本研究由济州国立大学园艺科学专业的 Jirapa Austin、Youn A Jeon、Sookuk Park 与 Young-Yeol Cho，以及植物资源与环境专业的 Mi-Kyung Cha 共同完成，并得到了济州国立大学亚热带农业与动物生物技术研究所的支持。论文《Effects of photoperiod, light intensity and electrical conductivity on the growth and yield of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) in a closed-type plant factory system》发表于《Korean Journal of Horticultural Science & Technology》2016年第34卷第3期。

学术背景

本研究属于受控环境农业与植物工厂技术领域。藜麦原产于安第斯山脉地区，因其种子富含蛋白质、必需氨基酸、膳食纤维和抗氧化物质等营养成分而广受关注。然而，传统研究多集中于其种子生产，其作为叶用蔬菜的潜力，尤其是在人工光完全控制型植物工厂（Closed-type Plant Factory）这一新兴、高效、可持续的生产模式下的栽培技术，尚缺乏系统研究。植物工厂能够全年无休地生产高品质、均一的蔬菜，且相比大田栽培，可显著节水、节肥并减少农药使用。要实现藜麦在植物工厂中作为叶菜的高产优质生产，必须精确优化其地上部和根际环境的关键参数。其中，光周期、光强和营养液电导率是调控植物生长发育、形态建成以及最终产量的核心环境因子。光周期直接影响藜麦的开花诱导，这对于以收获营养体（茎叶）为目标的叶菜生产至关重要，需要延迟或抑制开花。营养液的电导率则直接关系到矿质养分的供应强度和盐分胁迫水平，影响植物的生长和品质。因此，本研究旨在系统探究并确定在闭锁型植物工厂系统中，生产藜麦作为叶用蔬菜所需的最佳光周期、光强和营养液电导率组合，以填补该领域的研究空白，为商业化生产提供科学依据和技术参数。

详细研究流程

本研究包含两个阶段的实验，采用循序渐进的方法。

第一阶段：光周期筛选实验 此阶段在人工气候箱（Multi-room Chamber HB-302 S-4H, Hanbaek Co. Ltd.）中进行，目的是初步确定藜麦的光周期反应类型，为后续植物工厂实验选择合适的非诱导（或弱诱导）开花的光周期设置。研究使用了自行生产的藜麦种子。实验设置了三个不同的光周期处理：8小时光照/16小时黑暗（短日照）、14小时光照/10小时黑暗（中日照）和16小时光照/8小时黑暗（长日照）。实验关注的核心指标是开花率，通过观察记录在不同光周期处理下，藜麦植株进入开花阶段的比例。此阶段未设置复杂的营养液处理，主要目的是定性判断藜麦属于长日照还是短日照植物，并筛选出能有效抑制开花、有利于营养生长的光周期条件。

第二阶段：植物工厂系统综合实验 此阶段在济州国立大学的闭锁型植物工厂（尺寸：700 x 500 x 300 厘米）内进行，分为两个独立的试验，分别对应两个不同的光周期背景。

• 试验一（2014年3月7日至4月8日）：在12/12小时（光照/黑暗）的光周期下进行。研究变量为营养液电导率（EC, Electrical Conductivity），设置了三个水平：1.0, 2.0, 和 3.0 dS·m⁻¹。光源为三波段荧光灯（55 W, Philips），光强（光合光子通量密度，PPFD）维持在一个固定水平（文中未明确说明具体数值，但后续结果对比显示为120 μmol·m⁻²·s⁻¹）。实验采用营养液膜技术（NFT, Nutrient Film Technique）系统，包含两层，每层六个栽培槽。藜麦种子播于聚氨酯海绵块，在子叶展开、第四片真叶期时，以株行距10厘米的密度定植到NFT系统中，种植密度为100株/平方米。营养液配方固定，包含氮（NO₃-N 15 mM, NH₄-N 1 mM）、磷、钾、钙、镁、硫等元素。每天监测并调整各处理营养液槽的pH值至5.5-6.5，EC值通过补充营养液原液或清水来维持设定水平。营养液在整个实验期间不更换，仅循环补充。从定植后开始，每5天进行一次破坏性取样，每次每个处理取4株重复，测量指标包括：株高、茎叶鲜重、茎叶干重（70°C烘干72小时）、叶片数和总叶面积（使用叶面积仪LI-3100测量）。此外，还计算了光利用效率（LUE, Light Use Efficiency），即茎叶干重与累积光辐射量的比值。

