荧光粉激发型远红光LED植物灯对番茄生长的影响研究

盖淑杰 吴美韩 张晓娟 李亚男 黎 倩 彭 露 周 智 夏 茂

(湖南农业大学生物科学技术学院/化学与材料科学学院/湖南省作物种质创新与资源利用科学重点实验室/湖南省光学农业工程技术研究中心，湖南 长沙 410128)

农业问题是关乎我国国计民生的根本性问题。发展现代农业有利于推进乡村振兴，加快农业农村现代化建设进程[1]。现代设施农业通过运用现代工程技术，为农作物提供最适宜的光温水气等外部环境，使其可以快速生长，具有优良性状，进而有利于收获高质量的农产品[2]。在现代设施农业中，温室内部的光照环境与作物生长紧密相关，改善采光条件是提高温室作物产量和质量的一项重要研究课题[3-4]。

番茄(Solanumlycopersicum)作为世界范围内的重要蔬菜作物，具有较高的营养价值和经济价值[5]。光是植物生长发育过程中最重要的环境影响因素之一，主要从光质、光强和光周期3个维度来影响植物生长，其中光质对植物整个生命过程的调控最为关键[6]。前人研究表明，红光被植物色素吸收后能有效促进植株光合作用，调节其生长发育，调控其生长周期[7]。同时，红光能抑制节间伸长，增加分蘖，促进光合色素的形成和糖类物质的积累，提高抗逆性等[8-9]。蓝光具有抑制茎伸长、促进叶绿体发育并提高叶绿素含量、增加叶片厚度、调节气孔开放、促进根系发育、调控植株向光性(向光性是一种典型的蓝光效应)等作用[10]。远红光可以促进长日照植物开花，抑制短日照植物开花，打破植物休眠[11-12]，且能参与调控种子萌发、幼苗形成和昼夜节律响应等过程[13]，在植物生长发育中发挥重要作用。但传统植物照明光源(白炽灯、荧光灯、金卤灯)缺少远红光成分，限制了其进一步应用[14]。

与传统植物照明光源相比，LED植物生长灯具有体积小、节能、寿命长、无频闪、热辐射小、效率高、易于程序控制等优点，逐渐成为最主要的补光光源，在设施农业领域得到广泛应用[15-17]。新型LED植物生长灯的主流技术方案是“蓝光LED+红色/远红色荧光材料”，即通过蓝光LED激发荧光材料获得蓝/红/远红光，最终获得LED植物生长光源。目前商业红光荧光材料主要是(Ca,Sr)AlSiN3: Eu2+。但氮化物荧光材料因原料昂贵、合成条件苛刻(1 800℃、1.0 MPa、无水无氧)，且缺少高波段(700～780 nm)远红光成分，无法满足日益增长的植物补光需求，极大地限制了其在农业照明领域的应用。因此，亟需开发高性能的新型LED植物生长灯用远红光发光材料。本研究采用自制新型尖晶石结构ZnGa2O4:Cr3+远红光荧光粉，搭配蓝紫光LED芯片封装成荧光粉激发型LED植物生长灯，用于番茄生长试验，研究荧光粉激发型LED植物生长灯对番茄整个生长过程和番茄果实品质的影响，以期为番茄生长的精准补光提供技术支撑，为植物生长照明设备的设计提供技术借鉴。

1 材料与方法

1.1 荧光粉的制备与LED灯具的封装

1.1.1 材料合成 采用“燃烧法+高温二次烧结”工艺路线制备ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+荧光粉(图1)。原料为ZnO(99.99%)、Ga2O3(99.99%)、Cr2O3(99.99%)、Li2CO3(99.99%)、Na2CO3(99.99%)、GeO2(99.99%)，均购于阿拉丁试剂(上海)有限公司，未经进一步精制。按照化学计量比精确称量粉末放入刚玉坩埚中，再加入过量的稀HNO3加热使其溶解，待溶液澄清后再加热使过量的HNO3挥发，之后将硝酸混合物溶液在600℃中点燃，温度控制在±7℃，溶液迅速燃烧，得到白色泡沫状产物，整个反应在3 min内完成。最后将得到的产物与异丙醇混合，在玛瑙研钵中充分研磨30 min，将得到的粉末混合物转移至刚玉坩埚，在 1 300℃下高温煅烧6 h，自然冷却至室温后，取出研磨得到最终产品，用于后续测试。

图1 ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+荧光粉制备工艺流程图Fig.1 Process flow chart of preparation of ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+phosphor

