現(xiàn)代智能連棟溫室增開補(bǔ)光燈對(duì)作物生長(zhǎng)影響研究

劉康妮，仲 航，張 超，徐 丹（北京極星農(nóng)業(yè)有限公司，北京 100193）

光合作用是指作物在光照條件下，將CO2和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)干物質(zhì)積累的生化過程，它決定了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，創(chuàng)造滿足光合作用需求的光照條件是提高光合速率、加快物質(zhì)積累、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵。然而，由于受到傾斜結(jié)構(gòu)、覆蓋材料、太陽高度角和溫室玻璃表面潔凈度的影響，連棟玻璃溫室內(nèi)的光強(qiáng)只有田間的1/2。尤其在春冬季節(jié),溫室的光強(qiáng)度通常低于作物光合作用的光飽和點(diǎn),導(dǎo)致作物光合能力下降，作物生長(zhǎng)和成熟緩慢,并使得害蟲發(fā)生概率急劇增長(zhǎng)[1]。同時(shí)，在弱光脅迫下，光合產(chǎn)物的合成和分配也受到影響，植株干物質(zhì)積累下降，進(jìn)而對(duì)番茄等喜光作物果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生較大影響[2]。因此，在一定條件下，調(diào)控光環(huán)境對(duì)促進(jìn)溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常重要，加快溫室產(chǎn)業(yè)升級(jí)是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

番茄是世界上最重要且最普遍的園藝作物之一，就人類健康而言，番茄是許多國家每日膳食的主要組成部分，是礦物質(zhì)、維生素和抗氧化化合物的重要來源[3]。國內(nèi)設(shè)施栽培的番茄主要集中在傳統(tǒng)日光溫室中，各類溫光環(huán)境及其相關(guān)的研究也都集中在日光溫室環(huán)境條件下，由于缺乏大規(guī)模連棟玻璃溫室，研究者只能在小的試驗(yàn)溫室中進(jìn)行模擬試驗(yàn)，從而對(duì)大型連棟玻璃溫室內(nèi)環(huán)境研究較少[4]。自21 世紀(jì) 90 年代，有大量的智能連棟玻璃溫室被從荷蘭引入中國，經(jīng)幾十年發(fā)展，智能溫室在中國已經(jīng)從最初的展示示范、試驗(yàn)推廣階段進(jìn)入到種植生產(chǎn)階段[5]，也為在智能溫室中研究光環(huán)境提供了條件。了解掌握國內(nèi)玻璃溫室內(nèi)光環(huán)境變化特點(diǎn)，也對(duì)提高番茄的品質(zhì)及產(chǎn)量具有重要意義。

北京極星農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園坐落于北京市密云區(qū)（40.4°N,117°E），密云區(qū)氣候?yàn)榕瘻貛Ъ撅L(fēng)型大陸性半濕潤(rùn)半干旱氣候，夏秋季光照遠(yuǎn)高于冬春季，以2021年為例，全年累計(jì)光照可達(dá)492177 J/cm2，夏秋季光照為冬春季的1.67倍，但由于溫室內(nèi)種植越冬茬番茄，9月定植，6月拉秧，即使夏季光照強(qiáng)、光質(zhì)高，也不能夠直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量，因此如何提高夏秋季溫室內(nèi)光照成為提高產(chǎn)量的首要目標(biāo)。

影響溫室內(nèi)植物可利用光強(qiáng)的因素有很多，為增加光照，園區(qū)連棟玻璃溫室采用漫反射玻璃，透光性高且光均勻一致，可有效減少上部葉片對(duì)下部葉片的遮擋，并且經(jīng)過陽光照射后，產(chǎn)生的陰影較少，有利于作物均衡生長(zhǎng)。定期使用全自動(dòng)屋頂清洗機(jī)對(duì)屋頂進(jìn)行清潔，清洗后透光率最高可增加10%。裝備1000 W高壓鈉燈，一行18個(gè)，每跨5行，28跨，共計(jì)2520只，PAR輸出（PPF）為2100 μmol/s，距植株頭部約3 m（圖1）。特殊設(shè)計(jì)玻璃材質(zhì)及夾角，使玻璃上不易結(jié)露，提高透光率；使用白色地布，增加反光。然而，溫室仍然會(huì)由于各種因素導(dǎo)致透光率不能達(dá)到預(yù)期，例如設(shè)備、玻璃及覆蓋材料不可逆老化、硬件結(jié)構(gòu)如桁架及遮光簾的存在而導(dǎo)致部分區(qū)域遮光，單個(gè)補(bǔ)光燈遮光面積為0.1058 m2，單根桁架及收起的幕布遮光面積為25.76 m2，去除補(bǔ)光燈及桁架的重合面積，總遮光面積可達(dá)811.44 m2。園區(qū)溫室于2016年建成，為進(jìn)行透光率測(cè)試，在2021年12月12:00在溫室內(nèi)隨機(jī)選取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，透光率平均值為86.64%，已低于剛建成時(shí)的原始值。

