第 36 卷 第 22 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 36 No 22 2020 年 11月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov 2020 231 LED 光質(zhì)和日累積光照量對番茄種苗生長及能量利用效率的影響 季 方 1 甘佩典 1 劉 男 1 賀冬仙 1 楊 珀 2 1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083 2 北京盛陽谷科技有限公司 北京 100083 摘 要 為了提高育苗質(zhì)量 降低冬春季低溫弱光環(huán)境對設(shè)施種苗優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的制約 本文利用人工光型植物工廠的 LED 光照與環(huán)控技術(shù)研究光質(zhì)和日累積光照量 Daily Light Integral DLI 對番茄種苗形態(tài)建成和生物量累積的影響 通過對 光能利用效率 Light Energy Use Efficiency LUE 和電能利用效率 Electric Energy Use Efficiency EUE 的實(shí)際測試 分析人工光育苗的能耗水平 光質(zhì)環(huán)境以白色熒光燈為對照 選用紅藍(lán)比 R B 為 0 9 的白色 LED 和 R B 為 1 2 和 2 2 的白紅 LED 燈具 在 DLI 為 10 1 12 6 和 15 1 mol m 2 d 下培育 豐收 番茄種苗 31 d 結(jié)果表明 在 LED 下生長 的番茄種苗的壯苗指數(shù) 生物量和光合能力均顯著優(yōu)于熒光燈下 增強(qiáng) DLI 有利于番茄種苗的形態(tài)建成和生物量累積 在 R B 為 1 2 的白紅 LED L1 2 下設(shè)置 DLI 為 12 6 mol m 2 d 時(shí) 番茄種苗的株高 莖粗 葉面積 干質(zhì)量日均增長 量 G 值 壯苗指數(shù) 及干 鮮質(zhì)量都達(dá)到最大 番茄種苗在相同光質(zhì)下的光合能力不受 DLI 的影響 但在 L1 2 下的 凈光合速率最高 利用 LED 生產(chǎn)番茄種苗的 LUE 和 EUE 比在熒光燈下顯著提高 當(dāng) DLI 為 12 6 mol m 2 d 時(shí) L1 2 下的該值比熒光燈下分別提高 79 和 321 因此 R B 為 1 2 的白紅 LED 比其他光質(zhì)的 LED 更適合番茄種苗生產(chǎn) 推薦 DLI 為 12 6 mol m 2 d 作為番茄設(shè)施育苗的光環(huán)境調(diào)控指標(biāo) 關(guān)鍵詞 LED 葉綠素 番茄種苗 光質(zhì) 日累積光照量 光能利用效率 電能利用效率 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 026 中圖分類號(hào) S625 5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2020 22 0231 08 季方 甘佩典 劉男 等 LED 光質(zhì)和日累積光照量對番茄種苗生長及能量利用效率的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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 番茄種植面積和消費(fèi)水平居全球所有蔬菜種類的首 位 中國的番茄種植面積在 2018 年為 104 萬 hm 2 年產(chǎn) 量達(dá)到 6 163 萬 t 占全國蔬菜總產(chǎn)量的 8 7 1 番茄種 苗的質(zhì)量對其后期栽培和增產(chǎn)增效具有重要作用 已經(jīng) 成為設(shè)施育苗產(chǎn)業(yè)的重要品類 目前 中國番茄種苗的 年需求量達(dá) 390 億株以上 對設(shè)施園藝生產(chǎn)和溫室產(chǎn)業(yè) 發(fā)展具有舉足輕重的影響 然而 冬季和早春季的低溫 弱光天氣經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)施冬春季番茄種苗的生長延緩和品 質(zhì)劣化 