蔡淑芳 劉現(xiàn) 吳敬才 雷錦桂
摘?要:光環(huán)境是植物生長發(fā)育的基本環(huán)境因素,光質(zhì)調(diào)控是設(shè)施栽培的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。闡述了LED光源在設(shè)施栽培領(lǐng)域的應(yīng)用和主要特征,介紹了小白菜生長發(fā)育過程中的光質(zhì)調(diào)控方法,深入分析了單色光質(zhì)和復(fù)合光質(zhì)對小白菜形態(tài)、根系、生物量、光合色素以及品質(zhì)的影響,展望了光質(zhì)作用機(jī)理和光控作物生長模型的研究思路??傮w上,紅藍(lán)光是小白菜生長的良好光源,小白菜對LED光質(zhì)的響應(yīng)具有一定的特殊性,不同品種小白菜對光質(zhì)響應(yīng)也存在差異,這可能與光質(zhì)的實(shí)現(xiàn)條件也有關(guān),深化光質(zhì)調(diào)控機(jī)理研究具有重要意義。
關(guān)鍵詞:發(fā)光二極管;光質(zhì);生長發(fā)育;小白菜
DOI: 10.13651/j.cnki.fjnykj.2019.07.014
Research Progress on the Effect of LED Light Quality on the Growth?and Quality of Chinese Cabbage
CAI Shu?fang, LIU Xian, WU Jing?cai, LEI Jin?gui*
(Institute of Digital Agriculture, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou, Fujian 350003, China)
Abstract: Light environment is the basic environmental factor of plant growth and development, and light quality regulation is a key technique of facility cultivation. The application and main characteristics of LED light source in the field of facility cultivation were expounded, and the methods of light quality regulation during the growth and development of Chinese cabbage were introduced. Then, the effects of monochromatic and compound light quality on morphology, root system, biomass, photosynthetic pigment and quality of Chinese cabbage were deeply analyzed, and the research idea of the action mechanism of light quality and the growth model of light-controlled crops were prospected. On the whole, red and blue light were good light sources for the growth of Chinese cabbage. Chinese cabbage had a certain particularity in response to LED light quality, and different varieties of Chinese cabbage also had differences in response to light quality, which could be related to the realization conditions of light quality. Therefore, it was of great significance to deepen the research on the mechanism of light quality regulation.
