補光強度對設施寡照下黃瓜產量和品質的影響

張文晶 阮梓健 楊威 郭世榮

摘 要 黃瓜是我國設施栽培的主要作物之一。我國南方地區冬春季受持續陰雨寡照天氣的影響，保護設施內弱光問題嚴重，對設施作物生育、產量和品質造成嚴重的不良影響。本試驗通過搭建遮陽網設施，模擬冬春季長江中下游地區溫室內的弱光、寡照，形成光照強度約50 μmol·m-2·s-1的弱光環境，采用LED燈補光，設置125、200、275、350 μmol·m-2·s-1四個光強度在黃瓜結果期進行補光處理，研究補光強度對設施寡照下黃瓜植株生長、光合、果實產量和品質的影響。結果表明，補光對設施寡照下植株生長有促進作用，莖粗、植株干重、根系活力等有顯著提高;補光能顯著增加黃瓜產量、改善品質，補光后黃瓜的可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均有提高，有機酸含量有所降低，且補光越強果實品質越佳。與CK相比，350 μmol·m-2·s-1補光處理產量提高165.27%，效益較好，果實品質有顯著改善，為本試驗條件下最適的補光強度。

關鍵詞 黃瓜;設施栽培;弱光;補光強度;產量;品質

中圖分類號：S642.2 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.22.008

光是植物唯一的能量來源，對植物的生長發育影響巨大，必須給予合適的光照，才能保證植株的正常生長發育。溫室由于結構、覆蓋材料等因素的影響，光照強度僅為露地的50%～70%[1]。我國南方地區冬春季節持續陰雨寡照天氣會造成溫室內作物光照時間縮短、光照強度進一步降低。寡照弱光對作物生育、產量和品質會產生嚴重的不利影響，已成為制約南方地區設施園藝發展的重要因素。

人工補光是解決冬春季設施栽培作物寡照問題的重要措施。人工補光的光源按照發光形式分為熱輻射光源、氣體放電光源和電致發光光源3類[2]。電致發光光源指發光二極管，即LED燈。相比其他光源，LED燈具有精確控制光譜組成、產熱少、長時間保持光穩定性等優勢，其補光技術在農業生產領域應用愈加廣泛[3-4]。眾多研究表明，LED補光可促進作物生長發育，提高產量和改善品質。吳根良等用不同LED光源照射辣椒發現，不同LED光源均能顯著促進辣椒果實中可溶性蛋白含量的增加，適當的LED光源和補光時間可提高設施栽培辣椒果實的商品性和產量[5]。郝東川等應用LED燈對設施栽培瓜果類蔬菜全生育期進行補光處理發現，LED燈補光可明顯提高瓜類蔬菜的主蔓雌花數，對提高蔬菜作物的著果率也有促進作用[6]。劉曉英等研究發現，菠菜應用LED補光可顯著促進菠菜生長[7]。

黃瓜是我國設施栽培的主要作物之一。在冬春季日光溫室黃瓜生產中，光照是影響日光溫室黃瓜生長發育的首要環境因子[8]。有研究表明，寡照會造成黃瓜葉片光合速率降低[9]、光合產物運輸減緩，引起著果率降低、畸形瓜增多、產量和品質下降[8，10-14]等問題。LED補光技術的出現為解決冬春季黃瓜生產寡照問題提供了可靠途徑。目前，LED補光技術在黃瓜上的研究多集中在幼苗階段，在結果期進行補光的研究還鮮有報道。相較于幼苗期，結果期光照對果實產量及品質的影響更大，結果期補光具有更高的經濟效益。在補光強度方面，普遍認為在植物光飽和點之內，補光后的總光強越大對植物生長發育越有利，但補光強度的增高也會使種植成本升高。因此，確定寡照環境下適宜的補光強度進行補光處理，使收益最大化，是補光技術應用于實際生產過程中亟待解決的問題。本試驗通過在植株上方搭建遮陽網，模擬冬春季長江中下游地區溫室內的寡照環境，在黃瓜結果期采用LED燈管進行人工補光（光質為白光），研究補光強度對設施黃瓜植株生長、光合、產量和果實品質的影響，以期為設施寡照下蔬菜優質高效生產提供技術支撐。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

