林坤明，劉文科，劉家源，陳艷琦

(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)

引言

蔬菜生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，不僅滿足了人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?，還給菜農(nóng)們帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。蔬菜育苗是蔬菜生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，幼苗的質(zhì)量對定植后蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)至關(guān)重要[1]。傳統(tǒng)育苗方式受惡劣天氣的影響，不可避免地面臨著幼苗生長緩慢、徒長、病蟲害等諸多挑戰(zhàn)[2]。隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展，利用人工光進(jìn)行蔬菜工廠化育苗具有育苗效率高、病蟲害少、易標(biāo)準(zhǔn)化等傳統(tǒng)蔬菜育苗方式難以比擬的優(yōu)勢。新一代LED光源較傳統(tǒng)光源具有節(jié)能高效、壽命長、環(huán)保耐用、體積小、熱輻射低、波長幅度小的特點(diǎn)[3]，能夠在植物工廠的環(huán)境下根據(jù)幼苗生長發(fā)育需要制定合適的光照配方，精確調(diào)控幼苗生理代謝過程，實(shí)現(xiàn)蔬菜育苗的無公害、標(biāo)準(zhǔn)化和快速生產(chǎn)，縮短育苗周期。

植物幼苗個(gè)體對光環(huán)境的變化十分敏感，幼苗期的品質(zhì)對于育苗來說至關(guān)重要。植物對光譜具有選擇性吸收的特性，不同波長的光能調(diào)控植物形態(tài)建成、光合作用和物質(zhì)代謝等生理活動。近年來，利用光質(zhì)調(diào)節(jié)蔬菜生長的研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，已有研究表明光質(zhì)對番茄[4-6]、茄子[7]、白菜[8，9]、辣椒[10，11]等園藝作物的生長發(fā)育具有重要的調(diào)控作用。前人研究表明：藍(lán)光通過降低植物體內(nèi)的IAA水平來抑制作物生長，紅光可以促進(jìn)植物子葉伸長，但抑制莖的過度生長[12]；增加光環(huán)境中的紅光比率，可以提高草莓葉片葉綠素含量，增加藍(lán)紫光比率可提高萵苣和番茄葉片的葉綠素含量，有利于作物光合作用生產(chǎn)[13，14]；紅光可通過抑制光合產(chǎn)物從葉中的輸出來增加葉片的淀粉積累[15]。

連續(xù)光照(Continuous Light，CL)是指區(qū)別于自然界原有的24 h光周期晝夜交替的光環(huán)境，給植物提供連續(xù)24 h的明暗條件[16]。連續(xù)光照延長了植物進(jìn)行光合作用的時(shí)間，也是植物工廠中除強(qiáng)光照射之外另一種增加光量子投入、促進(jìn)植物生長的有效手段。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)光照可以加速植物的生長、增加生物量、提高品質(zhì)[17-19]。辣椒作為光周期不敏感作物[20]，在連續(xù)光照環(huán)境下可以提高其生長。吳根良等[21]利用紅藍(lán)光組合與高光強(qiáng)延長光周期，以此提高辣椒的生長。但少有研究通過利用辣椒作物的光周期不敏感性進(jìn)行紅藍(lán)光連續(xù)光照育苗。光環(huán)境中光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期是相互聯(lián)系與制約，本試驗(yàn)在保持現(xiàn)日累積光照量(Daily Light Integral，DLI)相同的條件下，分別采用不同的光質(zhì)和光周期處理，來探究紅藍(lán)光連續(xù)光照對辣椒苗期生長的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以海豐23號牛角椒為試驗(yàn)對象，選擇飽滿、大小均勻、有光澤的種子，在55 ℃的溫水中浸泡15 min消毒處理。浸泡后將種子撈出洗凈，用清水浸泡8 h。用生菜育苗托盤，在網(wǎng)格上面鋪4層紗布，然后將浸泡后的種子均勻鋪在紗布上面，上面蓋2層紗布，用純水澆透。托盤里面加入50 ml的清水，以保證潮濕的環(huán)境。托盤放入28 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中，黑暗條件下催芽。每天觀察發(fā)芽情況，適當(dāng)補(bǔ)充水分，預(yù)計(jì)4 d可以出芽良好。育苗基質(zhì)配比為V(草炭)∶V(蛭石)∶V(珍珠巖)=3∶1∶1。營養(yǎng)液采用Hoagland營養(yǎng)液配方，營養(yǎng)液pH調(diào)為5.5～6.5，EC值調(diào)為1.5～1.8 mS/cm。每個(gè)處理下種植兩個(gè)品種辣椒，同一辣椒品種放入一個(gè)穴盤內(nèi)，穴盤規(guī)格為72孔，外觀尺寸為540 mm×280 mm×40 mm，密度為476 株/m2，株距為4.5 cm，穴盤洗凈晾干后使用。

