分光生態(tài)農(nóng)用大棚聚能膜在生態(tài)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

趙玉靜，薛 剛，王青川，陳 沖，于長(zhǎng)軍，張延軍，王翠云

（1.山東省淄博市臨淄區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，山東淄博 255400；2.山東省高密市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東濰坊 261500；3.山東省淄博市臨淄區(qū)農(nóng)村改革發(fā)展服務(wù)中心，山東淄博 255400；4.德州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局水產(chǎn)果蔬中心，山東德州 253000；5.山東寬力新材料有限公司，山東淄博 255400）

我國(guó)溫室大棚從1997年進(jìn)入了快速發(fā)展階段，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2019年中國(guó)塑料薄膜產(chǎn)量1 594.6 萬(wàn)t，其中農(nóng)用薄膜產(chǎn)量85.2 萬(wàn)t；2020年前三季度我國(guó)塑料薄膜產(chǎn)量為1060.1 萬(wàn)t，其中農(nóng)用塑料薄膜產(chǎn)量56.3 萬(wàn)t。農(nóng)用大棚膜也進(jìn)行了多次更新?lián)Q代，從材質(zhì)上分為聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、EVA 薄膜、茂金屬聚乙烯薄膜；從功能上分為耐老化、消霧、流滴功能性薄膜；從工藝上分為內(nèi)添加型薄膜、外涂覆薄膜。到目前為止外涂覆型PO 膜為第四代農(nóng)用大棚膜。

目前所有農(nóng)膜產(chǎn)品及透明材料透過(guò)的光譜為280～550 nm，這是由太陽(yáng)光到達(dá)地球表層的最寬光譜帶決定的，而植物生長(zhǎng)吸收的光譜為220～700 nm，這一波譜段才能滿(mǎn)足葉綠素吸收的波長(zhǎng)[1-2]。分光生態(tài)聚能膜從2009年開(kāi)始研發(fā)，針對(duì)植物葉綠素吸收的光譜帶進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)；通過(guò)物理方法，充分利用光能，把照射在棚膜上的自然光變化為紫外光、藍(lán)紫光、紅橙光，滿(mǎn)足葉綠素吸收波長(zhǎng)的范圍。

臨淄區(qū)蔬菜種植歷史悠久，是聞名全國(guó)的“中國(guó)西紅柿之鄉(xiāng)”，番茄、西葫蘆獲得了國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品稱(chēng)號(hào)。截至2022年種植面積達(dá)1.12 萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量109.7 萬(wàn)t，年產(chǎn)值達(dá)到22.7 億元，蔬菜產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的25.1%。然而，長(zhǎng)久以來(lái)設(shè)施蔬菜化學(xué)肥料和農(nóng)藥過(guò)量施用嚴(yán)重，大水大肥成為生產(chǎn)中的常態(tài)，由此引起的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題，嚴(yán)重威脅了設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-6]。為有效改善設(shè)施蔬菜生產(chǎn)存在問(wèn)題，有學(xué)者提出可推廣應(yīng)用分光生態(tài)農(nóng)用大棚膜[5-7]。本文分析了新型分光聚能膜作用原理及對(duì)設(shè)施內(nèi)環(huán)境的影響，并跟蹤測(cè)試了番茄和西葫蘆的生育期指標(biāo)、產(chǎn)量指標(biāo)，評(píng)價(jià)其應(yīng)用效果，為實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)農(nóng)業(yè)提供參考。

1 分光生態(tài)農(nóng)用大棚聚能膜的作用機(jī)理及優(yōu)勢(shì)

1.1 分光膜分光原理

影響光合作用的外界條件主要是光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度。在一定限度內(nèi)，光照越強(qiáng)，光合作用越強(qiáng)；若光照過(guò)強(qiáng)，氣孔會(huì)關(guān)閉，從而影響光合作用的進(jìn)行。分光膜膜內(nèi)有機(jī)官能團(tuán)可把光譜調(diào)整為紫外光、藍(lán)紫光和紅橙光，同時(shí)防止太陽(yáng)光直接照射到葉面，在夏天起到調(diào)溫作用。

