CN106212070B - 一种利用led延时补光促进水稻育苗的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用LED延时补光促进水稻育苗的方法。该方法的步骤如下：先在水稻生长三叶期利用植物生长灯发出蓝光进行延时补光；然后在五叶期用利用植物生长灯发出红蓝复合光进行延时补光，促进水稻幼苗生长。采用这种组合补光的方式比单独使用蓝光或单独使用红蓝光配比补光壮苗指数更高，可以节省补光的时间，达到耗能低、效率高的优点。

Description

一种利用LED延时补光促进水稻育苗的方法
技术领域
本发明属于生物技术领域，特别涉及一种利用LED延时补光促进水稻育苗的方法。
背景技术
作物的生长是光形态建成的过程，在作物生长发育过程中光质起着重要的调节作用，作物的形态建成、光合作用、物质代谢、基因表达等过程均受光质的影响。植物能够选择性吸收不同波段的光质，植物光合作用在可见光谱(380～760nm)范围内，所吸收的光能约占生理辐射光能的60％～65％，植物主要对蓝紫光波段400～510nm、红橙光波段610～720nm及远红光波段720～780nm反应敏感，主要吸收蓝紫光波段(430～450nm)和红橙光波段(640～660nm)，但不同植物的适宜光质都不尽相同。
在我国南方一些地区，由于冬春日照较短，连绵阴雨天气较多，会导致光照不足影响到作物秧苗的健壮生长，从而影响到作物的产量。生产上促进作物产量提高可以通过适当补充光照，使作物生长前期早生快发，进而提高幼苗质量。
LED作为目前一种新型光源已广泛应用于家电和工业领域。LED相较白炽灯、荧光灯等人工光源的优势在于：(1)冷光源；(2)不含汞，耐冲击，不易破碎，对环境无污染，且废弃物可回收利用，是一种新型绿色光源；(3)使用电源电压低、节能高效；(4)可以在极短的时间内发出脉冲光；(5)体积小，稳定性强，响应时间快；(6)能发出光波较窄的单色光；(7)结构紧凑且寿命长。在同样光照效果的情况下，与其它人工光源相比，LED在节约能源、减少温室效应方面具有显著的优势。LED作为一种冷光源，可以近距离地照射植物，且具有较高的光电转化效率同时还可调整发光强度与光质，这为大大提高植物栽培空间的利用效率提供了可能。
植物通过光合色素吸收光能进行光合作用，主要吸收红橙光和蓝紫光，在红光区和蓝光区有吸收波峰分别在红光660nm处和蓝光450nm处，所以植物主要吸收450nm和660nm波段的光。LED被认为是闭锁式植物工厂、组培室以及太空农业等领域应用较为理想的人工光源。将LED用于植物设施栽培领域具有很多优势，具有PPFD可调的特性，因此可以模拟太阳光强的变化；LED能够发出植物生长所需要的单色光光谱，光能有效利用率可达0％～90％，并能对不同光质和发光强度实现单独控制；可实现根据作物不同品种不同阶段生长发育的具体需要提供最佳的光谱组合。
植物的多种生理过程都受到蓝光的调节，如茎细胞的伸长、向光性、气孔的开启、叶绿体的分化等。促进植株含氮化合物的合成与积累，提高光合速率，增加干物质产量。在其他光质中添加蓝光，能有效地促进植株的生长发育。蓝光在促进植株的光形态建成和干物质积累方面起到了重要的作用，与其它光质相比蓝光极大地提高了植株的气孔开度，而促进气孔的开度有助于提高植株的干物质产量。蓝光条件下的呼吸作用增强，实现了植物体内碳水化合物向蛋白质的转化。
水稻育秧是水稻高产的前提，传统的大田育秧方式由于极容易受气候的影响，很容易造成烂秧。随着科学技术的展，现代化工厂化水稻育苗将逐步取代传统的大田育秧。而工厂化育苗必需解决光源的问题，一般采用自然光或人工的方式来获得光源。传统的植物人工光源多为白炽灯、荧光灯和高压钠灯，金卤灯等等，试图以植物的生长策略为依据进行光源的研发并形成产业化的设计产品甚少，常常是高的光通量、低的投入成本、满意的视觉效果，较少考虑植物光质的要求和反应特性，不能很好地满足植物对光的需求。