補光強度對設(shè)施寡照下黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

張文晶，阮梓健，楊 威，郭世榮

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇南京 210095）

光是植物唯一的能量來源，對植物的生長發(fā)育影響巨大，必須給予合適的光照，才能保證植株的正常生長發(fā)育。溫室由于結(jié)構(gòu)、覆蓋材料等因素的影響，光照強度僅為露地的50%～70%[1]。我國南方地區(qū)冬春季節(jié)持續(xù)陰雨寡照天氣會造成溫室內(nèi)作物光照時間縮短、光照強度進(jìn)一步降低。寡照弱光對作物生育、產(chǎn)量和品質(zhì)會產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，已成為制約南方地區(qū)設(shè)施園藝發(fā)展的重要因素。

人工補光是解決冬春季設(shè)施栽培作物寡照問題的重要措施。人工補光的光源按照發(fā)光形式分為熱輻射光源、氣體放電光源和電致發(fā)光光源3類[2]。電致發(fā)光光源指發(fā)光二極管，即LED 燈。相比其他光源，LED燈具有精確控制光譜組成、產(chǎn)熱少、長時間保持光穩(wěn)定性等優(yōu)勢，其補光技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛[3-4]。眾多研究表明，LED 補光可促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)。吳根良等用不同LED 光源照射辣椒發(fā)現(xiàn)，不同LED 光源均能顯著促進(jìn)辣椒果實中可溶性蛋白含量的增加，適當(dāng)?shù)腖ED 光源和補光時間可提高設(shè)施栽培辣椒果實的商品性和產(chǎn)量[5]。郝東川等應(yīng)用LED 燈對設(shè)施栽培瓜果類蔬菜全生育期進(jìn)行補光處理發(fā)現(xiàn)，LED 燈補光可明顯提高瓜類蔬菜的主蔓雌花數(shù)，對提高蔬菜作物的著果率也有促進(jìn)作用[6]。劉曉英等研究發(fā)現(xiàn)，菠菜應(yīng)用LED 補光可顯著促進(jìn)菠菜生長[7]。

黃瓜是我國設(shè)施栽培的主要作物之一。在冬春季日光溫室黃瓜生產(chǎn)中，光照是影響日光溫室黃瓜生長發(fā)育的首要環(huán)境因子[8]。有研究表明，寡照會造成黃瓜葉片光合速率降低[9]、光合產(chǎn)物運輸減緩，引起著果率降低、畸形瓜增多、產(chǎn)量和品質(zhì)下降[8，10-14]等問題。LED 補光技術(shù)的出現(xiàn)為解決冬春季黃瓜生產(chǎn)寡照問題提供了可靠途徑。目前，LED 補光技術(shù)在黃瓜上的研究多集中在幼苗階段，在結(jié)果期進(jìn)行補光的研究還鮮有報道。相較于幼苗期，結(jié)果期光照對果實產(chǎn)量及品質(zhì)的影響更大，結(jié)果期補光具有更高的經(jīng)濟效益。在補光強度方面，普遍認(rèn)為在植物光飽和點之內(nèi)，補光后的總光強越大對植物生長發(fā)育越有利，但補光強度的增高也會使種植成本升高。因此，確定寡照環(huán)境下適宜的補光強度進(jìn)行補光處理，使收益最大化，是補光技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程中亟待解決的問題。本試驗通過在植株上方搭建遮陽網(wǎng)，模擬冬春季長江中下游地區(qū)溫室內(nèi)的寡照環(huán)境，在黃瓜結(jié)果期采用LED燈管進(jìn)行人工補光（光質(zhì)為白光），研究補光強度對設(shè)施黃瓜植株生長、光合、產(chǎn)量和果實品質(zhì)的影響，以期為設(shè)施寡照下蔬菜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020 年9—11 月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬基地連棟溫室中進(jìn)行。供試黃瓜品種為‘戴多星’，育苗基質(zhì)、栽培基質(zhì)均由江蘇興農(nóng)基質(zhì)科技有限公司提供，LED補光燈管由南京植生譜光電科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗處理

