LED光源不同光強對冀星9號辣椒幼苗生長和光合特性的影響

張謹薇 高亞新 李恭峰 馬萬成 孟清波 李青云

（河北農(nóng)業(yè)大學園藝學院/河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，河北保定 071000）

辣椒（Capsicum annuum L.）是茄科辣椒屬一年或多年生草本植物，又稱為番椒、秦椒、海椒、辣子等，在我國廣泛栽培，是我國栽培面積最大的蔬菜種類之一，也是日光溫室生產(chǎn)的主要蔬菜之一[1]。辣椒是一種既可藥用又可食用的蔬菜，具有解熱、鎮(zhèn)痛、預防腫瘤等功效[2]。辣椒營養(yǎng)價值很高，含有人體所需的碳水化合物、維生素、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，其中VC含量在蔬菜中居首位，因而在世界各地廣泛栽培，在我國許多省、市、縣的農(nóng)作物生產(chǎn)中扮演著不可或缺的角色。

在生產(chǎn)中，培育壯苗是獲得辣椒高產(chǎn)的前提，而光是植物進行光合作用的必要條件之一[3]，是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子[4-5]，利用光環(huán)境調(diào)控技術培育壯苗已經(jīng)成為促進植物生長發(fā)育的一個重要手段。 LED（light-emitting diodc）是由含鎵、砷、磷、氮、銦等的化合物制成的一種固態(tài)半導體光源，能發(fā)出與光合色素吸收光譜一致的單色可見光，光質(zhì)純、效率高，且具有強度和光質(zhì)可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢[6-9]。與傳統(tǒng)育苗應用的白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈相比，LED光源具有顯著的優(yōu)勢。①節(jié)能性高。LED光源耗電量可比白熾燈減少87.5%、比熒光燈減少50%，大大節(jié)省了電力成本。②壽命長。LED燈具使用壽命較長，約為普通白熾燈的100倍。③光譜具有可調(diào)性。LED光源可發(fā)出純正的單色可見光或組合成復合光譜，可以根據(jù)植物光合作用和形態(tài)建成對光質(zhì)的需求，精確調(diào)節(jié)光質(zhì)比例，為植物相關研究和生長提供理想的光環(huán)境控制參數(shù)。④冷光性。LED光源發(fā)熱量較低，熱輻射較小，能近距離照射植物，可以實現(xiàn)立體組合栽培，大大提高光能利用率和空間利用率，在設施栽培作物研究和生產(chǎn)中備受關注。⑤綠色環(huán)保。LED光源中不含汞和氙等有害氣體，無污染，廢棄物可回收利用。⑥耐用。LED耐沖擊，不易破碎，極大地降低了運行成本。

在辣椒研究中，周 華等[10]以余干辣椒為試材，研究光強和光質(zhì)對辣椒幼苗生長和形態(tài)的影響，結(jié)果表明，中光強[100 μmol/（m2·s）]和 LED 組合光（紅光∶藍光=8∶1）適宜辣椒幼苗生長。 陳永快等[11]以中廈1椒（辣椒品種）為試材，研究不同LED復合光源對辣椒幼苗質(zhì)量的影響，結(jié)果顯示，紅光∶藍光∶綠光=3.6∶1.0∶0.5 和紅光∶藍光∶綠光=3.75∶1.00∶0.25 最有利于辣椒幼苗的培養(yǎng)。吳根良等[12]采用LED紅藍組合光（紅光∶藍光=8∶3 和紅光∶藍光=7∶3）從 17：00 開始補光 8 h，光強均設為 200 μmol/（m2·s），能顯著改善辣椒的結(jié)果率和產(chǎn)量。因為前人研究的結(jié)果差異較大，為了進一步探索實用的LED光源，還需要進行多品種、多角度試驗驗證。

