模拟日光光谱对受控农业环境中萝卜生长的调控作用：叶片形态生理特性与漫反射指数的综合研究

《Horticulturae》：Influence of the Sunlike Light Spectral Composition on Radish in Controlled Environment Agriculture: Morphophysiological Characteristics and Diffuse Reflection Indices of Leaves

本研究探讨了模拟日光光谱的LED照明对受控环境农业（CEA）中萝卜生长的调控机制。通过比较高压钠灯（HPS）与三种全光谱LED灯具（LED 1-3）对两个萝卜品种形态生理指标和叶片漫反射特性的影响，发现高蓝光占比（24%）的LED 3能促进紧凑型叶丛形成，使块根产量提升达19%。光谱分析表明，LED 3处理的叶片在蓝光（降低5-143%）和红光（降低32-86%）波段反射率显著降低，暗示光合作用效率提升。研究为CEA中根茎类作物的光环境优化提供了理论依据和实践方案。

　　

引言

现代农业生产中，受控环境农业（CEA）与人工光栽培（CEAL）技术因其不受自然条件限制的优势被广泛应用。然而针对根茎类作物（特别是萝卜）的光照技术仍存在空白。本研究以两个对比型萝卜品种（露天栽培型"Pernot"与CEA专用型"Peterburgskiy fioletovyy"）为对象，探究高压钠灯（HPS）与三种自主研发的全光谱LED灯具对植株形态生理特性及叶片光学参数的影响。

材料与方法

实验设计：在光合光子通量密度（PPFD）统一为75±5 W m^-2条件下，设置四种光照处理：传统HPS灯具（红:绿:蓝=8.5:9:1）与三种全光谱LED灯具（LED 1：3000K，R:G:B=5.2:3.3:1；LED 2：4000K，R:G:B=2.3:2:1；LED 3：5000K，R:G:B=1.5:1.5:1）。通过光纤光谱系统（Ocean Optics）测定叶片400-1100nm波段漫反射光谱，计算叶绿素反射指数（ChlRI）、光化学反射指数（PRI）等7种光学参数。

形态指标测定：采收期（播种后25天）测量根鲜重（Rm）、叶鲜重（Lm）、叶片数（Nl）等参数，并计算根冠比（Pr=根鲜重/全株鲜重）和吸引指数（Ai=根鲜重/叶鲜重）。叶片厚度（Lt）使用数显千分尺（精度0.01mm）测定。

结果与讨论

光照光谱对形态建成的影响：LED 3处理下两个品种均表现出最优经济性状。品种Pf的根鲜重在LED 3达23.21±2.22g，较LED 1提升14%；品种P的根冠比（Pr）在LED 3与HPS间无显著差异（0.65 vs 0.64）。高蓝光占比（24%）的LED 3显著抑制叶丛扩展（品种Pf叶面积较LED 1降低18%），但促进同化产物向块根运输，商品根产出率超95%。

叶片光学特性响应：LED 3处理的叶片在光合高效波段（400-500nm蓝光，621-700nm红光）反射率最低，品种Pf的蓝光反射量较HPS降低46%。叶绿素指数ChlRI在LED 3与HPS间无显著差异，但显著高于LED 1（品种P降低45%）。光散射指数R₈₀₀与叶面积呈负相关（r=-0.725），表明LED 3可能通过优化叶片内部结构提升光能利用效率。

基因型与环境互作：方差分析显示品种效应显著影响所有形态指标（p<0.05），而光照处理主要调控积分参数（Pr、Ai）和叶片厚度。品种Pf在LED 3下表现出更高的光适应能力，其光化学反射指数（PRI）较HPS提升32%，暗示 xanthophyll 循环参与光保护机制。

结论

全光谱LED灯具中，模拟正午太阳光谱的LED 3（5000K，蓝光占比24%）最适宜萝卜CEA生产。其通过调控光形态建成促进同化物向块根分配，同时优化叶片光学特性提升光能捕获效率。叶片漫反射指数可作为非侵入式监测萝卜光适应状态的有效指标，为作物表型组学研究提供新思路。