1.1.2 LED灯具的封装 灯具由长沙市斑点照明有限公司生产封装，将合成的ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+荧光粉材料封装成LED T5植物生长专用灯，电压220 V，功率18 W，共封装3种光源，分别为红蓝光(1R1B)∶远红光=3∶1、红光∶蓝光=1∶1、白光∶远红光=3∶1。

1.2 试材及取样

本试验以番茄品种红矮生番茄为试材，于2021年2月至2021年7月在湖南省光学农业工程技术研究中心光学试验室中进行。试验初，将20株长势基本一致的供试番茄苗(三叶一心)置于自然环境下生长1周，转至自然活性后，再移至室内用全日照LED植物生长灯进行处理。人工气候室所用灯具为1.1.2所述灯具，以白光作为对照(CK)，设置3个不同处理组，分别为T1：红蓝组合光(1R1B)加远红光(光质比为3∶1)、T2：红蓝组合光(1R1B)、T3：白光加远红光(光质比为3∶1)，每组试验的光通量密度和光周期时间分别为100±10 μmol·m-2·s-1和12 h·d-1。每组处理5个平行样，随机排列，各处理光源互不干扰。光照贯穿番茄3个生长时期(幼苗期、开花坐果期和结果期)，每个时期均取样检测。室内白天温度28℃，夜间温度18℃，相对湿度为70%±10%。按日常栽培方式管理，幼苗期每天浇灌150 mL番茄专用水溶肥，后2个时期每天浇灌300 mL番茄专用水溶肥。培养架为钢架结构，长、宽、高分别为200、55、210 cm，每个培养架分别有3层育苗层，育苗盘横向放置在每层育苗盒内，上方为LED植物生长灯，为保证每个处理组下光照强度均为100 μmol·m-2·s-1，在处理前将育苗层高度做适量调整，确保光源距离植物生长点15 cm，随着植株的生长，光源会在番茄植株上方作适度调整。培养架外层为黑色遮光材料，以确保LED植物生长灯为植物生长的唯一光源。

1.3 检测内容与方法

1.3.1 荧光粉测试 采用F-4700荧光分光光度计(株式会社日立制作所，日本)配备150 W氙灯获得光致发光(photoluminescence,PL)和光致发光激发(photoluminescence excitation,PLE)光谱数据。采用ATA-500测量系统对组装后的LED器件的电致发光(electroluminescence,EL)光谱数据进行测试。

1.3.2 番茄农艺性状 在番茄的3个生长时期(幼苗期、开花坐果期和结果期)，用卷尺测量每组分番茄从地上根基部至生长点的株高和最大叶片的叶长、叶宽，用游标卡尺测量子叶下端的茎粗。在番茄开花期，每2 d记录1次番茄的开花情况；在坐果期每2 d记录结果情况，同时根据番茄颜色记录各组分番茄的成熟时间；使用烘箱法检测60 d时植株全株干质量[18]。

1.3.3 色素含量 每20 d测量1次番茄光合色素含量，方法如下：每个处理组随机选取基部以上第3分支第2叶，采用无水丙酮∶无水乙醇=1∶1(v:v)的提取液提取光合色素，黑暗提取8 h后，采用UV-1800紫外可见分光光度计(岛津公司，日本)测定叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量，计算叶绿素含量(叶绿素a+叶绿素b)[18]。

1.3.4 番茄产量及品质指标测定 番茄果实转色后采收，记录每株果实数量，并使用分析天平进行称重，记录每株果实总重量；采用钼蓝比色法[19]，利用UV-1800紫外可见分光光度计测定维生素C的含量；参照文献[20]的检测方法，以含2%二氯甲烷的石油醚为溶剂测定番茄红素的含量；采用蒽酮比色法[21]测定番茄可溶性糖含量。

1.4 数据分析

采用Excel 2016和Origin 2018软件对试验数据进行统计分析和绘图，并运用SPSS 19.0软件检测数据的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+荧光粉激发和发射光谱分析

由激发光谱可知(图2-a)，ZGO：Cr3+，Ge4+，Li+荧光粉在200～350 nm(峰值310 nm)、350～480 nm(峰值410 nm)和480～650 nm波段(峰值550 nm)有3个激发谱带，分别对应于Cr3+的4A2(4F) →4T1(4P)、4A2(4F) →4T1(4F)和4A2(4F)→ 4T2(4F)自旋允许跃迁。图2-b为ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+荧光粉样品的发射光谱图(410 nm激发)，该荧光粉样品的发射波段在650～800 nm之间，发射主峰位于710 nm，是一种新型的远红光荧光粉。表明该荧光粉能被近紫外、蓝光和黄绿光有效激发，发射远红光。