本試驗以辣椒幼苗為材料，研究了不同光強的LED光源對辣椒生長和光合特性的影響，旨在探明幼苗生長對光環(huán)境的需求特點，并嘗試對光環(huán)境進行優(yōu)化，研究適宜辣椒育苗的LED光源，為培育辣椒壯苗提供更多的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試辣椒品種為河北農(nóng)業(yè)大學園藝學院選育的冀星9號牛角椒，供試光源為冀鬃麒科技（北京）有限公司生產(chǎn)的LED可調(diào)光源。

1.2 試驗設計

試驗共設置5個處理，分別為自然光（CK）、光強 80 μmol/（m2·s）（RB80）、 光強 120 μmol/（m2·s）（RB120）、光強 160 μmol/（m2·s）（RB160）和光強200 μmol/（m2·s）（RB200）。 其中，LED 光源光質(zhì)為紅光∶藍光=5∶1，紅光波長為（655±5）nm，藍光波長為（455±5）nm。

1.3 試驗方法

試驗于2019年9—10月在河北農(nóng)業(yè)大學西校區(qū)創(chuàng)新試驗園內(nèi)進行。選取2葉1心、長勢一致的辣椒幼苗，種植于營養(yǎng)缽（15 cm×13 cm）中，并分別放置于不同光強LED燈板（52 cm×87 cm）下培養(yǎng)，每天進行常規(guī)農(nóng)藝管理，保持辣椒植株生長點距離LED光源15 cm。溫室內(nèi)白天溫度控制在25～27℃，夜間溫度控制在17～20℃，濕度控制在60%～80%，光周期為14 h/d。每隔5 d澆灌1次Hoagland營養(yǎng)液，每株澆70 mL。每隔10 d隨機取樣測一次形態(tài)指標及生理指標，重復6次。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 形態(tài)指標的測定。選取長勢一致、具有代表性的辣椒植株，進行形態(tài)指標測定。

株高：用卷尺測量植株株高，以根莖處到生長點為基準，精度為0.1 cm。

莖粗：用電子游標卡尺測量莖粗，莖粗以子葉下方與子葉平行方向的莖粗為基準 （距離莖基部1 cm處），精度為0.01 mm。

葉片數(shù)：統(tǒng)計植株全部展開的真葉數(shù)量。

葉面積：按照長寬法進行計算，葉面積=葉長×葉寬/1.19。

根系形態(tài)：采用挖掘法，隨機選取植株，先將根系從營養(yǎng)缽中完整拔出，并用清水浸泡，再用流水沖洗干凈，用紙巾擦拭干后采用Epson EXPRESSION 10000XL掃描儀掃描根系，用WinRHIZO根系分析軟件進行分析，獲得根長、根體積、根表面積、根尖數(shù)等數(shù)據(jù)。

根系活力：采用TTC法測定根系活力。

1.4.2 植株生物量和壯苗指數(shù)的測定。將辣椒植株從穴盤中取出，先用流水清洗，然后用蒸餾水清洗干凈，再用吸水紙吸干水分，用精度為0.01 g的電子天平分別稱取地上部分和地下部分的鮮重；然后把各部分放入信封中，置于烘箱中105℃殺青30 min后，轉(zhuǎn)為70℃烘至恒重，分別稱取干重。

1.4.3 光合色素（葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素）的測定。選取植株自上向下第3片成熟葉片進行測定。采用80%丙酮提取法，參照《植物生理學實驗指導》方法測定光合色素含量。

1.4.4 葉綠素熒光參數(shù)的測定。采用英國Hansatech公司生產(chǎn)的Handy PEA植物效率分析儀測定辣椒植株葉片的快速熒光。選取辣椒植株從頂部向下數(shù)第3片葉子，于距葉尖邊緣3 cm處用暗處理夾夾住，暗適應 20 min 后在 3 000 μmol/（m2·s）的飽和激發(fā)光下連續(xù)照射1 s，進行暗適應的葉綠素熒光原初動力學參數(shù)測定和計算；之后，在 300μmol/（m2·s）的光化光下照射300 s后，打開飽和激發(fā)光下連續(xù)照射1 s，進行光適應的葉綠素熒光實際動力學參數(shù)測定和計算。

