設(shè)施作物光需求特性及光調(diào)控棚膜研究進(jìn)展

邵佳麗,張聃丘,廉世勛,米慶華,魏 珉,,李 巖,*

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院,山東 泰安 271018

2.湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410081

3.農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東果蔬優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 泰安 271018

光照、溫度和濕度是影響設(shè)施栽培的主要環(huán)境因子。其中，光照是設(shè)施作物光合作用的直接來源，對(duì)作物的生長(zhǎng)、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝以及基因表達(dá)均具有調(diào)控作用，且改變光照進(jìn)而可以影響其他環(huán)境因子。因此，設(shè)施內(nèi)光環(huán)境調(diào)控對(duì)作物生長(zhǎng)具有重要意義。光調(diào)控棚膜即以作物栽培生理為出發(fā)點(diǎn)，研究不同調(diào)光劑對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，是農(nóng)業(yè)生態(tài)研究的一個(gè)新領(lǐng)域。目前，關(guān)于光調(diào)控棚膜的研究十分活躍，并已成為農(nóng)用棚膜功能化技術(shù)的重要發(fā)展方向。

故生產(chǎn)上可從不同作物的光需求特性出發(fā)，研制出更有利于作物生產(chǎn)的光調(diào)控棚膜，以此來合理、精準(zhǔn)調(diào)控設(shè)施內(nèi)光環(huán)境，對(duì)提高作物光合作用以及高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培具有重要意義。

1 設(shè)施作物光需求特性

光照是影響設(shè)施作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵環(huán)境因素，主要通過光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期等影響設(shè)施作物的形態(tài)建成與生理代謝，對(duì)其生產(chǎn)起到?jīng)Q定性作用[1,2]。作物種類不同，則對(duì)于光因素的反應(yīng)不同。

1.1 光強(qiáng)

光照強(qiáng)弱能夠改變?cè)O(shè)施作物形態(tài)和品質(zhì)，根據(jù)其所需光照強(qiáng)度的不同可分為喜光型、中光型和耐弱光型[3]。喜光作物主要包括番茄、西瓜、月季、桃等，光飽和點(diǎn)在1000～1500 μmol·m-2·s-1，光強(qiáng)不足則會(huì)影響其產(chǎn)量和品質(zhì)；中光作物主要包括甜椒、黃瓜、蘋果等，光飽和點(diǎn)在680～1000 μmol·m-2·s-1，一定范圍內(nèi)其光合速率隨光強(qiáng)的升高而增強(qiáng)，產(chǎn)量也隨之提高；耐弱光作物多為葉類和蔥蒜類蔬菜，適當(dāng)遮光會(huì)更有利于其植株生長(zhǎng)及果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[4,5]。

1.2 光質(zhì)

光質(zhì)對(duì)設(shè)施作物形態(tài)建成、生理代謝及果實(shí)品質(zhì)等具有廣泛調(diào)節(jié)作用，且光質(zhì)不同影響也不盡相同[6-8]。研究表明，植物對(duì)可見光的吸收波長(zhǎng)主要集中在400～510 nm 的藍(lán)紫光區(qū)和610～720 nm 的紅橙光區(qū)：藍(lán)光有利于植株葉綠素積累，使葉片增厚及莖稈加粗且可增加果實(shí)中可溶性蛋白、有機(jī)酸和游離氨基酸含量[9,10]；紅光則可提高植株的光合速率，促進(jìn)植株莖的伸長(zhǎng)及葉片伸展，改善果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)且誘導(dǎo)植株花芽分化[11,12]。此外，綠光也可調(diào)整植株形態(tài)，調(diào)節(jié)光誘導(dǎo)植物反應(yīng)[13]；紫光可誘導(dǎo)果實(shí)中花青苷等生物活性物質(zhì)的合成和積累[14,15]；遠(yuǎn)紅光則在促進(jìn)植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)與新梢節(jié)間伸長(zhǎng)等方面起重要作用[16]。

1.3 光周期

根據(jù)設(shè)施作物對(duì)光周期的反應(yīng)可將其劃分為長(zhǎng)日照、日中性和短日照作物。長(zhǎng)日照作物主要包括多數(shù)葉類、甘藍(lán)類和蔥蒜類蔬菜及瓜葉菊、火龍果等，生長(zhǎng)過程中需要12～14 h 以上的光照時(shí)長(zhǎng)才可開花；日中性作物主要包括番茄、黃瓜、辣椒、大麗花、香石竹及大部分果樹等，光照時(shí)長(zhǎng)對(duì)其花芽分化無顯著影響；短日照作物主要包括茼蒿、扁豆、莧菜、菊花、一品紅等，光照時(shí)長(zhǎng)少于12 h 方可開花[3]。

