冬季設施補光對蘇州地區巖棉培番茄生長的影響

黃志午， 俞亦章， 徐志剛， 朱為民， 錢春花

(1.上海市農業科學院，上海 201106； 2.昆山市城區農副產品實業有限公司，江蘇 昆山 215300； 3.南京農業大學，江蘇 南京 210000； 4.蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008)

番茄，又稱西紅柿、番柿，起源于熱帶、亞熱帶地區，屬茄科茄屬，是中國設施溫室中的主栽作物之一，同時番茄還是一種世界性經濟作物。番茄產量影響著地方經濟發展和農民的經濟收入，番茄作為一種肉質性果實，也被認為是研究果實發育、成熟的理想材料。為了周年供應優質果菜，部分地區的栽培技術和栽培設施發展得較快，也面臨著諸多客觀問題，從而影響番茄產量和品質等。例如：冬季和早春季節的霧霾、連續陰雨等造成溫室光照環境惡化。另外，棚室的材料老化、骨架結構、補光燈位置和不斷生長的番茄間和葉片間相互遮掩都使得喜光作物番茄長期生長在弱光環境中，使番茄植株營養生長過快，出現避陰反應；此外，番茄生殖生長不良，表現為落花落果、果實發育緩慢、產量下降、品質變低等[1]。要高效生產番茄等果菜類作物，就必須克服冬季低溫弱光和高濕度傳播病蟲害等問題。

巖棉栽培番茄可以有效解決土壤酸堿化、板結等不利于種植的問題，并可杜絕土傳病害的傳播、節約空間、有效降低空氣濕度、減少病蟲害。在荷蘭無土栽培的設施溫室中，90%以上是用巖棉栽培[2]。美國在無土栽培技術領域早已轉向太空，并走在世界的前列[3]。

人工補光是改善設施光環境的最有效手段，為當前設施園藝高產、提質增效的關鍵措施之一，在設施蔬菜生產中具有重要的應用前景[4]。在設施溫室內應用人工補光配合采用巖棉培技術能夠有效彌補溫室環境中的光照不足，降低溫室濕度，減少病蟲害等，提高抗病性。林婧等[5]研究發現，增加補光強度和延長光照時間，可以增加番茄的株高、節間距和莖粗，提高番茄幼苗抗病蟲害的能力。劉曉英等[6]的研究結果表明，不同光質配比可以增加番茄苗期葉綠素含量、提高光合作用等。Xu等[7]發現，發光二極管(LED)紅光會增加棉鈴蟲對番茄的危害，同時LED藍光降低了番茄的病情指數。目前，大多數研究集中在室內補光對番茄苗期的影響，如在北方設施溫室內番茄全生育期的補光，較少涉及長江流域冬季設施巖棉培番茄補光技術的應用。因此本研究以番茄品種152為試驗材料，設置3組不同位置補光處理，在雙層拱棚的連棟設施大棚內應用巖棉栽培技術，研究人工補光對冬季番茄產量、生長及光合作用的影響，為反季節種植番茄的補光技術提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 光源的選擇

冠層補光采用點形大功率植物光源(以下簡稱點光源，功率250 W，由南京植生譜光電科技有限公司提供)，叢間補光采用線形LED植物光源(以下簡稱線光源，功率18 W，由南京植生譜光電科技有限公司提供)。