1.4.5 光合參數(shù)的測定。用YZQ-100A便攜式光合儀測定辣椒幼苗從頂部向下數(shù)第3～4片功能葉的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22軟件對試驗數(shù)據(jù)進行差異顯著性統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同LED光強對辣椒植株生長和形態(tài)的影響

2.1.1 株高。由圖1可知，在辣椒幼苗生長過程中，CK的株高均較高。隨著處理時間的延長，各處理辣椒幼苗株高的增長速率呈下降趨勢。在處理30 d時，CK辣椒幼苗株高值最大，為32.61 cm，分別比RB80、RB120、RB160和 RB200增加了 32.24%、35.71%、36.73%和43.40%。

2.1.2 莖粗。由圖2可知，從處理10 d開始，不同LED光強對辣椒幼苗莖粗生長均有一定的促進作用。處理10、20 d時，CK莖粗最小，顯著低于其他處理。隨著生育期的延長，各處理間莖粗的差值逐漸縮小。處理30 d時，RB120莖粗最大，為5.168 mm，與RB160差異不顯著；但顯著高于CK、RB80和RB200，分別高6.40%、4.05%和6.27%。

2.1.3 葉片數(shù)。由圖3可知，在辣椒幼苗生長過程中，RB80、RB120、RB160 和 RB200 的葉片生長速率比CK快。在處理30 d時，RB160葉片數(shù)最多，為14.0片，顯著高于CK、RB80和 RB120；與 RB200相近，二者差異不顯著。

2.1.4 葉面積。由圖4可知，隨著辣椒幼苗的生長，不同處理下辣椒幼苗葉面積均有不同程度的增加。處理時間越長，辣椒幼苗葉面積值增加幅度越大。在處理30 d時，RB160葉面積最大，為88.90 cm2，與RB120差異不顯著；與CK、RB80和RB200有顯著性差異，分別比它們增加了7.30%、4.23%和8.20%。

2.2 不同LED光強對辣椒幼苗根系的影響

由表1可知，不同LED光強對辣椒根系形態(tài)及根系活力的影響不同。針對根長度而言，RB160根長度最大，為3 793.82 cm，與RB120差異不顯著，但與CK、RB80、RB200均有顯著性差異。針對根表面積而言，RB160根表面積最大，為1 479.28 cm2，與其他處理均有顯著性差異，分別較CK、RB80、RB120、RB200增加27.67%、21.62%、22.98%和17.53%。針對根體積而言，RB160的根體積最大，為46.43 cm3，與其他處理均有顯著性差異。針對根尖數(shù)而言，RB120的根尖數(shù)最多，為26 008.43個，與RB160沒有顯著性差異。針對根系活力而言，RB160最大，為40.65%，與RB120沒有顯著性差異，但與CK、RB80、RB200均有顯著性差異，分別較CK、RB80和RB200增加86.55%、40.61%和82.04%。

表1 不同LED光強對辣椒幼苗根系的影響

2.3 不同LED光強對辣椒幼苗生物量和壯苗指數(shù)的影響

由表2可知，不同LED光強對辣椒幼苗生物量和壯苗指數(shù)的影響不同。針對地上部鮮重而言，RB160的地上部鮮重最大（21.52 g），其次是RB200，二者差異不顯著，但RB160與CK、RB80和RB120均有顯著性差異。針對地下部鮮重而言，RB160的地下部鮮重為最大（10.32 g），其次為RB120，二者差異不顯著，但RB160與CK、RB80和RB200均有顯著性差異。針對地上部干重而言，RB160的地上部干重最大（2.09 g），與RB120和RB200差異不顯著，但與CK和RB80均有顯著性差異。針對地下部干重而言，RB160的地下部干重最大（0.86 g），其次為RB200，二者差異不顯著，但與CK和RB80均有顯著性差異。RB160的壯苗指數(shù)最大（0.604），與RB120和RB200差異不顯著，但與CK、RB80均有顯著性差異。

