補(bǔ)光方式對(duì)設(shè)施越冬番茄生長(zhǎng)發(fā)育的影響

尤杰，張宇陽(yáng)，浦 敏，徐志剛

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇 南京 210095; 2.蘇州紐克斯電源技術(shù)股份有限公司，江蘇 蘇州 215143)

引言

番茄(Lycopersiconesculentum，Mill.)是我國(guó)重要的設(shè)施栽培作物，除營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外，還具備優(yōu)良的觀賞價(jià)值，我國(guó)是世界上番茄栽培面積最大的國(guó)家，番茄在蔬菜量占比7.1%[1，2]。長(zhǎng)江中下游地區(qū)太陽(yáng)輻射較低，近50年來(lái)光合有效輻射呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)，江蘇地區(qū)日照時(shí)數(shù)降低趨勢(shì)較為明顯[3，4]，我國(guó)設(shè)施大部分以日光溫室為主，結(jié)構(gòu)不合理和棚膜老化等因素嚴(yán)重影響番茄生產(chǎn)[5, 6]。綜上，發(fā)展設(shè)施番茄補(bǔ)光生產(chǎn)，特別是越冬番茄補(bǔ)光生產(chǎn)，對(duì)解決長(zhǎng)江中下游地區(qū)的番茄供應(yīng)具有重要意義。研究表明不同光源均能顯著改善番茄幼苗植株形態(tài)和全株干物質(zhì)量的積累[7]，不同類型的補(bǔ)光燈(熒光燈、HPS、LED)對(duì)草莓果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)也有顯著的影響[8]。當(dāng)前HPS和LED都屬于溫室補(bǔ)光中優(yōu)質(zhì)光源的選擇，根據(jù)自身需求種植者開(kāi)發(fā)了頂部HPS、頂部HPS+株間LED，頂部LED以及頂部LED+株間LED四種溫室補(bǔ)光系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)HPS和LED的補(bǔ)光效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，HPS和白紅藍(lán)(W∶R∶B=1∶2∶1)LED兩者都促進(jìn)了移植番茄幼苗的生長(zhǎng)，LED大于HPS處理組，并且LED對(duì)根部的生長(zhǎng)效果優(yōu)于HPS等其他補(bǔ)光處理[9]，劉文科等[10]發(fā)現(xiàn)相同光強(qiáng)HPS和LED(R∶B或者R)對(duì)番茄的產(chǎn)量影響差異不顯著。但是，與頂部HPS補(bǔ)光相比，用頂部HPS+株間LED和頂部LED在秋季生長(zhǎng)周期中種植的黃瓜產(chǎn)量更高，并且果實(shí)質(zhì)量更加平衡[11]。隨著植物補(bǔ)光研究深入，補(bǔ)光生產(chǎn)理論不斷豐富，但是對(duì)于實(shí)際補(bǔ)光生產(chǎn)的理論研究較少，特別是對(duì)于設(shè)施越冬番茄補(bǔ)光生產(chǎn)而言，本試驗(yàn)從設(shè)施越冬番茄的補(bǔ)光生產(chǎn)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)越冬番茄長(zhǎng)期補(bǔ)光照射，探究番茄補(bǔ)光增產(chǎn)機(jī)理和果實(shí)品質(zhì)變化，以期推進(jìn)補(bǔ)光從理論到實(shí)踐過(guò)渡，解決長(zhǎng)江中下游冬季番茄供應(yīng)問(wèn)題，填補(bǔ)越冬番茄補(bǔ)光種植的理論空白，為種植者奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試品種

