溫室多層立體栽培聯(lián)合補光對生菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

方 慧 程瑞鋒 伍 綱* 仝宇欣 劉慶鑫

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

植物工廠是在完全密閉或半密閉條件下采用高精度環(huán)境控制，實現(xiàn)作物在垂直立體空間周年計劃性生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標志之一，受到世界各國的高度重視[1]。植物工廠根據(jù)采用的光源類型，可分為人工光利用型植物工廠和太陽光利用型植物工廠[2]。人工光植物工廠的光源與空調(diào)能耗較大，Kozai 等[2-3]研究表明，熒光燈補光型植物工廠中補光耗電量占總耗電量的80%左右，空調(diào)制冷能耗等其他設(shè)備耗電量占總電能消耗的15%左右，其他的營養(yǎng)液循環(huán)等設(shè)備的耗電量占總耗電量的3%左右。由于人工光植物工廠運行費用高，大范圍的推廣應(yīng)用受到一定限制[4]。溫室是指在半密閉的設(shè)施環(huán)境下，利用太陽光(或輔助人工補光)以及營養(yǎng)液栽培技術(shù)，進行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的一種農(nóng)作方式，因作物光環(huán)境主要來源于太陽光，所以運行成本較低[5]。但溫室光環(huán)境受到外界太陽光照的限制和建筑結(jié)構(gòu)遮光的制約，導(dǎo)致周年生產(chǎn)不穩(wěn)定，其產(chǎn)量遠低于以多層立體栽培形式進行高密度栽培的人工光型植物工廠。提高溫室空間利用效率已成為近年來的研究熱點[6-9]。

立體栽培技術(shù)也被稱為垂直栽培技術(shù)，是一種采用栽培架或栽培管道，在空間上進行垂直梯度的分層栽培方式。立體栽培模式能最大限度的利用設(shè)施內(nèi)部空間，提高土地的利用率和單位面積的產(chǎn)量[10]。在人工光植物工廠中由于不受外界光環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)對光遮擋的影響，多以立體栽培為主。在溫室中多為單層栽培模式，多層立體栽培研究較少。劉偉等[11]測試了立柱栽培模式下每一層光分布，發(fā)現(xiàn)光照強度隨著栽培面的下降而減弱，每下降一層，光照強度平均減少約15%。Si等[12]對比中草藥鐵皮石斛在多層栽培和田間栽培模式下的產(chǎn)量和品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)多層立體栽培下各層鐵皮石斛生長正常，且品質(zhì)和產(chǎn)量均高于田間栽培模式，多層栽培模式顯著提高了土地利用率。Takeda[13]采用多層立體栽培模式種植草莓發(fā)現(xiàn)，中、下層光強僅為頂層的10%，弱光環(huán)境導(dǎo)致草莓生長周期的延長。周靜等[7]研究了立體栽培條件下光環(huán)境對生菜生長和生理的影響，發(fā)現(xiàn)栽培架中層日平均光輻射強度僅相當(dāng)于上層的36.4%～45.6%，下層僅相當(dāng)于上層的24.8%～37.3%，光照強度對生菜產(chǎn)量影響顯著。綜上，多層立體栽培在不補光條件下適用于喜陰植物的生長，但栽培架中、下層光照強度弱，不適宜常規(guī)蔬菜生長。

針對溫室單層栽培空間利用率低，而多層立體栽培中、下層光照強度弱的問題，本研究擬將自然光與人工補光結(jié)合，分析在溫室內(nèi)多層立體栽培架上層、中層和下層自然光分布特點，以阿奎諾生菜(LactucasativaL. var.ramosaHort.)為試驗材料，研究自然光結(jié)合人工補光對生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響以及其經(jīng)濟性，以期為溫室多層栽培結(jié)合人工補光種植模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1試驗材料與裝置

選用阿奎諾生菜為試驗植物。于2018-10-28將種子播種于育苗海綿上，并置于育苗盤中進行催芽，14天后幼苗長至四葉一心時移栽至溫室栽培架中。

試驗溫室位于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所樓頂(116°23′ E，39°54′ N)，溫室東西兩側(cè)與其他生產(chǎn)型溫室相連，北側(cè)與過道相連，溫室東西方向長7.5 m，南北方向長6.0 m；室內(nèi)放置3組栽培架，每組栽培架設(shè)置3層栽培板，栽培板尺寸為：1.2 m×3.72 m，栽培密度22 株/m2，每塊栽培板可種植96棵生菜，栽培板層間距為0.5 m。試驗溫室結(jié)構(gòu)見圖1。

