弱光條件下不同補光方式對設施番茄幼苗生長的影響

韓 文，郭鵬飛，張 坤，刁 明

(石河子大學農學院園藝系/特色果蔬栽培生理與種質資源創新利用兵團重點實驗室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】在植物生長發育的過程中，光環境是一個不可缺少的重要因素之一。在農作物的生長發育過程中，或多或少會有一些原因，導致農作物不可避免的生長在弱光的逆境中，使得農作物長期處于弱光環境中，弱光環境造成農作物營養體生長不良、落花落果等現象。番茄作為喜光性的蔬菜，在設施番茄栽培生產中，光照起著關鍵性的作用，特別是在部分北方地區，冬春季節設施番茄栽培生產過程中，弱光造成逆境對番茄生長造成的不良影響。若遇上霧霾、連續陰雨的惡劣天氣，使得設施內形成持續弱光現象，低溫寡照造成幼苗徒長形成弱苗，對番茄幼苗生長造成的危害。光環境在植物的生長發育中，是不可或缺的重要環境因素之一。在農作物的生長過程中，一些原因導致農作物無法避免的生長在弱光的逆境中，使得農作物長期處于弱光環境中，造成農作物營養體生長不良、落花落果等現象十分嚴重。研究在弱光條件下不同補光方式，對冬季設施番茄幼苗生長的影響，對提高設施番茄幼苗品質有實際意義。【前人研究進展】據胡永光等[1]的研究，南方地區大多數在冬春季節，由于日照時間不足，以及連續的陰雨天氣，導致溫室內光照強度僅2 000 lx，對作物的生長尤其是幼苗影響十分顯著，甚至造成商品苗的質量以及經濟效益顯著下降。王洪安等[2]研究表明，溫室栽培條件下，茄果類植物運用人工補光的技術可促進成熟期的提前，植物生長更加的健壯，提高抗病能力，減少農藥使用量，畸形果較少，果實著色良好，大小均勻以及品質優良，含糖量、維生素含量均得到顯著的提高。蔬菜幼苗在其生長發育時期，會因為其遇到不適宜的光照環境，導致其生長發育不良以及質量下降的現象。在植株后期，蔬菜幼苗的質量影響著植株后期生長及發育，因此，解決蔬菜苗期的光照環境條件十分重要[3]。LED補光燈，是一種新型的光源，LED植物生長燈是直接將電能轉化為可見光、輻射能的原理制作而成，其燈板主要以紅燈為主，中間按一定比例、距離均勻的分布著藍燈，紅光與藍光是植物在生長發育過程中主要吸收光線波段，其所占比例超過60%，為滿足植物生長發育的需要，將紅、藍光按照一定的比例配成光源能夠起到顯著的效果[4]。【本研究切入點】北方地區，冬春季節設施番茄栽培中，弱光對其造成的影響及危害十分常見。石河子地區近年來嚴重的持續霧霾天氣，使得設施內形成持續弱光現象，低溫寡照很容易造成幼苗徒長形成弱苗對番茄幼苗生長造成的危害十分顯著。利用LED光調控技術來培育幼苗設施，具有突出優勢。研究弱光條件下不同補光方式，對冬季設施栽培番茄幼苗生長指標及光合特性的影響。【擬解決的關鍵問題】以北方設施生產中主栽作物番茄為試材，研究在高緯度寒旱地區不同補光方式對番茄幼苗生長等指標的影響，為設施番茄育苗光調控提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

2017年1～4月,試驗在新疆石河子大學試驗站節能日光溫室進行。

植物生長燈，由上海合照明電器有限公司生產，育苗型LED T-5植物生長專用燈，電壓220 V，功率8 W，補光范圍高30 cm，寬60 cm，長60 cm，具有壽命長，耐潮濕，光效好等特點。

時間控制器使用智能開關定時器，電壓220 V，額定電流10A，將需要補光時間段輸入智能定時器，按試驗設計補光時間將自動接通電源進行補光，到達補光關閉時間將自動斷開電源停止補光。

育苗架，長180 cm、寬70 cm、高210 cm。分為三層育苗層，育苗盤穴盤橫向放置在每層育苗盒內，上方為LED補光燈，育苗盒末端制有排水裝置。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

番茄品種為時研。2017年1月20日將供試番茄放置于55℃溫水，浸種8～10 h后放入恒溫箱催芽48 h左右，催芽后播于盛有育苗基質的72孔穴盤中，2月5日幼苗子葉展平后，用補光燈進行處理。

按照補光方式試驗分為三個處理，8 h非連續補光07:00～11:00、19:00～23:00延長早晚補光時長打破黑暗3～4 h補光方式(T1)和12 h連續補光07:00～19:00的輔助日光補光方式(T2)，以不進行補光為對照(CK)，每個處理3次重復，各處理光源互不干擾，按日常栽培方式管理。

