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第 36 卷 第 22 期 农 业 工 程 学 报 Vol 36 No 22 2020 年 11月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov 2020 231 LED 光质和日累积光照量对番茄种苗生长及能量利用效率的影响 季 方 1 甘佩典 1 刘 男 1 贺冬仙 1 杨 珀 2 1 中国农业大学水利与土木工程学院 农业农村部设施农业工程重点实验室 北京 100083 2 北京盛阳谷科技有限公司 北京 100083 摘 要 为了提高育苗质量 降低冬春季低温弱光环境对设施种苗优质生产的制约 本文利用人工光型植物工厂的 LED 光照与环控技术研究光质和日累积光照量 Daily Light Integral DLI 对番茄种苗形态建成和生物量累积的影响 通过对 光能利用效率 Light Energy Use Efficiency LUE 和电能利用效率 Electric Energy Use Efficiency EUE 的实际测试 分析人工光育苗的能耗水平 光质环境以白色荧光灯为对照 选用红蓝比 R B 为 0 9 的白色 LED 和 R B 为 1 2 和 2 2 的白红 LED 灯具 在 DLI 为 10 1 12 6 和 15 1 mol m 2 d 下培育 丰收 番茄种苗 31 d 结果表明 在 LED 下生长 的番茄种苗的壮苗指数 生物量和光合能力均显著优于荧光灯下 增强 DLI 有利于番茄种苗的形态建成和生物量累积 在 R B 为 1 2 的白红 LED L1 2 下设置 DLI 为 12 6 mol m 2 d 时 番茄种苗的株高 茎粗 叶面积 干质量日均增长 量 G 值 壮苗指数 及干 鲜质量都达到最大 番茄种苗在相同光质下的光合能力不受 DLI 的影响 但在 L1 2 下的 净光合速率最高 利用 LED 生产番茄种苗的 LUE 和 EUE 比在荧光灯下显著提高 当 DLI 为 12 6 mol m 2 d 时 L1 2 下的该值比荧光灯下分别提高 79 和 321 因此 R B 为 1 2 的白红 LED 比其他光质的 LED 更适合番茄种苗生产 推荐 DLI 为 12 6 mol m 2 d 作为番茄设施育苗的光环境调控指标 关键词 LED 叶绿素 番茄种苗 光质 日累积光照量 光能利用效率 电能利用效率 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 026 中图分类号 S625 5 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 22 0231 08 季方 甘佩典 刘男 等 LED 光质和日累积光照量对番茄种苗生长及能量利用效率的影响 J 农业工程学报 2020 36 22 231 238 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 026 http www tcsae org Ji Fang Gan Peidian Liu Nan et al Effects of LED spectrum and daily light integral on growth and energy use efficiency of tomato seedlings J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 22 231 238 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 026 http www tcsae org 0 引 言 番茄种植面积和消费水平居全球所有蔬菜种类的首 位 中国的番茄种植面积在 2018 年为 104 万 hm 2 年产 量达到 6 163 万 t 占全国蔬菜总产量的 8 7 1 番茄种 苗的质量对其后期栽培和增产增效具有重要作用 已经 成为设施育苗产业的重要品类 目前 中国番茄种苗的 年需求量达 390 亿株以上 对设施园艺生产和温室产业 发展具有举足轻重的影响 然而 冬季和早春季的低温 弱光天气经常导致设施冬春季番茄种苗的生长延缓和品 质劣化 严重制约了设施番茄育苗的优质生产 