1.2 試驗材料

由廈門百利現代農業科技有限公司提供番茄品種152的種子。

1.3 試驗設計

試驗在南京農業大學昆山蔬菜研究院的雙層拱棚連棟溫室大棚內進行。2018年8月27日催芽，9月22日定植，各處理設72株番茄，株距25 cm。雙層拱棚保溫，覆蓋地布，用水肥一體化技術降低空氣濕度、減少病蟲害。設置3個處理組和1個對照組：C1處理，兩壟的冠層分別用間隔120 cm的5盞點光源共10盞+兩壟的各側面用5根線光源共20根；C2處理，橫向五壟的巖棉塊正上方放置3根線光源共15根；C3處理，兩壟的冠層分別用間隔120 cm的5盞點光源共10盞；CK，一個不補光的單間。各處理之間使用遮光板隔開，防止光源干擾。點光源固定于巖棉塊正上方212 cm處。C1處理的線光源放置于壟的兩側，最開始距離巖棉塊的距離為50 cm，其高度隨番茄生長及采收狀況進行調整；C2處理的線光源固定于壟的中間，距離巖棉塊正上方125 cm處(圖 1)。補光時間根據當天的天氣狀況進行調節。11月3日開始補光。白天最高溫度高于27 ℃時放風降溫除濕，夜間最低溫度低于12 ℃時采取臨時加溫措施增溫。雙稈整枝，不封頂，每穗留10～12個果，各農事操作統一進行。

C1處理：點光源冠層補光+線光源叢間補光；C2處理：線光源叢間補光；C3處理：點光源冠層補光；CK：未補光的單間對照。圖1 冬季設施巖棉培番茄各處理補光方式示意Fig.1 Schematic diagram of the light supplement method for stone wool cultivated tomato under each treatment in winter

1.4 測定項目和方法

1.4.1 生長指標的測定 從每個處理中隨機選取燈下長勢一致的4株番茄，分別于開花后30 d、37 d、44 d、51 d和58 d，用布條尺測量株高、第3穗花上兩節的節間距，用電子游標卡尺測量第3穗花上兩節的節間莖粗，用計數法目測花穗數。

1.4.2 葉片中色素含量的測定 分別在果實的綠熟期、轉色期和成熟期，摘取各處理選取的4株番茄相同部位的果實，用植物破壁研磨機進行研磨，放入超低溫冰箱中保存待用。取對應的番茄葉片，放入液氮罐中后用超低溫冰箱保存待測，共取樣3次。葉綠素含量的測定采用乙醇-丙酮混合提取法[8]。

1.4.3 光合熒光參數、光響應曲線的確定 在果實成熟期，用光合儀 LI-6400XT(USA)測量各光合指標。測量光響應曲線時，光照度梯度設置為2 000 μmol/(m2·s)、1 800 μmol/(m2·s)、1 600 μmol/(m2·s)、1 400 μmol/(m2·s)、1 200 μmol/(m2·s)、1 000 μmol/(m2·s)、800 μmol/(m2·s)、600 μmol/(m2·s)、400 μmol/(m2·s)、200 μmol/(m2·s)、150 μmol/(m2·s)、100 μmol/(m2·s)、75 μmol/(m2·s)、50 μmol/(m2·s)、25 μmol/(m2·s)、0 μmol/(m2·s)，CO2濃度設置為(390±10) μmol/mol，重復測定3次。

1.5 數據統計和分析

采用Excel 2010處理數據和繪圖，采用SPSS 20.0進行統計分析，并用Duncan’s法分析差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄產量的影響

2.1.1 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄各采摘節點產量的影響 2018年11月3日開始隨天氣狀況間斷補光，補光后3 d C1和C3處理果實最先開始轉色，補光后26 d各補光處理開始采收，而CK延遲6 d后才達到采收程度，說明冠層應用點光源進行補光能夠促進番茄果實提前轉色，且補充光照使得番茄提前成熟，提早上市，增加了經濟效益。除第4次采摘外，CK在各次采收中的產量都較低。補光處理能夠增加番茄產量，且C1處理的產量最高，補光效果最佳(表1)。

表1 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄各采摘節點產量的影響

2.1.2 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄產量及構成因素的影響 如表2所示，不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄產量及其構成因素的影響存在差異。對照的總產量最低，為36 587.52 g。C1處理的72株總產量最高，為51 076.08 g，與對照相比提高39.60%。C1處理的實際單株產量最高，其次是C3處理，兩者顯著高于CK，而各補光處理之間沒有顯著差異，這與單穗果質量的差異顯著性相同。不同處理下番茄單果質量的順序為C1處理>C3處理>C2處理>CK，這與72株總產量、實際單株產量和單穗果質量的順序相同。C1處理的單果質量顯著大于C2處理和對照。上述結果說明，C1處理相比于C2處理和C3處理在各產量構成因素中表現最好，試驗產量最高。

