不同LED 光強補光對日光溫室越冬番茄生長及產(chǎn)量品質(zhì)的影響

黃松，劉勇鵬，孫凱樂，張嬋，孫治強，樸鳳植，張濤

(1. 信陽農(nóng)林學(xué)院，河南信陽 464399；2. 漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南漯河 462000；3. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，河南鄭州 450002)

番茄原產(chǎn)自南美洲，是世界上重要的主栽蔬菜作物，經(jīng)濟營養(yǎng)價值高，在中國南北方廣泛栽培，且已基本實現(xiàn)周年生產(chǎn)[1]。 日光溫室具有良好的蓄熱保溫和節(jié)能高效特性，能夠延長蔬菜作物生育期，是冬季低溫蔬菜生產(chǎn)的主要栽培形式[2]。 當(dāng)前，在日光溫室番茄生產(chǎn)中越冬栽培是一個重要的生長周期，然而由于冬春季節(jié)太陽高度角的變化，日光溫室保溫墻、骨架的遮擋以及棉被的使用，再加上薄膜老化透光率降低等因素往往導(dǎo)致棚室內(nèi)溫度較低，光照強度及光照周期受到很大影響，尤其是近年來大氣污染加劇，連續(xù)的陰雪、霧霾等惡劣天氣增多，導(dǎo)致棚室內(nèi)光照嚴(yán)重不足，番茄的正常生長發(fā)育受到嚴(yán)重抑制[3]。 因此，在日光溫室番茄冬春生產(chǎn)中，解決光環(huán)境造成的脅迫變得日益緊迫。

近年來，隨著光源技術(shù)和光生物學(xué)的進步與發(fā)展，利用人工光源在日光溫室內(nèi)補充光照，不僅可以提高作物的凈光合速率和產(chǎn)量，而且會促進及協(xié)調(diào)植物器官生長，提高植株抗病性，也影響蔬菜作物品質(zhì)[4]。 LED 是一種光電轉(zhuǎn)換效率高、體積小、耗能低、光質(zhì)純凈、可控性高的冷光源，是當(dāng)前日光溫室蔬菜越冬生產(chǎn)中備受關(guān)注的一種新型補光光源[5]。 研究發(fā)現(xiàn)，溫室中用于補光照明的LED 光質(zhì)、時長、光照強度對植物的生長發(fā)育有很大影響。 其中在補光光質(zhì)上，陳鵬濤等[6]研究發(fā)現(xiàn)，弱光環(huán)境下對番茄補充LED 紅藍(lán)組合光更有利于光化學(xué)效率的提升，植株向上生長加快、鮮重增加且健壯，同時對植物徒長也有很好的調(diào)控作用；馬肖靜等[7]發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)光(5 ∶1)共同照射下的番茄幼苗植株生物量、壯苗指數(shù)、光合速率及保護酶均顯著增加，對幼苗生長最為有利。 在補光時長上，王舒亞等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在日光溫室條件下，補光3 h 即可顯著提高番茄產(chǎn)量和品質(zhì)；另有研究發(fā)現(xiàn)，冬季溫室番茄補光6 h 能夠顯著增加可溶性糖、有機酸和可溶性固形物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，果實品質(zhì)最佳[9]。 而在光照強度上，研究發(fā)現(xiàn)過低的光強會減緩植物生長并降低果實產(chǎn)量，光強過強同樣也會抑制生長發(fā)育，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象[10]。綜上，日光溫室越冬番茄生產(chǎn)可通過補充紅藍(lán)光來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。 為此，本試驗在前人研究基礎(chǔ)上，設(shè)置夜間紅藍(lán)(5∶1)組合光的不同光強度處理實施補光，研究其對番茄生長、光合色素含量、光合特性、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，旨在探索弱光環(huán)境下日光溫室越冬番茄栽培穩(wěn)產(chǎn)保質(zhì)的高效人工補光方法，為日光溫室番茄越冬生產(chǎn)、光環(huán)境調(diào)控提供理論參考和生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與設(shè)備

