不同光强下红蓝光配比对樱桃萝卜生长与产量的影响.pdf

中国农业气象（ Chinese Journal of Agrometeorology） 2018年 doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2018.03.003 查凌雁 ,刘文科 .不同光强下红蓝光配比对樱桃萝卜生长与产量的影响 J.中国农业气象 ,2018,39(3):162- 167 不同光强下红蓝光配比对樱桃萝卜生长与产量的影响 *查凌雁，刘文科 *（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 /农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081） 摘要： 采用 LED光源在室内可控环境下设置 3种光照强度（ 180、 240、 300molm - 2 s - 1 ）和 2种红蓝光配比 （ 1R:1B、 2R:1B），以研究不同光强和红蓝光配比组合对樱桃萝卜真叶数、叶绿素含量、肉质根形态以及干鲜 重的影响。结果表明，光强为 180molm - 2 s - 1 时， 2R:1B处理的新叶叶绿素含量略高于 1R:1B处理，但地上 部鲜重却略低于 1R:1B处理， 其它生长指标不同光质处理间无显著差异。 光强为 240molm - 2 s - 1 时， 相比 1R:1B 处理， 2R:1B处理显著提高了樱桃萝卜的新叶叶绿素含量、地上部干鲜重、根直径、根体积、肉质根干鲜重 以及干鲜根冠比（ P 0.05）。光强 300molm - 2 s - 1 时， 2R:1B处理的新叶叶绿素含量略低于 1R:1B处理，但 地上部干鲜重显著高于 1R:1B处理（ P 0.05），其它指标无显著差异。相同红蓝光配比下，樱桃萝卜新叶叶 绿素含量、根直径、根体积、肉质根干鲜重及根冠比均随着光强的增加而增加。地上部干鲜重随光强增加的 变化因光质而异。总之，一定强度的 LED红蓝光质是植物工厂樱桃萝卜高产的光环境基础，并且光强高于一 定水平时适宜的红蓝光配比对其生长具有显著促进作用。 关键词： 人工光植物工厂； LED；光环境；根菜；生物量 Effects of Red/Blue Light Ratio with Different Light Intensity on Growth and Yield of Cherry Radish ZHA Ling-yan, LIU Wen-ke （ Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081） Abstract: Two light quality treatments of various red/blue light ratios (1R:1B and 2R:1B) and three light intensity (180, 240, 300molm - 2 s - 1 ) treatments were designed to investigate the effects of red/blue light ratio and light intensity on growth and yield of cherry radish grown in environmentally-controlled chamber with LED light source. The results showed that light quality of 2R:1B presented higher new leafy chlorophyll content and lower shoot fresh weight than 1R:1B when cherry radish grown under 180molm - 2 s - 1 . But there were no significant differences in other growth indices between two red/blue light ratio treatments. 