人工光型植物工厂的可控环境可以有效缩短育苗 周期 提高种苗质量 实现蔬菜育苗的标准化与工厂化 生产 但因其建设成本高和耗电量大等问题难以得到推 广普及 降低人工光型植物工厂的用电成本就必须提高 育苗系统的电能利用效率 Electric Energy Use 收稿日期 2020 09 15 修订日期 2020 11 20 基金项目 国家重点研发计划项目 设施种苗生产 LED 关键技术研究与应 用示范 2017YFB0403901 作者简介 季方 博士 讲师 主要从事生物环境工程研究 Email jifang 通信作者 贺冬仙 博士 教授 主要从事生物环境工程研究 Email hedx Efficiency EUE 和光能利用效率 Light Energy Use Efficiency LUE 2 因此 植物生长灯作为人工光型植 物工厂的重要组成部分 是其节本增效的核心技术 如 何有效降低占总耗电量约 80 3 的人工光照耗电量成为 该技术的研究热点 发光二极管 Light Emitting Diodes LED 以其光效高 寿命长和光谱可调的技术优势成为人 工光型植物工厂的主流光源 4 但以叶绿素对红蓝光的高 吸收率而研发的红色与蓝色灯珠组合的 LED 灯具在近年 来备受争议 5 6 而白色 LED 及白红 LED 灯具的植物工 厂应用逐渐成为产业趋势 7 8 光环境调控作为设施育苗生产的重要环境条件 不 仅包括光照强度和光照周期 还受到光质和日累积光照 量 Daily Light Integral DLI 的直接影响 DLI 是指植 物在 1 d 内接受到的光能总量 9 是光照强度和光周期的 乘积 可以替代光照强度作为植物生长发育的光变量 合适的 DLI 不仅可以改善植物生长状况 缩短种苗育苗 时间 还能提高光能利用效率进而直接影响生产水平和 设施能耗 以往对光质研究的文献多集中在单色光或不同比例 的红蓝混合光 但越来越多的研究表明 红蓝混合光中 由于缺少其他波段光谱导致植物部分光敏色素不能做出 响应 进而影响植物生长发育 7 8 10 11 在红蓝光下生长 的植物在人类视觉上呈紫色 这不利于对管理者对植物 农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 232 生产状况的观察和病害诊断 5 6 无形中增加了植物工厂 管理难度 也未能达到优质生产的目标 12 13 利用全光 谱分布的白色 LED 特性 结合 DLI 对植物生长发育和光 合作用的影响 分析能源利用效率更能贴近生产实际和 能耗分析 因此 本研究利用白色 LED 和不同比例的白 红 LED 植物生长灯 从番茄种苗的形态建成 生物量积 累及光合特性等各方面分析 LED 光质和 DLI 对其生长发 育的影响 旨在为设施番茄育苗生产提供光环境参数和 优化 LED 光配方 从而为番茄工厂化育苗生产实现节能 减耗提供技术支持 1 材料与方法 1 1 供试材料与育苗方法 供试番茄种子 Lycopersicon esculentum Mill cv 丰 收 由荷兰瑞克斯旺种子公司提供 番茄育苗试验于 2017 年 8 月在人工光型植物工厂实验室 中国农业大学 北 京 进行 将种子播种于填充了 75 蛭石和 25 珍珠岩 混合基质的 128 标准穴盘 长 宽 高 540 mm 280 mm 42 mm 中 种子出芽前进行为期 3 d 的黑暗环 境催芽处理 催芽环境温度控制在 28 1 相对湿 度为 75 10 种子出芽后按各试验区设置的光环境参 数进行人工光照处理 育苗期间的环境设置为 08 00 22 00 设置为明期 22 00 08 00 设置为暗期 明期的温 度 24 1 相对湿度 60 5 CO 2 浓度 800 50 mol mol 暗期的温度 20 1 相对湿度 65 5 CO 2 浓度不控制 番茄种苗采用潮汐式灌溉 每次灌溉持 续时间为 30 min 营养液配方采用日本园试通用配方 pH 值为 5 6 6 0 电导率 Electrical Conductivity EC 为 2 0 2 4 mS cm 番茄种子出芽到第 1 片真叶展开期 间 每隔 2 d 浇灌 1 次 1 3 浓度营养液 待第 1 片真叶展 平后使用 2 3 浓度营养液每日进行灌溉 第 2 片真叶展开 后每日灌溉标准浓度营养液 1 2 光照环境试验设计 在光照立体栽培架 长 宽 高 1 250 mm 900 mm 2 100 mm 分为 