基于脉冲光的节能植物补光灯对生菜和小白菜的应用效果研究

梅延豪发表于西北农林科技大学的论文

摘要：

       LED脉冲光作为一种新型的节能植物补光光源逐渐地得到人们的关注,它通过改变频率和占空比来影响植株的生长发育。前期的研究发现,在一定频率和占空比的脉冲光处理下,生菜的净光合速率与连续光无显著差异,换句话说,光在频闪辐照的过程中发挥了和连续光基本相同的作用,这对于植物工厂节能补光灯的研发有重要意义。

       本研究主要以叶用莴苣为试验材料,首先探究了128Hz的LED不同占空比对生菜生长与光合荧光特性的影响。在此和前人的研究基础上,全面探究了多个频率和占空比组合的脉冲光处理对生菜的叶绿素荧光特性的影响。另外又通过长期试验详细地探究了脉冲光对生菜生长的影响,并做了组学方面的初步分析。最后综合前期试验结果,筛选适合的脉冲光参数设计出LED节能植物补光灯,并以小白菜为试验材料,在田间进行节能补光效果验证。

      主要的研究结果如下:

(1) 测定了脉冲光不同占空比处理的生菜叶绿素含量、光合参数、生物量、光能利用率、叶绿素荧光参数和LED灯板的耗电量,结果表明:各占空比的LED脉冲光均能不同程度地节省电能,高占空比处理下生菜的叶绿素含量、生物量、ФPSII和ETR与连续光无显著差异。20%占空比处理的光能利用率虽然显著高于连续光,但不利于生菜的正常生长。综合看来,高占空比不仅在省电的前提下达到连续光基本相同的补光效果,而且更有利于促进PSII光合电子传递,提高作物光合作用的潜能。

(2) 测定了14个频率和5个占空比组合的脉冲光处理下生菜叶片的叶绿素荧光参数,结果表明:低频率低占空比的脉冲光会降低生菜叶片的光合活性,2 Hz以下的低占空比会导致PSII发生损伤,而高频率以及低频率高占空比的脉冲光处理相比连续光,不会对生菜叶片的PSII活性、光合电子传递及能量分配造成影响。

(3) 研究了脉冲光频率和占空比对生菜生长的影响,并做了转录组和代谢组的初步分析,结果表明:D20对生菜的影响较为明显,在形态指标、生物量、光合指标、荧光指标上明显低于D60处理和连续光,F64-D60和F128-D60脉冲光处理在生物量、光合色素、光合参数、荧光参数等方面差异不显著。根据前期结果对F64-D20、F64-D60做了转录组和代谢组学分析,结果共发现了1766条差异表达基因被注释到了KEGG通路中,其中有35条光合作用相关的差异基因的表达与前期生理指标变化趋势相近。代谢组方面我们主要分析了卟啉与叶绿素代谢和碳代谢途径,分别含有19和12种差异代谢物。

(4) 根据前期研究结果,设计了256Hz、60%占空比的LED植物补光灯,与LED连续光和自然条件做对比,以小白菜为试验对象,进行田间延长补光试验,测定了小白菜的形态指标、光合参数、叶绿素荧光参数、生物量以及各补光灯的日耗电量。结果表明:LED脉冲光和连续光补光效果基本相同,都显著提高了小白菜的株高、株幅、地上部质量和叶绿素荧光(ΦPSII、ETR和q L)指标,且在日耗电量上LED脉冲光每天比连续光节省了38.75%,有利于LED节能补光技术的推广和应用。

关键词：

       生菜,小白菜,脉冲光,叶绿素荧光,占空比,频率