激光植物生長燈在無花果日光溫室栽培上的應用

賀宇，韓亞慧，張春芬，鄧舒，肖蓉，曹秋芬，孫海峰，王歡

（1.山西農業大學 園藝學院，山西 太谷 030801；2.山西大學 生命科學學院，山西 太原 030006；3.山西農業大學 果樹研究所，山西 太原 030031；4.山西農業大學 生命科學學院，山西 太谷 030801；5.臨汾市碧豐霖農業科技開發有限公司，山西 臨汾 041000；6.臨汾市堯都區扶貧開發中心，山西 臨汾 041000）

無花果原產地中海沿岸，喜溫暖濕潤氣候，屬喜光性樹種，只有在良好的光照條件下，才能正常生長、開花、結果。隨著經濟的發展，人們的生活水平不斷提高，對于果蔬的需求日益多樣化，本土常見的果蔬已不能滿足人們對于新鮮事物的追求，這就促進了南果北種栽培技術。在我國北方地區，由于冬天的陽光入射角度較低、植被單位面積的光能不足、日照時數較短，自然光條件無法適應無花果生長對光照條件的需要以及遭受不良氣候下的環境條件影響，使得植物的生長發育速率過緩[1]。人們使用日光溫室、塑料大棚雖然可以解決環境溫度的問題[2]，但受溫室骨架、建筑方位、角度、覆蓋材質等因素的影響，溫室內光照條件已經不適宜無花果的健壯生長，從而出現了坐果率、產量和品質降低等問題。生產的大量需求有力地促進了植物補光科技的蓬勃發展，現代園藝設施中，為了實現作物高效優質的生產，各種人工光源也被大量開發利用[3]。但傳統光源大多為白熾燈、熒光燈和鈉燈，都是連續復合光譜，無法控制光質比等技術參數，造成很大一部分光譜能量的浪費；且作為熱光源，無法近距離照射植物，使用過程中部分光子運動能量逸散，也不利于精確調控植物生長的環境溫度[4]。近年隨著技術的發展，LED光源憑借其照明效果好、響應速度快、光質純等優勢取得了較大研究進展。但是上述光源在技術手段上一般都是采用增大燈管的輸出功率來擴大照射面積，所產生的光照對于植物的生長發育并不能達到良好的效應，而輸出功率的增大會造成散熱問題，從而加速LED、鹵素燈、熒光燈等的老化，影響植物補光燈的使用壽命。為克服上述植物補光燈存在的問題，需要一種輻照能量強、單盞功耗較少、單色性好、覆蓋面積廣的新型光源[1]。

激光植物生長燈是利用激光合成的植物光合作用光譜信息技術，以提高綠色植物光合作用能力的植物生長光源，具有亮度高、方向性好、射程遠、方便控制等優點[5]。植物在生長過程中使用激光生長燈，能把相應的光子攝入植物細胞并提高植物細胞的生物能,激活植物有關光合效應酶的生物活性并促進植株的生理代謝[6-8]，各種波段的光通過激活相應光受體結合，影響植株的生長發育、光合特性、形態建成、生物代謝以及產品品質等[9]。而可見光中波長640～660 nm的紅光和波長430～450 nm的藍光對植株的作用效果顯著，在這2個波長范圍內葉綠素a和葉綠素b分別有一個吸收峰值[10]，是植物光合作用的主要能量來源。植物補光燈的選擇應該既可以滿足植物生長的需求，又盡可能地降低補光成本[11]。在設施蔬菜、果樹上研究較多的是LED燈對植物生長的影響。在植物生產中仍然存在耗能大、生產成本高的問題，影響果農使用的積極性。作為新型的植物補光燈，激光植物生長燈具有許多優良的性能：覆蓋面積廣、體積小、壽命長、功耗低、光譜更精準[1]。激光植物生長燈在蔬菜上應用已有研究報道，而在設施果樹上研究未見報道，對此，山西農業大學園藝植物生物技術課題組連續2 a調查了溫室補光后無花果植株生長及果實性狀，研究激光植物生長燈對無花果生長、發育、結果的影響，為無花果設施栽培豐產技術提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試無花果品種為波姬紅，由山西省臨汾市碧豐霖農業科技開發有限公司引進。試驗儀器為紅嬌陽M101-G型激光植物生長燈，功率12 W，補光燈珠3×3陣列，藍光波長400～500 nm，紅光波長610～720 nm，紅藍光質2∶1，西安同凱電子科技有限責任公司生產。

1.2 試驗方法

試驗于2020—2021年在山西省臨汾市碧豐霖農業科技開發有限公司日光溫室內進行。日光溫室東西走向，長70 m，跨度11 m，脊高4.5 m，骨架材料為直徑50 mm鋼管，覆蓋保溫材料。南北向栽植無花果，行距1.8 m，株距0.6 m，開心形樹形（圖1）。