表2 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄產量及構成因素的影響

2.1.3 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄花穗數的影響 如表3所示，在開花后30 d、37 d和51 d，不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄花穗數沒有顯著影響。開花后30 d，C2處理的花穗數低于對照。開花后37 d，C3處理的花穗數高于對照和其他處理。C1和C3處理的花穗數平均每周增長1穗以上，C2處理每周增長1穗，而CK每周增長1穗左右。C1和C3處理的花穗數增量大于C2處理，明顯大于CK，說明補光處理能促進花芽分化，同時，冠層應用點光源的效果更顯著。開花后44 d和58 d，C1和C3處理花穗數高于對照和C2處理。最終到花后58 d，C1處理的花穗數最多，其次為C3處理，說明冠層點光源+叢間線光源的補光效果最好。花穗數是重要的番茄產量構成因素之一，它直接影響了產量的高低。

表3 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄花穗數的影響

2.2 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄生長的影響

2.2.1 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄節間距和莖粗的影響 如表4所示，不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄節間距存在一定影響。花后37 d和58 d，CK的節間距顯著高于C2處理，與C1和C3處理無顯著差異。花后44 d CK的節間距顯著高于C2和C3處理，與C1處理沒有顯著差異。花后51 d不同補光處理和CK的節間距沒有顯著差異，對照一直保持最高的節間距。由此可見，C1和C3處理比C2處理更能促進冬季設施巖棉培番茄的生長發育，兩者的各產量構成因素表現最好，產量也高于C2處理和CK。比較各補光處理與CK，發現補光處理能抑制冬季設施巖棉培番茄徒長。

表4 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄第3穗花上兩節節間距和莖粗的影響

不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄莖粗的影響也存在顯著差異。花后37 d、44 d各補光處理番茄莖粗都顯著大于CK。花后51 d、58 d，C1處理的番茄莖粗最大且顯著大于CK，與C2、C3處理沒有顯著差異。綜合比較得出，各補光處理植株表現更粗壯且C1處理最健壯，與CK形成鮮明對比，說明補光促進了冬季設施巖棉培番茄生長發育，降低了冬季惡劣環境條件的影響。

2.2.2 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄株高的影響 如表5所示，不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄花后30 d到51 d的株高沒有顯著影響。而在花后58 d，不同補光方法處理的番茄株高存在顯著差異，C1處理的株高顯著高于C3處理，兩者與對照、C2處理沒有顯著差異。C1處理的番茄生長得最快，最終各處理株高的順序為C1處理>CK處理>C2處理>C3。

表5 不同補光方法對冬季巖棉培番茄株高的影響

2.3 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄光合作用的影響

2.3.1 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄葉片光合色素含量的影響 由圖 2可知，不同補光方法下冬季設施巖棉培番茄果實各發育時期植株葉片中色素含量存在差異。在果實綠熟期，對照的Chl.a含量、Chl.b含量、Chl.a/Chl.b比值、類胡蘿卜素含量和葉綠素總含量都是最高的，且對照的Chl.a含量和Chl.a/Chl.b比值均顯著高于C2處理，與C1和C3處理沒有顯著差異，其他各色素含量在轉色期和完熟期均沒有顯著差異。在果實完熟期，對照的各光合色素含量與各補光處理之間沒有顯著差異，但對照的各色素含量都是最低的。比較各補光處理，發現C2處理的葉綠素總含量高于C1和C3處理，這可能是由于C2處理光照度較低以及與其他處理在同一間棚室內溫度有所增加的情況下，應對低溫寡照的適應性反應。C3處理的葉綠素含量相對高于C1 處理，可能由于南面溫度稍高。果實從轉色期到完熟期對養分和能量需求增加，可溶性離子濃度(EC)也達到5.0以上，同時，補光促進果實完熟期葉片中色素的積累，促進光合作用對光能和CO2的吸收，形成更多碳水化合物輸送到果實中。