2 光調(diào)控棚膜應(yīng)用

調(diào)控設(shè)施光環(huán)境能夠有效促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高其產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，生產(chǎn)上主要通過人工補(bǔ)光、覆蓋材料、栽培管理及設(shè)施構(gòu)造等進(jìn)行調(diào)控。其中，設(shè)施覆蓋材料尤其是農(nóng)用塑料棚膜因其經(jīng)濟(jì)便捷而成為調(diào)控設(shè)施光環(huán)境最常用的手段。目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上使用農(nóng)用棚膜最多的國(guó)家，其產(chǎn)量和覆蓋率均位居世界首位[42]。

農(nóng)用塑料棚膜可大致為三類：普通塑料棚膜、功能塑料棚膜（長(zhǎng)壽命膜、無滴膜、保溫膜、防塵膜等）、控制性功能塑料棚膜（光調(diào)控膜、漫散射膜、反光膜等）。其中，光調(diào)控棚膜是在充分利用自然光的基礎(chǔ)上根據(jù)作物的光需求特性經(jīng)濾光、調(diào)光、散光、遮光等手段對(duì)設(shè)施光環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控的棚膜。近年來，光調(diào)控棚膜已成為功能性棚膜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。且大量的農(nóng)田應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明，光調(diào)控棚膜能夠有效調(diào)節(jié)溫室內(nèi)光譜透過比例，促進(jìn)作物光合作用，縮短作物生長(zhǎng)周期，且實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)及改善品質(zhì)。故生產(chǎn)上可根據(jù)作物光需求特性靈活覆蓋不同功能的光調(diào)控棚膜以精準(zhǔn)調(diào)控設(shè)施內(nèi)光環(huán)境，創(chuàng)造適合作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)其早收、增產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)等。

2.1 不同作物光需求特性調(diào)控

光調(diào)控棚膜可根據(jù)設(shè)施作物對(duì)光強(qiáng)的不同需求進(jìn)行合理優(yōu)化。對(duì)于喜光作物，以提高棚膜透光率為原則，選擇低阻光的調(diào)光材料，并通過添加不同助劑或染料的稀土材料適當(dāng)優(yōu)化透過光質(zhì)比例，使作物在接受較高光強(qiáng)的同時(shí)盡可能吸收對(duì)植株光合作用起主要作用的光質(zhì)；對(duì)于中光作物，以優(yōu)化目標(biāo)光質(zhì)比例為主，根據(jù)不同作物適宜的光質(zhì)需求在棚膜中加入不同調(diào)光劑或染料來轉(zhuǎn)換光質(zhì)，使透過棚膜的光質(zhì)比例和光照強(qiáng)度更有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育；對(duì)于耐弱光作物，則以調(diào)整光強(qiáng)為主，在其不同生長(zhǎng)發(fā)育階段適當(dāng)遮光，并適當(dāng)優(yōu)化光質(zhì)比例來促進(jìn)植株健壯生長(zhǎng)[37]。

在針對(duì)作物不同光質(zhì)需求，通過覆蓋光調(diào)控棚膜合理調(diào)控透過光質(zhì)的研究方面，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)膜課題組與湖南師范大學(xué)根據(jù)前期研究結(jié)果，即適宜茄果類蔬菜生長(zhǎng)的光質(zhì)組合為紅、藍(lán)光強(qiáng)比3:1，采用四種無機(jī)調(diào)光劑復(fù)配，得到能夠同時(shí)將紫外光和綠光高效轉(zhuǎn)換成紅光和藍(lán)光的雙光效調(diào)光劑[43,44]，綠轉(zhuǎn)紅、紫外轉(zhuǎn)紅量子效率分別提高62.25%和32.14%，加入吹膜原料中從而提高紅光透過的占比后，得到紅藍(lán)光發(fā)射強(qiáng)度接近3:1 的光調(diào)控棚膜。溫室覆蓋該棚膜能夠明顯提高甜椒和番茄光合效率，促進(jìn)植株生長(zhǎng)，進(jìn)而增加產(chǎn)量，優(yōu)化果實(shí)品質(zhì)[38,45,46]。此外，前人研究了可調(diào)節(jié)雙激發(fā)雙發(fā)射熒光粉在提高不同植物采光能力方面的有效性，改善了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率[39]。綜上，利用設(shè)施作物的光質(zhì)需求特性對(duì)其進(jìn)行光精準(zhǔn)調(diào)控已邁上新的臺(tái)階，且為光調(diào)控棚膜的進(jìn)一步研發(fā)提供了理論依據(jù)與實(shí)際應(yīng)用。