采用桶式基質(zhì)無土栽培黃瓜，當(dāng)黃瓜幼苗長到兩葉一心時定植于栽培桶中，每桶定植2 株。肥水正常管理，控制溫室環(huán)境條件，保障黃瓜正常生長。當(dāng)黃瓜開花后，在植株上方搭建遮陽網(wǎng)，形成光照強度約50 μmol·m-2·s-1的弱光環(huán)境。進(jìn)入結(jié)果期后（遮光后4 d），在弱光環(huán)境條件下，采用LED燈管進(jìn)行人工補光，光質(zhì)為白光，補光時間為30 d。以不補光為空白對照（CK），設(shè) 置T1（125 μmol·m-2·s-1）、T2（200 μmol·m-2·s-1）、T3（275 μmol·m-2·s-1）、T4（350 μmol·m-2·s-1）四個光強度補光處理，每日9 時開始，補光4 h。每個處理栽培13 桶，不同處理間懸掛銀黑色遮光布隔開，以保證各處理間互不干擾。燈管設(shè)于植株生長點正上方15 cm 處，根據(jù)實際補光情況和植株生長情況進(jìn)行補光高度調(diào)整。試驗期間，溫室內(nèi)晝夜氣溫白天（26.7±5.4）℃、夜間（14.5±4.5）℃，空氣相對濕度白天（69.4±14.5）%、夜間（98.6±1.3）%。補光15 d 后測定黃瓜植株生長指標(biāo)和生理參數(shù)，于補光后6、10、16和22 d測定收獲的果實品質(zhì)。

1.3 測定方法

1.3.1 生長指標(biāo)

使用游標(biāo)卡尺測量垂直于黃瓜子葉方向、子葉節(jié)下1 cm 處的粗度，代表莖粗。不同處理各選取3 株洗凈根系，去掉根尖和上部老根，剪成2 cm 長的碎段，稱取0.4～0.5 g，采用氯化三苯基四氯唑（TTC）比色法測定根系活力[15]。各處理另選長勢一致的植株，洗凈根系，擦干，殺青后放于75 ℃烘箱中烘干至恒重，測定整株干重。

1.3.2 光合生理指標(biāo)

選取各處理完全展開且葉位相同的功能葉片，采用便攜式光合測定系統(tǒng)（Li-6400，美國）于晴天上午進(jìn)行凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）等光合參數(shù)的測定。測定時葉室溫度控制在（30±1）℃，光強控制在1 000 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為（415±10）μmol·mol-1，相對濕度為60%～70%。

1.3.3 果實表型指標(biāo)

在黃瓜開花后10 d（補光后6 d）開始采摘。用電子天平稱量果實重量、直尺測定果實縱徑、游標(biāo)卡尺測定果實橫徑。每次采摘各處理選取3～5根黃瓜稱量鮮重后，置于75 ℃烘箱中烘干至恒重，稱量黃瓜干重。根據(jù)以下公式計算果實含水量（%）：含水量=（鮮重-干重）/鮮重×100。

1.3.4 果實品質(zhì)指標(biāo)

每次收獲采摘后，各處理隨機選擇6 根黃瓜進(jìn)行品質(zhì)測定。測定方法：可溶性糖含量，蒽酮比色法[16]；可溶性蛋白含量，考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[17]；有機酸含量，NaOH 滴定法[16]；可溶性固形物含量，手持折光儀測定法。

1.3.5 果實產(chǎn)量

果實采收期為補光處理后30 d，收獲后統(tǒng)計各處理的果實產(chǎn)量，計算增產(chǎn)率和單果重并核算成本。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2018 整理后，采用SPSS 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Duncan 法進(jìn)行多重比較，以最小顯著差數(shù)法（LSD）分析差異顯著性（P＜0.05），采用Origin 2021軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 補光強度對植株生長的影響

莖粗、根系活力和植株干重等是衡量植株生長狀況的重要指標(biāo)。由表1可以看出，與CK相比，結(jié)瓜期進(jìn)行補光處理對黃瓜植株莖粗、根系活力和植株干重有不同程度的提高，T1處理補光強度最弱，只有根系活力顯著增加。隨著補光強度的增加，與CK相比，T2處理根系活力差異顯著，莖粗、植株干重雖有增加但并不顯著。莖粗在T3處理時才表現(xiàn)出顯著差異。與CK相比，T4處理促進(jìn)黃瓜植株生長最為明顯，莖粗、根系活力、植株干重分別增加4.76%、307.32%、43.53%。

表1 補光強度對寡照下黃瓜植株生長的影響

2.2 補光強度對葉片光合作用的影響

光合作用是綠色植物吸收CO2制造有機物并釋放氧氣的過程，補光處理對葉片光合作用有一定的促進(jìn)作用。從表2 可以看出，隨著補光強度的增加，植株凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均有上升的趨勢。與CK 相比，T1、T2、T3和T4處理凈光合速率分別提高了32.62%、41.76%、68.97% 和84.27%，氣孔導(dǎo)度分別提高了63.46%、127.88%、130.77%和178.85%。與CK 相比，各補光處理蒸騰速率均顯著增加，但各處理間并無顯著差異。

