LED 植株間補光對溫室番茄生長發(fā)育、產(chǎn)量、光照和水分利用率的影響

戴劍鋒，李小段，劉湘?zhèn)?，王康麗，Esther de Beer

（1.昕諾飛（中國）投資有限公司，上海 200233；2.北京宏福國際農(nóng)業(yè)科技有限公司，北京 102601；3.荷蘭昕諾飛公司，埃因霍溫 5656AE）

光照是影響作物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一，是作物光合作用以及產(chǎn)量和品質(zhì)形成的能量來源。在冬春季節(jié)的溫室番茄栽培中，弱光天氣較多，由于高架栽培的番茄具有較深的冠層，番茄葉片之間相互遮陽，中下層葉片處于相對弱光環(huán)境中。有研究表明，番茄中下層葉片由于長期處于弱光環(huán)境，光合能力相對較弱[1]，影響了冠層整體光合作用以及植株的生長，并最終影響了產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，冬春季節(jié)的光照環(huán)境成了生產(chǎn)的主要限制因子，而人工補光是解決這一問題的有效措施。近年來，園藝LED已被廣泛應(yīng)用于溫室作物科研和生產(chǎn)中。由于LED 低散熱、高光效的優(yōu)點，有越來越多的溫室番茄高架栽培采用LED 植株間照明模組進行人工補光[2]。

國外在溫室番茄LED 植株間補光方面已經(jīng)開展了大量研究。研究表明，LED 植株間補光改善了作物中下層葉片的光照環(huán)境，促進了植株光合作用，提高了番茄產(chǎn)量[3-5]。國內(nèi)關(guān)于LED 植株間補光的研究報道為數(shù)不多，有學(xué)者針對日光溫室中LED 植株間補光對番茄葉片光合作用速率、冠層光分布以及產(chǎn)量等方面進行了研究[6-7]，這些研究結(jié)果和方法對現(xiàn)代化連棟玻璃溫室內(nèi)的同類研究具有很好的參考價值。丁小濤等[8]在上海地區(qū)的現(xiàn)代化溫室開展了LED 植株間補光對番茄生長和果實品質(zhì)的研究，LED 補光增強了番茄葉片光合作用，改善了果實品質(zhì)，果實采收提前。該研究在12 月定植，而生產(chǎn)溫室的常規(guī)定植時間一般在9～10 月份，研究也僅在2 月份對番茄果實進行采收分析，還不足以全面反映整個補光季的全貌。迄今為止，尚未見針對現(xiàn)代化連棟玻璃溫室規(guī)模化番茄生產(chǎn)進行LED 植株間補光的全季節(jié)研究。本研究擬以連棟玻璃溫室規(guī)?；a(chǎn)的番茄為對象，進行LED 植株間補光對番茄生長發(fā)育、產(chǎn)量以及光照和水分利用率的研究，以期為中國現(xiàn)代化溫室番茄種植中的LED 補光應(yīng)用提供理論依據(jù)和科學(xué)的參考。

材料與方法

試驗溫室和材料

試驗于2020 年第42 周～2021 年第30 周在北京宏福國際農(nóng)業(yè)科技有限公司位于北京大興區(qū)龐各莊鎮(zhèn)的生產(chǎn)溫室（以下簡稱北京宏福農(nóng)業(yè)園區(qū)）進行。溫室南北走向，南北方向長164 m，東西方向共38 跨，跨度8 m，脊高7.5 m，天溝高6.5 m。溫室中部有一條寬度為3.8 m 的東西方向走道，將溫室分為南北兩側(cè)長度各為80.1 m 的栽培區(qū)，栽培槽長80 m，栽培槽行距為1.6 m。

試驗采用中果無限生長型番茄品種‘Cappricia’，由荷蘭瑞克斯旺公司提供，于2020 年第42 周定植于椰糠基質(zhì)條上，2021 年第24 周植株摘心，第30 周拉秧，該季試驗結(jié)束。

