LED照明在药用植物栽培的试验结果与分析

　　随着植物工厂的逐渐普及，栽培高附加值的珍贵药用植物必将是一个重要的发展方向，LED光源被认为是能够为药用植物提供适宜光环境参数的优质光源。
　　药用植物在中国有悠长的历史。随着社会经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，人们对预防和治疗疾病的要求更加迫切，药材的需要量也大大增加。同时，随着对药用植物尤其是中医药植物的不断研究，发现中医药手段在很多西医无能为力的领域具有奇特的治疗功效，因此中医药植物栽培的研究也日益受到关注。
　　但是，药用植物的获取主要来源于野生和露地栽培，生长周期较长，产量较低，部分植物还由于其特殊的生长环境而难以驯化。近年来，随着对药用植物需求量、出口量的不断增加，单靠野生药材资源已经很难满足市场需求。如何在不破坏自然资源的前提下，扩大药材来源，改变供不应求的局面，特别是保证珍稀、需求量大药材的持续供应，具有重要的现实意义。
　　1、LED在药用植物栽培的优势
　　药用植物栽培是在野生驯化的基础上，进行优质高产栽培的一种生产模式。不同的药用植物对生态环境有不同的要求，药用植物的野生性决定其生长环境的特殊性，这对人工驯化环境控制提出了更高的要求。人工光植物工厂由于其出色的环境控制能力，使得野生药用植物的驯化及快速生产成为可能。
　　植物工厂作为一种资源集约型生产模式，可以最大程度地模拟药用植物要求的生长环境，同时由于采用多层立体栽培，可以大幅提高单位土地的利用率、产出率和经济效益。光照是植物生长最重要的环境因子，适宜的光环境是实现药用植物优质高产的首要前提。LED光源的研究开发为药用植物工厂光环境的优化控制提供了可能。
　　对于药用植物栽培来说，LED突出的优势：一是可发射半波宽为±20 nm的单色光，可以提供植物所需要的特殊光环境；二是光照度与占空比呈线性关系，容易实现光照度的调节。而目前常用的人工光源，荧光灯含有较多的蓝光，白炽灯和高压钠灯含有较多的红外光，其发射的光谱均是固定的，不能进行有效的光环境调节。因此，LED在药用植物驯化栽培上具有明显优势。
　　植物工厂初期投资成本较大，生产附加价值高的药用植物也是今后发展的一个重要方向和趋势。LED光源的使用和逐步普及将会使药用植物工厂高精度环境控制的优势得到充分的发挥。
　　2、铁皮石斛试验
　　铁皮石斛是一种名贵而古老的药用植物，最早记载于2000年前梁朝的“神农本草经”。药理研究表明，石斛能显著提高SOD（超氧化物歧化酶）水平，降低LPO（过氧化脂质）而起到延缓衰老的作用。现代药理实验发现，石斛具有抗衰老和增强机体免疫力、抗肿瘤、治疗白内障、扩张血管及抗血小板凝聚、清咽护嗓等作用。以石斛为主配制的复方制剂广泛应用于临床，能降低血糖，提高机体免疫力，且安全无毒性。
　　铁皮石斛对生态环境的要求较严格，自然繁殖困难，成活率低且生长速度慢。因此，利用设施园艺控制手段，人工繁殖铁皮石斛成为一项重要课题。本试验在前人对铁皮石斛光环境研究的基础上，探究LED光质及其比例对铁皮石斛组培苗移栽成活率和生长发育的影响，提出密闭式植物工厂铁皮石斛生长发育的光环境指标，为铁皮石斛人工繁育提供理论与试验依据。
　　（1）试验材料
　　试验于4月～8月在温室的植物工厂内进行。试验材料选用同一种源的药用铁皮石斛组织培养苗（D. officinale)，高约25 mm，鲜质量约400 mg，移栽至50 孔的穴盘中。穴盘内基质选用包含树皮、青石、陶粒以及营养颗粒的兰花专用培养土，并使用EC为1.8 mS/cm的营养液进行人工喷灌。
　　选用中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所自主研发的LED平面光源系统（图1、图2）。该光源系统由波长为660 nm（半波宽为±20 nm）的红光LED和450 nm（半波宽为±20 nm）的蓝光LED 交叉均匀分布组成，光照度可实现在0~288μmol/（m2•s）自由调节，光源与植物间的照射距离也可根据需求进行调节。
　因为LED是冷光源，可以近距离照射植物，既可减少不必要的光损失，也可提高植物工厂的空间利用率，因此，试验中LED光源距离植株正上方10 cm。铁皮石斛组培苗移栽阶段环境参数设置如下：昼温（25±1） ℃、夜温（15±1） ℃、相对湿度60%～80%、CO2浓度（1500±30） μmol/mol、光照时间为12 h/d。试验中，根据红光LED和蓝光LED光质比例的不同设置4 个LED光质试验区（表1），各试验区光照度均为70 μmol/（m2•s），除光质外，其他试验条件保持一致。

