随着半导体技术的进步和农业发展节能环保要求的提出，发光二极管（LED）作为新型照明、补光光源被日益广泛的应用于设施园艺蔬菜栽培。光不但为植物光合作用提供能量，光质还作为环境信号调节着植物的生命活动。在植物吸收的可见光中，红光和蓝光是植物光合作用吸收的主要光源，其他波长光源对植物生长的促进作用较小或没有作用[4]。传统植物设施栽培中的人工照明光源多为荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯，这些光源含有许多非必须波长光，并散发大量热量，耗电且光能利用率较低。与之相比，LED光源发光光谱呈山形，是较理想的窄波段光源[5]，光能利用率高，且可以实现对单独光质和光强的单独控制，可以满足研究对特殊光源条件的要求[6]。LED光源作为冷光源，可近距离照射植物，大幅提高了空间利用率，降低了农业生产成本。另外，LED灯使用寿命长达50000h[7]，且耐震不易碎，无汞无污染，是环保绿色光源。基于LED光源的突出优势，越来越多的学者开始利用LED光源研究光质对蔬菜生长和品质的影响。如陈文昊等[8]研究了LED光源对4个品种生菜生长和品质的影响，发现4个品种生菜植株在红光、红蓝组合光下生长较好，且在红蓝组合光下品质较好。Mizuno等[9]研究指出，不同叶色卷心菜苗生长和色素合成对不同光质的响应方式不同。Samuoliene等[10]研究发现，不同叶色生菜抗氧化能力对单色光红光响应不同。Gary W. Stutte等[11]的研究说明，红叶生菜幼叶花青素含量在照射蓝光后增加，而照射红光则无变化，移除蓝光后，花青素含量降至红光照射水平。
前人的研究多关注光质对同品种蔬菜的生长和品质影响，对不同品种间生长或品质表现的研究较少。本研究在温室条件下，水培盆栽三种叶色生菜，利用LED作为光源，探究光质对不同叶色生菜生长和品质的影响，以期为高产优质生产不同叶色生菜及其他特殊叶色叶菜提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2013年2月至2013年5月在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所温室进行，供试生菜品种为红叶生菜（红生一号）(R)、紫叶生菜(P)和绿叶生菜（意大利生菜）(G)，试验温室平均气温 22℃。2013年2月25日育苗，育苗基质为蛭石。3月9日移栽部分幼苗至水培桶，每桶移栽4株。其中36个水培桶直径18.5cm，高20cm，每桶装5L营养液，每种叶色生菜移栽12桶，18个水培桶直径18.5cm，高15cm，每桶装4L营养液，每种叶色生菜移栽6桶。
对36个大水培桶的生菜进行LED光质处理，营养液基础营养组成（mmol/L）：2.5Ca(NO3)2， 0.75 K2SO4，0.5 KH2PO4，0.1 KCl，0.65 MgSO4，1.0×10-3 H3BO3，1.0×10-3 MnSO4，1.0×10-4 CuSO4，1.0×10-3 ZnSO4，5×10-6 (NH4)6Mo7O24，0.1 EDTA-Fe。设置4个LED光质处理：分别为白光(W)、蓝光(B)、红光(R)、红光：蓝光(RB)（1:1，光强）处理，每个处理总光强都为240μmol/m2/s（采用Licor-250A照度计测量），每天光照14h（18:00~8:00），4月2日开始进行光照处理，每个处理重复3次。LED光源为单色灯管，蓝光、红光的峰值波长为468nm和624nm。2013年4月27日至5月2日对生菜的生物量、光合色素含量、营养物质含量及不同光谱下光合色素吸光度进行测定，每次从心部向外取第5片叶片为样品材料。
1.3 测定方法
称量生菜地上鲜重（四株）；以80%丙酮提取法测定光合色素吸光度，计算其含量[12]；以1%盐酸-甲醇提取法测定总酚、类黄酮、花青素吸光度，并计算相对含量[13]；以0.09g/mL苯酚、浓硫酸与可溶性糖提取液反应后测量提取液吸光度，并计算可溶性糖含量[13]。
2 结果与分析
2.1 LED光质对三种叶色生菜光吸收特性的影响
