摘要:采用紅色LED(660±20nm)和藍(lán)色LED(450±20nm)組合制成的LED燈管作為組培人工光源,研究光照度為35μmol?m-2?s-1時,紅藍(lán)光質(zhì)比(R/B)分別為4、6、8、10的光環(huán)境培養(yǎng)條件下甘薯組培苗的生長情況,以相同光照度的熒光燈為對照,培育甘薯組培苗28d。結(jié)果表明:660nm紅光和450nm藍(lán)光組合可以有效抑制植物徒長,有降低地上部分含水率和提高根冠比的作用,熒光燈下生長的植株地上鮮重、葉片含水率和株高均最大,但是植株徒長,干物質(zhì)積累不良。高的R/B處理能提高植株高度和根冠比,增大地下鮮重,降低地上含水率,有利于干物質(zhì)積累;R/B為8時甘薯組培苗的地下鮮重和根冠比均最大;R/B變化對葉片光合色素含量沒有顯著影響。另外,LED光源的電能消耗與R/B值呈線性增加關(guān)系,并比熒光燈節(jié)能2716%～4810%。
關(guān)鍵詞:LED;組培;R/B處理;甘薯;能耗
光是植物光合作用和獲取能量的主要環(huán)境因子,是植物光合產(chǎn)物形成的基礎(chǔ),同時也是設(shè)施內(nèi)環(huán)境的主導(dǎo)因子,決定著作物的生長發(fā)育與經(jīng)濟產(chǎn)量。植物對400-510nm藍(lán)紫光段、610-720nm紅橙光段和720-780nm遠(yuǎn)紅光段反應(yīng)最為敏感,其中可吸收的波長主要集中在藍(lán)紫光段(波峰為450nm)和紅橙光段(波峰為660nm),但不同植物的適宜光質(zhì)都不盡相同[1]。
LED(LightEmittingDiode)即發(fā)光二極管,是一種節(jié)能環(huán)保、使用壽命長、體積小的新型光源,它發(fā)出的半波寬窄(±20nm)[2],能夠?qū)崿F(xiàn)精確的光質(zhì)配比[325],將LED作為人工光源或者補光光源應(yīng)用于設(shè)施園藝領(lǐng)域已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點。目前,國內(nèi)外研究已證明LED可成功用于香蕉[6]、地黃[7]、草莓[8]、白鶴芋[9]、菊花[10]、百合[11212]、葡萄[13]等植物組織培養(yǎng),以及藻類生產(chǎn)[14]、植物工廠育苗和蔬菜生產(chǎn)[15219],但研究主要集中在單色光對植物品質(zhì)的影響[728,11,14,20222]。研究表明,植物在純紅光照射下,植株干物質(zhì)積累多,節(jié)間較長而莖較細(xì),且葉片細(xì)小,總糖含量高;在純藍(lán)光照射下,植株干物重小,節(jié)間較短而莖較粗,伸長生長受到一定抑制。紅藍(lán)光質(zhì)比(R/B)對植物生長的影響也有研究,但各試驗中R/B取值較為單一[16,23224]或者不精確[7,25]。同時節(jié)能也是使用LED代替目前組培常用光源熒光燈的重要原因之一,但綜觀已有研究,均只利用了LED光譜可調(diào)的特性,研究了LED對植物生理品質(zhì)的影響,忽略了對LED在組培生產(chǎn)中的電能消耗分析。
本研究擬采用LED組培專用燈管研究R/B對甘薯組培苗生長的影響,并對培育過程中的電能消耗進(jìn)行分析。通過研究不同R/B對甘薯組培苗生長的影響和LED組培光源的能耗情況,希望能對今后LED在植物組培中的應(yīng)用和經(jīng)濟可行性分析提供參考。
1 材料與方法
111 試驗設(shè)置
甘薯組培苗由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所組培實驗室提供;LED光源為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究中心與深圳四海電氣技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)的同型號LED組培專用燈管,紅光(波峰為660±20nm)、藍(lán)光(450±20nm)交替均勻布置,每層布置7根;對照組光源采用松下36W三基色熒光燈(YZ36RL),每層布置3根。根據(jù)前人研究和前期試驗結(jié)果,將光源的總光照度均設(shè)置為35μmol?m-2?s-1。
試驗于2009年5-7月在組培室進(jìn)行。選取三葉一心的甘薯組培苗接種在MS培養(yǎng)基上(添加20g?L-1蔗糖和513g?L-1瓊脂),調(diào)節(jié)pH值為518～519,無激素添加,每瓶3株。控制每瓶中3株組培苗總質(zhì)量為01401±01016g。組培容器為普通錐形玻璃瓶,容積為100mL,培養(yǎng)室中溫度為23±012℃,相對濕度80±5%。黑暗預(yù)培養(yǎng)24h后,將組培苗放在設(shè)置不同R/B的LED燈管和熒光燈管下進(jìn)行光照處理。試驗共設(shè)5個處理(表1),每個處理6瓶。光周期為10h?d-1。采用德國Avantes公司生產(chǎn)的光纖光譜儀測定光照度,通過增加紅光同時減少藍(lán)光照度的方式完成R/B的設(shè)定。