1.2.2 測定項目

1.2.2.1 形態指標

2017年2月15日番茄幼苗長至兩葉一心時每5 d隨機抽取植株進行破壞性取樣，用卷尺測量植株株高，莖基部至生長點，精度為0.01 cm，游標卡尺測量莖粗，莖基部1 cm處，精度為0.01 mm，把植株從穴盤中取出，洗凈后用吸水紙吸干水分，分為根、莖、葉3部分分別用分析天平稱取鮮重，精度為0.000 1 g，2017年3月9日幼苗長至四葉一心時測量生理指標,株高、莖粗、干、鮮質量并計算壯苗指數，壯苗指數按照張振賢等的方法(壯苗指數=莖粗/株高×全株干質量)計算[5]。

1.2.2.2 葉面積

番茄幼苗長至兩葉一心時每5 d隨機抽取植株進行破壞性取樣，將植株葉片平鋪置高清掃描儀進行掃描，用Photoshop對其陰影部分分析，并計算葉面積，精度為0.01 cm2。

1.2.2.3 干物質

番茄幼苗長至兩葉一心時每5 d隨機抽取植株進行破壞性取樣，植株根、莖、葉105℃殺青，70℃烘干24 h，分析天平稱量干質量，精度為0.000 1 g。

1.2.2.4 光合指標

在番茄幼苗四葉一心時用Li-6400光合儀器測定光合速率、蒸騰速率、氣孔導度。3月9日試驗結束。

1.2.3 光合有效輻射日變化

不同處理番茄幼苗上方光和有效輻射的采集使用美國LI-COR LI-1400數據采集器進行采集，數據記錄頻率為30 min/次。

1.3 數據處理

試驗數據方差分析、顯著性測試，采用SPSS20.0數據處理軟件進行處理，應用OriginPro8.0進行數據分析及圖標制作。

2 結果與分析

2.1 不同補光方式下光和有效輻射日變化

研究表明，當植株處于光照較弱的環境中，LED補光燈對其影響顯著，能夠有效的增加其日累積光和有效輻射；T1在19:00之后能夠繼續為幼苗提供良好的光照環境，促進其生長發育，相較于T2、CK，差異均顯著。白天光照不充足時，T2補光方式效果良好，光照充足時，T2補光方式補光效果并不顯著。延長早晚補光時長打破黑暗3～4 h補光方式補光時長短，較T2有效較低能耗，顯著提高幼苗期內累積光和有效輻射，為幼苗的生長發育補充所需光照，從而延長光合作用時間。圖1

圖1 不同處理下幼苗期光合有效輻射日變化
Fig.1 Changes of PAR in Seedling Stage under Different Treatments

2.2 不同補光方式對番茄幼苗葉面積的影響

葉片作為植物光合作用的主要器官,其面積的大小，將直接影響受光能力,葉面積變化是作物群體結構合理性的重要標志之一[6]。研究表明，各處理單株葉面積幼苗期隨時間的增加呈逐漸遞增的趨勢，不同補光方式下幼苗的平均單株葉面積為：T1>T2>CK。處理T1單株葉面積與處理T2，幼苗前期(播種至2月15日)差異不顯著，幼苗后期(3月7日后)處理T1顯著高于處理T2，差異最大時為16.17%。處理T1與T2的單株葉面積在整個幼苗期均顯著高于對照組CK，在幼苗后期差異最大，分別達到41.44%、21.75%。 幼苗中期(2月20～25日)各處理單株葉面積增長速率為幼苗期最快，各處理分別達到CK:0.85 cm2/d、T1:1.37 cm2/d、T2：1.19 cm2/d，該時期單株葉面積T1高于T2單株葉面積8.78%，差異顯著，高于CK單株葉面積33.44%，差異顯著，T2單株葉面積高于CK單株葉面積22.68%，差異顯著。該時期幼苗生長比較快，葉片數增加和葉面積發育加快，葉面積逐漸增大。非連續性補光延長早晚補光時長的補光方式較連續性補光的補光方式能夠有效的促進葉面積的增長，從而截獲更多光能，促進物質的積累，生長壯苗。圖2

圖2 不同處理下番茄幼苗葉面積動態變化
Fig.2 Effect of Different Treatments on Leaf Area Changes of Tomato Seedlings

2.3 不同補光方式對番茄幼苗表觀生長指標的影響

2.3.1不同補光方式對番茄幼苗株高的影響

研究表明，整個幼苗期番茄幼苗株高隨時間增加呈逐漸增高的趨勢。處理T1株高最高，對照CK株高最低，T1與T2差異不顯著，T1與CK差異顯著，在幼苗后期差異最大，為35.86%，T2與CK差異顯著，幼苗后期差異最大，為33.72%。圖3

