEDB光源下各處理的變化幅度。LEDA和LEDB在整體水平上無顯著差異,但LED各處理均低于對照。

        圖1 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗根系活力Fig.1 The root activity of cucumber seedling with different lighting treatments

        2.3 不同波峰和R/B值的LED光源對黃瓜幼苗能效的影響

        能效是指消耗同樣的電能植物所產(chǎn)的干物質(zhì)[22]。如圖2所示,LEDB3處理的能效最高,比對照提高 50%;LEDB光源下,各處理(LEDB1、LEDB2、LEDB3和LEDB4)的能效均分別高于LEDA光源下各處理(LEDA1、LEDA2、LEDA3和 LEDA4)111%、13%、88%和54%。在整體水平上,LEDB光源的能效比LEDA光源和熒光燈對照的能效分別提高55%和13%。

        圖2 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗能效Fig.2 The energy efficiency of cucumber seedling with different lighting treatments

        2.4 不同波峰和R/B值的LED光源對黃瓜幼苗光合色素含量的影響

        如表4所示,在2種LED光源處理下黃瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量隨R/B值的變化趨勢相同,即先增加后降低,其中LEDA光源下,R/B=7(LEDA2)處理顯著高于R/B為5(LEDA1)、9(LEDA3)和 20(LEDA4)的處理;LEDB 光源下,R/B=9(LEDB3)處理的葉綠素含量最高,顯著高于R/B為5(LEDB1)和20(LEDB4)的處理,與R/B=7(LEDB2)的處理無顯著差異。兩種LED光源處理下,葉綠素a/b比值均表現(xiàn)為R/B=20時(shí)最大,顯著高于對照。而類胡蘿卜素含量在不同R/B處理間無顯著差異。在整體水平上,LEDA光源處理的葉綠素a+b含量和類胡蘿卜素含量顯著高于LEDB光源。

        表4 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗葉綠素含量和類胡蘿卜素含量Table 4 The chlorophyll content and carotenoids content of cucumber seedling with different lighting treatments

        2.5 不同波峰和R/B值的LED光源對黃瓜幼苗光合指標(biāo)的影響

        如表5所示,LEDA光源下,黃瓜幼苗的光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的變化趨勢相同,即隨著R/B值的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,其中LEDA2處理顯著高于其他處理和對照;而胞間CO2濃度則隨著R/B值的增加而顯著增加,其中LEDA4處理顯著高于其他處理和對照。在LEDB光源下各項(xiàng)光合指標(biāo)的變化趨勢相同,即隨著R/B值的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,其中LEDB3處理顯著高于其他處理和對照。

        表5 不同光質(zhì)處理黃瓜幼苗光合指標(biāo)Table 5 The photosynthetic indexes of cucumber seedling with different lighting treatments

        在整體水平上,LEDA和LEDB兩種光源處理的各項(xiàng)光合指標(biāo)無顯著差異。而LEDA2處理的光合速率和氣孔導(dǎo)度兩項(xiàng)指標(biāo)顯著高于 LEDB3,LEDB3處理的蒸騰速率顯著高于LEDA2。

        3 討論

        光是植物生長發(fā)育的基本因素之一,光質(zhì)對植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成、光合作用等均有調(diào)節(jié)作用[4]。試驗(yàn)中,不同R/B值的光源對黃瓜幼苗的各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)、根系活力、光合色素含量以及光合指標(biāo)均表現(xiàn)出了調(diào)節(jié)作用,這與楊雅婷等對甘薯組培苗[23]和唐大為等對黃瓜育苗[24]的研究結(jié)果相符,但調(diào)節(jié)規(guī)律不同。

        不同R/B值的光源對黃瓜幼苗的干鮮重、葉面積、根系活力、葉綠素含量、光合速率、蒸騰速率以及氣孔導(dǎo)度的調(diào)節(jié)變化趨勢相同,即隨著R/B值的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,說明不同波峰的LED光源對黃瓜幼苗以上幾個(gè)指標(biāo)的調(diào)節(jié)作用具有相似性,這與聞婧等[25]對葉用萵苣品質(zhì)的研究結(jié)果相似。

