弱光条件下不同补光方式对设施番茄幼苗生长的影响

韩 文，郭鹏飞，张 坤，刁 明

(石河子大学农学院园艺系/特色果蔬栽培生理与种质资源创新利用兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】在植物生长发育的过程中，光环境是一个不可缺少的重要因素之一。在农作物的生长发育过程中，或多或少会有一些原因，导致农作物不可避免的生长在弱光的逆境中，使得农作物长期处于弱光环境中，弱光环境造成农作物营养体生长不良、落花落果等现象。番茄作为喜光性的蔬菜，在设施番茄栽培生产中，光照起着关键性的作用，特别是在部分北方地区，冬春季节设施番茄栽培生产过程中，弱光造成逆境对番茄生长造成的不良影响。若遇上雾霾、连续阴雨的恶劣天气，使得设施内形成持续弱光现象，低温寡照造成幼苗徒长形成弱苗，对番茄幼苗生长造成的危害。光环境在植物的生长发育中，是不可或缺的重要环境因素之一。在农作物的生长过程中，一些原因导致农作物无法避免的生长在弱光的逆境中，使得农作物长期处于弱光环境中，造成农作物营养体生长不良、落花落果等现象十分严重。研究在弱光条件下不同补光方式，对冬季设施番茄幼苗生长的影响，对提高设施番茄幼苗品质有实际意义。【前人研究进展】据胡永光等[1]的研究，南方地区大多数在冬春季节，由于日照时间不足，以及连续的阴雨天气，导致温室内光照强度仅2 000 lx，对作物的生长尤其是幼苗影响十分显著，甚至造成商品苗的质量以及经济效益显著下降。王洪安等[2]研究表明，温室栽培条件下，茄果类植物运用人工补光的技术可促进成熟期的提前，植物生长更加的健壮，提高抗病能力，减少农药使用量，畸形果较少，果实着色良好，大小均匀以及品质优良，含糖量、维生素含量均得到显著的提高。蔬菜幼苗在其生长发育时期，会因为其遇到不适宜的光照环境，导致其生长发育不良以及质量下降的现象。在植株后期，蔬菜幼苗的质量影响着植株后期生长及发育，因此，解决蔬菜苗期的光照环境条件十分重要[3]。LED补光灯，是一种新型的光源，LED植物生长灯是直接将电能转化为可见光、辐射能的原理制作而成，其灯板主要以红灯为主，中间按一定比例、距离均匀的分布着蓝灯，红光与蓝光是植物在生长发育过程中主要吸收光线波段，其所占比例超过60%，为满足植物生长发育的需要，将红、蓝光按照一定的比例配成光源能够起到显著的效果[4]。【本研究切入点】北方地区，冬春季节设施番茄栽培中，弱光对其造成的影响及危害十分常见。石河子地区近年来严重的持续雾霾天气，使得设施内形成持续弱光现象，低温寡照很容易造成幼苗徒长形成弱苗对番茄幼苗生长造成的危害十分显著。利用LED光调控技术来培育幼苗设施，具有突出优势。研究弱光条件下不同补光方式，对冬季设施栽培番茄幼苗生长指标及光合特性的影响。【拟解决的关键问题】以北方设施生产中主栽作物番茄为试材，研究在高纬度寒旱地区不同补光方式对番茄幼苗生长等指标的影响，为设施番茄育苗光调控提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

2017年1～4月,试验在新疆石河子大学试验站节能日光温室进行。

植物生长灯，由上海合照明电器有限公司生产，育苗型LED T-5植物生长专用灯，电压220 V，功率8 W，补光范围高30 cm，宽60 cm，长60 cm，具有寿命长，耐潮湿，光效好等特点。

时间控制器使用智能开关定时器，电压220 V，额定电流10A，将需要补光时间段输入智能定时器，按试验设计补光时间将自动接通电源进行补光，到达补光关闭时间将自动断开电源停止补光。

育苗架，长180 cm、宽70 cm、高210 cm。分为三层育苗层，育苗盘穴盘横向放置在每层育苗盒内，上方为LED补光灯，育苗盒末端制有排水装置。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

番茄品种为时研。2017年1月20日将供试番茄放置于55℃温水，浸种8～10 h后放入恒温箱催芽48 h左右，催芽后播于盛有育苗基质的72孔穴盘中，2月5日幼苗子叶展平后，用补光灯进行处理。

按照补光方式试验分为三个处理，8 h非连续补光07:00～11:00、19:00～23:00延长早晚补光时长打破黑暗3～4 h补光方式(T1)和12 h连续补光07:00～19:00的辅助日光补光方式(T2)，以不进行补光为对照(CK)，每个处理3次重复，各处理光源互不干扰，按日常栽培方式管理。