2.3.2 不同補光方式對番茄幼苗莖粗的影響

研究表明，各處理莖粗在幼苗期都呈現隨時間遞增的趨勢，不同補光方式下莖粗存在差異，T1>T2>CK，處理T1與處理T2差異不顯著，分別與CK存在顯著差異，T1與CK在3月2日出現最大差異，為20%，T2與CK于2月20日差異最顯著，為18.1%。圖4

圖3 不同處理下番茄幼苗株高變化
Fig.3 Effect of Different Treatments on Plant Height of Tomato Seedlings

圖4 不同處理下番茄幼苗莖粗變化
Fig.4 Effect of Different Treatments on the Stem Thickness of Tomato Seedlings

2.4 不同補光方式番茄幼苗光合特性

研究表明，三個處理間均存在差異，處理T1光合速率最高，對照CK最低,處理T1相比于CK，高92.16%，相比于處理T2,高22.22%，處理T2比對照CK高59.68%，不同補光方式對番茄幼苗的光合速率影響顯著。在一定時間內，單位葉面積上散失的水量，稱為蒸騰速率。蒸騰速率反映了植物根系對水分的吸收能力，并且直接影響著植物的光合作用。處理TI與處理T2蒸騰速率均高于對照CK，分別為59.60%、50.09%，差異均顯著，處理T1與處理T2之間不存在顯著差異。氣孔張開的程度稱為氣孔導度，氣孔導度直接影響植物的光合作用、蒸騰作用。處理T1與處理T2之間無顯著差異，分別與對照CK有顯著差異，處理T1高于CK 44.88%，處理T2高于對照CK 46.65%。這說明利用植物補光燈能夠顯著的提高植物的光合能力，更加有利于植物干物質的積累，有利于培育壯苗。表1

表1 不同處理下番茄幼苗光合特性變化
Table 1 Effect of Different Treatments on Photosynthetic Characteristics of Tomato Seedlings

處理光合速率Photosynthetic rate(μmol/(m2·s))蒸騰速率Evaporating rate(mmol/(m2·s))氣孔導度Stomatal conductnce(μmol/(m2·s))CK1.86±0.24c5.47±1.12b42.36±9.23bT13.63±0.37a8.73±1.34a61.37±10.35aT22.97±0.19b8.21±1.27a62.12±8.97a

2.5 不同補光方式對番茄幼苗干物質積累和分配的影響

2.5.1不同處理對番茄幼苗干物質積累的影響

研究表明，番茄幼苗的全株干物質積累量隨著時間的變化而呈現逐漸增加的趨勢。幼苗生長期各處理番茄幼苗干物質積累動態變化為：T1>T2>CK，各處理之間差異均顯著。處理T1與對照CK在2月15日差異最大，較CK高106.59%，T2與CK于2月15日兩處理之間也存在較大差異，T2較CK高82.42%，處理T1與處理T2在2月20日存在最大差異，T1高于T2約23.39%，由此可見，植物補光燈在幼苗前期可以有效的提高幼苗真葉的展開，根系的發展以及莖的生長，為后期幼苗生長、物質的積累提供良好的基礎，從而達到培育壯苗的目的。各處理番茄幼苗干物質積累速率均在幼苗后期達到最大值，分別為CK：7.22 mg/d，T1：9.66 mg/d，T2：7.66 mg/d，處理T1的干物質積累速率明顯高于其他處理。非連續性補光方式較連續性補光，能夠顯著提高番茄幼苗的干物質積累。圖5

2.5.2 不同處理對干物質在不同器官中分配的影響

研究表明，番茄幼苗干物質積累量和分配率為葉>莖>根，各處理間根、莖、葉的干物質積累量為T1>T2>CK，各處理間差異均顯著。計算干物質分配率可得，處理間干物質分配率均無顯著差異，干物質優先向葉片分配，約57%，植物葉片是植物光合作用同化CO2形成干物質的重要器官，幼苗期優先向葉片分配干物質能夠促進葉片數的增加，葉片展開，增加葉面積，使得幼苗期后葉片能更有效的進行光合作用，加快物質積累，向其他器官分配，促進植物生長。干物質其次向幼苗莖中分配，約為28%，根的干物質分配率約15%。不同補光方式對番茄幼苗干物質分配率無顯著影響，對番茄幼苗各器官中干物質量的累積均存在顯著影響。圖6

圖5 不同處理下番茄幼苗干物質積累變化
Fig.5 Effect of Different Treatments on Dry Matter Accumulation of Tomato Seedlings

圖6 不同處理下番茄幼苗各器官干物質分配變化
Fig.6 Effect of Different Treatments on Dry Matter Distribution in Different Organs of Tomato Seedlings