嚴(yán)重制約了設(shè)施番茄育苗的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn) 人工光型植物工廠的可控環(huán)境可以有效縮短育苗 周期 提高種苗質(zhì)量 實(shí)現(xiàn)蔬菜育苗的標(biāo)準(zhǔn)化與工廠化 生產(chǎn) 但因其建設(shè)成本高和耗電量大等問題難以得到推 廣普及 降低人工光型植物工廠的用電成本就必須提高 育苗系統(tǒng)的電能利用效率 Electric Energy Use 收稿日期 2020 09 15 修訂日期 2020 11 20 基金項(xiàng)目 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 設(shè)施種苗生產(chǎn) LED 關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng) 用示范 2017YFB0403901 作者簡介 季方 博士 講師 主要從事生物環(huán)境工程研究 Email jifang 通信作者 賀冬仙 博士 教授 主要從事生物環(huán)境工程研究 Email hedx Efficiency EUE 和光能利用效率 Light Energy Use Efficiency LUE 2 因此 植物生長燈作為人工光型植 物工廠的重要組成部分 是其節(jié)本增效的核心技術(shù) 如 何有效降低占總耗電量約 80 3 的人工光照耗電量成為 該技術(shù)的研究熱點(diǎn) 發(fā)光二極管 Light Emitting Diodes LED 以其光效高 壽命長和光譜可調(diào)的技術(shù)優(yōu)勢成為人 工光型植物工廠的主流光源 4 但以葉綠素對紅藍(lán)光的高 吸收率而研發(fā)的紅色與藍(lán)色燈珠組合的 LED 燈具在近年 來備受爭議 5 6 而白色 LED 及白紅 LED 燈具的植物工 廠應(yīng)用逐漸成為產(chǎn)業(yè)趨勢 7 8 光環(huán)境調(diào)控作為設(shè)施育苗生產(chǎn)的重要環(huán)境條件 不 僅包括光照強(qiáng)度和光照周期 還受到光質(zhì)和日累積光照 量 Daily Light Integral DLI 的直接影響 DLI 是指植 物在 1 d 內(nèi)接受到的光能總量 9 是光照強(qiáng)度和光周期的 乘積 可以替代光照強(qiáng)度作為植物生長發(fā)育的光變量 合適的 DLI 不僅可以改善植物生長狀況 縮短種苗育苗 時(shí)間 還能提高光能利用效率進(jìn)而直接影響生產(chǎn)水平和 設(shè)施能耗 以往對光質(zhì)研究的文獻(xiàn)多集中在單色光或不同比例 的紅藍(lán)混合光 但越來越多的研究表明 紅藍(lán)混合光中 由于缺少其他波段光譜導(dǎo)致植物部分光敏色素不能做出 響應(yīng) 進(jìn)而影響植物生長發(fā)育 7 8 10 11 在紅藍(lán)光下生長 的植物在人類視覺上呈紫色 這不利于對管理者對植物 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020 年 232 生產(chǎn)狀況的觀察和病害診斷 5 6 無形中增加了植物工廠 管理難度 也未能達(dá)到優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的目標(biāo) 12 13 利用全光 譜分布的白色 LED 特性 結(jié)合 DLI 對植物生長發(fā)育和光 合作用的影響 分析能源利用效率更能貼近生產(chǎn)實(shí)際和 能耗分析 因此 本研究利用白色 LED 和不同比例的白 紅 LED 植物生長燈 從番茄種苗的形態(tài)建成 生物量積 累及光合特性等各方面分析 LED 光質(zhì)和 DLI 對其生長發(fā) 育的影響 旨在為設(shè)施番茄育苗生產(chǎn)提供光環(huán)境參數(shù)和 優(yōu)化 LED 光配方 從而為番茄工廠化育苗生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能 減耗提供技術(shù)支持 1 材料與方法 1 1 供試材料與育苗方法 供試番茄種子 Lycopersicon esculentum Mill cv 豐 收 由荷蘭瑞克斯旺種子公司提供 番茄育苗試驗(yàn)于 2017 年 8 