植物工廠LED光質調控對芹菜生長及產量的影響

王哲，王宇航，王曉慶，樊懷福

(1.杭州漢徽光電科技有限公司，浙江 杭州 311300；2.南京優士環境技術有限公司，江蘇 南京 210000；3.浙江農林大學 園藝科學學院，浙江 杭州 311300)

芹菜(ApiumgraveolensL.)是傘形科芹屬一年或有限多年生草本植物，因藥食同源在世界各地廣泛種植，同時也是香精油、芹菜素等眾多化工產品的主要來源[1]。在中國大多采用傳統的大田和大棚單層種植，但受到外界環境影響較大，再加上土壤次生鹽漬化加劇，很難做到高產、穩產、品質好[2]，單層種植極大地消耗著土地、空間、人工和時間。植物工廠可取代不穩定的農業環境，采用立體栽培模式可充分利用有限空間，精確調控水、光、溫、氣、肥，提高作物種植效率和作物品質[3]。

光是植物生命活動的主要能量源泉，也是制約植物生長發育的最重要非生物因子之一[4]，光質對植物的形態建成、光能轉化、物質代謝、信號轉導和基因表達等生理生化活動具有重要的調控作用，同時對植物的生物合成和品質的提高有重要影響[5]。由于植物體內存在著一套光接收和轉導系統，所以植物會隨著光質的改變而做出一定的適應性反應[6-7]。相比其他光源，LED光源具有節能環保、光電轉化效率高、光譜可定制、耐用等優點[8]，可保障蔬菜和糧食安全，植物工廠創造出環境完全可控的植物生長環境，根據不同植物的生長發育特性，來設置環境控制相關參數，為植物生長提供最適宜的條件，以實現高產、優質、高效的目的。通過人工光源技術，調制利于植物特征生長的光譜，改變植物的生長規律，對提高產量和品質，加快現代農業發展具有重要的現實意義[9]。因此，本文配置不同的LED光質配比組合光源，研究不同光質配比對芹菜生長發育的影響，篩選芹菜較適宜的光質配比，以期為芹菜工廠化種植和未來農業發展提供參考依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為四季小香芹芹菜，由浙江省農業科學院提供。

1.2 試驗設計

根據光質配比不同試驗共設4個處理，分別為LED白光對照(CK)、紅光∶藍光=1∶1(A)、紅光∶藍光=2∶1(B)、紅光∶藍光=3∶1(C)。紅色LED光源的峰值波長為660 nm，藍色LED光源的峰值波長為450 nm。

1.3 試驗方法

經篩選獲得籽粒飽滿、活性強的芹菜種子，在55 ℃下浸種15 min殺菌，然后浸于25 ℃水中浸泡24 h，再將種子平鋪在濕度適宜的濾紙上并放于培養皿中，放入25 ℃培養箱中進行催芽，等到80%種子露白后進行播種，基質采用珍珠巖、蛭石、草炭混合基質?？刂乒庹諘r期溫度(22±2) ℃，黑暗時期溫度(15±2) ℃，光照時間12 h·d-1，相對濕度75%。

當幼苗長至第4片真葉展平后，選取長勢均一的幼苗，定植于水培槽上，置于各處理LED光源下方，通過調整光源到芹菜冠層表面的距離使試驗材料所處的光照強度為280 μmol·m-2·s-1，每處理24株。營養液pH值調至6.5±0.5，EC值調至(2±0.5) mS·cm-1，7 d換一次營養液，栽培時間為55 d收獲。

1.4 項目測定

每個處理隨機選取6株進行形態指標測定，然后取平均值。用游標卡尺測量植株的株高(mm)、莖粗(mm)、主根長(mm)、葉柄長(mm)；用天平稱量鮮重后，將芹菜地下部和地上部分開，分別于120 ℃下殺青30 min，隨后于75 ℃下烘至恒重，并用精度為0.001 g的電子天平稱重；計算根冠比，葉綠素含量采用葉綠素測定儀進行數據采集。

1.5 數據分析

本次試驗數據采用office 365和SPSS 23.0軟件進行方差分析及多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同光質配比處理對植物工廠芹菜葉片數的影響

由圖1可知，不同的光質配比影響著芹菜葉片數，葉片數從多到少表現為處理C>CK>處理B>處理A。處理C達到53.33片，顯著高于其他處理和CK，CK與處理B差異不顯著，但顯著高于處理A，與CK相比，處理C葉片數提高了37.93%。因此，從所有處理芹菜的葉片數來看，處理C最有利于芹菜葉片數的增加。

