段青青，韓梅梅，譚月強，張自坤

（德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東德州 253015）

0 引言

光作為植物生長最主要的環(huán)境因子之一，調(diào)節(jié)植物器官的形態(tài)建成和組織分化，最終影響植物的生長發(fā)育[1]。近年來，發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)作為人工光源，在溫室蔬菜冬春季生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛。研究表明，紅藍混合光質(zhì)補光更貼近植物的生長需求[2]，能夠促進多種園藝作物的生長，從而提高產(chǎn)量并改善產(chǎn)品品質(zhì)[3-7]。碳水化合物作為植物光合作用的重要產(chǎn)物，是植物進行生命活動的主要能量來源，而光作為光合作用的能源驅(qū)動，直接或間接影響著植物的碳代謝。研究表明，紅光能夠促進陸地棉幼苗[8]和烤煙葉片[9]中淀粉、蔗糖的積累，而藍光能夠提高葡萄果實[10]和蝴蝶蘭組培苗[11]中淀粉、總糖、葡萄糖和果糖的含量。普遍認為，紅光比例增加有利于植株的碳代謝，而藍光比例增加促進了植株的氮代謝。前人研究表明，紅藍3:1的光質(zhì)提高了番茄[12]和煙草[13]葉片中的碳代謝水平及其相關(guān)酶的活性，而紅藍1:3的光質(zhì)提高了煙草葉片氮代謝的能力及其相關(guān)酶的活性[13]。藍光提高了大蔥碳代謝關(guān)鍵酶的活性和碳素的同化及總糖的積累，利于大蔥的生長[14]，但是降低了芹菜葉片的碳積累代謝及其植株產(chǎn)量[15]?？梢?，光質(zhì)對植物碳代謝的影響存在物種差異。除光質(zhì)外，補光時間也影響植株碳代謝的水平，隨著補光時間的延長，番茄幼苗的碳積累代謝減弱，碳轉(zhuǎn)化代謝增強[16]。關(guān)于光質(zhì)與補光時間的互作對植株碳代謝的影響至今未見報道。本研究以日光溫室甜椒為試材，研究補光光質(zhì)及補光時間互作對甜椒葉片生長及碳代謝的影響，以期為溫室甜椒生產(chǎn)的光環(huán)境調(diào)控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年11月—2018年2月在德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院平原科技創(chuàng)新園15號日光溫室進行。供試甜椒品種為‘奧黛麗’，采用穴盤基質(zhì)育苗，育苗基質(zhì)為草炭:珍珠巖:蛭石（體積比7:3:1），于2017年8月24日（苗齡45天）定植于日光溫室內(nèi)。

試驗光源為定制LED植物補光燈，購于惠州可道科技股份有限公司，單燈功率100 W，每盞燈由高亮度的紅色(R，630 nm)和藍色(B，460 nm)燈珠組成。

1.2 試驗設(shè)計

補光試驗采用二因素隨機區(qū)組設(shè)計，因素A為補光光質(zhì)，設(shè)紅光和藍光組合R:B=2:1(2R1B)、R:B=4:1(4R1B)和R:B=8:1(8R1B)3個光質(zhì)處理；因素B為補光時間，設(shè)補光2 h(18:00—20:00)、補光4 h(18:00—22:00)和補光8 h（18:00—次日02:00）3個補光時間；以不補光為對照(CK)，共計10個處理。每個處理設(shè)3次重復(fù)，每個重復(fù)為一個小區(qū)，每小區(qū)栽種90株，小區(qū)隨機排列。補光燈懸吊于溫室內(nèi)，不同小區(qū)間用遮光布進行隔離。

試驗補光光強設(shè)定為55 μmol/(m2·s)，通過調(diào)節(jié)光源與植物頂端的垂直距離，使各處理到達幼苗冠層的光量子通量密度相等，根據(jù)植株生長高度適時調(diào)整光源位置。光譜測定采用PLA-20植物光照分析儀（杭州遠方光電信息股份有限公司，中國），各處理光質(zhì)光譜分布見圖1，補光時間由定時器控制。