光照度分布均勻性是溫室太陽直射光環(huán)境的評價指標(biāo)之一[26],參考連棟溫室采光性能測試方法,光照度均勻性λ(≤1)用以下公式計算得出
λ=1-sE(1)
s=∑ni=1(Ei-E)2n-1(2)
其中,s為各個光照度測點的標(biāo)準(zhǔn)差,Ei為第i點(i是參考連棟溫室采光性能測試方法選取的測點,i≤n,n=52)處的光照度,E為平均光照度。
112 項目觀測
培養(yǎng)30d后,取出甘薯組培苗,用游標(biāo)卡尺(±0102mm)測定株高、莖粗和根長等形態(tài)指標(biāo),株高是指從地面至植株頂端的最大距離,根長是指從地面至根末端的最大距離;采用德國Sartorius天平(型號BP221S,±011mg)分別稱地上、地下鮮重后放入烘箱中,75℃烘干72h至恒重,稱干重。同時取鮮樣品,采用比色法測量葉綠素和類胡蘿卜素含量,每瓶選取植株中間層完全展開的葉片012g,將葉片剪碎并置于1∶1的乙醇-丙酮混合液中,封口,在常溫黑暗中浸提48h,直至葉片完全變白后用UNIC27200分光光度計測量其吸光度值,通過計算得到葉綠素和類胡蘿卜素含量。同一指標(biāo)3個重復(fù),試驗重復(fù)2次。試驗數(shù)據(jù)采用3個重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,用SASv812數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,用Duncan檢驗進(jìn)行顯著性差異分析。2 結(jié)果與分析
211 LED光源物理性能分析
由表1可見,與對照(CK)相比,LED光源的光照度均勻性較低,保持在0155～0168,說明LED燈管的構(gòu)造和LED芯片的封裝角度還需要改進(jìn),如加裝反光罩、提高芯片封裝角度等。燈管下垂直溫度采用在燈管垂直下方不同高度上布置熱電偶進(jìn)行連續(xù)24h監(jiān)測的方法來測量。發(fā)現(xiàn)在燈下5cm處,熒光燈照射區(qū)域空氣的溫度比LED處理區(qū)高3℃以上。熒光燈散發(fā)的這部分熱量會提高空氣溫度,一方面,導(dǎo)致組培瓶內(nèi)明顯的結(jié)露現(xiàn)象,當(dāng)組培苗葉片緊貼瓶壁時,水珠會造成葉片的玻璃化,葉片發(fā)脆,出苗時會自動落下,嚴(yán)重影響組培苗品質(zhì);另一方面,這部分熱量必須由空調(diào)制冷帶走,相應(yīng)會增加制冷費用。
212 不同R/B的LED光源對甘薯組培苗生長的影響
由表2可見,與對照(CK)相比,LED光源處理的甘薯組培苗的植株高度、地上部分質(zhì)量差值均明顯降低和減少,莖略粗、根略長但差異不明顯,說明試驗所用LED光源有抑制植株徒長的作用,熒光燈有促使甘薯組培苗徒長的作用,其中增重是指植株鮮重與原重的差值。進(jìn)一步分析LED和熒光燈的光譜發(fā)現(xiàn)(圖1),LED光譜中400-510nm的藍(lán)光和610-720nm的紅光的光照度之和占總照度的9815%以上,而熒光燈中僅為5218%,其余為510-610nm的綠光。據(jù)研究,綠光有使幼苗徒長的作用[27229],本試驗中熒光燈處理(CK)中甘薯組培苗確實表現(xiàn)出徒長現(xiàn)象,而LED光源處理則對此有一定的抑制作用。
由表2還可看出,各LED光源處理中,隨著R/B的增大甘薯組培苗的各項指標(biāo)表現(xiàn)出一定的增加趨勢,植株高度、地上部分質(zhì)量增加差異較顯著,而莖粗、根長的差異不明顯。據(jù)研究,純藍(lán)光有抑制植物地上部分伸長的作用[24],植株干物重小、節(jié)間較短[30231],根部生長差[32],不利于葡萄試管苗的生根[33];純紅光有促進(jìn)地上生長[29]、減小莖粗的作用[34],植物干鮮重、干物質(zhì)比重較大,易誘導(dǎo)植物外植體發(fā)生不定根[11],有利于生根[32]。本試驗與上述研究結(jié)果相一致,高的R/B有提高植株高度和地上部分增重、增大根長的作用,低的R/B則有增大莖粗的作用。213 不同R/B的LED光源對甘薯組培苗品質(zhì)的影響
由表3可見,與對照(CK)相比,LED光源處理的甘薯組培苗的地上含水率、根冠比均明顯降低和提高,地上鮮重略輕、地上干重和地下鮮重略高,但差異不明顯。結(jié)合表2數(shù)據(jù),可見試驗所用LED光源可能有降低地上部分含水率、抑制地上部分徒長進(jìn)而提高根冠比的作用,熒光燈可能有增大地上部分含水率、促使甘薯組培苗徒長、降低根冠比的作用。