供試番茄品種為酸甜果101，由河南豫藝種業(yè)科技發(fā)展有限公司提供。

試驗所用的LED 補光燈由河南智圣普電子技術(shù)有限公司提供，紅光R(峰值波長660 nm)∶藍(lán)光B(峰值波長440 nm)＝5∶1，功率75 W。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在河南市駐馬店市汝南縣番順農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施溫室中進行。 日光溫室東西長100 m，南北寬10 m。 2021 年8 月10 日將番茄種子播種于72 孔穴盤中，9 月10 日幼苗移栽。試驗小區(qū)總面積:10 m×72 m ＝720 m2。 小區(qū)面積:10 m×6 m＝60 m2。 高壟栽培，每小區(qū)4 壟，壟寬1.5 m，每壟雙行定植。 株距40 cm，行距30 cm。 每小區(qū)栽種192 株。

試驗設(shè)3 個不同光照處理，以不補光為對照(CK)，共計4 個處理(表1)。 隨機區(qū)組排列，重復(fù)3 次。 11 月4 日開始對棚室內(nèi)番茄進行補光，補光時間為早晚開棚前3 h 和閉棚后3 h，合計補光時長為6 h。 補光燈懸吊于溫室內(nèi)，3 個不同光照處理小區(qū)分別安裝16、12、8 盞燈，通過上下調(diào)節(jié)光源與植株頂端的垂直距離，使各處理到達(dá)幼苗冠層的光量子通量密度相等，分別為300、200、100 μmol/(m2·s)， 并根據(jù)植株生長高度適時調(diào)整光源位置。 不同處理小區(qū)間用遮光布進行隔離。 補光時間由定時器控制。

表1 不同處理光照強度、燈盞數(shù)與處理方式

1.3 測定指標(biāo)及方法

從補光之日起，分別在補光10、20、30、40 d時，每處理隨機選擇番茄20 株，測定株高、莖粗等生長形態(tài)指標(biāo)，在補光30、60 d 時測定葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和葉綠素(a＋b)含量，同時測定其凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率各光合生理指標(biāo)。 采收期各處理進行番茄果實產(chǎn)量統(tǒng)計，并取樣測定VC、可溶性糖、有機酸、番茄紅素含量等品質(zhì)指標(biāo)。

1.3.1 生長指標(biāo) 株高:用卷尺測量番茄地上部高度；莖粗:用游標(biāo)卡尺測量；葉片數(shù):直接觀察法數(shù)取。

1.3.2 葉片葉綠素含量 采用無水乙醇＋丙酮溶液(體積比1∶1)提取測定[11]。

1.3.3 光合生理指標(biāo) 采用北京力高泰科技有限公司生產(chǎn)的光合測定儀LI－6400XT 測定凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率。

1.3.4 果實產(chǎn)量 從收獲日始累計記錄各處理小區(qū)的果實數(shù)量、產(chǎn)量、單果重，最后計算總產(chǎn)量，并折算出相應(yīng)的公頃產(chǎn)量。

1.3.5 果實品質(zhì) 收獲第3、第4 穗果時，各處理抽取多個成熟度相同并具有代表性的果實分析番茄果實品質(zhì)。 VC 含量用2，6－二氯酚靛酚滴定法測定，番茄紅素含量用甲苯浸提法測定，可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)法測定，可溶性糖含量用蒽酮比色法測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用WPS 統(tǒng)計各項指標(biāo)及作圖，用SPSS 24.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同LED 光強補光處理對番茄株高、莖粗的影響

由圖1 可知，補光10 d 和20 d 時，不同處理番茄株高沒有顯著性差異；30 d 時T3、T1 處理株高比CK 分別顯著增加11.28%和6.22%，T2 與CK 差異不顯著；40 d 時，3 個處理株高與CK 均差異顯著，以T3 最高，比CK 增加10.09%，T1 和T2 處理比CK 分別增加5.10%和7.97%，T2 與T3差異不顯著。