• 试验二（2014年7月14日至8月26日）：在14/10小时（光照/黑暗）的光周期下进行。此试验采用双因子设计，考察两个环境变量：营养液EC（同样为1.0, 2.0, 3.0 dS·m⁻¹）和光强（PPFD）（设置120和143 μmol·m⁻²·s⁻¹两个水平）。这样就构成了3x2共6个处理组合。植物材料、栽培系统（NFT）、营养液管理、环境控制（温度23-25°C）以及生长指标的测量方法（每5天取样，测量株高、鲜干重、叶面积等）均与试验一相同。这允许研究者分析在较长光照时间下，不同光强与不同养分浓度之间的交互作用对藜麦生长的影响。

数据分析方法：所有实验均采用完全随机区组设计，设3次重复。使用SAS软件进行方差分析（ANOVA），当处理间存在显著差异时，采用Duncan’s多重比较检验（DMRT）在5%水平上进行均值分离。使用SigmaPlot软件进行图表绘制。数据以平均值±标准误的形式呈现。

主要研究结果

1. 光周期对开花的影响： 在人工气候箱实验中，藜麦表现出典型的短日照植物特性。开花率随日照时间的延长而急剧下降。在8/16小时（短日照）处理下，开花率高达92.8%；在14/10小时处理下，开花率降至19.3%；而在16/8小时（长日照）处理下，植株完全未开花（开花率0%）。统计分析显示，开花率与光周期长度呈极显著的线性负相关（R² = 0.998），估计每增加1小时光照，开花率下降约11.8%。这一结果清晰表明，长日照（16/8小时）能有效抑制藜麦开花，这对于旨在收获叶片、延长营养生长期的叶菜生产是极为理想的条件。

2. 12/12小时光周期下EC与光强的效应： 在此光周期下，仅比较了不同EC处理（光强固定，根据上下文推断为120 μmol·m⁻²·s⁻¹）。结果表明，定植后18天，EC为2.0 dS·m⁻¹时，藜麦的茎叶鲜重和干重均达到最高值。当EC从2.0升高到3.0 dS·m⁻¹时，茎叶鲜干重均显著下降，表明过高的盐分（EC）产生了抑制效应。此结果初步确定了在该特定光周期和光强下，2.0 dS·m⁻¹是较优的营养液浓度。

3. 14/10小时光周期下EC与光强的交互效应： 这是本研究的核心发现部分，揭示了更优的生长条件组合。 * 叶片数：在定植后25天，EC 2.0 dS·m⁻¹ 结合 PPFD 143 μmol·m⁻²·s⁻¹ 的处理组合，其植株叶片数量显著多于其他任何处理组合。在EC为2.0 dS·m⁻¹时，增加光强（从120到143）能有效增加叶片数。 * 茎叶鲜重与干重：茎叶鲜重和干重均随生育期推进呈线性增长，且各处理间差异显著。生长最快的时期出现在定植后20天之后。在定植后25天，EC 2.0 dS·m⁻¹ 与 PPFD 143 μmol·m⁻²·s⁻¹ 的组合获得了最高的茎叶鲜重和干重。与12/12小时光周期的结果对比发现，在相同EC（如2.0 dS·m⁻¹）下，14/10小时光周期下的植株生长速度更快，这暗示了更长的光照时间（即更高的日累积光积分，DLI）有利于生物量积累。 * 株高与叶面积：株高和总叶面积同样在EC和PPFD处理间存在显著差异。在任一EC水平下，将PPFD从120提升至143 μmol·m⁻²·s⁻¹，均能线性增加株高和叶面积。在定植后25天，株高和叶面积的最大值同样出现在EC 2.0 dS·m⁻¹ 与 PPFD 143 μmol·m⁻²·s⁻¹ 的组合下。 * 光利用效率：不同EC和PPFD处理间的光利用效率存在显著差异。总体而言，在相同EC下，使用PPFD 143 μmol·m⁻²·s⁻¹的处理，其LUE高于PPFD 120 μmol·m⁻²·s⁻¹的处理。LUE也随EC和PPFD的增加呈线性增加趋势。值得注意的是，EC 2.0 dS·m⁻¹ 与 PPFD 143 μmol·m⁻²·s⁻¹ 的组合再次获得了最高的光利用效率。这意味着在此条件下，藜麦将光能转化为干物质的效率最高。

