1. 引言
随着气候变化、人口老龄化及消费趋势转变，西瓜（Citrullus lanatus ）的品种与栽培模式日趋多样化。现代育种聚焦高甜度、功能化及紧凑型品种，并通过无分枝、短节间类型提升劳动效率。传统土壤栽培（匍匐式）已延续约4000年，易导致劳作者肌肉骨骼疾病，而垂直栽培通过牵引茎蔓竖直生长，显著降低了劳动强度。进一步发展的垂直-水培模式致力于解决土壤连作障碍，并已成为温室自动化、省力化与规模化的核心技术。西瓜栽培研究已扩展至番茄、草莓、甜椒等作物，但在温室条件下针对西瓜的水培与补光管理研究仍较为有限。
实现温室周年生产需精准控制环境因子，尤其是光——它既是光合作用的关键能量来源，也是植物发育的核心信号因子。在众多环境因子中，光作为主要能源与信号转导因子，对提高作物产量与品质至关重要。西瓜作为高光饱和点（PPFD 1520 μmol·m−2 ·s−1 ）作物，对光条件尤为敏感。光照不足（冬季）或过量（夏季）均会导致坐果率与果实品质下降，凸显了光管理对稳定生产的重要性。冬季低日照条件下，即使通过温室加温维持最低生长温度，坐果仍不理想；蒸腾作用减弱导致非商品果率升高，果实内部甚至可能冻伤，难以产出优质果实。因此，针对作物特性，光相关研究对实现周年生产不可或缺。
尽管已有研究关注可见光下的采后品质，但关于红蓝发光二极管（LED）用于优质嫁接苗生产的研究仍显不足。需进一步探讨红、蓝及远红（FR）LED辐照、红蓝白LED下嫁接苗的叶绿素与光系统II（PSII）活性，以及基于LED辐照嫁接苗户外栽培的果实品质维持。上述研究均在采后或营养生长期实施短期（少于10天）LED辐照，以生产优质嫁接苗。然而，关于温室LED辐照下西瓜生殖生长（果实发育）的研究仍较为缺乏。
在可见光范围内，红光（R）与蓝光（B）波长分别主要被叶绿素a与b吸收，并被植物有效用于光合作用。红光通过促进光合器官发育与淀粉积累有效促进作物生长，并参与种子萌发、花芽分化及色素表达。蓝光诱导叶肉组织分化与叶绿素形成以增加叶片厚度，并参与向光性、气孔开闭及胁迫防御机制。多项研究报道，混合红蓝LED光（RB）在促进生长方面优于单色红光LED。白光（W）是包含红、蓝、绿（G）光的光源，成本低于单色LED。白光中包含的绿光具有高透射性，可穿透叶肉组织以提高整叶光合效率，并有助于提高作物鲜重与品质。远红光（FR）（≥700 nm）虽不能直接作为光合作用的能源，但参与植物生长与形态建成反应。近期研究表明，它可调节植物花期、增强生物量，并调控酚类化合物合成的生物合成途径。多数光质研究集中于叶菜类，针对西瓜等果菜的数据有限。
因此，本研究旨在评估冬季补光条件下，红、蓝、白及远红LED对西瓜生长与果实品质的影响，以支持稳定、优质、周年温室西瓜生产技术的发展。
2. 材料与方法
2.1. 植物材料与生长条件
研究于2022年2月至11月在西瓜研究所农业研究推广服务中心（37° N, 127° E）进行，旨在实现西瓜温室周年生产。共开展三茬栽培：春茬（第1茬）生长期86天[2月21日（定植）→3月24日（开花）→5月18日（采收）]；夏茬（第2茬）生长期55天[6月9日（定植）→6月30日（开花）→8月3日（采收）]；秋茬（第3茬）生长期73天[8月29日（定植）→9月26日（开花）→11月10日（采收）]。
在单斜面玻璃温室（32 × 9 × 4 m，长×宽×高）中，安装了四套由西瓜研究所开发并专利注册（No. 10-2359307）的垂直水培装置[拱形垂直支架（高2 m，宽0.4 m）以1.5 m间隔安装，水培床置于垂直支架下部，内部1 m高处用管道水平连接制作果架，外部安装茎蔓诱引网]。温室中心两条线用于研究，每条线水培床上放置24个珍珠岩种植袋（100 × 20 × 12 cm；Kyungdong-One Co., Ltd., Seoul, Republic of Korea），并配有排水板。供试西瓜品种为‘Royal-Black’（Jinandosinongbu Co., Ltd., Jinan, Republic of Korea；黑皮黄瓤），嫁接于葫芦砧木（Lagenaria siceraria ）品种‘Sibjangsaeng’（Syngenta Co., Basel, Switzerland）。嫁接苗以25 cm间距定植，每袋4株（珍珠岩种植袋，100 × 20 × 12 cm；Kyungdong-One Co., Ltd.）。总计定植192株。定植5天后，对第一侧蔓留5片正常叶摘心；摘心7天后，选取两条第二侧蔓垂直牵引至诱引网上。当第3雌花（5n ± 2节位，n = 花数）开花时利用熊蜂授粉，当果实长至鸡蛋大小时，每株仅留1果，疏除多余果实。