圖1 開心形樹形Fig.1 Open heart-shaped tree

試驗設激光植物生長燈補光和不補光2個處理。激光植物生長燈可以根據植株的生長情況上下調整、360°旋轉照射，生長燈放置溫室中間（圖2），每天兩側各照射2次，每次2 h，照射時間設定為16：00—20：00和2：00—6：00這2個時間段。

圖2 置于溫室中間的激光植物生長燈Fig.2 Laser plant growth lamp placed in the middle of greenhouse

1.3 測定指標及方法

1.3.1 無花果植株生長指標的測定 每個處理隨機選取生長良好、長勢基本一致的5株無花果植株，掛上標簽作為測量對象，在生長期（6—10月）用卷尺測量株高、葉長、葉寬，用電子數顯千分尺測量葉片厚度；結果期調查始結果部位、單株結果數，用電子天平稱取單果質量，用0～200 mm數顯游標卡尺測量果實縱橫徑、莖粗。

1.3.2 無花果植株生理指標的測定 葉綠素含量使用便攜式葉綠素測定儀測定，光合指標使用便攜式光合儀測定。

1.3.3 無花果果實品質的測定 總糖含量用蒽酮比色法測定[12]，還原糖含量用DNS比色法測定，可滴定酸含量采用標準氫氧化鈉溶液滴定法測定[13]，維生素C含量采用2，6-二氯靛酚法測定[13]。鈣、鎂、鐵的分析測定采用原子吸收分光光度計，硒的測定使用熒光檢測器[14]。

1.3.4 產量的測定 測定補光組與不補光組的無花果質量，直至休眠期，折合計算公頃產量。

1.4 數據分析

試驗數據采用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析（ANOVA）和最小顯著性差異分析（LSD），其他統計分析采用Excel 2010處理。

2 結果與分析

2.1 激光植物生長燈對日光溫室栽培無花果植株生長的影響

由表1可知，安裝激光植物生長燈后，日光溫室無花果植株生長更為旺盛。2020年補光后株高比對照組增加41 cm，增長22.33%；葉寬增加3.68 cm，增長16.36%；葉片厚度增加0.12 mm，增長26.43%，植株株高、葉寬及葉片厚度3個指標都極顯著高于未補光植株。補光后植株莖粗增長8.21%，葉片長度增長9.38%，平均葉面積增加3.89%，節間長度縮短5.95%，與不補光處理間差異不顯著。

表1 2020—2021年激光補光后日光溫室栽培無花果植株生長情況Tab.1 Fig plant growth in solar greenhouse after laser supplemental light in 2020-2021

2021年有補光處理的無花果植株株高增加26.2 cm，增長14.49%，極顯著高于對照組；補光處理后葉長增加0.65 cm，增長2.41%；葉寬增加0.98 cm，增長3.8%，與對照組差異不顯著。

綜合2 a的生長情況看，安裝激光植物生長燈后，無花果植株長勢更為健壯，而沒有進行激光補光的無花果植株明顯長勢較弱，因此，激光植物生長燈處理能有效促進無花果的株高、葉片等的生長，對日光溫室栽培無花果植株生長有明顯的促進作用。

由表2可知，補光后無花果植株葉綠素含量增長4.1%，光合速率提高5.46%，這2項指標都顯著高于未補光植株。

表2 2020年激光補光后日光溫室栽培無花果植株光合參數Tab.2 Fig plant photosynthetic parameters in solar greenhouse after laser supplemental light in 2020

2.2 激光植物生長燈對日光溫室栽培無花果坐果及產量的影響

從表3可以看出，安裝激光植物生長燈后，無花果產量明顯增加。2020年無花果植株節間數極顯著高于不補光植株，結果部位平均降低3節，平均每枝坐果數增加8個，果實縱橫徑、單果質量等指標均高于未補光無花果植株。2020年補光后的日光溫室產量為60 736.57 kg/hm2，對照溫室產量為32 127.91 kg/hm2，增產89.05%。2021年補光后無花果植株節間數平均增多2節，結果部位降低4～5節，平均每枝結果數量增多6個。2021年補光后的日光溫室產量為44 341.94 kg/hm2，不補光溫室產量為25 689.25 kg/hm2，增產幅度達到42.07%。

表3 2020—2021年激光補光后日光溫室栽培無花果坐果率和產量分析Tab.3 Analysis of fruit setting rate and yield of fig cultivated in solar greenhouse after laser supplemental light in 2020-2021

