LED红蓝光光强对两种洋葱生长和产量的影响
时间：2023-02-21 20:50:08 来源：千叶帆 本文已影响人
刘家源，贺一鸣，刘文科，陈艳琦，王 奇
(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081；
2.唐山市农业特色产业技术指导站，河北 唐山 063000)
人工光植物工厂是一种新兴的设施植物生产方式，是衡量一个国家农业高新技术水平的重要标志之一，是满足21世纪食物安全的重要手段，是设施园艺发展的最高级形式，是颠覆性的土地利用方式和农作方式。人工光植物工厂具有生产要素控制精度高、资源利用率高、可周年连续生产和农产品安全无污染等优势，生产效率远高于露地[1]。人工光植物工厂非常适合根叶菜、种苗和药用植物等诸多植物种类的高效生产，应用前景诱人。加快人工光植物工厂产业发展对提升我国设施园艺技术水平、保障农产品的安全意义重大。众所周知，光照是影响植物生长发育最重要的环境因子之一，可调控植物光合作用和光形态建成，影响植物生长、产量和品质。发光二极管(Light-emitting diode，LED)是人工光植物工厂的理想光源，作为新型节能半导体光源，可发出单色光，使用寿命长，可按照生产的需求精确调制光谱和智能控制等[2-4]。利用LED光环境智能可控的优势，增加植物的有效光照，是提高人工光植物工厂生产效率最有效的方法，以红蓝光为核心的LED光环境调控是提高人工光植物工厂蔬菜产量和品质的有效途径。众多研究表明，优化红蓝光比例及光强、光周期等条件可促进植物生长，提高产量和品质[5-9]。
洋葱(AlliumcepaL.)原产于西亚，属于百合科葱属的两年生植物，是最古老的栽培作物之一。洋葱具有较高的营养价值，富含膳食纤维、维生素和氨基酸，食用价值非常高[10]。此外，洋葱还具有降血压、降血脂和抗氧化等功效，深受国内外消费者喜爱，被誉为“蔬菜皇后”[11]。洋葱的种质资源十分丰富，有黄、白、紫3种不同的皮色，不同地区的洋葱品种特性具有一定的差异性[12-14]。庄勇等[15]研究表明，不同皮色的洋葱品种所含有的营养品质也有显著差异。目前，国外已将洋葱中的营养物质应用到医药、化妆品及功能饮料中，洋葱及其制品的研究和发展已经引起了全世界的广泛重视。我国是世界上主要的洋葱生产国和出口国，我国对洋葱及其制品的需求潜力巨大，具有广阔的发展前景，随着现代设施园艺的不断发展，洋葱及其制品将会在许多方面发挥重大作用。所以，运用植物工厂栽培技术来进一步提高我国洋葱的产量和品质显得尤为重要。有研究发现，环境和遗传因素通过影响洋葱的生理机能来影响洋葱的生长发育，光周期在洋葱鳞茎发育中起关键作用，长时间光照和高温能促进洋葱鳞茎的生长，但种植密度过大会导致鳞茎发育不良[15]。有研究发现，在植物工厂连续光照条件下，洋葱增产效果显著，24h的连续光照比12h的光照更有利于洋葱鳞茎的生长，但会降低洋葱地上部叶面积[16]。因此，在人工光植物工厂中，探究洋葱生长发育过程中光环境调控对洋葱生长的影响，探索最适宜洋葱生长的光环境具有重要意义。
目前，洋葱适宜在人工光植物工厂中栽培，但有关人工光植物工厂中光环境调控对洋葱生长影响的研究鲜有报道，研究探讨LED光环境对洋葱生长发育的影响具有重要意义。因此，在植物工厂中探究光环境调控对洋葱生长的影响势在必行。LED红蓝光是重要的光谱组合，适合于多数叶菜种类的生长，尤其是红蓝光4∶1组合栽培效果较佳。本研究选取“紫玉”和“金冠”两个洋葱品种，在环境可控的人工光植物工厂内，探究了5种光强的LED红蓝光对两种洋葱生长的影响，以期探明两种洋葱对LED红蓝光的响应差异，有助于深入理解LED红蓝光光强对两种洋葱产量、形态的影响和品种间差异，为LED红蓝光在植物工厂中的应用提供科学支撑。
1.1 试验材料
本试验于2021年11月—2022年1月在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所植物工厂内进行。选取“紫玉”和“金冠”两个品种的洋葱作为试验材料，以基质培方式进行栽培。2021年11月16日播种，首先将基质(体积比为草炭∶蛭石∶珍珠岩=3∶1∶1)填充于32孔穴盘中并用蒸馏水浇透，每孔填充至90%，将洋葱种子每孔播种两粒，之后覆上一层基质并置于黑暗环境中5天，于11月21日开始进行光照处理。试验期间植物工厂内昼夜温度和湿度分别维持在23±1 ℃/20±1 ℃和50%～60%。营养液配方为霍格兰营养液。选用LED红蓝组合面板灯进行光照处理，面板灯尺寸为50 cm×50 cm，红光波长655 nm，蓝光波长437 nm。面板灯悬挂于栽培槽上方45 cm处。采用LI-1500辐射照度测量仪(美国LI-COR公司生产)测定栽培槽中心上方5 cm处光强，并调节光质和光强至设定值。
1.2 试验设计