2R:1B treatment significantly improved new leafy chlorophyll content, fresh and dry weight of shoot and root, root diameter, root volume and root to shoot ratio compared with 1R:1B under 240molm - 2 s - 1 . When light intensity was 300molm - 2 s - 1 , 2R:1B treatment had slightly lower new leafy chlorophyll content and slightly higher fresh and dry weight of shoot. Under the same red/blue light ratio, the new leafy chlorophyll content, root diameter and fresh, dry weight of root increased with the increment in light intensity. The variation of shoot fresh and dry weight with light intensity depend on light quality. To conclude, suitable light quality and light intensity level are basis for high-efficient production of cherry radish, and appropriate red/blue light ratio could improve the growth of cherry radish significantly when light intensity *收稿日期： 2017- 06- 27 * 通讯作者。 E-mail: liuwenkecaas.cn 基金项目： 国家自然科学基金面上项目 （ 31672202）；“十二五” 国家高技术研究发展计划 （ 863计划） 课题 （ 2013AA103001） 作者简介：查凌雁（ 1991-），博士生，主要从事设施园艺光生物学研究。 E-mail: zhaly2013163.com 第 3期 查凌雁等：不同光强下红蓝光配比对樱桃萝卜生长与产量的影响 163 above a certain value. Key words: Plant factory with artificial light; LED; Light environment; Root vegetable; Biomass 植物工厂作为设施园艺的最高形式在生产中具 有露地栽培无法比拟的优势，例如能够避免外界环 境影响，实现周年连续生产，缩短生长周期，提高 产品的安全性及品质等。近年来， LED 作为一种更 有效的光源广泛应用于植物工厂 1 。 LED具有节能、 光谱精确、体积小、使用寿命长、可按需调制等优 点。 LED 植物工厂是植物工厂的发展方向，能通过 精确的光环境调控提高作物的产量和品质。小型植 物，如叶菜、芽苗菜、小型根菜、药用植物等更适 合植物工厂栽培，但目前 LED植物工厂主要培育种 植芽苗菜 2- 3 及叶菜类蔬菜 4- 6 。 且早期研究也多集中 在以生菜为主的叶类蔬菜的光照环境条件等 7- 9 。根 菜不仅在植物工厂中种植较少，且对其光环境调控 的研究报道也较少。樱桃萝卜是一种生长周期短， 株型矮小的根菜作物，其地上部及地下部均可食 用，营养丰富，经济价值高，非常适宜在植物工厂 中栽培。 光环境调控是人工光生产中提高产量和改善品 质的有效手段。光质、光强是光环境的关键组成部 分，二者均可对根菜作物的生长发育产生显著影响。 据早期报道，萝卜的形态显著依赖于光质，单独红 光下，萝卜不形成膨大根，根冠比低，但地上部生 长受光质影响较小 10- 11 。补充蓝光能够促进非结构 性碳水化合物在地上部和贮藏根的分配，从而促进 贮藏根的增粗 12 ，红光 LED补充 10%蓝色荧光能够 显著增加萝卜干重但仍无法达到萝卜的最大生长效 率 13 。但 Drozdova等 14 发现，在单独红光下，萝卜 生长后期肉质根中也能积累大量的干物质。多个研 究表明，光照强度对根菜的肉质根生长发育有显著 影响 15- 18 。在 100 500molm - 2 s - 1 光强范围内，随 着光强的下降，根甜菜、胡萝卜、萝卜的贮藏根干 鲜重均显著降低，但不同光强下根甜菜、胡萝卜的 地上部鲜重维持不变，萝卜地上部干鲜重随光强降 低而降低，但其影响程度比根部轻 19 。 目前，有关纯红光和纯蓝光对萝卜生长影响的 研究较多，但关于红蓝组合光对萝卜生长影响的研 究报道甚少。 