鄧禮松，陳方林，彭 宣，徐敏敏，高向明，苑進(jìn)社

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

發(fā)光二極管 Light emitting diode（LED）因其壽命長，電光轉(zhuǎn)換效率高，輸出光強(qiáng)可調(diào)，光譜性能好等優(yōu)點(diǎn)可用于農(nóng)業(yè)種植對植物補(bǔ)光。光是植物進(jìn)行光合作用的必要條件之一，使用LED調(diào)節(jié)光環(huán)境已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的技術(shù)環(huán)節(jié)［1-4］。紅光和藍(lán)光是植物光合作用期間最主要吸收的波段，組合的紅藍(lán)光譜對植物的生長代謝有著至關(guān)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(xiàn)代化規(guī)模栽培有著重要的意義［7-11］。國內(nèi)外已經(jīng)開展了很多對黃瓜、番茄、草莓、生菜人工補(bǔ)光的研究。張帥等［12］使用不同紅藍(lán)配比光源培植生菜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)紅藍(lán)光配比為4∶1時，更有利于生菜的生長發(fā)育。陳曉麗等［13］用LED組合光譜光源研究了水培生菜，發(fā)現(xiàn)在20.0%藍(lán)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(dá)到最大值。Choi等［14］使用紅或者紅藍(lán)光譜組合的光源為栽培的草莓補(bǔ)光，發(fā)現(xiàn)草莓中有機(jī)酸和植物化學(xué)物質(zhì)含量更多，產(chǎn)量更高。以上研究結(jié)果表明在植物光合作用中紅藍(lán)光起到了關(guān)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(qū)人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚氖巢?。由于西南地區(qū)是中國年總?cè)照諘r數(shù)和年太陽輻射總量最少的地區(qū)，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(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

試驗(yàn)采用常規(guī)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(huán)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(tài)、花期、果期和果實(shí)等數(shù)據(jù)，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(lán)光、冷白、暖白燈珠。其中紅光峰值波長660 nm，藍(lán)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(guān)設(shè)計(jì)光照時間為8：00—20：00。使用美國海洋光學(xué)的USB-4000光纖光譜儀測量空間光譜分布，選取5個區(qū)域種植辣椒，紅光強(qiáng)度歸一化處理后，1、3、4 號區(qū)域紅光強(qiáng)度值分別為 1.5、1.0、0.5。 同時2、5號區(qū)域通過調(diào)整藍(lán)紅光強(qiáng)和藍(lán)紅光比進(jìn)行了對比試驗(yàn)。2號區(qū)域紅光分量與1號區(qū)域基本相同，藍(lán)紅光強(qiáng)度同比降低20.0%；5號區(qū)域紅光分量與4號區(qū)域基本相同，藍(lán)光強(qiáng)度同比增加30.0%。5個區(qū)域空間光譜分布測試圖見圖1。選取實(shí)驗(yàn)室培育好的10 cm高含基質(zhì)團(tuán)的辣椒苗分別定植于選取好的5個不同空間光譜分布區(qū)域，每一個區(qū)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(jìn)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(yàn)在植物生長環(huán)境調(diào)控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度設(shè)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(jié)果與分析

2.1 不同空間光譜分布條件下照明對辣椒形態(tài)的影響

辣椒形態(tài)數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，1號區(qū)域辣椒株高比4號區(qū)域高33.2%，1、2號區(qū)域辣椒的株高差異微小，4、5號區(qū)域辣椒株高也只有細(xì)小差異。同時從表1還可知，葉面積在1～5號區(qū)域呈遞減趨勢，1號區(qū)域內(nèi)辣椒葉面積比4號區(qū)域大104.8%。從辣椒定植到試驗(yàn)結(jié)束，成熟辣椒植株的葉片數(shù)量基本一致。

表1 不同LED空間光譜分布的辣椒形態(tài)

辣椒動態(tài)生長圖見圖3，由圖3a、3b、3c可以看出，1號區(qū)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(qū)域辣椒相應(yīng)提高了40.1%、32.0%、75.5%。同時還發(fā)現(xiàn)，1、2號區(qū)域與 3、4、5號區(qū)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(tài)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(qū)域內(nèi)的辣椒各部分組織的干重均高于其他4處。在5個區(qū)域中辣椒果重的差距最大，1、2號區(qū)域質(zhì)量差為 0.33 g，3、4 號區(qū)域質(zhì)量差為 0.27 g，而 2、3號區(qū)域質(zhì)量差竟達(dá)到1.57 g。辣椒根的質(zhì)量差異是5個區(qū)域中變化最小的，1、5號區(qū)域辣椒根重差值最大，只有0.70 g。而在每個區(qū)域中，辣椒果實(shí)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(shí)數(shù)的影響