分光生態(tài)聚能膜是一種新型溫室棚膜，當(dāng)自然光照射到分光生態(tài)聚能膜的膜面時(shí)，膜內(nèi)有機(jī)官能團(tuán)可把光譜調(diào)整為紫外光、藍(lán)紫光和紅橙光[7]，使其與葉綠素吸收的波長(zhǎng)相匹配，促進(jìn)植物的光合作用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，分光膜內(nèi)波峰值為667 nm，達(dá)到了紅橙光的波段（600～700 nm），該波段有力促進(jìn)種子或孢子的萌發(fā)以及莖的生長(zhǎng)，并且有利于植物二氧化碳的分解以及葉綠素的形成；對(duì)照PO 膜波峰值為478 nm，只達(dá)到藍(lán)紫光波段（400～550 nm）；分光膜透光率高達(dá)89%～94%，進(jìn)入棚內(nèi)的光為漫散射光，避免了對(duì)植物的灼傷。MK350 光譜彩色照度計(jì)（臺(tái)灣群耀實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)）測(cè)得，使用普通棚膜，棚內(nèi)λp=478 nm，表示太陽(yáng)光照射到普通PO 膜覆蓋的大棚內(nèi)，光強(qiáng)較大處波長(zhǎng)為478 nm，該波長(zhǎng)屬于藍(lán)紫光區(qū)域。λpV=456.32 mW/m2，表示光強(qiáng)較大處波長(zhǎng)為478 nm所代表的藍(lán)紫光區(qū)域的強(qiáng)度為456.32。使用分光生態(tài)膜棚內(nèi)λp=667 nm，表示太陽(yáng)光照射到分光生態(tài)聚能膜覆蓋的大棚內(nèi)，光強(qiáng)較大處波長(zhǎng)為667 nm，該波長(zhǎng)屬于紅橙光區(qū)域。棚內(nèi)λpV=546.10 mW/m2，表示光強(qiáng)較大處波長(zhǎng)為667 nm 所代表的紅橙光區(qū)域的強(qiáng)度為546.10。

1.2 分光生態(tài)農(nóng)用大棚聚能膜的優(yōu)點(diǎn)

分光生態(tài)農(nóng)用大棚聚能膜能夠?qū)崿F(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)種植，提升蔬菜水果的品質(zhì)與價(jià)值。棚內(nèi)透過(guò)充足的紫外光殺滅和抑制病菌的滋生與繁衍，減少農(nóng)藥殘留對(duì)人體的危害，并且投射到棚內(nèi)的光為散射光，果實(shí)大且著色均勻、甜度高、口感好；實(shí)現(xiàn)化肥減量增效，推動(dòng)生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。棚內(nèi)透過(guò)的藍(lán)紫光，紅橙光與葉綠素吸收的光譜相匹配，把光能轉(zhuǎn)化為光肥，增產(chǎn)增收，減少化學(xué)化肥使用使土壤松散透氣；延長(zhǎng)采收期，提高經(jīng)濟(jì)效益。提前早熟7～15 d，增產(chǎn)5%～25%。

2 分光生態(tài)農(nóng)用大棚聚能膜的應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 對(duì)比試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方法

2021年在山東省淄博市臨淄區(qū)齊都鎮(zhèn)（E118°32'，N36°85'）設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中進(jìn)行了不同膜對(duì)番茄生長(zhǎng)性狀、產(chǎn)量及品質(zhì)等對(duì)比試驗(yàn)。供試番茄品種為‘萊頓18號(hào)’，2021年7月20日定植，2021年11月25日拉秧。

日光溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度采用山東思遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)公司研發(fā)生產(chǎn)的齊稷通設(shè)備采集；植株不同生育期株高、莖粗、葉片數(shù)及葉面積的測(cè)定參考文獻(xiàn)[8-13]；番茄品質(zhì)的測(cè)定參考文獻(xiàn)[14]；收獲時(shí)測(cè)定小區(qū)產(chǎn)量，折合成每667 m2產(chǎn)量。

2.1.2 不同棚膜覆蓋處理下番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)

由1.2 知，對(duì)比PO 膜，分光膜（增加紅橙光）在光照強(qiáng)度弱時(shí)，棚內(nèi)溫度高、濕度??；在光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，棚內(nèi)溫度低、濕度?。痪哂猩郎芈?、降溫慢的特點(diǎn)；分光膜在結(jié)果期對(duì)植株生物學(xué)性狀影響效果明顯，可有效增加植株葉片數(shù)、促進(jìn)莖稈粗壯、促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

