陳夢(mèng)彤，季 清，董育辰，陳 麗

(1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.南京格尼茲農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司，南京 211800)

引言

氣候變化所致的洪旱災(zāi)害和人口的日益增長(zhǎng)都給傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來(lái)巨大壓力，我國(guó)耕地資源有限，人均耕地不到世界平均水平的1/2[1]，據(jù)有關(guān)部門(mén)預(yù)計(jì)，到2050年時(shí)，人均可耕地面積將會(huì)減少至不足2.1市畝，傳統(tǒng)農(nóng)耕形式將不再是一種可持續(xù)發(fā)展的選擇，發(fā)展立體種植技術(shù)已被各國(guó)提上日程。

高效半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)現(xiàn)在廣泛用于顯示、照明等領(lǐng)域，以取代傳統(tǒng)的白熾燈或熒光燈以節(jié)省能源[2]。發(fā)光二極管(LED)作為新型固態(tài)半導(dǎo)體光源，與熒光燈相比在植物工廠應(yīng)用上具有節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等諸多光電優(yōu)勢(shì)，更重要的是其可以按照植物生理和生產(chǎn)需求調(diào)制光譜并自動(dòng)化調(diào)控時(shí)間和空間上的連續(xù)光照動(dòng)態(tài)模式，進(jìn)而集成形成設(shè)施植物生產(chǎn)的調(diào)控策略，以實(shí)現(xiàn)植物生產(chǎn)力、生物量和碳水化合物數(shù)量的最大化。

LED植物工廠更適于葉菜、小根菜和一些藥用植物，目前植物工廠中栽培植物種類較單一，主要是葉菜，如生菜和菠菜，根菜很少在植物工廠種植，關(guān)于光條件對(duì)根菜生產(chǎn)影響的研究更少[3]。櫻桃蘿卜(Raphanus sativus L.var.radculus pers)作為四季蘿卜中的一種，具有生長(zhǎng)周期短、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、經(jīng)濟(jì)效益可觀的特點(diǎn)[4]，是我國(guó)廣泛種植的根莖類蔬菜之一。前人研究表明，蘿卜生長(zhǎng)需要一定比例的紅藍(lán)光[5]，蘿卜的形態(tài)顯著依賴于光質(zhì)，單獨(dú)紅光下，蘿卜不形成膨大根，根冠比低，但對(duì)地上部影響不大；紅光能夠促進(jìn)櫻桃蘿卜的植高、株幅等增加，提高根鮮重和產(chǎn)量[6]。補(bǔ)充藍(lán)光能夠促進(jìn)非結(jié)構(gòu)糖在地上部和貯藏根的分配，從而促進(jìn)貯藏根的增粗[7]。紅光LED補(bǔ)充10%藍(lán)色熒光能夠顯著增加蘿卜干重但仍無(wú)法達(dá)到蘿卜的最大生長(zhǎng)效率[8]。因此本研究在前人研究基礎(chǔ)上，自制RBWF多光質(zhì)LED植物燈，研究不同紅、遠(yuǎn)紅、藍(lán)、暖白光光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021年3月于蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，供試的櫻桃蘿卜品種為滄州津科力豐種苗有限責(zé)任公司出產(chǎn)的“櫻桃蘿卜”。2021年3月6日播種在培養(yǎng)槽(長(zhǎng)50 cm×寬19 cm×高15 cm)中，栽培基質(zhì)是50%草碳、30%菇渣、10%珍珠巖、10%蛭石，基質(zhì)深約12 cm。于2021年3月12日定苗，每槽定植10株，每槽每天澆水250 mL。栽培槽放置在補(bǔ)光架中部，每個(gè)補(bǔ)光架下放置兩個(gè)栽培槽，栽培槽正上方懸掛多光質(zhì)LED植物燈(100 cm×8 cm)，本研究應(yīng)用于植物補(bǔ)光燈的光源采用定制四芯片集成LED燈珠作為光源，其中LED燈珠含有紅光芯片(R，655～660 nm)、遠(yuǎn)紅光芯片(FR，725～730 nm)、藍(lán)光芯片(B，452.5～455 nm)和暖白光芯片(W，2 800～3 200 K)四種芯片，光質(zhì)均勻，且每種光質(zhì)的強(qiáng)度可獨(dú)立調(diào)節(jié)。采用OHSP350P植物光照分析儀測(cè)定栽培槽中心距離植物燈50 cm處光強(qiáng)，調(diào)至試驗(yàn)所需光強(qiáng)及光質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室室溫保持在20～25 ℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4種光質(zhì)配比，如表1所示，其光譜如圖1～圖4所示。統(tǒng)一各組總光強(qiáng)為200 μmol·m-2·s-1，2R1B與RBW1的藍(lán)光絕對(duì)量相同，2R1B與RBW2的紅光絕對(duì)量相同，RBW1的藍(lán)光比例最高，RBW2的紅光比例最高。RBF的紅藍(lán)光強(qiáng)與2R1B相同，其中添加了遠(yuǎn)紅光，紅光和遠(yuǎn)紅光比例為2∶1。各組光期18 h，暗期6 h，各組光照空間分布相同。