Cope等 16 利用含有其它光质的不同比 例红蓝光研究光质对萝卜生长的影响，发现随着蓝 光比例的增加，萝卜叶片中的叶绿素和干物质含量 均表现为先增加后降低的 趋 势，最高值 出 现在蓝光 比例为 20% 30%时 ， 但研究结 果 可能受其它光质的 影响。 另 一方 面 ，光质、光强 这两 个光环境 因子并 不是 相互 独 立 的，而是 共 同影响植物生长发育。不 同光强下，光质对植物的影响也 会 发生改变。例如 光强 100molm - 2 s - 1 时 ， 不同红蓝光比下生菜干重 差 异 不大，而光强 200和 300molm - 2 s - 1 时 ，蓝红比为 0.23 0.33时 生菜干重显著高于其它组合 20 。 但目前 关于不同光强下光质对萝卜生长影响的研究也鲜有 报道。为 了掌握 适宜樱桃萝卜生产的最 佳 光强和红 蓝光配比， 本试验采 用红蓝 LED作为光源，在前人 研究 基础 上设 置 3 种光照强度 （ 180、 240、 300molm - 2 s - 1 ） 和 2种红蓝光配比 （ 1R:1B、 2R:1B）， 通过 测定 樱桃萝卜的生物量等生长 指标 ， 探 究不同 红蓝光配比和光强对樱桃萝卜品种生长与产量的影 响。以 探索 多个光环境 因子 对樱桃萝卜的 共 同作用， 筛选出 适宜樱桃萝卜生长发育的人工光生产的光环 境条件，以更低的能量 投入 实现樱桃萝卜在植物工 厂的优质高产。 1 材料与方法 1.1 试验材料 试验 于 2016年 7月 在中 国农业 环境与可持续发 展研究 所 实 验室 进 行 ， 试验材料 为萝卜 （ Raphanus sativus L.） ，品种为 “ 常丰红 ” 樱桃萝卜。 2016年 7 月 4日播 种在培养 槽（ 长 38cm宽 18cm高 10cm） 中，栽培 基 质是 1:1均 匀混 合的 草炭 和 蛭石 ， 基 质 深 约 8cm。 出 苗后 5d 定 植， 每槽定 植 10株， 每槽每 天浇 水 200mL；定 植后 每隔 5d每槽喷洒 200mL营 养 液 。营养 液 配方 （ 20L） 为 硫酸钾 2.61g、 磷酸 二 氢钾 1.36g、氯 化 钾 0.149g、硫酸镁 3.2g、硝酸钙 11.8g、 EDTA-2Na 0.746g、 七 水合 硫酸亚铁 0.556g、 微 量 元 素 2mL。栽培 槽放置 在栽培 箱（ 长 60cm宽 60cm 高 60cm） 中部， 每箱放置 一个栽培 槽 ，栽培 箱顶 部 中 央悬挂 LED红蓝光组合 灯板（ 50cm50cm） ，红蓝 光主 波 长分 别 为 619nm和 548nm。红蓝 灯珠交错 分 布 ，且 每 种光质的强度可通过 旋钮 控制 电压 以实现 分 别 调节。实 验室室温保 持在 26 28 。 1.2 试验设计 试验 设 置 3个光强 处理 ，分 别 为光强 180、 240和 中 国 农 业 气 象 第 39卷 164 300molm - 2 s - 1 ；每 个光强下设 置 2种红蓝光组合的光 质 处理 ，红蓝光比例分 别 为 1R:1B和 2R:1B。 故试验 共包 含 6个 处理 ，分 别 表 示 为 1R:1B（ 180）、 2R:1B （ 180）、 1R:1B（ 240）、 2R:1B（ 240）、 1R:1B（ 300） 和 2R:1B（ 300）。 所 有 处理 的光照周期均为光期 16h， 暗 期 8h。 采 用光合有效 辐射计（ 3415F， LightScout， 美 国）测定 栽培 槽 上方 5cm处 光强，调 至试验所 需光强 及光质。以 处理 1R:1B（ 180） 为例，先通过调节 旋钮 将 蓝光光强 逐渐 调大 至 90molm - 2 s - 1 ， 再逐渐 调大红 光光强 直至总 光强为 180molm - 2 s - 1 。 1.3 项目测定与分析方法 定 植后 24d（ 萝卜膨大 盛 期 ）每 个 处理 随 机选择 长势均 匀 的 6株植株 测定真 叶 数 、叶绿素含量、根 长、根 直径 、根体积以及地上部和肉质根的干鲜重。 采 用 SPAD叶绿素 仪（ SPAD-502， Konica Minolta， 日本） 分 别测定 第 1、 2片 完 全展 开 的 新 叶和 老 叶的 叶绿素含量 ；选择游标卡尺测 量根长和根 直径 ，根 长为膨大形成肉质根部分的根 系 长度，根 直径 为肉 质根膨大最大 处横 向 直径 和 纵 向 直径 的 平 均值 ； 根 体积通过 浸 水法 测定； 从 茎基 部 将 地上部与肉质根 剪开 ，分 别称 量鲜重后 105烘箱 中 杀青 ， 80烘 48h至恒 重 称 量干重。 