表1 顯示，相比于PO 膜，分光膜的番茄產(chǎn)量提高15.4%，可溶性糖、VC 及可溶性固形物含量分別提高9.3%、6.8%和8.0%，可滴定酸含量降低5.21%。因此分光生態(tài)膜能顯著提高番茄產(chǎn)量和品質(zhì)。

表1 不同棚膜覆蓋處理下番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)Table 1 Yield and quality of tomato under different plastic film mulching treatments

2.2 追蹤實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在設(shè)施西葫蘆生產(chǎn)上進(jìn)行了追蹤試驗(yàn)，試驗(yàn)安排在皇城鎮(zhèn)許家村（E18°36'，N36°83'），供試品種為‘京葫36’，2021年10月6日定植，11月中下旬開(kāi)始收獲，并于2022年1月6日進(jìn)行了產(chǎn)量測(cè)定，經(jīng)生態(tài)膜處理，行距0.825 m，株距0.737 m，平均種植密度為1 096 株/667 m2。

2.2.2 不同光環(huán)境處理對(duì)西葫蘆產(chǎn)量的影響

由表2 可知，紅橙光處理，每667 m2株數(shù)1096，按每株45 個(gè)果，平均單果質(zhì)量0.44 kg 計(jì)算，折合每667 m2產(chǎn)18 445.7 kg。普通光環(huán)境處理區(qū)，按每株39 個(gè)果，平均單果質(zhì)量0.45 kg 計(jì)算，折合每667 m2產(chǎn)量16 349.6 kg。紅橙光處理比對(duì)照區(qū)每667 m2增產(chǎn)2 096.1 kg，每667 m2增產(chǎn)12.82%，農(nóng)藥化肥每667 m2減少19.7%，每667 m2增效19.38%，達(dá)到增產(chǎn)目標(biāo)。

表2 不同光環(huán)境處理對(duì)西葫蘆產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of different light treatments on the yield of summer squash

3 新型功能農(nóng)用大棚膜的發(fā)展趨勢(shì)與展望

目前，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中化肥施用量過(guò)大，設(shè)施蔬菜每667 m2化肥用量是全國(guó)農(nóng)作物的4.1 倍。投入肥料養(yǎng)分比例嚴(yán)重失調(diào)，氮磷鉀肥每667 m2施用總量分別超出推薦量1.2、5.3、1.0 倍[15]，這導(dǎo)致了嚴(yán)重的土壤問(wèn)題。另一方面，我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)以日光溫室與塑料大棚為主，溫差大、濕度高，病蟲(chóng)害與連作障礙嚴(yán)重，這導(dǎo)致農(nóng)藥施用量大、蔬菜病蟲(chóng)害藥劑的不合理施用以及抗藥性的產(chǎn)生?；兽r(nóng)藥施用過(guò)多、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題已經(jīng)成為制約設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，有悖于于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[16-19]。

生態(tài)農(nóng)業(yè)是一種遵循生態(tài)學(xué)原理和生態(tài)經(jīng)濟(jì)規(guī)律，因地制宜的設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)整和管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)工程體系。注重資源的開(kāi)發(fā)與保護(hù)，使其達(dá)到高效性、可持續(xù)性、多樣性現(xiàn)代化的科技農(nóng)業(yè)。傳統(tǒng)的種植農(nóng)業(yè)只注重氮、磷、鉀。隨著時(shí)代的進(jìn)步，開(kāi)始注重水、土、肥的施用，多年來(lái)對(duì)自然光的利用關(guān)注很少，隨著我國(guó)園藝設(shè)施的不斷發(fā)展，作物對(duì)光的需求，對(duì)光質(zhì)的需求顯著提高。不同光質(zhì)或波長(zhǎng)的光具有明顯不同的生物學(xué)效應(yīng)，包括對(duì)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成，光合作用和器官生長(zhǎng)發(fā)育的不同影響[20]。分光生態(tài)農(nóng)用大棚聚能膜通過(guò)提供合理的光環(huán)境，增加紅橙光的透過(guò)率，可以增強(qiáng)光合效率、增加產(chǎn)量、改善品質(zhì)，同時(shí)降低農(nóng)藥化肥的投入，充分利用光能必將成為我國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。