圖1 高壓鈉燈分布圖

試驗(yàn)材料與方法

為應(yīng)對(duì)2020～2021種植季冬天和早春因寡照而導(dǎo)致產(chǎn)量不如預(yù)期的情況，2021～2022種植季，極星農(nóng)業(yè)在考慮成本及植株夜間溫度需求的情況下，于2021年11月～2022年3月（從2021年第45周～2022年第13周，共計(jì)22周），期間自23:00開始使用高壓鈉燈補(bǔ)光至次日7:00，與此同時(shí)夜間也會(huì)增加灌溉次數(shù)以滿足植物生長(zhǎng)需求，其中11月和3月份補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)會(huì)隨日照時(shí)間減少/增加而相對(duì)增加/減少。

試驗(yàn)在北京極星農(nóng)業(yè)有限公司的連棟玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。溫室面積3.3 hm2，南北走向，東西方向共28跨，跨度8 m，每跨6個(gè)栽培架，栽培槽長(zhǎng)80 m，行距為1.6 m。試驗(yàn)采用引進(jìn)先正達(dá)集團(tuán)的‘雞尾酒’番茄品種。

番茄生長(zhǎng)過程中，營養(yǎng)液通過水肥一體化的自動(dòng)施肥機(jī)（Priva）通過滴箭進(jìn)行滴灌，根據(jù)日出日落時(shí)間及每日光照累計(jì)自動(dòng)調(diào)整澆灌時(shí)間及次數(shù)。溫室外光照累計(jì)數(shù)據(jù)由Priva氣象站監(jiān)測(cè)并上傳，溫室內(nèi)PAR數(shù)據(jù)則由Priva光照傳感器捕捉并記錄。植物各項(xiàng)生長(zhǎng)參數(shù)，例如每周莖干伸長(zhǎng)量、每周坐果串?dāng)?shù)及坐果數(shù)，每周由技術(shù)員記錄一次，產(chǎn)量每天記錄并在周末進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)。

結(jié)果分析

綜合來看，兩種植季室外光照累計(jì)相差不大,冬季光照累計(jì)相對(duì)平均，均隨季節(jié)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，2022年2～3月光照增加明顯 (圖2)，室內(nèi)PAR隨時(shí)間變化的整體趨勢(shì)與室外光照累計(jì)相同，但開補(bǔ)光燈后2021～2022種植季溫室內(nèi)植物可利用的PAR強(qiáng)度為2020～2021種植季的1.24～1.75倍（圖3）。

圖2 2020～2021及2021～2022種植季溫室外光照累計(jì)

圖3 2020～2021及2021～2022種植季室內(nèi)PAR

植物只有在有光的條件下才能生長(zhǎng)，在一定范圍內(nèi)光照越強(qiáng)植株長(zhǎng)勢(shì)越好，由于2021～2022生長(zhǎng)季對(duì)番茄進(jìn)行補(bǔ)光，番茄植株有可能在生理指標(biāo)上體現(xiàn)出更好的發(fā)育情況。通過每周作物記錄中的生長(zhǎng)量來看，2021～2022種植季植株每周生長(zhǎng)量等于或高于2020～2021生長(zhǎng)季，長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)更好（圖4）。此外，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種植季整體變化趨勢(shì)相似，第5周2021～2022種植季莖干伸長(zhǎng)量猛增，但第6周又突降，原因可能是2022年第5周為春節(jié)，測(cè)量不及時(shí)導(dǎo)致生長(zhǎng)量累積，因此人工在生產(chǎn)中也是不可忽視的一環(huán)。

