LED光质对于生菜生长的影响

张　帅，文尚胜，梁依倩，陈心雅，陈浩伟，庞培元

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州　510640；2.华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州　510640)



LED光质对于生菜生长的影响

张帅1，文尚胜2，梁依倩1，陈心雅1，陈浩伟1，庞培元1

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州510640；2.华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州510640)

为了研究不同红蓝光质配比的LED光源对生菜生长的影响，本文设置红(R)、蓝(B)光质比分别为R∶B=4∶1，R∶B=1∶3，R∶B=1∶4，R∶B=2∶1的四组光源，并以白光LED照射为对照组，在光周期，光照强度的相同的情况下照射生菜，探究不同光质对于生菜子叶、真叶、株高的影响并进行分析，分析结果表明对生菜生长最有利的光质是R∶B=4∶1。该研究可应用于植物工厂领域，提高生产效率。

农业照明；LED光质；生菜；植物工厂

引言

农业的生产活动和光有着密切的联系，传统的农业照明光源有着效率低，功耗大，设备笨重的缺点，在20世纪，LED光源的出现很大程度上解决了这些问题。近年来，随着大功率LED技术的不断发展，其在农业领域的使用正在大范围的普及[1]。LED光源具有体积小，光效高，功耗低，寿命长，波长范围窄和发热低等特点[2]，而且可以根据植物所需来选择特定波长进行照射，具有针对性，实现补光环境的可调，较传统人工光源有较大的优势[3]。

生菜作为深受喜爱的常见蔬菜，不仅具有食用价值，也具有一定的药用价值，生菜中膳食纤维和维生素C成分含量高，其茎叶中含有莴苣素，具有阵痛、助睡眠、辅助治疗神经衰弱的功效，生菜中含有甘露醇等有效成分，有利于促进血液循环的作用[4]；其具有的“干扰素诱生剂”能刺激人体正常细胞产生干扰素，产生抗病毒蛋白抑制病毒和细菌的伤害[5]。近年来，随着植物工厂在全球范围内的发展，生菜由于其食用和药用价值成为了设施农业和植物工厂中的主要种植对象之一。

在影响植物生长的重要环境因素中,光发挥着重要的作用，其不仅是影响植物光合作用的主要因素,也是形成叶绿素的必要条件;同时,光对植物生理过程中的碳同化过程中的相关酶的活性和气孔开度有着非常大的调节作用,这一作用影响着植物的生长代谢和物质运输.作为高等植物，其机体内部的光接受系统和光信号转导系统相比其他较低等植物要精细许多，因此它们可以探测各种光信号的变化并做出相应的生理反应[6-7]。作为影响植物生长的重要因素，光质对植物的形态、代谢活动、发育情况及产品品质的调节作用非常强烈[8-10]。且光质对于植物生长和品质的影响随着植物种类的不同而存在着差异；甚至在同一种植物的不同生长期对于光质的需求也不尽相同。因此为了更好的实现在植物工厂中生菜的种植，研究生菜的光配方显得尤为重要。本文基于第四代新型照明光源LED，通过设置四种不同红蓝光质配比的LED光源，研究光质对于生菜生长的影响，并力求探究出利于生菜生长的最优光质配比，为LED应用于设施园艺和植物工厂提供参考。

1　实验材料与实验设计

1.1实验材料准备

本实验于2016年4月至2016年5月在广州华南理工大学LED植物照明实验室。实验所使用的实验材料为普通奶油生菜种子，种子在使用前一直保存在黑暗，干燥的条件下；种植前将种子在含水5ml的培养皿中浸泡半小时，然后进行种植，本实验设置了五组不同的光质，因此种植的生菜分为5组，为了使得实验结果符合统计学原理，因此每组设置3个样品，为了避免在种植的过程中出现种子不发芽或者植株死亡的情况，每组生菜再增添两个样品，共计使用了20个实验样品。进一步的进行样品准备，在播种后第二天选取发芽情况基本一致的20个样品进行实验。

1.2实验设计

根据现有的理论基础进行光源、光周期、光照强度的设置[11]，本实验共设置4组不同的LED光源，该LED光源为深圳宸华节能照明有限公司生产的LED植物补光灯，每组灯具红蓝灯珠的比例不同，LED红色灯珠的峰值波长为625nm，LED蓝色灯珠的峰值波长460nm，其红(R)、蓝(B)光质比分别为R∶B=4∶1，R∶B=1∶3，R∶B=1∶4，R∶B=2∶1，同时设置对照组为白光处理[12]，其各组光源的光谱图如图1所示。控制PPFD的值在150±10 μmol·m-2·s-1范围内，光周期设置为16h/24h；其中PPFD和灯具光谱通过远方SPIC-200B光谱彩色照度计进行测量，光周期通过公牛(BULL)GND-2 机械定时器进行精确控制。在实验进行过程中严格控制浇水时间与浇水的量，为四天浇一次，于10∶00使用烧杯进行灌溉，一次浇水量为每一样品30ml±5ml。