温室环境控制系统（MAGMAPLUS-1000, Green Control System Co., Ltd., Damyang, Republic of Korea）用于调控温室环境，栽培环境数据每分钟记录一次。根据各生长阶段温度（30–38 °C）调节通风窗开闭，并根据温度与太阳辐射组合控制垂直与水平保温幕开闭。温室内最低温度设为15°C（关闭），最高室内温度18°C（开启）。温室外部温度≥20°C时开启，外部太阳辐射≥100 W·m−2 时开启，≥2000 W·m−2 时关闭。遮阳幕与保温幕的温室内外设定温度相同，幕布开启的太阳辐射设定值也一致。但关闭设定条件调整为温室内达到西瓜光饱和点的40%以上（室内太阳辐射525 W·m−2 ，外部太阳辐射≥800 W·m−2 ）。当温室内夜间温度低于15°C时启动加热器。
水培营养液采用先前开发的专用配方。营养液与灌溉控制系统采用营养液机（NMC-PRO PERTIKIT3G; Netafim, Negev, Israel）。各生长阶段营养液浓度（EC）调整为1.0（幼龄期）→2.0（成龄期）→1.5（衰老期）dS·m−1 ，供应pH设为6.0。从日出后2小时至日落前2小时，利用基质含水量传感器（NetaSence, Netafim）监测生长阶段并进行反馈式灌溉控制。基质含水量控制在13–30%。排水率设定为80–40%（幼龄期）→30%（成龄期）→10%或以下（衰老期），利用基于重量-水分的根区水分测量装置（RM Farm, IReis Co., Ltd., Gangneung, Republic of Korea）进行反馈控制供液量，排水EC与pH每分钟记录一次。
2.2. 温室光环境与补光LED处理
为探究适宜改善西瓜果实品质的日累积光积分（DLI），通过安装在温室地面2米高的气象站收集全年光环境信息（PPFD：943（第1茬）、937（第2茬）、757（第3茬）μmol·m−2 ·s−1 ；DLI：32（第1茬）、24（第2茬）、21（第3茬）mol·m−2 ·d−1 ）。在定植30天后，对三茬中日照条件最低的秋茬西瓜[第3茬，8月29日（定植）→9月26日（开花）→11月10日（采收）]进行光处理。选择此起始时间点（定植后30天），是因为在秋季条件下，此时恰好与生殖生长开始期一致，即完成营养生长训练（摘心与垂直牵引）后，通常第3雌花（坐果节位；5n ± 2节位，n = 花数）出现（约定植后28–32天）。在此阶段开始补光，可针对坐果与早期果实发育的关键窗口期，此时光合产物需求迅速增加，而秋季栽培的自然太阳辐射开始下降。
跟随作为坐果花的第3雌花花期，施加四种LED处理——红+蓝（RB）、白（W）、红+蓝+远红（RB + FR）及白+远红（W + FR）——持续43天，以评估光质影响。在专用于西瓜的垂直水培装置的拱形管道两侧，以60°角安装三层约20 cm管道（第1层：地面约80 cm高；第2层：第1层上方50 cm；第3层：第2层上方50 cm）。附着不锈钢板（5 × 300 cm，长×宽）后，安装60根LED灯条（60 × 3 × 3.7 cm，长×宽×高；D&W Co., Ltd., Seoul, Republic of Korea），通过在两套水培装置线上重复单侧每层10根条形LED，实现单一光质处理。为防止各光质混合，处理光质间保持1.5–3 m或以上距离。