月在人工光型植物工廠實(shí)驗(yàn)室 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 北 京 進(jìn)行 將種子播種于填充了 75 蛭石和 25 珍珠巖 混合基質(zhì)的 128 標(biāo)準(zhǔn)穴盤 長 寬 高 540 mm 280 mm 42 mm 中 種子出芽前進(jìn)行為期 3 d 的黑暗環(huán) 境催芽處理 催芽環(huán)境溫度控制在 28 1 相對濕 度為 75 10 種子出芽后按各試驗(yàn)區(qū)設(shè)置的光環(huán)境參 數(shù)進(jìn)行人工光照處理 育苗期間的環(huán)境設(shè)置為 08 00 22 00 設(shè)置為明期 22 00 08 00 設(shè)置為暗期 明期的溫 度 24 1 相對濕度 60 5 CO 2 濃度 800 50 mol mol 暗期的溫度 20 1 相對濕度 65 5 CO 2 濃度不控制 番茄種苗采用潮汐式灌溉 每次灌溉持 續(xù)時(shí)間為 30 min 營養(yǎng)液配方采用日本園試通用配方 pH 值為 5 6 6 0 電導(dǎo)率 Electrical Conductivity EC 為 2 0 2 4 mS cm 番茄種子出芽到第 1 片真葉展開期 間 每隔 2 d 澆灌 1 次 1 3 濃度營養(yǎng)液 待第 1 片真葉展 平后使用 2 3 濃度營養(yǎng)液每日進(jìn)行灌溉 第 2 片真葉展開 后每日灌溉標(biāo)準(zhǔn)濃度營養(yǎng)液 1 2 光照環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在光照立體栽培架 長 寬 高 1 250 mm 900 mm 2 100 mm 分為 5 層 層高 380 mm 上進(jìn)行番茄育苗試 驗(yàn) 每層可放置 6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)穴盤 4 盤豎放 2 盤橫放 人工光源采用紅藍(lán)比 Ratio of Red Light to Blue Light R B 為 1 8 的 T5 熒光燈 F1 8 和 R B 分別為 0 9 1 2 和 2 2 的白色和白紅 LED 植物生長燈 L0 9 L1 2 L2 2 如表 1 所示進(jìn)行番茄育苗光環(huán)境試驗(yàn) 以熒光燈試驗(yàn)區(qū)作 為對照組 共設(shè)置 12 個(gè)試驗(yàn)區(qū) 播種 31 d 后 每個(gè)試驗(yàn) 區(qū)隨機(jī)選取 8 株番茄種苗進(jìn)行指標(biāo)測量 試驗(yàn)重復(fù) 3 次 表 1 番茄種苗的光照環(huán)境試驗(yàn)區(qū) Table 1 Light environment experiment treatments setting for tomato seedlings 試驗(yàn)區(qū) Experiment treatment 日累積光照量 Daily Light Integral DLI mol m 2 d 1 紅藍(lán)比 R B ratio 光照強(qiáng)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 白色熒光燈 W FL 28W 上海鼎鐸 照明電器有限公司 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 燈具 W LED 18W 北京 盛陽谷科技有限公司 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 白紅比 白色和紅色燈珠 為 5 1 的 LED 燈具 WR LED5 1 16W 北京盛陽谷 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 白紅比 白色和紅色燈珠 為 5 3 的 LED 燈具 WR LED5 3 16W 北京盛陽谷 科技有限公司 注 F1 8 代表 R B 為 1 8 的 T5 熒光燈 L0 9 L1 2 和 L2 2 分別代表 R B 為 0 9 1 2 與 2 2 的 3 種直管型 LED 燈具 D10 1 D12 6 和 D15 1 分別代表 DLI 日累積光照量 為 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 