LED平面光源空間光譜分布對辣椒生長的影響

鄧禮松，陳方林，彭 宣，徐敏敏，高向明，苑進社

（重慶師范大學，a.物理與電子工程學院；b生命科學學院，重慶 401331）

發光二極管 Light emitting diode（LED）因其壽命長，電光轉換效率高，輸出光強可調，光譜性能好等優點可用于農業種植對植物補光。光是植物進行光合作用的必要條件之一，使用LED調節光環境已經成為了農業生產不可或缺的技術環節［1-4］。紅光和藍光是植物光合作用期間最主要吸收的波段，組合的紅藍光譜對植物的生長代謝有著至關重要的作用［5，6］。研究單色LED燈珠組合的不同空間光譜分布對植物生長的影響對現代化規模栽培有著重要的意義［7-11］。國內外已經開展了很多對黃瓜、番茄、草莓、生菜人工補光的研究。張帥等［12］使用不同紅藍配比光源培植生菜，發現當紅藍光配比為4∶1時，更有利于生菜的生長發育。陳曉麗等［13］用LED組合光譜光源研究了水培生菜，發現在20.0%藍光與80.0%紅光條件下水培生菜中 Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Zn、B 七種元素的累積量達到最大值。Choi等［14］使用紅或者紅藍光譜組合的光源為栽培的草莓補光，發現草莓中有機酸和植物化學物質含量更多，產量更高。以上研究結果表明在植物光合作用中紅藍光起到了關鍵作用，因此研究不同光譜的空間分布對植物生長的影響具有重要意義。

辣椒（Capsicum annuum L.）是中國西南地區人們日常生活必不可少的食材。由于西南地區是中國年總日照時數和年太陽輻射總量最少的地區，因此使用人工光源為辣椒提供光合作用所需的光能，研究辣椒在不同光譜光源條件下的生長規律具有重要的現實意義。

1 材料與方法

試驗采用常規封裝LED燈珠，制作了4盞不同光譜平面光源安裝在離地面90 cm處，提供了辣椒生長空間環境；測量了不同位置空間光譜分布，確定了盆栽辣椒的安放位置。通過觀測記錄不同位置空間光譜分布辣椒生長過程中形態、花期、果期和果實等數據，研究LED光源不同空間光譜分布對辣椒生長的影響。

LED平面光源選用封裝型號為5050的紅光、藍光、冷白、暖白燈珠。其中紅光峰值波長660 nm，藍光峰值波長450 nm。為了增加自然光源中的其他波段光，選取冷白、暖白燈珠研制平面光源。選用600 mA恒流輸出電源。首先開啟LED平面光源，利用定時開關設計光照時間為8：00—20：00。使用美國海洋光學的USB-4000光纖光譜儀測量空間光譜分布，選取5個區域種植辣椒，紅光強度歸一化處理后，1、3、4 號區域紅光強度值分別為 1.5、1.0、0.5。 同時2、5號區域通過調整藍紅光強和藍紅光比進行了對比試驗。2號區域紅光分量與1號區域基本相同，藍紅光強度同比降低20.0%；5號區域紅光分量與4號區域基本相同，藍光強度同比增加30.0%。5個區域空間光譜分布測試圖見圖1。選取實驗室培育好的10 cm高含基質團的辣椒苗分別定植于選取好的5個不同空間光譜分布區域，每一個區域中植入4株辣椒苗，每一株辣椒苗的行列間距均為20 cm，圖2為不同空間光譜分布辣椒分布示意圖。定期進行株高、葉長、葉寬、花期、果期的測定和記錄。辣椒采收后存放于干燥箱，用分析天平測量辣椒組織干重。選取的辣椒品種是簇生朝天椒。試驗在植物生長環境調控實驗室內進行，環境溫度設置為20℃。

圖1 空間光譜分布測試圖

圖2 辣椒分布示意圖

2 結果與分析

2.1 不同空間光譜分布條件下照明對辣椒形態的影響

辣椒形態數據見表1。由表1可知，1號區域辣椒株高比4號區域高33.2%，1、2號區域辣椒的株高差異微小，4、5號區域辣椒株高也只有細小差異。同時從表1還可知，葉面積在1～5號區域呈遞減趨勢，1號區域內辣椒葉面積比4號區域大104.8%。從辣椒定植到試驗結束，成熟辣椒植株的葉片數量基本一致。

表1 不同LED空間光譜分布的辣椒形態

辣椒動態生長圖見圖3，由圖3a、3b、3c可以看出，1號區域辣椒在測試期間其株高、葉長、葉寬每周平均增長速率依次是0.82、0.30、0.16 cm。增長速率比4號區域辣椒相應提高了40.1%、32.0%、75.5%。同時還發現，1、2號區域與 3、4、5號區域中的辣椒株高、葉寬、葉長有明顯差異。