生菜前期培養(yǎng)均采用營養(yǎng)液水培，營養(yǎng)液循環(huán)時間為每天的9:00—12:00。營養(yǎng)液組分如下：KNO3, 5.94 mmol/L; MgSO4, 1.42 mmol/L; NH4H2PO4, 1.00 mmol/L; KH2PO4, 0.44 mmol/L; Ca(NO3)2, 2.12 mmol/L; EDTA-Fe, 4.29×10-2mmol/L; H3BO3, 4.839×10-2mmol/L; MnSO4, 1.325×10-2mmol/L; ZnSO4, 1.35×10-3mmol/L; CuSO4, 5×10-4mmol/L; (NH4)6Mo7O24, 4×10-4mmol/L。

1.補光燈；2.生菜；3.栽培架1.Artificial light; 2.Lettuce; 3.Cultivation frame圖1 試驗溫室多層栽培架結(jié)構(gòu)及補光裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram showing a cross section of multi-layer cultivation frames and the layout of fluorescent lamps in the experimental greenhouse

1.1.2試驗處理

選取溫室中2組栽培架作為對照組和試驗組進行試驗。對照組栽培架的上層(CK-U)、中層(CK-M)和下層(CK-D)為全自然光模式；試驗栽培架采用中科光電股份有限公司生產(chǎn)的T8型熒光燈作為補光光源，單根燈管輸入功率為18 W，波長范圍為400～800 nm。利用LI-1500光合有效輻射傳感器測試距離熒光燈40 cm處光合有效輻射為36 μmol/(m2·s)。栽培架中間層補光燈設(shè)置3列，對應(yīng)TL-M，下層補光燈設(shè)置3列，對應(yīng)TL-D，補光時間為每日4:00—20:00。

1.2 觀測指標

1.2.1葉片光合速率測定

在補光處理20天后，使用美國LI-COR公司生產(chǎn)的配備有透明葉室的光合儀LI-6400測定補光與不補光處理下生菜葉片最大凈光合速率。生菜選定完全展開的從上往下第2個成熟葉片測定，測定中光合儀進氣口連接緩沖瓶以獲得穩(wěn)定CO2濃度，光合儀中氣流設(shè)定為500 μmol/mol，葉室溫度保持在(24±1) ℃，相對濕度控制在50%～70%，葉室光合有效輻射值設(shè)置為1 500 μmol/(m2·s)，光源紅藍比為9。

1.2.2葉片形態(tài)與產(chǎn)量測定

定植后第35天進行取樣，對每個處理分別隨機選取5棵生菜，用1/10 000天平測量葉、根的鮮重，用LI-3100葉面積儀測量葉片面積。用電熱鼓風(fēng)干燥機在80 ℃條件下對樣品烘干2天，記錄葉和根干重，計算干物質(zhì)含量和比葉面積(Specific leaf area, SLA)。鼓風(fēng)干燥機為上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，型號為DHG-9620-A。

1.2.3化學(xué)成分測量

葉片可溶性糖的測定采用苯酚法。每個處理選取3個樣品，剪去葉脈，用液氮速凍，并用組織研磨器粉碎留樣。測量時稱取0.2 g的鮮樣，加入10 mL 蒸餾水封口，沸水浴中提取30 min，提取2次，提取液定容至25 mL容量瓶中，測量時吸取0.5 mL樣品于試管中，加入1.5 mL蒸餾水，再依次加入9%的苯酚溶液1 mL、濃硫酸5 mL，充分反應(yīng)后倒入1 mL比色杯中，用配備有示差折光檢測器的超高相液相色譜儀，在波長485 nm下測定4種可溶性糖含量，液相色譜儀為美國Waters公司生產(chǎn)，型號為Aquirty H-class UPLC。

葉綠素含量測定，稱取鮮樣0.2 g，將葉片剪碎，用95%乙醇溶液10 mL黑暗中浸泡葉片2天，充分提取后將提取液導(dǎo)入1 mL比色杯中，以95%乙醇為空白對照，用UV-1800紫外分光光度計測定提取液在波長665、649和473 nm下測定吸光度。紫外分光光度計為日本島津公司生產(chǎn)，型號為UV1800。

1.2.4耗電量統(tǒng)計

溫室內(nèi)安裝有浙江天揚電器科技有限公司生產(chǎn)的電表2臺，電表型號為DTS2626。一臺電表安裝在TL-M處理和TL-D處理中記錄補光耗電量，另一臺電表安裝在供水泵側(cè)，用于測量營養(yǎng)液循環(huán)水泵耗電量。

試驗期間為冬季，溫室采用民用熱水鍋爐采暖，采暖熱負荷計算參照玻璃溫室，再根據(jù)栽培期消耗的總熱負荷換算為電加熱時消耗的電量。溫室能量平衡關(guān)系式為[14]：

