LED光源不同光强对冀星9号辣椒幼苗生长和光合特性的影响

张谨薇 高亚新 李恭峰 马万成 孟清波 李青云

（河北农业大学园艺学院/河北省蔬菜产业协同创新中心，河北保定 071000）

辣椒（Capsicum annuum L.）是茄科辣椒属一年或多年生草本植物，又称为番椒、秦椒、海椒、辣子等，在我国广泛栽培，是我国栽培面积最大的蔬菜种类之一，也是日光温室生产的主要蔬菜之一[1]。辣椒是一种既可药用又可食用的蔬菜，具有解热、镇痛、预防肿瘤等功效[2]。辣椒营养价值很高，含有人体所需的碳水化合物、维生素、氨基酸等营养物质，其中VC含量在蔬菜中居首位，因而在世界各地广泛栽培，在我国许多省、市、县的农作物生产中扮演着不可或缺的角色。

在生产中，培育壮苗是获得辣椒高产的前提，而光是植物进行光合作用的必要条件之一[3]，是影响植物生长发育的重要环境因子[4-5]，利用光环境调控技术培育壮苗已经成为促进植物生长发育的一个重要手段。 LED（light-emitting diodc）是由含镓、砷、磷、氮、铟等的化合物制成的一种固态半导体光源，能发出与光合色素吸收光谱一致的单色可见光，光质纯、效率高，且具有强度和光质可调节的优势[6-9]。与传统育苗应用的白炽灯、荧光灯和高压钠灯相比，LED光源具有显著的优势。①节能性高。LED光源耗电量可比白炽灯减少87.5%、比荧光灯减少50%，大大节省了电力成本。②寿命长。LED灯具使用寿命较长，约为普通白炽灯的100倍。③光谱具有可调性。LED光源可发出纯正的单色可见光或组合成复合光谱，可以根据植物光合作用和形态建成对光质的需求，精确调节光质比例，为植物相关研究和生长提供理想的光环境控制参数。④冷光性。LED光源发热量较低，热辐射较小，能近距离照射植物，可以实现立体组合栽培，大大提高光能利用率和空间利用率，在设施栽培作物研究和生产中备受关注。⑤绿色环保。LED光源中不含汞和氙等有害气体，无污染，废弃物可回收利用。⑥耐用。LED耐冲击，不易破碎，极大地降低了运行成本。

在辣椒研究中，周 华等[10]以余干辣椒为试材，研究光强和光质对辣椒幼苗生长和形态的影响，结果表明，中光强[100 μmol/（m2·s）]和 LED 组合光（红光∶蓝光=8∶1）适宜辣椒幼苗生长。 陈永快等[11]以中厦1椒（辣椒品种）为试材，研究不同LED复合光源对辣椒幼苗质量的影响，结果显示，红光∶蓝光∶绿光=3.6∶1.0∶0.5 和红光∶蓝光∶绿光=3.75∶1.00∶0.25 最有利于辣椒幼苗的培养。吴根良等[12]采用LED红蓝组合光（红光∶蓝光=8∶3 和红光∶蓝光=7∶3）从 17：00 开始补光 8 h，光强均设为 200 μmol/（m2·s），能显著改善辣椒的结果率和产量。因为前人研究的结果差异较大，为了进一步探索实用的LED光源，还需要进行多品种、多角度试验验证。

本试验以辣椒幼苗为材料，研究了不同光强的LED光源对辣椒生长和光合特性的影响，旨在探明幼苗生长对光环境的需求特点，并尝试对光环境进行优化，研究适宜辣椒育苗的LED光源，为培育辣椒壮苗提供更多的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试辣椒品种为河北农业大学园艺学院选育的冀星9号牛角椒，供试光源为冀鬃麒科技（北京）有限公司生产的LED可调光源。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理，分别为自然光（CK）、光强 80 μmol/（m2·s）（RB80）、 光强 120 μmol/（m2·s）（RB120）、光强 160 μmol/（m2·s）（RB160）和光强200 μmol/（m2·s）（RB200）。 其中，LED 光源光质为红光∶蓝光=5∶1，红光波长为（655±5）nm，蓝光波长为（455±5）nm。

1.3 试验方法

试验于2019年9—10月在河北农业大学西校区创新试验园内进行。选取2叶1心、长势一致的辣椒幼苗，种植于营养钵（15 cm×13 cm）中，并分别放置于不同光强LED灯板（52 cm×87 cm）下培养，每天进行常规农艺管理，保持辣椒植株生长点距离LED光源15 cm。温室内白天温度控制在25～27℃，夜间温度控制在17～20℃，湿度控制在60%～80%，光周期为14 h/d。每隔5 d浇灌1次Hoagland营养液，每株浇70 mL。每隔10 d随机取样测一次形态指标及生理指标，重复6次。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 形态指标的测定。选取长势一致、具有代表性的辣椒植株，进行形态指标测定。

