LED平面光源空间光谱分布对辣椒生长的影响

邓礼松，陈方林，彭 宣，徐敏敏，高向明，苑进社

（重庆师范大学，a.物理与电子工程学院；b生命科学学院，重庆 401331）

发光二极管 Light emitting diode（LED）因其寿命长，电光转换效率高，输出光强可调，光谱性能好等优点可用于农业种植对植物补光。光是植物进行光合作用的必要条件之一，使用LED调节光环境已经成为了农业生产不可或缺的技术环节［1-4］。红光和蓝光是植物光合作用期间最主要吸收的波段，组合的红蓝光谱对植物的生长代谢有着至关重要的作用［5，6］。研究单色LED灯珠组合的不同空间光谱分布对植物生长的影响对现代化规模栽培有着重要的意义［7-11］。国内外已经开展了很多对黄瓜、番茄、草莓、生菜人工补光的研究。张帅等［12］使用不同红蓝配比光源培植生菜，发现当红蓝光配比为4∶1时，更有利于生菜的生长发育。陈晓丽等［13］用LED组合光谱光源研究了水培生菜，发现在20.0%蓝光与80.0%红光条件下水培生菜中 Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Zn、B 七种元素的累积量达到最大值。Choi等［14］使用红或者红蓝光谱组合的光源为栽培的草莓补光，发现草莓中有机酸和植物化学物质含量更多，产量更高。以上研究结果表明在植物光合作用中红蓝光起到了关键作用，因此研究不同光谱的空间分布对植物生长的影响具有重要意义。

辣椒（Capsicum annuum L.）是中国西南地区人们日常生活必不可少的食材。由于西南地区是中国年总日照时数和年太阳辐射总量最少的地区，因此使用人工光源为辣椒提供光合作用所需的光能，研究辣椒在不同光谱光源条件下的生长规律具有重要的现实意义。

1 材料与方法

试验采用常规封装LED灯珠，制作了4盏不同光谱平面光源安装在离地面90 cm处，提供了辣椒生长空间环境；测量了不同位置空间光谱分布，确定了盆栽辣椒的安放位置。通过观测记录不同位置空间光谱分布辣椒生长过程中形态、花期、果期和果实等数据，研究LED光源不同空间光谱分布对辣椒生长的影响。

LED平面光源选用封装型号为5050的红光、蓝光、冷白、暖白灯珠。其中红光峰值波长660 nm，蓝光峰值波长450 nm。为了增加自然光源中的其他波段光，选取冷白、暖白灯珠研制平面光源。选用600 mA恒流输出电源。首先开启LED平面光源，利用定时开关设计光照时间为8：00—20：00。使用美国海洋光学的USB-4000光纤光谱仪测量空间光谱分布，选取5个区域种植辣椒，红光强度归一化处理后，1、3、4 号区域红光强度值分别为 1.5、1.0、0.5。 同时2、5号区域通过调整蓝红光强和蓝红光比进行了对比试验。2号区域红光分量与1号区域基本相同，蓝红光强度同比降低20.0%；5号区域红光分量与4号区域基本相同，蓝光强度同比增加30.0%。5个区域空间光谱分布测试图见图1。选取实验室培育好的10 cm高含基质团的辣椒苗分别定植于选取好的5个不同空间光谱分布区域，每一个区域中植入4株辣椒苗，每一株辣椒苗的行列间距均为20 cm，图2为不同空间光谱分布辣椒分布示意图。定期进行株高、叶长、叶宽、花期、果期的测定和记录。辣椒采收后存放于干燥箱，用分析天平测量辣椒组织干重。选取的辣椒品种是簇生朝天椒。试验在植物生长环境调控实验室内进行，环境温度设置为20℃。

图1 空间光谱分布测试图

图2 辣椒分布示意图

2 结果与分析

2.1 不同空间光谱分布条件下照明对辣椒形态的影响

辣椒形态数据见表1。由表1可知，1号区域辣椒株高比4号区域高33.2%，1、2号区域辣椒的株高差异微小，4、5号区域辣椒株高也只有细小差异。同时从表1还可知，叶面积在1～5号区域呈递减趋势，1号区域内辣椒叶面积比4号区域大104.8%。从辣椒定植到试验结束，成熟辣椒植株的叶片数量基本一致。

表1 不同LED空间光谱分布的辣椒形态

辣椒动态生长图见图3，由图3a、3b、3c可以看出，1号区域辣椒在测试期间其株高、叶长、叶宽每周平均增长速率依次是0.82、0.30、0.16 cm。增长速率比4号区域辣椒相应提高了40.1%、32.0%、75.5%。同时还发现，1、2号区域与 3、4、5号区域中的辣椒株高、叶宽、叶长有明显差异。