Key words: Light emitting diode; Light quality; Growth and development; Chinese cabbage
光質(zhì)即不同波長的光與植物生長發(fā)育關(guān)系密切,其通過光受體轉(zhuǎn)導(dǎo)而控制植物的生長發(fā)育[1]。光質(zhì)對植物的生長、形態(tài)建成、光合色素、品質(zhì)等均有調(diào)控作用[2]。LED(light emitting diode,發(fā)光二極管)光源是現(xiàn)代設(shè)施溫室栽培日益普及的照明設(shè)施,其具有波長類型豐富、光色光質(zhì)可調(diào)的特性,極大地滿足了植物生長發(fā)育的不同光環(huán)境需求[3]。
小白菜Brassica campestris L.ssp.chinensis Makino,又稱不結(jié)球白菜、青菜、油菜等,是我國重要的蔬菜栽培品種[4-5]。近年來,國內(nèi)外許多學(xué)者就LED光質(zhì)對小白菜生長性狀、光合作用、生理特性等開展了研究工作。本文主要就LED光質(zhì)對小白菜生長及品質(zhì)影響進(jìn)行綜述,具體包括LED單色及復(fù)合光質(zhì)對小白菜形態(tài)、生物量、光合色素和品質(zhì)的影響,以探討該領(lǐng)域的整體發(fā)展情況,為該方面的研究提供參考。
1?LED光源特征
LED光源與其他人工光源相比具有優(yōu)良的性能,是設(shè)施栽培的首選光源[6-7]。首先,LED光源的光譜性能好,可按需獲得單色光與復(fù)合光,其波長與光形態(tài)建成的光譜范圍一致[8]。其次,LED光源是冷光源,可近距離照射植物,且光強(qiáng)可調(diào),適合立體栽培,從而提高空間效益。再次,LED光源耐沖擊性能良好,不易破碎,且不含污染物,可回收利用。最后,LED光源的光電轉(zhuǎn)換效率較高,具有耗電量小、使用壽命長等特點(diǎn)[9]。
2?LED單色光質(zhì)對小白菜生長及品質(zhì)影響
光合有效輻射,即400~700 nm波長范圍的光,直接影響著植物的光合作用[10]。在LED單色光質(zhì)對小白菜生長及品質(zhì)影響上,主要是圍繞光合有效輻射范圍內(nèi)的紅光(600~700 nm)和藍(lán)光(400~500 nm)開展研究。
2.1?LED單色光質(zhì)對小白菜形態(tài)和生物量的影響
藍(lán)光會導(dǎo)致植株矮化,抑制莖的伸長[11];而紅光能夠促進(jìn)莖和葉片的伸長,葉片數(shù)增加[12]。光質(zhì)通過地上部傳導(dǎo)至根部,影響根部的生長發(fā)育[3]。由于品種間的差異以及光強(qiáng)設(shè)置不同,可能導(dǎo)致藍(lán)光和紅光對植物生長性狀的影響產(chǎn)生差異[13]。在光強(qiáng)為800 umol·m-2·s-1時,藍(lán)光有利于小白菜葉片伸展,但顯著抑制株高和生長發(fā)育[14];在光強(qiáng)為200 umol·m-2·s-1時,紅光促進(jìn)小白菜的生物量、莖粗、莖長、葉面積、根系長度,藍(lán)光則抑制了小白菜的生長發(fā)育[15];在光強(qiáng)為150 umol·m-2·s-1時,紅光處理的植株最高,藍(lán)光處理的植株最低,紅藍(lán)光處理的株高明顯降低[16];在光強(qiáng)為100 umol·m-2·s-1時,紅、藍(lán)光提高植株莖粗,藍(lán)光明顯促進(jìn)植株根冠比、根系平均直徑、根長、根表面積和平均體積的增加[17];在光強(qiáng)為80 umol·m-2·s-1時,紅光有利于干物質(zhì)的積累[18];在光強(qiáng)為(50±5)umol·m-2·s-1時,藍(lán)光有利于株高、莖、葉柄的伸長[19]。