表1 光質(zhì)組成

圖1 2R1B光譜圖Fig.1 2R1B spectrum

圖2 RBW1光譜圖Fig.2 RBW1 spectrum

圖3 RBW2光譜圖Fig.3 RBW2 spectrum

圖4 RBF光譜圖Fig.4 RBF spectrum

LED驅(qū)動(dòng)電路部分采用四路帶有電流控制功能的Buck恒流驅(qū)動(dòng)電路，分別控制紅、遠(yuǎn)紅、藍(lán)、暖白光LED支路的電流來(lái)調(diào)節(jié)亮度，從而實(shí)現(xiàn)定量精確補(bǔ)光。各支路的驅(qū)動(dòng)電流為持續(xù)穩(wěn)定電流，無(wú)頻閃。嵌入式控制部分按預(yù)設(shè)光質(zhì)比設(shè)置各光質(zhì)支路的電流值參考值，進(jìn)行數(shù)字PID調(diào)節(jié)，計(jì)算對(duì)應(yīng)支路Buck變換器的控制信號(hào)占空比，實(shí)現(xiàn)四路恒流驅(qū)動(dòng)輸出。

1.3 取樣與測(cè)定方法

試驗(yàn)主要研究LED不同光質(zhì)對(duì)櫻桃蘿卜生長(zhǎng)發(fā)育的影響，在定植后每5 d用最小刻度為0.1 cm的刻度尺測(cè)量每株櫻桃蘿卜的株高，在長(zhǎng)出真葉后每5 d測(cè)量每株櫻桃蘿卜最大葉長(zhǎng)與葉綠素，最大葉長(zhǎng)用游標(biāo)卡尺測(cè)量，其中，測(cè)量葉綠素含量時(shí)選取植株上具有代表性的2片葉，用SPAD-502PLUS測(cè)定葉綠素含量，取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。櫻桃蘿卜成熟后，整株取出，將根系洗凈，測(cè)定真葉數(shù)，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量根長(zhǎng)和冠長(zhǎng)等形態(tài)指標(biāo)，利用分析天平測(cè)定櫻桃蘿卜根冠總鮮重、根鮮重和冠鮮重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用EXCEL軟件計(jì)算各組平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，采用IBM SPSS Statistics 26軟件的單因素方差分析(ANOVA)的新復(fù)極差法(Duncan)比較差異顯著性，用EXCEL作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 LED光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜地上部生長(zhǎng)及生物量的影響

表2給出了播種29d后櫻桃蘿卜的真葉數(shù)量、冠長(zhǎng)和冠鮮重，在紅、遠(yuǎn)紅、藍(lán)、暖白光四種不同強(qiáng)度光配比LED光照射下，播種29d后櫻桃蘿卜真葉數(shù)和冠長(zhǎng)均無(wú)顯著差異。

表2 播種29d后光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜真葉數(shù)量、冠長(zhǎng)、冠鮮重的影響

