李志鑫李松霖成杰楊延杰閆征南

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山東 青島 266109；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

甜瓜(Cucumis melon)是喜光作物，充足的光照能夠提高甜瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)。然而，近年來(lái)霧霾和陰雨天氣頻發(fā)，設(shè)施內(nèi)光照不足，嚴(yán)重影響設(shè)施內(nèi)甜瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。人工補(bǔ)光能夠彌補(bǔ)自然光照的不足，更高效地補(bǔ)充植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的光合輻射[2]。前人研究表明，對(duì)設(shè)施番茄和黃瓜幼苗進(jìn)行補(bǔ)光能夠減少苗期徒長(zhǎng)現(xiàn)象，顯著提高作物品質(zhì)及產(chǎn)量[3]。因此，在甜瓜育苗關(guān)鍵時(shí)期人工補(bǔ)光，可為甜瓜壯苗培育提供有利條件。特別是在弱光區(qū)域或季節(jié)，設(shè)施甜瓜栽培對(duì)補(bǔ)光的需求更加迫切[4]。

傳統(tǒng)的人工補(bǔ)光光源主要有熒光燈、白熾燈和高壓鈉燈等，但這些光源均存在光效低和能耗大等缺點(diǎn)，能耗費(fèi)用往往達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行成本的40%以上[5]。因此，篩選能耗低、高效節(jié)能的補(bǔ)光方式尤為重要。與傳統(tǒng)光源相比，LED具有節(jié)能、光譜可調(diào)、良好的點(diǎn)光源性以及冷光性等特點(diǎn)[6]，現(xiàn)已應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。植物的干物質(zhì)積累主要來(lái)自于光合作用，而光合作用又受光質(zhì)的影響[7]。藍(lán)光處理下幼苗具有較高的根冠比和根系活力[8]，且葉綠素含量增加[9]，光合作用增強(qiáng)，地上部生長(zhǎng)旺盛，下胚軸伸長(zhǎng)受到抑制[10]。白色LED具有節(jié)能環(huán)保、發(fā)光效率高等優(yōu)勢(shì)，如何將藍(lán)、白兩種LED光源進(jìn)行合理配比實(shí)現(xiàn)產(chǎn)投比最大化，仍需進(jìn)一步研究。因此，本研究以溫室自然光為對(duì)照，研究不同白、藍(lán)LED條件下藍(lán)光比例對(duì)甜瓜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響，旨在探究適宜秋冬或早春季節(jié)甜瓜幼苗生長(zhǎng)的光照環(huán)境，為蔬菜幼苗光環(huán)境調(diào)控策略提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試甜瓜品種為“日本甜寶王”，由福州金萬(wàn)豪科技有限公司提供。將甜瓜種子播種于72孔穴盤中進(jìn)行育苗，育苗基質(zhì)為草炭＋蛭石＋珍珠巖(3∶1∶1，體積比)。育苗期間澆灌霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液，EC值控制在2.0～2.4 mS/cm，pH值調(diào)整在6.0～6.5。

LED燈具由濰坊恒信電器有限公司提供，其中白色與藍(lán)色LED光譜分布如圖1所示。

圖1 白色(左)和藍(lán)色(右)LED光源的光譜分布

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2021年3—4月在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)智能溫室內(nèi)進(jìn)行，溫室溫度控制在18～25℃，相對(duì)濕度為60%～70%。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)日累積光照量約為7.0 mol/(m2·d)，根據(jù)甜瓜幼苗適宜的日累積光照量和前人研究[11]確定補(bǔ)光強(qiáng)度和補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)分別為106μmol/(m2·s)和10 h/d。采用白色LED或白藍(lán)LED組合進(jìn)行補(bǔ)光，設(shè)置藍(lán)光比例分別為28.5%(W)、38.5%(WB10)、48.5%(WB20)、58.5%(WB30)和68.5%(WB40)，以溫室自然光為對(duì)照(CK)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