在低日照条件的秋茬（第3茬），为补偿相比第1茬不足的DLI 11 mol·m−2 ·d−1 ，基于DLI图表实施15小时（上午6:00–下午9:00）LED辐照，PPFD为200 μmol·m−2 ·s−1 。15小时光照窗口（06:00–21:00）旨在提供约11 mol m−2 d−1 的补充DLI（PPFD 200 μmol m−2 s−1 × 15 h × 3600/106 ≈ 10.8 mol m−2 d−1 ）。在专用于西瓜的垂直水培装置拱形管道顶部上方30 cm处安装室内太阳辐射传感器。在15小时昼间曝光时间内，当温室内日照达到西瓜光饱和点（322 W·m−2 ）或更高时，LED自动调节关闭以节省能源（晴天约上午11:00–下午3:00，LED关闭）。温室内的自然日光作为对照，与四种LED处理比较。
各LED光源的光谱与强度使用光谱仪（LI-180, Li-Cor, Lincoln, NE, USA）在西瓜叶片上、中、下位置（距光源15 cm）测量。光谱测量范围380–780 nm，以分数形式表达，并标记峰值。光量通过每种处理36个点的平均值调整为PPFD 200 ± 3 μmol·m−2 ·s−1 。为匹配可见光处理区（RB和W）与含不可见远红光处理区（RB + FR和W + FR）之间的光量，调整为PFD 200 ± 3 μmol·m−2 ·s−1 。
2.3. 植物生长特性
西瓜生长特性调查三次：定植后3周（光处理前）、6周（光处理后12天）及9周（光处理后33天）。通过测量摘心后两条生长均匀的第二侧蔓，调查八项参数：株高、节位数、叶片数、叶长、叶宽、叶柄长、节间长及茎粗。节位数测量生长点以下叶长>5 cm的叶片节位，叶片数测量生长点以下叶长>3 cm的叶片数。叶长、叶宽、叶柄长等叶片相关特性调查西瓜坐果（第3雌花）所着生叶片，节间长与茎粗调查坐果（第3雌花）紧邻的下方节位。
2.4. 光合速率、气孔导度与胞间CO2 浓度
在定植后8周（光质处理后24天），选择一个外部日累积太阳辐射较低（1269 J·cm−2 ）的阴天，于昼间和夜间测定光合速率、气孔导度与胞间CO2 浓度。利用光合分析仪（LI-6800, Li-Cor）研究西瓜坐果（第3雌花）所着生叶片的光化学反应。使用开放型透明叶室（1 × 3 cm）测量各光源下的光合速率。昼间光合速率在灯开启后3小时（上午9:30至12:30）测量。夜间光合速率在日落后、LED灯关闭前3小时（下午6:30至9:30）测量。测量条件设定为类似玻璃温室西瓜生长条件（流速700 μmol·s−1 ，H2 O 70%，CO2 400 μmol·mol−1 ，气温25 °C，入射光强500 ± 15 μmol·m−2 ·s−1 ）。
2.5. 叶绿素荧光
定植后10周（光质处理后34天），使用手持叶绿素荧光仪（FluorPen FP 110, Photon System Instruments Ltd., Drasov, Czech Republic）测量西瓜叶片（着生于第3雌花）的OJIP荧光响应。各光源处理下，每日从上午10:00至日落后下午7:00，每隔3小时测量四次。测量前，用可拆卸叶夹夹住西瓜第3雌花所着生叶片，暗适应30分钟稳定后测量，测量数据采用JIP测试法分析。
2.6. 叶绿素与类胡萝卜素含量
定植后10周（光质处理后34天），使用便携式叶绿素计（SPAD-502, Minolta Co., Ltd., Osaka, Japan）测量西瓜第3雌花所着生叶片的叶绿素含量。在定植后11周（光质处理后41天）的西瓜果实采收日，取样整枝叶片（去除叶柄与茎）分析总叶绿素与类胡萝卜素含量。枝条叶片在冷冻干燥机（LP10, 1ShinBioBase Co., Ltd., Dongducheon, Republic of Korea）中于-40°C、55 mmHg真空下冻干7天。干燥后，加液氮，用研钵研磨粉碎叶片，储存于-20°C freezer直至分析。总叶绿素与类胡萝卜素含量测定参考相关方法并稍作修改。叶样（30 mg）在3 mL 80%丙酮中超声20分钟，离心（FC5515R, Ohaus Co., Ltd., Newark, NJ, USA）5分钟（13,000 RCF，4°C），上清液用80%丙酮稀释4倍。使用分光光度计（Cary UV-Vis, Agilent Co., Santa Clara, CA, USA）测量上清液在663、645和470 nm的吸光度。总叶绿素与类胡萝卜素浓度（μg g−1 DW）通过公式计算：
