间歇供光模式下光照度和光周期对水培臭菜生长和品质的影响

摘    要：为了探究间歇供光模式下，LED红蓝灯光照度与光周期对水培臭菜生长特性及营养品质的影响，设置了4种光照度（幼苗期/生长期）：100 μmol·m-2·s-1/300 μmol·m-2·s-1、150 μmol·m-2·s-1/300 μmol·m-2·s-1、200 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1、250 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1和3种光周期梯度5 h/7 h、6 h/6 h、7 h/5 h，采用双因素完全随机试验对臭菜进行水培，共12组处理。结果表明，水培臭菜在光周期7 h/5 h，光照度（幼苗期/生长期）为250 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1条件下可溶性蛋白含量最高。但综合考虑能源消耗与经济价值，水培臭菜在光暗周期7 h/5 h，以及光照度（幼苗期/生长期）200 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1的条件下鲜质量最大，维生素C含量高（0.43 mg·g-1），且30 d总耗能仅为47.0 kW·h，因此可以作为综合最优生产方案。研究结果对水培臭菜的智能植物工厂化生产具有一定的参考意义。

关键词：臭菜；LED；间歇供光；光照度；光周期

中图分类号：S649 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2023）06-98-08

Effects of light intensity and photoperiod on growth and quality of hydroponically grown arugula（Eruca sativa Mill.）under intermittent light supply mode

LIU He1; ZHAO Jing2; LI Tianyu1; ZHOU Fujun3

（1. Northeast Agricultural University， Harbin 150030， Heilongjiang， China; 2. North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， Henan， China; 3. Beibu Gulf University， Qinzhou 535011， Guangxi， China）

Abstract： To investigate the effects of LED red and blue light intensity and photoperiod on the growth characteristics and nutritional quality of hydroponically grown arugula （Eruca sativa Mill.）under intermittent light supply mode. Four light intensities（seedling/growing stage）were set： 100 μmol·m-2·s-1/300 μmol·m-2·s-1， 150 μmol·m-2·s-1/300 μmol·m-2·s-1， 200 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1， 250 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1 and three photoperiod gradients： 5 h/7 h， 6 h/6 h， and 7 h/5 h， and 12 groups of treatments were obtained by using a two-factor completely randomized experiment for hydroponics of arugula. The results showed that the soluble protein content of the hydroponically grown arugula were higher than those of other groups under the photoperiod 7 h/5 h and light intensity（seedling/growing stage）of 250 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1. However， considering the energy consumption and economic value， hydroponic arugula had the highest fresh mass at 7 h/5 h photoperiod and 200 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1 light level（seedling stage/growing stage）， with vitamin C content of 0.43 mg·g-1 and total energy consumption of only 47.0 kW·h for 30 days. It can be used as an integrated optimal production scheme. The results of the study have some reference significance for the smart plant production of hydroponically grown arugula.

Key words： Arugula; LED; Intermittent for light; Lighting intensity; Photoperiod

臭菜（Eruca sativa Mill.）为十字花科植物，也是生长在中国东北和华北地区的一种一年生草本植物[1]，原产于欧洲南部，近几年作为一种新兴蔬菜被推广种植。臭菜具有浓烈的芝麻香味，不仅营养丰富，而且叶片和根部还具有极高的药用价值，有健脾利尿和缓解胃部不适以及止咳功效，也有较强的防癌、抗癌作用，在中医学中也是作为治疗尿频的一味药材[2]。臭菜生长周期短、生长环境简单、且市场需求量巨大，臭菜的生产逐渐工业化[3]，臭菜生产带来的经济价值也决定了其未来的市场前景比较可观。

近年来，随着发光二极管（LED）技术的发展，人们对LED照明进行了深入的探究，追求更加高效节能的动态LED供光模式[4]，并试图将这些新型供光模式应用在植物工厂中，从而提高植物工厂内的蔬菜生长效率[5]。光照度和光周期均为影响植株光合作用以及干物质累积的重要因素，光照度和光周期所决定的每日光照积分（DLI）也与LED光源的电能输入密切相关[6]，因此有必要确定光照度和光周期的最佳组合，以便于在植物工厂中高效生产出优质的水培臭菜。

低光照度环境下，叶菜类植株会通过增大叶片面积以及增加根系长度来减缓弱光胁迫作用，不断增加光照度后，植株产量会有所增加，但若超过光饱和点，反而会产生抑制作用[7]。王奇等[8]比较了不同LED红蓝组合光照度对水培生菜生长的影响，发现幼苗期200 μmol·m-2·s-1的光照度处理下生菜地上部鲜质量明显高于100 μmol·m-2·s-1光照度处理，而生长期350 μmol·m-2·s-1的光照度处理下生菜产量和品质明显高于200 μmol·m-2·s-1光照度处理。光周期则直接影响植株的光化学反应时间，光照时间如果过长，植株叶片会出现脱水、枯黄等现象，同时还会造成能源浪费[9]。黄碧阳等[10]比较了不同LED红蓝组合光周期变化对菠菜的影响，发现光照时长大于12 h·d-1的光照处理下，菠菜中可溶性糖和可溶性蛋白含量相对于其他试验组有明显增高。因此，植物工厂中确实可以通过调节光照度和光周期来提高叶菜类植株的产量和品质。