各處理見圖1注。同一時期不同處理間標有不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄光合色素各相關指標的影響Fig.2 Effect of different light supplement methods on chlorophyll related indicators of stone wool cultivated tomato in winter

2.3.2 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄光合特征的影響 如表6所示，不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄植株氣孔導度和蒸騰速率沒有顯著影響，但C2處理在各處理和對照中是最低的。不同補光方法對番茄光合速率和胞間二氧化碳濃度有顯著影響，C2處理的光合速率顯著低于對照、C1和C3處理，大小順序為C3處理>C1處理>對照>C2處理。而C2處理和對照的胞間二氧化碳濃度顯著高于C1和C3處理。盡管C2處理的葉綠素總含量高于對照和其他各補光處理，但C2處理的光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均低于對照，這可能是由于棚室內補光燈、設施設備(如：棚室骨架結構、臭氧發生器)等遮擋及較弱的自然光造成的。這也進一步說明在沒有充足光照的情況下，植物光合作用的強弱不僅與補光強度相關，還跟設施內溫度、自然光強度等有關。C3處理的光合速率、蒸騰速率高于對照、C1和C2處理，可能由于C3處理處于溫度稍高的南面，再加上冠層應用大功率植物光源，其氣孔導度、蒸騰速率和光合速率也相應上升。

表6 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄光合特征的影響

2.3.3 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄光響應曲線的影響 如圖3所示，不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄光響應的影響存在明顯差異。在光照度為0～400 μmol/(m2·s)的范圍內，各補光處理下番茄植株的凈光合速率都高于對照。同時在此范圍內，對照及各處理的番茄植株光合速率增速都較快，在光照度達到500 μmol/(m2·s)之后，增速趨于平緩，但C1處理的光合速率較對照和其他處理高出4～6 μmol/(m2·s)。且在光照度為400 μmol/(m2·s)之后，C2處理的光合速率低于對照，這與C2處理的光合特征相對應(表6)。

各處理見圖1注。圖3 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄光響應曲線的影響Fig.3 Effects of different light supplement methods on light response curve of stone wool cultivated tomato in winter

如表7所示，由光響應曲線得到的參數值在不同補光方法下差異明顯。C3處理的光補償點最低，為4.075 μmol/(m2·s)，與C1處理的差異較小，兩者明顯小于C2處理和對照。說明C1和C3處理對冬季弱光的環境適應性強于CK和C2處理，兩者光合速率也高于CK和C2處理。同時C1和C3處理在形態建成(表4、表5)和產量構成(表2)方面表現較好。正常的光照環境中，春秋茬番茄的光飽和點為1 200～1 300 μmol/(m2·s)，但本試驗番茄為反季節番茄，低溫寡照、濕度較高等惡劣的環境導致番茄的光飽和點普遍降低一半以上。對照的光補償點和光飽和點都高于各補光處理，而C2處理的光飽和點與對照不相同，說明C2處理叢間應用線形LED植物光源有一定的補光效果，起到抵御冬季不良環境因素的作用，這也是C2處理的總產量稍高于CK的原因之一。

表7 不同補光方法對冬季設施巖棉培番茄光響應曲線參數的影響

C1處理的最大凈光合速率明顯大于對照、C2和C3處理，對照的最大凈光合速率最小，但與C2和C3處理的最大凈光合速率差異不大。在弱光階段光響應曲線的斜率即為表觀量子效率。對照的表觀量子效率較小，各處理的大小順序為C2處理>C1處理>C3處理>對照。各處理之間光呼吸速率相差較大，C2處理最大，為0.855 μmol/(m2·s)，高于對照，是C3處理的3.35倍。