連續2 a的試驗均表明，增加激光植物生長燈可以增多節間數，降低結果部位，增大單果質量，能顯著增加日光溫室產量。

2.3 激光植物生長燈對日光溫室栽培無花果果實商品品質的影響

由表4可知，2 a間激光補光后的無花果在總糖、還原糖、維生素C含量上均不同程度低于未補光無花果植株，但可滴定酸含量升高，微量元素差異不大。試驗結果表明，補光后的無花果口感偏酸，影響果實品質。2 a的數據說明，激光植物生長燈由于增加了無花果的產量，但是在一定程度上會影響果實的品質。

表4 2020—2021年激光補光后日光溫室栽培無花果果實品質分析Tab.4 Fruit quality analysis of fig cultivated in solar greenhouse after laser supplemental light in 2020-2021

3 結論與討論

許多研究成果指出，相比于單色光而言，紅藍光同時作用于植株能更有效促進光合作用[15]。林婧[16]在研究不同紅藍光比例對櫻桃番茄幼苗生長的影響中發現，當藍光與紅光比例區間為1∶1～3∶2時最有利于幼苗生長，此時的葉面積雖小但厚，莖干較粗，養分積蓄量最高。陳心源[3]在研究不同配比紅藍光補光對火龍果成花和果實品質的影響中發現，當藍光與紅光比例為1∶4時，結果產出最大。王濤等[17]在研究不同紅藍光比例對生菜生長的影響中發現，紅藍比例為6∶3時，生菜的株高增加、開展度更好。在本試驗中，激光植物生長燈紅藍光比例為2∶1，無花果株高、葉片厚度顯著增大，葉面積、莖粗、單枝坐果數和單果質量不同程度增加，產量明顯提高，說明紅藍光組合的激光植物生長燈能有效促進無花果的生長和增產，提高經濟效益，與上述學者研究結果一致。植物的生物學效應會因為其種類、品種不同而表現出一定的差異性，在本試驗中，激光植物生長燈由紅藍光組合作用于植株，表現出促進植株生長、增加產量的積極影響。

在植物光生物學研究領域，許多學者將激光應用于生菜、辣椒、豆角等蔬菜作物及水稻等糧食作物，均發現了激光補光對植物的生長發育及生物量積累的積極影響。MURASE[18]將激光補光作用于生菜苗期，并結合生菜感光細胞的特性調設特定激光光源脈寬，發現與黑暗處理相比，此條件下幼苗的株高、鮮質量均顯著提高；趙定杰等[5]研究發現，激光植物生長燈補光可以使辣椒的現蕾期、始花期、始收期提前4～7 d，縮短其生長周期，還能矮化辣椒苗、增加莖粗，提高現蕾率、增加苗期鮮質量和干質量，使辣椒產量顯著提高19.0%。國信農業將CXL1-X0210-00激光補光燈作用于有機果蔬大棚中，梁雪梅等[19]研究發現，處于生長期的草莓，激光補光后的植株株高和葉長比對照組增加5%；生長期的豆角補光后的株莖長和葉長與對照組相差約10%，豆角的厚和寬相差約15%，長度相差大于20%；補光區中生長期的黃瓜藤蔓高度與未補光黃瓜藤蔓相差10%。王昊等[20]在研究激光植物生長燈對冬季設施辣椒生長發育的影響時發現，補光處理后辣椒的始花期可以提前3 d，坐果期能提前6 d，并且能促進株高、莖粗和葉片的生長發育，產量比未補光辣椒增加2 935.5 kg/hm2。本試驗表明，在光照弱、光照時間短的環境中，有激光植物生長燈補光的無花果植株可以提前25 d結果，始結果部位降低，節間長度縮短，單枝坐果量增大，產量明顯增多。激光燈補光可以促進無花果植株的形態建成、增加生物量、提高產量，實現了生長發育的正向調控。

近年來，由于激光輻射對植物生理的影響利用價值被不斷發掘，用于激光照射的作物種類和生理指標的研究范圍不斷擴大。錢舒婷[11]在探索不同類型補光燈對草莓光合特性的影響時發現，激光生長燈在草莓葉片光合色素含量、Vc含量指標上表現不理想，但在可溶性固形物含量、可溶性糖含量方面表現不錯。此試驗中，由于補光燈延長了無花果光合作用的時間，提高了光合效率，增加了有機物的積累，從而使無花果植株長勢快、坐果率高、單果質量增大，提高了無花果的產量，但同時由于產量的大幅增大，水肥供應不足，在一定程度上影響了果實甜度。因此，在使用激光補光時，要適當調節水分和肥料供給，幫助補充因植物快速生長而大量消耗的養分和水分[21]，實現增收增質增產的目的。在今后的栽培模式中，要合理運用激光燈，實現植物光環境的智能調控，促進植物的生長發育和產量積累。此外，在試驗中，激光處理對光合特性影響不顯著，結合前人研究綜合考慮可能是光信號誘導成花，在后續的研究中，還應繼續探討激光植物生長燈的作用原理以及照射時間對無花果生長、結果的影響。