試驗于2020年9—11月在南京農業大學白馬基地連棟溫室中進行。供試黃瓜品種為‘戴多星，育苗基質、栽培基質均由江蘇興農基質科技有限公司提供，LED補光燈管由南京植生譜光電科技有限公司生產。

1.2? 試驗處理

采用桶式基質無土栽培黃瓜，當黃瓜幼苗長到兩葉一心時定植于栽培桶中，每桶定植2株。肥水正常管理，控制溫室環境條件，保障黃瓜正常生長。當黃瓜開花后，在植株上方搭建遮陽網，形成光照強度約50 μmol·m-2·s-1的弱光環境。進入結果期后（遮光后4 d），在弱光環境條件下，采用LED燈管進行人工補光，光質為白光，補光時間為30 d。以不補光為空白對照（CK），設置T1（125 μmol·m-2·s-1）、T2（200 μmol·m-2·s-1）、T3（275 μmol·m-2·s-1）、T4（350 μmol·m-2·s-1）四個光強度補光處理，每日9時開始，補光4 h。每個處理栽培13桶，不同處理間懸掛銀黑色遮光布隔開，以保證各處理間互不干擾。燈管設于植株生長點正上方15 cm處，根據實際補光情況和植株生長情況進行補光高度調整。試驗期間，溫室內晝夜氣溫白天（26.7±5.4） ℃、夜間（14.5±4.5） ℃，空氣相對濕度白天（69.4±14.5）%、夜間（98.6±1.3）%。補光15 d后測定黃瓜植株生長指標和生理參數，于補光后6、10、16和22 d測定收獲的果實品質。

1.3? 測定方法

1.3.1? 生長指標

使用游標卡尺測量垂直于黃瓜子葉方向、子葉節下1 cm處的粗度，代表莖粗。不同處理各選取3株洗凈根系，去掉根尖和上部老根，剪成2 cm長的碎段，稱取0.4～0.5 g，采用氯化三苯基四氯唑（TTC）比色法測定根系活力[15]。各處理另選長勢一致的植株，洗凈根系，擦干，殺青后放于75 ℃烘箱中烘干至恒重，測定整株干重。

1.3.2? 光合生理指標

選取各處理完全展開且葉位相同的功能葉片，采用便攜式光合測定系統（Li-6400，美國）于晴天上午進行凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）等光合參數的測定。測定時葉室溫度控制在（30±1） ℃，光強控制在1 000 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為（415±10） μmol·mol-1，相對濕度為60%～70%。

1.3.3? 果實表型指標

在黃瓜開花后10 d（補光后6 d）開始采摘。用電子天平稱量果實重量、直尺測定果實縱徑、游標卡尺測定果實橫徑。每次采摘各處理選取3～5根黃瓜稱量鮮重后，置于75 ℃烘箱中烘干至恒重，稱量黃瓜干重。根據以下公式計算果實含水量（%）：含水量=（鮮重-干重）/鮮重×100。

1.3.4? 果實品質指標

每次收獲采摘后，各處理隨機選擇6根黃瓜進行品質測定。測定方法：可溶性糖含量，蒽酮比色法[16];可溶性蛋白含量，考馬斯亮藍G-250染色法[17];有機酸含量，NaOH滴定法[16];可溶性固形物含量，手持折光儀測定法。

1.3.5? 果實產量

果實采收期為補光處理后30 d，收獲后統計各處理的果實產量，計算增產率和單果重并核算成本。

1.4? 數據處理

試驗數據經Excel 2018整理后，采用SPSS統計軟件對數據進行統計分析，采用Duncan法進行多重比較，以最小顯著差數法（LSD）分析差異顯著性（P<0.05），采用Origin 2021軟件作圖。