如图1所示，不同LED光质照射下三种叶色生菜光吸收曲线变化规律相似：在330~500nm和640~690nm存在光吸收高峰，在500~640nm和690~800nm吸光度很小且变化幅度小。330~500nm紫外光和蓝紫光波段是光合色素吸光度最活跃区域，吸光度大且变化剧烈。在340nm和430nm有全波段最大吸光度和第二大吸光度，且在达到峰值后迅速下降，在390nm和500nm处出现吸光度谷值。其中，光合色素吸光度虽然在390nm处降至小范围最低值，仍大于500~640nm和690~800nm波段吸光度。在640~690nm红光区光吸收峰窄且单一。500~640nm波段光合色素吸光度小，呈缓慢攀升趋势。690~800nm远红光区是全波段最不活跃区域，光合色素吸光度最小且变化幅度非常小。比较不同处理间光合色素吸光度曲线可知，在波长大于380nm的可见光区RB-P、B-P和W-P光合色素吸光度较大，在紫外光光谱区，B-R、RB-R、B-P和RB-P吸光度较大，全波段红光处理的三种生菜吸光度都明显小于其他处理。
三种生菜叶绿素a、类胡萝卜素及总光合色素含量随LED光质的变化趋势基本一致，均在红蓝组合光照射下有最大含量，在红光照射下有最小含量。绿叶生菜和紫叶生菜在红蓝组合光照射下叶绿素b含量最大，在红光照射下最小，而红叶生菜在红光照射下叶绿素b含量最大，在蓝光照射下最小。红叶生菜在红光照射下叶绿素a比例最低，其他处理叶绿素a比例无显著差异。红叶生菜在红光照射下叶绿素b比例显著高于其他处理，而其他处理叶绿素b比例无显著差异。绿叶生菜在红蓝组合光照射下类胡萝卜素比例最高，在红光下最低。紫叶生菜类胡萝卜素比例在蓝光照射下最高，在白光下最低。紫叶生菜类胡萝卜素比例在红蓝组合光下最高，在红光下最低。以上结果显示，三种生菜光合色素含量对LED光质的响应相似，但类胡萝卜素所占总光合色素比例对LED光质的响应存在较大差异。结合图1，光吸收曲线中吸光度最大的处理RB-P、B-P和W-P与本表总光合色素含量最大的三个处理相符。
表1 LED光质对三种叶色生菜光合色素含量的影响
Table1 Influence of LED light quality on content of photosynthetic pigment of three leaf-color lettuce cultivars
|
处理 Treatments |
叶绿素a含量 Ca (mg/g) |
叶绿素b含量 Cb (mg/g) |
类胡萝卜素含量 Cx.c (mg/g) |
光合色素总含量 (mg/g) |
叶绿素a (%) |
叶绿素b (%) |
类胡萝卜素(%) |
|
W-G |
0.41d |
0.10d |
0.10c |
0.61e |
66.93a |
16.93de |
16.14de |
|
RB-G |
0.53bc |
0.13bc |
0.12ab |
0.78bc |
67.66a |
16.37ef |
15.97de |
|
B-G |
0.43cd |
0.10d |
0.11bc |
0.63cd |
67.12a |
15.18f |
17.71abc |
|
R-G |
0.13e |
0.04e |
0.04d |
0.21e |
60.86c |
20.94a |
18.19ab |
|
W-P |
0.55ab |
0.15ab |
0.12bc |
0.81ab |
67.49a |
17.99cd |
14.51f |
|
RB-P |
0.63a |
0.16a |
0.14a |
0.93a |
67.57a |
17.08de |
15.35ef |
|
B-P |
0.51bcd |
0.16a |
0.13ab |
0.79ab |
64.24b |
19.62b |
16.15de |
|
R-P |
0.22e |
0.06e |
0.06d |
0.34e |
64.26b |
19.27b |
16.47cde |
|
W-R |
0.46bcd |
0.11cd |
0.12abc |
0.70bcd |
66.63a |
15.89ef |
17.48abc |
|
RB-R |
0.50bcd |
0.12cd |
0.13ab |
0.76bc |
66.42a |
15.93ef |
17.65abc |
|
B-R |
0.46bcd |
0.10d |
0.11bc |
0.68bcd |
67.74a |
15.25f |
17.01bcd |
|
R-R |
0.20e |
0.06e |
0.06d |
0.32e |
62.99b |
18.53bc |
18.48a |
注：同一测定量同列数据后不同字母表示差异显著（P＜0.05），下同。
Note: Values with different letters are significantly different (P＜0.05), the same below.