試驗方法

在走道南側(cè)分別選取一跨用于對照區(qū)（不補光）和補光處理區(qū)試驗，對照區(qū)和補光區(qū)的面積均為640.8 m2（80.1 m×8 m）。補光處理區(qū)中，在栽培槽上方1.1 m 和1.5 m 高度處分別設(shè)置一行飛利浦LED 植株間照明模組進行補光，模組由昕諾飛（中國）投資有限公司提供，補光燈型號為GreenPower LED Interlighting DRB 250 RO，單支模組光通量為220 μmol/s，模組長度為2.5 m，功率79 W，補光區(qū)共使用320 支LED 模組（圖1）。補光的光合有效輻射PAR（Photosynthetically Active Radiation）光通量密度PPFD（Photosynthetically Photon Flux Density）為110 μmol/（m2?s）。補光開始日期為2020 年第47 周，補光結(jié)束日期為2021年第22 周。根據(jù)作物的生長情況以及每周室外光照情況設(shè)定補光策略，最長補光時間設(shè)定為00:30～16:30，當(dāng)室外太陽輻射高于750 W/m2時，關(guān)閉補光燈。

圖1 溫室番茄對照區(qū)和補光區(qū)（攝于2021 年第7 周）

對照區(qū)定植密度為2.5 干/m2，并分別于2021年第2 周、第4 周和第8 周采用留杈增密的方式分別增加密度至2.9 干/m2、3.3 干/m2和3.75 干/m2；補光區(qū)定植密度為2.9 干/m2，并分別于2021 年第3 周和第8 周采用留杈增密的方式分別增加密度至3.75 干/m2和4.17 干/m2，整個生產(chǎn)季中，對照區(qū)和補光區(qū)的植株密度如圖2 所示。

圖2 對照區(qū)和補光區(qū)的植株密度

番茄生長過程中，營養(yǎng)液通過自動施肥機（荷蘭Priva 公司）供給，采用滴箭進行灌溉。一般在日出后2 h 左右開始第1 次灌溉，晴天日落前2 h 左右結(jié)束灌溉，陰天在日落前5 h 左右結(jié)束灌溉。由于對照區(qū)和補光區(qū)在同一個種植管理大區(qū)，灌溉采用同一個灌溉系統(tǒng)，為了滿足補光區(qū)作物的水肥需求，在補光區(qū)額外增加了滴箭，對照區(qū)和補光區(qū)的滴箭數(shù)量分別為2.08、3.3 個/m2。作物管理、營養(yǎng)液配方及管理參見王冰華等[9]。

項目測定

在對照區(qū)和補光區(qū)各選取長勢基本一致的10根莖干進行標(biāo)記，并作如下觀測。

（1）生長自番茄定植后，對作物生長發(fā)育狀況進行觀測，記錄莖干伸長量、第一花穗下莖粗、葉片數(shù)、葉長、葉寬等生長數(shù)據(jù)，開花期記錄開花數(shù)、坐果后記錄坐果穗數(shù)、采收穗數(shù)。其中，幾個發(fā)育指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)如下，含葉柄在內(nèi)的葉長開始大于10 cm 后認(rèn)定為一片葉，一穗花上所有花朵完全展開認(rèn)定為開花，花瓣完全抱合認(rèn)定為坐果。以每次觀測的葉片數(shù)、開花數(shù)以及坐果數(shù)除以觀測的時間間隔，即可計算出相應(yīng)的出葉速率、開花速率和坐果速率。

（2）產(chǎn)量在果實采收期測量每次采收的商品果質(zhì)量并換算成單位面積產(chǎn)量，測定單果質(zhì)量。

（3）環(huán)境數(shù)據(jù)記錄溫室外太陽總輻射（Priva CM3P）、LED 補光時長（由計時器控制并記錄）溫室內(nèi)溫濕度（Priva 3779024）、CO2濃度（Priva Guardian NG）、作物灌溉量和排液量。其中灌溉量根據(jù)空白滴箭的出液量來計算，排液量根據(jù)搜集到的兩個椰糠基質(zhì)條的排液量來計算，由灌溉量和排液量計算出作物的實際耗水量。以上所有數(shù)據(jù)，以周為單位進行記錄統(tǒng)計。