5 层 层高 380 mm 上进行番茄育苗试 验 每层可放置 6 个标准穴盘 4 盘竖放 2 盘横放 人工光源采用红蓝比 Ratio of Red Light to Blue Light R B 为 1 8 的 T5 荧光灯 F1 8 和 R B 分别为 0 9 1 2 和 2 2 的白色和白红 LED 植物生长灯 L0 9 L1 2 L2 2 如表 1 所示进行番茄育苗光环境试验 以荧光灯试验区作 为对照组 共设置 12 个试验区 播种 31 d 后 每个试验 区随机选取 8 株番茄种苗进行指标测量 试验重复 3 次 表 1 番茄种苗的光照环境试验区 Table 1 Light environment experiment treatments setting for tomato seedlings 试验区 Experiment treatment 日累积光照量 Daily Light Integral DLI mol m 2 d 1 红蓝比 R B ratio 光照强度 Light intensity mol m 2 s 1 光周期 Photoperiod h d 1 光源 Light source F1 8 D10 1 10 1 200 F1 8 D12 6 12 6 250 F1 8 D15 1 15 1 1 8 300 14 4 200 K 白色荧光灯 W FL 28W 上海鼎铎 照明电器有限公司 L0 9 D10 1 10 1 200 L0 9 D12 6 12 6 250 L0 9 D15 1 15 1 0 9 300 14 6 500 K 白色 LED 灯具 W LED 18W 北京 盛阳谷科技有限公司 L1 2 D10 1 10 1 200 L1 2 D12 6 12 6 250 L1 2 D15 1 15 1 1 2 300 14 6 500 K 白红比 白色和红色灯珠 为 5 1 的 LED 灯具 WR LED5 1 16W 北京盛阳谷 科技有限公司 L2 2 D10 1 10 1 200 L2 2 D12 6 12 6 250 L2 2 D15 1 15 1 2 2 300 14 6 500 K 白红比 白色和红色灯珠 为 5 3 的 LED 灯具 WR LED5 3 16W 北京盛阳谷 科技有限公司 注 F1 8 代表 R B 为 1 8 的 T5 荧光灯 L0 9 L1 2 和 L2 2 分别代表 R B 为 0 9 1 2 与 2 2 的 3 种直管型 LED 灯具 D10 1 D12 6 和 D15 1 分别代表 DLI 日累积光照量 为 10 1 12 6 和 15 1 mol m 2 d Note F1 8 indicate T5 fluorescent lamp with R B ratio of 1 8 L0 9 L1 2 and L2 2 indicate 3 straight LED lamps with R B ratio of 0 9 1 2 and 2 2 respectively D10 1 D12 6 and D15 1 indicate that DLI Daily Light Integral is 10 1 12 6 and 15 1 mol m 2 d 1 respectively 1 3 试验仪器及测量方法 光照强度和光谱测定 使用便携式光量子计 LI 1400 LI COR 公司 美国 在灯具正下方 15 cm 处测定光照强度 并用光纤光谱仪 AvaSpec ULS2048 Avantes 公司 荷兰 在光照强度为 250 mol m 2 s 的灯具下同一位置测量各试验 区分光光谱分布 图 1 根据光谱分布 分别计算紫外光 UV 波长 300 399 nm 蓝光 B 波长 400 499 nm 绿光 G 波长 500 599 nm 和红光 R 波长 600 699 nm 远红光 FR 波长 700 800 nm 的光量子通量 并用红光 波段和蓝光波段的光量子通量计算 R B 光源的电能消耗 用电力监测仪 T8006 深圳北电仪表有限公司 中国 进 行连续监测 番茄种苗形态指标测定 形态指标包括株高 茎粗 叶片数 叶面积 地上 下部鲜质量 地上 下部干质量 用直尺测量番茄种苗的株高 cm 用游标卡尺测量茎粗 mm 用扫描仪 LiDE 110 佳能 中国 有限公司 扫描每片叶片 并利用 Photoshop 计算叶面积 cm 2 14 