2.6 不同補光方式對番茄幼苗壯苗質量性狀的影響

研究表明，不同補光方式對株高、莖粗的變化趨勢相同，為：T1>T2>CK，方差分析結果表明，處理T1與處理T2之間差異不顯著，分別顯著高于對照CK。不同處理下幼苗單株鮮重變化趨勢為 T1>T2>CK，各處理之間無顯著差異。幼苗單株干重變化趨勢與鮮重變化趨勢相同，各處理之間均存在顯著差異。壯苗指數能夠更直接的反映幼苗生長發育狀況，是否達到壯苗要求，可以看出壯苗指數以處理T1最大，處理T2次之，對照CK最低，且三者之間均存在顯著差異。設施環境內，光照不足時，利用植物補光燈進行適當的補光可加快幼苗物質積累，達到培育壯苗的目的，相同條件下選擇非連續性延長補光時長的補光方式能更有效的提高幼苗的生長。表2

表2 不同處理下番茄幼苗壯苗質量性狀變化
Table 2 Effect of Different Treatments on Quality Characteristics of Tomato Seedlings

處理株高(cm)莖粗(cm)全株鮮重(g/株)全株干重(g/株)壯苗指數CK9.76b0.182b1.213b0.120 7c0.002 25cT113.12a0.209a2.017a0.156 5a0.002 49aT212.21a0.198a1.842a0.141 5b0.002 29b

3 討 論

試驗研究了弱光條件下應用植物補光燈不同的補光方式對設施番茄幼苗生長的影響。結果表明，不同的補光方式對設施番茄幼苗葉面積，表觀生長指標，干物質積累與分配、光合特性、壯苗指數均有不同程度的影響。研究發現，同等補光條件下非連續性早晚延長補光時長打破黑暗的補光方式更有利于設施番茄幼苗葉面積的增加，干物質積累量的提高，光合能力的增強，顯著提高壯苗指數，達到培育壯苗的目的，并且應用較短的補光時長獲得較大的收益，顯著的節約了能源，減少能耗。

北方寒冷地區日光溫室要達到安全高效生產，關鍵要克服冬季低溫寡照的不良環境條件帶來的影響，在弱光條件下，冬季設施內番茄育苗由于光照不足會嚴重影響幼苗的生長發育，因此，在冬季溫室生產中，采用人工補光的方式來改善光照條件、增加光照是促進日光溫室幼苗生長高效的一項重要舉措[4]。試驗研究表明，同種生產條件下，應用LED補光，能夠顯著促進番茄幼苗的生長，補光燈條件下，株高、莖粗有顯著提高，葉面積增加，干物質積累量顯著增加，壯苗指數顯著高于自然光照下的番茄幼苗，更能滿足生產所需的壯苗，提高經濟效益；劉淑艷等[4]研究利用LED補光對番茄幼苗開花時間，株高、莖粗、壯苗指數的影響，得出結論，LED補光能夠有效番茄幼苗株高、莖粗、壯苗指數等各項指標的提高；龔婷[7]等研究表明，適當的LED植物生長燈對茄果類蔬菜幼苗進行補光后，幼苗的株高、莖粗、葉面積，整株鮮重，整株干重，光合能力都有顯著提高，均與試驗結果相似。

試驗研究表明，非連續性早晚延長補光時長打破黑暗的補光方式較連續性輔助日光的補光方式，能夠有效的提高葉面積的增加，干物質積累，光合速率提高，顯著提高番茄幼苗的壯苗指數，最終生產壯苗；靳志勇等[8]研究表明，在連續光照達到14 h(09:00～16:00和16:00～19:30補光7 h)條件下大蒜鱗莖才能顯著膨大，非連續光照8～14 h，即在7 h自然光照條件下，21:00～04:00打破黑暗補光1～7 h處理均能促進鱗莖膨大，并且鱗莖質量均高于14 h連續光照處理，與試驗結果相似。

4 結 論

>4.1 弱光條件下設施番茄幼苗的生產利用LED補光、株高、莖粗、葉面積、干物質積累、壯苗指數均有顯著提高，有助于實現幼苗生產中培育壯苗目的。

4.2 8 h非連續補光07:00～11:00、19:00～23:00延長早晚補光時長打破黑暗2～4 h補光方式和12 h連續補光07:00～19:00的輔助日光補光方式相比，葉面積、干物質積累、光合速率、壯苗指數均有顯著提高，株高、莖粗、蒸騰速率、氣孔導度無顯著差異。8 h非連續補光07:00～11:00、19:00～23:00延長早晚補光時長打破黑暗2～4 h補光方式更能有效的提高設施番茄幼苗的生長及壯苗的育成，并能降低能耗，節約成本。

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