由表3還可以看出,各LED光源中,隨著R/B的增大,地上干鮮重、地下鮮重、根冠比以及地上含水率都表現(xiàn)出一定增加或者減小的趨勢,地下鮮重、根冠比增加和地上含水率降低差異較顯著,而地上干鮮重變化不顯著,說明高的R/B能促進(jìn)組培苗干物質(zhì)的積累和根部生長,也與已有研究相一致[11]。根冠比是植物地下部分與地上部分鮮重的比值,為了提高組培苗在馴化期的抗逆能力,應(yīng)該提高根冠比[35]。隨著R/B的提高,根冠比先上升后略下降,LED8的根冠比最大,說明對根冠比而言,最適宜的R/B是8,低R/B和綠光都可能抑制組培苗生根。
綜合根長、根部干鮮重數(shù)據(jù),處理LED8的R/B能更好地促進(jìn)根部生長,而熒光燈對照處理的根長、地下鮮重和根冠比都較小,根部發(fā)育不好,可能是因為較多的綠光造成地上部分徒長,向下輸送的光合產(chǎn)物減少,影響了根部發(fā)育[35]。
214 不同R/B的LED光源對甘薯組培苗葉片光合色素含量的影響
光合色素約占干重的8%左右,可以收集和傳遞光能,在光合作用中起著決定性作用[1]。由表4中可以看出,與對照(CK)相比,LED光源處理的甘薯組培苗的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素含量略高,葉綠素a/b值和類胡蘿卜素含量略低,但是差異均不顯著。同時,隨著R/B值的提高,葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總含量均略有增加,葉綠素a/b值和類胡蘿卜素含量則均隨著R/B的提高而有所下降,與陽生植物特性符合[36],但是5個處理均沒有表現(xiàn)出差異。
215 不同R/B的LED光源對電能消耗的影響
試驗采用的LED燈管由224顆功率為0104W的紅色LED燈珠和44顆功率為0106W的藍(lán)色LED燈珠組成,燈管內(nèi)置直流電源效率為85%,其額定功率為1316W。測量4個LED處理的耗電量分別為0147kW?h?d-1、0154kW?h?d-1、0168kW?h?d-1、0175kW?h?d-1,每一層的耗電量與R/B呈線性增大關(guān)系,線性相關(guān)系數(shù)為0198。同時測量CK耗電量為1103kW?h?d-1。說明與對照(CK)相比,LED光源能明顯節(jié)約電能,節(jié)電量為2716%～4810%,以處理LED8為例,比熒光燈節(jié)省電能3410%。試驗周期為28d,則培養(yǎng)每株甘薯苗耗電量見表5。
3 結(jié)論與討論
(1)LED光源有抑制植株徒長、降低組培苗地上含水率、提高根冠比的作用,熒光燈有促使甘薯組培苗徒長、增大地上含水率并降低根冠比的作用。本試驗所用LED的光譜中,400～510nm的藍(lán)光和610～720nm的紅光的光照度之和占總照度的9815%以上,而熒光燈中僅為5218%,其余為510～610nm的綠光,使甘薯苗表現(xiàn)出徒長,這與綠光易使幼苗徒長的研究結(jié)果相符[27229]。LED光源處理均對徒長有一定的抑制作用,植物能合理分配向下輸送的光合產(chǎn)物,進(jìn)而提高根冠比。
(2)LED紅藍(lán)光對甘薯組培苗的生理狀態(tài)有一定的調(diào)節(jié)作用,隨著R/B值的提高,植株高度、增重、根長、地上干鮮重、地下鮮重表現(xiàn)出一定增大的趨勢,而莖粗、地上含水率均表現(xiàn)出一定減小的趨勢,但是根長、地上干鮮重、莖粗的差異不明顯。這與已有研究認(rèn)為紅光可以促進(jìn)地上生長、提高干物質(zhì)比重、有助于生根的研究結(jié)果相符合[11,29,32],也與藍(lán)光抑制地上部分伸長、減小干物重的研究結(jié)果相符合[24,30233]。對LED光源配置高的R/B,有利于提高植株高度、增重、地下鮮重,降低地上含水率。
(3)LED光源R/B值為8時,根部發(fā)育最好,植物能合理向下輸送光合產(chǎn)物,地下鮮重和根冠比最大,地上部分和地下部分的相關(guān)性得到較好的協(xié)調(diào)[35]。
LED是新興的節(jié)能光源,其光質(zhì)可調(diào)、低耗電量、低放熱量的突出優(yōu)點和代替熒光燈的發(fā)展趨勢已經(jīng)得到共識。但是不同植物的適宜R/B值不盡相同,以后的試驗中應(yīng)選用不同作物,進(jìn)一步探索紅藍(lán)光對植株生長發(fā)育的作用規(guī)律。試驗中對耗電的研究還是初步的、粗淺的,同時由于LED放熱量小而節(jié)省的空調(diào)耗電量也沒有考慮,有待進(jìn)一步探索。