人工補光在促進設(shè)施瓜果生產(chǎn)上的應(yīng)用探討

楊碧云，徐 永，陳藝群（.福建農(nóng)林大學機電工程學院，福建福州 50002；2.福建工程學院計算機科學與數(shù)學學院，福建福州 508；.福建省中科生物股份有限公司，廈門 600）

相比于傳統(tǒng)的露地栽培，設(shè)施栽培是通過綜合應(yīng)用工程裝備技術(shù)對設(shè)施環(huán)境中的光照、溫度、濕度等進行調(diào)控的一種作物種植方式。設(shè)施栽培方式通過營造適合蔬菜生長的環(huán)境條件，從而實現(xiàn)蔬菜的增產(chǎn)提質(zhì)和周年供應(yīng)，因此深受廣大農(nóng)業(yè)種植者的青睞[1-2]。中國是設(shè)施蔬菜栽培面積大國，目前在設(shè)施溫室中廣泛栽培的蔬菜種類主要有瓜類和茄果類，其中瓜類主要包括黃瓜、苦瓜、絲瓜、節(jié)瓜、西葫蘆、冬瓜及佛手瓜等，而茄果類主要包括番茄、茄子、辣椒等[1]。為方便起見，在接下來的敘述中本文將瓜類和茄果類蔬菜統(tǒng)稱為瓜果類。

受溫室骨架和作物冠層結(jié)構(gòu)遮擋、不良天氣等影響，設(shè)施栽培具有光照弱且分布不均勻等缺點，嚴重影響了蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量。尤其在中國北方地區(qū)，由于陰霾天較多，經(jīng)常出現(xiàn)光照嚴重不足的情況，導致瓜果類蔬菜生長發(fā)育不良、果實著色不均、品質(zhì)變差和產(chǎn)量降低等問題，造成嚴重的經(jīng)濟損失[2-3]。因此，人工補光已經(jīng)成為當前設(shè)施栽培瓜果類蔬菜高品質(zhì)和高產(chǎn)量生產(chǎn)的關(guān)鍵措施之一。人工補光是通過在設(shè)施中安裝補光系統(tǒng)，增加作物生長環(huán)境中的光照強度或延長光照時間來滿足植物對光照的需求，從而促進植物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升[4-5]。在人工補光過程中，主要涉及到光源選擇、光照強度、補光時間、補光位置以及補光效益等問題，本文將以人工補光如何促進設(shè)施瓜果類蔬菜的高品質(zhì)和高產(chǎn)量生產(chǎn)為主題，從上述5個方面對設(shè)施栽培瓜果類蔬菜的補光實踐進行探討，以期為瓜果類蔬菜的人工補光提供實踐經(jīng)驗的總結(jié)與推廣應(yīng)用建議。

光源選擇

目前市場上用于植物人工補光的光源主要有高壓鈉燈和LED燈，二者都具備一般植物必需的光譜成分和功率。其中，高壓鈉燈因具有制造成本低、電光轉(zhuǎn)換效率高、光譜成分集中在黃橙光波段等優(yōu)點，而在農(nóng)業(yè)設(shè)施補光中廣泛應(yīng)用。但由于其光譜成分缺少植物生長必須的紅藍光波段，以及在使用過程中會產(chǎn)生很多熱量，造成能效較低、溫室冷卻成本增加等短板。作為溫室補光中最理想的光源，具有冷光源特性的LED補光燈不僅具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、更高的電光轉(zhuǎn)換效率等諸多特點，還能實現(xiàn)光譜可調(diào)，可以根據(jù)植物生長發(fā)育的需求精準地調(diào)制光質(zhì)、光強和光周期等，應(yīng)用場景廣泛，并已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)補光的主流光源[4]。

但LED燈價格較高，因此，在一些設(shè)施中，也存在將高壓鈉燈頂補光和LED植株間照明相結(jié)合進行混合補光的系統(tǒng)[6]。此外，在一般照明用的寬光譜LED光源基礎(chǔ)上，適當?shù)卦黾幼贤夤狻⒓t光或遠紅光成分，也可以起到促進植物體內(nèi)有效物質(zhì)積累的功效。研究發(fā)現(xiàn)，紅光處理能顯著提高番茄果實碳水化合物含量，并可以促進番茄紅素的合成積累[7-8]。而王英利等[9]研究發(fā)現(xiàn)，低劑量 UV-B（0.54 kJ/m2/天）照射番茄也能提高番茄紅素的含量，但劑量太高（＞0.71 kJ/m2/天）則起相反作用。因此，如果所種植的植物種類相對固定，則可以根據(jù)該植物的光照需求，定制專用LED燈作為照明光源。