試驗(yàn)品種選擇“普羅旺斯(Provence)”雜交一代番茄品種，無(wú)限生長(zhǎng)型粉果，適宜冬，春茬口椰糠巖棉基質(zhì)栽培品種。

1.2 試驗(yàn)燈具

頂部補(bǔ)光: 功率均為150 W的高壓鈉燈HPS和LED(W∶R=4∶1 燈珠比)。

株間補(bǔ)光：功率為40 W株間LED(R∶B=2∶1 燈珠比)，長(zhǎng)度為2.5 m。

1.3 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018年11月在蘇州紐克斯智慧農(nóng)場(chǎng)(120.53°E，31.47°N)中進(jìn)行。為達(dá)到冬季保溫效果，在原單體連棟溫室中建造鋼結(jié)構(gòu)小拱棚(長(zhǎng)、寬、高分別是25 m、6.5 m、3 m)種植環(huán)境，使用遮光簾將小拱棚平均分為5個(gè)種植區(qū)域包含4個(gè)補(bǔ)光處理和1個(gè)空白對(duì)照。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年10月17日采用穴盤式育苗，育苗基質(zhì)細(xì)粒椰糠。11月23日，待幼苗長(zhǎng)到5葉1心，選取莖干粗壯、長(zhǎng)勢(shì)整齊的幼苗進(jìn)行移栽，所有處理均采用長(zhǎng)100 cm、寬20 cm、高12 cm的細(xì)粒椰糠種植包進(jìn)行試驗(yàn)，株間距0.25 m，行間距1 m。番茄一穗留果4～5個(gè)，待第四穗完全坐果后，掐尖。從番茄初花期(12月20日)后開(kāi)始補(bǔ)光，到第四穗果采收(5月23日)，根據(jù)番茄生育期調(diào)整補(bǔ)光時(shí)間，12月20日～3月23日,補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)為279 h(8:30—10:30、16:30—17:30)，3月24日—5月23日，補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)為120 h(8:30—10:00、17:00—17:30)。

本試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)不同補(bǔ)光方式和1個(gè)空白對(duì)照組(CK)，分別為頂部HPS補(bǔ)光(H)、頂部LED補(bǔ)光(L)、頂部HPS+株間LED燈(HL)以及頂部LED+株間LED(LL)，頂部補(bǔ)光燈排布圖如圖1、圖2所示，本試驗(yàn)將小拱棚平均分割為5個(gè)區(qū)，單個(gè)區(qū)域面積5 m×6.5 m，每個(gè)區(qū)域種植番茄90株。

圖1 不同燈具的光譜分布Fig.1 Spectral distribution of different lamps

圖2 試驗(yàn)組頂部補(bǔ)光燈排布圖Fig.2 Layout of top supplemental lighting lamps on the test group

2 測(cè)試指標(biāo)

2.1 產(chǎn)量和植株形態(tài)測(cè)量

用商用電子秤(精確度為0.01 kg)測(cè)量番茄的小區(qū)產(chǎn)量、單株產(chǎn)量，其中單株產(chǎn)量為隨機(jī)選取5株番茄的產(chǎn)量平均值，單果重用電子天平(精確度為0.01 g)稱量。

實(shí)際單株產(chǎn)量(kg)=試驗(yàn)小區(qū)總產(chǎn)量/該小區(qū)有效株數(shù)

單功率產(chǎn)出 (kg·kW-1)=試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)量提高量/該燈具總功率

用卷尺(精確度為0.1 cm)測(cè)量番茄株高、節(jié)間長(zhǎng)度，電子游標(biāo)卡尺(精確度為0.1 mm)測(cè)量番茄的莖粗。

2.2 葉片光合參數(shù)測(cè)定

每個(gè)處理選取5株番茄生長(zhǎng)點(diǎn)以下第3片完全展開(kāi)功能葉，熒光參數(shù)使用LI-6400XT(USA)熒光葉室進(jìn)行測(cè)量。光合參數(shù)使用LI-6400XT(USA)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定條件：光合光量子通量密度300 μmol·m-2·s-1，光合儀流速設(shè)定為300 μmol·mol-1，二氧化碳濃度為390±10 μmol·mol-1，葉溫為25 ℃。每次測(cè)定各處5個(gè)重復(fù)。其中水分利用效率(WUE)、瞬時(shí)羧化效率(CE)和光能利用率(LUE)計(jì)算公式如下：

2.3 果實(shí)品質(zhì)的測(cè)定

采摘后的番茄進(jìn)行榨汁，分別進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)3個(gè)果實(shí)樣品。

可滴定酸含量的測(cè)定利用氫氧化鈉溶液滴定法[12]，吸取樣品溶液5 ml進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算公式為：

(1)

式中：V為樣品提取液總體積，ml；Vs為滴定時(shí)所取濾液體積，ml；C為氫氧化鈉滴定液濃度，mol/L;V1為滴定濾液消耗的NaOH溶液體積，ml；V0為滴定蒸餾水消耗的NaOH溶液體積，ml；m為樣品質(zhì)量，g；f為折算系數(shù)，g/mmol(這里取1)。

可溶性固形物的測(cè)定利用手持折光儀測(cè)定，取一定量的番茄果實(shí)汁液進(jìn)行測(cè)量[123]。

可溶性蛋白含量的測(cè)定運(yùn)用考馬斯亮藍(lán)染色法[13]，計(jì)算公式為

(2)

式中：c為所測(cè)吸光度的試液濃度(μg/ml);V1為總試液的體積;V2為所取試液體積;m為所測(cè)材料的質(zhì)量。

可溶性糖含量的測(cè)定運(yùn)用蒽酮比色法[13]，計(jì)算公式為

(3)

VC含量的測(cè)定運(yùn)用分光光度計(jì)法[11]，計(jì)算公式為

(4)

