散射光對設施番茄生長及產量的影響

周 易,周 清*,鄭可欣,趙淑梅,王平智,陳小文,張雪松

(1.中國農業(yè)大學 水利與土木工程學院/農業(yè)部 設施農業(yè)工程重點實驗室,北京 100083; 2.北京中農富通園藝有限公司,北京 101107)

目前,設施園藝生產主要是在日光溫室進行的[1],通過太陽直射光促進植株生長發(fā)育并開花結果。根據Lambert-Beer定律,光強度通常從冠層頂部到底部呈指數下降[2]。因此,在日常溫室生產中,尤其是在高密度種植下,直射光在植物冠層中分布不均勻,冠層上層接受的光照強,葉溫升高,葉片蒸騰作用加快,水分流失而干枯[3]；中、下部由于缺少光照而出現葉片早衰、黃化、病害等,在一定程度上會影響作物生長和產量。

日光溫室通過覆蓋散射光薄膜,將直射光轉變?yōu)樯⑸涔?通常在覆蓋材料制作過程中加入一些粒子,使其與基本材料的折射率不同,當透射光通過這些粒子時,原始運動方向發(fā)生改變,從而在溫室內形成散射光。散射光相比于直射光在植物冠層分布更加均勻[4],植株中、下部都能接受光照,有利于植物的生長發(fā)育。

番茄是我國乃至世界最重要的園藝產品之一,設施番茄果實生長膨大是產量形成的關鍵,這除與番茄品種等因素有關外,還與設施內環(huán)境密切相關[5]。目前國內外關于散射光對番茄生長品質影響的研究較少,其中,荷蘭瓦克林根大學園藝所開辟了散射光研究的先河。Hemming S等[6]通過研究發(fā)現:與直射光相比,作物產量在散射光的作用下能得到提高,果實數量增加了7.8%,果實重量提高了4.8%,但制造散射光的覆蓋材料下的溫室內光照減少了4%,這意味著如果沒有光的損失,則試驗結果可能會更好。李濤等[7]通過對覆蓋3種不同散射光玻璃(霧度分別為0%、45%、71%)溫室中番茄的生長進行研究,確定了散射光能增強植物光合作用的4個主要因素。近幾年來,中國農業(yè)大學農業(yè)部設施農業(yè)工程重點實驗室的孫士景[8]、范冰琳[9]以及寧夏吳忠國家農業(yè)科技園區(qū)的武志興[10]等通過開展散射光對設施園藝作物生長影響的試驗,初步得到散射光能促進作物生長、提高產量的結論。

在設施園藝生產中,往往通過提高種植密度來達到增產的目的。而當種植密度過高時,種植環(huán)境會出現光照弱、溫度低、風速小、空氣濕度大等現象[11]。此外,高密度種植的植株通常具有不合理的冠層結構,導致種群內光的透射率下降而引起不均勻的光分布,冠層上層的葉片處于強光環(huán)境中,下層處于極度缺光中,進而影響單株的光能截獲和利用,不利于植株進行光合作用[12]。因此,研究散射光下不同密度種植對番茄植株群體的影響,可以為日光溫室內高密度種植番茄提供參考。

散射光在設施園藝中對植物生長起著重要的作用。而我國對散射光在設施栽培中的應用研究較少。因此我們研究了散射光對設施番茄生長及產量的影響,探究了散射光能否改善由高密度種植引起的番茄生長不佳、產量低等問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗的供試蔬菜為番茄,品種為貝斯。供試薄膜采用EVA消霧、防老化薄膜,厚度0.1 mm,平均透光率在90%左右,由博祿貿易(上海)有限公司提供。經農業(yè)部設施農業(yè)工程重點實驗室檢測,普通對照薄膜平均霧度為21%,在本試驗中呈直射光效果；散射光試驗薄膜平均霧度為30%,在本試驗中呈散射光效果。

1.2 試驗設計

試驗于2016年10月1日至2017年6月31日在北京國際都市農業(yè)科技園2棟日光溫室內進行。試驗區(qū)域東西方向長度為30 m,凈跨度為6.5 m。溫室內番茄采用槽式栽培方法,每個溫室中共30個南北方向的槽,每個槽內栽植2行,槽寬為0.4 m,槽間距為0.6 m。在2016年10月1日至2016年12月3日期間,低密度區(qū)域種植密度為5.5株/m2,高密度區(qū)域種植密度為6.5株/m2；在2016年12月4日至2017年6月31日期間,低密度區(qū)域種植密度調整為3.6株/m2,高密度區(qū)域種植密度調整為4.3株/m2。

