全光谱LED光照对小萝卜（Raphanus sativus L.）生长、产量及叶片反射光谱的影响研究

《AgriEngineering》：Remote Sensing of Nematode Stress in Coffee: UAV-Based Multispectral and Thermal Imaging Approaches

本文研究了高压钠灯（HPS）与三种模拟日光全光谱LED灯在受控环境农业（CEA）条件下对小萝卜生长、产量及叶片反射光谱的影响。研究发现，LED 3（色温5000 K，蓝光比例24%）能促进小萝卜形成更紧凑的莲座叶丛，并显著提高肉质根产量（最高达19%），其叶片在光合效率最高的蓝光和红光波段反射率显著降低。研究还表明，光照处理对叶片反射指数（如叶绿素反射指数ChlRI、光化学反射指数PRI）的影响大于基因型，为优化CEA光照方案及利用无损光学监测技术提供了重要依据。

　　

摘要

在受控环境农业（Controlled Environment Agriculture, CEA）条件下，为不同作物创造最佳光环境对于获得高产至关重要。目前，包括光照技术在内，尚无针对根茎类作物（特别是小萝卜）在CEA中生长的最优化技术。本研究探讨了高压钠灯（High-pressure sodium vapor lamps, HPS）和三种原创的类日光全光谱LED灯对两个对比小萝卜品种的形态生理特性及叶片漫反射指数的影响。

研究发现，与另外两种LED灯相比，LED 3灯（色温5000 K）光谱中较高的蓝光含量（24%）有助于小萝卜形成更紧凑的莲座叶丛，并获得最高的肉质根产量（提升达19%）。与LED 1和LED 2处理相比，LED 3处理下的光合作用效率可能更高，这导致反射辐射显著减少，尤其在蓝光和红光范围（分别减少5–143%和32–86%）。基因型对小萝卜的所有形态生理参数均有显著影响，而光照处理仅影响积分参数（肉质根比例Pr和吸引指数Ai）及叶片厚度。然而，与基因型相比，光照处理对叶片反射指数的影响更大，尤其是那些与叶绿素含量相关的指数。研究结果表明，模拟正午自然光的LED 3灯适用于CEA条件下小萝卜肉质根的生产。

1. 引言

现代作物生产技术利用人工光照的受控环境（如CEA和人工光照受控环境农业CEAL）已在全球应用并深入发展。许多研究者强调其在农业生产中的应用前景及这些人工气候设施的巨大潜力。然而，与CEA园艺生产稳定性和可持续性相关的若干问题仍未解决，包括选育适应人工光照的作物品种以及根据每种作物或品种的具体需求微调光照条件。

小萝卜（Raphanus sativus L.）分布广泛。由于其生长期短、株型紧凑、营养价值高（不仅肉质根，叶片更具营养），小萝卜在CEA光栽培条件下具有生产潜力。尽管小萝卜在CEA生产潜力巨大，但对其光照响应及反射光谱学背景的研究相对不足。

先前，我们为人工光栽培条件培育了‘Peterburgskiy fioletovyy’小萝卜品种，其具有超亲的肉质根形状和重量，叶片可食用、微具绒毛、莲座叶丛紧凑。小萝卜育种期间使用了高压钠灯。然而，当前CEA主要配备LED灯，其具有空间利用效率高、光合有效辐射（Photosynthetic Active Radiation, PAR）通量空间分布好、能量效率和光输出高、可调光、能为不同作物创建最佳辐射光谱以及使用寿命长等优点。与其他灯具不同，LED在植物栽培系统中的使用历史不长，许多与创建最佳光照条件相关的问题仍在研究中。

近期研究表明，全光谱LED有潜力用于CEA，因为其类似日光，包含植物发育所需PAR能量光谱中的所有波长。例如，使用全光谱LED照明已导致草莓植株重量和平均光合速率增加，番茄的光利用效率和果实产量提高，生菜的叶面积、生物量和生长性能提升，萝卜和芜菁肉质根生物量尤其增加。然而，全谱PAR对农作物的作用及机制尚未完全明了，这方面的知识将极大增强管理植物生产力和质量的潜力。因此，开发具有全辐射光谱的LED模块并为种植各类作物（特别是小萝卜）选择最佳光谱，同时考虑基因型与环境的相互作用，显得尤为重要。

无损光学控制方法能有效评估基因型-环境系统中植物的生长、健康及其对处理措施的响应，是优化CEA各种作物栽培技术的有效工具。叶片光学特性主要由其组织中的光合色素（叶绿素a、b和类胡萝卜素）决定，但也取决于叶片结构、非光合化合物（花青素、黄酮醇）和水的存在及浓度。这些特性是评估吸收的光合有效辐射量、光合作用强度、最终评估生理状态以及预测作物产量的关键特征。