以上處理均取果實(shí)汁液0.1 ml進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，3個(gè)重復(fù)，取平均值。

2.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 25.0進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，Duncan檢驗(yàn)(α=0.05)進(jìn)行多重比較，統(tǒng)計(jì)圖運(yùn)用Origin 9.0進(jìn)行繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 補(bǔ)光方式對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

如表1所示，番茄“Provence”補(bǔ)光處理組的單株產(chǎn)量顯著高于CK，處理LL單株產(chǎn)量最高，處理L和HL之間無(wú)顯著性差異，顯著低于處理LL，相比于CK，LL、HL、L、H產(chǎn)量上升幅度為69.23%、58.24%、49.45%、27.47%，根據(jù)差異性分析結(jié)合產(chǎn)量提升幅度，產(chǎn)量提高效果LL>HL≈L>H，而實(shí)際單株產(chǎn)量同樣符合這樣的排序。所有補(bǔ)光處理單果重之間沒(méi)有顯著性差異，HL和LL與之有顯著差異，而H和L與之無(wú)顯著性差異，說(shuō)明頂部補(bǔ)光結(jié)合株間補(bǔ)光燈的方式能有效提高番茄果實(shí)內(nèi)部物質(zhì)的積累。處理LL單位功率產(chǎn)出的數(shù)值最高，處理H最小，處理LL分別高出處理H、HL、L 5.04 kg·kW-1、3.08 kg·kW-1、2.43 kg·kW-1，處理L、HL之間的差距較小，只有0.65 kg·kW-1，說(shuō)明相同組合模式下，高壓鈉燈的功率產(chǎn)出要低于LED。

表1 補(bǔ)光方式對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

3.2 補(bǔ)光方式對(duì)番茄植株形態(tài)的影響

如表2所示，番茄“Provence”在補(bǔ)光處理組中節(jié)間數(shù)、株高、節(jié)間長(zhǎng)度、莖粗這些形態(tài)指標(biāo)之間并沒(méi)有顯著性差異，補(bǔ)光處理LL在節(jié)間數(shù)上與CK存在顯著性的差異，說(shuō)明長(zhǎng)期補(bǔ)光過(guò)程中，番茄的全株形態(tài)沒(méi)有存在可見(jiàn)的變化，處理LL在節(jié)間數(shù)上保持優(yōu)勢(shì)，使得番茄植株保持更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

3.3 補(bǔ)光方式對(duì)坐果期葉片光合參數(shù)的影響

如表3所示，補(bǔ)光處理LL凈光合速率與其他試驗(yàn)組(含CK)存在顯著性差異，其他試驗(yàn)組與CK之間無(wú)顯著性差異，HPS和LED冠層補(bǔ)光同時(shí)增加相同的株間補(bǔ)光燈后，LED的效果更好，HPS無(wú)明顯變化，這說(shuō)明LL補(bǔ)光組合在番茄結(jié)果期葉片光合能力保持充足的活力，光能利用率LUE也說(shuō)明這種現(xiàn)象。對(duì)于氣孔導(dǎo)度Gs，補(bǔ)光處理之間無(wú)顯著差異，而CK與補(bǔ)光處理組差異顯著，說(shuō)明未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期補(bǔ)光照射的番茄結(jié)果期葉片氣孔開(kāi)度較大，結(jié)合蒸騰速率Tr，CK散失水分量較多，水分利用率指標(biāo)也能說(shuō)明這種表現(xiàn)。各個(gè)處理和CK間的胞間CO2濃度并無(wú)明顯差別，由于它們凈光合速率有差異，因此處理LL的瞬時(shí)羧化速率最優(yōu)，并且與HL和CK形成明顯差別，說(shuō)明處理LL更傾向于有機(jī)物積累，結(jié)合表1的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)處理LL的產(chǎn)量最高。

表2 補(bǔ)光方式對(duì)番茄植株莖部形態(tài)的影響

表3 補(bǔ)光方式對(duì)葉片光合參數(shù)的影響

3.4 補(bǔ)光方式對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)的影響

如表4所示，兩批次番茄測(cè)量結(jié)果處理組L和LL的可滴定酸和可溶性糖對(duì)比CK明顯增高，頂部LED增加株間株間補(bǔ)光燈后，效果不顯著。而補(bǔ)光處理H和HL變化不明顯，說(shuō)明頂部LED補(bǔ)光對(duì)于提升兩個(gè)指標(biāo)含量具有明顯作用。