補光10 d 時，各處理番茄莖粗沒有顯著性差異；20、30 d 時，T1 處理莖最粗，與其它處理均差異顯著，而T2、T3 與對照無顯著差異；40 d 時，T1與T2 差異不顯著，比CK 分別顯著增加13.60%和11.37%，T3 與CK 差異不顯著，僅增5.74%。

綜上可知，隨著補光時間的延長，不同LED光強補光處理對番茄株高、莖粗均有一定的促進作用。 隨著光照強度增大，莖逐漸增粗，株高卻逐漸降低，整體以T1 處理最有利于番茄生長發(fā)育。

2.2 不同LED 光強補光處理對番茄光合色素含量的影響

由表2 可知，補光30 d 時，T1 與T2 處理番茄葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素(a＋b)含量與CK 相比均差異顯著。 其中，葉綠素a、葉綠素(a＋b) 含量以T1 最高，比CK 分別高出31.71%和44.62%；葉綠素b 含量以T2 最高，其次是T1，兩者之間無顯著性差異，比CK 分別高出1.59 倍和1.41 倍；類胡蘿卜素含量仍以T1 最高，但3 個處理間無顯著差異，比CK 分別高26.83%、14.63%和14.63%。

表2 不同LED 光強補光處理的番茄光合色素含量(mg/g)

補光60 d 時，除葉綠素b 外，各處理葉綠素a、類胡蘿卜素、葉綠素(a＋b) 含量與CK 相比均顯著增加。 其中葉綠素a、類胡蘿卜素、葉綠素(a＋b) 含量均以T1 最高，且T1 顯著高于T2、T3，T2 與T3 無顯著差異，三者葉綠素a 含量比CK 分別增加18.84%、5.31%和3.38%，類胡蘿卜素含量比CK 分別增加36.36%、25.00%和22.72%，葉綠素(a＋b)含量比CK 分別增加8.93%、2.23%和0.75%；而葉綠素b 含量以CK 最高，T1 最低，T1、T2 顯著低于CK，其它處理間無顯著性差異。

綜上可知，不同LED 光強補光處理對番茄光合色素含量均有一定的影響，且隨著光強的增加，葉綠素a、類胡蘿卜素、葉綠素(a＋b)含量也逐漸升高，而葉綠素b 含量卻出現(xiàn)降低趨勢，整體上仍以T1 處理最有利于番茄光合色素的積累。

2.3 不同LED 光強補光處理對番茄光合特性的影響

由表3 可知，補光30 d 時，不同處理番茄的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率與CK 相比均有一定的增強。 其中，T1、T2 處理番茄凈光合速率比CK 分別顯著提高93.69%和57.44%，T3 與CK無顯著差異，僅高21.84%。 各處理番茄氣孔導(dǎo)度與CK 相比均差異顯著，但各處理間無顯著差異，以T1 最高，比CK 高81.25%，其次是T2，比CK高62.50%。 各處理番茄蒸騰速率均顯著高于CK，且T1 顯著高于T2、T3，T2 與T3 無顯著差異。胞間CO2濃度，T1、T2 處理顯著低于CK，T3 與CK差異不顯著，以T1 胞間CO2濃度最低。

表3 不同LED 光強補光處理的番茄光合特性

補光60 d 時，各處理番茄在凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率上與CK 相比均存在顯著差異。 其中，T1 處理番茄凈光合速率最高，其次是T2、T3，比CK 分別高52.71%、30.10%和12.78%，且3 個處理之間均差異顯著。 各處理氣孔導(dǎo)度與CK 相比均差異顯著，仍以T1 最高，其次是T2、T3。 胞間CO2濃度以T1 處理最低，顯著低于CK、T3，與T2 差異不顯著。 T1 處理番茄蒸騰速率最高，比CK 高76.10%，其次是T2、T3，比CK 分別高44.06%和41.85%。

綜合分析可知，不同LED 光強補光處理對番茄的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均有一定的增強作用，也能有效降低胞間CO2濃度，且隨著光強增加和補光時間延長，其作用也越來越明顯，整體上T1 處理對光合特性的增強效果最為明顯。

