关键词：人工光　植物工厂　黑麦草　刈割　产量

引言

黑麦草（Lolium perenneL.）隶属于禾本科，具有生长快、分蘖多、抗性强和营养价值高等优点，广泛引种栽培于全国各地，是一种干草和鲜草可食且能青贮的优质牧草^[1-3]。《关于促进畜牧业高质量发展的意见》指出，到2025年我国牛羊肉自给率保持在85%左右，奶源自给率保持在70%以上。为此，要健全饲草料供给体系，提高饲草自给率，需要新型的栽培模式提高牧草产量，其中设施牧草作为一种环境可控的生产模式，可实现周年和反季节生产，能够为解决牧草缺口问题提供支持^[4]，其中人工光植物工厂作为设施园艺发展的高级阶段，已经用于芽苗菜、茎叶菜、药用植物和花卉等产品的规模化生产^[5]。近年来也开展了关于牧草植物工厂设施的一些研究，单华佳等^[6]设计了在10m2彩钢房中可年生产36茬新鲜玉米饲草的植物工厂设施，董微等^[7]设计开发了种植紫花苜蓿的集装箱植物工厂，在14m2的有效栽培面积上单茬单位面积产量约为18kg·m²，但植物工厂内牧草生长适宜光强和刈割方面的研究缺乏。

LED光在植物工厂起到了照明和为植物生长提供能量的双重作用，其中红蓝光是植物光合作用吸收的主要光源，影响植物的生长和物质代谢^[8]。LED光调控包括光强、光质和光周期等属性，其中光强是影响光合作用和能源投入的重要影响因子，是应首要确定的环境因素。此前，我们研究发现LED白光350μmol·m^－2·s^－1光强下，黑麦草正常生长并可以多次刈割^[9]，但适宜光强和刈割时间等问题仍有待解决。因此，本研究在人工光植物工厂环境下，以黑麦草为研究对象，探讨不同光强和刈割时间对黑麦草生长和产量变化规律的影响，旨在为生产实践中提供高效节能的光强参数和适宜刈割时间，提高LED红蓝光下黑麦草的生长性能及产量提供参考依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料与方法

黑麦草（剑宝）购于市场，使用1350px×700px的32孔育苗穴盘播种，在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所试验用人工光植物工厂中进行栽培。植物工厂内温度为24±2℃，相对湿度为35%～50%，CO₂浓度为450±50ppm。选用规格为1225px×1225px红蓝光组合面板灯（red and blue LED）给予光照，面板灯安装在穴盘上方1000px处。

基质配比为草炭∶珍珠岩∶蛭石=3∶1∶1，加蒸馏水均匀混拌，调节含水量至55%～60%，堆置2～3h待基质充分吸收水分后均匀装于穴盘中，每穴播种5颗均一、颗粒饱满的种子。

1.2　试验设计

LED红蓝光组合面板灯中红灯波峰为655nm，蓝灯波峰为437nm，红蓝比为41。试验共设5个光强梯度，分别为200、300、400、500μmol·m^－2·s^－1和600μmol·m^－2·s^－1，16h光周期，光照时段为8:00—24:00。本试验于2022年3月4日播种，播种后避光培养48h再开面板灯，当植株长出第一片真叶时向育苗托盘补充Hoagland营养液^[10]。

三种刈割处理分别为，光照第9d和第37d刈割两次、光照第23d和第37d刈割两次、光照第37d刈割一次，分别用D9、D23、D37表示，留茬高度为2.5±12.5px。刈割时取4穴植株，数出每穴中每株植株的分蘖数计算平均分蘖数，称量鲜重记为产量，使用直尺测量株高，而后用信封分装，置于70℃恒温烘干，称量干重以计算鲜干比。其中，D9和D23处理的株高和分蘖数仅统计第一次刈割数据，产量和鲜干比为两次刈割的累计数据。

1.3　数据统计与分析

使用软件SPSS 23采用单因素ANOVA分析和LSD检验（P＜0.05）进行方差分析和差异显著性分析，采用GraphPad Prism 8软件制图。

2　结果与分析

2.1　LED红蓝光光强和刈割时间对黑麦草株高的影响

光强和刈割时间显著影响了黑麦草的株高（图1）。第9d刈割时，D9处理各光强下的株高差异显著，200μmol·m^－2·s^－1和600μmol·m^－2·s^－1光强下黑麦草生长较慢，300μmol·m^－2·s^－1光强下株高显著较高。第23d时，各光强处理下株高平均达到1125px，且无显著差异，当进一步延长光照时间达到37d时，除300μmol·m^－2·s^－1和600μmol·m^－2·s^－1光强下，株高均超过1500px。通过方差分析得到，不同光强处理下，株高均随着刈割时间的延长而升高，各刈割时间处理的株高差异显著，光照23d后，黑麦草株高的增长速度减慢。

图1　五种LED红蓝光光强下刈割时间对黑麦草株高的影响

2.2　LED红蓝光光强和刈割时间对黑麦草分蘖数的影响

不同光强和刈割时间处理下，黑麦草的分蘖数差异显著（图2）。当光强为200μmol·m^－2·s^－1照射9d时，黑麦草还未分蘖，光强增加分蘖增强，如600μmol·m^－2·s^－1光强D9处理下有两穴中5株植株全部分蘖，显著高于200μmol·m^－2·s^－1和300μmol·m^－2·s^－1处理。第23d时，不同光强下分蘖数为4～7.2之间，此时较第9d取样的差异更显著，500μmol·m^－2·s^－1和600μmol·m^－2·s^－1光强处理分蘖数显著高于其他处理。光照时间延长，黑麦草持续分蘖，500μmol·m^－2·s^－1和600μmol·m^－2·s^－1光强下分蘖数仍没有显著差异且显著高于其他处理。与株高变化相似，黑麦草分蘖数也随着光照时间延长持续增加，9～23d之间增长量高于23～37d。