在水稻的栽培育秧中，经过补光处理能提高秧苗的壮苗指数，以蓝光和红蓝复合光的作用效果最好，但此前的研究大多采用的是蓝膜育秧，所得到的光质纯度不高，也未筛选出最佳的蓝光波段，因此有必要进一步研究找出最佳的蓝光补光波段和红蓝复合光的比例。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用LED延时补光促进水稻育苗的方法，以便应用于水稻的室内快速育苗的工厂化领域，该方法相比于现有的人工补光方法具有光质佳、耗能低、效率高的优点。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种利用LED延时补光促进水稻育苗的方法，具体包括以下步骤：
(1)在水稻生长三叶期利用植物生长灯发出蓝光进行延时补光；
(2)在五叶期用利用植物生长灯发出红蓝复合光进行延时补光，促进水稻幼苗生长。
所述的水稻育苗的方法还包括水稻幼苗白天于自然光照条件下在温室大棚内生长。
所述的自然光照条件下为白天日长>12h，温度为20-25℃，相对湿度为60±5％。
步骤(1)中所述的植物生长灯为具有蓝光LED灯源的植物生长灯。
所述的蓝光LED灯源为固定LED灯板。
所述的蓝光LED灯源的功率优选为40W。
步骤(1)中所述的蓝光的波长为445-485nm，优选为465nm。
步骤(1)和步骤(2)中所述的延时补光为夜间延时补光。
步骤(1)和步骤(2)中所述的延时补光都为持续15d(天)。
步骤(1)中所述延时补光为每日延时补光2h-8h，优选为每日延时补光4h。
所述的每日延时补光4h的时间为每日18:00-22:00。
步骤(2)中所述的植物生长灯为具有蓝光LED灯源和红光LED灯源的植物生长灯。
所述的蓝光LED灯源为固定LED灯板。
所述的红光LED灯源为固定LED灯板。
所述的蓝光LED灯源的功率优选为40W。
所述的红光LED灯源的功率优选为40W。
步骤(2)中所述的红蓝复合光中红光和蓝光的光强比为2～4：6～8，优选为3:7(3R/7B)。
所述的蓝光的波长为445-485nm，优选为465nm。
所述的红光的波长优选为650nm。
所述的3R/7B为红光和蓝光LED光源以3:7的比例间隔调制，适合大棚水稻育苗的补光。
步骤(2)中所述的延时补光为每日延时补光2h-8h，优选为每日延时补光2h。
所述的每日延时补光2h的时间为每日18:00-20:00。
步骤(1)和步骤(2)中所述的延时补光是将所述的植物生长灯置于水稻秧苗的顶端。
所述的植物生长灯到秧苗顶端的距离为35cm。
步骤(1)和步骤(2)中所述的延时补光的光强为60±5μmol.m-2.s-1。
步骤(1)和步骤(2)中所述的延时补光的夜间培养温度为20-25℃，相对湿度为60±5％。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
实验结果表明，LED延时补光处理能够促进水稻幼苗根系的生长，显著提高水稻幼苗的根系活力，增加幼苗的干重与鲜重，提高幼苗的茎基直径和壮苗指数，促进水稻幼苗叶片色素的合成与积累，改善幼苗碳氮化合物的合成与积累，提高水稻幼苗叶片SOD和POD抗氧化酶活力。从水稻幼苗育秧的壮秧角度考虑，水稻生长三叶期开始用465nm波长的LED蓝光灯补光处理4h(15d)和五叶期开始用3:7红蓝复合光3R/7B LED补光处理2h(15d)是水稻育苗的最佳选择。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
1.水稻形态指标和理化指标测定的参考文献：
(1)曹建康,姜微波,赵玉梅.果蔬采后生理生化实验指导.中国轻工业出版社，2007；
(2)李合生.植物生理生化实验原理和技术.北京：高等教育出版社，2007；
(3)张志良,瞿伟菁.植物生理学实验指导.高等教育出版社，2004。
2实验方法
2.1水稻育秧