表2 補光強度對寡照下黃瓜葉片光合作用的影響

2.3 補光強度對果實品質(zhì)的影響

2.3.1 果實可溶性糖含量

從圖1 可以看出，隨著補光天數(shù)的增加，黃瓜可溶性糖含量總體呈現(xiàn)下降趨勢。與補光處理相比，CK處理植株可溶性糖含量的下降趨勢更為明顯。與補光后6 d 相比，補光后22 d 時CK、T1、T2、T3和T4處理黃瓜可溶性糖含量分別降低39.28%、27.06%、24.96%、26.70%和18.15%。因此，補光處理對黃瓜可溶性糖含量的降低有遏制作用。

圖1 補光強度和時間對黃瓜可溶性糖含量的影響

隨著補光天數(shù)的增加，不同補光處理的黃瓜可溶性糖含量呈現(xiàn)出差異。從整體上看，隨著補光強度的增加，可溶性糖含量升高，即CK＜T1＜T2＜T3＜T4。在補光后16 d 差異最為顯著，與CK 相比，T1、T2、T3和T4處理可溶性糖含量分別提高了17.20%、19.58%、32.80%和52.65%。

2.3.2 果實有機酸含量

有機酸含量是黃瓜品質(zhì)的重要指標(biāo)，補光處理對黃瓜有機酸含量有一定的降低作用。從圖2可以看出，隨著補光天數(shù)的增加，黃瓜有機酸含量呈現(xiàn)下降趨勢。與補光6 d 相比，補光22 d CK、T1、T2、T3和T4處理有機酸含量分別下降了16.99%、22.44%、22.88%、24.89%和24.68%。隨著補光天數(shù)的增加，不同補光處理黃瓜有機酸含量表現(xiàn)出差異，與CK 相比，補光后16 d有機酸含量顯著降低。

圖2 補光強度和時間對黃瓜有機酸含量的影響

2.3.3 果實可溶性蛋白含量

可溶性蛋白含量是一個重要的生理生化指標(biāo)，反映黃瓜體內(nèi)生理代謝的強度，其含量對黃瓜的品質(zhì)有重要影響。從圖3 可以看出，隨著補光天數(shù)的增加，黃瓜可溶性蛋白含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。與補光后6 d 相比，補光后16 d 黃瓜可溶性蛋白含量顯著增加，T1、T2、T3和T4處理可溶性蛋白含量分別提高31.91%、41.23%、32.68%和32.42%。整體上看，補光處理的可溶性蛋白含量顯著高于CK，且隨著補光強度的增加，可溶性蛋白含量有增加的趨勢。

圖3 補光強度和時間對黃瓜可溶性蛋白含量的影響

2.3.4 果實可溶性固形物含量

由圖4 可以看出，隨著補光天數(shù)的增加，黃瓜可溶性固形物含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。與補光后6 d 相比，補光后16 d 黃瓜可溶性固形物含量明顯增加，CK、T1、T2、T3和T4處理黃瓜可溶性固形物含量分別提高了10.97%、30.04%、30.42%、48.64% 和37.04%。

圖4 補光強度和時間對黃瓜可溶性固形物含量的影響

整體上看，隨著補光強度的增加，可溶性固形物含量升高。與CK 相比，補光后10 d 各處理間開始具有顯著差異，T1、T2、T3和T4處理可溶性固形物含量分別提高了2.53%、5.49%、18.14%和23.63%。

2.4 補光強度對果實表型和產(chǎn)量的影響

由表3 可見，補光處理可以明顯促進(jìn)黃瓜植株生長，提高產(chǎn)量。T1、T2、T3和T4處理產(chǎn)量分別提高了55.67%、88.90%、109.59%和165.27%。與CK 相比，補光處理增加了果實縱徑，且隨補光強度的增加更為顯著。與CK 相比，補光處理對果實橫徑并沒有表現(xiàn)出顯著差異。隨著補光強度的增加，單果重稍有增加，但與CK 相比，T1、T2處理并無顯著差異，T3、T4處理有顯著增加。

