補光方式對設施越冬番茄生長發育的影響

尤杰，張宇陽，浦 敏，徐志剛

(1.南京農業大學農學院，江蘇 南京 210095; 2.蘇州紐克斯電源技術股份有限公司，江蘇 蘇州 215143)

引言

番茄(Lycopersiconesculentum，Mill.)是我國重要的設施栽培作物，除營養價值外，還具備優良的觀賞價值，我國是世界上番茄栽培面積最大的國家，番茄在蔬菜量占比7.1%[1，2]。長江中下游地區太陽輻射較低，近50年來光合有效輻射呈現下降態勢，江蘇地區日照時數降低趨勢較為明顯[3，4]，我國設施大部分以日光溫室為主，結構不合理和棚膜老化等因素嚴重影響番茄生產[5, 6]。綜上，發展設施番茄補光生產，特別是越冬番茄補光生產，對解決長江中下游地區的番茄供應具有重要意義。研究表明不同光源均能顯著改善番茄幼苗植株形態和全株干物質量的積累[7]，不同類型的補光燈(熒光燈、HPS、LED)對草莓果實產量和品質也有顯著的影響[8]。當前HPS和LED都屬于溫室補光中優質光源的選擇，根據自身需求種植者開發了頂部HPS、頂部HPS+株間LED，頂部LED以及頂部LED+株間LED四種溫室補光系統，國內外學者對HPS和LED的補光效果進行了評價，HPS和白紅藍(W∶R∶B=1∶2∶1)LED兩者都促進了移植番茄幼苗的生長，LED大于HPS處理組，并且LED對根部的生長效果優于HPS等其他補光處理[9]，劉文科等[10]發現相同光強HPS和LED(R∶B或者R)對番茄的產量影響差異不顯著。但是，與頂部HPS補光相比，用頂部HPS+株間LED和頂部LED在秋季生長周期中種植的黃瓜產量更高，并且果實質量更加平衡[11]。隨著植物補光研究深入，補光生產理論不斷豐富，但是對于實際補光生產的理論研究較少，特別是對于設施越冬番茄補光生產而言，本試驗從設施越冬番茄的補光生產為出發點，通過對越冬番茄長期補光照射，探究番茄補光增產機理和果實品質變化，以期推進補光從理論到實踐過渡，解決長江中下游冬季番茄供應問題，填補越冬番茄補光種植的理論空白，為種植者奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試品種

試驗品種選擇“普羅旺斯(Provence)”雜交一代番茄品種，無限生長型粉果，適宜冬，春茬口椰糠巖棉基質栽培品種。

1.2 試驗燈具

頂部補光: 功率均為150 W的高壓鈉燈HPS和LED(W∶R=4∶1 燈珠比)。

株間補光：功率為40 W株間LED(R∶B=2∶1 燈珠比)，長度為2.5 m。

1.3 試驗地點

試驗于2018年11月在蘇州紐克斯智慧農場(120.53°E，31.47°N)中進行。為達到冬季保溫效果，在原單體連棟溫室中建造鋼結構小拱棚(長、寬、高分別是25 m、6.5 m、3 m)種植環境，使用遮光簾將小拱棚平均分為5個種植區域包含4個補光處理和1個空白對照。

1.4 試驗設計

2018年10月17日采用穴盤式育苗，育苗基質細粒椰糠。11月23日，待幼苗長到5葉1心，選取莖干粗壯、長勢整齊的幼苗進行移栽，所有處理均采用長100 cm、寬20 cm、高12 cm的細粒椰糠種植包進行試驗，株間距0.25 m，行間距1 m。番茄一穗留果4～5個，待第四穗完全坐果后，掐尖。從番茄初花期(12月20日)后開始補光，到第四穗果采收(5月23日)，根據番茄生育期調整補光時間，12月20日～3月23日,補光時長為279 h(8:30—10:30、16:30—17:30)，3月24日—5月23日，補光時長為120 h(8:30—10:00、17:00—17:30)。

本試驗共設置4個不同補光方式和1個空白對照組(CK)，分別為頂部HPS補光(H)、頂部LED補光(L)、頂部HPS+株間LED燈(HL)以及頂部LED+株間LED(LL)，頂部補光燈排布圖如圖1、圖2所示，本試驗將小拱棚平均分割為5個區，單個區域面積5 m×6.5 m，每個區域種植番茄90株。