植物在细胞水平上具有内源性生物钟功能，昼夜节律约为24 h周期。利用植物工厂内的光环境调控进行间歇供光，改变植株的光照节律可以调节植株体内的生物钟节律，从而在一定程度上提高植株的光能利用率[11]。与此同时，LED光源的光照度和光照时间也会对设备消耗和电能损耗造成影响，产生经济损失。

目前国内外学者对臭菜的研究内容较少，仍然停留在大棚臭菜的种植与营养研究阶段，加强智能工厂化水培臭菜的研究迫在眉睫。与此同时，大多数研究仍选择连续供光模式进行试验，间歇式供光在水培蔬菜种植中的应用实例较少，需要填补这一供光模式下的研究空白。因此，笔者探究在间歇供光模式下，光照度和光周期对水培臭菜生长特性和营养品质的影响规律，旨在为水培臭菜的智能植物工厂化生产提供一定价值的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与生长条件

试验于2020年12月至2022年5月在东北农业大学北方寒地现代农业装备省重点实验室设施园艺研究室和华北水利水电大学设施园艺研究室进行。以产地为黑龙江、哈尔滨金龙农业有限公司提供的大叶臭菜（Eruca sativa Mill.）作为供试材料。

将大叶臭菜种子在40 ℃水浴条件下进行12 h的浸种处理，育苗盘上层为潮湿洁净纱布，下层注入清水，处理后的种子平铺在育苗盘上方，在恒温箱中进行30 ℃恒温催芽[12]。待幼苗生长至2叶1心时，将幼苗根系用离子水冲洗3次后移栽进入垂直水培植物培养架（图1）。

单个培养架由4个栽培床和1个溶液槽组成，每个栽培床（1200 mm×900 mm×70 mm）含有20个种植孔（直径为20 mm）。试验过程中，移栽后的臭菜幼苗被置于湿润海绵块（25 mm×25 mm×25 mm）中，5 d内，臭菜幼苗的根系生长至逐渐穿透海绵，接触到营养液。

试验在封闭环境中进行，为保证试验过程中培养架各层光照互不影响，且试验环境整体不受到外界因素干扰，每层培养架均采用PET材质的膜纸进行遮光隔热处理。移栽30 d后，臭菜植株成熟，进入采收期进行收获。

试验过程中使用的营养液由奥玛农业科技有限公司提供，营养液采用霍格兰配方[13]，其成分组成及含量参见表1。营养液通过水泵和导管在4个栽培床和溶液槽之间实现连续循环，循环流速为5.5 L·min-1。营养液的pH值始终维持在6.0～6.5。

臭菜处于幼苗期时，EC值维持在500～600 μS·cm-1，臭菜进入成长期后，EC值维持在1000～1200 μS·cm-1。

试验期间营养液每5 d更新1次，水培架恒温控制在（25±1）℃，空气相对湿度维持在70%～75%，CO2浓度维持在（800±50）μmol·mol-1。

1.2 试验设计与光照处理

试验采用光质为红、蓝光（数量比为7∶1）的管状LED灯[14]（RB-LED7/1-16W，天津光之韵照明电器有限公司，中国），将其安装在栽培床上方35 cm处。LED光源的光谱分布使用光纤光谱仪（S2000-VIS，杭州赛曼有限公司，中国）在距离光源15 cm处进行测量，有效波长范围为350～900 nm。光源由0.1%紫外光（350～399 nm）、12.7%蓝光（400～500 nm）、83.9%红光（610～709 nm）和3.3%远红光（710～800 nm）组成，其主要红蓝光波峰分别为660和455 nm，光谱分布如图2所示。

试验中将臭菜生长分为幼苗期和生长期2个阶段，移栽后0～10 d为臭菜的幼苗期，移栽后11～30 d为臭菜的生长期。在臭菜2个不同的生长阶段，为其提供不同的光照度，设置4个光照度梯度L1、L2、L3、L4（幼苗期/生长期）分别为100 μmol·m-2·s-1/300 μmol·m-2·s-1、150 μmol·m-2·s-1/300 μmol·m-2·s-1、200 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1、250 μmol·m-2·s-1/250 μmol·m-2·s-1。试验对臭菜进行间歇式供光，设置3种光周期梯度（光照/黑暗）5 h/7 h（T1）、6 h/6 h（T2）、7 h/5 h（T3）。在这3种梯度的处理下，24 h内光照总时长分别为10、12、14 h·d-1。采用双因素完全随机试验，共计得到12组组合处理（表2）。