分离番茄种苗的地上部和地下部 用百分之一天平分别测 量各部分鲜质量 g 将地上部和地下部放置于 105 烘 箱中杀青 3 h 再将烘箱温度调至 80 干燥 72 h 至恒质量 用万分之一电子天平 FA1204B 上海精密科学仪器有限 公司 中国 分别称量地上 下部干质量 mg 叶绿素含量测定 番茄种苗的叶绿素含量用紫外 可 见分光度计 UV 3150 岛津株式会社 日本 基于 Arnon 修正法 15 进行测定 光合特性测定 在明期利用便携式光合仪 LI 6400XT LI COR 公司 美国 测量番茄种苗叶片的净光合速率 mol m 2 s 光合测量的参数设定为 空气流速 第 22 期 季 方等 LED 光质和日累积光照量对番茄种苗生长及能量利用效率的影响 233 500 mol s 光照强度 250 mol m 2 s 叶室温度 25 CO 2 浓度 800 mol mol 注 F1 8 代表 R B 为 1 8 的 T5 荧光灯 L0 9 L1 2 和 L2 2 分别代表 R B 为 0 9 1 2 与 2 2 的 3 种直管型 LED 灯具 下同 Note F1 8 indicate T5 fluorescent lamp with R B ratio of 1 8 L0 9 L1 2 and L2 2 indicate straight LED lamps with R B ratio of 0 9 1 2 and 2 2 respectively the same as below 图1 光照强度为250 mol m 2 s 的光照环境试验区分 光光谱分布 Fig 1 Spectral distribution of light environment experiment treatments at light intensity of 250 mol m 2 s 1 4 计算方法 日累积光照量 Daily Light Integral DLI 的计算方 法见式 1 DLI 光照强度 光周期 3 600 10 6 1 式中 DLI 为日累积光照量 mol m 2 d 光照强度的单位 为 mol m 2 s 光周期的单位为 h d R B 和 R FR 的计算方法见式 2 和 3 R B 699 600 499 400 N N 2 R FR 699 600 800 700 N N 3 式中 N 为分光光谱分布值 mol m 2 s nm 干质量日均增长量 G 值 mg d 与壮苗指数的计 算方法见式 4 和 5 G 值 地上部干质量 地下部干质量 种苗生长天数 4 壮苗指数 茎粗 株高 全株总干质量 5 光能利用效率 Light Energy Use Efficiency LUE 是 指单位时间内 本试验的栽培周期为 31 天 植物可利用 部分化学能增长量与植物接受光能总量的比值 电能利用 效率 Electric Energy Use Efficiency EUE 是指单位时间 内 本试验的栽培周期为 31 天 植物可利用部分化学能 增长量与光源消耗电能总量的比值 LUE f D R 6 EUE f D E 7 式中 f 为植物干物质的化学能 20 MJ kg D 为植物可利用 部分的干质量增长量 kg m 2 R 指植物接受的 300 800 nm 内的辐射能量 MJ m 2 E 为灯具消耗的电能 MJ m 2 1 5 数据处理与分析 试验数据的处理分析和图表绘制利用 Microsoft Excel 2016 和 SPSS 22 0 软件完成 方差分析基于最小显 著性差异法 在 0 05 的显著性水平下进行多重比较 2 结果与分析 2 1 LED 光质和 DLI 对番茄种苗形态的影响 LED 光质和 DLI 对番茄种苗的形态建成具有显著性 影响 如图 2 所示 随着 DLI 的增大 番茄种苗的株高 茎粗和叶面积均呈现先升高后下降的趋势 当 DLI 为 10 1 mol m 2 d 时 由于光能供应不足 种苗长势较弱 将 DLI 提高到 12 6 mol m 2 d 时 番茄种苗的光合能力增 强 茎粗变粗 叶片变大 株型紧凑 种苗更为健壮 随着 DLI 的进一步增加 番茄种苗的形态和生长量指标 开始降低 当 DLI 为 10 1 和 15 1 mol m 2 d 时 LED 光 质对种苗形态的影响不显著 当 DLI 为 12 6 mol m 2 d 时 R B 为 1 2 的白红 LED 光源 L1 2 