設(shè)施黃瓜補(bǔ)光若干問(wèn)題的探討

|摘要|在弱光寡照的情況下，設(shè)施黃瓜的生長(zhǎng)將受到嚴(yán)重的影響，補(bǔ)光就成為壯苗增產(chǎn)的重要手段。本文從實(shí)用的角度探討了設(shè)施黃瓜補(bǔ)光中的幾個(gè)重要問(wèn)題，包括光源、光強(qiáng)、補(bǔ)光時(shí)間、位置、效益及CO2的補(bǔ)充等，以期為設(shè)施黃瓜的補(bǔ)光提供一些可供借鑒的實(shí)用技術(shù)。

引言

黃瓜富含蛋白質(zhì)、多種維生素、胡蘿卜素、及鈣、磷、鐵等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是中國(guó)民眾最重要的食材之一，既可作為蔬菜，也可作為水果，還可作為面膜美容。中國(guó)是黃瓜生產(chǎn)大國(guó)，有超過(guò)2000年的栽培歷史，目前中國(guó)黃瓜產(chǎn)量占全世界產(chǎn)量的70%以上，位居世界第一。但中國(guó)黃瓜單產(chǎn)不高，僅為荷蘭或以色列這些農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的1/5左右[1]。究其原因，除了在施肥和溫濕度控制等方面的管理不到位外，還缺乏嚴(yán)格的光照控制和必要的補(bǔ)光措施。

黃瓜屬喜光耐陰性作物，雖然對(duì)弱光也有一定的適應(yīng)性，但長(zhǎng)時(shí)間處于弱光環(huán)境中不利于黃瓜的生長(zhǎng)發(fā)育。黃瓜從秧苗到整個(gè)生長(zhǎng)期和果實(shí)成熟期都需要大量的光照，其光合作用的強(qiáng)弱直接決定了果實(shí)中干物質(zhì)的含量和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累。尤其是在中國(guó)北方冬春季節(jié)設(shè)施栽培的情況下，由于陰霾天較多，經(jīng)常出現(xiàn)光照嚴(yán)重不足且光質(zhì)較差的情況，導(dǎo)致秧苗徒長(zhǎng)、葉片變黃、干物質(zhì)減少、發(fā)育不良、產(chǎn)量降低等問(wèn)題。因此，設(shè)施黃瓜的補(bǔ)光就成為其整個(gè)生長(zhǎng)期的主要問(wèn)題。本文從黃瓜生產(chǎn)的實(shí)際出發(fā)，探討在生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)常困擾著生產(chǎn)者的有關(guān)黃瓜補(bǔ)光的幾個(gè)問(wèn)題，包括光源的選擇、補(bǔ)光強(qiáng)度、補(bǔ)光時(shí)間、補(bǔ)光位置、補(bǔ)光效益和CO2的補(bǔ)充等，以期為設(shè)施黃瓜的生產(chǎn)者提供一些可供借鑒的實(shí)用技術(shù)。

光源的選擇

目前可用于補(bǔ)光的光源有熒光燈、各種氣體放電燈（包括汞蒸氣燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈等）及LED燈，LED燈又可分為照明用的寬光譜LED燈、專用于植物照明的LED燈及窄光譜多芯片組合的可調(diào)光譜LED燈。由于熒光燈和氣體放電燈的光效比LED燈低，補(bǔ)光所需的能耗費(fèi)用較高，目前文獻(xiàn)上大多都推薦使用LED燈進(jìn)行補(bǔ)光，而且傾向于使用植物照明專用的LED燈。但對(duì)于主要采用自然光照明的設(shè)施蔬菜（包括黃瓜）的補(bǔ)光而言，筆者還是建議使用一般照明用的寬光譜LED光源進(jìn)行補(bǔ)光，原因如下。