數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 進行分析。

結(jié)果與分析

溫室內(nèi)外主要環(huán)境因子

試驗對照區(qū)和補光區(qū)在同一個溫室內(nèi)，沒有相對獨立的分區(qū)環(huán)境控制，因此兩個區(qū)的主要環(huán)境因子基本一致，除了光照環(huán)境不同之外，補光區(qū)增加的滴箭會在灌溉量方面滿足補光區(qū)的需求。

本季試驗共持續(xù)41 周時間，其中，補光區(qū)從第47 周～次年22 周給予了共28 周LED 補光。溫室外光照累積量如圖3a 所示，隨季節(jié)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。從第46 周開始，室外光照開始連續(xù)低于1000 J/cm2。該生產(chǎn)季溫室內(nèi)日平均氣溫在16～28℃，也呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢（圖3b）。其中，在冬季幾周維持了相對較低的日平均溫度，這是為了在冬季弱光季節(jié)避免更快坐果而帶來過高的作物負(fù)載，從觀測的作物長勢來看，這樣的控溫能夠滿足番茄生長發(fā)育的需求。

圖3 溫室內(nèi)外主要環(huán)境因子

結(jié)合作物實際生長發(fā)育情況，在室外光照低于1000 J/cm2的第47 周時，作物冠層高度已經(jīng)達(dá)到下面一行LED 植株間模組的高度，因此，從本周開始給予LED 人工補光，實際補光小時數(shù)從最初3 h/天到生產(chǎn)季節(jié)中期的16 h/天。每周補光時長如圖4a 所示，整個生產(chǎn)季補光時長達(dá)到了2553 h。根據(jù)室外光照、溫室綜合透光率（60%）、系數(shù)2.15[（μmol/s/m2）/（W/m2）]、補光的光通量密度和補光時長，可得對照區(qū)和補光區(qū)的PAR 總量分別為4899 mol/m2和5910 mol/m2（圖4b），LED 提供了1011 mol/m2PAR，補光區(qū)光照比對照區(qū)提高了21%。

圖4 每周補光時長和室內(nèi)PAR 累積量

補光對生長發(fā)育的影響

由于補光區(qū)有更好的光照環(huán)境，因此番茄植株可能會有更好的生長發(fā)育。本試驗中，溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境因子沒有差異，因此，植株在出葉速率、開花速率以及坐果速率等發(fā)育指標(biāo)方面應(yīng)該不會存在顯著差異。以坐果速率為例，圖5a 表示對照區(qū)和補光區(qū)植株坐果速率，從圖中可以看出，隨著生長季的延長，坐果速率略有提高，這與生長季的日均溫總體在升高相關(guān)，因為溫度是植株發(fā)育的決定因素。同時，圖5a的結(jié)果表明，對照區(qū)和補光區(qū)的番茄坐果速率分別為每周0.80 穗/干和0.85 穗/干，補光區(qū)坐果速率快6%，但沒有顯著差異。微小的差異最終體現(xiàn)在單干采收穗數(shù)中（圖5b），生長季末，補光區(qū)比對照區(qū)多采收1.1 穗，分別為28.6 穗/干、27.5 穗/干，單干多采收4.0%，這也是補光后增產(chǎn)的來源之一。

圖5 坐果速率和采收穗數(shù)

盡管溫度沒有差異，但坐果速率出現(xiàn)了微小差異，這可以解釋為，對照區(qū)處于相對弱光環(huán)境下，光合作用一定程度地受限，植株干物質(zhì)積累受到抑制，花芽分化延遲，對番茄的開花授粉和坐果都會造成一些影響[10]，盡管本試驗中沒有觀測到顯著差異。

植株高度也是反應(yīng)植物應(yīng)對光照環(huán)境的指標(biāo)之一，不同生長期內(nèi)株高對光照的響應(yīng)也有差異。研究發(fā)現(xiàn)，番茄在弱光處理下植株變矮[11]。本試驗中，補光后，每周測定的植株莖干伸長量略有增加，差異不顯著（圖6a），體現(xiàn)在植株莖干總長度上，補光區(qū)植株莖干總長度略高于對照區(qū)植株莖干總長度（圖6b），與已有的研究結(jié)果一致。