2? 結果與分析

2.1? 補光強度對植株生長的影響

莖粗、根系活力和植株干重等是衡量植株生長狀況的重要指標。由表1可以看出，與CK相比，結瓜期進行補光處理對黃瓜植株莖粗、根系活力和植株干重有不同程度的提高，T1處理補光強度最弱，只有根系活力顯著增加。隨著補光強度的增加，與CK相比，T2處理根系活力差異顯著，莖粗、植株干重雖有增加但并不顯著。莖粗在T3處理時才表現出顯著差異。與CK相比，T4處理促進黃瓜植株生長最為明顯，莖粗、根系活力、植株干重分別增加4.76%、307.32%、43.53%。

數據為3個及以上生物學重復的平均值（±SE），同列數據不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著，下表同

2.2? 補光強度對葉片光合作用的影響

光合作用是綠色植物吸收CO2制造有機物并釋放氧氣的過程，補光處理對葉片光合作用有一定的促進作用。從表2可以看出，隨著補光強度的增加，植株凈光合速率和氣孔導度均有上升的趨勢。與CK相比，T1、T2、T3和T4處理凈光合速率分別提高了32.62%、41.76%、68.97%和84.27%，氣孔導度分別提高了63.46%、127.88%、130.77%和178.85%。與CK相比，各補光處理蒸騰速率均顯著增加，但各處理間并無顯著差異。

2.3? 補光強度對果實品質的影響

2.3.1? 果實可溶性糖含量

從圖1可以看出，隨著補光天數的增加，黃瓜可溶性糖含量總體呈現下降趨勢。與補光處理相比，CK處理植株可溶性糖含量的下降趨勢更為明顯。與補光后6 d相比，補光后22 d時CK、T1、T2、T3和T4處理黃瓜可溶性糖含量分別降低39.28%、27.06%、24.96%、26.70%和18.15%。因此，補光處理對黃瓜可溶性糖含量的降低有遏制作用。

隨著補光天數的增加，不同補光處理的黃瓜可溶性糖含量呈現出差異。從整體上看，隨著補光強度的增加，可溶性糖含量升高，即CK

2.3.2? 果實有機酸含量

有機酸含量是黃瓜品質的重要指標，補光處理對黃瓜有機酸含量有一定的降低作用。從圖2可以看出，隨著補光天數的增加，黃瓜有機酸含量呈現下降趨勢。與補光6 d相比，補光22 d CK、T1、T2、T3和T4處理有機酸含量分別下降了16.99%、22.44%、22.88%、24.89%和24.68%。隨著補光天數的增加，不同補光處理黃瓜有機酸含量表現出差異，與CK相比，補光后16 d有機酸含量顯著降低。

2.3.3? 果實可溶性蛋白含量

可溶性蛋白含量是一個重要的生理生化指標，反映黃瓜體內生理代謝的強度，其含量對黃瓜的品質有重要影響。從圖3可以看出，隨著補光天數的增加，黃瓜可溶性蛋白含量呈現先升高后下降的趨勢。與補光后6 d相比，補光后16 d黃瓜可溶性蛋白含量顯著增加，T1、T2、T3和T4處理可溶性蛋白含量分別提高31.91%、41.23%、32.68%和32.42%。整體上看，補光處理的可溶性蛋白含量顯著高于CK，且隨著補光強度的增加，可溶性蛋白含量有增加的趨勢。

2.3.4? 果實可溶性固形物含量

由圖4可以看出，隨著補光天數的增加，黃瓜可溶性固形物含量呈現先升高后下降的趨勢。與補光后6 d相比，補光后16 d黃瓜可溶性固形物含量明顯增加，CK、T1、T2、T3和T4處理黃瓜可溶性固形物含量分別提高了10.97%、30.04%、30.42%、48.64%和37.04%。

整體上看，隨著補光強度的增加，可溶性固形物含量升高。與CK相比，補光后10 d各處理間開始具有顯著差異，T1、T2、T3和T4處理可溶性固形物含量分別提高了2.53%、5.49%、18.14%和23.63%。

2.4? 補光強度對果實表型和產量的影響

由表3可見，補光處理可以明顯促進黃瓜植株生長，提高產量。T1、T2、T3和T4處理產量分別提高了55.67%、88.90%、109.59%和165.27%。與CK相比，補光處理增加了果實縱徑，且隨補光強度的增加更為顯著。與CK相比，補光處理對果實橫徑并沒有表現出顯著差異。隨著補光強度的增加，單果重稍有增加，但與CK相比，T1、T2處理并無顯著差異，T3、T4處理有顯著增加。