試驗(yàn)儀器及測量方法 光照強(qiáng)度和光譜測定 使用便攜式光量子計(jì) LI 1400 LI COR 公司 美國 在燈具正下方 15 cm 處測定光照強(qiáng)度 并用光纖光譜儀 AvaSpec ULS2048 Avantes 公司 荷蘭 在光照強(qiáng)度為 250 mol m 2 s 的燈具下同一位置測量各試驗(yàn) 區(qū)分光光譜分布 圖 1 根據(jù)光譜分布 分別計(jì)算紫外光 UV 波長 300 399 nm 藍(lán)光 B 波長 400 499 nm 綠光 G 波長 500 599 nm 和紅光 R 波長 600 699 nm 遠(yuǎn)紅光 FR 波長 700 800 nm 的光量子通量 并用紅光 波段和藍(lán)光波段的光量子通量計(jì)算 R B 光源的電能消耗 用電力監(jiān)測儀 T8006 深圳北電儀表有限公司 中國 進(jìn) 行連續(xù)監(jiān)測 番茄種苗形態(tài)指標(biāo)測定 形態(tài)指標(biāo)包括株高 莖粗 葉片數(shù) 葉面積 地上 下部鮮質(zhì)量 地上 下部干質(zhì)量 用直尺測量番茄種苗的株高 cm 用游標(biāo)卡尺測量莖粗 mm 用掃描儀 LiDE 110 佳能 中國 有限公司 掃描每片葉片 并利用 Photoshop 計(jì)算葉面積 cm 2 14 分離番茄種苗的地上部和地下部 用百分之一天平分別測 量各部分鮮質(zhì)量 g 將地上部和地下部放置于 105 烘 箱中殺青 3 h 再將烘箱溫度調(diào)至 80 干燥 72 h 至恒質(zhì)量 用萬分之一電子天平 FA1204B 上海精密科學(xué)儀器有限 公司 中國 分別稱量地上 下部干質(zhì)量 mg 葉綠素含量測定 番茄種苗的葉綠素含量用紫外 可 見分光度計(jì) UV 3150 島津株式會(huì)社 日本 基于 Arnon 修正法 15 進(jìn)行測定 光合特性測定 在明期利用便攜式光合儀 LI 6400XT LI COR 公司 美國 測量番茄種苗葉片的凈光合速率 mol m 2 s 光合測量的參數(shù)設(shè)定為 空氣流速 第 22 期 季 方等 LED 光質(zhì)和日累積光照量對番茄種苗生長及能量利用效率的影響 233 500 mol s 光照強(qiáng)度 250 mol m 2 s 葉室溫度 25 CO 2 濃度 800 mol mol 注 F1 8 代表 R B 為 1 8 的 T5 熒光燈 L0 9 L1 2 和 L2 2 分別代表 R B 為 0 9 1 2 與 2 2 的 3 種直管型 LED 燈具 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 圖1 光照強(qiáng)度為250 mol m 2 s 的光照環(huán)境試驗(yàn)區(qū)分 光光譜分布 Fig 1 Spectral distribution of light environment experiment treatments at light intensity of 250 mol m 2 s 1 4 計(jì)算方法 日累積光照量 Daily Light Integral DLI 的計(jì)算方 法見式 1 DLI 光照強(qiáng)度 光周期 3 600 10 6 1 式中 DLI 為日累積光照量 mol m 2 d 光照強(qiáng)度的單位 為 mol m 2 s 光周期的單位為 h d R B 和 R FR 的計(jì)算方法見式 2 和 3 R B 699 600 499 400 N N 2 R FR 699 600 800 700 N N 3 式中 N 為分光光譜分布值 mol m 2 s nm 干質(zhì)量日均增長量 G 值 mg d 與壯苗指數(shù)的計(jì) 算方法見式 4 和 5 G 值 地上部干質(zhì)量 地下部干質(zhì)量 種苗生長天數(shù) 4 壯苗指數(shù) 莖粗 株高 全株總干質(zhì)量 5 光能利用效率 Light Energy Use Efficiency LUE 是 指單位時(shí)間內(nèi) 本試驗(yàn)的栽培周期為 31 天 植物可利用 部分化學(xué)能增長量與植物接受光能總量的比值 電能利用 效率 Electric Energy Use Efficiency EUE 是指單位時(shí)間 內(nèi) 本試驗(yàn)的栽培周期為 31 天 植物可利用部分化學(xué)能 