下的番茄种苗 的株高 茎粗和叶面积均达到最大 分别为 16 6 cm 3 7 mm 和 86 1 cm 2 3 种 LED 光源处理的番茄种苗的 G 值和壮苗指数均显著高于荧光灯对照组 F1 8 G 值和 壮苗指数在 DLI 为 12 6 mol m 2 d 时达到最大 在 R B 为 1 2 的白红 LED 下分别达到 16 2 mg d 和 12 04 比荧 光灯对照组高出 1 倍 且显著高于其他 2 种 LED 光质处 理 当 DLI 达到 15 1 mol m 2 d 时 所有光质环境下番茄 种苗的 G 值和壮苗指数又显著降低 2 2 LED 光质和 DLI 对番茄种苗生物量积累的影响 较强的 DLI 可以为植物提供更多的能量 有利于光 合产物合成 从而促进植物的生物量累积 16 适当地增 加 DLI 有利于番茄种苗的生物量积累 图 3 番茄种苗 的地上部鲜质量在 DLI 为 12 6 mol m 2 d 时达到最大 在 L1 2 下达到 4 30 g 但在 DLI 为 10 1 和 15 1 mol m 2 d 时仅为 2 00 g 左右 由图 1 可知 相比 R B 为 0 9 的白 色 LED L0 9 L1 2 中增加了红光比例从而促进了番 茄种苗生长 L1 2 的红光比例略低于 L2 2 但其绿光占 比较高 L1 2 和 L2 2 分别为 43 7 和 33 8 较多的 绿光更容易进入植物冠层 使较低冠层中的叶片能够使 用透射下来的绿光进行光合作用 从而增加了番茄种苗 的生物量积累 番茄种苗的地下部鲜质量在 L1 2 D12 6 和 L2 2 D12 6 这 2 个试验区达到最大 分别为每株 0 72 和 0 76 g 而在其他试验区则较小且无显著性差异 番茄 种苗的地上部和地下部干质量也有相同的趋势 在 DLI 为 12 6 mol m 2 d 和 R B 为 1 2 的白红 LED 光照下番茄 种苗的总干质量最大 为每株 473 3 mg 2 3 LED 光质和 DLI 对番 茄种苗叶片叶绿素含量的影响 与 DLI 相比 光质对番茄种苗叶片的叶绿素含量影响 更为显著 表 2 在 3 种水平 DLI 光照下 荧光灯下的 番茄种苗叶片叶绿素含量均显著高于 LED 光源处理 总 叶绿素含量在 F1 8 D10 1 试验区最大 达到 3 52 0 17 mg g 这可能是因为植株长高后 冠层离人工光 源比较近 而荧光灯灯管表面温度较 LED 灯管高 2 3 植物叶片失水导致叶绿素含量升高 在 F1 8 L0 9 农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 234 和 L1 2 光照处理下 番茄种苗叶片的叶绿素 a 叶绿素 b 和总叶绿素含量均在 DLI 为 15 1 mol m 2 d 下最小 在 R B 为 2 2 的 LED 光源 L2 2 下 3 种 DLI 下的番茄叶片 叶绿素 a 叶绿素 b 和总叶绿素含量均无显著性差异 各 处理对叶绿素 a b 值没有显著性影响 均在 3 00 左右 这 说明育苗环境条件均处于适宜番茄种苗生长的范围 a 株高 a Seedling height b 茎粗 b Stem diameter c 叶面积 c Total leaf area d G 值 d G value e 壮苗指数 e Health index 注 DLI 为日累计光照量 下同 Note DLI represents daily light integral the same as below 图2 LED光质和DLI对番茄种苗形态的影响 Fig 2 Effects of LED light quality and DLI on the morphology of tomato seedling a 地上部鲜质量 a Shoot fresh weight b 地下部鲜质量 b Root fresh weight c 地上部干质量 c Shoot dry weight d 地下部干质量 d Root dry weight 注 不同字母之间表示具有显著性差异 P 0 05 下同 Note Different letters indicate significant differences P 0 05 the same as below 图3 LED光质和DLI对番茄种苗生物量的影响 Fig 3 Effects of LED