2.2 不同光質配比處理對植物工廠芹菜葉柄長的影響

由圖2可知，不同的光質配比顯著影響芹菜的葉柄長，葉柄長從長到短表現為處理C>處理A>處理B>CK。處理A、C的葉柄長均顯著高于CK，處理B與CK差異性未達到顯著水平，處理A、C葉柄長差異性未達到顯著水平。因此，從所有處理芹菜的葉柄長來看，處理C較有利于芹菜葉柄增長。

圖2 不同光質配比處理對植物工廠芹菜葉柄長的影響Fig.2 Effect of different light quality ratios on the petiole length of celery in plant factory

同組柱上無相同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖2～9同。圖1 不同光質配比處理對植物工廠芹菜葉片數的影響Fig.1 Effect of different light quality ratios on the number of celery leaves in plant factory

2.3 不同光質配比處理對植物工廠芹菜株高的影響

由圖3可知，不同的光質配比顯著影響芹菜的株高，株高從高到低表現為處理C>處理A>處理B>CK。處理A、C的株高均顯著高于CK，處理B與CK之間差異性未達到顯著水平；處理A、C之間株高差異性未達到顯著水平。因此，從所有處理芹菜的株高來看，處理C最有利于芹菜株高增長。

圖3 不同光質配比處理對植物工廠芹菜株高的影響Fig.3 Effect of different light quality ratios on plant height of celery in plant factory

2.4 不同光質配比處理對植物工廠芹菜莖粗的影響

由圖4可知，不同的光質配比顯著影響芹菜的莖粗，莖粗從大到小表現為處理C>處理B>處理A>CK。各光質配比處理組的莖粗均顯著高于CK，處理C莖粗達到23.15 mm，顯著高于CK、處理A和處理B，處理A、B之間差異未達到顯著水平；因此，從所有處理芹菜的莖粗來看，處理C利于芹菜莖粗的增長。

圖4 不同光質配比處理對植物工廠芹菜莖粗的影響Fig.4 Effect of different light quality ratios on stem diameter of celery in plant factory

2.5 不同光質配比處理對植物工廠芹菜鮮重與干重的影響

由圖5可知，不同的光質配比顯著影響芹菜的鮮重，單株鮮重從大到小表現為處理C>處理B>處理A>CK。處理A、B、C單株鮮重均高于CK，處理B、C均顯著高于CK和處理A；處理A與CK差異不顯著。地上部鮮重從大到小表現為處理B>處理C>處理A>CK。處理B、C地上部鮮重均顯著高于CK，處理B、C之間差異不顯著；處理A與CK差異不顯著。地下部鮮重從大到小表現為處理C>CK>處理B>處理A。處理CK、C地下上部鮮重均高于A、B，且處理C顯著高于處理A和處理B；CK顯著高于處理A。

圖5 不同光質配比處理對植物工廠芹菜鮮重的影響Fig.5 Effect of different light quality ratios on fresh weight of celery in plant factory

由圖6可知，不同的光質配比顯著影響芹菜的干重，單株干重從大到小表現為處理C>處理B>處理A>CK，以處理B、C表現較為突出，芹菜單株干重均顯著高于CK，處理C單株干重最大，均達到了15.49 g，顯著高于CK和處理A；CK和處理A之間芹菜單株干重差異不顯著。地上部干重從大到小表現為處理C>處理B>處理A>CK，處理B、C芹菜地上部干重均顯著高于CK，處理A、B、C之間差異不顯著。地下部干重從大到小表現為處理C>處理B>CK>處理A，處理B、C芹菜地下部干重顯著高于CK和處理A，且處理C顯著高于處理B；CK與處理A之間差異不顯著；因此，從鮮重和干重來看，處理C可能在促進有機物合成、轉化、運輸、固定等方面具有顯著效果，最利于芹菜生長。

圖6 不同光質配比處理對植物工廠芹菜干重的影響Fig.6 Effect of different light quality ratios on dry weight of celery in plant factory