圖1 不同光質(zhì)的光譜分布圖

補光自11月1日開始，此時植株處于初果期，株高(50±2)cm，莖粗(10±1)mm，葉片（葉長＞2 cm）數(shù)(55±3)片，補光至2018年1月30日結(jié)束，補光周期90天。

1.3 測定項目與測定方法

補光90天后進行指標測定，3次重復(fù)。每處理選取5株植株，記錄葉片數(shù)，用直尺測量葉片的葉長和葉寬，根據(jù)劉浩等[8]的葉片乘積回歸模型，計算單葉葉面積；葉片烘干后稱干重，計算比葉重[式(1)]；葉面積指數(shù)按照王玨等[9]的方法進行計算；選擇相同位置的功能葉片（頂端生長點往下第6片葉）采用80%丙酮浸提法葉測定綠素含量；葉片生物量凈積累速率(net assimilation rate，NAR)按照式(2)計算[19]。

式中，W1、L1是第T1天的葉片干重和葉面積，W2、L2是第T2天的葉片干重和葉面積。

烘干后的葉片粉碎后過篩，采用凱氏定氮法測全氮含量，采用鉬銻抗比色法測全磷含量，采用火焰光度法測全鉀含量，采用原子吸收光譜法測定鈣、鎂含量[20]。

葉片烘干粉碎過篩后測定糖類物質(zhì)含量。葉片總糖含量用間苯二酚法測定，蔗糖和果糖含量采用蒽酮比色法測定[21]，淀粉含量用高氯酸法測定[22]。按照Nielsen等[23]的方法測定酸性轉(zhuǎn)化酶(acid invertase，AI)、中性轉(zhuǎn)化酶(neutral invertase，NI)活性；蔗糖合成酶(sucrose synthase，SS)、蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)活性以生成1 μmol/(mg·min)蔗糖為1個酶活力單位，按照寧宇等[15]的方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理，用IBM SPSS-Statistics 21.0（SPSS Inc，美國）統(tǒng)計軟件進行方差分析，差異顯著性分析采用Tukey法進行檢驗(P＜0.05)，OriginPro 8.1軟件作圖。主成分分析采用IBM SPSS-Statistics 21.0軟件完成，先將所有指標的數(shù)據(jù)進行標準化，根據(jù)標準化后的數(shù)據(jù)矩陣求出相關(guān)系數(shù)矩陣R，再求出R矩陣的特征根和特征向量，提取確定主成分。

2 結(jié)果與分析

2.1 補光時間及光質(zhì)對甜椒葉片生長的影響

由表1可知，光質(zhì)對甜椒植株的葉片數(shù)影響顯著，4R1B、8R1B光質(zhì)處理的葉片數(shù)顯著多于CK，2R1B光質(zhì)處理2、4 h的葉片數(shù)與CK差異不顯著，但補光8 h的葉片數(shù)顯著低于CK。葉面積指數(shù)的變化趨勢與總?cè)~面積相同，即光質(zhì)8R1B和4R1B處理2、8 h的總?cè)~面積和葉面積指數(shù)顯著大于CK，其余處理與CK無顯著差異。光質(zhì)8R1B處理2、4、8 h和4R1B處理4、8 h的比葉重顯著大于CK，光質(zhì)2R1B處理8 h的比葉重顯著低于CK，其余處理與CK無顯著差異。光質(zhì)4R1B、8R1B處理的葉綠素總量顯著高于CK，而2R1B處理的葉綠素總量與CK差異不顯著。生物量凈積累速率反映了植株葉片的干物質(zhì)積累情況，與CK相比，補光處理顯著增加了甜椒植株的生物量凈積累速率，光質(zhì)8R1B處理的生物量凈積累速率較高，光質(zhì)2R1B處理的生物量凈積累速率較低，從補光時間看，補光8 h的生物量凈積累速率顯著高于補光2 h。方差分析結(jié)果顯示，光質(zhì)對甜椒葉片的生長影響顯著，而補光時間對甜椒葉片數(shù)、總?cè)~面積、比葉重和葉綠素總量無顯著影響，但對葉面積指數(shù)和生物量凈積累速率的影響顯著，光質(zhì)與補光時間對甜椒葉片的生長存在顯著的交互作用，光質(zhì)8R1B補光8 h對甜椒葉片生長的促進作用較顯著。