1.2.2 测定项目

1.2.2.1 形态指标

2017年2月15日番茄幼苗长至两叶一心时每5 d随机抽取植株进行破坏性取样，用卷尺测量植株株高，茎基部至生长点，精度为0.01 cm，游标卡尺测量茎粗，茎基部1 cm处，精度为0.01 mm，把植株从穴盘中取出，洗净后用吸水纸吸干水分，分为根、茎、叶3部分分别用分析天平称取鲜重，精度为0.000 1 g，2017年3月9日幼苗长至四叶一心时测量生理指标,株高、茎粗、干、鲜质量并计算壮苗指数，壮苗指数按照张振贤等的方法(壮苗指数=茎粗/株高×全株干质量)计算[5]。

1.2.2.2 叶面积

番茄幼苗长至两叶一心时每5 d随机抽取植株进行破坏性取样，将植株叶片平铺置高清扫描仪进行扫描，用Photoshop对其阴影部分分析，并计算叶面积，精度为0.01 cm2。

1.2.2.3 干物质

番茄幼苗长至两叶一心时每5 d随机抽取植株进行破坏性取样，植株根、茎、叶105℃杀青，70℃烘干24 h，分析天平称量干质量，精度为0.000 1 g。

1.2.2.4 光合指标

在番茄幼苗四叶一心时用Li-6400光合仪器测定光合速率、蒸腾速率、气孔导度。3月9日试验结束。

1.2.3 光合有效辐射日变化

不同处理番茄幼苗上方光和有效辐射的采集使用美国LI-COR LI-1400数据采集器进行采集，数据记录频率为30 min/次。

1.3 数据处理

试验数据方差分析、显著性测试，采用SPSS20.0数据处理软件进行处理，应用OriginPro8.0进行数据分析及图标制作。

2 结果与分析

2.1 不同补光方式下光和有效辐射日变化

研究表明，当植株处于光照较弱的环境中，LED补光灯对其影响显著，能够有效的增加其日累积光和有效辐射；T1在19:00之后能够继续为幼苗提供良好的光照环境，促进其生长发育，相较于T2、CK，差异均显著。白天光照不充足时，T2补光方式效果良好，光照充足时，T2补光方式补光效果并不显著。延长早晚补光时长打破黑暗3～4 h补光方式补光时长短，较T2有效较低能耗，显著提高幼苗期内累积光和有效辐射，为幼苗的生长发育补充所需光照，从而延长光合作用时间。图1

图1 不同处理下幼苗期光合有效辐射日变化
Fig.1 Changes of PAR in Seedling Stage under Different Treatments

2.2 不同补光方式对番茄幼苗叶面积的影响

叶片作为植物光合作用的主要器官,其面积的大小，将直接影响受光能力,叶面积变化是作物群体结构合理性的重要标志之一[6]。研究表明，各处理单株叶面积幼苗期随时间的增加呈逐渐递增的趋势，不同补光方式下幼苗的平均单株叶面积为：T1>T2>CK。处理T1单株叶面积与处理T2，幼苗前期(播种至2月15日)差异不显著，幼苗后期(3月7日后)处理T1显著高于处理T2，差异最大时为16.17%。处理T1与T2的单株叶面积在整个幼苗期均显著高于对照组CK，在幼苗后期差异最大，分别达到41.44%、21.75%。 幼苗中期(2月20～25日)各处理单株叶面积增长速率为幼苗期最快，各处理分别达到CK:0.85 cm2/d、T1:1.37 cm2/d、T2：1.19 cm2/d，该时期单株叶面积T1高于T2单株叶面积8.78%，差异显著，高于CK单株叶面积33.44%，差异显著，T2单株叶面积高于CK单株叶面积22.68%，差异显著。该时期幼苗生长比较快，叶片数增加和叶面积发育加快，叶面积逐渐增大。非连续性补光延长早晚补光时长的补光方式较连续性补光的补光方式能够有效的促进叶面积的增长，从而截获更多光能，促进物质的积累，生长壮苗。图2

图2 不同处理下番茄幼苗叶面积动态变化
Fig.2 Effect of Different Treatments on Leaf Area Changes of Tomato Seedlings

2.3 不同补光方式对番茄幼苗表观生长指标的影响

2.3.1不同补光方式对番茄幼苗株高的影响

研究表明，整个幼苗期番茄幼苗株高随时间增加呈逐渐增高的趋势。处理T1株高最高，对照CK株高最低，T1与T2差异不显著，T1与CK差异显著，在幼苗后期差异最大，为35.86%，T2与CK差异显著，幼苗后期差异最大，为33.72%。图3