light quality and DLI on biomass of tomato seedling 表 2 LED 光质和 DLI 对番茄种苗叶片叶绿素含量的影响 Table 2 Effects of LED light quality and DLI on chlorophyll contents of tomato seedling 试验区 Experiment treatment 叶绿素 a Chlorophyll a mg g 1 叶绿素 b Chlorophyll b mg g 1 叶绿素 a b Chlorophyll a b 总叶绿素 Total chlorophyll mg g 1 F1 8 D10 1 2 65 0 12 a 0 87 0 05 a 3 07 0 06 ab 3 52 0 17 a F1 8 D12 6 2 32 0 5 b 0 77 0 16 b 3 00 0 03 b 3 10 0 66 b F1 8 D15 1 2 06 0 17 bc 0 67 0 06 c 3 06 0 05 ab 2 73 0 23 c L0 9 D10 1 2 15 0 26 bc 0 69 0 11 c 3 13 0 17 ab 2 84 0 36 c L0 9 D12 6 2 12 0 06 bc 0 7 0 03 bc 3 05 0 11 ab 2 82 0 08 c L0 9 D15 1 1 84 0 22 c 0 61 0 07 cd 2 99 0 08 b 2 45 0 29 cd L1 2 D10 1 2 17 0 27 bc 0 71 0 08 bc 3 07 0 06 ab 2 87 0 34 bc L1 2 D12 6 2 13 0 07 bc 0 69 0 03 bc 3 07 0 09 ab 2 83 0 10 c L1 2 D15 1 1 83 0 12 c 0 58 0 03 d 3 16 0 04 a 2 41 0 16 d L2 2 D10 1 1 75 0 04 d 0 57 0 01 d 3 06 0 01 ab 2 32 0 05d e L2 2 D12 6 1 76 0 05 d 0 56 0 01 d 3 15 0 12 a 2 32 0 05d e L2 2 D15 1 1 63 0 13 d 0 54 0 06 d 3 02 0 09 b 2 17 0 19 e 日累积光照量 Daily light integral DLI NS 光质 Light quality LQ NS DLI LQ NS NS 注 表示具有显著性差异 P 0 05 NS 表示无显著性差异 不同字母之间表示具有显著性差异 Note indicate significant differences P 0 05 NS indicate no significant differences Different letters in the same column indicate significant differences 第 22 期 季 方等 LED 光质和日累积光照量对番茄种苗生长及能量利用效率的影响 235 2 4 LED 光质和 DLI 对番茄种苗光合作用的影响 如图 4 所示 不同光质处理对番茄种苗叶片的净光合 速率影响显著 而 DLI 对其则无显著性影响 L1 2 对番茄 种苗的光合作用最为有利 当 DLI 为 12 6 mol m 2 d 时番茄 种苗叶片的净光合速率为 15 4 mol m 2 s 但在 F1 8 和 L2 2 下的番茄种苗叶片净光合速率显著低于 L0 9 和 L1 2 图4 LED光质和DLI对番茄种苗叶片净光合速率的影响 Fig 4 Effects of LED light quality and DLI on net photosynthetic rate of tomato seedling 2 5 LED 光质和 DLI 对番 茄种苗能量利用效率的影响 基于植物干质量的 LUE 和 EUE 可用于评估植物接收照 射到冠层的光能和对人工光源电能的利用程度 是衡量植物 工厂整体能耗水平的重要指标 2 如图 5 所示 利用不同类 型灯具生产番茄种苗的 LUE 和 EUE 差异明显 与荧光灯试 验区相比 3 种不同 LED 光源下培育番茄种苗的 EUE 有显 著提高 在 L1 2 D12 6 试验区 番茄种苗的叶面积比其他试 