圖6 莖干伸長量和莖干長度

植株第一花序下的莖直徑可以反映植物長勢的強弱，結(jié)果表明，補光后莖直徑高于對照區(qū)植株莖直徑（圖7a），說明補光后植株的長勢強于對照區(qū)。研究表明，植物處于弱光條件下，會出現(xiàn)葉面積增加的現(xiàn)象[12]。對于特定番茄品種，其葉片長度和寬度大致成比例，因此這里用葉片寬度來表明番茄葉片的大小情況，如圖7b 所示。在補光初期，對照區(qū)葉片要比補光區(qū)葉片大，補光中后期這一現(xiàn)象不再明顯，這與補光初期對照區(qū)植物總體處于相對弱光環(huán)境下有關(guān)，補光中后期，室外光照上升使得溫室內(nèi)總光照量提高，因而中后期葉片大小幾乎無差異。

圖7 植株莖直徑和葉寬

補光對產(chǎn)量、光照利用率與水分利用率的影響

本試驗從第52 周開始采收番茄果實，至拉秧結(jié)束采收，共采收31 周。根據(jù)每周的商品果產(chǎn)量記錄計算出生長季總產(chǎn)量。結(jié)果表明，補光區(qū)采收總產(chǎn)量顯著高于對照區(qū)的采收總產(chǎn)量，分別為 44.7、35.1 kg/m2，產(chǎn)量提高9.6 kg/m2，提高了27%（圖8a）。如前所述，補光區(qū)光照提高了21%，產(chǎn)量提高了27%。在荷蘭種植者中有這樣一個經(jīng)驗性說法，多1% 光照，意味著多1% 產(chǎn)量。本試驗中，LED 補光區(qū)產(chǎn)量提高的幅度高于光照提高的幅度，因此存在一個系數(shù)，也即LED補光的生產(chǎn)效率是自然光生產(chǎn)效率的倍數(shù)，本試驗中該系數(shù)為1.30。

圖8 番茄采收產(chǎn)量和鮮產(chǎn)量與光照的關(guān)系

光照利用率可以定義為單位PAR 生產(chǎn)的番茄鮮產(chǎn)量數(shù)，單位為g/mol。根據(jù)圖8b 中的數(shù)據(jù)可以分別得到番茄鮮產(chǎn)量與PAR 累積量的線性回歸曲線，其斜率即為相應(yīng)的光照利用率。對照區(qū)和補光區(qū)的光照利用率分別為7.7、8.1 g/mol，其中后者為自然光和LED 光照的綜合光照利用率。結(jié)果表明，LED 補光提高了番茄生產(chǎn)的綜合光照利用率。光照利用率的提高伴隨著最終產(chǎn)量的提升。增產(chǎn)原因主要有如下幾個方面，在冬春季低光照時期，LED 補光后作物光照環(huán)境改善，在作物管理方面，增加定植密度成為可能，并且在隨后的栽培管理過程中做到提前留杈增密，使得單位面積可以生產(chǎn)更多的果穗；另一方面，補光后作物的坐果速率略有提高，整個生產(chǎn)季每莖干可以多采收1.1 穗果實（圖5b），考慮到補光區(qū)的最終密度要高于對照區(qū)，因此單位面積多采收的果穗數(shù)也會相應(yīng)提高很多。同時，我們注意到，對照區(qū)和補光區(qū)的果實單果質(zhì)量分別為115 g 和111 g，補光區(qū)單果質(zhì)量降低3.5%，這一定程度可能是由于整個生長季節(jié)中補光區(qū)的密度要高于對照區(qū)而引起的。單果質(zhì)量的降低對增產(chǎn)的效應(yīng)為負(fù)，然而，單果質(zhì)量的降低效應(yīng)或多或少由于單干采收穗數(shù)的增加（如前所述，增加4.0%）而得到了彌補。

