LED红蓝组合光谱对水培奶油小白菜生长及品质的影响.pdf

南 方论坛Forum of South China 2019年 7 月上0 引言作为设施园艺的高级阶段 ，基于植物生理学需求特性实施高精度环境智能控制的发光二极管 （LED）光源植物工厂发展迅猛 ，实现了高精度环境控制 ，生长过程受自然环境影响很小[1]。 与传统的人工光源相比 ，LED 光源不仅具有较高的光电转换效率 、 体积小 、寿命长 、响应时间快 、能耗低 、安全性好 、光谱范围窄等优点[2-3]， 而且光谱易于调控和组合 ， 可以实现植物光合作用吸收峰和LED 光源光谱的完全吻合[4]。已有研究表明 ，不同波长的光在植物的光合作用中对其生长发育具有不同的作用 ，而植物吸收率最高的波段为 400～520nm 以及 610～720nm[5-6]。 光不仅是植物生长和发育的重要环境因素 ，也是调节植物光合作用 、物质代谢及基因表达的重要信号[7]。 植物主要吸收红光和蓝光 ，红蓝光的组合可以满足大部分蔬菜的生长状况 ，显著提高碳水化合物含量 。 因此 ，红蓝光对作物生长的影响研究一直受到极大的关注[8-10]。四季小白菜 ，南北各地均有分布 ，在我国栽培十分广泛 ，是含矿物质和维生素最丰富的蔬菜之一[11]。 根据 LED 光源的红蓝光配比 ，陈祥伟等认为红 /蓝 （7/1）光有利于提高小白菜的光合作用[12]， 余雪辉等研究发现蓝光比例较高的 LED 光照条件能显著促进小白菜的表型生长 ，并能增强对蔬菜病毒病的抵御能力 ，可有效促进植株生长 ，提高其产量[13]；王婷等研究表明 ，复配光质有利于不结球白菜的生长 ，而且相对单一光质处理 ，能提升不结球白菜叶绿素的含量 ， 同时在红蓝光基础上添加一定量的黄光有利于植株光合色素的积累[14]；周成波等发现在白光的基础上同时补充红 、 蓝光可增强小白菜叶片光系统 II 中心活性 ， 提高光合性能 ，有利于小白菜干物质的积累和对光能的利用[15]。 截至目前 ，研究多集中于红蓝光比例对小白菜的生长状况的影响 ， 关于不同波段的光谱对水培小白菜生长及品质的影响研究较少 。本文以荧光粉激发型 LED 为人工光源 ， 在自制的水培装置上 ，开展相关试验研究 LED 设定蓝光波段 （455nm）固定不变 ，在相同功率输出条件下 ， 探讨不同红光波段对水培小白菜生长发育及其品质的影响 ， 希望为人工光型植物工厂水培小白菜提供技术支撑以及专用色膜的研究提供理论依据和技术参数 。1 试验材料及方法1.1 材料 、处理与试验设计试验于 2018 年 6 月至 2018 年 8 月在湖南农业大学工学楼南 218 实验室内进行 。 试验小白菜的品种为 “黄金四季奶油小白菜 ”，种子由江西省丰城市丰城种业有限公司提供 。 种子经催芽露白后移栽海绵块中 （2.5cm2.5cm2.5cm），并置于不同光谱组合的 LED 植物生长灯下进行水培种植 ，光照的周期为 12h/d。 营养液采用华南农业大学基础营养液配方和山崎小白菜营养液标准单位配方 。 每日定时用 pH 值检测仪监测水体 pH 值 ， 并用pH4.00 领苯二甲酸氢钾和 pH9.18 四硼酸钠 pH 缓冲剂 ，稳定 pH为 6.0～6.3。 实验环境空气温度在明期为 （25±2）℃，暗期为 （22±2）℃，空气相对湿度为明期 （70±5），暗期为 （60±5），水温为（24±2）℃；移栽后 25d，试验小白菜成熟并收获 。水培装置由角钢自行设计搭建 ，一套设备共有四层 ，底层放置储水箱 ，其余三层每层放置三根开好种植槽的 PC 管 ，通过水管 、泵和 PC 管连接实现各层之间的水和营养液的循环 。 水培装置如图 1 所示 。LED 红蓝组合光谱对水培奶油小白菜生长及品质的影响*谭宁宁1， 蒋 蘋1，2， 彭永康1， 廖 杰1， 朱静妍1， 宋城业1， 黄艳红1（1.湖南农业大学工学院 ，湖南 长沙 410128；2.南方粮油作物协同创新中心 ，湖南 长沙 410128）摘 要 在设施水培条件下 ，以黄金四季奶油小白菜为试验材料 ，LED 灯为人工光源 ，自然光为对照 ，研究不同光谱 LED 植物光灯的红蓝光波段组合对黄金四季奶油小白菜生长参数的影响 ，为植物工厂水培小白菜提供人工补光数据支撑 。 试验设定为蓝光 （455nm）相对光谱固定不变 ，红光相对光谱分别为 T17.53、T2（15.40）、T3（30.28）条件下的生长速度及品质 。 