研究结论

综合两个阶段的实验结果，本研究得出结论：在闭锁型植物工厂系统中，以生产藜麦为叶用蔬菜为目标的最佳环境参数组合为：光周期16/8小时（光照/黑暗）、营养液电导率（EC）2.0 dS·m⁻¹、光强（PPFD）143 μmol·m⁻²·s⁻¹。 * 光周期：16/8小时的长日照能完全抑制开花，确保植株持续进行营养生长，这是叶菜高产的前提。 * 营养液EC：2.0 dS·m⁻¹ 被确定为最佳浓度。低于此值（1.0 dS·m⁻¹）可能养分供应不足，高于此值（3.0 dS·m⁻¹）则产生盐分胁迫，均不利于生物量积累。 * 光强：在14/10或16/8小时的光周期背景下，143 μmol·m⁻²·s⁻¹ 的光强相比更低的120 μmol·m⁻²·s⁻¹，能显著促进叶片发生、植株增高、叶面积扩大，并最终获得更高的鲜干重和光能利用效率。

研究的意义与价值

本研究具有重要的科学价值和应用价值。科学价值在于首次系统阐明了藜麦在人工光植物工厂这一特殊环境下的光周期反应特性（确认为短日照植物），并量化了光周期、光强和营养液EC三个关键因子对其营养生长和产量的交互影响，补充了藜麦生理生态学在可控环境下的数据库。应用价值则更为直接：为商业化植物工厂生产藜麦叶菜提供了精确、可操作的环境控制配方。生产者可以依据此研究结果，设定环境参数，以实现藜麦营养体的最大化生产，提升产量和资源利用效率（如水、肥、光能），为市场提供一种新的、高营养价值的工厂化叶菜产品。

研究的亮点

1. 研究目标新颖：将传统上作为籽粒作物研究的藜麦，创新性地定位为植物工厂叶用蔬菜进行栽培生理研究，拓展了藜麦的应用场景和植物工厂的作物种类。
2. 系统化的多因子研究：并非孤立研究单个因子，而是采用了“光周期筛选 → 固定光周期下EC研究 → 变化光周期下EC与光强交互研究”的递进式实验设计，逻辑严谨，能更全面地揭示最佳环境组合。
3. 明确的实践指导意义：研究结论非常具体（16/8小时，EC 2.0，PPFD 143），可直接转化为植物工厂的环境控制设定值，具有极强的技术转移潜力。
4. 对光周期作用的清晰揭示：通过开花率实验，明确将藜麦归类为短日照植物，并确定了16/8小时光周期可完全抑制其开花，这为叶菜生产的茬口安排和花期控制提供了关键理论依据。

其他有价值的内容

研究中还对光利用效率进行了计算和分析，这不仅是一个生长指标，更是连接环境输入（光能）与经济产出（生物量）的关键效率指标。高LUE意味着在消耗相同电能用于照明的条件下，能获得更多的藜麦产量，这对于能耗占运营成本大头的植物工厂来说，是评估方案经济效益的重要参考。此外，研究在讨论部分引用了多种其他叶菜（如生菜、芝麻菜、莴苣菜、冰菜等）对EC需求的研究，进行了横向比较（EC最优范围多在1.0-2.5 dS·m⁻¹之间），将本研究结果置于更广阔的园艺作物背景中，增强了结论的可信度和普适性参考价值。