RBW2處理下冠鮮重最大，含有的生物量最多，顯著高于RBF處理，同時(shí)真葉數(shù)也最大，因此RBW2處理顯著增加了地上部鮮重；RBW2處理的冠鮮重略高于2R1B和RBW1處理，考慮到RBW2的紅光比例最高，說(shuō)明在紅光絕對(duì)量相同的情況下，高比例的紅光能夠適當(dāng)增加冠鮮重；2R1B、RBW1和RBW2處理冠鮮重?zé)o顯著差異，說(shuō)明白光對(duì)冠鮮重影響不顯著。而2R1B處理的冠長(zhǎng)最短，RBF處理的冠長(zhǎng)最高，RBF僅在2R1B基礎(chǔ)上添加了遠(yuǎn)紅光，但是遠(yuǎn)紅光處理后冠長(zhǎng)增加，冠鮮重顯著減少，說(shuō)明含遠(yuǎn)紅光處理的櫻桃蘿卜植株徒高，其含有的生物量卻很少。因此，光質(zhì)配比顯著影響冠鮮重，對(duì)真葉數(shù)和冠長(zhǎng)無(wú)顯著影響，高比例紅光能適當(dāng)增加冠鮮重，白光對(duì)冠鮮重?zé)o顯著影響，遠(yuǎn)紅光使冠長(zhǎng)徒高而所含生物量少。

2.2 LED光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜地下部生長(zhǎng)及生物量的影響

由表3可以看出，RBW2處理的根長(zhǎng)最長(zhǎng)，因此根鮮重也最大，與上述RBW2處理的冠鮮重最大結(jié)論一致；RBF處理的根長(zhǎng)顯著低于其他三個(gè)處理，根鮮重也最低，所含生物量最少，與上述RBF處理的冠鮮重最低結(jié)論一致；2R1B、RBW1、RBW2處理的根長(zhǎng)差異不顯著，說(shuō)明白光對(duì)根長(zhǎng)無(wú)顯著性影響。RBW2處理的根鮮重顯著高于其他三個(gè)處理；RBW1處理的根鮮重顯著低于2R1B處理和RBW2處理，考慮到RBW1處理的紅藍(lán)比最低，由此可以得出紅藍(lán)比例過(guò)低不利于根部生物量積累；RBF處理的根鮮重最低， 說(shuō)明遠(yuǎn)紅光也不利于根部生物量積累。不同光照處理對(duì)根冠總鮮重影響顯著，因?yàn)镽BW2下根鮮重和冠鮮重均最高，所以其根冠總鮮重也顯著高于其他三個(gè)處理，所含生物量最高；RBW1處理的根冠總鮮重顯著低于2R1B處理和RBW2處理，考慮到前面2R1B、RBW1、RBW2處理的冠鮮重?zé)o顯著差異，得出這是RBW1下的低紅藍(lán)比不利于根部生物量積累所致；RBF處理的根冠總鮮重最低。2R1B和RBW1處理的根冠比差異顯著，和RBW2處理的根冠比差異不顯著，又考慮到2R1B和RBW1處理藍(lán)光絕對(duì)量相同，2R1B和RBW2處理紅光絕對(duì)量相同且高于RBW1處理，說(shuō)明在無(wú)遠(yuǎn)紅光的情況下，紅光影響根冠比，紅光比例越高，根冠比越高；RBF處理的根冠比最低。因此，由2R1B、RBW1和RBW2三者比較可知，紅光比例過(guò)低不利于根系生長(zhǎng)，藍(lán)光對(duì)根系促進(jìn)作用不如紅光明顯；由2R1B和RBF二者比較可知，遠(yuǎn)紅光阻礙櫻桃蘿卜根系生長(zhǎng)。方差分析結(jié)果表明，不同光質(zhì)處理對(duì)根冠總鮮重、根鮮重影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)根冠比影響達(dá)到顯著性水平(P<0.05)?？偟膩?lái)說(shuō)，高比例紅光能促進(jìn)櫻桃蘿卜地下部生物量積累，高比例藍(lán)光不利于地下部生長(zhǎng)，遠(yuǎn)紅光抑制地下部生長(zhǎng)。