结果表明 ，红光相对光谱为30.28时试验组小白菜的菜叶长度 、株高 、蛋白质以及叶绿素含量均显著高于其他处理 ，30.28的红光相对光谱可作为水培小白菜的适宜光配合 。关键词 水培 ；小白菜 ；LED 灯 ；红蓝光波段中图分类号 S123；S636.2 文献标志码 A 文章编号 1672-3872201913-0010-03Effect of LED Red and Blue Combination Spectrum on the Growth and Quality ofHydroponic Butter White CabbageTAN Ningning1, JIANG Pin1,2, PENG Yongkang1,LIAO Jie1,ZHU Jingyan1,SONG Chengye1,HUAN Yanhong11. College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128;2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha, Hunan 410128,Chinaabstract Under the condition of hydroponic culture, the golden four seasons butter cabbage was used as the experimental material, the LEDlight was the artificial light source, and the natural light was used as the control. The effect of the combination of the red and blue light bandsof different spectral LED plant lights on the growth parameters of the golden season white cabbage was studied. Provide artificial light supple-ment data support for hydroponic cabbage in plant factories. The experimental setting was such that the relative spectrum of blue light 455nm was fixed, and the relative spectra of red light were T1 7.53, T2 15.40, and T3 30.28, respectively. The results showed that theleaf length, plant height, protein and chlorophyll content of the Chinese cabbage were significantly higher than other treatments when the rel-ative spectrum of red light was 30.28. The relative fluorescence of 30.28 red light can be used as a suitable light for hydroponic pakchoi.key words Hydroponics; Chinese cabbage; LED light; Red blue light band基金项目 湖南省科技厅重点研发计划 （2016NK2117），国家级大学生创新创业训练计划项目 （GSCX1713）作者简介 谭宁宁 （1996），男 ，广东茂名人 ，本科 ，研究方向 设施农业 。通讯作者 蒋蘋 （1970），男 ，四川古蔺人 ，博士 、教授 ，博士生导师 ，研究方向 农业机械智能控制 。10（下转第 14 页 ）Forum of South China南方论坛2019 年 7 月上1.万向轮和定向轮 ；2.储水箱 ；3.营养液配比装置 ；4.PC 管 ；5.定植孔 ；6.全光谱 LED 灯 ；7.触摸屏 ；8.角钢支架 ；9.控制箱 。图 1 水培装置实验以自然光为对照 （CK），设置 3 个实验处理组 ，选用 3 种蓝光 （455nm）相对光谱固定不变 ，只对红光发射相对光谱分别设定为 T1（7.53）、T2（15.40）、T3（30.28）。 