由此可知,紅光主要作用于莖和葉片的伸長以及干物質(zhì)的積累,藍(lán)光主要作用于莖粗增加和根系生長。在不同光強(qiáng)下,紅光和藍(lán)光對小白菜生長作用不同;與高強(qiáng)度的紅光相比較,高強(qiáng)度的藍(lán)光對植物生長抑制作用較大。
2.2?LED單色光質(zhì)對小白菜光合色素的影響
植物色素在不同的光質(zhì)照射下活性不同,接收光能的能力也不同。葉綠素在光合作用中起著重要作用,對大多數(shù)作物而言,紅、藍(lán)光對葉綠素合成的影響作用與其對葉片生長的影響作用較一致,紅光較藍(lán)光對葉片生長的促進(jìn)作用較大,相應(yīng)地,紅光較藍(lán)光有利于提高葉綠素含量;但藍(lán)光處理可提高葉片中葉綠素a/b值,紅光則降低[20-23]。藍(lán)光處理下的小白菜葉綠素a、b和總量高于黃光、紅光、紅藍(lán)及白紅藍(lán)組合光,與白光相比,葉綠素a、b和總量分別高出20.94%、38.54%和24.34%,藍(lán)光處理的葉綠素a/b值最低[15];與黃光、綠光、藍(lán)光、紅藍(lán)光相比,紅光降低了葉綠素含量[16];與白光、黃光、藍(lán)光、紅藍(lán)黃光相比,紅光有利于類胡蘿卜素的積累[24]。以上說明小白菜在紅光和藍(lán)光處理下的葉綠素含量和a/b值與大多數(shù)作物不同,體現(xiàn)了不同植物對光質(zhì)具有不同的響應(yīng),其原因可能是植物為適應(yīng)不同生態(tài)環(huán)境而形成的差異,也反映了生物對光質(zhì)反應(yīng)的復(fù)雜性。
2.3?LED單色光質(zhì)對小白菜品質(zhì)的影響
紅光處理有利于增加植物的碳水化合物含量,藍(lán)光處理有利于提升植物的蛋白質(zhì)含量[25-27]。與白光、藍(lán)光、紅藍(lán)光、紅藍(lán)白光相比,紅光處理可提高華京小白菜可溶性糖含量;白光有利于抗壞血酸和游離氨基酸的積累[28]。藍(lán)光處理能促進(jìn)特矮青小白菜游離氨基酸、可溶性蛋白、粗蛋白和可溶性糖的積累[14,16,29]。處理5 d時,藍(lán)光明顯降低了葉片中的可溶性糖含量;處理20 d和25 d時,藍(lán)光開始明顯促進(jìn)紫色小白菜植株葉片可溶性蛋白含量的增加;處理15 d時,紅光能顯著增加植株葉片抗壞血酸含量,但20 d后卻抑制抗壞血酸含量的增加[17]。與藍(lán)光、紅藍(lán)光相比,紅光處理的抗熱605小白菜蔗糖、淀粉和可溶性糖含量最大,抗壞血酸、可溶性蛋白含量則是藍(lán)光處理最高[18,30]。綜上,光質(zhì)對植株葉片可溶性糖、可溶性蛋白、抗壞血酸含量等的影響結(jié)果有時間效應(yīng),不同時間段的光質(zhì)影響作用不同。藍(lán)光和紅光分別對小白菜可溶性蛋白、粗蛋白以及可溶性糖積累上的促進(jìn)作用明顯,光質(zhì)對其他品質(zhì)指標(biāo)的影響還不一致,這說明同一作物的不同品種對光質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制也不盡相同。
3?LED復(fù)合光質(zhì)對小白菜生長及品質(zhì)影響
在復(fù)合光質(zhì)對植物生長及品質(zhì)影響上,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為采用紅藍(lán)光效果更好,主要是由于紅光和藍(lán)光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜峰值區(qū)域吻合,植株葉片對紅、藍(lán)光的吸收比例約為90%[31],且一定的紅藍(lán)組合光源可以綜合單色紅光和單色藍(lán)光的優(yōu)勢[32]。