增長量與光源消耗電能總量的比值 LUE f D R 6 EUE f D E 7 式中 f 為植物干物質(zhì)的化學(xué)能 20 MJ kg D 為植物可利用 部分的干質(zhì)量增長量 kg m 2 R 指植物接受的 300 800 nm 內(nèi)的輻射能量 MJ m 2 E 為燈具消耗的電能 MJ m 2 1 5 數(shù)據(jù)處理與分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析和圖表繪制利用 Microsoft Excel 2016 和 SPSS 22 0 軟件完成 方差分析基于最小顯 著性差異法 在 0 05 的顯著性水平下進(jìn)行多重比較 2 結(jié)果與分析 2 1 LED 光質(zhì)和 DLI 對番茄種苗形態(tài)的影響 LED 光質(zhì)和 DLI 對番茄種苗的形態(tài)建成具有顯著性 影響 如圖 2 所示 隨著 DLI 的增大 番茄種苗的株高 莖粗和葉面積均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢 當(dāng) DLI 為 10 1 mol m 2 d 時(shí) 由于光能供應(yīng)不足 種苗長勢較弱 將 DLI 提高到 12 6 mol m 2 d 時(shí) 番茄種苗的光合能力增 強(qiáng) 莖粗變粗 葉片變大 株型緊湊 種苗更為健壯 隨著 DLI 的進(jìn)一步增加 番茄種苗的形態(tài)和生長量指標(biāo) 開始降低 當(dāng) DLI 為 10 1 和 15 1 mol m 2 d 時(shí) LED 光 質(zhì)對種苗形態(tài)的影響不顯著 當(dāng) DLI 為 12 6 mol m 2 d 時(shí) R B 為 1 2 的白紅 LED 光源 L1 2 下的番茄種苗 的株高 莖粗和葉面積均達(dá)到最大 分別為 16 6 cm 3 7 mm 和 86 1 cm 2 3 種 LED 光源處理的番茄種苗的 G 值和壯苗指數(shù)均顯著高于熒光燈對照組 F1 8 G 值和 壯苗指數(shù)在 DLI 為 12 6 mol m 2 d 時(shí)達(dá)到最大 在 R B 為 1 2 的白紅 LED 下分別達(dá)到 16 2 mg d 和 12 04 比熒 光燈對照組高出 1 倍 且顯著高于其他 2 種 LED 光質(zhì)處 理 當(dāng) DLI 達(dá)到 15 1 mol m 2 d 時(shí) 所有光質(zhì)環(huán)境下番茄 種苗的 G 值和壯苗指數(shù)又顯著降低 2 2 LED 光質(zhì)和 DLI 對番茄種苗生物量積累的影響 較強(qiáng)的 DLI 可以為植物提供更多的能量 有利于光 合產(chǎn)物合成 從而促進(jìn)植物的生物量累積 16 適當(dāng)?shù)卦?加 DLI 有利于番茄種苗的生物量積累 圖 3 番茄種苗 的地上部鮮質(zhì)量在 DLI 為 12 6 mol m 2 d 時(shí)達(dá)到最大 在 L1 2 下達(dá)到 4 30 g 但在 DLI 為 10 1 和 15 1 mol m 2 d 時(shí)僅為 2 00 g 左右 由圖 1 可知 相比 R B 為 0 9 的白 色 LED L0 9 L1 2 中增加了紅光比例從而促進(jìn)了番 茄種苗生長 L1 2 的紅光比例略低于 L2 2 但其綠光占 比較高 L1 2 和 L2 2 分別為 43 7 和 33 8 較多的 綠光更容易進(jìn)入植物冠層 使較低冠層中的葉片能夠使 用透射下來的綠光進(jìn)行光合作用 從而增加了番茄種苗 的生物量積累 番茄種苗的地下部鮮質(zhì)量在 L1 2 D12 6 和 L2 2 D12 6 這 2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)達(dá)到最大 分別為每株 0 72 和 0 76 g 而在其他試驗(yàn)區(qū)則較小且無顯著性差異 番茄 種苗的地上部和地下部干質(zhì)量也有相同的趨勢 在 DLI 為 12 6 mol m 2 d 和 R B 為 1 2 的白紅 LED 光照下番茄 種苗的總干質(zhì)量最大 為每株 473 3 mg 2 3 LED 光質(zhì)和 DLI 對番 茄種苗葉片葉綠素含量的影響 與 DLI 相比 光質(zhì)對番茄種苗葉片的葉綠素含量影響 更為顯著 表 2 在 3 種水平 DLI 