首先，植物照明專用LED燈的價(jià)格為一般照明用LED燈價(jià)格的5倍以上，然而研究發(fā)現(xiàn)，白光照射下植物的壯苗指數(shù)、干鮮重和各種生化指標(biāo)與專用的植物L(fēng)ED燈相比都不是最差的[2]，但初始投資卻要低得多。以1000 W的功率為例，照明用LED燈價(jià)格約為600元，而專用的植物L(fēng)ED燈至少要3000元以上，二者相差2400元。按每天補(bǔ)光7 h，每年補(bǔ)光100天計(jì)，每年用電約700 kW·h，以0.50元/（kW·h）電費(fèi)計(jì)算，所需電費(fèi)約為350元。它們之間的差價(jià)可用于補(bǔ)光近7年，而且這些費(fèi)用還是在7年間逐年支付的。因此，用植物專用的LED燈作為設(shè)施黃瓜的補(bǔ)光燈在實(shí)際生產(chǎn)中是得不償失的。

另一方面，如果使用光強(qiáng)和光譜可調(diào)的窄光譜多芯片組合型的LED作為補(bǔ)光燈，為了調(diào)節(jié)光強(qiáng)和光譜，需要使用更高的燈珠功率、增加電子元器件并使用多種單色LED芯片才能滿足要求，這又極大地增加了LED初裝以及使用的成本。而且在設(shè)施補(bǔ)光的情況下已經(jīng)有了自然光作為基礎(chǔ)光照，這些調(diào)光LED所起的作用并不能充分地彰顯出來(lái)，因而在設(shè)施園藝的實(shí)際生產(chǎn)中一般不這樣使用。

補(bǔ)光強(qiáng)度

黃瓜的光補(bǔ)償點(diǎn)約為50 μmol/（m2·s），而光飽和點(diǎn)則在1200 μmol/（m2·s）以上[3]。因此，若用全人工光栽培，為使黃瓜能夠正常生長(zhǎng)發(fā)育，所需的光合光量子通量密度（PPFD）一般要達(dá)到400 μmol/（m2·s）左右。但作為以自然光為主的設(shè)施黃瓜而言，在極端情況下的補(bǔ)光強(qiáng)度至少要達(dá)到40 μmol/（m2·s）以上，再加上陰霾天時(shí)所具有的少量自然光就能確保黃瓜正常的生長(zhǎng)發(fā)育，避免徒長(zhǎng)。為計(jì)算所需的補(bǔ)光功率，必須要知道所用光源的光效。對(duì)于一般照明用的寬光譜LED光源，其光效一般能夠達(dá)到2 μmol/（s·W），因此，所需的LED功率至少要達(dá)到20 W/m2左右，這相當(dāng)于13 kW/667 m2。如果用氣體放電燈（包括高壓鈉燈）或窄光譜多芯片組合的可調(diào)光譜LED燈，則至少要增加50%的功率。

補(bǔ)光時(shí)間

補(bǔ)光時(shí)間一般有兩種，一種是白天補(bǔ)光，另一種是夜間補(bǔ)光。對(duì)于白天補(bǔ)光而言，一般情況下當(dāng)光照強(qiáng)度低于1.5倍的光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，對(duì)黃瓜而言約為75 μmol/（m2·s），就要考慮開(kāi)啟補(bǔ)光燈，否則可能導(dǎo)致嚴(yán)重的秧苗徒長(zhǎng)或瓜果生長(zhǎng)異常。具體而言，在陰霾程度不很嚴(yán)重的天氣情況下，通常在7：30～10：30，14：30～17：30，每天補(bǔ)光6 h就足夠了。但在嚴(yán)重的陰霾天氣，則需要全天補(bǔ)光，即從7：30～17：30，每天補(bǔ)光10 h。研究表明，補(bǔ)光后的黃瓜無(wú)論是秧苗的壯苗指數(shù)、生長(zhǎng)速度，還是瓜果的產(chǎn)量和質(zhì)量都能夠得到很大程度的提高[4]。

第二種是夜間補(bǔ)光。最近有學(xué)者研究了夜間補(bǔ)光對(duì)黃瓜生長(zhǎng)的影響[5]，結(jié)果表明，在弱光10.0～12.5 μmol/（m2·s）補(bǔ)光處理下，黃瓜幼苗的干鮮重和壯苗指數(shù)均增加了40%以上;葉綠素增加了約20%，而類胡蘿卜素含量則增加了80%以上;黃瓜的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)等都有顯著提高，可溶性固形物增加了10%以上，產(chǎn)量增加了近50%，可溶性糖的含量提高了45%。因此，夜間補(bǔ)光對(duì)黃瓜植株的生長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)等都具有積極的影響。