2.2 相同作物不同季節(jié)需求特性調(diào)控

不同設(shè)施作物有著適宜其生長(zhǎng)的最優(yōu)環(huán)境條件，當(dāng)其生長(zhǎng)季節(jié)不適宜時(shí)，可通過選擇特定棚膜以適應(yīng)相應(yīng)環(huán)境條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)施內(nèi)光環(huán)境的調(diào)控。以我國(guó)北方蔬菜栽培為例，一般分四個(gè)季節(jié)茬口種植：越冬茬，通常在日光溫室等設(shè)施內(nèi)進(jìn)行，作物主要包括部分茄果類、瓜類和葉類蔬菜等，需較高的透光率。故應(yīng)選用消霧流滴及保溫性能好且透光率高的棚膜進(jìn)行覆蓋，一般棚膜規(guī)格為10～14 m×0.08～0.10 mm（幅寬×厚度）；越夏茬，一般在連棟溫室及拱棚內(nèi)種植，包括韭菜、菠菜、葉用萵苣等，因夏季光照較強(qiáng)，適當(dāng)降低透光率并增加膜下紅光透光比例，有利于提高植株光合效率。宜選用流滴性好，低透光率且提高紅光比例的棚膜，規(guī)格約為9～14 m×0.06～0.08 mm；春提前和秋延遲，一般分別在日光溫室、小拱棚、塑料大棚或連棟溫室等設(shè)施內(nèi)種植，主要包括豌豆、生姜、瓜類及茄果類蔬菜等。春提前栽培作物應(yīng)覆蓋流滴性好、透光率高，且光質(zhì)優(yōu)化，兼具越冬及越夏功能的棚膜，其規(guī)格約為9～14 m×0.08～0.15 mm；秋延遲栽培則宜選用流滴、防塵性好，并兼具越冬要求的棚膜，棚膜規(guī)格約為9～14 m×0.08～0.10 mm[40]。2015 年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)出越夏菠菜、生菜、韭菜，早春西瓜、黃瓜、生姜等12 種蔬菜專用棚膜，以及聚烯烴五層共擠棚膜的應(yīng)用技術(shù)規(guī)程并制定了相應(yīng)地方標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)施內(nèi)光環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控提供了理論與實(shí)踐基礎(chǔ)[40]。

3 光調(diào)控棚膜存在的問題及展望

3.1 存在問題

光調(diào)控棚膜目前正處于實(shí)踐發(fā)展當(dāng)中，光精準(zhǔn)調(diào)控仍存在許多問題亟待解決。首先，相關(guān)單位對(duì)制備該類棚膜的專用材料開發(fā)不足；此外，針對(duì)設(shè)施作物光需求特性的基礎(chǔ)理論研究不夠充分，尤其是研發(fā)作物專用光調(diào)控棚膜較少，缺乏系統(tǒng)的研究及完善的產(chǎn)業(yè)鏈；棚膜耐老化性能較差，功能期易衰減，難以滿足企業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求[41]；棚膜生產(chǎn)企業(yè)片面追求光調(diào)控棚膜高透光率，忽視其保溫性及其他功能，且對(duì)棚膜生產(chǎn)的工藝流程把關(guān)不嚴(yán)，致使產(chǎn)品質(zhì)量欠佳；市場(chǎng)管理不規(guī)范，棚膜銷售量大，易出現(xiàn)不合格產(chǎn)品；對(duì)棚膜透光、調(diào)光等功能宣傳不到位，造成用戶不能完全根據(jù)其栽培目的選擇適宜棚膜，加之用戶使用不當(dāng)，難以發(fā)揮棚膜本身的最佳效果。

3.2 展望

首先，應(yīng)把重心放在產(chǎn)品研發(fā)方面，不斷探索激發(fā)和發(fā)射光譜精準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化的稀土調(diào)光材料，使其激發(fā)光和發(fā)射光能夠準(zhǔn)確滿足設(shè)施作物光合作用的需求；重點(diǎn)對(duì)低成本且長(zhǎng)效穩(wěn)定的精準(zhǔn)調(diào)光稀土發(fā)光材料進(jìn)行突破研究，以期提高棚膜利用率，延長(zhǎng)功能期，降低使用成本；加快應(yīng)用推廣光精準(zhǔn)調(diào)控的設(shè)施作物專用棚膜及其配套栽培技術(shù)，推動(dòng)設(shè)施作物栽培提質(zhì)增效的系統(tǒng)發(fā)展；做好光精準(zhǔn)調(diào)控棚膜宣傳普及與示范推廣，使生產(chǎn)企業(yè)及用戶了解到專用棚膜的存在及其重要性；加強(qiáng)市場(chǎng)監(jiān)管，堅(jiān)持“農(nóng)膜行業(yè)準(zhǔn)入條件”，提升企業(yè)管理水平，降低材料和能源消耗，杜絕不達(dá)標(biāo)棚膜在市場(chǎng)出現(xiàn)的情況，更好地助力我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展。