        不同R/B值的光源對黃瓜幼苗株高的影響則隨著R/B值的增加而增加,表明紅光的增加有利于莖的伸長,與Nhut等[14]的研究結(jié)果一致。試驗(yàn)中,LED光源處理下株高均(除LEDA2處理外)大于熒光燈對照,也是由于LED光源中紅光所占的比例大于熒光燈。而LED光源處理中R/B=5時(shí),由于藍(lán)光的增加,顯著降低了株高,但同時(shí)也降低了植株的干鮮重,由此導(dǎo)致LED光源處理下壯苗指數(shù)整體低于熒光燈對照,其中只有LEDA2處理兼顧了株高和干鮮重,使得壯苗指數(shù)顯著高于其他處理和熒光燈對照。說明通過調(diào)節(jié)紅藍(lán)光的配比可以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)的黃瓜壯苗,但熒光燈(610~720 nm紅光波段的光量子流密度占27%,400~510 nm藍(lán)光波段的光量子流密度占18%)僅利用了少量的紅藍(lán)光就可以培育黃瓜壯苗,說明熒光燈中其他光譜能量對黃瓜壯苗的培育起到重要作用。崔瑾等[19]研究發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充黃光可顯著提高辣椒鎮(zhèn)研六號的莖粗、干樣質(zhì)量及壯苗指數(shù),補(bǔ)充綠光可提高辣椒鎮(zhèn)研六號的株高和干鮮重。杜洪濤等[26]研究發(fā)現(xiàn)黃光有利于彩色甜椒壯苗。但黃、綠光對黃瓜幼苗生長的影響還有待進(jìn)一步研究。

        LED光源對根冠比的影響則隨著R/B值的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢,表明藍(lán)光有利于提高黃瓜幼苗的根冠比,說明藍(lán)光能促進(jìn)同化物向地下部的分配[21],這與蒲高斌等[27]的研究結(jié)論相符。對于根系活力,常濤濤等研究發(fā)現(xiàn)的紅光+藍(lán)光+綠光處理下番茄幼苗的根系活力高于紅光+藍(lán)光處理[22],本研究中LED光源處理下的根系活力低于熒光燈對照,我們認(rèn)為是由于熒光燈中含有綠光的成分,但綠光是如何促進(jìn)根系活力,還需要進(jìn)一步研究。

        660 nm+450 nm的LEDA型光源處理下黃瓜幼苗葉綠素a+b和類胡蘿卜素的整體含量顯著高于630 nm+460 nm的LEDB型光源處理,說明660 nm+450 nm的LEDA型光源比630 nm+460 nm的LEDB型光源更有利于葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量的增加,更符合光合色素的光吸收波峰。兩種光源下,葉綠素a/b值在R/B=20時(shí)顯著高于其他處理,我們認(rèn)為是由于紅光的增加促進(jìn)了葉綠素a的積累;而LEDA4(R/B=20)處理的葉綠素a/b值顯著低于LEDB4(R/B=20)處理,是由于630 nm比660 nm的紅光降低葉綠素a含量的幅度大于460 nm比450 nm的藍(lán)光降低葉綠素b含量的幅度。

        在660 nm+450 nm的LEDA型和630 nm+460 nm的LEDB型2種光源處理下,黃瓜幼苗在整體水平上沒有顯著差異,但對不同R/B值表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。在LEDA型光源下,R/B=7時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)顯著優(yōu)于其他處理;在LEDB型光源下,R/B=9時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)顯著優(yōu)于其他處理,表明不同波峰的LED光源需要不同的R/B值才能充分發(fā)揮黃瓜幼苗的生長潛力。而聞婧等在對葉用萵苣的研究中發(fā)現(xiàn),不同波峰的LED光源均表現(xiàn)為R/B=8時(shí)最有利于植株生長[25],說明不同植物對光的選擇性和適應(yīng)性存在差別。

        此外,LEDB型光源紅、藍(lán)光的電能轉(zhuǎn)化效率比LEDA型光源分別提高了317.9%和38.5%,而且LEDB光源的能效比LEDA光源和熒光燈分別提高了55%和13%。因此,LEDB型光源比LEDA型光源降低了制造成本,提高了能效,較有利于在黃瓜育苗中應(yīng)用。

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