植物叶片色素含量和质量的变化必然导致其光学特性变化。这是理解植物生理反应、抗性和适应机制的基础，对于开发有效的作物栽培技术和改进快速表型分析方祛至关重要。为解释光谱测量，已开发出若干反射指数。与简单比较两个不同波长反射值不同，这些指数是归一化值，能更准确表征叶片反射特性。指数公式开发者已在多种植物上测试，并与叶绿素（ChlRI）、类胡萝卜素（SIPI）、花青素（ARI）生化评估结果比较。光化学反射指数（PRI）与叶黄素循环色素环氧转化、光利用效率和光合效率的关系也已确定。我们先前在田间和受控环境研究中已使用这些指数进行植物表型分析，评估矿物质营养和水分亏缺条件下小麦和生菜生物量及色素组成动态变化并预测产量。

响应多种因素时，叶片表面反射辐射的光谱和光学特性在植物出现外部症状前即发生变化。已有证明反射指数可用于评估光照质量对植物发育的影响。然而，光与植物生理状态、生产力及叶片漫反射光谱特性之间的关系在许多作物（特别是小萝卜）中仍知之甚少。本研究目的在于：（1）研究HPS灯和三种模拟日光、具有不同PAR范围内生理活性波长比例的全光谱LED灯的辐射光谱特性对两个小萝卜品种发育和产量的影响；（2）评估叶片漫反射指数与小萝卜植株形态生理参数之间的关系，以确定改进植物栽培技术和选择有经济价值基因型的光学标准。

2. 材料与方法

2.1. 研究对象

研究对象为两个对比的早熟小萝卜品种，它们在形态特征和起源上不同。一是品种Pernot (P)，来自N. I. Vavilov全俄植物遗传资源研究所（VIR）的收藏，具长圆柱形、粉红色、顶端白色的肉质根（图1A），适于露地栽培，但也能在人工光栽培条件下生产商品肉质根。二是品种Peterburgskiy fioletovyy (Pf)，为CEA培育的小萝卜品种，具椭圆形、紫色的肉质根（图1B），且品种P是品种Pf育种中的亲本之一。

研究在圣彼得堡农物理研究所（AFI）的农业生物多边形受控条件下进行。小萝卜品种用干种子播种于工业塑料育苗盘。使用以低分解高位泥炭为基础的工业泥炭土作为生根基质。白天空气温度20–22 °C，夜间18–20 °C，相对空气湿度65–70%。所有处理辐照度保持一致——PAR区域75 ± 5 W m^-2。灯具与植株上部叶片距离40–45 cm。使用PG200N光谱PAR计测量光源特性及光分布均匀性。为抵消光分布差异影响，每三天将育苗盘旋转90°。随植株生长，通过调光（LED 1–3）或提升灯组（HPS）调整光照。通过空调和每个光照处理周边镜屏均衡光温条件。光周期每天14小时。每日浇水，与克诺普溶液施肥交替进行，土壤湿度维持最大持水量的60–70%。出现第一片真叶后间苗，每穴留一株。播种后第25天收获。收获时测量主要形态生理参数：肉质根鲜重（Rm, g）和叶片鲜重（Lm, g）、叶片数（Nl, 片）、叶片厚度（Lt, 微米）等。小萝卜叶面积（LA, cm）测定参照文献方法。叶片厚度用千分尺测量。

根据所得数据计算表征产量的指数：肉质根比例Pr = 肉质根鲜重 / 全株鲜重；吸引指数Ai = 肉质根鲜重 / 叶片鲜重。实验重复两次，每次评估8株，因两次实验所研究参数平均值相似，统计分析采用合并样本（16株小萝卜）进行。

2.2. 光照处理

播种后，将育苗盘置于特定光照条件下。研究采用四种光照处理。HPS作为对照。三种原创全光谱LED灯由AFI研制：LED 1（色温3000 K，红:绿:蓝 R:G:B = 5.2:3.3:1）、LED 2（色温4000 K，R:G:B = 2.3:2:1）、LED 3（色温5000 K，R:G:B = 1.5:1.5:1）。

研制全光谱LED灯时使用了发射紫光的新一代LED，并涂覆能将光转换为含全红、绿、蓝成分PAR的三组分荧光粉。所开发LED灯的新颖之处在于形成模拟一天中不同时间太阳光照的全光谱辐射，以识别植物进化上更适应的最自然功能条件。与常规红蓝和白光LED植物灯不同，原创LED灯光谱包含所有波长。此外，使用高透光率的漫射二次光学器件为LED创造了各向同性光场，形成均匀生长条件。