(1)

Φao,c=hao,c·Aco·(Ta-To)

(2)

式中：Aco為溫室覆蓋層面積，m2；hao,c為室內(nèi)外空氣通過覆蓋層的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；To為室外空氣溫度，K。

Φa=Λ·IUP·Af

(3)

式中：IUP為室內(nèi)栽培架上層太陽輻射，W/m2，利用儀器測得；Λ為矯正系數(shù)，取值0.65；Af為溫室地面面積，m2。

生菜從移栽到收獲共計35 d，則采暖所消耗的總能源Qhw計算式為：

(4)

溫室內(nèi)共6組栽培架，每組栽培架有3層栽培槽，每層栽培槽能種植48棵生菜，共能種植864棵生菜，每棵生菜的采暖耗電量qhw為：

(5)

1.3 統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)均取每個處理下3次重復(fù)的平均值，采用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行差異分析，并運用ANOVA檢驗法對顯著性差異(P<0.05)進行比較。利用MATLAB軟件對太陽輻射分布進行梯度繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生長光環(huán)境分析

在試驗階段，溫室內(nèi)日光照累積量(Daily light integral，DLI)受室外環(huán)境的影響波動較大，在陰天時，DLI在上層、中層和下層分別只有1.0、0.2和0.2 mol/(m2·d)，而在晴天時上層、中層和下層分別能達到10.0、2.3和1.8 mol/(m2·d)，在整個栽培期不補光條件下，上層、中層和下層35 d累計光合有效輻射分別能達到231.6、46.9和45.5 mol/m2(圖2)。在多層栽培試驗中，陽光直射上層栽培面，中、下層栽培面的直射光照分別受到上、中層不同程度的遮擋，導(dǎo)致栽培架上層、中層和下層光合有效輻射存在差異。上層日光照積累量以直射光為主，平均DLI為6.4 mol/(m2·d)；中層和下層光照以散射光為主，平均DLI分別為1.30和1.26 mol/(m2·d)。為滿足生菜生長對光合有效輻射的需求[15]，因此，中層和下層設(shè)置3列補光燈，距離作物冠層平均光合有效輻射為100 μmol/(m2·s)，DLI為5.8 mol/(m2·d)。

圖2 試驗期間溫室內(nèi)栽培架上、中和下層 日光照累積量變化Fig.2 Daily light integral on up-layer, middle-layer and lower layer of the cultivation rack during the experiment

圖3 冬至日栽培架上層(a)、中層(b)和下層(c)自然光強積累量分布Fig.3 Distribution of daily natural light integral on up-layer (a), middle-layer (b) and down-layer (c) during winter solstice

2.2 植物生物量分析

TL-M與TL-D處理單棵植株葉片鮮重分別較對照CK-M和CK-D處理提高了2.7和3.5倍(表1)，單棵植株葉片干重分別較對照CK-M和CK-D處理提高了2.7和3.7倍。2個補光處理的單棵植株葉片干、鮮重明顯高于CK-U處理。

表1 補光對生菜干鮮重的影響Table 1 Effects of supplementary lighting onplant fresh weight and dry weight

2.3 生菜最大凈光合速率比較

測試當(dāng)天為晴天，中午時刻栽培架上層、中層和下層光合有效輻射最高達到416.0、68.2和43.9 μmol/(m2·s)，中、下層補光條件下光合有效輻射最高值為168.2和143.9 μmol/(m2·s)，5種處理下葉片最大凈光合速率見圖4。補光處理TL-M 和TL-D葉片最大凈光合速率均高于對照不補光處理CK-M和CK-D，其生物量也均高于對照處理，補光能顯著提高生菜光合能力，進而提高生物量。TL-M和TL-D補光處理葉片最大凈光合速率均小于CK-U處理，但TL-M和TL-D處理的生物量均高于CK-U處理，其主要原因是，雖然CK-U處理生菜光合能力強，但由于CK-U處理光照時間短，尤其在陰天條件下，光照強度和光照時間均小于補光處理，計算生菜整個生長期累計光量，發(fā)現(xiàn)CK-U處理為231.6 mol/m2，而TL-M和TL-D達到249.9 和248.5 mol/m2。

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下圖同。Different lowercase letters represent significant difference among treatments (P<0.05). The same below.圖4 補光處理對生菜最大凈光合速率的影響Fig.4 Maximum net photosynthesis rate under control and top lighting

