二氧化碳富集与光质调控对生菜生长代谢的协同增效机制研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Effects of CO 2 enrichment and light spectrum on lettuce growth, morphology, and metabolites in controlled environment agriculture

本研究针对可控环境农业中作物产量与品质协同提升的难题，系统探究了CO2浓度（400/800/1200 ppm）与光质（宽谱白光、窄谱琥珀光+蓝光、白光+远红光+UV-A）对生菜生长形态及代谢物的调控机制。结果表明800 ppm CO2结合琥珀光+蓝光光谱可同步提升生物量（鲜重增26.2%）与花青素含量，为CEA生产系统优化提供了关键参数组合。

　　

随着全球人口预计在2050年达到97.3亿，传统农业面临耕地资源缩减与粮食需求激增的双重压力。可控环境农业（Controlled Environment Agriculture, CEA）通过精准调控环境因子，为城市农业提供了可持续发展路径。生菜（Lactuca sativa）作为CEA系统的模式作物，其生长品质受到二氧化碳浓度和光质谱的显著影响，但二者交互作用机制尚不明确。麦吉尔大学研究团队在《Journal of Agriculture and Food Research》发表论文，通过多因子实验设计揭示了CO₂与光质协同调控生菜生产力与营养品质的规律。

研究采用三因素实验设计，在严格控制温湿度（昼21℃/夜19℃，65% RH）的植物生长舱中，对"Teton"品种生菜施加三种CO₂浓度（400/800/1200 ppm）与三种LED光谱处理：宽谱白光（W）、白光+远红光（FR）+紫外光A（UV-A）、窄谱琥珀光（598 nm）+蓝光（431 nm）。通过水培系统培养49天后，测定生物量、形态指标、叶绿素（SPAD法）与花青素（pH示差法）含量，并建立回归模型解析因子间关联。

3.1 茎秆生物量

CO₂升至800 ppm时鲜重达到峰值178.5±3.2 g，较400 ppm提升26.2%（p<0.05），而1200 ppm时出现回落，表明存在碳同化饱和点。窄谱琥珀光+蓝光处理鲜重最高（167.1±3.2 g），较白光提升6.4%，且与CO₂无显著交互作用。

3.2 根系生物量

1200 ppm CO₂下根系鲜重最大（39.6±0.9 g），但干重无一致增长趋势，表明白光+远红光+UV-A组合更利于根系物质积累（2.1±0.1 g）。

3.3 光合色素与形态响应

叶绿素含量受CO₂与光质影响不显著，但800 ppm时数值最高（142.4±5.7）。比叶面积（SLA）随CO₂升高显著降低，400 ppm时较1200 ppm高24.9%，反映高CO₂促使叶片增厚。白光+远红光+UV-A处理使株高增加至17.3±0.5 cm，凸显远红光对节间伸长的诱导作用。

3.4 品质代谢物调控

花青素积累对光质响应敏感（p=0.04），窄谱琥珀光+蓝光处理含量最高（0.39±0.04 mg/g），较白光提升50%。CO₂浓度单独作用未引起显著变化，但1200 ppm时数值最高，提示高碳环境可能强化光质效应。

本研究通过量化CO₂-光质互作效应，明确800 ppm CO₂与琥珀光+蓝光组合为最优参数，在提升生物量同时促进花青素合成。该方案突破传统CEA中产量-品质难以协同的瓶颈，为垂直农场的光-碳耦合调控提供了理论依据与实践指南。