株高：用卷尺测量植株株高，以根茎处到生长点为基准，精度为0.1 cm。

茎粗：用电子游标卡尺测量茎粗，茎粗以子叶下方与子叶平行方向的茎粗为基准 （距离茎基部1 cm处），精度为0.01 mm。

叶片数：统计植株全部展开的真叶数量。

叶面积：按照长宽法进行计算，叶面积=叶长×叶宽/1.19。

根系形态：采用挖掘法，随机选取植株，先将根系从营养钵中完整拔出，并用清水浸泡，再用流水冲洗干净，用纸巾擦拭干后采用Epson EXPRESSION 10000XL扫描仪扫描根系，用WinRHIZO根系分析软件进行分析，获得根长、根体积、根表面积、根尖数等数据。

根系活力：采用TTC法测定根系活力。

1.4.2 植株生物量和壮苗指数的测定。将辣椒植株从穴盘中取出，先用流水清洗，然后用蒸馏水清洗干净，再用吸水纸吸干水分，用精度为0.01 g的电子天平分别称取地上部分和地下部分的鲜重；然后把各部分放入信封中，置于烘箱中105℃杀青30 min后，转为70℃烘至恒重，分别称取干重。

1.4.3 光合色素（叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素）的测定。选取植株自上向下第3片成熟叶片进行测定。采用80%丙酮提取法，参照《植物生理学实验指导》方法测定光合色素含量。

1.4.4 叶绿素荧光参数的测定。采用英国Hansatech公司生产的Handy PEA植物效率分析仪测定辣椒植株叶片的快速荧光。选取辣椒植株从顶部向下数第3片叶子，于距叶尖边缘3 cm处用暗处理夹夹住，暗适应 20 min 后在 3 000 μmol/（m2·s）的饱和激发光下连续照射1 s，进行暗适应的叶绿素荧光原初动力学参数测定和计算；之后，在 300μmol/（m2·s）的光化光下照射300 s后，打开饱和激发光下连续照射1 s，进行光适应的叶绿素荧光实际动力学参数测定和计算。

1.4.5 光合参数的测定。用YZQ-100A便携式光合仪测定辣椒幼苗从顶部向下数第3～4片功能叶的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度。

1.5 数据处理

采用SPSS 22软件对试验数据进行差异显著性统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同LED光强对辣椒植株生长和形态的影响

2.1.1 株高。由图1可知，在辣椒幼苗生长过程中，CK的株高均较高。随着处理时间的延长，各处理辣椒幼苗株高的增长速率呈下降趋势。在处理30 d时，CK辣椒幼苗株高值最大，为32.61 cm，分别比RB80、RB120、RB160和 RB200增加了 32.24%、35.71%、36.73%和43.40%。

2.1.2 茎粗。由图2可知，从处理10 d开始，不同LED光强对辣椒幼苗茎粗生长均有一定的促进作用。处理10、20 d时，CK茎粗最小，显著低于其他处理。随着生育期的延长，各处理间茎粗的差值逐渐缩小。处理30 d时，RB120茎粗最大，为5.168 mm，与RB160差异不显著；但显著高于CK、RB80和RB200，分别高6.40%、4.05%和6.27%。

2.1.3 叶片数。由图3可知，在辣椒幼苗生长过程中，RB80、RB120、RB160 和 RB200 的叶片生长速率比CK快。在处理30 d时，RB160叶片数最多，为14.0片，显著高于CK、RB80和 RB120；与 RB200相近，二者差异不显著。

2.1.4 叶面积。由图4可知，随着辣椒幼苗的生长，不同处理下辣椒幼苗叶面积均有不同程度的增加。处理时间越长，辣椒幼苗叶面积值增加幅度越大。在处理30 d时，RB160叶面积最大，为88.90 cm2，与RB120差异不显著；与CK、RB80和RB200有显著性差异，分别比它们增加了7.30%、4.23%和8.20%。