圖1 不同燈具的光譜分布Fig.1 Spectral distribution of different lamps

圖2 試驗組頂部補光燈排布圖Fig.2 Layout of top supplemental lighting lamps on the test group

2 測試指標

2.1 產量和植株形態測量

用商用電子秤(精確度為0.01 kg)測量番茄的小區產量、單株產量，其中單株產量為隨機選取5株番茄的產量平均值，單果重用電子天平(精確度為0.01 g)稱量。

實際單株產量(kg)=試驗小區總產量/該小區有效株數

單功率產出 (kg·kW-1)=試驗小區產量提高量/該燈具總功率

用卷尺(精確度為0.1 cm)測量番茄株高、節間長度，電子游標卡尺(精確度為0.1 mm)測量番茄的莖粗。

2.2 葉片光合參數測定

每個處理選取5株番茄生長點以下第3片完全展開功能葉，熒光參數使用LI-6400XT(USA)熒光葉室進行測量。光合參數使用LI-6400XT(USA)進行測定，測定條件：光合光量子通量密度300 μmol·m-2·s-1，光合儀流速設定為300 μmol·mol-1，二氧化碳濃度為390±10 μmol·mol-1，葉溫為25 ℃。每次測定各處5個重復。其中水分利用效率(WUE)、瞬時羧化效率(CE)和光能利用率(LUE)計算公式如下：

2.3 果實品質的測定

采摘后的番茄進行榨汁，分別進行兩次實驗，每次實驗3個果實樣品。

可滴定酸含量的測定利用氫氧化鈉溶液滴定法[12]，吸取樣品溶液5 ml進行測定，計算公式為：

(1)

式中：V為樣品提取液總體積，ml；Vs為滴定時所取濾液體積，ml；C為氫氧化鈉滴定液濃度，mol/L;V1為滴定濾液消耗的NaOH溶液體積，ml；V0為滴定蒸餾水消耗的NaOH溶液體積，ml；m為樣品質量，g；f為折算系數，g/mmol(這里取1)。

可溶性固形物的測定利用手持折光儀測定，取一定量的番茄果實汁液進行測量[123]。

可溶性蛋白含量的測定運用考馬斯亮藍染色法[13]，計算公式為

(2)

式中：c為所測吸光度的試液濃度(μg/ml);V1為總試液的體積;V2為所取試液體積;m為所測材料的質量。

可溶性糖含量的測定運用蒽酮比色法[13]，計算公式為

(3)

VC含量的測定運用分光光度計法[11]，計算公式為

(4)

以上處理均取果實汁液0.1 ml進行實驗，3個重復，取平均值。

2.4 數據分析

試驗數據運用SPSS 25.0進行相關統計分析，Duncan檢驗(α=0.05)進行多重比較，統計圖運用Origin 9.0進行繪制。

3 結果與分析

3.1 補光方式對番茄產量的影響

如表1所示，番茄“Provence”補光處理組的單株產量顯著高于CK，處理LL單株產量最高，處理L和HL之間無顯著性差異，顯著低于處理LL，相比于CK，LL、HL、L、H產量上升幅度為69.23%、58.24%、49.45%、27.47%，根據差異性分析結合產量提升幅度，產量提高效果LL>HL≈L>H，而實際單株產量同樣符合這樣的排序。所有補光處理單果重之間沒有顯著性差異，HL和LL與之有顯著差異，而H和L與之無顯著性差異，說明頂部補光結合株間補光燈的方式能有效提高番茄果實內部物質的積累。處理LL單位功率產出的數值最高，處理H最小，處理LL分別高出處理H、HL、L 5.04 kg·kW-1、3.08 kg·kW-1、2.43 kg·kW-1，處理L、HL之間的差距較小，只有0.65 kg·kW-1，說明相同組合模式下，高壓鈉燈的功率產出要低于LED。

表1 補光方式對番茄產量的影響

3.2 補光方式對番茄植株形態的影響

如表2所示，番茄“Provence”在補光處理組中節間數、株高、節間長度、莖粗這些形態指標之間并沒有顯著性差異，補光處理LL在節間數上與CK存在顯著性的差異，說明長期補光過程中，番茄的全株形態沒有存在可見的變化，處理LL在節間數上保持優勢，使得番茄植株保持更穩定的結構。

3.3 補光方式對坐果期葉片光合參數的影響

如表3所示，補光處理LL凈光合速率與其他試驗組(含CK)存在顯著性差異，其他試驗組與CK之間無顯著性差異，HPS和LED冠層補光同時增加相同的株間補光燈后，LED的效果更好，HPS無明顯變化，這說明LL補光組合在番茄結果期葉片光合能力保持充足的活力，光能利用率LUE也說明這種現象。對于氣孔導度Gs，補光處理之間無顯著差異，而CK與補光處理組差異顯著，說明未經過長期補光照射的番茄結果期葉片氣孔開度較大，結合蒸騰速率Tr，CK散失水分量較多，水分利用率指標也能說明這種表現。各個處理和CK間的胞間CO2濃度并無明顯差別，由于它們凈光合速率有差異，因此處理LL的瞬時羧化速率最優，并且與HL和CK形成明顯差別，說明處理LL更傾向于有機物積累，結合表1的產量數據，我們發現處理LL的產量最高。