2.2 荧光粉的电致发光图谱及植物色素吸收光谱分析

为了评价ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+在植物栽培LED照明中的实际应用，本试验将这些荧光样品与蓝紫光LED芯片相结合，制作了LED器件。图3为制作的LED器件的电致发光图谱，插图为制作的LED器件的发光照片。如插图所示，ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+在蓝紫光芯片的激发下得到了明亮的光斑；而且器件具有良好的发光可调性，随着荧光粉的重量逐渐增加，所制备的LED器件由蓝紫光光谱变为远红光光谱(LED1-LED2-LED3→蓝紫光-远红光)。作为植物生长LED器件，其电致发光光谱必须能够与植物色素的吸收光谱很好地匹配，因此，本研究测定了LED3的电致发光图谱(图4)，并与叶绿素a、叶绿素b、光敏色素红光(phytochrome red light,PR)、先敏色素远红光(phytochrome far-red light,PFR)的吸收谱进行了综合比较，其中LED3的电致发光图谱与叶绿素b和PFR的吸收光谱存在较大的重叠，说明该LED器件可以作为植物生长的光源。综上所述，ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+型荧光粉在农业照明应用中有巨大潜力。

图2 ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+荧光粉的激发光谱(a)和发射光谱图(b)Fig.2 Excitation(a) and Emission(b) spectra of ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+phosphors

注：内插图是LED1，LED2和LED3器件发光时的照片。Note: The inset is the photo of LED1，LED2 and LED3 devices when they are illuminated.图3 自制ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+荧光粉激发型LED器件的电致发光光谱图Fig.3 Electroluminescence photoluminescence spectra of ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+ phosphor excited LED devices

图4 LED3的电致发光图谱与植物色素的吸收光谱Fig.4 Electroluminescence spectra of LED3 and plant pigment absorption spectra

2.3 番茄生长及品质指标

2.3.1 番茄生理周期时长分析 一般番茄生理周期时长为110～170 d。由表1可知，LED光谱各处理组的番茄总生育期为64～108 d，其中CK最长，T3最短，T1和T2与CK相比分别显著缩短了26和31 d。幼苗-开花期表现为T1最短，较CK显著减少39 d，T3、T2较CK分别显著缩短37、32 d；开花-结果期表现为T1最长，为34 d，比CK显著增加11 d，T3最短，较CK显著缩短8 d，而T2与CK所用时长相近，仅比CK少2 d；成熟期表现为T1、T2和T3与CK相比均无显著差异。综上，远红光和红蓝光均有缩短番茄周期的效果，且单独在白光中添加远红光缩短番茄生长周期最为显著。

2.3.2 番茄农艺性状分析 不同光质LED植物生长灯处理对番茄农艺性状的影响如表2所示，分别在番茄生长后20、40和60 d进行检测对比。结果表明，20 d时各处理的株高、茎粗、叶长和叶宽均无显著差异。40 d时，T1和T3的番茄株高与CK相比无显著差异，而T2的株高比CK显著降低55.74%；T1的番茄茎粗与CK相比无显著差异，而T2和T3的茎粗显著低于CK；叶长和叶宽在生长40 d时CK和T3与T1和T2之间差异显著，在20和60 d时各处理间无显著差异。60 d时，CK的株高比T1、T2和T3分别显著提高24.30%、70.74%和52.60%，CK与T1、T2、T3的全株干重均存在显著差异，而茎粗、叶长和叶宽基本无显著差异。综上，在60 d的生长过程中，3组不同灯光处理下的番茄生长各异，但总体农艺性状均低于CK，说明补充本试验的远红光对此品种番茄的农艺性状无明显促进作用。

表1 不同光质组合处理对番茄生理周期时长的影响Table 1 Effects of different light quality combination treatments on physiological cycle length of tomato /d

表2 不同光质组合处理对番茄农艺性状的影响Table 2 Effects of different light quality combination treatments on agronomic characters of tomato

2.3.3 番茄光合色素分析 由表3可知，经20、40和60 d的番茄补光处理，不同光质LED植物生长灯处理对番茄光合色素的影响与对番茄农艺性状的影响结果趋势一致。20 d时，CK的光合色素含量最高，T1最低，主要表现为叶绿素a和类胡萝卜素含量最低，CK、T2和T3处理间差异不显著。40 d时，T2的总叶绿素含量显著高于其他处理组，T3的总叶绿素含量最低，CK的类胡萝卜素含量最高。T2总叶绿素含量最高，主要表现在叶绿素a含量最高，而叶绿素b对总叶绿素的贡献不大。60 d时，CK的总叶绿素含量最高，达到60 d内的最高值，同时类胡萝卜素含量也显著高于其他3个处理。相比之下，补充远红光的T1和T3处理总叶绿素含量较低，且二者之间无显著差异。T2的总叶绿素含量介于CK与T1之间，与二者均具有显著差异。