如表2所示，比较三种叶色生菜光合色素光吸收峰值可知，同品种生菜光合色素在430nm、620nm和660nm处吸光度均以红蓝组合光处理最大，红光处理最小，这与表1总光合色素在红蓝组合光照射下含量最大，在红光照射下有最小的结果基本相符。而340nm处吸光度规律不同，W-G、RB-P和B-R吸光度在同品种生菜不同处理中最大，红光处理最小。不同品种生菜比较可知，在430nm、620nm和660nm处红蓝组合光照射下紫叶生菜吸光度最大，340nm处蓝光照射下红叶生菜吸光度最大。结果表明，三种叶色生菜光合色素吸光度在可见光区对LED光质响应规律相似，而在紫外光区存在差异。
表2 LED光质对三种叶色生菜光合色素光特定波长处吸光度的影响
Table2 Influence of LED light quality on spectral absorbance of three leaf-color lettuce cultivars at particular spectrum
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处理 Treatments |
A340/g |
A430/g |
A620/g |
A660/g |
|
W-G |
3.49ab |
2.06d |
0.31e |
1.10e |
|
RB-G |
3.20b |
2.55abc |
0.39bce |
1.41bcd |
|
B-G |
3.33ab |
2.20cd |
0.32de |
1.15de |
|
R-G |
1.13d |
0.75e |
0.11f |
0.35f |
|
W-P |
3.73ab |
2.61abc |
0.42abc |
1.51abc |
|
RB-P |
3.77ab |
2.94a |
0.48a |
1.71a |
|
B-P |
3.73ab |
2.79ab |
0.44ab |
1.53ab |
|
R-P |
1.37d |
1.16e |
0.17f |
0.59f |
|
W-R |
3.74ab |
2.38bcd |
0.35cde |
1.24cde |
|
RB-R |
3.82a |
2.53abc |
0.38bcde |
1.36bcde |
|
B-R |
3.84a |
2.30cd |
0.34cde |
1.22de |
|
R-R |
2.41c |
1.14e |
0.17f |
0.54f |
2.2 LED光质对三种叶色生菜生长的影响
如表3所示，在不同LED光质照射下的三种生菜生长有显著不同，绿叶生菜在白光照射下地上部鲜重显著大于其他光质照射下的同种生菜，红光照射显著低于其他光质。白光照射的紫叶生菜地上部鲜重显著高于同品种的其他处理，而蓝光照射地上部鲜重最低。红叶生菜在红蓝组合光照射下有最大地上部鲜重，在红光照射下有最小地上部鲜重。三种生菜地上部干重随光质变化趋势基本一致，都在红蓝组合光处理下干重最高，而在红光处理下干重最低。以上结果表明，白光和红蓝组合光，尤其是红蓝组合光有利于生菜的生物量积累，蓝光和红光单色光，特别是红光，不足以保证生菜的良好生长。三种叶色生菜生长对不同LED光质响应相似。
表3 LED光质对三种叶色生菜生物量的影响
Table3 Influence of LED light quality on biomass of three leaf-color lettuce cultivars
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处理 Treatments |
地上部鲜重 Shoot fresh weight (g) |
地上部干重 Shoot dry weight (g) |
|
W-G |
77.46a |
3.76b |
|
RB-G |
65.33b |
5.21a |
|
B-G |
59.20bcd |
3.06b |
|
R-G |
51.52de |
1.81c |
|
W-P |
62.27bc |
3.62b |
|
RB-P |
59.92bcd |
5.03a |
|
B-P |
56.51cd |
3.16b |
|
R-P |
62.07bc |
2.16c |
|
W-R |
53.51cd |
2.24c |
|
RB-R |
59.35bcd |
3.42b |
|
B-R |
42.95ef |
2.22c |
|
R-R |
39.81f |
1.54c |
2.2 LED光质对三种叶色生菜营养品质的影响
如表4所示，三种生菜在不同LED光处理下总酚含量有显著不同，绿叶生菜在红蓝组合光下总酚含量显著高于同品种的其他处理，紫叶生菜和红叶生菜则在白光下总酚含量最高。三种生菜皆在红光下有总酚含量的最小值。三种生菜类黄酮含量在白光、红蓝组合光、蓝光下差异不大，均有较高含量，而在红光照射下皆有最低值。三种生菜花青素含量对不同LED光质的响应基本一致，都在红蓝组合光照射下有最大含量，而在红光照射下含量最小。三种生菜可溶性糖含量对不同LED光质的响应不同，紫叶生菜和红叶生菜均在红蓝组合光照射下有最大含量，在白光照射下有最小含量。而绿叶生菜则在白光照射下可溶性糖含量最高，在红蓝组合光照射下最低。以上结果说明，白光和红蓝组合光，尤其是红蓝组合光有利于生菜的营养品质的提高，而红光不足以保证生菜的良好营养品质。