表2 補光方式對番茄植株莖部形態的影響

表3 補光方式對葉片光合參數的影響

3.4 補光方式對番茄果實品質的影響

如表4所示，兩批次番茄測量結果處理組L和LL的可滴定酸和可溶性糖對比CK明顯增高，頂部LED增加株間株間補光燈后，效果不顯著。而補光處理H和HL變化不明顯，說明頂部LED補光對于提升兩個指標含量具有明顯作用。

表4 補光方式對番茄糖酸含量的影響

如表5所示，補光處理LL兩次番茄可溶性固形物、VC含量對比CK明顯增高，平均增幅為35.25%、253.35%，其中頂部補光增加株間LED燈后，HPS沒有明顯變化，可溶性蛋白含量在所有的試驗中沒有發生顯著變化，說明補光方式LL能改善番茄果實可溶性固形物、VC含量，但是對番茄果實可溶性蛋白含量效果不明顯。

表5 補光方式對番茄果實可溶性固形物、VC和可溶性蛋白含量的影響

4 討論與結論

4.1 討論

1)補光方式對番茄產量的影響。前人研究表明，在溫度相同的情況下，全光譜LED與HPS補光相比，番茄的產量提高[14]，頂部HPS補光的過程中增加LED株間照明，甜椒植株獲得了更高的產量[15]，同樣在Moerkens的研究當中1000 W HPS增加LED冠層照明，番茄的產量增加[16]，本試驗中結論得到印證，不同補光方式均提高了番茄“Provence”產量水平，而LL產量提升效果明顯(表1)，從植株形態上來看，整個生育期番茄植株并沒有因為補光而發生較大的改變，但是結合結果期葉片光合參數，補光處理LL的光能利用率較高，這可能是產量提升比較重要的一個因子。本試驗中，補光處理之間蒸騰速率和水分利用率均無顯著性的差異，不同補光方式并不影響結果期葉片的水分利用狀態(表3)，但在菊花的長短周期，與HPS相比，紅藍和紅白LED增強了菊花葉片的蒸騰作用，并降低了水分利用效率[16]，Kim等[17]研究得出紅白和紅藍色LED的番茄葉片的水分利用率均低于HPS照明，也有研究表明600 W HPS對比320 W全光譜株間LED，擁有較高的光合速率和蒸騰速率[18]，這可能由于燈具的功率大小、光譜成分以及補光時間和持續周期長短導致的差異有關。

2)補光方式對番茄果實品質的影響。果實在發育的過程中，除外部形態和顏色變化外，其內部化學成分也發生明顯變化，也就是可溶性低分子有機物質轉化為難溶性的高分子有機物[21]。本試驗中，補光處理LL 的可滴定酸、可溶性糖、可溶性固形物、VC含量對比CK，明顯上升，有研究證明，株間LED補光照射，可以提高果實的曝光量，促進可溶性固形物含量的提升[22]，結合頂部LED和株間LED的光譜，有試驗表明紅藍(R∶B=5∶1)、白光、紅光的可溶性糖含量分別增加了449%、447%、395%和487%[23]，其中紅光組分能顯著提高番茄果實可溶性糖含量[24]。但是有研究者通過HPS+LED(R∶B=95∶5)和LED+LED對比試驗發現,LED+LED不影響果實內化合物代謝[25]。通過收集600 W HPS頂部補光和LED株間補光生產番茄的果實品質對比，對于所收集的品嘗者數據來說，兩者的差異并不顯著[26]，Dzakovich等[27]研究頂部高壓鈉燈、株間LED以及HPS+株間LED燈收集的番茄果實發現，補光的光質并不會顯著影響番茄的理化特性和被感知上的特性，不同研究結果表明，燈具屬性和番茄品種的差異可能會產生不同的影響。

4.2 結論

四種補光方式均能顯著提高番茄“Provence”產量，提升幅度為：頂部LED+株間LED(LL)>頂部HPS+株間LED(HL)≈頂部LED(L)>頂部HPS(H)。補光處理LL在番茄坐果期明顯提升葉片的光合能力是番茄補光增產因子之一，并且番茄果實的可滴定酸、可溶性糖、可溶性固形物和VC含量提升幅度顯著。