辣椒花期、果期、平均每株辣椒果實(shí)數(shù)結(jié)果見表3。從表3可知，1、2號區(qū)域辣椒果實(shí)數(shù)是10.0，而其他3個區(qū)域的辣椒果實(shí)數(shù)遠(yuǎn)小于這個值。第1組的辣椒花期最短，為58 d，相應(yīng)果期為60 d。3、4、5號區(qū)域辣椒的花期、果期及其果實(shí)數(shù)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(shí)數(shù)

光合作用是植物吸收光能制造有機(jī)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(lán)紫光和波長為640～660 nm的紅光［15］。研究人員發(fā)現(xiàn)紅光在生菜、番茄、黃瓜生長期間能增加干重，擴(kuò)大葉片的面積；增加對光能的吸收，促進(jìn)光合作用［16，17］。此次試驗(yàn)主要探究空間光譜分布對辣椒生長的影響，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，5個區(qū)域中辣椒的花期、果期與產(chǎn)量有差異，證明光譜能調(diào)控辣椒的生長周期并表現(xiàn)不同的生長狀態(tài)。由圖2可知，1號區(qū)域辣椒所處空間中紅光分量相對強(qiáng)度最高，1～5每個區(qū)域空間分布紅光強(qiáng)度依次降低。試驗(yàn)期間1號區(qū)域內(nèi)辣椒的株高、葉面積、干重均高于其他組，4號區(qū)域辣椒的株高、葉面積、干重與1號區(qū)域差距較大。表1中2、3號區(qū)域結(jié)果表明，紅光強(qiáng)度低于1.25時辣椒的的生長會受到很大影響。辣椒果實(shí)的生長狀況是本次試驗(yàn)最為關(guān)注的對象，由表2可知，第1組辣椒果實(shí)的質(zhì)量約是第4組的2倍，第1組果實(shí)質(zhì)量是第5組的3倍多，由表2中2、3組的差異可以得知，當(dāng)紅光強(qiáng)度低于1.25時果實(shí)的質(zhì)量會急劇降低。整個試驗(yàn)結(jié)果與紅光能促進(jìn)植物光合作用、果實(shí)縱向生長從而達(dá)到增產(chǎn)的結(jié)論一致［18］。1、2號區(qū)域內(nèi)辣椒形態(tài)、果實(shí)質(zhì)量沒有呈現(xiàn)出明顯差異，說明適量的紅光強(qiáng)度能促進(jìn)植物的生長，過量紅光并不能得到與之相應(yīng)的效果。植物對藍(lán)光的需求存在明顯物種差異，由4、5號區(qū)域辣椒試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知過量的藍(lán)光會抑制辣椒生長［16］。

綜上所述，研究出最優(yōu)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(huán)境因素也是辣椒生長的必要條件，最優(yōu)的光譜分布配合環(huán)境因素對辣椒生長的影響需做進(jìn)一步研究。辣椒是維生素C含量最高的蔬菜，找到一種促進(jìn)維生素C含量升高的光合環(huán)境是以后的研究重點(diǎn)。

3 小結(jié)

使用常規(guī)LED光源制作了平面光源，建立了辣椒生長的空間環(huán)境，選擇了空間光譜分布不同的5個區(qū)域，研究不同空間光譜分布對辣椒生長的影響。發(fā)現(xiàn)紅光分量最大的1號區(qū)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(shí)質(zhì)量最重，為4.55 g/株；紅光分量與1號區(qū)域基本相同、藍(lán)紅光強(qiáng)度同比降低20.0%的2號區(qū)域辣椒株高比1號區(qū)域低0.25 cm，果實(shí)質(zhì)量少0.33 g/株；紅光分量最低的4號區(qū)域辣椒株高比1號區(qū)域低8.84 cm，果實(shí)質(zhì)量少2.17 g/株，說明紅藍(lán)光比是影響辣椒生長的主要因素，光強(qiáng)對辣椒生長也有一定影響。同時發(fā)現(xiàn)紅光分量與4號區(qū)域基本相同、藍(lán)光強(qiáng)度同比增加30.0%的5號區(qū)域辣椒株高比4號區(qū)域低0.94 cm，而果實(shí)質(zhì)量少0.98 g/株，是4號區(qū)域果實(shí)質(zhì)量的58.8%，是1號區(qū)域果實(shí)質(zhì)量的30.8%，進(jìn)一步說明空間光譜分布對辣椒生長會產(chǎn)生重要的影響。如果辣椒生長環(huán)境中空間光譜分布的紅藍(lán)光比偏低，會造成花期延遲，結(jié)果數(shù)量減少，因此通過優(yōu)化空間光譜分布選擇植物生長光環(huán)境非常重要。

致謝：感謝植物環(huán)境適應(yīng)分子生物學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張漢馬教授提供的支持與幫助。