水稻种子(籼稻“黄华占”(粤审稻2005010)，广东省农业科学院水稻研究所选育)消毒灭菌后经常温下流水浸种48h后于30℃光照恒温恒湿(湿度100％)箱催芽12h，待出芽至0.5cm左右时播种至撒好水稻土的育秧盘(规格60×30×3.5cm)中，每盘约400粒左右，白天置于自然光照条件下的温室大棚内培养，其中，自然光照条件为白天日长>12h，温度20-25℃，相对湿度60±5％，平均光强约为300μmol.m-2.s-1，夜间置于试验光环境条件下进行30d(天)生长周期的补光处理，即三叶期开始夜间置于含蓝光LED灯的植物生长灯光环境条件下延时补光4h(18:00-22:00)，连续15d；五叶期开始夜间置于含3:7红蓝复合光3R/7BLED灯的植物生长灯光环境条件下延时补光2h(18:00-20:00)，连续15d，其中，红光波长为650nm，蓝光波长为465nm，红光和蓝光LED灯的功率为40W。
以自然光环境条件下不补光为对照(CK)，在实验进行30d生长周期内自然光照，自然光照条件为白天日长>12h，温度20-25℃，相对湿度60％±5％，平均光强约300μmol.m- 2.s-1，实验组为上述波长为465nm的蓝光LED补光处理、3:7红蓝复合光3R/7B LED灯补光处理以及单独使用白色荧光灯(40W)进行补光处理，其中，荧光灯补光处理与LED补光处理的条件相同，将蓝光LED灯和红蓝复合光3R/7B LED灯对应设置为白色荧光灯即可。将灯源置于水稻秧苗的顶端，光源到秧苗顶端的距离可调，保持35cm，光强可调，使光强保持在60±5μmol.m-2.s-1(LED光强可控)，夜间培养温度20-25℃，相对湿度为60％±5％。LED光谱能量分布由灯板制造商采用远方PMS-50系统进行测定。
2.2水稻形态指标测定
分别在播种第15、30d后，随机选取10株水稻幼苗用蒸馏水洗净、用试纸吸干秧苗表面的水分后，备用，形态指标测定重复6次：
(1)记录叶片数和根系根数；
(2)株高：用直尺从叶尖到假茎基部测定株高；
(3)根长：从根尖到假茎基部测定根长；
(4)茎基直径：用游标卡尺测定假茎基部宽和主根直径；
(5)干重：将10株鲜样置于105℃下杀青15min，80℃烘干至恒量，用分析天平测定其干重，取平均值；
(6)壮苗指数：壮苗指数＝(茎粗/株高)×干质量；
2.3水稻理化指标测定
2.3.1水稻根系活力测定
参考李合生(2007)的方法，用氯化三苯基四氮唑法(TTC)测定根系活力系数。
2.3.2水稻幼苗叶片色素含量的测定
水稻幼苗叶绿素含量的测定，参考张志良(2004)的方法；水稻幼苗总类胡萝卜素含量的测定，根据GB 12291-90水果、蔬菜汁类胡萝卜素含量的测定方法。用80％(v/v)丙酮提取幼苗中的色素，采用分光光度法测定Chl a(叶绿素a)、Chl b(叶绿素b)、Chl a+Chl b、Chl a/Chl b和总类胡萝卜素的含量。
2.3.3水稻幼苗叶片和根部的可溶性糖、淀粉、蔗糖含量测定
参考曹建康(2007)的方法，用蒽酮比色法测定可溶性糖和淀粉含量；采用间苯二酚法测定蔗糖含量。
2.3.4水稻幼苗叶片可溶性蛋白质含量测定
参考曹建康(2007)的方法，用考马斯亮蓝G-250染色法测定。
2.3.5水稻幼苗叶片游离氨基酸含量测定
参考曹建康(2007)的方法，用茚三酮比色法测定游离氨基酸含量。
2.3.6水稻幼苗叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性测定
参考曹建康(2007)的方法，用氮蓝四唑(NBT)比色法测定。
2.3.7水稻幼苗叶片过氧化物酶(POD)活性测定
参考曹建康(2007)的方法，用愈创木酚法测定。
2.4数据处理
采用SPSS16.0软件进行方差分析，采用Duncan进行多重比较。
3结果与分析
3.1补光处理对水稻幼苗形态的影响
延时补光处理促进水稻幼苗根系的生长，提高幼苗的壮苗指数。与对照(CK)和白色荧光灯延时补光处理相比，465nm蓝光延时补光4h(15d)、3R/7B红蓝光延时补光2h(15d)处理，显著(p<0.05)促进水稻幼苗的茎粗和株高，生根更长，根数更多，壮苗指数更优，如表1。
表1不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000061