试验选用产品型号为 PS-T5RG18W 的 LED 植物灯对小白菜进行补光 ，水培设备从上到下每层的种植管上方固定两条功率均为 18W 的 LED 植物生长灯 ， 分别设定为 T1、T2 和 T3 实验处理组 。 使用 SPIC-200Aw/BW 型 LED 光谱分析仪分别在距灯管正下方 25cm 处测各层光量子密度 （PPFD）。 表 1 为灯光试验处理及其参数 ；图 2、图 3 和图 4 为 T1、T2 和 T3 处理 LED 绝对光谱图 。表 1 灯光试验处理及其参数处理 备注CK -光量子通量密度（PPFD）/μmol/m2/s-T1 红偏蓝少红 LED4.2059e9μmol/m2/sT2 3.3875e9μmol/m2/s 红偏蓝 LEDT3 5.7027e9μmol/m2/s 蓝偏红 LED红光光谱发射峰位置 /nm-660620650注 “-”表示不存在 。图 2 T1 处理 LED 绝对光谱图图 3 T2 处理 LED 绝对光谱图图 4 T3 处理 LED 绝对光谱图1.2 实验方法试验共设 3 个处理 ，2018 年 6 月 28 日对种子进行浸种 、催芽后 ，于 2018 年 7 月 2 日采用定植海绵育苗 ，种子出苗后 ，分别在光源垂直距离 25cm 处用 T1、T2、T3 处理作为植物光照 ， 光照时长为 12h/d。 2018 年 7 月 5 日将小苗分组定植至水培种植槽内 ，并保持营养液浓度为 1500±100us/cm，水泵的工作时间设定为开 20min 关 20min。 实验室内总共有 6 套装置 ，为消除实验误差 ，数据测量取所有组装置数据平均值 。1.3 试验数据采集及处理定植后每天对各组的菜叶数 、 菜叶长度和株高分别进行测量记录 。测量工具为精确度 1mm 刻度尺 。菜叶数以除假叶外自然开展的叶片数为准 ， 菜叶长度以同一株小白菜各片菜叶的最大长度之和的平均值为准 ， 株高测量植株从定植篮顶部至植株最高处的垂直高度 。 2018 年 7 月 28 日进行最后一次采集数据 。2018 年 8 月 3 日 ，每个处理组取 3 株小白菜 ，用于测量叶绿素含量 （包括叶绿素 a、叶绿素 b），叶绿素采用可见光光分度法测定[16]，已知叶绿素 a 和叶绿素 b 在 645nm 和 663nm 处有最大吸收 ，根据经验公式可计算得叶绿素含量 ，包括叶绿素 a、叶绿素b（公式略 ）；以蒸馏水提取小白菜植物蛋白 ，加入考马斯亮蓝 G-250 染色 ， 将染色后的提取液在 595nm 下进行比色以测定并计算植物蛋白含量[17]。试验数据采用 Excel 2010 软件处理和统计数据 ，用 SPSS 软件对数据进行单因素方差分析 ，并运用 Duncan 检验法对显著性差异 （PT1（0.066a）T2（0.061a），可以发现 T3（相对红光光谱为 30.28） 处理组植物蛋白明显高11于 其他处理 ， 表明 LED 对水培奶油小白菜进行补光可以提高植物蛋白含量 ，增加光合产物的积累 。由表 4 可知 ， 不同光谱光照处理对小白菜叶绿素合成差异显著 ，在叶绿素总含量 、叶绿素 a 和叶绿素 b 的含量上以 T3 处理最高 ，表明提高红光的比例可以促进叶绿素的合成 。 在叶绿素a/b 上 ，T1 处理最高 ，说明降低红光的比例 ，可以显著提高小白菜叶绿素 a/b 的值 。表 4 不同光谱光照处理对小白菜叶绿素合成的影响 平均值 ±标准差 处理 叶绿素 a/bCK 1.81±0.07b叶绿素 b/（mg/g）1.72±0.03cT1 2.06±0.01a1.79±0.01bT2 3.11±0.07a1.48±0.03cT3 3.07±0.03a1.74±0.02b叶绿素总含量 /（mg/g）4.79±0.08d5.50±0.02c7.74±0.08b8.43±0.01a叶绿素 a/（mg/g）3.71±0.01c4.63±0.01b5.36±0.02a3.04±0.06d注 同列不同小写字母表示处理间在 0.05 水平上差异显著性 。3 结论与展望试验表明 ，使用高温固相法制成的波段为 （600～655nm）的红色荧光粉和商用蓝光芯片 （455nm）组合封装的 LED 光源 ，可以显著提高水培小白菜的生长状况 。 在本试验中 ，30.28的红光相对光谱为最佳光谱组合 。 人工光源的选择及光谱的配比直接影响无土栽培植物的生长状况 ， 使用最佳的荧光粉激发型 LED 灯应用于水培小白菜 ，不仅可以提高小白菜的生长速度及质量 ，还可以显著降低能耗 。 