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      補光強度對設(shè)施寡照下黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

      2021-09-12 01:28:16張文晶阮梓健楊威郭世榮
      南方農(nóng)業(yè)·上旬 2021年8期
      關(guān)鍵詞:設(shè)施栽培弱光品質(zhì)

      張文晶 阮梓健 楊威 郭世榮

      摘 要 黃瓜是我國設(shè)施栽培的主要作物之一。我國南方地區(qū)冬春季受持續(xù)陰雨寡照天氣的影響,保護(hù)設(shè)施內(nèi)弱光問題嚴(yán)重,對設(shè)施作物生育、產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴(yán)重的不良影響。本試驗通過搭建遮陽網(wǎng)設(shè)施,模擬冬春季長江中下游地區(qū)溫室內(nèi)的弱光、寡照,形成光照強度約50 μmol·m-2·s-1的弱光環(huán)境,采用LED燈補光,設(shè)置125、200、275、350 μmol·m-2·s-1四個光強度在黃瓜結(jié)果期進(jìn)行補光處理,研究補光強度對設(shè)施寡照下黃瓜植株生長、光合、果實產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明,補光對設(shè)施寡照下植株生長有促進(jìn)作用,莖粗、植株干重、根系活力等有顯著提高;補光能顯著增加黃瓜產(chǎn)量、改善品質(zhì),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,且補光越強果實品質(zhì)越佳。與CK相比,350 μmol·m-2·s-1補光處理產(chǎn)量提高165.27%,效益較好,果實品質(zhì)有顯著改善,為本試驗條件下最適的補光強度。

      關(guān)鍵詞 黃瓜;設(shè)施栽培;弱光;補光強度;產(chǎn)量;品質(zhì)

      中圖分類號:S642.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.22.008

      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%。

      數(shù)據(jù)為3個及以上生物學(xué)重復(fù)的平均值(±SE),同列數(shù)據(jù)不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著,下表同

      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。

      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。

      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

      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。

      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。

      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%。

      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。

      2.5? 寡照下補光成本與收益核算

      C=F+H=W*B*T*D*n*x+d*n*x*T*D/G

      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。

      P=Tr-C,Tr=X*To

      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。

      K=P/F

      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

      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。

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      (責(zé)任編輯:丁志祥)

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