图3 不同空间光谱分布的辣椒动态生长

2.2 不同空间光谱分布条件下照明对辣椒各器官干重的影响

辣椒各组织干重见表2。从表2可以看出，1号区域内的辣椒各部分组织的干重均高于其他4处。在5个区域中辣椒果重的差距最大，1、2号区域质量差为 0.33 g，3、4 号区域质量差为 0.27 g，而 2、3号区域质量差竟达到1.57 g。辣椒根的质量差异是5个区域中变化最小的，1、5号区域辣椒根重差值最大，只有0.70 g。而在每个区域中，辣椒果实干重占的比例都为最高。

表2 不同LED空间光谱分布辣椒各组织干重

2.3 不同空间光谱分布条件下照明对辣椒花期、果期及果实数的影响

辣椒花期、果期、平均每株辣椒果实数结果见表3。从表3可知，1、2号区域辣椒果实数是10.0，而其他3个区域的辣椒果实数远小于这个值。第1组的辣椒花期最短，为58 d，相应果期为60 d。3、4、5号区域辣椒的花期、果期及其果实数差异不明显。

表3 不同LED空间光谱分布的辣椒花期、果期及果实数

光合作用是植物吸收光能制造有机物生成的过程，植物中的叶绿素是吸收光谱的主要单元，叶绿素则主要吸收波长为430～450 nm的蓝紫光和波长为640～660 nm的红光［15］。研究人员发现红光在生菜、番茄、黄瓜生长期间能增加干重，扩大叶片的面积；增加对光能的吸收，促进光合作用［16，17］。此次试验主要探究空间光谱分布对辣椒生长的影响，经研究发现，5个区域中辣椒的花期、果期与产量有差异，证明光谱能调控辣椒的生长周期并表现不同的生长状态。由图2可知，1号区域辣椒所处空间中红光分量相对强度最高，1～5每个区域空间分布红光强度依次降低。试验期间1号区域内辣椒的株高、叶面积、干重均高于其他组，4号区域辣椒的株高、叶面积、干重与1号区域差距较大。表1中2、3号区域结果表明，红光强度低于1.25时辣椒的的生长会受到很大影响。辣椒果实的生长状况是本次试验最为关注的对象，由表2可知，第1组辣椒果实的质量约是第4组的2倍，第1组果实质量是第5组的3倍多，由表2中2、3组的差异可以得知，当红光强度低于1.25时果实的质量会急剧降低。整个试验结果与红光能促进植物光合作用、果实纵向生长从而达到增产的结论一致［18］。1、2号区域内辣椒形态、果实质量没有呈现出明显差异，说明适量的红光强度能促进植物的生长，过量红光并不能得到与之相应的效果。植物对蓝光的需求存在明显物种差异，由4、5号区域辣椒试验数据可知过量的蓝光会抑制辣椒生长［16］。

综上所述，研究出最优空间光谱分布对辣椒的生长具有重要意义。同时温度、湿度等环境因素也是辣椒生长的必要条件，最优的光谱分布配合环境因素对辣椒生长的影响需做进一步研究。辣椒是维生素C含量最高的蔬菜，找到一种促进维生素C含量升高的光合环境是以后的研究重点。

3 小结

使用常规LED光源制作了平面光源，建立了辣椒生长的空间环境，选择了空间光谱分布不同的5个区域，研究不同空间光谱分布对辣椒生长的影响。发现红光分量最大的1号区域辣椒的株高、叶长、叶宽增长速率最大，其值分别是每周0.82、0.30、0.16 cm，果实质量最重，为4.55 g/株；红光分量与1号区域基本相同、蓝红光强度同比降低20.0%的2号区域辣椒株高比1号区域低0.25 cm，果实质量少0.33 g/株；红光分量最低的4号区域辣椒株高比1号区域低8.84 cm，果实质量少2.17 g/株，说明红蓝光比是影响辣椒生长的主要因素，光强对辣椒生长也有一定影响。同时发现红光分量与4号区域基本相同、蓝光强度同比增加30.0%的5号区域辣椒株高比4号区域低0.94 cm，而果实质量少0.98 g/株，是4号区域果实质量的58.8%，是1号区域果实质量的30.8%，进一步说明空间光谱分布对辣椒生长会产生重要的影响。如果辣椒生长环境中空间光谱分布的红蓝光比偏低，会造成花期延迟，结果数量减少，因此通过优化空间光谱分布选择植物生长光环境非常重要。

致谢：感谢植物环境适应分子生物学重庆市重点实验室张汉马教授提供的支持与帮助。