3.2不同光质补光对水稻叶绿素和胡萝卜素含量的影响
延时补光处理促进水稻幼苗叶片色素的合成与积累，提高CHla/CHlb比值。与对照(CK)和白色荧光灯延时补光处理相比，465nm蓝光延时补光4h(15d)、3R/7B红蓝光延时补光2h(15d)处理，显著(p<0.05)促进水稻幼苗叶片叶绿素a和叶绿素b的合成与积累，极显著(p<0.01)促进类胡萝卜素的合成与积累，如表2。
表2不同光质补光对水稻叶绿素和胡萝卜素含量的影响
Figure BDA0001064510030000071
注：FW表示鲜重。
3.3补光处理对水稻幼苗碳代谢的影响
延时补光处理促进水稻幼苗叶片及根中可溶性糖、淀粉、蔗糖的合成和积累，与对照(CK)和白色荧光灯延时补光处理相比，465nm蓝光延时补光4h(15d)、3R/7B红蓝光延时补光2h(15d)处理，显著(p<0.05)提高了可溶性糖、淀粉、蔗糖的含量，如表3。
表3不同光质补光对水稻幼苗碳代谢的影响
Figure BDA0001064510030000072
3.4不同光质补光对水稻幼苗根系活的影响
与对照(CK)和白色荧光相比，465nm蓝光延时补光4h(15d)、3R/7B红蓝光延时补光2h(15d)处理，极显著地(p<0.01)提高了水稻幼苗的根系活力，如表4。
表4不同光质补光对水稻幼苗根系活的影响
Figure BDA0001064510030000081
3.5补光处理对水稻幼苗叶片游离氨基酸含量的影响
与对照(CK)和白色荧光相比，465nm蓝光延时补光4h(15d)、3R/7B红蓝光延时补光2h(15d)处理，显著地(p<0.05)提高水稻幼苗叶片游离氨基酸含量，如表5。
表5不同光质补光对水稻幼苗叶片游离氨基酸含量的影响
Figure BDA0001064510030000082
3.6补光处理对水稻幼苗叶片可溶性蛋白质含量的影响
与对照(CK)和白色荧光相比，465nm蓝光延时补光4h(15d)、3R/7B红蓝光延时补光2h(15d)处理，极显著地(p<0.01)提高水稻幼苗叶片可溶性蛋白质含量，如表6。
表6不同光质补光对水稻幼苗叶片可溶性蛋白质含量的影响
Figure BDA0001064510030000083
Figure BDA0001064510030000091
3.7补光处理对水稻幼苗叶片抗氧化酶活性的影响
与对照(CK)和白色荧光相比，465nm蓝光延时补光4h(15d)、3R/7B红蓝光延时补光2h(15d)处理，极显著地(p<0.01)提高水稻幼苗叶片SOD和POD抗氧化酶活力，如表7。
表7不同光质补光对不同发育时期水稻抗氧化酶活力的影响
Figure BDA0001064510030000092
实施例2
1实验方法
1.1水稻育秧
水稻种子(籼稻“黄华占”(粤审稻2005010)，广东省农业科学院水稻研究所选育)消毒灭菌后经常温下流水浸种48h后于30℃光照恒温恒湿(湿度100％)箱催芽12h，待出芽至0.5cm左右时播种至撒好水稻土的育秧盘(规格60×30×3.5cm)中，每盘约400粒左右，白天置于自然光照条件下的温室大棚内培养(自然光照条件为白天日长>12h，温度20-25℃，相对湿度60±5％，平均光强约300μmol.m-2.s-1；夜间置于试验光环境条件下进行30d(天)生长周期的补光处理，即三叶期开始夜间置于含蓝光LED灯的植物生长灯光环境条件下延时补光4h(18:00-22:00)，连续15d；五叶期开始夜间置于含红蓝复合光LED灯的植物生长灯光环境条件下延时补光2h(18:00-20:00)，连续15d，其中，红光波长为650nm，蓝光波长为465nm，红光和蓝光LED灯的功率为40W。