2.3测定指标及数据处理方案

本次实验过程中关注形态学品质指标有：生菜子叶宽、子叶长、株高、真叶个数、真叶宽度、真叶长度[13]。测量方案为每5天测一次，共测3次，实验进行15天，也即指标测量时间为实验开始后第5，第9，第13，测量具体时间为9：30。测量仪器如下：宝工(Pro skit) PD-151 数字型游标卡尺直尺和香山(CAMRY)EK3820 高精度电子秤。其中游标卡尺进行子叶宽、子叶长、子叶展宽、真叶个数、真叶宽度、真叶长度的测量，直尺进行株高和根长的测量，电子秤进行植株重量的测量。数据记录和处理采用Excel2010软件[14]。

图1　实验中所使用的四种LED光源的光谱图Fig.1　The spectrum of the four LED light sources

2　实验与分析

2.1LED光质对于子叶宽、子叶长、子叶展宽的影响

在真叶未长出之前，子叶通过光合作用为植物体提供营养物质，因此子叶的各项指标均越大越好，图2给出了15天中不同的光质对于生菜生长，从图中我们看出，四种不同光质的LED光源处理下的生菜的子叶宽、子叶长、子叶展宽这三个指标在三次测量的结果中均远高于对照组，即设置红蓝光源可以提高植物的光利用率，并有助于植物的生长和品质的改善。进一步的分别对比光质对于三个指标的影响我们可以发现：对于子叶宽，在处理15天后各试验组子叶宽度的值由大到小排列依次是(R∶B=1∶3)>(R∶B=4∶1)>(R∶B=2∶1)>(R∶B=1∶4)>(对照)，同时从变化趋势上来看(R∶B=1∶3)组与(R∶B=2∶1)组在后来几天子叶宽度增大的速度最快，因此可见从子叶宽度的角度来讲最好的光质为(R∶B=1∶3)；对于子叶长，在处理15天后各试验组子叶长度的值由大到小排列依次是(R∶B=4∶1)>(R∶B=2∶1)>(R∶B=1∶3)>(R∶B=1∶4)>(对照)，同时从变化趋势上来看(R∶B=2∶1)组在后来几天子叶长度增大的速度最快，并且从图中我们可以发现(R∶B=2∶1)与(R∶B=4∶1)组的生菜在15天时的子叶长度的值基本一样，而在后面几天(R∶B=4∶1)组的生菜的子叶长度的变化趋势趋于平缓，因此从子叶长度的角度来讲最好的光源时(R∶B=2∶1)；对于子叶展宽，在处理15天后各试验组子叶展宽的值由大到小排列依次是(R∶B=2∶1)>(R∶B=1∶3)>(R∶B=4∶1)>(R∶B=1∶4)>(对照)，同时从变化趋势上来看(R∶B=2∶1)组在后来几天子叶宽度增大的速度最快，因此可见从子叶展宽的角度来讲最好的光质为(R∶B=1∶3)。综上，虽然(R∶B=1∶3)对于子叶宽度的扩大最为有利但是从图2-2(a)中我们发现(R∶B=2∶1)组对于子叶宽的影响效果与(R∶B=1∶3)组基本一致，同时(R∶B=2∶1)又更有利于子叶长度和子叶展宽的扩大，因此在真叶生长出来之前， (R∶B=2∶1)组的光质是最有利于植株的光质。

图2　不同LED光质对于子叶生长情况的影响Fig.2　The effects of LED light quality on the growth of the cotyledon

2.2LED光质对于真叶个数、真叶长度、真叶宽度的影响

真叶是所有植物在生长过程中长出的真正意义上的叶子，对于蔬菜真叶会通过各种植物生理作用不断的生长最终成为成熟的叶片，因此真叶的生长发育情况对于植物的生长情况以及最后的品质有非常重要的意义。首先在植物发芽后会慢慢长出子叶，图3给出了第二、三次测量中不同实验组子叶个数的情况，我们发现相比对照组，用红蓝光处理下的植株在相等的时间内，子叶个数要大于对照组，在第15天实验结果表明(R∶B=4∶1)和(R∶B=1∶3)组的子叶个数最多为4个，是对照组的两倍。

进一步的观察不同光质对于真叶宽度和长度的影响，图4给出的实验结果表明用红蓝光处理的样品的这两个指标均远好于对照组，并且(R∶B=4∶1)处理的样品的这两个指标又远好于其他各组实验结果。