验组增大了至少 43 图 2c 从而明显增加了植物冠层 截获的光合有效辐射 故该处理下的 LUE 和 EUE 均达到最 大 分别为 0 078 0 和 0 025 7 比荧光灯对照组 F1 8 高 79 和 321 因此 利用 LED 光源进行番茄种苗生产在单 位功率投入下比荧光灯可获得更高的种苗产量 LED 灯具尤 其是 R B 为 1 2 的白红 LED 灯具更加适合番茄种苗生产 a 光能利用效率 a Light energy use efficiency LUE b 电能利用效率 b Electric energy use efficiency EUE 图5 番茄种苗生产的能源利用效率 Fig 5 Energy use efficiency for tomato seedling production 3 讨 论 光环境对植物的形态建成 生理响应 生长过程及 品质形成有着广泛的调节作用 17 光质作为触发信号被 不同的光敏色素感知 从而直接影响植物的光合作用和 生长发育 11 DLI 作为植物 1 d 内接收到光能总量可以综 合反映植物对光的响应 9 3 1 LED 光质对番茄种苗生长和光合特性的影响 利用 LED 的不同光质组合可以进一步提高设施作物 产量和品质 红光作为植物光系统利用效率最高的光谱 组成 能够促进植株叶片叶面积增大 17 是设施作物生 产补光的最重要组成部分 植物对于蓝光的吸收能力仅 次于红光 蓝光能使植株的株形紧凑 品质得以提升 18 虽然植物叶片对绿光的吸收率较低 但与红蓝光相比 绿光可以更加深入的穿透植物冠层 有效地提升叶片群 体的光合能力 并参与植物的形态建成 19 20 Kim 等 8 研究发现 在红蓝 LED 中添加 24 的绿光可促进生菜的 生长 Kaiser 等 21 发现 在红蓝光谱中加入 32 的绿光 可显著增加番茄植株生物量 这与本研究结果相似 说 明当植物冠层比较密集时可用绿光取代部分红光来增加 植物能利用的光合能量 由于植物对红蓝色光的选择性吸收 以往光质对植 物生长影响的研究多选用红蓝组合光源 但光谱范围更 宽的白色 LED 和白红 LED 灯具在设施生产中应用较多 也能达到与红蓝混合光下相似或更高的生产水平 12 13 Liu 等 18 研究表明 相比红蓝 LED 使用 R B 为 1 5 的 白色 LED 时辣椒种苗地上部与地下部干质量均达到最 大 Lin 等 22 在红蓝 LED 中额外添加白光来平衡光环境 使生菜的生物量显著增加 因此 在实际生产中可以选 用白色 LED 或在白色 LED 中补充红色或蓝色 LED 作为 人工光型植物工厂的光源 5 同时 光质还可以通过影响光合色素的合成参与调 控植物的光合作用 17 叶绿素是光合色素的主要组成部 分 其含量越高就越能有效地捕获光能 提高净光合速 率 23 过多的红光会降低叶绿素含量 而在红光和蓝光 基础上添加绿光有利于促进叶绿素含量的增加 24 25 与荧 光灯相比 LED 光源可以提高番茄种苗叶片光合能力 且不同光质对叶片的净光合速率有显著影响 类似的研 究结果还发现在小白菜 26 草莓 27 上 3 2 DLI 对番茄种苗生长的影响 DLI 可以有效结合光照强度和光周期这 2 个光变量 更好地描述光合作用的强度和时长 为探究植物对光的 响应机制提供较为完善的光参数 在实际生产中可以通 过补光等手段来增加 DLI 进而提高设施育苗质量 故 DLI 常用于植物生产系统的产量预测或管理策略调整 28 Zhang 等 29 和 Yan 等 30 的研究表明 DLI 与植物地上部 干 鲜质量和地下部干 鲜质量之间存在线性关系 在一定 范围内提高 DLI 可以加速植物的生长 但一旦超过阈值 范围 植物生长会趋于稳定或变为抑制 31 这可能是因 为种苗为了适应高 DLI 环境而降低叶面积以减少蒸腾作 用 以此来降低过高 DLI 对植物光合系统的伤害 31 不 农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 236 同植物及其不同生长阶段对 DLI 的响应也不同 适合紫 叶生菜育苗的 DLI 为 11 5 mol m 2 d 6 适合樱桃番茄种 苗生长的 DLI 为 13 0 mol m 2 d 32 而适合黄瓜种苗生长 的 DLI 为 16 2 mol m 2 d 33 3 3 LED 光质和 DLI 对番 茄种苗能量利用效率的影响 基于植物干质量的 