表1 補光時間及光質(zhì)對甜椒葉片生理指標的影響

2.2 補光時間及光質(zhì)對甜椒葉片養(yǎng)分含量的影響

補光對甜椒葉片不同種類元素含量的影響趨勢有差異。由表2可知，補光對甜椒葉片氮、磷含量的影響不顯著，但顯著影響了鉀、鈣、鎂的含量。補光降低了葉片中的鉀含量，除2R1B補光2 h和8R1B補光4 h的鉀含量與CK無顯著差異外，其余處理鉀含量顯著低于CK。補光對葉片鈣含量的影響不明顯，除2R1B、8R1B補光8 h處理的鈣含量顯著低于CK外，其余處理的鈣含量與CK差異不顯著。補光對葉片鎂含量影響較大，8R1B補光2 h的鎂含量最低，顯著低于CK及其他處理，2R1B補光2、4 h和4R1B補光2、8 h的鎂含量與CK差異不顯著，其余處理的鎂含量顯著高于CK。方差分析結(jié)果顯示，光質(zhì)對甜椒葉片氮、磷、鉀、鎂含量的影響不顯著，顯著影響了鈣含量；補光時間對氮、磷含量無顯著影響，但對鉀、鈣、鎂含量的影響顯著；光質(zhì)與補光時間對葉片鉀、鈣、鎂含量的影響存在顯著的交互作用，2R1B補光2 h和8R1B補光4 h有利于葉片鉀、鈣、鎂含量的積累。

表2 補光時間及光質(zhì)對甜椒葉片元素含量的影響

2.3 補光時間及光質(zhì)對甜椒葉片碳代謝的影響

2.3.1 對碳轉(zhuǎn)化與積累的影響 補光對甜椒葉片中糖含量的影響顯著。由表3可知，光質(zhì)4R1B、8R1B補光處理的總糖含量均顯著高于CK；2R1B補光2、4 h的總糖含量與CK無差異，補光8 h的總糖含量最低，顯著低于CK。光質(zhì)4R1B補光2、4、8 h和光質(zhì)8R1B補光8 h的果糖含量顯著高于CK，光質(zhì)2R1B補光4 h和光質(zhì)8R1B補光2、4 h的果糖含量與CK無差異，其余處理顯著低于CK。補光對甜椒葉片蔗糖含量的影響較小，除8R1B補光4、8 h的蔗糖含量顯著高于CK外，其余處理均與CK無顯著差異。光質(zhì)4R1B、8R1B補光2 h的淀粉含量與CK無差異，但補光4、8 h的淀粉含量顯著高于CK，2R1B處理的淀粉含量均顯著低于CK。方差分析結(jié)果顯示，光質(zhì)對甜椒葉片總糖、果糖、蔗糖、淀粉含量的影響顯著，8R1B和4R1B處理的糖含量較高，2R1B處理的糖含量較低；補光時間也顯著影響了糖含量的變化，總體上看，補光8 h的糖含量較高，補光2 h的糖含量較低；光質(zhì)與補光時間對葉片糖含量的影響存在顯著的交互作用，光質(zhì)8R1B補光8 h最有利于葉片有機碳的轉(zhuǎn)化和糖的積累。

表3 補光時間及光質(zhì)對甜椒葉片糖含量的影響

2.3.2 對碳代謝關(guān)鍵酶活性的影響 補光顯著影響了甜椒葉片中的碳代謝相關(guān)酶的活性。由表4可知，光質(zhì)4R1B、8R1B補光處理的AI、NI和SS活性均顯著高于CK，光質(zhì)2R1B處理的AI、NI、SS和SPS活性與CK無顯著差異。光質(zhì)4R1B和8R1B補光2 h的SPS活性與CK差異不顯著，但補光8 h的SPS活性顯著高于CK。從補光時間上看，補光2 h的AI、NI、SS和SPS活性較低，補光8 h的AI、NI、SS和SPS活性較高，尤其是光質(zhì)4R1B、8R1B補光8 h的AI、NI、SS和SPS活性顯著高于補光2 h。方差分析結(jié)果顯示，光質(zhì)與補光時間對葉片AI、NI、SS和SPS活性的影響存在顯著的交互作用，光質(zhì)8R1B補光8 h處理下葉片蔗糖代謝最強，但與光質(zhì)4R1B處理8 h差異不顯著。