圖4 2020～2021及2021～2022種植季作物每周生長(zhǎng)量

每周坐果串?dāng)?shù)及坐果數(shù)可以體現(xiàn)作物生殖生長(zhǎng)的能力，兩種植季在11月初坐果數(shù)相同，而隨著生長(zhǎng)季的延長(zhǎng)，補(bǔ)光后的植株坐果數(shù)逐漸與未補(bǔ)光的植株拉開差距，在補(bǔ)光期末，2021～2022種植季植株結(jié)了第27.5串果，而未補(bǔ)光的2020～2021種植季植株則結(jié)束在第26串果，有1.5穗果的差距（圖5）。而每周坐果數(shù)雖不斷變動(dòng)，但總體而言2021～2022種植季每周坐果數(shù)大于2020～2021種植季，且差距顯著（圖6）。

圖5 2020～2021及2021～2022種植季作物每周坐果串?dāng)?shù)

在荷蘭種植者和研究者中有著一種說法，多1%的光照就多1%的產(chǎn)量，作物通過吸收更多的光照提升光合作用，最終使得產(chǎn)量增加。在兩季種植中，密度均保持在3.75株/m2，但補(bǔ)光后的產(chǎn)量遠(yuǎn)高于不補(bǔ)光，平均產(chǎn)量提高31.63%，差距最大的在1月份，2021～2022種植季單月產(chǎn)量是2020～2021種植季的1.44倍（圖6），原因可能是增開補(bǔ)光燈的同時(shí)溫度上升，加速了果實(shí)成熟轉(zhuǎn)色率。另外，番茄產(chǎn)量呈現(xiàn)先增后降再增的趨勢(shì)，與溫室內(nèi)光強(qiáng)先下降后上升再下降正相反（圖3），也體現(xiàn)出番茄底部與頭部在感知外界環(huán)境變化時(shí)有一個(gè)月左右的“時(shí)差”。

圖6 2020～2021及2021～2022種植季作物每月產(chǎn)量

討論與結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)由于補(bǔ)光燈電路設(shè)計(jì)及對(duì)生產(chǎn)效益的考慮，無法在園區(qū)內(nèi)分區(qū)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，只能通過兩個(gè)生長(zhǎng)季做對(duì)比，時(shí)間跨度較大，兩種植季外部環(huán)境條件與員工園藝操作均略有不同，且實(shí)驗(yàn)于企業(yè)園區(qū)內(nèi)伴隨生產(chǎn)種植季進(jìn)行，可利用的條件有限，只測(cè)量得到光強(qiáng)數(shù)據(jù)，無法測(cè)量光合作用各項(xiàng)參數(shù)，從而無法判定測(cè)定補(bǔ)光對(duì)于冠層光合作用的改善，也無法判定補(bǔ)光后作物由光轉(zhuǎn)化而來的干物質(zhì)分配情況，此部分仍有待研究。但通過已得到的作物指標(biāo)來說，增開補(bǔ)光燈更有利于作物生長(zhǎng)，補(bǔ)光的同時(shí)增溫，加速坐果及果實(shí)轉(zhuǎn)色，提高成熟速度，并從而導(dǎo)致產(chǎn)量更高。

此外，在補(bǔ)光策略上，尤其是早上關(guān)燈策略，為防止光照波動(dòng)及順應(yīng)植物本身生長(zhǎng)規(guī)律，補(bǔ)光燈開啟數(shù)量隨日出逐漸減少，當(dāng)早上日出后，在7:30左右，補(bǔ)光燈數(shù)量關(guān)閉一半；當(dāng)外界光照到達(dá)300 W/m2時(shí)，補(bǔ)光燈全部關(guān)閉。選擇夜間補(bǔ)光也出于對(duì)能源消耗及峰谷平電價(jià)的考慮，北京市郊區(qū)企業(yè)夜間電價(jià)為0.3元/(kW.h)，高峰時(shí)段及平段電價(jià)分別為0.89及0.59元/(kW.h)，夜間補(bǔ)光節(jié)約了近1/2的成本。

總結(jié)

北京極星農(nóng)業(yè)公司在種植生產(chǎn)階段進(jìn)行頂部補(bǔ)光的智能連棟溫室，通過對(duì)比試驗(yàn)探究了溫室內(nèi)光環(huán)境及對(duì)提高番茄的品質(zhì)產(chǎn)量及質(zhì)量的影響。試驗(yàn)證實(shí)，增開高壓鈉燈，溫室內(nèi)植株可利用光強(qiáng)增多，長(zhǎng)勢(shì)更好，坐果穗數(shù)增加，產(chǎn)量更高。