本试验为人工光型植物工厂水培小白菜提供了有效的数据支撑及解决方案 。参考文献 [1] LED 植物光质生物学与植物工厂发展 [J].科技导报 ，2014，321025-28.[2] 朱继亦 ，任建伟 ，李葆勇 ，等 .基于 LED 的光谱可调光源的光谱分布合成 [J].发光学报 ，2010，316882-887.[3] 谢景 ，刘厚诚 ，宋世威 ，等 .光源及光质调控在温室蔬菜生产中的应用研究进展 [J].中国蔬菜 ，201221-7.[4] 赵启蒙 .用于植物生长补光的 LED 照明系统研究 [D].上海 复旦大学 ，2012.[5] Chory J，Wud Y.Weaving the complex web of signal transduction［J］.Plant Physiology，2001，12577-80．[6] 潘瑞炽 ，王小菁 ，李娘辉 .植物生理学 ［M］.北京 高等教育出版社 ，200662-63．[7] Demotes-Mainard S, Péron T, Corot A, Bertheloot J, Le Gourrierec J, Pelleschi-Travier S, Crespel L, Morel P, Huché-Thélier L, Boumaza R, Vian A, Guérin V, Leduc N, Sakr S 2016.Plant responses to red and far-red lights, applications in horticulture. Environ Exp Bot 121, 4–21.[8] 王忠 ．植物生理学 ［M］．北京 中国农业出版社 ，2011.[9] 余意 ，杨其长 ，刘文科 .LED 红蓝光质对三种蔬菜苗期生长和光合色素含量的影响 [J].照明工程学报 ，2015，264107-110.[10] 王丽伟 .红蓝光质对番茄碳氮代谢和果实品质的影响机制研究与应用 [D].北京 中国农业科学院 ，2017.[11] 侯喜林 .不结球白菜育种研究新进展 [A].中国园艺学会 、中国农科院蔬菜花卉所 .全国蔬菜遗传育种学术讨论会论文集[C].中国园艺学会 、中国农科院蔬菜花卉所 中国园艺学会 ，20028.[12] 陈祥伟 ，刘世琦 ，刘庆 ，等 .不同 LED 光源对小白菜生长及光合特性的影响 [J].北方园艺 ，2013221-4.[13] 余雪辉 ，王巧彬 ，曾伟龙 ，等 .LED 光质对小白菜生长特性及产量的影响 [J].安徽农学通报 ，2017，232449-52.[14] 王婷 ，李雯琳 ，巩芳娥 ，等 .LED 光源不同光质对不结球白菜生长及生理特性的影响 [J].甘肃农业大学学报 ，2011，46469-73.[15] 周成波 ，张旭 ，崔青青 ，等 .LED 补光光质对小白菜生长及光合作用的影响 [J].植物生理学报 ，2017，5361031-1038.[16] Tripathy B C,Brown C S. Root -shoot interaction in thegreening ofwhat seedings grown under red light [J].Plant Physiology, 10740～41.[17] 余意 ，杨其长 ，刘文科 .弱光条件下光质与连续光照对水培生菜生长与品质的影响 [J].照明工程学报 ，2016，272103-106.南方论坛Forum of South China 2019年 7 月上图 4 轴向运动梁的速度随无量纲轴向激励变化分岔图3 结论基于 Galerkin 法通过 MATLAB 振动工具箱对受轴向激励两端简支梁横向振动进行数值模拟和分析 ，运动梁在轴向激励的作用下发生横向振动 ， 系统的振幅和非线性固有频率都随时间变化 。 非线性固有频率远离线性固有频率 ，并且以平稳的方式接近线性值 ，振动随着激励频率增加周期运动与混沌运动交替现象 。参考文献 [1] 赵慧 ，张红梅 .数值分析方法在机械振动领域中的应用 [J].南方农机 ，2018，4912137.[2] 杨晓东 ，唐有绮 ，戈新生 .轴向运动 Timoshenko 梁固有频率的求解方法研究 [J].机械强度 ，2009，312208-210.[3] 陈以田 .轴向运动屈曲梁非线性振动研究 [J].西安工业大学学报 ，2014，344280-286.[4] 严巧赟 .轴向加速运动黏弹性梁横向非线性振动分岔与混沌[D].上海 上海大学 ，2014.（上接第 11 页 ）14