3.1?LED復(fù)合色光質(zhì)對小白菜形態(tài)和生物量的影響
已有研究表明,由于單色光之間具有互補(bǔ)和加性效應(yīng),復(fù)合光質(zhì)較之單色光質(zhì)對植物生長更有利[33]。紅藍(lán)光有利于增加小白菜鮮干重、莖粗,促進(jìn)葉片生長,提高植株根冠比、根系直徑、根長、根表面積和平均體積[16-17];紅藍(lán)黃光下小白菜根長、根系活力提高,有利于干物質(zhì)的積累和植株壯苗指數(shù)的提高[24],但紅藍(lán)黃光較之紅藍(lán)光對植株形態(tài)影響不顯著;與白光相比,紅白光或紅藍(lán)白處理能有效促進(jìn)小白菜的生長(株高、葉幅、葉數(shù)、鮮重及干重),紅藍(lán)白處理效果更好[34]。在株高方面,較之紅光,紅藍(lán)光處理對株高有顯著的抑制作用[16]。這說明,紅藍(lán)光有利于小白菜的根葉生長、莖增粗和生物量積累;但相較于紅光,紅藍(lán)光對株高的影響不利,主要可以由藍(lán)光的加性效應(yīng)解釋。
在不同紅藍(lán)光配比上,有研究認(rèn)為較高藍(lán)光比例,如紅藍(lán)光(4∶1)較之紅藍(lán)光(6∶1,8∶1)有利于小白菜株高、株徑、葉片數(shù)量的增加[19];紅藍(lán)光(3∶7)較之紅藍(lán)光(5∶5,7∶3,9∶1)能促進(jìn)小白菜葉片拓展[17]。另有研究認(rèn)為在較高紅光比例下,如紅藍(lán)光(7∶1)較之紅藍(lán)光(3∶1)、紅藍(lán)光(3∶1)較之紅藍(lán)光(1∶1)下的小白菜生物量、莖粗、葉寬、葉面積、葉片數(shù)、根系長度、根重、根系活力、地上部干鮮重顯著更高[15,35]。
3.2?LED復(fù)合光質(zhì)對小白菜光合色素的影響
復(fù)合光質(zhì)下的光敏色素和隱花色素的含量和作用提高,從而促進(jìn)光合色素的積累[3]。有研究以白光為對照,探討了紅白、藍(lán)白、綠白、紅藍(lán)白等補(bǔ)光光質(zhì)對小白菜生長的調(diào)控機(jī)理,認(rèn)為相對于對照組,紅藍(lán)白混合光顯著促進(jìn)了小白菜葉綠素a、b及類胡蘿卜素合成,且數(shù)值最高;藍(lán)白光較之紅藍(lán)白光更有利于提高葉綠素a/b值[36]。與紅光、藍(lán)光、綠光相比,紅藍(lán)光促進(jìn)光合色素含量增加,且紅藍(lán)光(1∶1)>紅藍(lán)光(3∶1)[35],與紅光、藍(lán)光、白光、紅藍(lán)白光相比,紅藍(lán)光有利于提高葉綠素a/b值,且葉綠素a/b值與紅、藍(lán)光比值成反比,紅藍(lán)光(3
∶1)較之紅藍(lán)光(7∶1)的葉綠素a/b值高[15]。與白光、紅光、藍(lán)光、黃光相比,在紅藍(lán)光上添加黃光可提高葉綠素含量[13]。紅藍(lán)光對植株葉片的葉綠素和類胡蘿卜素有一定的促進(jìn)作用[17]。這些反映了組合光有利于光合色素的積累,紅光和藍(lán)光的添加有利于光合色素合成,組合光中較高藍(lán)光比例有利于提高葉綠素含量和a/b值,這與單色藍(lán)光對大多數(shù)作物葉綠素a/b值的影響一致,但與其對小白菜的影響不一致,這說明植株光合色素對光質(zhì)響應(yīng)機(jī)制具有較高的復(fù)雜度。
3.3?LED復(fù)合光質(zhì)對小白菜品質(zhì)的影響