表3 光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜根系、根冠總鮮重、根冠比的影響

2.3 LED光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜株高的影響

如圖5所示，培養(yǎng)10d和15d時(shí)，各處理株高差異不顯著，RBF處理的株高已有超過(guò)同期其他處理株高的趨勢(shì)；到25d時(shí)RBF和RBW2處理的植株生長(zhǎng)相對(duì)較快，RBF處理的株高最高，RBW2處理的株高僅次于RBF處理，2R1B處理的株高最低，RBW1和RBW2處理的株高均高于2R1B處理，說(shuō)明白光對(duì)株高有促進(jìn)作用；RBW2處理的株高又高于RBW1處理，考慮到RBW2處理的紅藍(lán)光比例高于RBW1處理，因此紅藍(lán)比例高對(duì)株高有促進(jìn)作用。

綜上，遠(yuǎn)紅光處理對(duì)櫻桃蘿卜株高影響顯著，白光、高比例紅光和遠(yuǎn)紅光促進(jìn)櫻桃蘿卜地上部分增高，遠(yuǎn)紅光的促進(jìn)增高作用更明顯。

圖5 光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜株高的影響Fig.5 The effects of light quality ratio on plant height of cherry radish注：短線表示標(biāo)準(zhǔn)誤差，以下圖同。

2.4 LED光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜最大葉長(zhǎng)的影響

如圖6所示，13～28 d除RBF處理，各光質(zhì)處理最大葉長(zhǎng)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，RBW1處理和RBW2處理的最大葉長(zhǎng)均保持大于2R1B處理，說(shuō)明白光對(duì)最大葉長(zhǎng)有促進(jìn)作用；RBW2處理的最大葉長(zhǎng)均保持大于2R1B處理，因此低比例藍(lán)光更有利于葉片伸長(zhǎng)。13～23 d時(shí)各處理最大葉長(zhǎng)無(wú)顯著差異，13 d時(shí)RBF最大葉長(zhǎng)最大，18～28 d時(shí)RBW2處理的最大葉長(zhǎng)最大，18 d各處理最大葉長(zhǎng)相比于13 d處理有較大增長(zhǎng)，分別平均增長(zhǎng)了60.0%，83.2%，80.8%和63.6%，23 d各處理最大葉長(zhǎng)與18 d處理相比增長(zhǎng)緩慢，除了RBF處理，其他處理28 d時(shí)最大葉長(zhǎng)均高于23d處理，RBF處理下的葉片在23～28 d開(kāi)始萎縮，到28 d時(shí)RBF處理顯著低于其他三個(gè)處理。綜合比較，白光和低比例藍(lán)光都有利于葉片伸長(zhǎng)，低比例藍(lán)光RBW2處理促進(jìn)作用更明顯，遠(yuǎn)紅光對(duì)葉片早期伸長(zhǎng)有較大促進(jìn)作用，后期遠(yuǎn)紅光處理的葉片最先開(kāi)始萎縮。

2.5 LED光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜葉綠素含量的影響

如圖7所示，不同光質(zhì)處理對(duì)櫻桃蘿卜葉綠素含量有顯著影響，主要表現(xiàn)為13 d時(shí)2R1B處理下葉綠素最高，18～28 d內(nèi)RBW2處理的葉綠素最高，RBW1處理的葉綠素含量均低于2R1B處理，說(shuō)明低比例紅光不利于葉綠素合成。13～23 d內(nèi)2R1B和RBW1處理的葉綠素含量均持續(xù)下降，分別下降了10.0%和12.4%，與光照23 d的葉綠素相比，2R1B和RBW1處理28 d的葉綠素含量均有所回升，但仍略低于13 d處理的葉綠素含量；13～28 d內(nèi)RBW2下的葉綠素含量呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢(shì)，13 d時(shí)RBW2處理顯著低于2R1B處理，到23 d時(shí)顯著高于2R1B處理，在28 d時(shí)高于其他處理，說(shuō)明低比例藍(lán)光對(duì)葉片葉綠素含量有延遲促進(jìn)作用。RBF下的葉綠素含量持續(xù)下降，28 d時(shí)RBF處理的葉綠素含量低于其他光質(zhì)處理，說(shuō)明遠(yuǎn)紅光抑制葉綠素合成，與RBF下植株徒高，根鮮重低結(jié)論一致。13～28 d內(nèi)各光質(zhì)處理的葉綠素含量均有下降趨勢(shì)，除RBW2處理，28 d各光質(zhì)處理的葉綠素含量均低于13 d處理。28 d時(shí)2R1B和RBW2處理葉綠素含量近似相等，均顯著高于RBW1處理，而2R1B和RBW2處理紅光比例相等，均高于RBW1處理，2R1B和RBW1處理藍(lán)光比例相等，說(shuō)明高比例紅光促進(jìn)葉綠素合成，藍(lán)光促進(jìn)作用不明顯。因此，高比例紅光促進(jìn)葉綠素合成，低比例藍(lán)光延遲促進(jìn)葉綠素含量增長(zhǎng)，遠(yuǎn)紅光抑制葉綠素合成。