表2 不同LED光強對辣椒幼苗生物量和壯苗指數(shù)的影響

2.4 不同LED光強對辣椒葉片光合色素含量的影響

由表3可知，隨著辣椒幼苗的生長，不同LED光強對辣椒葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素影響不同。針對葉綠素a而言，RB160含量最高，為16.20 mg/g，與RB120差異不顯著，但與CK、RB80和RB200均有顯著性差異，分別比CK、RB80和RB200增加了36.13%、26.66%和25.87%。針對葉綠素b而言，RB160含量最高，為1.76 mg/g，與RB120差異不顯著，但與CK、RB80和RB200均有顯著性差異，分別比CK、RB80和RB200增加了41.94%、41.94%和34.35%。針對類胡蘿卜素而言，RB160含量最高，為4.08 mg/g，與其他處理均存在顯著性差異。

表3 不同LED光強對辣椒葉片光合色素含量的影響單位：（mg·g-1）

2.5 不同LED光強對辣椒葉片光合參數(shù)的影響

由表4可知，不同LED光強對辣椒葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率影響不同。RB120 凈光合速率最高，為 4.91μmolCO2/（m2·s），與RB80和RB160差異不顯著，但與CK和RB200差異均顯著，分別比CK和RB200增加47.01%和30.59%。RB160 氣孔導度最大，為 240.91mmol/（m2·s），顯著高于其他處理。RB80胞間CO2濃度最高（452.86 μmol/mol），其次為 RB200，二者之間差異不顯著，但是顯著高于RB120和RB160。RB160蒸騰速率最大，為 3.66 mol/（m2·s），顯著高于其他處理，分別比 CK、RB80、RB120和 RB200增加 145.64%、56.41%、12.62%和56.41%。

表4 不同LED光強對辣椒葉片光合特性的影響

2.6 不同LED光強對辣椒葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

初始熒光指植物經(jīng)黑暗處理后光合系統(tǒng)反應中心處于開放狀態(tài)時的熒光強度，可以反映PSⅡ的受損害程度。最大熒光產(chǎn)量指光合機構(gòu)經(jīng)過黑暗處理后PSⅡ反應中心處于完全關閉狀態(tài)時的熒光強度，可以反映PSⅡ電子傳遞鏈的狀態(tài)。PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率反應葉片的光能轉(zhuǎn)化效率，是光化學反應的重要參數(shù)。由表5可知，不同處理辣椒葉片的初始熒光、最大熒光產(chǎn)量和PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率存在一定差異。RB160初始熒光最大，比CK高8.61%，差異顯著；但與其他處理之間沒有顯著性差異。RB120的最大熒光產(chǎn)量最大，顯著高于其他處理，分別比CK、RB80、RB160和 RB200高 8.79%、8.28%、6.70%和17.78%。RB160的PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率最大，與RB200差異顯著，但與CK、RB80和RB120差異不顯著。

表5 不同LED光強對辣椒葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

光是一切植物進行光合作用的基本能源，對植物的生理代謝、光形態(tài)建成、生長發(fā)育和品質(zhì)形成等具有重要的調(diào)節(jié)作用，是幾乎一切生命生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。在設施蔬菜生產(chǎn)中，蔬菜幼苗質(zhì)量對植株后期的生長發(fā)育非常重要，壯苗是保證產(chǎn)量和品質(zhì)的基礎。近年來，由于冬春季節(jié)低溫弱光、陰雨天氣較為集中以及部分地區(qū)持續(xù)霧霾等，相關人員針對LED補光技術開展了試驗研究[13]和示范推廣[14-17]，并形成了相應的補光技術規(guī)程，實施人工補光的育苗新技術已經(jīng)成為冬春季培育壯苗的保障手段。植物生長對光強有很強的依賴性。王健健等[18]研究不同光照強度對車前生長的影響，結(jié)果表明，輕度遮光（40%～45%）能夠提高車前生物量，尤其是穗部生物量，最有利于車前的生長。王志敏等[19]用光照強度為 100、200、300 μmol/（m2·s）的紅藍 LED 光源處理葉用萵苣，結(jié)果表明，低光強處理可明顯增加葉用萵苣的株高、葉面積、根長和比葉面積。李 偉等[20]對黃瓜進行遮光處理，結(jié)果表明，黃瓜的生物量降低，根冠比升高，葉片變薄，葉面積增加，植株向上延伸。