以自然光环境条件下不补光为对照(CK)，在实验进行30d生长周期内自然光照，其中，自然光照条件为白天日长>12h，温度20-25℃，相对湿度60％±5％，平均光强约300μmol.m-2.s-1。实验组蓝光波长有445nm、465nm和485nm，红蓝复合光有2R/8B、3R/7B和4R/6B；以及单独使用白色荧光灯(功率40W)进行补光对照，其中，荧光灯补光处理与LED补光处理的条件相同，将蓝光LED灯和红蓝复合光LED灯对应设置为白色荧光灯即可。将灯源置于水稻秧苗的顶端，光源到秧苗顶端的距离可调，保持35cm，光强可调，使光强保持在60±5μmol.m-2.s-1(LED光强可控)，夜间培养温度20-25℃，相对湿度为60％±5％。LED光谱能量分布由灯板制造商采用远方PMS-50系统进行测定。
1.2水稻形态指标测定同实施例1
分别在播种第15、30d后，随机选取10株水稻幼苗用蒸馏水洗净、用试纸吸干秧苗表面的水分后，备用，形态指标测定重复6次。
2结果与分析
延时补光处理促进水稻幼苗根系的生长，提高幼苗的壮苗指数。与对照(CK)和白色荧光灯延时补光处理相比，先用不同蓝光(445nm、465nm和485nm)延时补光4h(15d)，再用不同红蓝光组合(2R/8B、3R/7B和2R/8B)延时补光2h(15d)组合处理，都能显著(p<0.05)促进水稻幼苗的茎粗和株高，生根更长，根数更多，壮苗指数更优，如表8-15。与实施例1相比，蓝光465nm延时补光4h(15d)与3R/7B红蓝光组合延时补光2h(15d)处理是最优延时补光条件。
表8不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000101
表9不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000102
Figure BDA0001064510030000111
表10不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000112
表11不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000113
表12不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000114
表13不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000115
Figure BDA0001064510030000121
表14不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000122
表15不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000123
对比例1
1实验方法
1.1水稻育秧
水稻种子(籼稻“黄华占”(粤审稻2005010)，广东省农业科学院水稻研究所选育)消毒灭菌后经常温下流水浸种48h后于30℃光照恒温恒湿(湿度100％)箱催芽12h，待出芽至0.5cm左右时播种至撒好水稻土的育秧盘(规格60×30×3.5cm)中，每盘约400粒左右，白天置于自然光照条件下的温室大棚内培养(自然光照条件下白天日长>12h，温度20-25℃，相对湿度60±5％，平均光强约300μmol.m-2.s-1)，夜间置于试验光环境条件下进行30d(天)生长周期的补光处理。
以自然光环境条件下不补光为对照(CK)，在实验进行30d生长周期内自然光照，自然光照条件下为白天日长>12h，温度20-25℃，相对湿度60％±5％，平均光强约300μmol.m-2.s-1；实验组分别用波长为445nm、465nm和485nm的蓝光LED(40W)延时补光4h(18:00-22:00)，连续30d；2R/8B、3R/7B和4R/6B红蓝复合光LED灯(红光波长为650nm，蓝光波长为465nm，红光和蓝光LED灯的功率为40W)延时补光2h(18:00-20:00)，连续30d；以及单独使用白色荧光灯(功率40W)进行补光对照，其中，荧光灯补光处理与LED补光处理的条件相同，将蓝光LED灯和红蓝复合光LED灯对应设置为白色荧光灯即可。将灯源置于水稻秧苗的顶端，光源到秧苗顶端的距离可调，保持35cm，光强可调，使光强保持在60±5μmol.m-2.s-1(LED光强可控)，夜间培养温度20-25℃，相对湿度为60％±5％。LED光谱能量分布由灯板制造商采用远方PMS-50系统进行测定。