叶绿素a = 12.72 × A663 − 2.59 × A645
叶绿素b = 22.88 × A645 − 4.67 × A663
总叶绿素 (a + b) = 20.3 × A645 + 7.22 × A663
类胡萝卜素 = (1000 × A470 − 3.27 × 叶绿素a − 104 × 叶绿素b)/229
2.7. 果实特性
通过对雌花进行光处理后，在定植后11周（光质处理后43天）采收西瓜果实，调查果实特性。调查包括八项：单果重、果周、果长、果宽、果皮厚、甜度、硬度（果肉与果皮）。甜度通过数字糖度计（PAL-1; ATAGO Co., Ltd., Tokyo, Japan）挤压果肉测量。硬度测定：将西瓜纵切为果梗与果蒂两部分，果肉中心横切面切成5 × 5 × 5 cm（宽×长×高 cm）大小；果皮切成5 × 5 × 果皮厚 cm（宽×长×高 cm），使用硬度计（TA-XT2, Stable Micro Systems Co., Ltd., Godalming, UK）以2 mm·s−1 速率从中心穿透5 mm深度探头测量。
2.8. 总酚含量与抗氧化能力
在定植后11周（光质处理后43天）西瓜果实采收日，取样西瓜整株（地上部与根区）分析总酚与抗氧化含量。西瓜植株分为五部分：叶片、茎、根、果肉、果皮，在冷冻干燥机（LP10, 1 ShinBioBase Co., Ltd., Dongducheon, Republic of Korea）中于-40°C或以下、55 mmHg真空下冻干7天。干燥后，加液氮，用研钵研磨粉碎，储存于-20°C freezer直至分析前。总酚含量与抗氧化水平分别采用Folin–Ciocalteu比色法与2,2-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）法测定。粉碎的叶、茎样品（40 mg）加入4 mL 80%（v/v）丙酮于5 mL离心管中，超声提取15分钟。各提取液（1.5 mL）转移至2 mL离心管，分别于4°C和-20°C黑暗条件下储存超过12小时，用于测量总酚含量与抗氧化水平。离心（FC5515R, Ohaus Co., Ltd.）2分钟（3000 RCF），上清液用于分析。总酚含量与抗氧化能力吸光度分别用分光光度计在765 nm和730 nm测量。总酚浓度单位表示为每克干重果皮与果肉的没食子酸当量（GAE）（mg），抗氧化能力表示为每克干重果皮与果肉的6-羟基-2,5,7,8-四甲基色烷-2-羧酸（Trolox）当量（TEAC）（mM）。
2.9. 统计分析
试验采用完全随机设计，每种光源处理分配24株植株。生长特性分析中，每种处理评估10株。生理参数（净光合速率、气孔导度、胞间CO2 浓度）每种处理测量3株。叶绿素荧光每种处理记录6株，SPAD值对这6株各进行四次重复测量。生化分析中，总叶绿素与类胡萝卜素浓度每种处理测量5株，各重复三次。生殖性状方面，单果重记录所有采收果实，而另外七项果实品质参数每种处理分析5株，可溶性固形物含量（甜度）重复测量三次。总酚含量与抗氧化能力每种处理分析5株，特别区分为叶片、茎、根、果皮、果肉五部分。统计分析采用SAS统计程序（Statistical Analysis System, 9.2 Version, SAS Institute, Cary, NC, USA）进行单因素方差分析，并通过Duncan多重比较检验确认处理组平均值的统计显著性。图表采用SigmaPlot（version 14.5, Systat Software Inc., San Jose, CA, USA）制作。
3 . 结 果
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