2.3　LED红蓝光光强和刈割时间对黑麦草产量与鲜干比的影响

将D9和D23处理两次刈割的产量累计，与D37处理的产量进行差异分析（图3a）。D9处理下，产量随着光强增强持续上升，400～600μmol·m^－2·s^－1光强间无显著差异，显著高于200μmol·m^－2·s^－1和300μmol·m^－2·s^－1光强下的产量，400μmol·m^－2·s^－1和600μmol·m^－2·s^－1光强下的产量分别达到了200μmol·m^－2·s^－1光强下的2.73和2.72倍。D23处理下，400～600μmol·m^－2·s^－1光强间仍无显著差异，产量最高的600μmol·m^－2·s^－1光强与最低的200μmol·m^－2·s^－1光强产量差异2.39倍。当第37d时，与D9和D23处理相似，500μmol·m^－2·s^－1和600μmol·m^－2·s^－1处理间仍无显著差异，但不同光强间的产量差异减小，600μmol·m^－2·s^－1光强下产量仅为200μmol·m^－2·s^－1光强下的1.64倍。在相同的光强光照下，累计2次刈割的D9处理产量均高于D23处理，除400μmol·m^－2·s^－1光强处理外，D9和D23处理均显著低于D37处理的产量。

D9和D23处理两次刈割的总产量与总干重相比得到鲜干比，D37处理一次刈割称量产量和干重后计算鲜干比，将三个处理的鲜干比数据进行差异显著分析（图3b）。D9处理下不同光强鲜干比数值为8.50～11.20，高光强的500μmol·m^－2·s^－1和600μmol·m^－2·s^－1处理显著低于低光强的200μmol·m^－2·s^－1处理，当第23d时，不同光强间的差异更明显，高光强500μmol·m^－2·s^－1和600μmol·m^－2·s^－1处理显著低于其他光强处理。D37处理的鲜干比降低，不同光强下数值为8.66～10.09，200μmol·m^－2·s^－1光强下鲜干比仍未最高值，显著高于400～600μmol·m^－2·s^－1光强下的鲜干比。

图2　五种LED红蓝光光强下刈割时间对黑麦草分蘖的影响

3　讨论

露天种植黑麦草高度一般小于1750px，在大棚环境内可超过2000px^[11,12]。本研究中相同刈割时间处理下黑麦草的株高差异不显著，但相同光强下，株高均随着种植时间的延长而显著提高，与光强相比，刈割时间对株高的影响更明显。从增长率来看第9d到第23d植株快速长高，增速大于第23d到37d。这可能是因为，一方面前期植株分蘖少，受光均匀有利于光合作用的发生，生长后期叶片密度增加，透光差可能降低了黑麦草的生长速度;另一方面，可能受到生长空间高度的影响。分蘖数是牧草最基本的形态学指标。黑麦草分蘖能力强，栽培时间和光强的提升都能显著提高植株的分蘖能力。生长前期500～600μmol·m^－2·s^－1高光强有利于促进分蘖，在整个生长期500～600μmol·m^－2·s^－1处理的植株分蘖能力始终较强，200μmol·m^－2·s^－1低光强分蘖能力最弱，这与高羊茅在弱光下分蘖数显著减少、分蘖力降低的研究结果一致^[13]。

图3　五种LED红蓝光光强下刈割时间对黑麦草产量和鲜干比的影响

LED光照环境下，在一定范围内植物的产量随着光强增强而升高^[14]。不同刈割时间处理中，光强200～400μmol·m^－2·s^－1和400～600μmol·m^－2·s^－1处理，虽然投入的光强都提升了200μmol·m^－2·s^－1，但增长率降低了，且当光强为400～500μmol·m^－2·s^－1时，在不同刈割处理下始终无显著差异。由此可见，当光强超过400μmol·m^－2·s^－1时，提高光强对产量的提升效果减弱，光强为600μmol·m^－2·s^－1时虽然产量较高，但能耗过大。刈割时间方面，第37d时刈割产量最高，但由于株高超出空间高度，部分叶片接触到灯板产生高温伤害，这可能会影响黑麦草的品质，因此在LED面板灯下栽培黑麦草，应保持与灯板适宜距离时刈割。

鲜干比可以反映牧草的干物质积累程度和利用价值^[15]，张文洁等^[1]研究发现，含水量过高会导致黑麦草青贮品质降低。在本研究中，提高光强可以降低鲜干比，说明高光强不仅有利于产量的提升，也有利于干物质的累积，可以作为更优的饲草原料。适宜的刈割时期也是获得高营养品质牧草的重要措施之一^[16]。露地生长的黑麦草，会受到季节和水肥的限制，影响生长情况，营养成分也会出现季节性波动^[17-19]，而在植物工厂中环境稳定，光照和培养时间是主要的环境因子，还需要结合营养品质的分析更进一步研究光强和刈割对黑麦草品质的影响。

综上所述，400～500μmol·m^－2·s^－1光强是人工光植物工厂生产黑麦草实现较低能源投入、较高产出的适宜光强，未经刈割处理，持续生长有利于黑麦草的分蘖和产量提升，还可以减少人工成本，刈割时间应结合空间高度进行调控。随着设施牧草的发展，可以根据黑麦草生长习性设计适宜高度的栽培设施，进一步优化供光模式和营养液配方，以获得高产牧草。

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（来源照明工程学报）