光照下 熒光燈下的 番茄種苗葉片葉綠素含量均顯著高于 LED 光源處理 總 葉綠素含量在 F1 8 D10 1 試驗(yàn)區(qū)最大 達(dá)到 3 52 0 17 mg g 這可能是因?yàn)橹仓觊L高后 冠層離人工光 源比較近 而熒光燈燈管表面溫度較 LED 燈管高 2 3 植物葉片失水導(dǎo)致葉綠素含量升高 在 F1 8 L0 9 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020 年 234 和 L1 2 光照處理下 番茄種苗葉片的葉綠素 a 葉綠素 b 和總?cè)~綠素含量均在 DLI 為 15 1 mol m 2 d 下最小 在 R B 為 2 2 的 LED 光源 L2 2 下 3 種 DLI 下的番茄葉片 葉綠素 a 葉綠素 b 和總?cè)~綠素含量均無顯著性差異 各 處理對葉綠素 a b 值沒有顯著性影響 均在 3 00 左右 這 說明育苗環(huán)境條件均處于適宜番茄種苗生長的范圍 a 株高 a Seedling height b 莖粗 b Stem diameter c 葉面積 c Total leaf area d G 值 d G value e 壯苗指數(shù) e Health index 注 DLI 為日累計(jì)光照量 下同 Note DLI represents daily light integral the same as below 圖2 LED光質(zhì)和DLI對番茄種苗形態(tài)的影響 Fig 2 Effects of LED light quality and DLI on the morphology of tomato seedling a 地上部鮮質(zhì)量 a Shoot fresh weight b 地下部鮮質(zhì)量 b Root fresh weight c 地上部干質(zhì)量 c Shoot dry weight d 地下部干質(zhì)量 d Root dry weight 注 不同字母之間表示具有顯著性差異 P 0 05 下同 Note Different letters indicate significant differences P 0 05 the same as below 圖3 LED光質(zhì)和DLI對番茄種苗生物量的影響 Fig 3 Effects of LED light quality and DLI on biomass of tomato seedling 表 2 LED 光質(zhì)和 DLI 對番茄種苗葉片葉綠素含量的影響 Table 2 Effects of LED light quality and DLI on chlorophyll contents of tomato seedling 試驗(yàn)區(qū) Experiment treatment 葉綠素 a Chlorophyll a mg g 1 葉綠素 b Chlorophyll b mg g 1 葉綠素 a b Chlorophyll a b 總?cè)~綠素 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 日累積光照量 Daily light integral DLI NS 光質(zhì) Light quality LQ NS DLI LQ NS NS 注 表示具有顯著性差異 P 0 05 NS 表示無顯著性差異 不同字母之間表示具有顯著性差異 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 光質(zhì)和日累積光照量對番茄種苗生長及能量利用效率的影響 235 2 4 LED 光質(zhì)和 DLI 對番茄種苗光合作用的影響 如圖 4 所示 不同光質(zhì)處理對番茄種苗葉片的凈光合 速率影響顯著 而 DLI 對其則無顯著性影響 L1 2 對番茄 種苗的光合作用最為有利 當(dāng) DLI 為 12 6 mol m 2 d 時(shí)番茄 種苗葉片的凈光合速率為 15 4 mol m 2 s 但在 F1 8 和 L2 2 下的番茄種苗葉片凈光合速率顯著低于 L0 9 和 L1 2 圖4 LED光質(zhì)和DLI對番茄種苗葉片凈光合速率的影響 Fig 4 Effects of LED light quality and DLI on net photosynthetic rate of tomato seedling 2 5 LED 光質(zhì)和 DLI 