在溫室內4個試驗區(qū)域中間部分隨機選取15株作為試驗對象,在另一個溫室內相同位置處選取15株作為對照。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 環(huán)境指標 用光合有效輻射傳感器測量溫室內植株上層(距離地面2.00 m)、中層(距離地面0.85 m)和下層(距離地面0.20 m)的光合有效光子密度(PPFD),設定每10分鐘記錄1個均值；在定植后30 d時開始測量,一直測量至番茄拔秧。

1.3.2 生理性狀 采用卷尺測量番茄植株自土壤表面到生長點的距離。采用游標卡尺測量植株莖粗,測點為植株第一、二、三花序下方2 cm處,并取平均值作為該株番茄的莖粗；用游標卡尺測量子葉生長節(jié)位下方1 cm處莖粗，作為苗期莖粗。采用葉綠素計SPAD-502(KONICA MINOLTA, Japan)測定植株冠層上、中、下層葉片的葉綠素含量(SPAD值)。以上指標均在每個處理區(qū)測量15株,每隔10 d左右測1次數據。番茄植株上、中、下層葉片葉綠素a、葉綠素b含量的測定采用分光光度法,參考王英典(2001)[12]的方法并稍加改進。

1.3.3 坐果數、產量 在2016年11月25日左右,番茄植株開始坐果；自該日期開始,每隔10 d左右調查1次番茄植株的坐果數,每個處理調查15株,取平均值作為該處理下番茄在此調查期前的坐果數。自2017年1月22日番茄開始收獲；自開始收獲至拔秧期間,稱量、記錄每次采收果實的數量和質量。

1.4 數據處理

所有的試驗均設計重復(至少3次)并計算平均值,圖表中的誤差線表示標準偏差。應用Microsoft Excel軟件分析試驗數據,并進行成組資料的t檢驗(α=0.05)。需先對試驗數據的正態(tài)性和方差齊性進行檢驗,滿足t檢驗分析條件后方可進行t檢驗。

2 結果與分析

2.1 冠層垂直方向PPFD

以2016年11月19日(晴天)溫室內植株冠層上、中、下三層的PPFD為例,探究散射光下冠層垂直方向的光分布情況。群體種植的冠層PPFD值會隨著冠層高度的變化而變化,一般無遮蔭的上層PPFD值最大,相當于入射光的PPFD值。由圖1A可以看出,直射光溫室和散射光溫室內植株上層PPFD值在0.05水平下不存在顯著性差異。以各溫室冠層上層的PPFD值為100%,對冠層中層和下層PPFD值占上層PPFD值的比例作圖(圖1B),可以發(fā)現,散射光下植株冠層中、下部的PPFD值顯著高于直射光下的,可見散射光有利于冠層垂直方向上形成更均勻的光分布,有利于提高植株中下部葉片的光合作用能力。這與Braak N V[12]的研究結果一致。

2.2 番茄植株的農藝、生理性狀

2.2.1 株高和莖粗 從圖2A和圖2B可以看出：在定植初期,直射光與散射光下的番茄株高差異不顯著;隨著番茄植株變高,不管是低密度還是高密度種植,散射光下番茄的株高均顯著高于直射光下的。由圖2C和圖2D可見：直射光與散射光下番茄植株莖粗的差異不顯著,這可能與小果型的番茄植株莖粗過小、生長較慢有關；在低密度種植下的番茄生長后期,直射光與散射光下的植株莖粗已經逐漸出現顯著性差異(P<0.05),說明隨著時間的推移,莖粗較小的番茄品種也會在散射光下呈現較好的長勢。

A:植株上層PPFD的日變化(2016年11月19日);B:植株冠層中、下層相對PPFD值。

A:低密度番茄株高;B:高密度番茄株高;C:低密度番茄莖粗;D:高密度番茄莖粗。相同日期下不同字母表示在0.05水平下差異顯著。

2.2.2 冠層葉片葉綠素含量(SPAD) 目前,測定葉片葉綠素含量常利用便攜式葉綠素測定儀,此法不破壞植物葉片,且不受時間、氣候等條件的限制,能夠快速測量綠色植物單位面積葉片當前葉綠素的相對含量[13],即SPAD值。根據相關研究,葉綠素含量和葉片對500～750 nm間波長的透射系數或反射系數有高度相關性[14]。低、高密度種植的番茄植株上、中、下三層葉片葉綠素含量測定結果如表1所示,可以發(fā)現,低、高兩個密度種植的番茄葉片葉綠素含量呈現相似的變化趨勢：在12月4日之前,散射光下番茄葉片葉綠素含量較高,而且隨著時間的推進,散射光下植株冠層中部葉片葉綠素含量顯著高于直射光下的,且一直保持這種優(yōu)勢。