表4 LED光质对三种叶色生菜抗氧化物和可溶性糖含量的影响
Table4 Influence of light quality on contents of antioxidant substances and soluble sugar of three leaf-color lettuce cultivars
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处理 Treatments |
总酚 Phenol (OD280/g) |
类黄酮 Flavonoid (OD325/g) |
花青素 Anthocyanin (ΔOD530-600/g) |
可溶性糖 Soluble sugar (%) |
|
|
W-G |
3.59abc |
4.07a |
0.00e |
1.26bcde |
|
|
RB-G |
3.91ab |
4.10a |
0.56bc |
0.35e |
|
|
B-G |
2.95cd |
3.90a |
0.00e |
0.61de |
|
|
R-G |
1.13e |
1.70d |
0.00e |
1.22bcde |
|
|
W-P |
3.95ab |
4.10a |
0.30cd |
0.69cde |
|
|
RB-P |
3.85ab |
4.03a |
0.44bc |
2.47a |
|
|
B-P |
3.83ab |
4.06a |
0.40bc |
1.43bcd |
|
|
R-P |
1.40e |
2.17c |
0.08de |
1.23bcde |
|
|
W-R |
3.91ab |
4.10a |
0.56bc |
0.35e |
|
|
RB-R |
4.01a |
4.06a |
0.91a |
1.95ab |
|
|
B-R |
3.84ab |
4.07a |
0.65ab |
0.61de |
|
|
R-R |
2.31d |
3.12b |
0.39bc |
1.50bcd |
|
3 结论与讨论
不同LED光质照射下三种叶色生菜光吸收曲线变化规律相似，都有蓝紫光、红光两个吸光度高的光谱区和绿光、黄光、橙光及远红光两个吸光度低的光谱区。在可见光光谱区，光合色素吸光度与光合色素含量成正比，但在紫外光区，光合色素含量对吸光度影响不明显。不同LED光质对不同叶色生菜生长及营养品质有显著影响且存在差异。绿叶生菜和紫叶生菜在白光照射时地上部鲜重高于其他光照处理，而红叶生菜在红蓝组合光照射下鲜重最大。绿叶生菜和红叶生菜在红光照射下地上部鲜重最小，而紫叶生菜在蓝光照射下地上部鲜重最小。绿叶生菜在红蓝组合光下总酚含量最高，而紫叶生菜和红叶生菜则在白光下总酚含量最高。三种生菜花青素含量都在红蓝组合光照射下有最大含量，而在红光照射下含量最小。紫叶生菜和红叶生菜可溶性糖均在红蓝组合光照射下有最大含量，在白光照射下有最小含量，而绿叶表现相反。说明白光和红蓝组合光都可以促进蔬菜的生长和营养品质的提高，但不同品种蔬菜响应不同。
三种叶色生菜光合色素光谱吸收曲线变化规律相似。光谱吸收曲线在蓝紫光和红光区的活跃峰值与植物光合色素选择性吸收蓝紫光和红光的特性一致。三种叶色生菜光合色素吸光度大小顺序在可见光区和紫外光区有不同表现，在可见光区吸光度与总光合色素含量成正比，而在紫外光区红光和红蓝组合光处理的红叶生菜和紫叶生菜吸光度最大。可能是由于红叶生菜和紫叶生菜含有较多的花青素。
崔慧茹等[14]的研究表明，白光有利于彩色甜椒内类黄酮的合成，红光、蓝光和红蓝组合光相对抑制了类黄酮的合成。且红蓝组合光最能促进花青素合成，而白光效果最差。这与本研究结果中LED对类黄酮合成积累的影响不同，本研究中白光、红蓝组合光、蓝光处理类黄酮含量无显著差异，而红光处理含量显著低于其他处理。红蓝组合光最能促进花青素合成的结果则与本研究结果基本一致。赵淼等[15]研究发现，波长较短的蓝光有利于草莓果实中花青素的积累。本研究中，三种叶色生菜蓝光处理的花青素含量仅次于红蓝组合光处理，而高于红光及白光处理，说明蓝光对花青素合成也有促进作用。孙建设等[16]的研究表明，富士苹果果皮中花青素的合成需要白光照射，且生长期若单一红光或紫光处理，都会抑制花青素的合成。本试验中，红光照射下三种叶色生菜花青素含量都最低，这与单一红光照射抑制花青素合成一致。结合本研究可知，蓝光对花青素的合成有促进作用，红光、蓝光协同作用对花青素合成的促进作用更加突出，但单一红光对花青素的合成不利，而类黄酮受LED光质影响的品种表现差异较大。
综合以上结果，三种叶色生菜光合色素光谱吸收在可见光区主要受光合色素含量影响，在紫外光区可能受到花青素含量影响。红蓝光和白光最有利于生菜生物量的积累。光质对蔬菜内抗氧化物质的合成积累有重要调节作用，且不同品种蔬菜对光质的响应不同，其中差异值得深入探究。就本研究中三种叶色生菜而言，红蓝组合光最有利于实现高产优质。