對番 茄種苗能量利用效率的影響 基于植物干質(zhì)量的 LUE 和 EUE 可用于評(píng)估植物接收照 射到冠層的光能和對人工光源電能的利用程度 是衡量植物 工廠整體能耗水平的重要指標(biāo) 2 如圖 5 所示 利用不同類 型燈具生產(chǎn)番茄種苗的 LUE 和 EUE 差異明顯 與熒光燈試 驗(yàn)區(qū)相比 3 種不同 LED 光源下培育番茄種苗的 EUE 有顯 著提高 在 L1 2 D12 6 試驗(yàn)區(qū) 番茄種苗的葉面積比其他試 驗(yàn)組增大了至少 43 圖 2c 從而明顯增加了植物冠層 截獲的光合有效輻射 故該處理下的 LUE 和 EUE 均達(dá)到最 大 分別為 0 078 0 和 0 025 7 比熒光燈對照組 F1 8 高 79 和 321 因此 利用 LED 光源進(jìn)行番茄種苗生產(chǎn)在單 位功率投入下比熒光燈可獲得更高的種苗產(chǎn)量 LED 燈具尤 其是 R B 為 1 2 的白紅 LED 燈具更加適合番茄種苗生產(chǎn) a 光能利用效率 a Light energy use efficiency LUE b 電能利用效率 b Electric energy use efficiency EUE 圖5 番茄種苗生產(chǎn)的能源利用效率 Fig 5 Energy use efficiency for tomato seedling production 3 討 論 光環(huán)境對植物的形態(tài)建成 生理響應(yīng) 生長過程及 品質(zhì)形成有著廣泛的調(diào)節(jié)作用 17 光質(zhì)作為觸發(fā)信號(hào)被 不同的光敏色素感知 從而直接影響植物的光合作用和 生長發(fā)育 11 DLI 作為植物 1 d 內(nèi)接收到光能總量可以綜 合反映植物對光的響應(yīng) 9 3 1 LED 光質(zhì)對番茄種苗生長和光合特性的影響 利用 LED 的不同光質(zhì)組合可以進(jìn)一步提高設(shè)施作物 產(chǎn)量和品質(zhì) 紅光作為植物光系統(tǒng)利用效率最高的光譜 組成 能夠促進(jìn)植株葉片葉面積增大 17 是設(shè)施作物生 產(chǎn)補(bǔ)光的最重要組成部分 植物對于藍(lán)光的吸收能力僅 次于紅光 藍(lán)光能使植株的株形緊湊 品質(zhì)得以提升 18 雖然植物葉片對綠光的吸收率較低 但與紅藍(lán)光相比 綠光可以更加深入的穿透植物冠層 有效地提升葉片群 體的光合能力 并參與植物的形態(tài)建成 19 20 Kim 等 8 研究發(fā)現(xiàn) 在紅藍(lán) LED 中添加 24 的綠光可促進(jìn)生菜的 生長 Kaiser 等 21 發(fā)現(xiàn) 在紅藍(lán)光譜中加入 32 的綠光 可顯著增加番茄植株生物量 這與本研究結(jié)果相似 說 明當(dāng)植物冠層比較密集時(shí)可用綠光取代部分紅光來增加 植物能利用的光合能量 由于植物對紅藍(lán)色光的選擇性吸收 以往光質(zhì)對植 物生長影響的研究多選用紅藍(lán)組合光源 但光譜范圍更 寬的白色 LED 和白紅 LED 燈具在設(shè)施生產(chǎn)中應(yīng)用較多 也能達(dá)到與紅藍(lán)混合光下相似或更高的生產(chǎn)水平 12 13 Liu 等 18 研究表明 相比紅藍(lán) LED 使用 R B 為 1 5 的 白色 LED 時(shí)辣椒種苗地上部與地下部干質(zhì)量均達(dá)到最 大 Lin 等 22 在紅藍(lán) LED 中額外添加白光來平衡光環(huán)境 使生菜的生物量顯著增加 因此 在實(shí)際生產(chǎn)中可以選 用白色 LED 或在白色 LED 中補(bǔ)充紅色或藍(lán)色 LED 作為 人工光型植物工廠的光源 5 同時(shí) 光質(zhì)還可以通過影響光合色素的合成參與調(diào) 控植物的光合作用 17 葉綠素是光合色素的主要組成部 分 其含量越高就越能有效地捕獲光能 提高凈光合速 率 23 過多的紅光會(huì)降低葉綠素含量 而在紅光和藍(lán)光 基礎(chǔ)上添加綠光有利于促進(jìn)葉綠素含量的增加 24 25 與熒 光燈相比 LED 光源可以提高番茄種苗葉片光合能力 且不同光質(zhì)對葉片的凈光合速率有顯著影響 類似的研 究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)在小白菜 