2.4 不同LED 光強補光處理對番茄產(chǎn)量的影響

由表4 可知，不同處理番茄產(chǎn)量與CK 相比均差異顯著，各處理產(chǎn)量表現(xiàn)為:T1＞T2＞T3＞CK。其中，T1 產(chǎn)量為67 526.40 kg/hm2，較CK 增產(chǎn)19.86%；T2 較CK 增產(chǎn)10.41%。 不同處理對番茄單果重也有一定影響:T1 處理單果重最大，達(dá)到88.39 g，顯著高于T2、T3 和CK，較CK 增加15.68%；其次是T2，比CK 增加7.55%；T3 與CK差異不顯著，僅增加3.70%。

表4 不同LED 光強補光處理的番茄產(chǎn)量

2.5 不同LED 光強補光處理對番茄品質(zhì)的影響

由表5 可知，各處理間的番茄VC 含量與CK相比均差異顯著，以T1 處理VC 含量最高，其次是T2，比CK 分別提高80.17%和60.70%。 T1 處理果實番茄紅素含量最高，達(dá)156.90 mg/kg，比CK 提高84.31%，顯著高于其它處理；其次為T2，顯著高于T3 與CK，比CK 提高45.74%；T3 與CK無顯著差異。 T2 處理番茄可溶性蛋白含量最高，與T1 差異不顯著，但顯著高于其它處理，T2、T1比CK 分別提高22.81%和21.05%；T3 可溶性蛋白含量雖高于CK(0.87%)，但差異不顯著。 各處理間有機酸含量與CK 相比均存在顯著性差異，其含量依次為CK＞T3＞T2＞T1，其中T1 處理最低，較CK 降低28.24%。 各處理番茄可溶性糖含量均顯著高于CK，以T1 最高，比CK 提高22.04%，T1 與T2 無顯著差異，與T3 差異顯著。 糖酸比表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞CK，其中T1 處理達(dá)到8.21，較CK 增加65.52%。

表5 不同LED 光強補光處理的番茄營養(yǎng)品質(zhì)

整體分析可知，不同LED 光強補光處理對番茄營養(yǎng)品質(zhì)均有很好的改善作用，尤其在VC、番茄紅素、有機酸含量上，隨著光強增加，改善效果也越來越明顯。 番茄整體品質(zhì)以T1 處理效果更佳。

3 討論與結(jié)論

光是植物進行光合作用的源動力，是植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素之一。 番茄生產(chǎn)過程中，所在光環(huán)境是影響其光合作用、果實產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因子[13，14]。 在日光溫室冬季番茄生產(chǎn)中，常用LED 光源進行人工補光來緩解栽培中出現(xiàn)的低溫、光照不足問題，調(diào)控溫室光環(huán)境，促進植物生理代謝，以期實現(xiàn)番茄優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抗病的目的[15]。

本試驗選用紅藍(lán)光比例為5∶1 的組合光質(zhì)，設(shè)置100、200、300 μmol/(m2·s)共3 種光照強度，于冬季日光溫室開棚前3 h 和閉棚后3 h 進行補光，結(jié)果表明:不同LED 光強補光處理對番茄株高、莖粗、光合色素含量、光合特性及產(chǎn)量品質(zhì)均有一定的促進作用，整體以300 μmol/(m2·s)光強處理最有利于番茄生長發(fā)育和品質(zhì)改善。 其中，隨著補光時間增加和光照強度增大，莖逐漸增粗，株高卻逐漸降低，這與王婷婷等[16]的研究結(jié)果(低光強可顯著促進植物生長)、陳鵬濤等[6]的研究結(jié)果(弱光環(huán)境下番茄補充紅藍(lán)組合光，調(diào)控徒長效果較明顯)一致。