灯具发射光谱使用PG200N光谱PAR计测量。三种LED灯的PAR光子通量密度（PPFD）无显著差异，但HPS与LED在各光谱范围的辐射量差异显著。三种LED灯辐射通量在光合效率最高的蓝光（400–500 nm）和红光（621–700 nm）范围含量显著更多，绿光范围（501–565 nm）辐射也更多。HPS的PPFD主要部分（64%）在黄（566–590 nm）和橙（591–620 nm）光谱范围。相比之下，LED 1、2、3在黄橙范围的PPFD分别为27%、24%、21%。此外，与HPS相比，LED 1、2、3下到达植物叶片的远红光更多，近红外光更少。

2.3. 叶片反射光谱

使用光纤系统非侵入性记录叶片表面反射辐射光谱。系统主要组件包括HR2000光谱仪、专用SpectraSuite软件、参考卤钨灯光源（LS-1）和反射探头（R-200-7）。测量前记录参考光源（WS-1，光谱反射率>99%的材料制成）的反射光谱。记录光谱时，传感器置于中层叶片中部，避开中脉。每个处理平均记录至少15条光谱。测量在播种后第20天（收获前5天）进行。叶片漫反射光谱以参考光源反射百分比显示，可保存为数字文件。所得叶片反射光谱用于计算与光合机构活性及植物生理状态密切相关的反射指数。

2.3.1. 与叶绿素含量、光合机构强度（能力）相关的指数

1. 1.
   ChlRI（叶绿素反射指数）：ChlRI = ((R₇₅₀? R₇₀₅)/(R₇₅₀+ R₇₀₅)) ? 2R₄₄₅。该指数与多种植物叶绿素含量密切相关的，已多次用于评估田间和光栽培条件下植物生理状态。
2. 2.
   Chl_gr模型：Chl_gr= (R_NIR/R_green) ? 1，其中R_NIR= 750–800 nm, R_green= 545–565 nm。
3. 3.
   Chl_re模型：Chl_re= (R_NIR/R_red-edge) ? 1，其中R_NIR= 750–800 nm, R_red-edge= 710–730 nm。Chl_gr和Chl_re模型为估算两种田间作物（玉米和大豆）叶绿素含量而开发测试，使用这些模型可解释叶绿素含量92%以上的变异。估算小萝卜品种叶绿素含量时，使用R_NIR= 799.1 nm, R_gr= 551.8 nm, R_re= 703.4 nm。

2.3.2. 与光合机构效率相关的指数（类胡萝卜素、花青素含量、光化学活性及光散射）

1. 1.
   SIPI（叶片结构无关色素指数）：SIPI = (R₈₀₀? R₄₄₅)/(R₈₀₀? R₆₈₀)。该指数对类胡萝卜素/叶绿素比率最敏感，同时最小化可变叶片结构影响。
2. 2.
   花青素指数：ARI-1 = [(1/R₅₅₀) ? (1/R₇₀₀)] × R₇₅₀；ARI-2 = ∑_i=600⁶⁹⁹R_i/ ∑_i=500⁵⁹⁹R_i。R_red/R_green比率与含花青素和叶绿素叶片的花青素含量相关，但可靠性因植物种而异。
3. 3.
   光化学反射指数PRI：PRI = (R₅₇₀? R₅₃₁)/(R₅₇₀+ R₅₃₁)。该指数表征叶片类胡萝卜素色素（特别是叶黄素）变化，与叶黄素循环色素环氧转化、光利用效率和光合效率密切相关，是定量评估植物胁迫响应的良好指标。
4. 4.
   R₈₀₀：800 nm近红外范围叶片内部光散射。R₈₀₀值与叶片结构特性相关，不依赖于其化学组成或含水量。

2.4. 统计分析

统计分析包括计算描述性统计量：均值、标准差（SD）、均数标准误（SEM）。为评估基因型、环境条件（光 regime）及其互作对形态性状和光谱特性的影响，进行了双因素方差分析（ANOVA）。对ANOVA识别的显著主效应或交互作用，使用Tukey HSD检验进行事后成对比较。为校正多重比较，使用Holm法调整ANOVA模型的p值。所有统计检验显著性阈值设为p < 0.05。初始数据整理和描述性分析在Microsoft Office Excel 2019中进行，主要统计分析使用R软件4.5.1版和Statistica v. 13.3进行。

3. 结果与讨论

3.1. 不同光照处理下小萝卜植株的形态生理特性

对小萝卜形态生理特性的分析结果表明，基因型和光光谱组成对植物发育有影响。研究对象为具有对比应用领域和肉质根形状、颜色的小萝卜品种。品种P为露地选育，但在人工光照下也表现出与生产力相关的经济价值性状复合体。品种Pf专为光栽培条件选育，且品种P是其育种亲本。HPS灯作为对照，因先前所有育种和遗传研究均使用此类灯。原创LED灯为后期研制。