圖6 光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜最大葉長(zhǎng)的影響Fig.6 The effects of light quality ratio on largest leaf length of cherry radish

圖7 光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜葉綠素的影響Fig.7 The effects of light quality ratio on chlorophyll content of cherry radish

2.6 LED光質(zhì)配比對(duì)櫻桃蘿卜總體長(zhǎng)勢(shì)的影響

如圖8所示，RBW2處理下櫻桃蘿卜膨大率最高，2R1B處理膨大率次之，RBW1較少膨大，說(shuō)明紅藍(lán)光比例越高，膨大率越高。29 d時(shí)RBF處理葉子已有萎縮趨勢(shì)，且?guī)缀鯚o(wú)膨大，說(shuō)明遠(yuǎn)紅光使櫻桃蘿卜提早枯萎且抑制根部膨大。

圖8 29 d時(shí)不同光質(zhì)配比處理櫻桃蘿卜植株形態(tài)Fig.8 The plant morphology of cherry radish under different lignt quaity ratios for 29 days

3 討論與結(jié)論

綜上所述，不同光質(zhì)處理對(duì)櫻桃蘿卜早期真葉數(shù)和冠長(zhǎng)影響不顯著，高比例紅光能適當(dāng)增加冠鮮重，顯著提高葉片葉綠素含量、根長(zhǎng)、根鮮重和根冠比，有利于生物量積累，白光促進(jìn)地上部增高，白光和低比例藍(lán)光促進(jìn)葉片伸長(zhǎng)，低比例藍(lán)光延遲促進(jìn)葉綠素含量增長(zhǎng)，高比例藍(lán)光和遠(yuǎn)紅光會(huì)抑制根系生長(zhǎng)和葉綠素合成，遠(yuǎn)紅光還會(huì)導(dǎo)致植株徒高，株高和冠長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，而所含生物量少，前期葉片增長(zhǎng)較快，后期最先萎縮，RBW2處理的櫻桃蘿卜所含生物量顯著高于其他光質(zhì)處理。

黃啟良等[9]、陳冰星等[10]、CRAKER等[11]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)光照高比例的紅光可以促進(jìn)櫻桃蘿卜肉質(zhì)根的形成，光照強(qiáng)度對(duì)貯藏器官發(fā)育有很大影響，這與本文研究結(jié)果一致。說(shuō)明高比例紅藍(lán)光有利于根部膨大增粗，藍(lán)光比例過(guò)高會(huì)抑制櫻桃蘿卜生長(zhǎng)。

RBW1和2R1B藍(lán)光比例相同，2R1B中部分紅光用白光代替，紅光比例降低，櫻桃蘿卜地下部生長(zhǎng)明顯不如2R1B處理；RBW2和2R1B紅光比例相同，2R1B中部分藍(lán)光用白光代替，藍(lán)光比例降低，RBW2處理結(jié)果要優(yōu)于2R1B處理。RBW1處理和RBW2處理地上部分長(zhǎng)勢(shì)均優(yōu)于2R1B處理，白光對(duì)地上部生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用。

白光有利于櫻桃蘿卜早期地上部增高和葉片生長(zhǎng)，高紅藍(lán)比RBW2處理有利于櫻桃蘿卜早期地下部生長(zhǎng)、葉綠素合成與生物量積累，低紅藍(lán)比RBW1不利于肉質(zhì)根膨大，遠(yuǎn)紅光使植株徒高而含生物量少，抑制肉質(zhì)根膨大和葉綠素合成。