2.6 不同光質配比處理對植物工廠芹菜葉綠素含量的影響

由圖7可知，在不同的光質配比處理下，芹菜葉片中葉綠素含量表現為處理C>處理B>CK>處理A。處理C葉綠素含量最高，顯著高于CK和處理A；CK與處理A、B之間差異不顯著。葉綠素含量高可能代表光合速率較高，生產的光合產物較多，與前文處理C芹菜植株干重高相一致。說明處理C的光質配比可通過影響葉綠素含量來影響植株的光合作用，從而影響植株生長和產量，促進植物工廠芹菜幼苗的生長。

圖7 不同光質配比處理對植物工廠芹菜葉綠素含量的影響Fig.7 Effect of different light quality ratios on chlorophyll content of celery in plant factory

2.7 不同光質配比處理對植物工廠芹菜根冠比的影響

由圖8可知，在不同光質配比處理下，芹菜根冠比表現為處理C>處理B>CK>處理A。處理C達到0.37，顯著高于CK和其他處理，處理B顯著高于處理A，CK和處理A、B差異均不顯著。說明處理C的光質配比比較利于芹菜壯苗培育。

圖8 不同光質配比處理對植物工廠芹菜根冠比的影響Fig.8 Effect of different light quality ratios on root shoot ratio of celery in plant factory

2.8 不同光質配比處理對植物工廠芹菜產量的影響

由圖9可知，在不同光質配比處理下，芹菜667 m2產量從高到低表現為處理C>處理B>處理A>CK。各處理均高于CK，且處理B和C顯著高于CK和處理A，處理C 667 m2產量最高，達到3 675 kg，CK和處理A差異不顯著。說明處理C的光質配比較利于芹菜產量的提高。

3 討論與結論

光是制約植物工廠中植物各階段生長發育的主要非生物因子之一，在光合作用和植物生長發育調控等方面至關重要。不同光質配比的光源會產生包括形態建成、有機物合成、碳氮代謝等在內的不同的生物學效應[10]。植物葉綠素主要吸收、轉化可見光中的紅藍光，因此，紅光和藍光是光合作用的基本能源[11]。對大多數植物而言，紅光可促進莖的伸長，可促進葉片增大，抑制葉綠素的形成[12]；藍光則抑制葉片的增大，抑制莖的生長，矮化植株[13]，促進葉綠素的形成[14]；過量的紅光可引起植物的徒長，造成幼苗抗性低、易倒伏[15]，過量的藍光抑制植物生長，節間變短、提前衰老和降低產量[16]。因此，科學的紅藍光配比在植物的生長過程中尤其重要，更能促進植物生長[17]。本試驗結果表明，紅光∶藍光=3∶1的光質配比同時促進了莖的伸長、橫向生長和根系的生長，有利于植物工廠芹菜壯苗的生產培育。

植物的營養生長是評價幼苗生長培育情況的基礎[18]?？茖W的紅藍光配比可促進葉綠素合成，提高光合作用效率增加有機物合成，進而促進植物的營養生長。而植株干物質含量是反映光能轉化效率、有機物合成最重要的指標，正如該試驗在光照強度為280 μmol·m-2·s-1的條件下，處理B、C紅藍配比光源均顯著提高了芹菜植株的干物質含量，說明紅藍配比更有利于芹菜生長，尤其是紅光∶藍光=3∶1的光質配比條件下，植物工廠中芹菜干物質含量最大，667 m2產量高達3 675 kg，說明該光質配比更有利于芹菜進行光合產物積累轉化，促進生長。

植株葉片中葉綠素含量的高低直接影響著葉片的光學性質[19]。植物體內含有多種光合色素，不同光質作用于植物體內相關的色素，從而對植物產生不同的生理影響。紅光可通過抑制葉片光合產物的增加，來達到增加淀粉累積的目的，進而對植物的生長發育進行調控[20]；藍光通過調節葉綠體和葉綠素的數量和形成速度、細胞氣孔的開閉等措施來對植物的發育形態進行調控。本試驗中紅光∶藍光=3∶1的光質配比下植物工廠中芹菜葉片葉綠素含量最高，且植株干物質含量也最高。

綜上所述，在本試驗條件下不同紅藍光配比的光源可顯著調控植物工廠中芹菜幼苗的生長，與CK(LED白光)效果相比，處理C促進了葉片數、株高、莖粗、葉柄長、植株干重(單株、地上部和地下部)和根冠比的增加和提高，且差異最顯著，因此，紅光∶藍光=3∶1為植物工廠芹菜育苗的優選光質配比。