設施黃瓜補光若干問題的探討

|摘要|在弱光寡照的情況下，設施黃瓜的生長將受到嚴重的影響，補光就成為壯苗增產的重要手段。本文從實用的角度探討了設施黃瓜補光中的幾個重要問題，包括光源、光強、補光時間、位置、效益及CO2的補充等，以期為設施黃瓜的補光提供一些可供借鑒的實用技術。

引言

黃瓜富含蛋白質、多種維生素、胡蘿卜素、及鈣、磷、鐵等營養物質，是中國民眾最重要的食材之一，既可作為蔬菜，也可作為水果，還可作為面膜美容。中國是黃瓜生產大國，有超過2000年的栽培歷史，目前中國黃瓜產量占全世界產量的70%以上，位居世界第一。但中國黃瓜單產不高，僅為荷蘭或以色列這些農業發達國家的1/5左右[1]。究其原因，除了在施肥和溫濕度控制等方面的管理不到位外，還缺乏嚴格的光照控制和必要的補光措施。

黃瓜屬喜光耐陰性作物，雖然對弱光也有一定的適應性，但長時間處于弱光環境中不利于黃瓜的生長發育。黃瓜從秧苗到整個生長期和果實成熟期都需要大量的光照，其光合作用的強弱直接決定了果實中干物質的含量和有機營養物質的積累。尤其是在中國北方冬春季節設施栽培的情況下，由于陰霾天較多，經常出現光照嚴重不足且光質較差的情況，導致秧苗徒長、葉片變黃、干物質減少、發育不良、產量降低等問題。因此，設施黃瓜的補光就成為其整個生長期的主要問題。本文從黃瓜生產的實際出發，探討在生產實踐中經常困擾著生產者的有關黃瓜補光的幾個問題，包括光源的選擇、補光強度、補光時間、補光位置、補光效益和CO2的補充等，以期為設施黃瓜的生產者提供一些可供借鑒的實用技術。

光源的選擇

目前可用于補光的光源有熒光燈、各種氣體放電燈（包括汞蒸氣燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈等）及LED燈，LED燈又可分為照明用的寬光譜LED燈、專用于植物照明的LED燈及窄光譜多芯片組合的可調光譜LED燈。由于熒光燈和氣體放電燈的光效比LED燈低，補光所需的能耗費用較高，目前文獻上大多都推薦使用LED燈進行補光，而且傾向于使用植物照明專用的LED燈。但對于主要采用自然光照明的設施蔬菜（包括黃瓜）的補光而言，筆者還是建議使用一般照明用的寬光譜LED光源進行補光，原因如下。

首先，植物照明專用LED燈的價格為一般照明用LED燈價格的5倍以上，然而研究發現，白光照射下植物的壯苗指數、干鮮重和各種生化指標與專用的植物LED燈相比都不是最差的[2]，但初始投資卻要低得多。以1000 W的功率為例，照明用LED燈價格約為600元，而專用的植物LED燈至少要3000元以上，二者相差2400元。按每天補光7 h，每年補光100天計，每年用電約700 kW·h，以0.50元/（kW·h）電費計算，所需電費約為350元。它們之間的差價可用于補光近7年，而且這些費用還是在7年間逐年支付的。因此，用植物專用的LED燈作為設施黃瓜的補光燈在實際生產中是得不償失的。

另一方面，如果使用光強和光譜可調的窄光譜多芯片組合型的LED作為補光燈，為了調節光強和光譜，需要使用更高的燈珠功率、增加電子元器件并使用多種單色LED芯片才能滿足要求，這又極大地增加了LED初裝以及使用的成本。而且在設施補光的情況下已經有了自然光作為基礎光照，這些調光LED所起的作用并不能充分地彰顯出來，因而在設施園藝的實際生產中一般不這樣使用。

補光強度

黃瓜的光補償點約為50 μmol/（m2·s），而光飽和點則在1200 μmol/（m2·s）以上[3]。因此，若用全人工光栽培，為使黃瓜能夠正常生長發育，所需的光合光量子通量密度（PPFD）一般要達到400 μmol/（m2·s）左右。但作為以自然光為主的設施黃瓜而言，在極端情況下的補光強度至少要達到40 μmol/（m2·s）以上，再加上陰霾天時所具有的少量自然光就能確保黃瓜正常的生長發育，避免徒長。為計算所需的補光功率，必須要知道所用光源的光效。對于一般照明用的寬光譜LED光源，其光效一般能夠達到2 μmol/（s·W），因此，所需的LED功率至少要達到20 W/m2左右，這相當于13 kW/667 m2。如果用氣體放電燈（包括高壓鈉燈）或窄光譜多芯片組合的可調光譜LED燈，則至少要增加50%的功率。