用 Excel2013进 行数 据分 析 。 采 用 SPSS16.0 进 行 方 差 分 析 和多重比较。 2 结果与分析 2.1 红蓝光配比及其光强对樱桃萝卜地上部生长的 影响 由 表 1可 见 ，不同强度 两 种红蓝光配比 LED照 射 下， 定 植 24d后樱桃萝卜叶片 数 均无显著 差异 ， 每棵 植株上 平 均有 3 4片叶 ； 叶 龄 较长的 老 叶叶绿 素含量 （ SPAD值 ） 不同 处理间 也无显著 差异 ，而 新 叶叶绿素含量不同 处理间 有一 定差异 。 各处理新 叶 中叶绿素含量最高达 49.4，最低为 38.5，表现 出 随 光强增强而增高的 特 点 （ P 0.01），但光强 相 同 时两 种红蓝光配比下 新 叶叶绿素含量无显著 差异 。表中 显 示 ，不同光强下 两 种红蓝光配比的地上部干、鲜 重有一 定差异 ，光强为 180molm - 2 s - 1 时 ， 两 种红蓝 光配比下樱桃萝卜地上部干、鲜重的 差异 不显著， 而光强为 240和 300molm - 2 s - 1 时两 种红蓝光配比 下樱桃萝卜地上部干、鲜重的 差异 均显著 （ P 0.05），表现为 2R:1B配比照 射 下地上部干、鲜重 均显著高于 1R:1B处理 。光强变化对地上部干重的 影响显著，而对其鲜重的影响 则 不显著 ； 红蓝光配 比的 差异 对地上部鲜重的影响显著，而对其干重的 影响不显著。红蓝光配比和光强的 交互 作用对地上 部鲜重和干重的影响分 别 表现为 极 显著 （ P 0.01） 和显著 （ P 0.05） ，且是影响地上部干鲜重的主要 因 素。 表 1 不同红蓝光配比及光强处理下樱桃萝卜地上部生长指标的比较（平均值 标准误） Table 1 Comparison of shoot growth indices of cherry radish under different red/blue light ratio with different light intensity(meanSE) 叶绿素含量 Chlorophyll content (SPAD) 光强 Light intensity ( mol m - 2 s - 1 ) 红蓝光配比 Red/blue light ratio 真叶数量 True leaf number 老叶 Old leaf 新叶 New leaf 地上部鲜重 Shoot fresh weight (g) 地上部干重 Shoot dry weight (g) 1R:1B 4.0a 35.8a 38.5c 3.8abc 0.31b 180 2R:1B 4.0a 35.9a 39.4bc 3.2c 0.26b 1R:1B 3.7a 36.5a 40.1bc 3.7bc 0.30b 240 2R:1B 3.3a 39.4a 44.6abc 4.7a 0.40a 1R:1B 3.7a 42.3a 49.4a 3.1c 0.31b 300 2R:1B 4.0a 40.7a 47.4ab 4.2ab 0.39a F光质 0.1 NS0.1 NS0.3 NS4.6 *4.1 NSF光强 1.2 NS3.2 NS7.6 *3.2 NS5.1 *F光质光强 0.5 NS0.5 NS0.9 NS5.8 *6.1 *注：小写字母表示处理间在 0.05水平上的差异显著性； NS 、 * 和 * 分别表示差异不显著、显著和极显著。下同。 Note： Lowercase indicate significant difference among treatments at 0.05 level. NSindicate nonsignificant, *is P 0.05， *is P 0.01. The same as below. 第 3期 查凌雁等：不同光强下红蓝光配比对樱桃萝卜生长与产量的影响 165 2.2 红蓝光配比及其光强对樱桃萝卜肉质根生长的 影响 如表 2所示，不同光照处理之间樱桃萝卜的肉质 根根长差异不显著，根长平均为 3.4 4.2cm。而不同红 蓝光质和光强对樱桃萝卜肉质根的直径、 体积和干鲜重 影响显著， 表现为 1R:1B（ 300）、 2R:1B（ 300） 和 2R:1B （ 240）三个处理的根直径、根体积及根干鲜重均显著高 于其它 3个处理。相同红蓝光配比下根直径、根体积及 根干鲜重均表现出随光强增强而增高的特点 （ P 0.01）， 且同一光强下 1R:1B处理的萝卜根直径、根体积及根 干鲜重均低于 2R:1B处理，其中光强为 180molm - 2 s - 1 和 300molm - 2 s - 1 时不同光质处理之间无显著差异，而 光强 240molm - 2 s - 1 时则差异达显著水平（ P 0.05）。 