26 草莓 27 上 3 2 DLI 對番茄種苗生長的影響 DLI 可以有效結(jié)合光照強(qiáng)度和光周期這 2 個(gè)光變量 更好地描述光合作用的強(qiáng)度和時(shí)長 為探究植物對光的 響應(yīng)機(jī)制提供較為完善的光參數(shù) 在實(shí)際生產(chǎn)中可以通 過補(bǔ)光等手段來增加 DLI 進(jìn)而提高設(shè)施育苗質(zhì)量 故 DLI 常用于植物生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)量預(yù)測或管理策略調(diào)整 28 Zhang 等 29 和 Yan 等 30 的研究表明 DLI 與植物地上部 干 鮮質(zhì)量和地下部干 鮮質(zhì)量之間存在線性關(guān)系 在一定 范圍內(nèi)提高 DLI 可以加速植物的生長 但一旦超過閾值 范圍 植物生長會(huì)趨于穩(wěn)定或變?yōu)橐种?31 這可能是因 為種苗為了適應(yīng)高 DLI 環(huán)境而降低葉面積以減少蒸騰作 用 以此來降低過高 DLI 對植物光合系統(tǒng)的傷害 31 不 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020 年 236 同植物及其不同生長階段對 DLI 的響應(yīng)也不同 適合紫 葉生菜育苗的 DLI 為 11 5 mol m 2 d 6 適合櫻桃番茄種 苗生長的 DLI 為 13 0 mol m 2 d 32 而適合黃瓜種苗生長 的 DLI 為 16 2 mol m 2 d 33 3 3 LED 光質(zhì)和 DLI 對番 茄種苗能量利用效率的影響 基于植物干質(zhì)量的 LUE和 EUE最早由日本的古在豐 樹教授等提出 2 3 植物生長所積累的化學(xué)能都是由其吸 收的光能轉(zhuǎn)化而來 在人工光型植物工廠中 植物生長 燈是植物光合作用所需光能的唯一來源 故植物增加的 化學(xué)能最終都由電能提供 Kozai 3 指出人工光型植物工 廠 LUE 的理論最大值為 0 1 但在實(shí)際生產(chǎn)中 LUE 約 為 0 032 0 043 29 34 這與理論值還有著較大差距 影響植物能量利用效率的因素很多 可以通過改變 光照環(huán)境 綜合調(diào)控環(huán)境因素和增加葉片接收光能的能 力等方法來進(jìn)行優(yōu)化 35 人工光型植物工廠的光照環(huán)境 是由所使用的植物生長燈所確定的 這對植物的能量利 用效率起到了決定性作用 故利用合適的 LED 光源調(diào)控 光照環(huán)境是提高 LUE 和 EUE 的重要手段之一 4 結(jié) 論 本研究在人工光型植物工廠實(shí)驗(yàn)室中 利用不同的 白色和白紅 LED 植物生長燈研究了日累積光照量 Daily Light Integral DLI 和光質(zhì)對番茄種苗生長發(fā)育 光合特 性 及其能量利用效率的影響 得出以下結(jié)論 1 LED 光質(zhì)可以通過不同的光譜組成影響番茄種苗 的光合能力來影響其生長發(fā)育和形態(tài)建成 但當(dāng) DLI 過 低或過高時(shí) LED 光質(zhì)對種苗形態(tài)建成和生物量積累的 影響不顯著 2 合 理 的 DLI 有利于番茄種苗的形態(tài)建成和生物量 積累 在適當(dāng)范圍內(nèi)提高 DLI 可以促進(jìn)幼苗生根 增加 生物量 增大葉面積 提高種苗健壯程度 當(dāng) DLI 為 12 6 mol m 2 d 時(shí) R B 為 1 2 的白紅 LED 光源下的番茄種 苗的壯苗指數(shù)為 12 04 比熒光燈下高出 1 倍 3 使用 LED 光源代替熒光燈可以有效降低育苗能 耗 顯著增加光能利用效率 Light Energy Use Efficiency LUE 和電能利用效率 Electric Energy Use Efficiency EUE 在相同能耗下可以生產(chǎn)出更多的種苗 綜上所述 建議選用 R B 為 1 2 的白紅 LED 植物 生長燈并調(diào)控 DLI 為 12 6 mol m 2 d 的光照環(huán)境進(jìn)行 豐 收 番茄種苗的育苗生產(chǎn) 參 考 文 獻(xiàn) 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