光照強度

根據(jù)植物對光照強度的要求可將其分為喜光型、喜中光型和耐弱光型植物[10]。而瓜果類蔬菜大多屬于喜光型植物，其光補償點和光飽和點均比較高。例如，作為瓜果類蔬菜的典型代表植物，也是中國設(shè)施栽培的主要作物種類，黃瓜和番茄均屬喜光喜溫作物，其光補償點分別約為51 μmol/(m2·s)和53 μmol/(m2·s)，光飽和點分別 在1421 μmol/(m2·s)和1985 μmol/(m2·s)以上[3]。在番茄整個生長發(fā)育過程中，充足的光照條件有利于提高葉片進行充分光合作用的能力，提高植株的生長勢頭，從而促進番茄果實中碳水化合物、類胡蘿卜素和番茄紅素的合成積累，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的果實[11]。反之，在弱光條件下，將導致嚴重的秧苗徒長、光合產(chǎn)物總量降低、果實營養(yǎng)缺乏及抗病蟲害能力下降等異常現(xiàn)象。因此，一般情況下，當光照強度低于1.5倍植株的光補償點時，就要考慮啟動補光系統(tǒng)，以維持植株的正常生長發(fā)育。

補光時長

目前的研究表明，補光在甜椒、番茄等作物的增產(chǎn)提質(zhì)上作用顯著，但不同時段的補光時長對于瓜果類蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)有不同的影響。郝東川[2]等采用紅藍組合LED燈對設(shè)施栽培瓜果類蔬菜（苦瓜、絲瓜、節(jié)瓜、番茄、辣椒、紫長茄）全生育期進行夜間補光6 h (18:00～24:00)，結(jié)果表明夜間補光顯著增加了瓜類蔬菜的主蔓雌花數(shù)，提高了單果質(zhì)量和產(chǎn)量，其中節(jié)瓜表現(xiàn)最為顯著，其單果質(zhì)量和產(chǎn)量分別提高了5.3%和15.6%。此外，黃媛[12]等對秋冬茬設(shè)施栽培番茄進行不同的補光處理，并利用模糊Borda法進一步綜合了灰色關(guān)聯(lián)法、信息量權(quán)重評價法、基于熵值法的TOPSIS評價這3種評價方法的排名和序值信息，結(jié)果表明，蓋棉被后補光6 h為番茄綜合評價中的最優(yōu)補光方案。

盡管夜間補光能達到良好的增產(chǎn)增質(zhì)效果，但張洋等[13]研究發(fā)現(xiàn)，早晨揭簾前補光5 h的效果顯著優(yōu)于晚上蓋簾后補光5 h或者早晨揭簾前、晚上蓋簾后各補光2.5 h，表明早晨對番茄進行補光處理可以促進番茄果實干物質(zhì)的積累，提高番茄紅素含量，改善番茄的獨特風味。這與程瑞峰[14]等在黃瓜上和柳帆紅[15]等在番茄上的研究結(jié)果相同，可提高果實的風味和品質(zhì)。這說明相比夜間補光，早晨進行補光時的效果更佳。這是由于早晨溫室內(nèi)高濃度的CO2可以使葉片更好地進行光合作用，通過有機物的有效積累，進而改善果實品質(zhì)，提高產(chǎn)量。