研究發(fā)現(xiàn)，光照強弱直接影響著植物光形態(tài)的建成和葉綠素含量[17]。 Kang 等[18]研究表明，高光照強度對番茄的葉綠素含量有顯著影響；劉文海等[19]研究表明，葉綠素含量的提高可以增加用于吸收光能的集光色素蛋白的相對含量，從而提高光能利用率。 本研究發(fā)現(xiàn)，不同LED 光強補光處理對番茄光合色素含量均有一定的影響，且隨著光強增加，葉綠素a、類胡蘿卜素、葉綠素(a＋b)含量也逐漸升高，而葉綠素b 含量卻隨著光強增加出現(xiàn)降低趨勢，且隨著補光時間延長降低越來越明顯。 這與任旭妍等[20]的研究結(jié)果(一定范圍內(nèi)隨著光強降低，葉綠素b 含量的增加有助于增強紫葉生菜對弱光環(huán)境的適應(yīng)能力)、蘇立芳[21]的研究結(jié)果(補光處理顯著提高黃瓜葉片的葉綠素含量)一致。

光合作用是影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因素，植物生命活動的有機物質(zhì)都來源于光合作用，而光強影響植物的光合機構(gòu)，進而影響光合作用[22]。 研究發(fā)現(xiàn)，在自然光照強度下，光合作用隨光照強度的增加而增加[23]。 也有研究顯示，葉片表面的氣孔是光合反應(yīng)中氣體交換的通道，直接影響植物的光合效率[24]。 本研究發(fā)現(xiàn)，不同LED 光強補光處理對番茄的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率均有一定的增強作用，也能有效降低胞間CO2濃度，且隨著光強增加和補光時間延長，其作用也越來越明顯，進而說明溫室補光過程中適當(dāng)增加光照強度有利于番茄的光合作用。 這與Fan 等[14]的研究結(jié)果(氣孔導(dǎo)度和氣孔頻度都隨光強的增加而增加)、倪秀珍[25]的研究結(jié)果(增加光照強度會提高蘿卜的光飽和點，有利于蘿卜的光合作用)、Yoneda 等[26]的研究結(jié)果(提高甜葉菊的環(huán)境光強，能提高光合作用，從而提高甜葉菊葉片的生物量)一致。

果實產(chǎn)量和品質(zhì)是其生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的指標(biāo)，對蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著決定性作用。 研究發(fā)現(xiàn)，光照條件對番茄產(chǎn)量和果實品質(zhì)(糖類、有機酸、蛋白及番茄紅素)也有顯著影響[27]。 閆文凱[3]研究發(fā)現(xiàn)，采用紅藍(lán)LED 光源對溫室番茄進行補光，能提高植株光合能力，增產(chǎn)達(dá)到25%以上；趙玉萍等[28]研究發(fā)現(xiàn)，增加環(huán)境光強能顯著提高番茄果實的可溶性糖、抗壞血酸、氨基酸含量及糖酸比；陽圣瑩等[29]研究表明，補光光強在一定范圍內(nèi)，隨光照強度的增加“紅頰”草莓果實可溶性固形物及維生素C 含量持續(xù)增加。 本研究表明，不同LED 光強補光處理對番茄果實VC、番茄紅素、有機酸含量均有很好的改善作用，且隨著光強增加糖酸比逐漸提高，改善效果也越明顯；整體以高光強T1 處理番茄品質(zhì)最好，且比CK 增產(chǎn)19.86%。 這與Tamaoki 等[30]的研究結(jié)果(適當(dāng)增加光照強度，有利于維生素C 的合成)、Mikulic－Petkovsek 等[31]的研究結(jié)果(高光強下，由于光合活性的提高及初級代謝產(chǎn)物的積累，果實糖酸比顯著提高)、毛金柱等[32]的研究結(jié)果(一定范圍內(nèi)，維生素C 含量隨光照強度提高而增加)相一致。

綜上，不同LED 光照強度夜間補光對越冬日光溫室番茄的生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)均有很好的促進作用，且適當(dāng)增加光照強度的效果更明顯，整體以300 μmol/(m2·s)光強處理最有利于番茄的越冬生產(chǎn)。