方差分析结果表明，光强对根直径、根体积和根干鲜重 的影响均达到极显著水平（ P 0.01） ，光质极显著影响 根直径和根体积，显著影响肉质根干鲜重（ P 0.05）。 且光强的 F值明显高于红蓝光配比， 说明光强是影响肉 质根形态及生物量的主要因素。 2.3 红蓝光配比及其光强对樱桃萝卜根冠比的影响 由图 1可见，相同红蓝光配比下鲜重根冠比和 干重根冠比均表现出随光强增强而增高的特点。不 同光照处理的根冠比存在显著差异，主要表现为处 理 1R:1B（ 300）、 2R:1B（ 300）和 2R:1B（ 240）的 鲜重根冠比和干重根冠比均显著高于其它 3个处理。 不同红蓝光配比间根冠比的差异因光强不同而异，光 强为 180和 300molm - 2 s - 1 时， 1R:1B和 2R:1B处理 间无显著差异，而光强为 240molm - 2 s - 1 时 2R:1B处 理的根冠比显著高于 1R:1B处理。根冠比显著较高的 3个处理鲜重根冠比高于干重根冠比，而根冠比较低 的 3个处理鲜重根冠比则低于干重根冠比。 表 2 不同红蓝光配比及光强处理下樱桃萝卜肉质根生长指标的比较（平均值 标准误） Table 2 Comparison of root growth indices of cherry radish under different red/blue light ratio with different light intensity (meanSE) 光强 Light intensity ( mol m - 2 s - 1 ) 红蓝光配比 Red/blue light ratio 根长 Root length (cm) 根直径 Root diameter (cm) 根体积 Root volume (cm 3 ) 根鲜重 Root fresh weight (g) 根干重 Root dry weight (g) 1R:1B 4.1a 5.59b 0.6b 0.6b 0.06b 180 2R:1B 4.2a 6.32b 0.8b 0.7b 0.06b 1R:1B 3.1a 9.04b 0.9b 1.0b 0.09b 240 2R:1B 4.2a 17.16a 4.0a 4.0a 0.28a 1R:1B 3.4a 16.02a 3.4a 3.5a 0.28a 300 2R:1B 3.7a 19.56a 4.6a 4.5a 0.33a F光质 3.4 NS18.0 *12.4 *8.2 *5.8 *F光强 1.8 NS50.0 *20.2 *17.5 *17.1 *F光质光强 1.1 NS4.9 *4.3 *3.4 NS2.8 *图 1 不同红蓝光配比及光强处理下樱桃萝卜鲜重根冠比（ a）和干重根冠比（ b）的比较 Fig. 1 Comparison of root-shoot ratio of fresh weight (a) and dry weight (b) under different red/blue light ratio with different light intensity 注：短线表示标准误差， n=3 Note: The bar is standard error, n=3 中 国 农 业 气 象 第 39卷 166 3 结论与讨论 前人研究表明，光质（尤其是红蓝光）会对萝 卜的生长及形态产生显著影响 10- 12,21 。 Samuolien 等 12 研究发现萝卜在单独红光下能够生长，但会造 成植株徒长，抑制萝卜肉质根的膨大增粗，补充蓝 光能够调节非结构碳水化合物在根和叶中的分布， 从而促进根的增粗。 Drozdova等 22 也发现蓝光能促 进萝卜地下贮藏器官的发育。针对前人对于红蓝光 质对萝卜生长影响的研究成果，本研究对比了不同 红蓝光比例对樱桃萝卜生长的影响。结果显示， 3个 水平光强下， 2R:1B和 1R:1B两种红蓝光配比的真叶 数、老叶叶绿素含量及根长均无显著差异。光强为 240和 300molm - 2 s - 1 时， 红蓝光配比为 2R:1B处理 的根长、根直径、地上部及地下部干鲜重基本均高 于红蓝光配比为 1R:1B处理。 Cope等 16 研究发现， 光强为 200molm - 2 s - 1 时，随着蓝光比例从 0.3%增 至 92%，萝卜的叶绿素浓度和植株干物质含量均表 现为先增加后降低的趋势，最大值出现在蓝光比例 为 20% 30%。