補光位置

補光位置差異對瓜果類蔬菜的生長發(fā)育有一定的影響。人工光源的安裝位置一般有兩種，其中頂部補光簡單而實用，只要將所需的LED燈均勻地安裝在植物的葉冠之上即可；而株間補光則是基于株間的需光條件差異而建立的立體補光環(huán)境[3]。瓜果類蔬菜一般都屬于大型冠層作物，其產(chǎn)量與總光照截獲量密切相關(guān)，特別是在作物進入成株之后，會因葉片遮擋嚴重而出現(xiàn)光合效率顯著降低的現(xiàn)象[16]。如果在頂部補光的基礎(chǔ)上，再增配株間立體補光系統(tǒng)，那么中下部具有活力的葉片也能更好地進行光合作用，促進有機物質(zhì)的積累。張盼[17]以設(shè)施黃瓜為材料，進行無補光對照、株間立體補光及冠層補光實驗處理，結(jié)果表明，相比無補光對照，立體補光后的黃瓜產(chǎn)量、可溶性固形物含量、可溶性糖含量及VC含量都有所提高。這一結(jié)果表明，立體補光可以提高光能利用率，增強黃瓜植株的光合作用能力，從而促進了黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。為解決冠層新生葉光抑制及株間功能葉位光照不足的問題，張仲雄[18]設(shè)計了基于植株需光差異特性的設(shè)施黃瓜立體光環(huán)境智能調(diào)控系統(tǒng)，并通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)智能控制子系統(tǒng)、冠層-株間LED補光子系統(tǒng)、冠層-株間環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)和補光燈升降子系統(tǒng)間的無線通信與協(xié)調(diào)控制。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)冠層補光區(qū)，立體補光區(qū)黃瓜植株平均株高、莖粗、產(chǎn)量和經(jīng)濟效益分別增長了8.03%、7.24%、0.28 kg/m2和4.88 元/m2，說明立體光環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)能夠提高種植的經(jīng)濟效益，具有推廣應(yīng)用價值（圖1～2）。

圖1 利用LED燈進行設(shè)施番茄株間補光

圖2 利用LED燈進行設(shè)施黃瓜株間補光

補光效益

與傳統(tǒng)栽培模式相比，設(shè)施溫室內(nèi)采用人工光照明進行補光，運行過程中需要消耗較高的補光能源[4]。因此，隨著補光強度的增加，雖然瓜果類蔬菜在設(shè)施溫室的光合作用速率、生長速度、產(chǎn)量和品質(zhì)都有所提高了，但生產(chǎn)成本也相應(yīng)增加了。張文晶[19]等在弱光設(shè)施環(huán)境下，采用LED白光燈頂部補光的方式，設(shè)置125、200、275、350 μmol/(m2·s) 四個光照強度在黃瓜結(jié)果期進行補光處理后，試驗結(jié)果表明在補光強度為350 μmol/(m2·s)條件下，補光成本以及補光效益均最高，同時果實品質(zhì)最佳，增產(chǎn)率達到165.27%，為本試驗條件下最適合的補光強度。但再提高補光強度是否還會進一步改善果實品質(zhì)、提高經(jīng)濟效益仍未可知，仍需進一步試驗探究。此外，宋羽[20]在番茄果實成熟期，以白+藍組合光（W:B=2:1)為補光燈，設(shè)置100、200、300、400 μmol/(m2·s)四個光照強度從冠層的底部進行設(shè)施補光處理，結(jié)果表明隨光強的增加，耗電量明顯上升，在400 μmol/(m2·s)條件下，其耗電量比100 μmol/(m2·s)時增加了125.2%。但由于最終果實產(chǎn)量并不與光強成正比，在300和400 μmol/(m2·s)條件下，隨著耗電成本的增加，其投入回報率均小于1。在200 μmol/(m2·s)條件下，補光效益最好，其投入回報率為1.24，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)施番茄栽培的增產(chǎn)提質(zhì)。因此，種植者應(yīng)根據(jù)已有的客觀條件，充分利用光照有效性，設(shè)計出最佳的補光方案，使補光效益真正在設(shè)施瓜果類蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)上直接體現(xiàn)出來。此外，除了人為創(chuàng)造適合的光照環(huán)境，還應(yīng)通過控制溫度和濕度、適量增施CO2，合理安排種植茬口和種植密度，創(chuàng)造適合設(shè)施瓜果類蔬菜生長的環(huán)境條件，才能產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益。

總結(jié)

綜上所述，在設(shè)施瓜果類蔬菜種植過程中，種植者應(yīng)該根據(jù)設(shè)施類別、作物種類、生長階段、當?shù)毓庹諚l件和投入產(chǎn)出比等因素進行綜合考慮，選擇適合的補光方案和補光系統(tǒng)。在實際生產(chǎn)中，種植者還需要綜合調(diào)控設(shè)施溫室中的其他各項環(huán)境因素，完善種植者本身具備的栽培技術(shù)，使得將光能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量和品質(zhì)的能力達到最佳，獲得更高的產(chǎn)出效益。此外，作為新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，設(shè)施栽培的補光技術(shù)仍處于探索和成長階段，需要投入更多的人力進行深入研究和推廣應(yīng)用。