2.4 主成分分析

對甜椒葉片生長、元素含量、糖含量、碳代謝相關(guān)酶活性等指標進行主成分分析，結(jié)果顯示，不同補光光質(zhì)及補光時間處理間差異很大，在主成分1(PC1)和主成分2(PC2)上顯著分開（圖2A）。共篩選出2個主成分，PC1主要反映甜椒葉片生長（葉片數(shù)、總?cè)~面積、葉綠素總量、比葉重、葉面積指數(shù)、NAR）和碳代謝（總糖、果糖、蔗糖、淀粉含量和AI、NI、SS、SPS代謝酶）的信息，貢獻率為66.83%；PC2主要反映葉片元素含量(N、P、K、Ca、Mg)的信息，貢獻率為17.58%（圖2B）。葉片生長和碳代謝在PC1的主成分值顯示，與CK相比，光質(zhì)2R1B不利于葉片的生長和碳代謝，而光質(zhì)4R1B和8R1B顯著促進了甜椒葉片的生長和碳代謝水平（圖2C），其中光質(zhì)8R1B的促進效果更顯著；補光光質(zhì)與補光時間存在交互作用，光質(zhì)8R1B補光8 h甜椒葉片生長和碳代謝水平最高，光質(zhì)2R1B補光8 h葉片生長和碳代謝水平最低。葉片元素含量在PC2的主成分值顯示，補光2 h增加了葉片元素含量，補光時間與補光光質(zhì)之間存在交互作用，光質(zhì)8R1B補光8 h葉片元素含量的主成分值最低，光質(zhì)8R1B補光2 h葉片元素含量的主成分值最高（圖2D）。

3 討論

葉片的形態(tài)建成受光質(zhì)、光強、光周期的調(diào)控，進而影響植株的生長。藍光下大蔥葉片的鮮重和干物質(zhì)量高于紅光處理[24]。但是在添加白光的基礎(chǔ)上，紅光處理的韭菜葉寬和葉厚顯著高于藍光處理[25]。補光能顯著增加草莓、番茄的葉片數(shù)和葉面積[26-27]，且適當增加紅光比例有利于葉面積的增加[27-28]。比葉重的增加有益于光合速率的提升[29-30]，補充紅藍7:1的光質(zhì)能提高番茄的比葉重[29]，而6:1的紅藍光質(zhì)對越橘葉片比葉重的增加優(yōu)于紅藍3:1的光質(zhì)處理[30]。由此可見，光質(zhì)對植物葉片生長的影響存在物種差異，本試驗結(jié)果表明，光質(zhì)2R1B處理不利于甜椒葉片的生長，其葉片數(shù)、總?cè)~面積、比葉重、葉面積指數(shù)和葉綠素總量顯著低于CK或與CK無差異；而光質(zhì)4R1B和8R1B處理的葉片數(shù)、總?cè)~面積、比葉重、葉面積指數(shù)、葉綠素總量和生物量凈積累速率高于CK，且在補光時間一致時，8R1B處理的葉片數(shù)、總?cè)~面積、比葉重、葉面積指數(shù)、葉綠素總量和生物量凈積累速率高于4R1B處理，說明適當增加紅光比例能夠促進甜椒葉片的生長，這與前人的研究結(jié)果[27-28]一致。從補光時間上看，補光8 h處理的葉片生長優(yōu)于補光2 h，但效果因光質(zhì)不同有差異，當藍光比例增大（2R1B處理）時，補光8 h不利于葉片生長。補光光質(zhì)與補光時間存在交互作用，光質(zhì)8R1B補光8 h對甜椒葉片生長的促進作用較顯著。