作物的水分利用率表示作物每消耗單位水量所能生產(chǎn)的產(chǎn)量（kg/m3）整個生產(chǎn)季中對照區(qū)和補光區(qū)的實際耗水量分別是694 L/m2和878 L/m2，補光區(qū)耗水總量要高于對照區(qū)，根據(jù)測得的總產(chǎn)量，可以計算得到對照區(qū)和補光區(qū)的水分利用率分別為43.8、45.1 kg/m3，補光后水分利用率提高了3.1% 左右。參考兩年前（2018～2019 生產(chǎn)季）北京宏福農(nóng)業(yè)園區(qū)的水分利用率35 kg/m3[1]，可以發(fā)現(xiàn)近兩年來種植管理者在生產(chǎn)中通過作物水肥管理進一步提高了水分利用率。

結(jié)論與討論

通過本試驗的研究，在作物管理方面，補光后可以結(jié)合實際補光強度和室外光照累積量，合理確定初始定植密度，并且在隨后的種植管理中對留杈增密進行相應(yīng)調(diào)整，提高了單位面積的果實產(chǎn)量。補光后，光照環(huán)境改善，作物的發(fā)育速率比如開花、坐果速率略有提高，全生產(chǎn)季累積下來，單干能夠比對照區(qū)多采收1.1 穗果實。作物生長方面，植株的莖長、莖直徑、葉片大小均在補光后有所改善，這均與以往的研究結(jié)果一致。同時，補光后的綜合光照利用率得以提高，相應(yīng)地，作物產(chǎn)量提高了27%，水分利用率提高了3.1%。本試驗在北京宏福農(nóng)業(yè)園區(qū)的現(xiàn)代化大規(guī)模連棟生產(chǎn)溫室進行，試驗的時間跨度覆蓋2020～2021 年整個生產(chǎn)季，因此無論從試驗點的選擇、還是試驗時間的安排方面，都比較具有代表性，因此本試驗的研究結(jié)果可以為現(xiàn)代化溫室番茄生產(chǎn)的補光應(yīng)用提供一些可供參考的經(jīng)驗。

本試驗在生產(chǎn)溫室內(nèi)伴隨生產(chǎn)季進行，試驗條件所限，沒有進行作物葉面積指數(shù)、葉片氮含量、葉片光合作用速率等光合相關(guān)參數(shù)的測定，補光后作物產(chǎn)量形成過程中的干物質(zhì)分配，也沒有進行測定，因此，本試驗中葉片以及冠層光合作用的改善、作物干物質(zhì)分配情況對最終的增產(chǎn)貢獻(xiàn)仍有待進一步研究來探索。由于生產(chǎn)溫室的實際情況限制，本季試驗無法對對照區(qū)和補光區(qū)進行獨立的環(huán)境控制，因此，試驗中除了光照環(huán)境之外的其余環(huán)境因子幾乎沒有差異。理論上，光照環(huán)境改善后，作物的光合作用速率會得到提高，而光合作用是光照和溫度以及其他環(huán)境因子協(xié)同作用的共同結(jié)果。具體到今后的LED補光生產(chǎn)實踐研究中，試驗設(shè)置方面仍然有提高的空間，比如，在能夠進行獨立分區(qū)管理的溫室進行LED 補光應(yīng)用，使得溫度、濕度、CO2濃度、灌溉系統(tǒng)都能夠與補光管理相匹配，進而對LED 補光的效果提供更全面、更科學(xué)的評估。

另外，冬季溫室進行LED 補光時，為了更好地發(fā)揮補光效果，溫室溫度需要作相應(yīng)地匹配控制，這可能會增加加溫能耗。在確保補光的提質(zhì)增產(chǎn)效應(yīng)的同時，分析補光應(yīng)用中增加的生產(chǎn)成本，這將有助于全面優(yōu)化LED 補光策略，以提高溫室的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，這有待進一步的相關(guān)生產(chǎn)試驗研究來探索，從而為實際生產(chǎn)管理提供更為科學(xué)和準(zhǔn)確的管理經(jīng)驗。