2.2 不同LED光强对辣椒幼苗根系的影响

由表1可知，不同LED光强对辣椒根系形态及根系活力的影响不同。针对根长度而言，RB160根长度最大，为3 793.82 cm，与RB120差异不显著，但与CK、RB80、RB200均有显著性差异。针对根表面积而言，RB160根表面积最大，为1 479.28 cm2，与其他处理均有显著性差异，分别较CK、RB80、RB120、RB200增加27.67%、21.62%、22.98%和17.53%。针对根体积而言，RB160的根体积最大，为46.43 cm3，与其他处理均有显著性差异。针对根尖数而言，RB120的根尖数最多，为26 008.43个，与RB160没有显著性差异。针对根系活力而言，RB160最大，为40.65%，与RB120没有显著性差异，但与CK、RB80、RB200均有显著性差异，分别较CK、RB80和RB200增加86.55%、40.61%和82.04%。

表1 不同LED光强对辣椒幼苗根系的影响

2.3 不同LED光强对辣椒幼苗生物量和壮苗指数的影响

由表2可知，不同LED光强对辣椒幼苗生物量和壮苗指数的影响不同。针对地上部鲜重而言，RB160的地上部鲜重最大（21.52 g），其次是RB200，二者差异不显著，但RB160与CK、RB80和RB120均有显著性差异。针对地下部鲜重而言，RB160的地下部鲜重为最大（10.32 g），其次为RB120，二者差异不显著，但RB160与CK、RB80和RB200均有显著性差异。针对地上部干重而言，RB160的地上部干重最大（2.09 g），与RB120和RB200差异不显著，但与CK和RB80均有显著性差异。针对地下部干重而言，RB160的地下部干重最大（0.86 g），其次为RB200，二者差异不显著，但与CK和RB80均有显著性差异。RB160的壮苗指数最大（0.604），与RB120和RB200差异不显著，但与CK、RB80均有显著性差异。

表2 不同LED光强对辣椒幼苗生物量和壮苗指数的影响

2.4 不同LED光强对辣椒叶片光合色素含量的影响

由表3可知，随着辣椒幼苗的生长，不同LED光强对辣椒叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素影响不同。针对叶绿素a而言，RB160含量最高，为16.20 mg/g，与RB120差异不显著，但与CK、RB80和RB200均有显著性差异，分别比CK、RB80和RB200增加了36.13%、26.66%和25.87%。针对叶绿素b而言，RB160含量最高，为1.76 mg/g，与RB120差异不显著，但与CK、RB80和RB200均有显著性差异，分别比CK、RB80和RB200增加了41.94%、41.94%和34.35%。针对类胡萝卜素而言，RB160含量最高，为4.08 mg/g，与其他处理均存在显著性差异。

表3 不同LED光强对辣椒叶片光合色素含量的影响单位：（mg·g-1）

2.5 不同LED光强对辣椒叶片光合参数的影响

由表4可知，不同LED光强对辣椒叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率影响不同。RB120 净光合速率最高，为 4.91μmolCO2/（m2·s），与RB80和RB160差异不显著，但与CK和RB200差异均显著，分别比CK和RB200增加47.01%和30.59%。RB160 气孔导度最大，为 240.91mmol/（m2·s），显著高于其他处理。RB80胞间CO2浓度最高（452.86 μmol/mol），其次为 RB200，二者之间差异不显著，但是显著高于RB120和RB160。RB160蒸腾速率最大，为 3.66 mol/（m2·s），显著高于其他处理，分别比 CK、RB80、RB120和 RB200增加 145.64%、56.41%、12.62%和56.41%。

表4 不同LED光强对辣椒叶片光合特性的影响

2.6 不同LED光强对辣椒叶片叶绿素荧光参数的影响

初始荧光指植物经黑暗处理后光合系统反应中心处于开放状态时的荧光强度，可以反映PSⅡ的受损害程度。最大荧光产量指光合机构经过黑暗处理后PSⅡ反应中心处于完全关闭状态时的荧光强度，可以反映PSⅡ电子传递链的状态。PSⅡ最大光能转化效率反应叶片的光能转化效率，是光化学反应的重要参数。由表5可知，不同处理辣椒叶片的初始荧光、最大荧光产量和PSⅡ最大光能转化效率存在一定差异。RB160初始荧光最大，比CK高8.61%，差异显著；但与其他处理之间没有显著性差异。RB120的最大荧光产量最大，显著高于其他处理，分别比CK、RB80、RB160和 RB200高 8.79%、8.28%、6.70%和17.78%。RB160的PSⅡ最大光能转化效率最大，与RB200差异显著，但与CK、RB80和RB120差异不显著。