2.5? 寡照下補光成本與收益核算

C=F+H=W*B*T*D*n*x+d*n*x*T*D/G

式中，C為補光成本，F為補光電費，H為補光燈使用費，單位元;W為單根燈管每小時消耗電能，0.018度;B為電價，0.528 3元/度;T為補光時間，4 h·d-1;D為補光天數，30 d;n為每排燈管數量，7根;x為燈管排數，CK、T1、T2、T3、T4處理分別賦值0、1、2、3、4排;d為補光燈單價，90元;G為補光燈使用壽命，20 000 h。

P=Tr-C，Tr=X*To

式中，P為補光收益，Tr為總收益，單位元;X為果實單價，11.92元/kg;To為果實總產量，單位kg。

K=P/F

式中，K為單價電費收益，單位元/元。

由表4可見，隨著補光強度的增加，補光成本逐漸升高。從補光收益上看，采用4排28根燈管收益最佳，與CK相比，收益提高了75.30%。隨著補光燈管數的增加，單價電費各處理的收益呈現降低的趨勢，KT4

3? 討論與結論

光照強度直接影響黃瓜葉片的光合作用，弱光下葉片凈光合速率下降，氣孔導度和蒸騰速率降低，這與葉東奇等[18]對生菜進行的LED補光試驗中得出的結論一致。長期的弱光脅迫會削減植物吸收營養的能力，影響植株的光合作用并阻礙光合產物向根部的運輸，進而影響植株生長。本試驗結果表明，CK的黃瓜植株莖粗、植株干重、根系活力等生長指標均低于補光處理，弱光環境限制了植株的生長。隨補光強度的增強，補光處理的黃瓜植株莖粗、植株干重、根系活力有所增加，表明補光對寡照下的黃瓜植株生長有一定的促進作用。

弱光會造成黃瓜產量下降，一方面弱光使黃瓜葉片光合作用減弱，光合產物總量降低;另一方面，在寡照逆境下，黃瓜葉片光合產物向果實中的分配比例減少，向莖中的分配比例增加[19]，加劇了果實營養缺乏，進而降低果實產量。本試驗結果表明，弱光條件下黃瓜產量較低，與CK相比，補光處理顯著提高黃瓜的果實產量，增加果實縱徑和單果重，與蘇立芳等[20]的研究結論一致。隨著補光強度的增加，黃瓜增產率不斷提高，最高增產率達165.27%。與薛曉萍等[21]的研究結論一致，CK的果實可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均低于補光處理，表明弱光造成黃瓜產量下降的同時也會使果實品質下降。補光處理可以起到改善果實品質的作用，補光后黃瓜的可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均有提高，有機酸含量有所降低，這與王華碩[22]的研究結論相似。趙玉萍等研究發現，不同的溫度和光照強度對溫室番茄光合作用及果實品質有顯著影響，光照強度越大，番茄果實的品質越好[23]。本試驗結果也表明，補光強度愈強，黃瓜果實品質越佳。

通過核算，T4處理（350 μmol·m-2·s-1）效益最高，增產率為165.27%，黃瓜品質較CK也有顯著改善，為本試驗條件下最適合的補光強度。同時也發現，隨著補光強度的增加，單位電價下各補光處理的收益呈下降趨勢。這表明高收益是以高資源浪費為代價，電力資源在高補光強度的處理中并未得到充分利用。另外，T4處理（350 μmol·m-2·s-1）為本試驗最高補光處理，再提高補光強度是否還會進一步促進黃瓜植株生長、提高果實產量、改善果實品質、提高經濟效益仍未可知，因此仍需進一步試驗探究。生產上建議黃瓜結果期可采用LED燈進行補光處理，有利于提高果實產量、品質。一定光照強度內，果實產量、品質、收益與光照強度成正比。

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（責任編輯：丁志祥）