表4 補(bǔ)光方式對(duì)番茄糖酸含量的影響

如表5所示，補(bǔ)光處理LL兩次番茄可溶性固形物、VC含量對(duì)比CK明顯增高，平均增幅為35.25%、253.35%，其中頂部補(bǔ)光增加株間LED燈后，HPS沒(méi)有明顯變化，可溶性蛋白含量在所有的試驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)生顯著變化，說(shuō)明補(bǔ)光方式LL能改善番茄果實(shí)可溶性固形物、VC含量，但是對(duì)番茄果實(shí)可溶性蛋白含量效果不明顯。

表5 補(bǔ)光方式對(duì)番茄果實(shí)可溶性固形物、VC和可溶性蛋白含量的影響

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

1)補(bǔ)光方式對(duì)番茄產(chǎn)量的影響。前人研究表明，在溫度相同的情況下，全光譜LED與HPS補(bǔ)光相比，番茄的產(chǎn)量提高[14]，頂部HPS補(bǔ)光的過(guò)程中增加LED株間照明，甜椒植株獲得了更高的產(chǎn)量[15]，同樣在Moerkens的研究當(dāng)中1000 W HPS增加LED冠層照明，番茄的產(chǎn)量增加[16]，本試驗(yàn)中結(jié)論得到印證，不同補(bǔ)光方式均提高了番茄“Provence”產(chǎn)量水平，而LL產(chǎn)量提升效果明顯(表1)，從植株形態(tài)上來(lái)看，整個(gè)生育期番茄植株并沒(méi)有因?yàn)檠a(bǔ)光而發(fā)生較大的改變，但是結(jié)合結(jié)果期葉片光合參數(shù)，補(bǔ)光處理LL的光能利用率較高，這可能是產(chǎn)量提升比較重要的一個(gè)因子。本試驗(yàn)中，補(bǔ)光處理之間蒸騰速率和水分利用率均無(wú)顯著性的差異，不同補(bǔ)光方式并不影響結(jié)果期葉片的水分利用狀態(tài)(表3)，但在菊花的長(zhǎng)短周期，與HPS相比，紅藍(lán)和紅白LED增強(qiáng)了菊花葉片的蒸騰作用，并降低了水分利用效率[16]，Kim等[17]研究得出紅白和紅藍(lán)色LED的番茄葉片的水分利用率均低于HPS照明，也有研究表明600 W HPS對(duì)比320 W全光譜株間LED，擁有較高的光合速率和蒸騰速率[18]，這可能由于燈具的功率大小、光譜成分以及補(bǔ)光時(shí)間和持續(xù)周期長(zhǎng)短導(dǎo)致的差異有關(guān)。

2)補(bǔ)光方式對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)的影響。果實(shí)在發(fā)育的過(guò)程中，除外部形態(tài)和顏色變化外，其內(nèi)部化學(xué)成分也發(fā)生明顯變化，也就是可溶性低分子有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為難溶性的高分子有機(jī)物[21]。本試驗(yàn)中，補(bǔ)光處理LL 的可滴定酸、可溶性糖、可溶性固形物、VC含量對(duì)比CK，明顯上升，有研究證明，株間LED補(bǔ)光照射，可以提高果實(shí)的曝光量，促進(jìn)可溶性固形物含量的提升[22]，結(jié)合頂部LED和株間LED的光譜，有試驗(yàn)表明紅藍(lán)(R∶B=5∶1)、白光、紅光的可溶性糖含量分別增加了449%、447%、395%和487%[23]，其中紅光組分能顯著提高番茄果實(shí)可溶性糖含量[24]。但是有研究者通過(guò)HPS+LED(R∶B=95∶5)和LED+LED對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),LED+LED不影響果實(shí)內(nèi)化合物代謝[25]。通過(guò)收集600 W HPS頂部補(bǔ)光和LED株間補(bǔ)光生產(chǎn)番茄的果實(shí)品質(zhì)對(duì)比，對(duì)于所收集的品嘗者數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，兩者的差異并不顯著[26]，Dzakovich等[27]研究頂部高壓鈉燈、株間LED以及HPS+株間LED燈收集的番茄果實(shí)發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)光的光質(zhì)并不會(huì)顯著影響番茄的理化特性和被感知上的特性，不同研究結(jié)果表明，燈具屬性和番茄品種的差異可能會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

4.2 結(jié)論

四種補(bǔ)光方式均能顯著提高番茄“Provence”產(chǎn)量，提升幅度為：頂部LED+株間LED(LL)>頂部HPS+株間LED(HL)≈頂部LED(L)>頂部HPS(H)。補(bǔ)光處理LL在番茄坐果期明顯提升葉片的光合能力是番茄補(bǔ)光增產(chǎn)因子之一，并且番茄果實(shí)的可滴定酸、可溶性糖、可溶性固形物和VC含量提升幅度顯著。