试验采用LED红蓝光对两种洋葱进行栽培，设置5种光强分别为100、200、300、400和500 μmol·m-2·s-1的处理，并分别标记为ZT1、ZT2、ZT3、ZT4、ZT5和JT1、JT2、JT3、JT4、JT5。其中，Z代表“紫玉”洋葱品种，J代表“金冠”洋葱品种。所有处理的红蓝光光质比为4∶1、光周期为16/8 h。
1.3 测定项目及方法
在2022年1月12日光照结束后取样。将洋葱从茎基部分开，用天平称取地上部和地下部(鳞茎)鲜重，测量地上部高度为株高，用游标卡尺测量茎基部粗度为茎粗，并测定鳞茎高度和直径(两个垂直角度测定后取平均值)，用排水法测得洋葱体积。然后将洋葱地上部和鳞茎100 ℃下杀青20 min，以80 ℃烘干至恒重，分别用天平测定地上部和地下部干重。
1.4 数据处理
分别用Microsoft Excel 2010和SPSS 23软件处理数据, 用方差分析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(P<0.05)进行多重比较。
2.1 LED红蓝光光强对两种洋葱产量的影响
如图1所示，随着LED红蓝光光强增加，“紫玉”洋葱地上部鲜干重和鳞茎鲜干重均呈增加趋势。在光强300 μmol·m-2·s-1时，地上部鲜干重增加最为显著；
在光强500 μmol·m-2·s-1时，鳞茎鲜干重最大。如图2所示，随着LED红蓝光光强增加，“金冠”洋葱地上部鲜干重和鳞茎鲜干重均呈增加趋势。在光强500 μmol·m-2·s-1时，地上部鲜干重和鳞茎鲜干重增加最为显著。
图1 LED红蓝光光强对“紫玉”洋葱产量的影响Fig.1 Effect of LED red-blue light intensity on the yield of “Ziyu” onion注：图中小写字母表示处理间差异显著性(p<0.05)，误差线表示标准差。下同。
图2 LED红蓝光光强对“金冠”洋葱产量的影响Fig.2 Effect of LED red-blue light intensity on the yield of “Jinguan” onion注：图中小写字母表示处理间差异显著性(p<0.05)，误差线表示标准差。下同。
2.2 LED红蓝光光强对两种洋葱生长形态的影响
如表1所示，随着LED红蓝光光强增加，“紫玉”洋葱地上部茎粗、鳞茎直径、鳞茎高度和鳞茎体积均增加，地上部株高呈先增后减趋势。随着LED红蓝光光强增加，“金冠”洋葱地上部茎粗、鳞茎直径和鳞茎体积均增加，鳞茎高度呈先减后增趋势，地上部株高呈先增后减趋势。
表1 LED红蓝光光强对两种洋葱生长形态的影响Table 1 Effect of LED red-blue light intensity on the morphology of two varieties of onions
人工光植物工厂是设施园艺发展的最高级形式，但其成本与运行费用偏高、生产效率低的问题一直束缚着人工光植物工厂的发展，提升生产效率已成为人工光植物工厂以及设施园艺产业可持续发展的技术难题。众所周知，光照是植物产量增加的重要限制因子，大量研究表明，提高光强可促进植株生长，增加植株产量和品质[18-20]。随着洋葱产业的发展和洋葱及其制品在全球范围内的推广，洋葱地上部分应用价值逐渐提升，且在人工光植物工厂中种植的洋葱地上部叶片十分鲜嫩可口，除鳞茎外，洋葱植株地上部的发育情况也是评价洋葱品质的重要组成部分。本研究结果表明，光强100～200 μmol·m-2·s-1时，“紫玉”洋葱地上部干鲜重和鳞茎干鲜重无变化，但光强增加到300 μmol·m-2·s-1时，地上部干鲜重和鳞茎干鲜重增加十分显著，光强300～500 μmol·m-2·s-1时，地上部干鲜重增加趋势减缓，但鳞茎干鲜重在500 μmol·m-2·s-1光强时达到最大值。随LED红蓝光光强增加，“紫玉”洋葱地上部茎粗、鳞茎直径、鳞茎高度和鳞茎体积均增加；
“金冠”洋葱的地上部干鲜重、鳞茎干鲜重、地上部茎粗、鳞茎直径、鳞茎高度和鳞茎体积均呈增加趋势。但光强过高时，两种洋葱的地上部株高均出现小幅降低。综合植株产量、品质和生产效率等多重因素考虑，应在提高能源利用率的同时提高产量，300 μmol·m-2·s-1光强最适宜“紫玉”洋葱的生长，500 μmol·m-2·s-1光强最适宜“金冠”洋葱的生长。从洋葱生物量上来看，LED红蓝光下洋葱生物量不理想，其原因需要进一步从光谱组成、光强高低等方面研究阐述。但是，试验结果本身具有一定的参考价值，为深入研究植物工厂LED光源下洋葱栽培提供了科学依据。
综上所述，LED红蓝光能显著提高两种洋葱的产量，并显著增加洋葱鳞茎的体积，但光强超过400 μmol·m-2·s-1会抑制地上部生长。光强300 μmol·m-2·s-1时，“紫玉”洋葱长势较好且能源利用率较高，光强500 μmol·m-2·s-1更适合“金冠”洋葱的生长。
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