1.2水稻形态指标测定同实施例1
分别在第30d后，随机选取10株水稻幼苗用蒸馏水洗净、用试纸吸干秧苗表面的水分后，备用，形态指标测定重复6次。
2结果与分析
与对照(CK)和白色荧光灯延时补光处理相比，445nm、465nm和485nm蓝光延时补光4h(30d)处理，显著促进水稻幼苗的茎粗和株高，生根更长，根数更多，壮苗指数更优(p<0.05)；2R/8B、3R/7B和4R/6B红蓝光延时补光2h(30d)处理，显著促进水稻幼苗的茎粗和株高，生根更长，根数更多，壮苗指数更优(p<0.05)。与实施例1和实施例2处理相比，单独使用蓝光或单独使用红蓝光组合的结果极显著(p<0.01)的低于的组合条件，如表16-21。
表16不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000131
表17不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000132
表18不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000133
Figure BDA0001064510030000141
表19不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000142
表20不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000143
表21不同光质补光对水稻幼苗形态的影响
Figure BDA0001064510030000144
本发明的关键技术是：从三叶期开始先用蓝光延时补光4h(15d)，在五叶期开始再用红蓝复合光延时补光2h(15d)，该组合比单独使用蓝光或单独使用红蓝光配比壮苗指数更优(p<0.05)，蓝光465nm延时补光4h(15d)、3R/7B红蓝复合光延时补光2h(15d)是最佳的延时补光条件，该技术节省补光时间，达到耗能低、效率高的优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用LED延时补光促进水稻育苗的方法，其特征在于具体包括以下步骤：
(1)在水稻生长三叶期利用植物生长灯发出蓝光进行延时补光，蓝光的波长为445-485nm；
(2)在五叶期用利用植物生长灯发出红蓝复合光进行延时补光，促进水稻幼苗生长，蓝光的波长为445-485nm，红光的波长为650nm；
步骤(1)和步骤(2)中所述的延时补光都为持续15d；
步骤(1)中所述延时补光为每日延时补光2h-8h；
步骤(2)中所述的红蓝复合光中红光和蓝光的光强比为3∶7；
步骤(2)中所述的延时补光为每日延时补光2h-8h；
步骤(1)和步骤(2)中所述的延时补光的光强为60±5μmol.m-2.s-1；
步骤(1)和步骤(2)中所述的延时补光的夜间培养温度为20-25℃，相对湿度为60±5％。
2.根据权利要求1所述的利用LED延时补光促进水稻育苗的方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的植物生长灯为具有蓝光LED灯源的植物生长灯。
3.根据权利要求1所述的利用LED延时补光促进水稻育苗的方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的植物生长灯为具有蓝光LED灯源和红光LED灯源的植物生长灯。
4.根据权利要求1所述的利用LED延时补光促进水稻育苗的方法，其特征在于：
步骤(1)和步骤(2)中所述的延时补光是将所述的植物生长灯置于水稻秧苗的顶端。
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