LED補光除了能夠影響葉片的生長，還對葉片營養(yǎng)元素的含量有一定的調(diào)節(jié)作用[10]。紅藍比例7:3處理的生菜葉片的氮、磷、鉀、鈣、鎂含量顯著高于自然光對照[32]，但是補充紅藍比例3:1或1:1的光質(zhì)對萬壽菊的磷、鉀、鈣、鎂含量與自然光相比沒有顯著變化[33]。藍光處理的甜椒葉片中氮和磷的含量顯著高于對照，但紅光處理的甜椒葉片中鉀的含量顯著高于對照[34]。本研究結(jié)果顯示，補光對甜椒葉片氮、磷含量的影響不顯著，但顯著影響了鉀、鈣、鎂的含量。與CK相比，補光處理的鉀和鈣含量顯著降低或差異不顯著，而光質(zhì)2R1B、8R1B補光8 h和光質(zhì)4R1B、8R1B補光4 h的鎂含量顯著高于CK，其余與CK無差異，這與前人的研究結(jié)論不完全一致[32-33]，可能是植物種類、光質(zhì)配比、補光時間等不同造成的。補光時間對氮、磷含量的影響不顯著，但總體上補光8 h處理不利于鉀、鈣元素的吸收，這是因為試驗在甜椒坐果期進行，補光促進了營養(yǎng)元素向果實的轉(zhuǎn)移，因此導(dǎo)致葉片中元素含量的降低[35-36]；補光8 h增加了葉片中鎂的含量，可能與鎂是葉綠素的主要組成部分有關(guān)[37]，這可能也是補光8 h甜椒葉片中葉綠素含量較高的原因。主成分分析結(jié)果顯示，補光2 h有利于增加葉片元素含量，而補光8 h則相反。

植物碳代謝分碳的同化、碳水化合物的運輸轉(zhuǎn)化、碳的積累3個階段[25]。本研究中，光質(zhì)2R1B處理不利于糖的積累，總糖、果糖、蔗糖和淀粉含量總體上低于CK，但AI、NI、SS和SPS活性與CK無顯著差異，這可能是因為藍光比例增加有助于同化產(chǎn)物向果實分配，因此葉片中的糖含量降低[35-36]。光質(zhì)4R1B和8R1B處理糖的總糖、果糖、蔗糖和淀粉含量顯著高于CK，AI、NI、SS和SPS活性也顯著高于CK，說明適當增加紅光比例有助于碳的同化、轉(zhuǎn)化和積累代謝[15]。前人研究表明，隨著補光時間的延長，番茄葉片的總糖和蔗糖含量逐漸降低，而淀粉含量逐漸增加[16]。本試驗中，補光光質(zhì)與補光時間對甜椒葉片的糖含量及相關(guān)酶活性存在交互作用，除2R1B處理外，光質(zhì)4R1B和8R1B處理的總糖、果糖、蔗糖、淀粉含量和AI、NI、SS、SPS活性均隨著補光時間的延長逐漸增加，這可能與延長補光時間提高了葉片的光化學(xué)效率和最大凈光合速率有關(guān)[38]，還有待一步研究證實。葉片生長和碳代謝在PC1的主成分值顯示，光質(zhì)2R1B不利于葉片的生長和碳代謝，而光質(zhì)4R1B和8R1B顯著促進了甜椒葉片的生長和碳代謝水平，其中光質(zhì)8R1B的促進效果更顯著。

4 結(jié)論

光質(zhì)與補光時間能顯著影響甜椒葉片的生長、元素含量的變化、糖含量及碳代謝相關(guān)酶活性，且兩者之間存在交互作用。光質(zhì)對甜椒葉片元素含量的影響不大，但光質(zhì)2R1B處理不利于葉片的生長及碳代謝，而光質(zhì)4R1B和8R1B處理的葉片數(shù)、總?cè)~面積、葉綠素總量、生物量凈積累速率、總糖含量及AI、NI和SS活性顯著高于CK，且8R1B處理表現(xiàn)更好，說明紅光比例增大有利于甜椒葉片的生長和碳代謝；補光時間顯著影響了葉片的生長、元素含量及碳代謝，總體來說，補光2 h不利于葉片的生長及碳代謝，但對葉片元素含量的增加有利，補光8 h顯著促進了甜椒葉片的生長及碳代謝水平。綜上，光質(zhì)8R1B補光8 h對促進甜椒葉片的生長、營養(yǎng)元素的吸收及碳代謝水平的提升表現(xiàn)最好。