夜間補(bǔ)光必須注意兩個(gè)問(wèn)題，一是補(bǔ)光強(qiáng)度要低，一般不能高于光補(bǔ)償點(diǎn)的1/10～1/5;二是補(bǔ)光時(shí)間要短，一般不超過(guò)2 h，甚至可用多次短時(shí)間（5～10 min）中斷暗期的方式來(lái)抑制秧苗的徒長(zhǎng)并提高其壯苗指數(shù)[6]。由于夜間補(bǔ)光所需的能耗低、費(fèi)用少，可以跟白天補(bǔ)光同時(shí)使用，以提高補(bǔ)光的效果。

補(bǔ)光位置

補(bǔ)光位置也有兩種，一是頂部補(bǔ)光，一是株間補(bǔ)光。頂部補(bǔ)光簡(jiǎn)單而實(shí)用，只要將所需的LED燈均勻地安裝在植物的葉冠之上即可，LED燈至葉冠的距離依據(jù)其功率而有所不同。若使用可升降的中小功率LED燈，則可離葉冠0.5 m左右，單燈的LED功率增加時(shí)，其到葉冠的距離也應(yīng)增加，以免灼傷葉面。

另有研究表明，株間補(bǔ)光更有利于植物的生長(zhǎng)。張盼基于立體光環(huán)境的優(yōu)化建立了設(shè)施黃瓜頂葉及株間的需光模型，并據(jù)此進(jìn)行了立體補(bǔ)光、冠層補(bǔ)光及無(wú)補(bǔ)光對(duì)照的為期90天的補(bǔ)光效果實(shí)驗(yàn)[7]。結(jié)果表明，相對(duì)于對(duì)照組，立體補(bǔ)光在植株的光合能力、株高、徑粗、花果數(shù)量及葉綠素含量等方面相比對(duì)照均有提升，其中產(chǎn)量平均提升38.5%，可溶性固形物提升約15.2%，可溶性糖提升約20.4%，維生素C提升約5.63%。因此，株間補(bǔ)光使得光強(qiáng)的分布更均勻，光能的利用率也更高，確有利于黃瓜的生長(zhǎng)及其產(chǎn)量的提高。株間補(bǔ)光要注意的一個(gè)問(wèn)題是，單顆的LED功率不能太大，否則容易灼傷葉面，造成相反的效果。

補(bǔ)光效益

補(bǔ)光雖然有利于黃瓜的生長(zhǎng)和產(chǎn)量及品質(zhì)的提升，但也不能脫離效益的評(píng)估，如果補(bǔ)光沒(méi)有效益的話，一切的手段和技巧都是徒勞的。根據(jù)前面選用的一般照明用寬光譜LED光源，所用功率為13 kW/667 m2，包括安裝費(fèi)用，按700元/kW計(jì)算，則初始投入為9100元/667 m2。雖然LED燈的壽命可達(dá)5萬(wàn)h左右，但在戶外較為惡劣的環(huán)境下LED燈本身和配套的電子元器件都比較容易老化，一般只能用5～8年。如果按7年計(jì)算，則每年平攤的費(fèi)用為1300元/667 m2。

在補(bǔ)光方面，無(wú)論是春黃瓜還是秋黃瓜，在種植和生長(zhǎng)期間都沒(méi)有遇到冬季最嚴(yán)重的陰霾天氣，因此補(bǔ)光的需求不是很大。假設(shè)每茬補(bǔ)光30天，每天7 h，這樣每茬每667 m2消耗電能為2700 kW·h。按0.5元/（kW·h）計(jì)算，所需的電費(fèi)為1350元/667 m2，加上平攤的初裝費(fèi)，每年所需的總費(fèi)用為2650元/667 m2。

根據(jù)金投網(wǎng)給出的2020年黃瓜的平均批發(fā)價(jià)約2.1元/kg[8]，因此，通過(guò)補(bǔ)光后每季每667 m2必須增產(chǎn)1.3 t以上才能收回成本。根據(jù)國(guó)內(nèi)目前的生產(chǎn)情況，春季黃瓜產(chǎn)量一般為7 t/667 m2左右，秋季為6 t/667 m2左右。因此，補(bǔ)光后單產(chǎn)應(yīng)能提高25%左右才有收益，這與目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。如果還能套種其它作物，或在冬季不能種植黃瓜的時(shí)期充分利用現(xiàn)成的補(bǔ)光設(shè)施種植一些其它作物，則更能充分發(fā)揮補(bǔ)光的效益，從而獲得較好的投資回報(bào)。