LUE和 EUE最早由日本的古在丰 树教授等提出 2 3 植物生长所积累的化学能都是由其吸 收的光能转化而来 在人工光型植物工厂中 植物生长 灯是植物光合作用所需光能的唯一来源 故植物增加的 化学能最终都由电能提供 Kozai 3 指出人工光型植物工 厂 LUE 的理论最大值为 0 1 但在实际生产中 LUE 约 为 0 032 0 043 29 34 这与理论值还有着较大差距 影响植物能量利用效率的因素很多 可以通过改变 光照环境 综合调控环境因素和增加叶片接收光能的能 力等方法来进行优化 35 人工光型植物工厂的光照环境 是由所使用的植物生长灯所确定的 这对植物的能量利 用效率起到了决定性作用 故利用合适的 LED 光源调控 光照环境是提高 LUE 和 EUE 的重要手段之一 4 结 论 本研究在人工光型植物工厂实验室中 利用不同的 白色和白红 LED 植物生长灯研究了日累积光照量 Daily Light Integral DLI 和光质对番茄种苗生长发育 光合特 性 及其能量利用效率的影响 得出以下结论 1 LED 光质可以通过不同的光谱组成影响番茄种苗 的光合能力来影响其生长发育和形态建成 但当 DLI 过 低或过高时 LED 光质对种苗形态建成和生物量积累的 影响不显著 2 合 理 的 DLI 有利于番茄种苗的形态建成和生物量 积累 在适当范围内提高 DLI 可以促进幼苗生根 增加 生物量 增大叶面积 提高种苗健壮程度 当 DLI 为 12 6 mol m 2 d 时 R B 为 1 2 的白红 LED 光源下的番茄种 苗的壮苗指数为 12 04 比荧光灯下高出 1 倍 3 使用 LED 光源代替荧光灯可以有效降低育苗能 耗 显著增加光能利用效率 Light Energy Use Efficiency LUE 和电能利用效率 Electric Energy Use Efficiency EUE 在相同能耗下可以生产出更多的种苗 综上所述 建议选用 R B 为 1 2 的白红 LED 植物 生长灯并调控 DLI 为 12 6 mol m 2 d 的光照环境进行 丰 收 番茄种苗的育苗生产 参 考 文 献 1 Food and Agriculture Organization of the United Nations Value of agricultural production EB OL 2020 01 01 2020 09 01 http www fao org faostat en data QC 2 Yokoi S Kozai T Ohyama K et al Effects of leaf area index of tomato seedling population on energy utilization efficiencies in a closed transplant production system J Journal of Society of High Technology in Agriculture 2003 15 4 231 238 3 Kozai T Resource use efficiency of closed plant production system with artificial light Concept estimation and application to plant factory J Proceedings of the Japan Academy Series B 2013 89 447 461 4 Morrow R C LED Lighting in Horticulture J HortScience 2008 43 7 1947 1950 5 Park Y Runkle E S Dimova L M Spectral effects of light emitting diodes on plant growth visual color quality and photosynthetic photon efficacy White versus blue plus red radiation J PLoS One 2018 13 8 e0202386 6 Yan Z He D X Niu G H et al Evaluation of growth and quality of hydroponic lettuc