　　（2）试验方法
　　铁皮石斛组培苗移栽90 天后，从每个处理中随机挑选10 株，分别测量植株的鲜质量、株高和茎粗。然后将植株装入纸质信封置于烘箱内80 ℃烘干72 h，取出植株称取干质量；从每个处理中随机挑选5 株，采用比色法测量叶绿素和类胡萝卜素含量。再将剩余35 株全部80 ℃烘干72 h，随后将烘干的植株磨成粉末状，采用硫酸-苯酚法测量铁皮石斛中多糖的含量。同时，采用普通民用电表分别计量人工光源的耗电量。


　　栽培结束时，对铁皮石斛的形态指标进行了测量。由表2可知，铁皮石斛组培苗移栽90 天后，与原重400 mg相比，在不同光照环境下植株鲜质量都有所增加，各处理间的鲜质量有明显的变化趋势，表现为先增大后减小，以试验区LED3的鲜质量增加最为显著，比原重增加了约130%，显著高于其他试验区；试验区LED4增加最少，只比原重增加了约22.5%。不同LED光环境处理下铁皮石斛植株的株高也有所增加，也表现出与鲜质量相同的变化趋势，以试验区LED3的株高增长最多，显著高于试验区LED4，其他两个试验处理区之间无显著差异。各试验区之间植株的干质量、茎粗和根数没有显著差异。

　　同时也对铁皮石斛光合色素含量和多糖含量进行了测量。从表3中发现，叶绿素a含量表现出先升高后下降的变化趋势，各处理间存在显著差异（1和3无显著差异），以LED2处理的叶绿素a含量最高，比处理LED4高31%，显著高于其他处理，说明R/B=2有助于铁皮石斛叶绿素a的积累。叶绿素b含量的变化趋势与叶绿素a的变化趋势相同，也以处理LED2最大，为（0.40±0.050）mg/g，但是未与其他处理表现出显著性差异。类胡萝卜素含量也表现出相同的变化趋势，但最大值出现在处理LED3上，为（0.33±0.022）mg/g，与其他处理没有表现出显著性差异。
多糖是表征铁皮石斛品质的一个重要特征，不同试验区多糖含量存在显著差异。随着R/B配比的增加，多糖含量呈现先增加后降低的趋势，说明R/B配比对铁皮石斛多糖含量具有调节作用。处理LED2的多糖含量为2.16%，显著高于其他处理，表明R/B=2有利于铁皮石斛移栽阶段植株体内多糖含量的积累。
　　对光源设备耗电量的测量发现，不同R/B配比对铁皮石斛移栽苗单株耗电量有影响，总体上耗电量随着R/B配比的增加而降低，处理LED4耗电量最少，90 天培养结束后，单株铁皮石斛苗耗电量为1.15 kW？h，这是由于红色LED功率比蓝色LED功率小，随着光质比的增大，红光更多，整体功率变小，所以耗电量有所下降。
　　4、结论
　　以上研究表明，药用植物工厂能为铁皮石斛提供适宜的生长环境，铁皮石斛移栽苗的生长状况表明，将植物工厂用于药用植物驯化是完全可行的。同时，通过数据分析认为，采用波长为660 nm和450 nm的LED组合光源，当R/B=2时，铁皮石斛移栽苗综合生长状况良好，叶绿素b含量最高，叶绿素a含量和多糖含量显著高于其他处理，是适合铁皮石斛移栽苗生长的光环境参数。
　　铁皮石斛是一种生长周期较长、对环境要求较高的药用植物，通过研究发现LED光源能为其提供适宜光环境参数，有利于铁皮石斛生长发育。随着植物工厂的逐渐普及，栽培高附加值的珍贵药用植物必将是一个重要的发展方向，LED光源被认为是能够为药用植物提供适宜光环境参数的优质光源。