综上可以发现最有利于生菜真叶生长发育的光源为光质是(R∶B=4∶1)的光源。

图3　不同LED光质对于生菜子叶个数的影响Fig.3　The effects of LED light quality on the number of the cotyledon

图4　不同LED光质对于生菜真叶生长的影响Fig.4　The effects of LED light quality on the growth of the main leaf

2.3LED光质对于株高的影响

图5给出了不同光质对于生菜株高的影响，结果显示在第15天，各试验组的株高的值从大到小排列依次是：(R∶B=4∶1)>(R∶B=1∶3)>(R∶B=1∶4)>(R∶B=2∶1)=(对照)，从变化趋势上来看(R∶B=1∶3)组的样品在后来几天变化趋势最大，其次是对照组，而(R∶B=4∶1)、(R∶B=1∶4)、(R∶B=2∶1)组的株高变化趋势远在最后几天趋于平稳，因此在未来几天内，甚至对照组的株高要大于各实验组，不同于前面几个指标，红蓝光质各组的株高并不像前几个指标一样远好于对照组，造成这一现象的原因是，在各组光质中，由于只有红蓝光源，蓝光虽然有助于植物的光合作用，但却抑制植物的株高，蓝光的比例不同对于株高的抑制程度也就不同，因此出现了图5中的实验结果。在植物的幼苗期，往往会出现徒长的现象，而植物株高过长也是不健康的表现，蓝光成分可以抑制植物的徒长，但是蓝光过多，又会出现叶子的“烧边”现象，在本实验过程中，由于光照控制在(150±10) μmol·m-2·s-1范围内，使得各组样品没有出现徒长的现象，因此对于株高的评价依然是值越大越好。所以R∶B=4∶1为有利于生菜植株长高的光质。

图5　不同LED光质对于生菜株高的影响Fig.10　The effects of LED light quality on the plant height

3　结论

本文以白光LED光源为对照组研究了四种不同光质的LED的光源在15天中对于生菜生长情况的影响，研究了四种光质对于生菜生长过程中子叶宽度、子叶长度、子叶展宽、真叶数、真叶宽度、真叶长度这些形态学指标的影响，并探究出了适合各指标的光质，其中利于生菜子叶生长发育的光质是R∶B=2∶1，有利于生菜真叶生长发育的光质是R∶B=4∶1,有利于生菜植株长高的光质为R∶B=4∶1，虽然R∶B=4∶1并不是生菜子叶发育的最优光质，但是从前15天的实验结果来看(R∶B=4∶1)与(R∶B=2∶1)相比并不存在明显的差距，两者的效果基本相同，最大的差别在于(R∶B=4∶1)处理的样品在后面几天子叶的变化情况趋于平缓，而(R∶B=2∶1)处理的样品的子叶在后面几天宽度和长度都迅速变大，这一结果虽然从一定程度上说明R∶B=2∶1有利于子叶的发育，但是子叶并不是决定生菜最终食用价值的指标，真正决定生菜食用价值的指标是真正意义上的叶子—真叶，因此综合考虑各方面的因素，对于生菜生长和发育最为有利的光质为R∶B=4∶1。

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The Effect of LED Light Quality on the Growth of Lettuce

ZHANG Shuai1, WEN Shangsheng2, LIANG Yiqian1,CHEN Xinya1,CHEN Haowei1, PANG Peiyuan1

(1.School of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou510640, China;2.StateKeyLaboratoryofLuminescenceMaterialsandDevices,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;3.GuangdongIndustryTechnicalCollege,EnvironmentalEngineeringDepartment,Guangzhou510300,China)

In oeder to analyze the LED light with different red and blue light ratio for plant growth,This paper have set four contorl groups,for which red light to blue light ratio are 4 to 1,1 to 3,1 to 4,2,to,1, as compared with normal group illuminated by white light.More than this,we also have ensured in case of the exactly same of light source, photoperiod and light intensity to look into the effect of light quality on the cotyledon,main leaf and plant height of romaine lettuce under the circumestances and the detected results were statistically analyzed. The results of this experiment reflect on that the most favorable photoperiod for romaine lettuce is that red light to blue light ratio is 4 to 1. Through the adjusting to experimental results,this can be used in plant factory to increase production efficiency.

agricultural lighting; LED quality; romaine lettuce; plant factory

国家文化部项目(GJWHKJTSXM20154464)，广东省科技计划项目(2013B090600048，2015B010134001，2015B010127004，2015YT02C093，201604010006)

文尚胜，E-mail：shshwen@scut.edu.cn

S123

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.015