待甜瓜幼苗長(zhǎng)至兩葉一心時(shí)，每個(gè)處理隨機(jī)選取6株長(zhǎng)勢(shì)均勻的幼苗，分別測(cè)量其株高、莖粗、下胚軸長(zhǎng)和葉面積，并將地上部和地下部分開(kāi)后測(cè)量鮮重，烘干后分別測(cè)量干重，然后按公式(1)計(jì)算壯苗指數(shù)。使用掃描儀(Version 2016a，Regent Instruments Inc.，Quebec，QC，Canada)對(duì)幼苗根系進(jìn)行掃描，測(cè)根表面積和體積。甜瓜幼苗葉片的過(guò)氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性分別使用愈創(chuàng)木酚法[12]和氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)處理和圖表制作使用Microsoft Excel 2019進(jìn)行，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用DPS軟件完成，多重比較基于LSD(least-significant difference)法進(jìn)行(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗形態(tài)的影響

除藍(lán)光比例為28.5%(W)處理增加甜瓜幼苗株高外，補(bǔ)光處理均降低株高、下胚軸長(zhǎng)，提高莖粗和總?cè)~面積，且隨著補(bǔ)光光源中藍(lán)光比例的增加，甜瓜幼苗的莖粗和總?cè)~面積呈先增加后降低的趨勢(shì)(表1)。其中，W、W20和W30的莖粗與CK差異顯著，分別高于CK 13.3%、30.0%和16.7%；WB10、WB20的總?cè)~面積顯著高于CK，分別高27.6%和33.8%；WB10—WB40處理的下胚軸長(zhǎng)均顯著低于CK，降幅為18.2%～36.4%，以WB30處理的下胚軸長(zhǎng)下降最多。

表1 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗形態(tài)的影響

2.2 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗生物量的影響

溫室補(bǔ)光能顯著提高甜瓜幼苗地上部和地下部干重和鮮重，且隨藍(lán)光比例的增加有降-升-降的變化趨勢(shì)(表2)。其中，WB20的地上部鮮重較高，地上部干重最高，分別比CK高34.7%和81.1%；而WB30的地下部鮮重干重均最高，分別高于CK 81.1%和138.9%。

表2 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗生物量的影響 (g/株)

2.3 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗根系發(fā)育的影響

補(bǔ)充38.5%(WB10)、48.5%(WB20)和58.5%(WB30)藍(lán)光處理下甜瓜幼苗根系與CK相比發(fā)育更好，根毛發(fā)育更優(yōu)，長(zhǎng)度更長(zhǎng)(圖2)。補(bǔ)充58.5%(WB30)藍(lán)光處理下甜瓜幼苗根系表面積和體積最大，分別比CK增加66.8%和50.0%；補(bǔ)充48.5%(WB20)藍(lán)光的甜瓜幼苗根系表面積和體積也較大，分別比CK增加38.2%和41.7%。

圖2 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗根系發(fā)育的影響

2.4 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗壯苗指數(shù)的影響

補(bǔ)光能提高溫室甜瓜幼苗的壯苗指數(shù)，其中，藍(lán)光補(bǔ)光比例為48.5%(WB20)和58.5%(WB30)處理下壯苗指數(shù)顯著高于其他處理，與W相比分別提高36.7%和32.1%，與CK相比分別提高125.8%和118.2%；藍(lán)光比例為38.5%(WB10)和68.5%(WB40)時(shí)壯苗指數(shù)與W無(wú)顯著性差異(圖3)。

圖3 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗壯苗指數(shù)的影響

2.5 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗SOD和POD活性的影響

整體來(lái)說(shuō)，甜瓜幼苗的SOD和POD活性隨著補(bǔ)充藍(lán)光比例的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)(圖4)。補(bǔ)充藍(lán)光38.5%(WB10)時(shí)，SOD活性最高，比CK顯著增加28.5%。補(bǔ)充藍(lán)光48.5%(WB20)、58.5%(WB30)時(shí)，POD活性顯著高于其他處理，分別比CK顯著增加130.8%和197.2%。