表3 不同光质组合处理对番茄光合色素含量的影响Table 3 Effects of different light quality combination treatments on photosynthetic pigment content in tomato /(mg·g-1FW)

2.3.4 番茄产量及品质分析 由表4可知，不同LED植物生长灯处理下的番茄单株果实数和单株果实总重量以T1处理最高，显著高于CK。不同处理的番茄可溶性糖含量有明显差异，其中T3的含量最高，为CK的3.30倍，T2和T3分别为CK的2.17和3.10倍。T1和T2的番茄红素含量有显著差异，而T2与T3之间差异不显著，T1的番茄红素含量相比CK显著增加了30.88%。T1的维生素C含量最高，是CK的3倍，T3次之，是CK的2.53倍，T2的维生素C含量与CK无显著差异。

表4 不同光质组合处理对番茄品质的影响Table 4 Effects of different light quality combination treatments on tomato quality

3 讨论

番茄是喜光植物，受光照后会产生一系列生理生化反应，农艺性状、光合色素以及品质等方面均会受到较大影响。为进行番茄精准补光，本试验通过自制新型尖晶石结构ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+远红光荧光粉，匹配蓝紫光LED芯片封装成荧光粉激发型LED植物生长灯，用于番茄生长试验。试验结果表明，使用此LED植物生长灯的远红光培养番茄，番茄开花时间相比于白光显著缩短，与黄薪历等[22]的研究结果较一致。究其原因可能是不同光质和光周期下番茄FT-like基因在番茄开花过程中发挥了关键作用；而植物感受外界红光和远红光的主要光感受体为光敏色素，其影响了FT-like基因的表达，使番茄开花时长缩短[23-24]。

光可以调控番茄农艺性状，本试验中红蓝组合光以及添加了远红光的红蓝组合光与全光谱白光处理相比株高较矮，茎粗、叶长和叶宽与对照的差异性并不完全显著，其中叶长和叶宽在40 d时才有显著效果，可能是由于全光谱白光最能促进番茄的壮苗指数[25]，也体现了作物对不同光的反应有一定的差异性。

本试验发现在添加了远红光后，番茄叶片中的光合色素含量有所降低。光合色素是植物进行光合作用的物质基础，也是合成营养物质的基础[26]，但添加了远红光处理的番茄果实中营养物质含量有所增加，说明叶绿素含量的高低并不能完全决定植物体内光合能力的强弱。植物对光质的响应有一定复杂性[27]。

研究表明开花时间会影响植株的产量，本试验中红蓝光加远红光处理番茄后，其幼苗到开花的时间相比于白光显著缩短，而番茄单株产量显著提升，这与黄薪历等[22]的研究结果较一致。同时本试验发现红蓝组合光、远红光可提高番茄品质中番茄红素的积累，促进维生素C含量的增加和可溶性糖的积累，这与前人研究结果一致[21,28-30]。并且红蓝组合光添加远红光处理对番茄品质中的维生素C和可溶性糖含量促进作用更加明显，原因可能是红蓝组合光和远红光通过提高番茄光合效率促进了碳代谢强度和碳水化合物合成[23，31]；也可能是由于光质的改变导致光敏色素对蔗糖代谢酶的调控方式发生改变，进而促进了蔗糖代谢相关酶活性提升，使光合作用积累的产物更多地分配到番茄果实中[32-34]。但维生素C含量的变化与徐师华等[35]的研究结果有差异，这反映出不同作物对光质的需求多样，同时光质的差异可能影响不同光受体间的平衡，导致果实中维生素C合成酶活性的不同，进而影响植物的代谢并最终导致维生素C含量发生变化[36]。综上所述，ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+远红光荧光粉激发型LED植物生长灯可以有效调控番茄开花时间，缩短其生理周期，同时对番茄品质有较好的改善作用，可应用于植物补光领域。

4 结论

本研究通过自制ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+远红光荧光粉激发型LED植物灯为番茄生长提供直接光源，又将光源与红蓝组合光配比，发现相较于白光对照组，红蓝组合光加远红光处理组可显著缩短番茄生理周期，提高番茄品质，使番茄果实中的可溶性糖、维生素C和番茄红素含量增加。说明ZGO:Cr3+,Ge4+,Li+远红光荧光粉激发型LED植物灯在调控番茄开花及品质方面作用效果明显，同时为设施栽培提供了新思路和新方法。