補光時間

補光時間一般有兩種，一種是白天補光，另一種是夜間補光。對于白天補光而言，一般情況下當光照強度低于1.5倍的光補償點時，對黃瓜而言約為75 μmol/（m2·s），就要考慮開啟補光燈，否則可能導致嚴重的秧苗徒長或瓜果生長異常。具體而言，在陰霾程度不很嚴重的天氣情況下，通常在7：30～10：30，14：30～17：30，每天補光6 h就足夠了。但在嚴重的陰霾天氣，則需要全天補光，即從7：30～17：30，每天補光10 h。研究表明，補光后的黃瓜無論是秧苗的壯苗指數、生長速度，還是瓜果的產量和質量都能夠得到很大程度的提高[4]。

第二種是夜間補光。最近有學者研究了夜間補光對黃瓜生長的影響[5]，結果表明，在弱光10.0～12.5 μmol/（m2·s）補光處理下，黃瓜幼苗的干鮮重和壯苗指數均增加了40%以上;葉綠素增加了約20%，而類胡蘿卜素含量則增加了80%以上;黃瓜的生長、產量和品質等都有顯著提高，可溶性固形物增加了10%以上，產量增加了近50%，可溶性糖的含量提高了45%。因此，夜間補光對黃瓜植株的生長發育、果實產量和品質等都具有積極的影響。

夜間補光必須注意兩個問題，一是補光強度要低，一般不能高于光補償點的1/10～1/5;二是補光時間要短，一般不超過2 h，甚至可用多次短時間（5～10 min）中斷暗期的方式來抑制秧苗的徒長并提高其壯苗指數[6]。由于夜間補光所需的能耗低、費用少，可以跟白天補光同時使用，以提高補光的效果。

補光位置

補光位置也有兩種，一是頂部補光，一是株間補光。頂部補光簡單而實用，只要將所需的LED燈均勻地安裝在植物的葉冠之上即可，LED燈至葉冠的距離依據其功率而有所不同。若使用可升降的中小功率LED燈，則可離葉冠0.5 m左右，單燈的LED功率增加時，其到葉冠的距離也應增加，以免灼傷葉面。

另有研究表明，株間補光更有利于植物的生長。張盼基于立體光環境的優化建立了設施黃瓜頂葉及株間的需光模型，并據此進行了立體補光、冠層補光及無補光對照的為期90天的補光效果實驗[7]。結果表明，相對于對照組，立體補光在植株的光合能力、株高、徑粗、花果數量及葉綠素含量等方面相比對照均有提升，其中產量平均提升38.5%，可溶性固形物提升約15.2%，可溶性糖提升約20.4%，維生素C提升約5.63%。因此，株間補光使得光強的分布更均勻，光能的利用率也更高，確有利于黃瓜的生長及其產量的提高。株間補光要注意的一個問題是，單顆的LED功率不能太大，否則容易灼傷葉面，造成相反的效果。

補光效益

補光雖然有利于黃瓜的生長和產量及品質的提升，但也不能脫離效益的評估，如果補光沒有效益的話，一切的手段和技巧都是徒勞的。根據前面選用的一般照明用寬光譜LED光源，所用功率為13 kW/667 m2，包括安裝費用，按700元/kW計算，則初始投入為9100元/667 m2。雖然LED燈的壽命可達5萬h左右，但在戶外較為惡劣的環境下LED燈本身和配套的電子元器件都比較容易老化，一般只能用5～8年。如果按7年計算，則每年平攤的費用為1300元/667 m2。

在補光方面，無論是春黃瓜還是秋黃瓜，在種植和生長期間都沒有遇到冬季最嚴重的陰霾天氣，因此補光的需求不是很大。假設每茬補光30天，每天7 h，這樣每茬每667 m2消耗電能為2700 kW·h。按0.5元/（kW·h）計算，所需的電費為1350元/667 m2，加上平攤的初裝費，每年所需的總費用為2650元/667 m2。

根據金投網給出的2020年黃瓜的平均批發價約2.1元/kg[8]，因此，通過補光后每季每667 m2必須增產1.3 t以上才能收回成本。根據國內目前的生產情況，春季黃瓜產量一般為7 t/667 m2左右，秋季為6 t/667 m2左右。因此，補光后單產應能提高25%左右才有收益，這與目前的實驗數據基本一致。如果還能套種其它作物，或在冬季不能種植黃瓜的時期充分利用現成的補光設施種植一些其它作物，則更能充分發揮補光的效益，從而獲得較好的投資回報。

