LED照明作为草坪遮阴解决方案：基于海滨雀稗和结缕草的系统评估

《Frontiers in Plant Science》：LED lighting as a solution for turf shading: insights from a systemic assessment of Seashore paspalum and Zoysia japonica

　　

摘要

引言：专业封闭式体育场的屋顶结构常对草坪造成遮阴问题，对维持草坪质量和高效管理构成重大挑战。人工照明已被应用于解决此问题，尤其是发光二极管（LED）。方法：为评估特定波长的LED在缓解遮阴胁迫对草坪草不利影响方面的功效，研究人员在体育场内三种光照条件（自然光、遮阴和LED）下对海滨雀稗（Paspalum vaginatum Sw.）和结缕草（Zoysia japonica Steud.）草坪进行了系统、多维度的评估。结果：结果表明，LED有效缓解了遮阴引起的光限制。其将草坪归一化植被指数（NDVI）和叶绿素含量维持在接近自然光下的水平。此外，LED处理改善了与遮阴胁迫相关的生理响应，表现为细胞膜稳定性增强、膜脂过氧化降低，以及抗氧化相关响应改变，包括超氧化物歧化酶（SOD）活性升高和过氧化物酶（POD）活性的动态变化。在根系形态方面，LED处理降低了遮阴引起的比根长（SRL）和比表面积（SRA）的增加，表明其改变了遮阴诱导的根系形态响应。主成分分析（PCA）揭示了与不同光照环境相关的不同多变量响应模式。相关性分析进一步表明，在不同光照环境下，NDVI、叶绿素含量和抗氧化相关性状之间存在显著关联。这些关联表明，LED光照下的草坪表现与叶绿素含量和抗氧化相关性状的同步变化有关。讨论：总之，施用LED照明可通过改善冠层特征、叶绿素状态、抗氧化相关响应和根系形态性状，有效促进草坪恢复相关性状和生理状态。本研究在真实体育场环境下证明，特定LED照明可作为遮阴区域改善草坪表现的有效补充光源，为体育场草坪管理提供了实践指导。

**论文解读：LED补光对体育场遮阴草坪的缓解效应——基于海滨雀稗与结缕草的系统评估**

**1. 研究背景与目的**

专业体育场为提升观赛体验和建筑美学，普遍采用封闭或半封闭式屋顶结构，导致场内特定区域长期自然光照不足，形成遮阴逆境。光照是植物光合作用的根本能源，遮阴已成为封闭式体育场草坪健康生长的最重要限制因子，而传统的施肥、灌溉等养护措施无法弥补这一根本性能源亏缺。当前应对遮阴的常用策略包括选用耐阴草坪品种或采用传统高压钠灯补光，但前者受限于种质本身的生理阈值，后者则存在能耗高、热辐射大、光谱与植物需求匹配度差等问题，实际效果有限且成本高昂。发光二极管技术因其光谱精确可控、光能利用效率高等优势在设施农业中备受关注，但已有研究多集中于实验室或温室环境下的作物和园艺植物，其在真实体育场复杂光照环境下的应用效果，尤其是草坪在视觉恢复、叶绿素维持、抗氧化能力和根系形态等方面的综合响应，仍缺乏系统评估。因此，本研究在专业体育场真实场景下，以两种暖季型草坪草——海滨雀稗和结缕草为材料，开展全生长季试验，系统评价LED补光对遮阴草坪的多维生理和生长响应，为封闭式体育场草坪管理中LED技术的科学应用提供试验依据。

**2. 主要关键技术方法**

研究于2024年3月至7月在中国上海某专业封闭式体育场内进行。供试材料为海滨雀稗（品种‘Platinum’）和结缕草（品种‘兰引3号’），草坪模块（1 m × 1 m，深15 cm）在不锈钢可移动模块中建植并养护至健康均匀状态后移入体育场。试验设三种光照处理：自然光处理（N，置于北侧，接受环境日光）、遮阴处理（S，置于南侧，无直射辐射和补光）、LED补光处理（L，置于南侧，遮阴程度与S相同，夜间20:00—08:00补光12小时）。每处理每物种3个独立草坪模块作为生物学重复，共18个模块。LED光源红（660 nm）蓝（450 nm）光子通量比7:1，冠层平均光合光子通量密度（PPFD）483.67 μmol·m^–2·s^–1，空间均匀性变异系数8.3%，日累积光量（DLI）20.89 mol·m^–2·d^–1。每月采样测定一次，连续5个月。测定了草坪归一化植被指数（NDVI）、叶绿素含量、相对电导率（REC）、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性，以及根系形态参数（比根长SRL、比表面积SRA）。数据分析采用线性混合效应模型（LMM）和Tukey多重比较，并结合主成分分析（PCA）和相关性分析进行多变量特征解析。