这与本研究结果相似。说明红光补充 适当比例的蓝光有利于促进萝卜生长及根部膨大增 粗，但过高比例的蓝光不利于萝卜的生长。前人研究 也表明 7%的蓝光就足以防止植物光合机能失调 9 。 本 研究结果还显示，红蓝光配比对萝卜地下部的生长 影响更为显著，红蓝光配比仅显著影响樱桃萝卜地 上部鲜重，但对肉质根直径、体积及干鲜重的影响 均达极显著或显著水平。不同红蓝光比例对萝卜生 长的影响可能是由于红蓝光影响植物体内激素的产 生和分布。 Drozdova等 14 研究光质对萝卜源库关系 的影响时发现纯红光提高地上部赤霉素浓度，从而 提高库活力，纯蓝光刺激细胞分裂素和生长素在下 胚轴中的合成，促进下胚轴生长发育，而细胞分裂 素经常被认为能够刺激块茎的形成 23 。 充足的光照强度对于同化物的形成和累积至关 重要 12,24 。萝卜生物量及生长速度随着光强的增加 而显著增加 25- 27 。 Hall 17 研究不同光照强度对萝卜 根形成的影响发现萝卜根直径随着光强的增加 （ 75 250Em - 2 s - 1 ）而显著增加，而根长则在光照 75Em - 2 s - 1 时最长。本试验表明， 3种光照强度下樱 桃萝卜肉质根根长无显著差异，但根直径表现出随 光强增强而显著增强的特点。说明增加光强主要是 通过促进肉质根的增粗而提高肉质根的生物量，本 研究也证实萝卜肉质根的生长相较地上部受光强的 影响更为显著。 2R:1B和 1R:1B 两种光质下，萝卜 的根直径、根体积、肉质根干鲜重以及根冠比均表 现出随光强增加而增加的趋势。而地上部仅新叶叶 绿素含量表现为随光强增加而增加的趋势。 Hole等 19 研究也证实低光强会导致地上部和地下部重量的降 低，并且对地下部的影响大于地上部。本试验中相 同红蓝光配比下， 光强 300molm - 2 s - 1 处理的地上部 鲜重均略低于光强 240molm - 2 s - 1 ，而地上部干重则 无显著差异， 可能是由于光强 300molm - 2 s - 1 处理下 温度略高于光强 240molm - 2 s - 1 处理， 导致萝卜蒸腾 速率较快，从而使萝卜植株含水率降低。 综合光强和红蓝光配比对樱桃萝卜的影响发 现，萝卜的生长受光强影响显著，同时也依赖于光 质的作 用 。光强为 240molm - 2 s - 1 时，新叶叶绿素含 量、根直径、根冠比、地上部和肉质根干鲜重 多 个 指标 不同光质处理间均表现出显著差异。而光强为 180和 300molm - 2 s - 1 时，不同红蓝光光质处理 各 个 指标 均无显著差异。 另 一方 面 ， 光强为 240molm - 2 s - 1 时不同红蓝光配比处理间的差异 又 要高于不同光强 处理间的差异。说明当光强和光质同时作 用 于萝卜且 光强相对较高或较低时，光强是影响萝卜生长的 首 要 因素，而当光强适 宜 时，光质的作 用 效 果更为显著。 本研究证实，相对于较低的红蓝光配比（ 1R:1B）， 较高的红蓝光配比（ 2R:1B）更有利于促进樱桃萝卜的 生长发育， 并且这种促进作 用 在光强为 240molm - 2 s - 1 时更为显著。在 180 300molm - 2 s - 1 的光强 范围 内， 樱桃萝卜肉质根的生长发育随着光强的增加而增 加，光强为 240和 300molm - 2 s - 1 时，樱桃萝卜的根 才 能膨大增粗形成肉质根，地上部受光强影响相对 较 小 。 总 之，一 定 强度的 LED红蓝光质是植物 工厂 樱桃萝卜高产的光 环境 基 础 ，并且光强高于一 定 水 平时红蓝光质的调 控 作 用 更为显著。因 此 ，在植物 工厂条件 下生产樱桃萝卜可以在 保 证一 定 光强的基 础 上，通过调 控 红蓝光配比 来 促进生长，提高产量， 相比增加光强更加节能有 效 。 参考文献 References 1Watanabe H.Light-controlled plant cultivation system in Japan-development of a vegetable factory using LEDs as a light source for plantsJ.Acta Horticulturae,2011,907:37-44. 2刘文科 ,杨其长 ,邱志平 ,等 .LED光质对豌豆苗生长、光合色 素和营养品质的影响 J.中国农业气象 ,2012,33(4):500-504. 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