以上只是就一般情況進行了分析，有些地區如果陰霾嚴重且持續時間長，加上大棚薄膜老化變臟光衰嚴重，導致植物在整個生長周期都長期處于弱光寡照的環境，則補光就十分必要，效益也要高得多。否則除了會出現徒長、葉黃、發育不良、果實干物質及有機物含量減少外，甚至會導致欠收、絕收等問題。

CO2的補充

晴朗天氣在封閉的溫室或大棚內生長的黃瓜容易導致CO2的虧缺，若不及時補充則可能使CO2的濃度低于光合作用所需的補償點（約168 μmol/mol），從而嚴重制約植物的生長發育。因此，在光照良好的時段科學地補充CO2對促進作物的生長發育十分重要。

然而，目前的補光研究很少涉及到與溫度和CO2的相互作用。實際上，研究表明，在一定的光照強度下，植物的凈光合速率會隨著CO2濃度的增加而提高，有助于促進植物的生長發育。實驗表明，適當地施用CO2，有助于提高黃瓜的株高、莖粗、葉面積、干鮮重、果實發育及產量等。當CO2濃度為800 μmol/mol時，黃瓜的產量可增加43.3%[9]。而CO2的施用可用簡單的吊袋式CO2氣肥袋，每次費用約為200元/667 m2，有效期可達30～35天[10]。因此，施用CO2是一種投資少、見效高的輔助手段，在光照充足的時段與補光手段互補使用，能產生更好的經濟效益。

總結

文章從實際生產的角度探討了黃瓜補光的幾個問題，如果從研究的角度，還應探討光強、光質和光照時間這3個因素間的相互作用，及其與溫濕度和CO2濃度間的關系，還可以研究近紫外和遠紅光補光對黃瓜生長的影響等。而且不同的組合對植株的生長、黃瓜的產量和品質都有不同的影響，這些研究成果或規律的獲得都有助于指導黃瓜和其它蔬菜的生產，并在不同的生長階段為不同的生產目的提供不同的最佳組合。但對于實際生產而言，在設計補光方案時首要考慮的因素應是較高的投入產出比，只有在可以獲得合理的產出效益的前提下才能考慮其它先進的補光方法或手段。

參考文獻

[1] 許天穎，談潔.我國黃瓜畝產為何只有荷蘭1/5[N].南京日報，2018-10-15（A03）.

[2] 林魁，黃枝，林碧英，等.光強和紅藍配比對瓠瓜幼苗生長及生理生化特性的影響[J].西北植物學報，2017（3）：517-525.

[3] 張振賢，周緒元，陳利平.主要蔬菜作物光合與蒸騰特性研究[J].園藝學報，1997，24（2）：155-160.

[4] 蘇立芳.LED補光對日光溫室黃瓜生長、生理指標及品質的影響[D].邯鄲：河北工程大學，2018.

[5] 王華碩.LED補光對日光溫室黃瓜、番茄、草莓生長發育及品質的影響[D].天津：河北工業大學，2018.

[6] 佘新.紅光中斷暗期對黃瓜幼苗形態及生理特性的影響[D].楊凌：西北農林科技大學，2013.

[7] 張盼.非均勻光合特性約束下的黃瓜立體需光模型構建方法研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2019.

[8] 黃瓜報價行情走勢圖[EB/OL].http：//jiage.cngold.org/shucai/huanggu/，2020-9-15.

[9] 劉洋，孫勝，邢國明，等.不同濃度CO2施肥對溫室黃瓜生長與產量的影響[J].山西農業大學學報（自然科學版），2018，38（2）：53-58.

[10] 徐少華.淺談設施蔬菜二氧化碳（CO2）施肥技術[J].農業開發與裝備，2019，（8）：200，204.

*項目支持：福建省重大專項專題項目“高產、優質、抗逆、廣適的設施蔬菜新品種選育與產業化”（編號2018NZ0002-2）。

作者簡介：徐永（1959-），男，漢族，教授，博士生導師，主要研究方向為植物光調控技術、智能溫室、光伏溫室、植物工廠與人工智能。E-mail：emailyxu@gmail.com。

[引用信息]徐永.設施黃瓜補光若干問題的探討[J].農業工程技術，2020，40（25）：13-15.