圖4 不同比例藍(lán)光對(duì)甜瓜幼苗生理指標(biāo)的影響

3 討論與結(jié)論

在蔬菜幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中，弱光脅迫會(huì)導(dǎo)致幼苗徒長(zhǎng)并延長(zhǎng)生長(zhǎng)周期，不利于有機(jī)物在植物葉片和根系中的積累，導(dǎo)致下胚軸過(guò)長(zhǎng)或莖過(guò)細(xì)，降低蔬菜幼苗質(zhì)量，進(jìn)而影響后期的產(chǎn)量和品質(zhì)。補(bǔ)光能夠顯著改善蔬菜幼苗根系形態(tài)，促進(jìn)蔬菜幼苗地上部生長(zhǎng)，增加植株生物量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，提高壯苗指數(shù)[14]；同時(shí)，SOD活性受外源激素的調(diào)節(jié)，且與植物的抗逆性緊密相關(guān)，植物體可通過(guò)增加體內(nèi)SOD、POD等抗氧化酶活性，加快活性氧的清除，從而維持植物體內(nèi)活性氧代謝平衡，減少逆境脅迫對(duì)植物體的傷害[15，16]。前人研究表明，補(bǔ)充黃光有利于提高番茄壯苗指數(shù)，而補(bǔ)充紅藍(lán)光更有利于茄子、辣椒和黃瓜壯苗的生產(chǎn)[17]。補(bǔ)充藍(lán)光可以有效地提高壯苗指數(shù)和植株的干鮮重，抑制幼苗徒長(zhǎng)，提高其抗逆性[18，19]；同時(shí)，藍(lán)光還具有促進(jìn)線粒體的暗呼吸及氮代謝的作用[20]。

本試驗(yàn)結(jié)果也表明，補(bǔ)充適當(dāng)比例的藍(lán)光能夠促進(jìn)溫室甜瓜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，抑制下胚軸伸長(zhǎng)，促進(jìn)地上、地下部干物質(zhì)積累，提高根系表面積和體積及壯苗指數(shù)，并提高SOD和POD活性，從而提升甜瓜幼苗的整體素質(zhì)。地上部質(zhì)量提高有利于幼苗光合作用，縮短有機(jī)物積累時(shí)間；而根系發(fā)育良好能夠增加根系與基質(zhì)的接觸面積，增強(qiáng)離子交換能力，更好地吸收利用水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于甜瓜后期保持良好的生長(zhǎng)形態(tài)，對(duì)提高甜瓜品質(zhì)和產(chǎn)量具有積極作用[21]。但藍(lán)光比例過(guò)高也會(huì)對(duì)甜瓜幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致壯苗指數(shù)下降。綜合分析，在本試驗(yàn)條件下，藍(lán)光比例為48.5%(WB20)和58.5%(WB30)時(shí)，壯苗指數(shù)增加125.8%和118.2%，下胚軸長(zhǎng)降低31.8%和36.4%，減少了甜瓜幼苗在弱光環(huán)境中徒長(zhǎng)現(xiàn)象的發(fā)生。因此，48.5%～58.5%比例的藍(lán)光補(bǔ)光有利于培育優(yōu)質(zhì)甜瓜幼苗，適宜早春季節(jié)甜瓜壯苗的生產(chǎn)。

此外，本試驗(yàn)補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)由前期研究確定[22]，為10 h/d；補(bǔ)光時(shí)間的確定由光強(qiáng)決定，即每天中當(dāng)光照強(qiáng)度高于200μmol/(m2·s)時(shí)停止補(bǔ)光；通過(guò)程序設(shè)置補(bǔ)光燈自動(dòng)開(kāi)啟，對(duì)甜瓜幼苗進(jìn)行補(bǔ)光。采取這種補(bǔ)光模式既滿足了甜瓜幼苗的光照時(shí)間要求，又有效利用了早春時(shí)期有效太陽(yáng)光照時(shí)間，有利于提高光能利用效率。