當(dāng)種子“露白”后，選擇均勻健康種子用鑷子點(diǎn)播到穴盤中：①播種前將混合基質(zhì)均勻鋪在孔穴中，基質(zhì)距離上表面1 cm左右，穴盤每穴中的基質(zhì)要均勻、疏松，也不能出現(xiàn)中空，然后用“潮汐式”法將基質(zhì)澆透(所有用水均為蒸餾水)。②每穴輕輕播入1粒種子。播種時(shí)需注意種子應(yīng)平放在穴孔內(nèi)，不可豎立，避免出現(xiàn)“帶帽”出土。③用基質(zhì)覆蓋播種后的穴盤，用刮板刮去穴格上面多余的基質(zhì)，使穴格清晰可見。然后用“潮汐式”法澆透。澆水后，穴盤晾干10 min左右，以便基質(zhì)中的明水流完。④用保鮮膜(或黑布)將穴盤孔封住(2 d)，防止基質(zhì)水分蒸發(fā)過快(當(dāng)觀察到第一株苗出土?xí)r，撤去保鮮膜)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用LED紅藍(lán)光對辣椒進(jìn)行栽培，見表1，所有光照處理的DLI相等，均為15.552 mol/m2·d。明期時(shí)段為16：00—10：00，暗期時(shí)段為10：00—16：00。

表1 試驗(yàn)光照處理

處理一為常規(guī)光照(RB-NL)，明期光強(qiáng)為240 μmol·m-2·s-1，光質(zhì)為R∶B=4∶1(紅光∶藍(lán)光=4∶1，下同)，暗期光強(qiáng)為0 μmol·m-2·s-1。處理二為紅藍(lán)光連續(xù)光照(RB-CL)，光強(qiáng)和光質(zhì)均一直分別保持為180 μmol·m-2·s-1和R∶B=4∶1。處理三為純紅光連續(xù)光照(R-CL)，光強(qiáng)一直保持為180 μmol·m-2·s-1，光質(zhì)為R。處理四為純藍(lán)光連續(xù)光照(B-CL)，光強(qiáng)一直保持為180 μmol·m-2·s-1，光質(zhì)為B。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

分別在發(fā)芽后第15 d、20 d和25 d進(jìn)行破壞性測量。各處理組每個(gè)品種辣椒的穴盤中隨機(jī)選取生長一致的辣椒幼苗10株，用清水沖洗干凈，用量角器測定幼苗葉向值(葉柄和主莖的角度)，用直尺測量幼苗株高，用游標(biāo)卡尺測量幼苗莖粗(子葉下方1/3處的莖粗)，用電子天平分別稱地上部和地下部鮮重質(zhì)量，用葉面積儀測定葉面積，計(jì)算壯苗指數(shù)。然后，在105 ℃殺青25 min后72 ℃烘干48 h至恒重后稱總干重量。比葉重、壯苗指數(shù)的計(jì)算式為：比葉重=總?cè)~片重/總?cè)~面積；壯苗指數(shù)1=(莖粗/株高×總干重)×10；壯苗指數(shù)2=(莖粗/株高×總鮮重)×10。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 23軟件處理數(shù)據(jù)，用方差分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并運(yùn)用Duncan檢驗(yàn)法對顯著性差異(P<0.05)進(jìn)行多重比較，采用Origin 2021軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 LED紅藍(lán)光連續(xù)光照對辣椒苗生長形態(tài)的影響

本次試驗(yàn)處理期間，R-CL處理辣椒苗株高一直顯著高于其他處理[圖1(a)]。辣椒苗定值15 d時(shí)，除R-CL外，其他三個(gè)處理株高沒有明顯差異，隨著種植天數(shù)增加，差異逐漸體現(xiàn)，在種植25 d時(shí)，B-CL處理辣椒苗株高經(jīng)過一個(gè)快速增長期，株高僅次于R-CL處理下，然后是RB-CL處理，RB-NL處理下辣椒苗株高最低(圖2)。不同光處理下，辣椒苗莖粗差異相對較小[圖1(b)]。定值15 d時(shí)R-CL處理辣椒苗莖粗顯著高于其他處理，在20 d時(shí)各處理沒有表現(xiàn)明顯差異性，而在25 d時(shí)R-CL處理辣椒苗莖粗小于B-CL和RB-CL處理下，RB-NL處理下辣椒苗莖粗最小。

圖1 不同處理對辣椒苗株高和莖粗隨時(shí)間的變化情況的影響Fig.1 The effects of different treatments on seedling height and stem diameter of pepper注：圖中小寫字母表示處理間差異顯著性(p<0.05)，誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差。Notes：Small letters in the figure indicate the significance of differences between treatments (p<0.05)，and error lines indicate standard deviations.