2.2.3 冠層葉片的生化指標 由表1中的SPAD值可以發(fā)現，散射光下番茄植株中、下部葉片葉綠素含量較多。為了更直接地了解光合色素的變化,研究了冠層葉片的生化指標,由表2可知,在低、高兩個種植密度區(qū)域內,散射光下的中下層葉片色素含量顯著高于直射光下的(P<0.05)。葉綠素a/葉綠素b的值可以反映葉片光合作用能力的大小,其值越大,則葉片光合作用能力越強。從表2還可以發(fā)現，直射光和散射光下番茄植株上層葉綠素a/葉綠素b無顯著性差異,而中、下層均存在顯著性差異(P<0.05),且散射光下葉綠素a/葉綠素b值更高。

表1 散射光對不同種植密度番茄葉片葉綠素含量(SPAD值)的影響

注:每行中不同字母表示在0.05水平下差異顯著。下同。

表2 散射光對不同種植密度番茄葉片生化指標的影響

2.3 番茄坐果數及產量

北京通州日光溫室內的番茄于2016年11月25日第一穗花開始坐果,于2017年1月中下旬開始采摘,對試驗區(qū)番茄的坐果數和果實的產量進行了統(tǒng)計。如表3所示,散射光薄膜下植株的坐果數顯著高于直射光薄膜下的,并且隨著時間增長,散射光下植株的坐果數呈現更好的優(yōu)勢。

番茄植株的產量如圖3所示,統(tǒng)計了從番茄果實成熟到番茄植株拉秧期間收獲的果實產量,散射光下的產量呈現出較好的優(yōu)勢,與直射光相比,散射光下,低、高密度種植區(qū)的番茄產量均有提高,分別增產5.5%和12.9%。

表3 散射光對番茄坐果數的影響 個

圖3 散射光對番茄產量的影響

3 討論

本研究結果表明:兩個溫室間番茄植株上層的光照強度無顯著差異,而在散射光下植株中、下層的光照強度顯著高于直射光下的,說明散射光提高了番茄冠層的光分布。這與李濤等[4]的研究結果一致。直射光在作物中透射并多次反射,形成光斑,使得作物冠層上部接受的光照強；而作物中、下部缺少光照,散射光能在作物中形成不同角度的透射,使作物中、下層接受光照。冠層的光照分布會影響作物的光合作用[15-16]；Urban等[17]認為散射光下植物光合作用效率提高的最重要原因是冠層更均勻的垂直光分布。因此散射光的應用有利于增強作物中、下部葉片的光合作用。

對番茄植株生長性狀的研究結果表明:散射光下番茄植株的生長狀態(tài)更為優(yōu)良,植株高,莖粗大,長勢好。孫士景等[8]、范冰琳等[9]也通過研究發(fā)現,散射光能有效促進植物的生長發(fā)育。由于散射光提高了空間光分布,植株的光合作用能力增強,光合產物積累增多,因此生長也更為充實。

在本研究中，散射光下的番茄中、下部葉片葉綠素含量更高,且葉綠素a/葉綠素b的值顯著高于直射光下的。葉綠體中的色素都能吸收光能,但只有少數特殊狀態(tài)下的葉綠素a才有轉化光能的作用[18-19]。葉綠素a在紅光部分的吸收帶較寬,所以葉綠素a含量的相對提高(葉綠素b含量的相對減小)可以提高植物對紅光的利用效率[20]。當葉綠素a+葉綠素b的值一定時,葉綠素a越多,則對紅光的利用率越高,光合產物越多[21]。此外,本次試驗中葉綠素a/葉綠素b的值均接近3∶1,這與相關教科書和資料上所述的結果“葉綠素a和葉綠素b的含量比約為3∶1”[22]一致,說明本試驗的結果具有準確性。

本次試驗產量結果表明:與直射光相比,散射光下,高、低密度種植區(qū)的番茄產量均有提高。散射光在一定種植密度范圍內,更適合高密度種植條件。關于散射光應用效果與種植密度的關系也需要開展進一步的試驗研究。

4 結論

散射光相比于直射光,更能促進番茄植株的生長。散射光提高了番茄植株冠層中、下部的光照強度及葉片葉綠素含量,使得葉片具有較高的葉綠素a/葉綠素b值。同時散射光能提前番茄植株的開花期和坐果期,顯著增加番茄植株的產量。這為提高設施番茄的產量提供了一條新的途徑。

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