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

（河北農業大學園藝學院/河北省蔬菜產業協同創新中心，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、鎮痛、預防腫瘤等功效[2]。辣椒營養價值很高，含有人體所需的碳水化合物、維生素、氨基酸等營養物質，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、縣的農作物生產中扮演著不可或缺的角色。

在生產中，培育壯苗是獲得辣椒高產的前提，而光是植物進行光合作用的必要條件之一[3]，是影響植物生長發育的重要環境因子[4-5]，利用光環境調控技術培育壯苗已經成為促進植物生長發育的一個重要手段。 LED（light-emitting diodc）是由含鎵、砷、磷、氮、銦等的化合物制成的一種固態半導體光源，能發出與光合色素吸收光譜一致的單色可見光，光質純、效率高，且具有強度和光質可調節的優勢[6-9]。與傳統育苗應用的白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈相比，LED光源具有顯著的優勢。①節能性高。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光譜具有可調性。LED光源可發出純正的單色可見光或組合成復合光譜，可以根據植物光合作用和形態建成對光質的需求，精確調節光質比例，為植物相關研究和生長提供理想的光環境控制參數。④冷光性。LED光源發熱量較低，熱輻射較小，能近距離照射植物，可以實現立體組合栽培，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中備受關注。⑤綠色環保。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，研究光強和光質對辣椒幼苗生長和形態的影響，結果表明，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量的影響，結果顯示，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。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果率和產量。因為前人研究的結果差異較大，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境的需求特點，并嘗試對光環境進行優化，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業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）有限公司生產的LED可調光源。

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月在河北農業大學西校區創新試驗園內進行。選取2葉1心、長勢一致的辣椒幼苗，種植于營養缽（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，每天進行常規農藝管理，保持辣椒植株生長點距離LED光源15 cm。溫室內白天溫度控制在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營養液，每株澆70 mL。每隔10 d隨機取樣測一次形態指標及生理指標，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：統計植株全部展開的真葉數量。

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：采用挖掘法，隨機選取植株，先將根系從營養缽中完整拔出，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、根尖數等數據。

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 葉綠素熒光參數的測定。采用英國Hansatech公司生產的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）的飽和激發光下連續照射1 s，進行暗適應的葉綠素熒光原初動力學參數測定和計算；之后，在 300μmol/（m2·s）的光化光下照射300 s后，打開飽和激發光下連續照射1 s，進行光適應的葉綠素熒光實際動力學參數測定和計算。

1.4.5 光合參數的測定。用YZQ-100A便攜式光合儀測定辣椒幼苗從頂部向下數第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 數據處理

采用SPSS 22軟件對試驗數據進行差異顯著性統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同LED光強對辣椒植株生長和形態的影響

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。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。針對根尖數而言，RB120的根尖數最多，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的影響

初始熒光指植物經黑暗處理后光合系統反應中心處于開放狀態時的熒光強度，可以反映PSⅡ的受損害程度。最大熒光產量指光合機構經過黑暗處理后PSⅡ反應中心處于完全關閉狀態時的熒光強度，可以反映PSⅡ電子傳遞鏈的狀態。PSⅡ最大光能轉化效率反應葉片的光能轉化效率，是光化學反應的重要參數。由表5可知，不同處理辣椒葉片的初始熒光、最大熒光產量和PSⅡ最大光能轉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的影響

3 結論與討論

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、光形態建成、生長發育和品質形成等具有重要的調節作用，是幾乎一切生命生存和發展的物質基礎。在設施蔬菜生產中，蔬菜幼苗質量對植株后期的生長發育非常重要，壯苗是保證產量和品質的基礎。近年來，由于冬春季節低溫弱光、陰雨天氣較為集中以及部分地區持續霧霾等，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程，實施人工補光的育苗新技術已經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，這與其他研究結果一致[18]。 在光強 160 μmol/（m2·s）時，辣椒幼苗的葉片數、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、莖粗和葉片數均呈現快—慢的生長趨勢，處理0～10 d株高、莖粗和葉片數呈現快速增長趨勢（CK除外，CK辣椒幼苗在0～20 d呈快速增長趨勢）。周 華等[10]研究光強和光質對辣椒幼苗生長和形態的影響，結果表明：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快速增長趨勢，葉片數和莖粗則呈現慢—快—慢增長趨勢。本次研究結果表明，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于其他處理。葉綠素熒光參數是研究環境變化對植物光系統PSⅡ光合機構影響的重要指標。初始熒光可以反映PSⅡ受到的損害程度，最大熒光產量可以反映PSⅡ電子傳遞鏈的狀態。暗適應下PSⅡ最大光能轉化效率代表光合機構把吸收的光能用于光化學反應的最大效率，在沒有遭受環境脅迫的條件下，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最大光能轉化效率在0.804～0.825范圍內，變幅極小。一般情況下，PSⅡ最大光能轉化效率不受物種、品種及生長環境的影響。

3.2 結論

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，結果表明：在紅光∶藍光=5∶1 的光質配比條件下，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，在生產過程中，可根據需求調整植物工廠中的光強，從而提高辣椒幼苗品質。