2.3.2 不同补光方式对番茄幼苗茎粗的影响

研究表明，各处理茎粗在幼苗期都呈现随时间递增的趋势，不同补光方式下茎粗存在差异，T1>T2>CK，处理T1与处理T2差异不显著，分别与CK存在显著差异，T1与CK在3月2日出现最大差异，为20%，T2与CK于2月20日差异最显著，为18.1%。图4

图3 不同处理下番茄幼苗株高变化
Fig.3 Effect of Different Treatments on Plant Height of Tomato Seedlings

图4 不同处理下番茄幼苗茎粗变化
Fig.4 Effect of Different Treatments on the Stem Thickness of Tomato Seedlings

2.4 不同补光方式番茄幼苗光合特性

研究表明，三个处理间均存在差异，处理T1光合速率最高，对照CK最低,处理T1相比于CK，高92.16%，相比于处理T2,高22.22%，处理T2比对照CK高59.68%，不同补光方式对番茄幼苗的光合速率影响显著。在一定时间内，单位叶面积上散失的水量，称为蒸腾速率。蒸腾速率反映了植物根系对水分的吸收能力，并且直接影响着植物的光合作用。处理TI与处理T2蒸腾速率均高于对照CK，分别为59.60%、50.09%，差异均显著，处理T1与处理T2之间不存在显著差异。气孔张开的程度称为气孔导度，气孔导度直接影响植物的光合作用、蒸腾作用。处理T1与处理T2之间无显著差异，分别与对照CK有显著差异，处理T1高于CK 44.88%，处理T2高于对照CK 46.65%。这说明利用植物补光灯能够显著的提高植物的光合能力，更加有利于植物干物质的积累，有利于培育壮苗。表1

表1 不同处理下番茄幼苗光合特性变化
Table 1 Effect of Different Treatments on Photosynthetic Characteristics of Tomato Seedlings

处理光合速率Photosynthetic rate(μmol/(m2·s))蒸腾速率Evaporating rate(mmol/(m2·s))气孔导度Stomatal conductnce(μmol/(m2·s))CK1.86±0.24c5.47±1.12b42.36±9.23bT13.63±0.37a8.73±1.34a61.37±10.35aT22.97±0.19b8.21±1.27a62.12±8.97a

2.5 不同补光方式对番茄幼苗干物质积累和分配的影响

2.5.1不同处理对番茄幼苗干物质积累的影响

研究表明，番茄幼苗的全株干物质积累量随着时间的变化而呈现逐渐增加的趋势。幼苗生长期各处理番茄幼苗干物质积累动态变化为：T1>T2>CK，各处理之间差异均显著。处理T1与对照CK在2月15日差异最大，较CK高106.59%，T2与CK于2月15日两处理之间也存在较大差异，T2较CK高82.42%，处理T1与处理T2在2月20日存在最大差异，T1高于T2约23.39%，由此可见，植物补光灯在幼苗前期可以有效的提高幼苗真叶的展开，根系的发展以及茎的生长，为后期幼苗生长、物质的积累提供良好的基础，从而达到培育壮苗的目的。各处理番茄幼苗干物质积累速率均在幼苗后期达到最大值，分别为CK：7.22 mg/d，T1：9.66 mg/d，T2：7.66 mg/d，处理T1的干物质积累速率明显高于其他处理。非连续性补光方式较连续性补光，能够显著提高番茄幼苗的干物质积累。图5

2.5.2 不同处理对干物质在不同器官中分配的影响

研究表明，番茄幼苗干物质积累量和分配率为叶>茎>根，各处理间根、茎、叶的干物质积累量为T1>T2>CK，各处理间差异均显著。计算干物质分配率可得，处理间干物质分配率均无显著差异，干物质优先向叶片分配，约57%，植物叶片是植物光合作用同化CO2形成干物质的重要器官，幼苗期优先向叶片分配干物质能够促进叶片数的增加，叶片展开，增加叶面积，使得幼苗期后叶片能更有效的进行光合作用，加快物质积累，向其他器官分配，促进植物生长。干物质其次向幼苗茎中分配，约为28%，根的干物质分配率约15%。不同补光方式对番茄幼苗干物质分配率无显著影响，对番茄幼苗各器官中干物质量的累积均存在显著影响。图6

图5 不同处理下番茄幼苗干物质积累变化
Fig.5 Effect of Different Treatments on Dry Matter Accumulation of Tomato Seedlings

图6 不同处理下番茄幼苗各器官干物质分配变化
Fig.6 Effect of Different Treatments on Dry Matter Distribution in Different Organs of Tomato Seedlings