2.2 LED紅藍(lán)光連續(xù)光照對辣椒苗葉片的影響

辣椒葉向值、葉面積直接影響植株的株型及對光能的利用和品種的生產(chǎn)潛力。由表2可知，R-CL處理下，辣椒苗葉向值顯著高于其他處理，其葉面積也最高，但其葉片重低于B-CL處理，最后通過方差分析發(fā)現(xiàn)該處理下比葉重顯著低于其他處理。B-CL和RB-Cl比葉重最高，其中B-CL處理下，葉向值顯著最低，葉片重顯著最高。說明B-Cl處理下，辣椒苗葉片光能利用率最高，其株型也更加利用后期生長。

表2 不同處理對辣椒苗葉片的影響(25 d)

2.3 LED紅藍(lán)光連續(xù)光照對辣椒苗干鮮重的影響

由表3、4可以發(fā)現(xiàn)，在辣椒苗種植15 d時(shí)，R-CL處理下辣椒苗快速增長，其地上部鮮重、總干鮮重均顯著高于其他處理，地下部除了RB-NL處理，其他處理間沒有差異。隨著種植時(shí)間的延長，R-Cl處理下辣椒苗生長增勢相比其他處理減緩，在25 d時(shí)，B-CL處理在地上部鮮重、地下部鮮重、總干鮮重均顯著高于其他處理，而RB-NL處理下各指標(biāo)均顯著最低。

表3 不同處理對辣椒苗地上部和地下部鮮重的影響

表4 不同處理對辣椒苗總鮮重和總干重的影響

2.4 LED紅藍(lán)光連續(xù)光照對辣椒苗壯苗指數(shù)的影響

由表5可知，壯苗指數(shù)1、2在辣椒苗種植前期各處理間差異較小，隨著種植時(shí)間的延長各處理間差異顯著增大。在15 d時(shí)，B-CL處理下辣椒苗壯苗指數(shù)1最高，而其他處理間則沒有明顯差異，這一結(jié)果和壯苗指數(shù)2類似；而在25 d時(shí)，辣椒苗壯苗指數(shù)1中，B-CL和RB-CL處理下壯苗指數(shù)1均表現(xiàn)最高，RB-NL和R-CL次之，壯苗指數(shù)2中各處理間差異更加明顯，其中B-CL處理下壯苗指數(shù)2顯著高于其他處理，然后是RB-CL、RB-NL，R-CL處理下壯苗指數(shù)2最低。

表5 不同處理對辣椒苗壯苗指數(shù)的影響

3 討論

CL增加了植物的光合作用和同化作用的時(shí)間，同時(shí)避免了暗期呼吸作用的消耗，從而增加了干物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的累計(jì)[22]。Kozai等[23]研究表明，CL促使番茄干重、鮮重及葉面積顯著提高；Zha等[24]研究CL對生菜的影響發(fā)現(xiàn)，與同光強(qiáng)正常光周期處理相比，CL下生菜地上部干鮮重較高，且生物量的提升依賴于比葉重而非葉面積，顯著促進(jìn)了生菜幼苗的生長。本研究表明，相比較常規(guī)光照，連續(xù)光照均可以有效促進(jìn)辣椒苗期生物量的積累。

Jishi等[25]測定了LED紅藍(lán)光交錯(cuò)照射對生菜生長的影響，發(fā)現(xiàn)DLI相同條件下，隨著單色藍(lán)光照射時(shí)間的增加，生菜葉片變長、產(chǎn)量增加。本研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)藍(lán)光照射下，辣椒苗地上部鮮重、地下部鮮重、比葉重和壯苗指數(shù)顯著高于其他處理，葉向值顯著低于其他處理。其中葉向值作為可以同時(shí)反映葉片“直”和“立”兩個(gè)特性的綜合指標(biāo)[26]。葉向值小，導(dǎo)致葉面向上伸展，整株占用空間面積小，更有利于光能利用和株間通風(fēng)。蒲高斌等[27]研究發(fā)現(xiàn)苗期照射藍(lán)光亦可以促進(jìn)番茄幼苗的生長，有利于培育壯苗，并認(rèn)為藍(lán)光照射下番茄幼苗光合速率顯著高于對照，原因可能是藍(lán)光促進(jìn)葉片氣孔開放，增加了胞間CO2濃度；白生文等[28]研究了藍(lán)光和紫光對辣椒幼苗生長生理的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)藍(lán)光處理下植株株高、干重、鮮重、光合速率、氣孔導(dǎo)度等顯著增高，其中植株干重、光合速率含量均在白光處理兩倍以上。楊振超等[29]試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光比例更高的處理組，辣椒幼苗光合性能顯著提高，更利于在植物工廠環(huán)境下生長。

綜上所述，連續(xù)光照促進(jìn)了辣椒苗生物量的積累，其中連續(xù)紅光處理下株高顯著上升，連續(xù)藍(lán)光處理下總干重、總鮮重、壯苗指數(shù)和比葉重均顯著上升，并且較低的葉向值表明連續(xù)藍(lán)光處理下辣椒苗的株型更好，更利于植物工廠育苗。