以上只是就一般情況進(jìn)行了分析，有些地區(qū)如果陰霾嚴(yán)重且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，加上大棚薄膜老化變臟光衰嚴(yán)重，導(dǎo)致植物在整個(gè)生長(zhǎng)周期都長(zhǎng)期處于弱光寡照的環(huán)境，則補(bǔ)光就十分必要，效益也要高得多。否則除了會(huì)出現(xiàn)徒長(zhǎng)、葉黃、發(fā)育不良、果實(shí)干物質(zhì)及有機(jī)物含量減少外，甚至?xí)?dǎo)致欠收、絕收等問(wèn)題。

CO2的補(bǔ)充

晴朗天氣在封閉的溫室或大棚內(nèi)生長(zhǎng)的黃瓜容易導(dǎo)致CO2的虧缺，若不及時(shí)補(bǔ)充則可能使CO2的濃度低于光合作用所需的補(bǔ)償點(diǎn)（約168 μmol/mol），從而嚴(yán)重制約植物的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，在光照良好的時(shí)段科學(xué)地補(bǔ)充CO2對(duì)促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育十分重要。

然而，目前的補(bǔ)光研究很少涉及到與溫度和CO2的相互作用。實(shí)際上，研究表明，在一定的光照強(qiáng)度下，植物的凈光合速率會(huì)隨著CO2濃度的增加而提高，有助于促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。實(shí)驗(yàn)表明，適當(dāng)?shù)厥┯肅O2，有助于提高黃瓜的株高、莖粗、葉面積、干鮮重、果實(shí)發(fā)育及產(chǎn)量等。當(dāng)CO2濃度為800 μmol/mol時(shí)，黃瓜的產(chǎn)量可增加43.3%[9]。而CO2的施用可用簡(jiǎn)單的吊袋式CO2氣肥袋，每次費(fèi)用約為200元/667 m2，有效期可達(dá)30～35天[10]。因此，施用CO2是一種投資少、見(jiàn)效高的輔助手段，在光照充足的時(shí)段與補(bǔ)光手段互補(bǔ)使用，能產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益。

總結(jié)

文章從實(shí)際生產(chǎn)的角度探討了黃瓜補(bǔ)光的幾個(gè)問(wèn)題，如果從研究的角度，還應(yīng)探討光強(qiáng)、光質(zhì)和光照時(shí)間這3個(gè)因素間的相互作用，及其與溫濕度和CO2濃度間的關(guān)系，還可以研究近紫外和遠(yuǎn)紅光補(bǔ)光對(duì)黃瓜生長(zhǎng)的影響等。而且不同的組合對(duì)植株的生長(zhǎng)、黃瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)都有不同的影響，這些研究成果或規(guī)律的獲得都有助于指導(dǎo)黃瓜和其它蔬菜的生產(chǎn)，并在不同的生長(zhǎng)階段為不同的生產(chǎn)目的提供不同的最佳組合。但對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)而言，在設(shè)計(jì)補(bǔ)光方案時(shí)首要考慮的因素應(yīng)是較高的投入產(chǎn)出比，只有在可以獲得合理的產(chǎn)出效益的前提下才能考慮其它先進(jìn)的補(bǔ)光方法或手段。

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*項(xiàng)目支持：福建省重大專項(xiàng)專題項(xiàng)目“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、廣適的設(shè)施蔬菜新品種選育與產(chǎn)業(yè)化”（編號(hào)2018NZ0002-2）。

作者簡(jiǎn)介：徐永（1959-），男，漢族，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹参锕庹{(diào)控技術(shù)、智能溫室、光伏溫室、植物工廠與人工智能。E-mail：emailyxu@gmail.com。

[引用信息]徐永.設(shè)施黃瓜補(bǔ)光若干問(wèn)題的探討[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（25）：13-15.