珠海大型溫室番茄長季節栽培模式補光設計研究

鮑順淑，劉慶鑫，武 耘，李思博

（1農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；2農業農村部農業設施結構工程重點實驗室，北京 100125）

0 引言

近年來，中國設施園藝產業快速發展，全國各地大型玻璃溫室建設越來越多。大型溫室設備配套齊全，對溫室內的環境調控能力強，主要用于番茄、黃瓜等果菜的長季節栽培[1-2]。長季節栽培可延長采收期，增加收獲果穗數，能顯著提高番茄產量和效益[3-4]，是番茄的重要種植模式。在長季節栽培中，溫室環境尤其是光環境的變化對番茄生產有著較大的影響，弱光是導致作物減產的主要因素之一[5-6]。但由于多種因素的影響，溫室的自然光透過率只有60%～70%，且由于地域差異，部分地區光照資源匱乏，在一定程度上造成了溫室內植物處于弱光環境。在實際生產中時常聽到種植者抱怨天氣，尤其是連續的陰天導致溫室內的光照環境差，植株長勢弱，番茄產量和品質受到影響。因此，光環境調控成為番茄長季節栽培首要解決的問題之一[7-8]，為了獲得較好的品質和較高的產量，需要根據番茄的光照需求進行人工補光調節[9-10]。荷蘭溫室生產非常注重補光，對番茄、甜椒、黃瓜等作物的長季節栽培均有較為成熟的補光方案。目前國內大型溫室處于快速發展階段，缺乏系統有效的補光方案，部分溫室不顧當地光熱資源條件與荷蘭的差異，盲目照搬荷蘭補光方案，導致補光運行成本高，溫室生產盈利能力差；也有部分大型溫室不具備配套的補光設備，沒有因地制宜的補光策略，導致農產品質量和產量與預期差異較大，生產效益不佳。因此，如何用最少的人工補光彌補自然光的不足，是大型溫室生產亟需解決的重要問題。為此，本研究在廣東省珠海市番茄長季節栽培大型溫室設計建造之初，從珠海地區光照資源評估、番茄光照需求規律、補光策略等方面開展研究，力爭給出適宜珠海地區大型溫室番茄長季節栽培模式全生育期的合理光照調控方案[5]，以期為投資者與種植者提供補光指導和建議，實現大型溫室的低成本高效生產，并為其他地區溫室補光設計提供參考。

1 研究資料與方法

中國經度范圍為73°33′—135°05′E；緯度范圍為3°51′N至53°33′N，較大的經緯度跨度導致不同地區的自然光照環境有著較大的差異。廣東省珠海市位于21°48′—22°27′N、113°03′—114°19′E，研究組收集了珠海地區1997—2016年共20年的日總輻射曝輻量資料（日總輻射曝輻量，單位為0.01 MJ/m2，它表示該地區的光照強度的物理量，其大小直接影響作物的生長，對農業有著重要的影響，是反映該地區光照資源的重要指標之一）。通過對珠海地區多年日總輻射曝輻量數據進行匯總分析，找出不同季節不同月份的自然光照強度變化規律；同時，結合珠海光照資源條件、溫室光照透過率、番茄光照需求與茬口安排，給出珠海地區大型溫室番茄長季節栽培的合理補光方案。

2 珠海地區日照光強的氣候特性

2.1 20年日總輻射曝輻量變化特征

珠海市1997—2016年逐月總日輻射曝輻射量如圖所示（圖1），從圖可以看出1—4月自然光光強較弱，其中3月的光強最低僅有8.30 MJ/m2，從5月開始光強開始逐漸升高，至7月達到最大為15.58 MJ/m2，11、12月光強開始降低。春季3—5月，光強從低開始增強，夏季6—8月光強最強，秋季9—11月光強開始逐漸減弱，冬季12—2月光強則降至全年最低。由此可知珠海地區冬季和春季光照強度較弱，夏季和秋季光照強度較強。