圖3 不同空間光譜分布的辣椒動態生長

2.2 不同空間光譜分布條件下照明對辣椒各器官干重的影響

辣椒各組織干重見表2。從表2可以看出，1號區域內的辣椒各部分組織的干重均高于其他4處。在5個區域中辣椒果重的差距最大，1、2號區域質量差為 0.33 g，3、4 號區域質量差為 0.27 g，而 2、3號區域質量差竟達到1.57 g。辣椒根的質量差異是5個區域中變化最小的，1、5號區域辣椒根重差值最大，只有0.70 g。而在每個區域中，辣椒果實干重占的比例都為最高。

表2 不同LED空間光譜分布辣椒各組織干重

2.3 不同空間光譜分布條件下照明對辣椒花期、果期及果實數的影響

辣椒花期、果期、平均每株辣椒果實數結果見表3。從表3可知，1、2號區域辣椒果實數是10.0，而其他3個區域的辣椒果實數遠小于這個值。第1組的辣椒花期最短，為58 d，相應果期為60 d。3、4、5號區域辣椒的花期、果期及其果實數差異不明顯。

表3 不同LED空間光譜分布的辣椒花期、果期及果實數

光合作用是植物吸收光能制造有機物生成的過程，植物中的葉綠素是吸收光譜的主要單元，葉綠素則主要吸收波長為430～450 nm的藍紫光和波長為640～660 nm的紅光［15］。研究人員發現紅光在生菜、番茄、黃瓜生長期間能增加干重，擴大葉片的面積；增加對光能的吸收，促進光合作用［16，17］。此次試驗主要探究空間光譜分布對辣椒生長的影響，經研究發現，5個區域中辣椒的花期、果期與產量有差異，證明光譜能調控辣椒的生長周期并表現不同的生長狀態。由圖2可知，1號區域辣椒所處空間中紅光分量相對強度最高，1～5每個區域空間分布紅光強度依次降低。試驗期間1號區域內辣椒的株高、葉面積、干重均高于其他組，4號區域辣椒的株高、葉面積、干重與1號區域差距較大。表1中2、3號區域結果表明，紅光強度低于1.25時辣椒的的生長會受到很大影響。辣椒果實的生長狀況是本次試驗最為關注的對象，由表2可知，第1組辣椒果實的質量約是第4組的2倍，第1組果實質量是第5組的3倍多，由表2中2、3組的差異可以得知，當紅光強度低于1.25時果實的質量會急劇降低。整個試驗結果與紅光能促進植物光合作用、果實縱向生長從而達到增產的結論一致［18］。1、2號區域內辣椒形態、果實質量沒有呈現出明顯差異，說明適量的紅光強度能促進植物的生長，過量紅光并不能得到與之相應的效果。植物對藍光的需求存在明顯物種差異，由4、5號區域辣椒試驗數據可知過量的藍光會抑制辣椒生長［16］。

綜上所述，研究出最優空間光譜分布對辣椒的生長具有重要意義。同時溫度、濕度等環境因素也是辣椒生長的必要條件，最優的光譜分布配合環境因素對辣椒生長的影響需做進一步研究。辣椒是維生素C含量最高的蔬菜，找到一種促進維生素C含量升高的光合環境是以后的研究重點。

3 小結

使用常規LED光源制作了平面光源，建立了辣椒生長的空間環境，選擇了空間光譜分布不同的5個區域，研究不同空間光譜分布對辣椒生長的影響。發現紅光分量最大的1號區域辣椒的株高、葉長、葉寬增長速率最大，其值分別是每周0.82、0.30、0.16 cm，果實質量最重，為4.55 g/株；紅光分量與1號區域基本相同、藍紅光強度同比降低20.0%的2號區域辣椒株高比1號區域低0.25 cm，果實質量少0.33 g/株；紅光分量最低的4號區域辣椒株高比1號區域低8.84 cm，果實質量少2.17 g/株，說明紅藍光比是影響辣椒生長的主要因素，光強對辣椒生長也有一定影響。同時發現紅光分量與4號區域基本相同、藍光強度同比增加30.0%的5號區域辣椒株高比4號區域低0.94 cm，而果實質量少0.98 g/株，是4號區域果實質量的58.8%，是1號區域果實質量的30.8%，進一步說明空間光譜分布對辣椒生長會產生重要的影響。如果辣椒生長環境中空間光譜分布的紅藍光比偏低，會造成花期延遲，結果數量減少，因此通過優化空間光譜分布選擇植物生長光環境非常重要。

致謝：感謝植物環境適應分子生物學重慶市重點實驗室張漢馬教授提供的支持與幫助。