表5 不同LED光强对辣椒叶片叶绿素荧光参数的影响

3 结论与讨论

3.1 讨论

光是一切植物进行光合作用的基本能源，对植物的生理代谢、光形态建成、生长发育和品质形成等具有重要的调节作用，是几乎一切生命生存和发展的物质基础。在设施蔬菜生产中，蔬菜幼苗质量对植株后期的生长发育非常重要，壮苗是保证产量和品质的基础。近年来，由于冬春季节低温弱光、阴雨天气较为集中以及部分地区持续雾霾等，相关人员针对LED补光技术开展了试验研究[13]和示范推广[14-17]，并形成了相应的补光技术规程，实施人工补光的育苗新技术已经成为冬春季培育壮苗的保障手段。植物生长对光强有很强的依赖性。王健健等[18]研究不同光照强度对车前生长的影响，结果表明，轻度遮光（40%～45%）能够提高车前生物量，尤其是穗部生物量，最有利于车前的生长。王志敏等[19]用光照强度为 100、200、300 μmol/（m2·s）的红蓝 LED 光源处理叶用莴苣，结果表明，低光强处理可明显增加叶用莴苣的株高、叶面积、根长和比叶面积。李 伟等[20]对黄瓜进行遮光处理，结果表明，黄瓜的生物量降低，根冠比升高，叶片变薄，叶面积增加，植株向上延伸。

本研究探讨了在不同光强LED光源下冀星9号牛角椒的生长情况，结果表明，在弱光下冀星9号辣椒幼苗生长缓慢，而光照过强对幼苗生长也无益处，这与其他研究结果一致[18]。 在光强 160 μmol/（m2·s）时，辣椒幼苗的叶片数、茎粗、根表面积、根体积、根系活力以及地上部和地下部干鲜重等均达到最佳。冀星9号辣椒幼苗株高、茎粗和叶片数均呈现快—慢的生长趋势，处理0～10 d株高、茎粗和叶片数呈现快速增长趋势（CK除外，CK辣椒幼苗在0～20 d呈快速增长趋势）。周 华等[10]研究光强和光质对辣椒幼苗生长和形态的影响，结果表明：在弱光下余干辣椒幼苗生长缓慢，而光照过强时对幼苗生长也无益处，光照为 100 μmol/（m2·s）时株高、茎粗、叶长、叶宽、地上部鲜重等生长指标均最佳；余干辣椒幼苗株高在生长前期和后期呈现快速增长趋势，叶片数和茎粗则呈现慢—快—慢增长趋势。本次研究结果表明，在光强为 160 μmol/（m2·s）的 LED 光源下，辣椒幼苗生长指标最佳。这些差异可能是由于研究中使用的辣椒类型或品种不同、幼苗开始处理时期不同以及生长条件的差异造成的。

本研究还探讨了在不同光强LED光源下冀星9号牛角椒的光合特性，结果表明，不同光强对辣椒叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度均有显著影响。随着光照强度的升高，辣椒叶片的净光合速率逐渐增加，但增加到一定程度后便不再增加，说明适度增加光照强度有利于植物进行光合作用。 光强为 120、160 μmol/（m2·s）时幼苗净光合速率高于其他处理，光强为 160 μmol/（m2·s）时幼苗气孔导度和蒸腾速率均优于其他处理。叶绿素荧光参数是研究环境变化对植物光系统PSⅡ光合机构影响的重要指标。初始荧光可以反映PSⅡ受到的损害程度，最大荧光产量可以反映PSⅡ电子传递链的状态。暗适应下PSⅡ最大光能转化效率代表光合机构把吸收的光能用于光化学反应的最大效率，在没有遭受环境胁迫的条件下，其值一般为0.75～0.85。本试验表明，在不同光强处理下，辣椒叶片的PSⅡ最大光能转化效率在0.804～0.825范围内，变幅极小。一般情况下，PSⅡ最大光能转化效率不受物种、品种及生长环境的影响。

3.2 结论

本研究讨论了不同光强LED光源对冀星9号牛角椒生长和光合特性的影响，结果表明：在红光∶蓝光=5∶1 的光质配比条件下，光照强度 120 μmol/（m2·s）和 160 μmol/（m2·s）均能促进辣椒幼苗生长，提高了辣椒幼苗干物质的积累，为培育壮苗奠定了基础；光强对辣椒幼苗光合特性的影响显著，在红光∶蓝光=5∶1 的光质配比条件下，光照强度 120 μmol/（m2·s）和160 μmol/（m2·s）均可提高叶片净光合速率。 因此，在生产过程中，可根据需求调整植物工厂中的光强，从而提高辣椒幼苗品质。