2.2 20年日總輻射曝輻量變化特征

珠海市1997—2016年平均總日輻射曝輻量年變化圖（圖2），由圖可以看出20年來珠海地區總日輻射曝輻量有升高的趨勢，1997—2006年總日輻射曝輻量平均值為11.45 MJ/m2，2007—2016年總日輻射曝輻量平均值為12.56 MJ/m2，后十年較前十年光照強度稍有提高，但是幅度并不明顯。其中2010年和2005年的總日輻射曝輻量較低。

2.3 20年日總輻射曝輻量四季變化趨勢

從圖3四個季節的變化趨勢情況來看，1997—2016年春、夏、秋、冬四個季節的日輻射曝輻量都呈增加趨勢，即四季的太陽輻射強度都有所增強。其中夏季的增加幅度最大，2016年較1997年日輻射曝輻量增加了3.66 MJ/m2，增加了22.2%；其次是秋季和冬季分別增加了 1.73 MJ/m2、1.08 MJ/m2，分別增加了 13.3%和11.1%；而春季增加幅度最小，幾乎沒有很大的變化，呈現平穩趨勢。且從圖3可以看出，四個季節中夏季（6、7、8月）的太陽光照最強，為14.73 MJ/m2，秋季（9、10、11月）次之為13.38 MJ/m2，春季（3、4、5月份）和冬季（12、1、2月）平均日輻射曝輻量較少分別為10.20 MJ/m2、9.47 MJ/m2。

圖1 珠海市1997—2016年平均逐月總日輻射曝輻量變化

圖2 珠海市1997—2016年總日輻射曝輻量年變化

圖3 珠海市1997—2016年總日輻射曝輻量四季變化

2.4 廣東省地區的日照時長

林苗青等[15]對近53年來廣東省地區的日照時數進行分析，由其研究結果可以知道，秋季的日照時數最長，有684 h即平均每天日照時長7.5 h；夏季和冬季次之，分別為587 h和551 h，即平均每天日照時長6.5 h和6 h；春季的日照時數最短，僅有384 h，即平均每天日照時長4.3 h。珠海日照時長與廣東地區基本一致，夏季和秋季的日照時長較長，春季和冬季日照時長和日照強度值均較低。中國經緯度跨度大，不同地區的光照時長差距較大（見表1），因此，若要進行番茄長季節栽培，還需要考慮不同季節的自然光照時長特點，進行合理的人工補光。

表1 不同區域光照時長比較

3 珠海市溫室內部光合有效輻射分析

植物生長所需的光強大都以光合有效輻射來表示，因此需將總輻射曝輻量換算成光合有效輻射來分析，其換算公式如公式(1)所示。

式中，PAR表示光合有效輻射，μmol/m2·s，Q表示總輻射曝輻量，MJ/m2，A1 表示0.01 MJ/m2=0.086W/m2，A2為光能轉化系數，這里取4.56[12]。

由于溫室維護結構等的影響，溫室內的光照強度僅為室外的30%～70%，因此本研究溫室內的光強按照室外光強的60%計算，室內的光環境情況如表2所示。番茄作物生長期所需的光合有效輻射在300 μmol/(m2·s)以上才可以滿足其營養生長和果實發育[12]。由表2可知，春季2—4月和秋季9—10月以及冬季2、12月珠海地區溫室內有半個月以上的時間其光強強度都低于 300 μmol/(m2·s)。因此，珠海地區溫室若要進行番茄的長季節栽培，需根據不同季節的自然光照條件制定相應的補光策略。

表2 珠海市1997—2016年溫室內光照環境

4 珠海番茄長季節栽培補光方案

4.1 番茄苗期的光照需求

有研究表明，苗期的光照環境對番茄的生長十分重要，苗期弱光會造成幼苗的莖葉弱小，嚴重時會導致幼苗的徒長，導致番茄后期長勢弱，并最終會影響產量和品質。番茄苗期所需光合有效輻射約為200 μmol/(m2·s)。珠海溫室番茄長季節栽培育苗期為7、8、9三個月，從表2可以知道這三個月溫室內的平均光合有效輻射約為194 μmol/(m2·s)，可以滿足番茄苗期的光照需求，可不進行額外的人工補光。