3 討論與結論

補光能顯著提高番茄的產量，這是由于植株生長處于源限制時，補光顯著影響番茄的形態特征，對作物生物量的積累有促進作用。葉片光合作用的強弱影響著果實碳同化物轉運，弱光環境下補光可以提高光合同化率、果實生長速率和作物產量[9]。戰吉宬等[10]認為弱光下植株會出現徒長、莖稈瘦長、葉片變大變薄和顏色變淡等避陰癥狀。強光下植株會出現葉片變厚、葉色變黃等不良癥狀[11]。本研究中對照的節間距均高于補光處理，且對照的莖粗最小。在花后58 d，對照的株高除小于C1處理外，均大于另外2個補光處理。根據朗伯比爾定律，隨著冠層深度的增加，葉面積指數為1時叢間光照強度只有冠層頂部的40%，且隨著葉面積指數增加，中下部光照強度呈指數關系下降。株間補光能夠提高番茄中下部的光照強度，增加葉片凈光合速率，利于番茄植株生長，提高產量。在只有雙層拱棚保溫的情況下，通過補光可以提前6 d采收，且C1處理的產量最高，補光效果最佳。研究中發現，補光處理可顯著提高番茄的單株產量和單果質量，對照的花穗數整體上少于C1和C3處理，但個別指標卻比C2處理更好。層間LED補光與環境光照強度相比較弱，對番茄植株光合作用沒有太大影響，這與閆文凱等[12]研究結果一致。Marcelis[13]研究結果表明光照強度每增加1%，其產量也增加1%。Gajcwolska等[14]研究認為點狀高壓鈉燈相比于LED燈更有利于增加番茄的產量。

大多數葉綠素a和全部的葉綠素b都參與光能的吸收和傳遞，另有一部分葉綠素a起光反應中心作用，推動光化學反應的進行，分別稱為天線色素和反應中心色素，類胡蘿卜素也有天線色素的作用，同時它還起到光保護的作用。本試驗中，在果實發育的轉色期和完熟期，補光處理對葉綠素各指標無顯著影響，但補光處理下葉綠素含量增加而對照是下降的。葉綠素和類胡蘿卜素分配比例的改變，使得植株更加高效地利用光能，從而提高植株抵抗逆境和病蟲害的能力。

光合作用是植物形成產量的基礎[15-17]，葉片凈光合速率下降是植物對環境脅迫的共同特征。光合作用受光照和溫度等環境條件的影響，又容易受到氣孔限制和非氣孔限制。本試驗發現，C2處理的光合速率顯著低于對照、C1處理和C3處理，其氣孔導度較低而胞間二氧化碳濃度顯著高于其他處理，說明C2的凈光合速率主要受非氣孔限制的影響。趙玉萍等[18]研究發現，在相同溫度下，增加光照強度，番茄的凈光合速率上升，對照的氣孔導度增大，胞間二氧化碳濃度提高，這與本試驗結果一致。植物光補償點與對弱光的利用效率成反比，本試驗中，對照和C2處理的光補償點相同，明顯高于C1和C3處理，C3處理和對照的光飽和點與光補償點的數值大小呈正相關，而C2處理的光飽和點并不是最高，且C1處理要高于C2處理，這與李佳帥等[19]研究結果不一致，可能與補光方法和針對不同植物產生的效果差異有關。與對照和其他各處理相比，C2處理的表觀量子效率和光呼吸速率最高，因此，C2處理下的番茄更多地消耗葉片中光合作用所產生的碳水化合物，以彌補弱光的影響。光飽和點能夠反映植物對光能利用區間的大小。本研究中，C1處理的光飽和點高于C2和C3處理，且C1處理的最大凈光合速率明顯高于對照和其他處理，其表觀量子效率明顯高于對照和C3處理，光呼吸速率則只高于C3處理。點光源冠層補光+線光源叢間補光(C1)處理的番茄具有更大的光能利用區間和光合潛力。