表3 補光強度對黃瓜果實表型和產(chǎn)量的影響

2.5 寡照下補光成本與收益核算

式中，C為補光成本，F(xiàn)為補光電費，H為補光燈使用費，單位元；W為單根燈管每小時消耗電能，0.018 度；B為電價，0.528 3 元/度；T為補光時間，4 h·d-1；D為補光天數(shù)，30 d；n為每排燈管數(shù)量，7根；x為燈管排數(shù)，CK、T1、T2、T3、T4處理分別賦值0、1、2、3、4 排；d為補光燈單價，90 元；G為補光燈使用壽命，20 000 h。

式中，P為補光收益，Tr為總收益，單位元；X為果實單價，11.92元/kg；To為果實總產(chǎn)量，單位kg。

式中，K為單價電費收益，單位元/元。

由表4 可見，隨著補光強度的增加，補光成本逐漸升高。從補光收益上看，采用4 排28 根燈管收益最佳，與CK 相比，收益提高了75.30%。隨著補光燈管數(shù)的增加，單價電費各處理的收益呈現(xiàn)降低的趨勢，KT4＜KT3＜KT2＜KT1。

表4 寡照下補光成本與收益

3 討論與結(jié)論

光照強度直接影響黃瓜葉片的光合作用，弱光下葉片凈光合速率下降，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率降低，這與葉東奇等[18]對生菜進(jìn)行的LED 補光試驗中得出的結(jié)論一致。長期的弱光脅迫會削減植物吸收營養(yǎng)的能力，影響植株的光合作用并阻礙光合產(chǎn)物向根部的運輸，進(jìn)而影響植株生長。本試驗結(jié)果表明，CK 的黃瓜植株莖粗、植株干重、根系活力等生長指標(biāo)均低于補光處理，弱光環(huán)境限制了植株的生長。隨補光強度的增強，補光處理的黃瓜植株莖粗、植株干重、根系活力有所增加，表明補光對寡照下的黃瓜植株生長有一定的促進(jìn)作用。

弱光會造成黃瓜產(chǎn)量下降，一方面弱光使黃瓜葉片光合作用減弱，光合產(chǎn)物總量降低；另一方面，在寡照逆境下，黃瓜葉片光合產(chǎn)物向果實中的分配比例減少，向莖中的分配比例增加[19]，加劇了果實營養(yǎng)缺乏，進(jìn)而降低果實產(chǎn)量。本試驗結(jié)果表明，弱光條件下黃瓜產(chǎn)量較低，與CK 相比，補光處理顯著提高黃瓜的果實產(chǎn)量，增加果實縱徑和單果重，與蘇立芳等[20]的研究結(jié)論一致。隨著補光強度的增加，黃瓜增產(chǎn)率不斷提高，最高增產(chǎn)率達(dá)165.27%。與薛曉萍等[21]的研究結(jié)論一致，CK的果實可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均低于補光處理，表明弱光造成黃瓜產(chǎn)量下降的同時也會使果實品質(zhì)下降。補光處理可以起到改善果實品質(zhì)的作用，補光后黃瓜的可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均有提高，有機酸含量有所降低，這與王華碩[22]的研究結(jié)論相似。趙玉萍等研究發(fā)現(xiàn)，不同的溫度和光照強度對溫室番茄光合作用及果實品質(zhì)有顯著影響，光照強度越大，番茄果實的品質(zhì)越好[23]。本試驗結(jié)果也表明，補光強度愈強，黃瓜果實品質(zhì)越佳。

通過核算，T4處理（350 μmol·m-2·s-1）效益最高，增產(chǎn)率為165.27%，黃瓜品質(zhì)較CK 也有顯著改善，為本試驗條件下最適合的補光強度。同時也發(fā)現(xiàn)，隨著補光強度的增加，單位電價下各補光處理的收益呈下降趨勢。這表明高收益是以高資源浪費為代價，電力資源在高補光強度的處理中并未得到充分利用。另外，T4處理（350 μmol·m-2·s-1）為本試驗最高補光處理，再提高補光強度是否還會進(jìn)一步促進(jìn)黃瓜植株生長、提高果實產(chǎn)量、改善果實品質(zhì)、提高經(jīng)濟效益仍未可知，因此仍需進(jìn)一步試驗探究。生產(chǎn)上建議黃瓜結(jié)果期可采用LED 燈進(jìn)行補光處理，有利于提高果實產(chǎn)量、品質(zhì)。一定光照強度內(nèi)，果實產(chǎn)量、品質(zhì)、收益與光照強度成正比。