本研究探討了在不同光強LED光源下冀星9號牛角椒的生長情況，結(jié)果表明，在弱光下冀星9號辣椒幼苗生長緩慢，而光照過強對幼苗生長也無益處，這與其他研究結(jié)果一致[18]。 在光強 160 μmol/（m2·s）時，辣椒幼苗的葉片數(shù)、莖粗、根表面積、根體積、根系活力以及地上部和地下部干鮮重等均達到最佳。冀星9號辣椒幼苗株高、莖粗和葉片數(shù)均呈現(xiàn)快—慢的生長趨勢，處理0～10 d株高、莖粗和葉片數(shù)呈現(xiàn)快速增長趨勢（CK除外，CK辣椒幼苗在0～20 d呈快速增長趨勢）。周 華等[10]研究光強和光質(zhì)對辣椒幼苗生長和形態(tài)的影響，結(jié)果表明：在弱光下余干辣椒幼苗生長緩慢，而光照過強時對幼苗生長也無益處，光照為 100 μmol/（m2·s）時株高、莖粗、葉長、葉寬、地上部鮮重等生長指標均最佳；余干辣椒幼苗株高在生長前期和后期呈現(xiàn)快速增長趨勢，葉片數(shù)和莖粗則呈現(xiàn)慢—快—慢增長趨勢。本次研究結(jié)果表明，在光強為 160 μmol/（m2·s）的 LED 光源下，辣椒幼苗生長指標最佳。這些差異可能是由于研究中使用的辣椒類型或品種不同、幼苗開始處理時期不同以及生長條件的差異造成的。

本研究還探討了在不同光強LED光源下冀星9號牛角椒的光合特性，結(jié)果表明，不同光強對辣椒葉片的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度均有顯著影響。隨著光照強度的升高，辣椒葉片的凈光合速率逐漸增加，但增加到一定程度后便不再增加，說明適度增加光照強度有利于植物進行光合作用。 光強為 120、160 μmol/（m2·s）時幼苗凈光合速率高于其他處理，光強為 160 μmol/（m2·s）時幼苗氣孔導度和蒸騰速率均優(yōu)于其他處理。葉綠素熒光參數(shù)是研究環(huán)境變化對植物光系統(tǒng)PSⅡ光合機構(gòu)影響的重要指標。初始熒光可以反映PSⅡ受到的損害程度，最大熒光產(chǎn)量可以反映PSⅡ電子傳遞鏈的狀態(tài)。暗適應下PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率代表光合機構(gòu)把吸收的光能用于光化學反應的最大效率，在沒有遭受環(huán)境脅迫的條件下，其值一般為0.75～0.85。本試驗表明，在不同光強處理下，辣椒葉片的PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率在0.804～0.825范圍內(nèi)，變幅極小。一般情況下，PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率不受物種、品種及生長環(huán)境的影響。

3.2 結(jié)論

本研究討論了不同光強LED光源對冀星9號牛角椒生長和光合特性的影響，結(jié)果表明：在紅光∶藍光=5∶1 的光質(zhì)配比條件下，光照強度 120 μmol/（m2·s）和 160 μmol/（m2·s）均能促進辣椒幼苗生長，提高了辣椒幼苗干物質(zhì)的積累，為培育壯苗奠定了基礎；光強對辣椒幼苗光合特性的影響顯著，在紅光∶藍光=5∶1 的光質(zhì)配比條件下，光照強度 120 μmol/（m2·s）和160 μmol/（m2·s）均可提高葉片凈光合速率。 因此，在生產(chǎn)過程中，可根據(jù)需求調(diào)整植物工廠中的光強，從而提高辣椒幼苗品質(zhì)。