4.2 番茄生長期溫室補光方案

當番茄植株的育苗期結束后，番茄植株開始進入營養生長和生殖生長期，因這兩個時期番茄對光照強度的需求相似，因此在這里統稱為生長期。生長期的番茄植株對光照的需求增加，此階段的光環境條件會直接影響番茄植株的長勢、坐果率及果實的產量及品質，是影響番茄產量的重要階段。有研究表明進入生長階段后番茄所需的光合有效輻射需大于300 μmol/(m2·s)，光照時長15 h/d。而根據表2中可知，10月份開始后溫室內的光合有效輻射量達不到所需的光照強度，需要人工補光加以調節。具體補光方案根據不同月份的自然光照情況進行補光量的調節，如圖4所示。

5 討論

圖4 珠海市溫室內補光方案

珠海的自然光照相對充足，但有著明顯的季節差異，其中夏季和秋季的光照強度大且日照時數長。夏季室外的平均日輻射曝輻量可達14.73 MJ/m2，日照時數為6.5 h/d，這與林苗青[15]等對廣東地區日照時長的研究結果相似。由于溫室維護結構的影響，室內光照強度低于室外自然光照，假設有60%的光照進入溫室內部，通過換算可知溫室內的光合有效輻射為199 μmol/(m2·s)；秋季室外的平均日輻射曝輻量可達13.38 MJ/m2，日照時數為7.5 h/d，溫室內的光合有效輻射為171 μmol/(m2·s)；春季室外的平均日輻射曝輻量可達10.20 MJ/m2，日照時數為4.3 h/d，溫室內的光合有效輻射為 161 μmol/(m2·s)；冬季室外的平均日輻射曝輻量最低9.47 MJ/m2，日照時數為6.0 h/d，溫室內的光合有效輻射為 146 μmol/(m2·s)，這與李曉文等[11]研究結果相符合。王靜等[26]研究表明溫室內部的光照環境對植物的生長有著重要的影響，合理的補光措施是設施栽培重要的環境調控手段。閆文凱等[27]研究發現根據溫室內的光照環境差異對溫室內的番茄進行不同補光強度、不同補光方式可以有效的提高溫室番茄產量。王舒亞等[28]研究發現對番茄進行不同時長的補光處理，補光2 h、3 h處理下的番茄產量有明顯的提高，這與李蔚等[29]對溫室內番茄不同時間進行補光處理的結果相似。張帆洋等[5]的研究結果表明在番茄營養生長期（3月中旬），溫室內的光照量和晝夜平均溫差對葉面積、莖粗和株高的增長影響不大；在番茄果實膨大期（4月中旬），溫室內的光照量與果實膨大均呈極顯著正相關。Lanoue Jason等[31]的研究表明番茄對水肥的吸收與光照呈正相關。由此可見在實際生產過程中應根據當地不同月份的光照情況，對溫室內的番茄進行不同的補光處理。根據廣州地區的光照情況和栽培茬口安排，7、8、9月份在溫室內進行育苗，此時溫室內的光照強度滿足番茄苗期對光照的需求，因此，不需要額外的人工補光。而當番茄植株進入到營養生長及生殖生長時期，溫室內的光照強度則無法滿足番茄植株正常的生長需求，需要進行人工補光來達到番茄作物的生長需求，從而保證溫室內番茄植物的產量及品質。

6 結論

番茄長季節栽培模式，在7、8、9月份進行育苗，溫室內的光合有效輻射為171 μmol/(m2·s)，日照時數為7.5 h/d，溫室內的自然光照可滿足番茄幼苗的光照需求，不需要進行額外的人工補光；番茄在10—12月進入營養生長，此時溫室內的光合有效輻射為146 μmol/(m2·s)，日照時數為6.0 h/d；坐果期則在來年的1—4月份，此時期溫室內的光合有效輻射為161 μmol/(m2·s)，日照時數為4.3 h/d，需根據自然光的情況進行適當補光，補光強度為102～166 μmol/(m2·s)。