基因型决定的品种间差异普遍存在于所有研究参数（除LA外）。品种Pf在所有处理下根鲜重较高可解释为超亲育种结果。与品种P相比，品种Pf叶片鲜重也较高，在HPS和LED 2处理下差异显著。表征肉质根占全株比例（Pr）及Rm与Lm比率（Ai）的指标在LED 1和LED 3（Pr）及LED 1、2、3（Ai）处理下品种间差异显著。品种Pf在所有研究处理下叶片数（Nl）更多，叶片通常更厚，但后者（Lt）在HPS与LED间差异不显著。

与基因型相反，光环境对两个品种根和叶鲜重的影响无统计学显著性，仅呈趋势性。尽管如此，品种P在HPS与LED 1间Pr指数差异显著，品种Pf在LED 1与LED 3间Pr指数差异显著。品种P Ai指数在HPS与LED 1间也差异显著，品种Pf在LED 1与LED 2、LED 1与LED 3间Ai指数差异显著。品种Pf在HPS与LED 2间Nl差异显著。两个品种Lt最高值在HPS处理下获得，最低在LED 1下，观察到的差异显著。

尽管处理间根叶生物量无显著差异，但色温从3000 K增至5000 K通常引起植物形态向增加根鲜重及其占全株比例方向变化，两个小萝卜品种对光环境响应方式相似。根鲜重呈LED 1 < LED 2 < LED 3趋势性增加。叶鲜重值呈相反趋势：LED 1 > LED 2 > LED 3。表征经济产量部分（肉质根）比例的Pr和Ai指数在品种Pf下所有处理中LED 3下最大，尽管除LED 1与LED 3外差异不显著。品种P下这些指数最大值在HPS和LED 3下获得，HPS与LED 1间差异显著。两种指数在LED照射下随色温降低持续减小：LED 3 > LED 2 > LED 1，与Rm相似。LA也呈LED 3 < LED 2 < LED 1趋势性增加。

值得注意的是，两个小萝卜品种在LED 3和HPS处理下平均肉质根鲜重几乎无差异。相反，LED 1下Rm相对于HPS降低（品种Pf降14%，品种P降9%）。品种Pf在LED 2和LED 3下商品肉质根百分比与HPS下对应（95 ± 5%）；LED 1下略降（平均较其他处理降10%）。品种P下LED 1和LED 2处理商品肉质根比例略有下降。最终，LED 1处理下产量较HPS下降（品种Pf降21%，品种P降24%）。

所得结果证明光光谱组成对小萝卜生长和产量的影响，以及植物反应中存在品种特异性（基因型与环境互作）。类似结论已在众多CEA条件下研究中得出。例如，文献指出光光谱各部分对植物生理生化过程的重要性，并结论光照质量效应可能因具体作物或种而异。

推测HPS处理下小萝卜高Rm和产量可由高压钠灯光谱中高比例橙光解释。研究表明白光（琥珀色）对某些植物生长和生物量积累有刺激作用。此外，实验所用两个小萝卜品种已适应HPS光谱，如前所述。

观察到LED灯处理间小萝卜生长发育及产量差异，据信由LED 1、2、3灯光谱范围比例差异所致。LED 3处理平均根鲜重和产量最高，而LED 1处理叶鲜重和LA最高。如前所述，LED 3灯光谱中蓝光比例较其他灯最高，而LED 1灯红光比例最高；绿光等其他光谱范围百分比总体差异不显著。蓝光和红光在光合作用中起关键作用，尽管其对植物效应可能不同。众多研究表明红光对多种作物（如生菜、小白菜、番茄）株高和地上部生物量有刺激作用。本研究中地上部（叶鲜重）最大值也在红光比例最大（43%）的LED 1下发现。类似地，蓝光存在为植物正常生长所必需，且在一定比例（对特定作物或品种最优）下添加蓝光波长可提高CEA中一系列作物产量并改善品质。同时，蓝光也可能抑制植物生长。研究表明高比例蓝光可降低生菜地上部生物量、黄瓜苗高和生物量、黄瓜、辣椒和番茄地上部干重。此外，蓝光可刺激多种作物根系发育并增加根生物量。本实验也显示LED 3处理（光谱中蓝光比例最高）下两个小萝卜品种叶片生长受一定抑制，同时肉质根生长受刺激。

而且，已表明不同作物对光照条件需求可能显著差异。特别是，研究揭示了不同作物（番茄、黄瓜、辣椒、大豆、生菜、小萝卜和黑麦）对蓝光比例的生理响应差异，