可溶性糖、可溶性蛋白、游離氨基酸等是評價植物品質(zhì)的重要指標(biāo)。有研究發(fā)現(xiàn),紅藍(lán)光、紅藍(lán)白光下小白菜可溶性蛋白含量顯著提高[16,34]。與白光相比,紅白光和紅藍(lán)白光下小白菜體內(nèi)抗壞血酸、游離氨基酸和可溶性蛋白含量增加,且紅藍(lán)白光效果更好,其總糖、還原糖、蔗糖和淀粉含量顯著提高[34];在試驗(yàn)中期,紅藍(lán)光開始促進(jìn)植株抗壞血酸和可溶性糖含量的增加,試驗(yàn)后期則抑制其增加[17]。在不同紅藍(lán)光比例上,紅藍(lán)光(1∶1)的抗壞血酸含大于紅藍(lán)光(3∶1);紅藍(lán)光(3∶1)的氨基酸含量大于紅藍(lán)光(1∶1);藍(lán)光、紅光分別有利于抗壞血酸和游離氨基酸的積累[35]。從可溶性糖含量來看,紅光影響積極,藍(lán)光影響消極,但同時添加紅藍(lán)光效果顯著[34],紅藍(lán)白光下的可溶性糖含量顯著高于白光;與白光相比,紅藍(lán)黃光可顯著提高小白菜可溶性糖含量[13]。就(亞)硝酸鹽含量來看,紅白、藍(lán)白、綠白及紅藍(lán)白的光能顯著降低小白菜硝酸鹽含量,且紅藍(lán)白光下含量最低[34];與白光、紅光、藍(lán)光、綠光相比,紅藍(lán)組合光的(亞)硝酸鹽含量最低[29,35]。綜上分析結(jié)果表明紅藍(lán)光有利于提高小白菜的營養(yǎng)物質(zhì)含量,并降低有害物質(zhì)含量;紅藍(lán)光對小白菜品質(zhì)的綜合影響程度高于單色紅光、藍(lán)光的影響程度;較多藍(lán)光有利于抗壞血酸含量增加,較多紅光有利于游離氨基酸含量增加。
4?結(jié)論與展望
目前國內(nèi)外就LED光質(zhì)對小白菜生長及品質(zhì)影響進(jìn)行了大量的研究工作,研究內(nèi)容主要集中于紅藍(lán)及組合光質(zhì)對小白菜生長發(fā)育的影響。通過文中文獻(xiàn)回顧可發(fā)現(xiàn),在LED單色光質(zhì)對小白菜生長及品質(zhì)影響上,紅光和藍(lán)光作用有差異。與大多數(shù)作物類似,紅光和藍(lán)光分別主要對小白菜莖葉伸長和干物質(zhì)積累、莖粗和根系生長發(fā)揮作用,且光質(zhì)與光強(qiáng)之間存在著交互影響;與大多數(shù)作物不同,紅光和藍(lán)光分別降低和提高了葉綠素含量和葉綠素a/b值;與大多數(shù)作物類似,藍(lán)光有利于蛋白質(zhì)積累,紅光有利于可溶性糖積累,且其影響作用與時間相關(guān),但紅、藍(lán)光對不同品種小白菜其他品質(zhì)作用不一致。在LED復(fù)合光質(zhì)對小白菜生長及品質(zhì)影響上,總體上紅藍(lán)光較單色光有利。紅藍(lán)光對小白菜的根葉生長、莖增粗和生物量積累有促進(jìn)作用,較高比例紅光效果更好;紅藍(lán)光有利于光合色素的積累,但高低紅藍(lán)光比例與單色紅、藍(lán)光對小白菜葉綠素a/b值的影響不同;紅藍(lán)光有利于提高小白菜品質(zhì),且作用效果較單色光質(zhì)明顯。
綜上,與大多數(shù)作物相比,小白菜對光質(zhì)響應(yīng)具有特殊性,且不同品種小白菜對光質(zhì)響應(yīng)也存在差異,這可能與光質(zhì)的實(shí)現(xiàn)條件也有關(guān)?;谝陨戏治?,認(rèn)為后期需加強(qiáng)如下相關(guān)研究:(1)擴(kuò)大研究范圍,在對常見波長的光如紅光、藍(lán)光等效應(yīng)研究的同時,進(jìn)一步研究其他非常見波長的光如紫外光、紅外光等在調(diào)控小白菜的生長發(fā)育方面所起到的作用,以完善光質(zhì)效應(yīng)理論。(2)加強(qiáng)光質(zhì)與光強(qiáng)等其他環(huán)境因子的交互效應(yīng)分析,探討光質(zhì)與其他因素對小白菜生長的相互作用,為深入研究光質(zhì)效應(yīng)機(jī)理奠定基礎(chǔ)。(3)嘗試建立光控作物生長模型,以掌握植物生長發(fā)育規(guī)律,提高對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測與預(yù)報能力。
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