**3. 研究结果**

**3.1 草坪外观与叶绿素含量**

两种草坪草的NDVI在各处理下均随季节总体上升。自然光下NDVI始终较高，但与LED处理差异并非始终显著；LED处理在整个试验期显著高于遮阴处理，尤其在生长早期。叶绿素含量方面，自然光下先升后降，LED下持续上升，遮阴下上升缓慢或趋于稳定。LED下叶绿素含量最终显著高于自然光和遮阴处理，且该趋势在两个物种中表现一致。

**3.2 叶片膜完整性与氧化损伤**

各处理下REC总体显著下降，但遮阴下的下降幅度较小且始终偏高。MDA含量总体上升，但LED处理显著低于遮阴处理，其数值更接近自然光处理。自然光下MDA中后期明显上升，LED下后期上升，遮阴下早期即显著升高并持续高位，表明遮阴引发持续氧化损伤，而LED能减轻膜脂过氧化和膜损伤。

**3.3 关键抗氧化酶活性**

CAT活性在海滨雀稗中自然光和LED下相似且均显著低于遮阴，但结缕草中各处理无显著差异。SOD活性在LED下显著高于遮阴，海滨雀稗短期急剧上升近3倍，结缕草上升较缓但趋势明显。POD活性随时间稳步上升，处理间差异不稳定，但后期LED下最高。

**3.4 根系形态特征**

遮阴下SRL和SRA均处于最高水平，自然光下最低，LED下居中并显著低于遮阴。海滨雀稗和结缕草在根系形态上呈现相反趋势（前者总体增加、后者总体下降），但处理间排序（S > L > N）在整个试验期保持一致。LED补光有效抑制了遮阴诱导的比根长和比表面积增加，使根系形态特征趋向自然光水平。

**3.5 不同光照条件下草坪的特定响应**

PCA结果显示，PC1（56.21%）和PC2（19.65%）累计解释75.86%总方差。PC1与NDVI、MDA、SOD、POD、CAT正相关，与REC负相关；PC2与SRL、SRA正相关。得分图中三种光照处理明显分离，LED处理在根系形态方向上有独特定位，遮阴处理聚集于MDA和抗氧化酶高载荷方向，自然光处理位于REC高载荷反方向。相关性分析表明，NDVI与叶绿素、REC、抗氧化酶活性的关系具有光照环境和物种特异性；但根形态指标与NDVI在各处理下均无显著相关。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，LED补光在遮阴条件下可将草坪NDVI和叶绿素含量提升至接近自然光水平，这可能归因于LED冷光源特性避免了自然光下北侧区域因累积积温造成的热胁迫。膜完整性和抗氧化系统的结果表明，遮阴胁迫持久而深刻，而LED补充光照能缓解膜不稳定和氧化损伤，其效果与自然光相当。LED处理下SOD活性的显著升高和POD活性的动态变化，提示LED特定光谱组成可能通过调控抗氧化酶活性来增强草坪的生理耐受性。根系形态方面，遮阴下SRL和SRA升高反映了植物在光限制下增强资源探索能力的形态可塑性，而LED补光通过缓解光限制，将这种遮阴诱导的根系形态改变调节至接近自然光水平，且红光蓝光混合可能参与调控根系发育和生物量分配。PCA和相关性分析进一步证实，不同光照环境诱导了截然不同的多变量生理响应模式，且地上部冠层指标与根系形态之间不存在简单的线性关联，说明草坪地上与地下部分对环境响应具有相对独立性。

研究结论为：在真实体育场环境下，7:1红蓝LED补光可部分缓解遮阴对海滨雀稗和结缕草草坪生理和形态性状的不利影响，包括草坪外观质量、叶绿素状态、膜稳定性、抗氧化响应和根系形态特征。具体而言，LED补光使草坪NDVI和叶绿素含量恢复至接近自然光水平，改善了遮阴环境下的冠层绿度并维持了光合色素；同时改善了与逆境相关的生理响应，表现为膜稳定性增强、膜脂过氧化降低、SOD活性升高和POD活性改变；在根系形态方面，LED补光调节了遮阴诱导的根系形态变化，使其介于遮阴和自然光之间。研究为LED补充照明在遮阴体育场条件下的应用潜力提供了试验证据，并为体育场草坪精细化管理提供了实践指导。