2.4 葉片形態(tài)和化學(xué)成分比較

補光處理TL-M和TL-D的葉片比葉面積顯著低于對照不補光處理CK-M和CK-D，說明補光處理下顯著增加葉片厚度(圖5)，補光處理TL-M和TL-D與栽培架上層CK-U處理下葉片厚度無顯著差異。補光處理TL-M和TL-D對生菜葉片可溶性糖含量也有明顯提高作用。對于補光處理TL-M和TL-D與不補光處理CK-M和CK-D的生菜葉綠素含量差異不顯著，但均高于上層自然光處理CK-U(表2)。

圖5 補光處理對葉片比葉面積的影響Fig.5 Effects of supplementary artificial light on specific leaf area

表2 補光對生菜中可溶性糖和葉綠素質(zhì)量分數(shù)的影響Table 2 Effects of supplementary lighting on total soluble sugarand chlorophyll content in lettuce leaves

2.5 生菜光能利用效率和電能利用效率比較

生菜苗于2018年11月11日移栽至溫室，12月16日全部采收，生長周期為35 d。試驗期間每組栽培架配置1個營養(yǎng)液循環(huán)水泵，每組栽培架種植144棵生菜，每個循環(huán)水泵總耗電量為78.75 kW·h。植物工廠35 d栽培期供暖總負荷為4 196 kW·h，整個栽培期間所有處理每棵生菜耗電量見表3。補光處理TL-M和TL-D耗電量比不補光處理耗電量每棵生菜高了1.9 kW·h，但補光處理明顯增加了生菜的鮮重，計算每克生菜鮮重的耗電量發(fā)現(xiàn)TL-M 處理和TL-D處理與CK-U處理沒有顯著差異，但都明顯高于CK-M和CK-D處理。

表3 不同處理單株生菜的耗電量和單位質(zhì)量耗電量Table 3 Electricity consumption per plant and per lettuce gram under supplementary artificial light

3 討論與結(jié)論

傳統(tǒng)的溫室栽培模式大都是單層栽培，該栽培模式下，作物可以充分的接收自然光，且光照環(huán)境相對均勻；但是單層栽培模式的空間利用率低，為提升溫室空間利用效率、提高產(chǎn)量，本研究效仿人工光利用型植物工廠內(nèi)的多層立體栽培模式，在溫室內(nèi)采用3層式立體栽培的方式，達到空間的高效利用，提高單位土地面積的產(chǎn)量。

光照是影響植物生長發(fā)育最重要的因素[16]。當(dāng)植株生長處于源限制時，補充光照能有效促進植株生長及干物質(zhì)的積累。本試驗中生菜對日光照累積量的需求為3～6 mol/(m2·d)[15]，測試發(fā)現(xiàn)溫室栽培架上層、中層和下層平均DLI分別為6.40、1.30 和1.26 mol/(m2·d)，中層和下層DLI遠低于滿足生菜正常生長需要的光合有效輻射日累積量。當(dāng)植株生長處于源限制時，補充光照能有效促進植株生長及干物質(zhì)的積累。本試驗結(jié)果顯示中層和下層補光處理能顯著提高生菜總干物質(zhì)量。計算發(fā)現(xiàn)，補光處理TL-M和TL-D，每增加1%DLI，單位面積產(chǎn)量分別增加0.6% 和0.8%，這與Marcelis等[17]得出的光照每增加1%，產(chǎn)量增加0.8%的結(jié)論一致。

植物形態(tài)建成與生長環(huán)境有密切的關(guān)系[18]，試驗中栽培架上層不補光處理、中層補光處理和下層補光處理下葉片比葉面積(Specific leaf area, SLA)比中層和下層的不補光處理更小，即葉片更厚，這是植物葉片對光強適應(yīng)的典型表現(xiàn)[18-19]。高光強下生長的葉片在光合能力及光化學(xué)成分的形成有明顯的促進作用，補光處理下葉片中的總糖含量，葉綠素含量均高于不補光處理，這與Li等[20]和Trouwborst G等[21]的研究結(jié)論一致。

補光處理以增加光合有效輻射、延長光照時間，促進光合速率能顯著提高單棵生菜鮮重和干重。但補光處理對溫室多層立體生菜栽培經(jīng)濟效益的貢獻還取決于補光設(shè)備的投入和運行費用。本試驗結(jié)果顯示，在補光處理下雖然耗電量增加了，但生菜產(chǎn)量也明顯提高了，補光處理下投入/產(chǎn)出與栽培架最上層不補光處理差異不顯著，但明顯高于中下層不補光處理。

綜上，溫室中、下層補光能夠有效提高中層和下層生菜的日光照累積量，顯著促進植物生長，提高生菜品質(zhì)。雖然補光增加了耗電量，但生菜鮮重也顯著增加；中層和下層補光后的經(jīng)濟效益與栽培架上層不補光處理無顯著差異；在溫室中采用3層栽培模式后，空間利用率提高了2倍。