2.6 不同补光方式对番茄幼苗壮苗质量性状的影响

研究表明，不同补光方式对株高、茎粗的变化趋势相同，为：T1>T2>CK，方差分析结果表明，处理T1与处理T2之间差异不显著，分别显著高于对照CK。不同处理下幼苗单株鲜重变化趋势为 T1>T2>CK，各处理之间无显著差异。幼苗单株干重变化趋势与鲜重变化趋势相同，各处理之间均存在显著差异。壮苗指数能够更直接的反映幼苗生长发育状况，是否达到壮苗要求，可以看出壮苗指数以处理T1最大，处理T2次之，对照CK最低，且三者之间均存在显著差异。设施环境内，光照不足时，利用植物补光灯进行适当的补光可加快幼苗物质积累，达到培育壮苗的目的，相同条件下选择非连续性延长补光时长的补光方式能更有效的提高幼苗的生长。表2

表2 不同处理下番茄幼苗壮苗质量性状变化
Table 2 Effect of Different Treatments on Quality Characteristics of Tomato Seedlings

处理株高(cm)茎粗(cm)全株鲜重(g/株)全株干重(g/株)壮苗指数CK9.76b0.182b1.213b0.120 7c0.002 25cT113.12a0.209a2.017a0.156 5a0.002 49aT212.21a0.198a1.842a0.141 5b0.002 29b

3 讨 论

试验研究了弱光条件下应用植物补光灯不同的补光方式对设施番茄幼苗生长的影响。结果表明，不同的补光方式对设施番茄幼苗叶面积，表观生长指标，干物质积累与分配、光合特性、壮苗指数均有不同程度的影响。研究发现，同等补光条件下非连续性早晚延长补光时长打破黑暗的补光方式更有利于设施番茄幼苗叶面积的增加，干物质积累量的提高，光合能力的增强，显著提高壮苗指数，达到培育壮苗的目的，并且应用较短的补光时长获得较大的收益，显著的节约了能源，减少能耗。

北方寒冷地区日光温室要达到安全高效生产，关键要克服冬季低温寡照的不良环境条件带来的影响，在弱光条件下，冬季设施内番茄育苗由于光照不足会严重影响幼苗的生长发育，因此，在冬季温室生产中，采用人工补光的方式来改善光照条件、增加光照是促进日光温室幼苗生长高效的一项重要举措[4]。试验研究表明，同种生产条件下，应用LED补光，能够显著促进番茄幼苗的生长，补光灯条件下，株高、茎粗有显著提高，叶面积增加，干物质积累量显著增加，壮苗指数显著高于自然光照下的番茄幼苗，更能满足生产所需的壮苗，提高经济效益；刘淑艳等[4]研究利用LED补光对番茄幼苗开花时间，株高、茎粗、壮苗指数的影响，得出结论，LED补光能够有效番茄幼苗株高、茎粗、壮苗指数等各项指标的提高；龚婷[7]等研究表明，适当的LED植物生长灯对茄果类蔬菜幼苗进行补光后，幼苗的株高、茎粗、叶面积，整株鲜重，整株干重，光合能力都有显著提高，均与试验结果相似。

试验研究表明，非连续性早晚延长补光时长打破黑暗的补光方式较连续性辅助日光的补光方式，能够有效的提高叶面积的增加，干物质积累，光合速率提高，显著提高番茄幼苗的壮苗指数，最终生产壮苗；靳志勇等[8]研究表明，在连续光照达到14 h(09:00～16:00和16:00～19:30补光7 h)条件下大蒜鳞茎才能显著膨大，非连续光照8～14 h，即在7 h自然光照条件下，21:00～04:00打破黑暗补光1～7 h处理均能促进鳞茎膨大，并且鳞茎质量均高于14 h连续光照处理，与试验结果相似。

4 结 论

>4.1 弱光条件下设施番茄幼苗的生产利用LED补光、株高、茎粗、叶面积、干物质积累、壮苗指数均有显著提高，有助于实现幼苗生产中培育壮苗目的。

4.2 8 h非连续补光07:00～11:00、19:00～23:00延长早晚补光时长打破黑暗2～4 h补光方式和12 h连续补光07:00～19:00的辅助日光补光方式相比，叶面积、干物质积累、光合速率、壮苗指数均有显著提高，株高、茎粗、蒸腾速率、气孔导度无显著差异。8 h非连续补光07:00～11:00、19:00～23:00延长早晚补光时长打破黑暗2～4 h补光方式更能有效的提高设施番茄幼苗的生长及壮苗的育成，并能降低能耗，节约成本。

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