转光膜对草莓生长及品质的影响

刘 杨刘 琪卫慧波戴 军何文清*

（

1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业农村部农膜污染防控重点实验室，北京100081；

2 北京博大睿尔思发光科技有限公司，北京 100081）

光质对植物的生长发育、产量形成和果实品质改善具有重要的影响作用，太阳光到达地球的波长为290～3 000 nm，而真正能被植物吸收利用的仅占很小比例，主要集中在可见光区420～500 nm 的蓝光和580～700 nm 的红光（胡泽善 等，2008）。转光膜是一种通过添加不同的转光剂以改善光的透过率、转化光波长来提高植物对光的利用效率的功能型农膜（张颂培 等，2003）。利用转光膜可以将部分紫外光转换为可为植物光合作用利用的蓝紫光和红橙光，将占可见光较大部分但不能被植物利用的绿光转换为红橙光，从而提高植物的光合作用，促进作物产量的增加和品质的提升（秦立洁和田岩，2002）。研究发现，转光膜能够促进菠菜、胡萝卜、菜用大豆增产约10%，同时提高VC 和可溶性蛋白的含量（王玉霞，2007）；大多数转光膜都能促进甘蓝产量的增加，增产6.7%～20.0%（李红玫 等，2011）；转光膜能够促进番茄的生长发育，使果实中的VC 和番茄红素显著增加（李岩 等，2016）。

目前，用于制备转光膜的转光剂多是利用稀土元素铕（Eu）、钇（Y）、铽（Tb）、钐（Sm）等与无机基质或有机配体合成（张细和，2006；张希艳等，2007；倪亚茹 等，2010）。按配体种类的不同可分为稀土无机转光剂和稀土有机转光剂两类（张茂美，2006）。无机转光剂具有较好的发光强度，稳定性较好，但是不容易与高分子聚合物相容，从而使转光膜体系中的转光剂分散不均匀，甚至容易产生堆积而引起浓度猝灭，降低发光性能（张优灵，2014）。有机转光剂与聚乙烯（PE）的相容性较好，且随配体结构的变化可制成不同发光强度和发光效率的配合物（苏越和白凤华，2011）。相对于其他元素，Eu（Ⅲ）的f-f 跃迁能级在可见光谱内，激发能级与有机配体的三重态能级的匹配性更好，更易发射稳定的荧光（王莹，2014）。因此，以Eu（Ⅲ）为中心发光离子，探求一种能将外界能量高效传递给中心离子的配体成为了制备新型转光剂的重要研究方向。本试验以北京博大睿尔思发光科技有限公司研发的新型含铕配合物为转光剂，利用添加该转光剂的转光膜在草莓生产上开展试验应用研究，系统评价转光膜对草莓生育期、产量形成及品质改善的影响，为进一步研究转光膜对作物生长的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017 年9 月至2018 年4 月在北京市大兴区东北台村奥肯尼克农场进行。每个处理设置1个冬暖棚，大棚长60 m，宽8 m，面积为480 m2；供试草莓品种为红颜，种苗由奥肯尼克农场提供。2017 年9 月7 日定植，单垄双行带状种植，株距18 cm，大行距90 cm，小行距20 cm。

供试棚膜为北大睿尔思发光科技有限公司提供的转光膜，该膜中所添加的转光剂的通式为Eu（ND）xAyLm（ND 为4-羟基-1，5-萘啶类阴离子配体，A 为其他阴离子配体，L 为中性配体），具有将部分紫外光转化为红光的功能（卞祖强，2012）。以普通聚烯烃膜（以下简称普通膜）作为对照。

试验样方采用等距取样法设置。除去靠近大棚两端的植株，连续选择3 垄为1 个小区，并在每垄中选取双行20 株样本进行生育期调查以及产量测定。之后，每隔10 垄再设置1 个小区，共计3 个小区，3 次重复。

1.2 测定指标和方法

棚内空气温度：自盛花期开始（2017 年11 月20 日），用日本日置公司的HIOKI3633 温度仪连续测定草莓棚内的空气温度，每20 min 测定1 次，数据由温度仪自动记录，每个大棚放置3个记录仪。

冠层温度：于晴天13：00～13：30，每个小区随机选取3 株植株，利用美国菲利尔公司的FLIR 红外热成像仪进行拍摄，仪器位于冠层上方1 m 左右，与地面成45°（史长丽 等，2006），3 次重复。利用QuickReport 软件进行分析，所得数值为冠层温度。测量时期为第1 茬果的幼苗期（2017 年10月16 日）、盛花期（2017 年11 月12 日）、盛果期（2017年12 月6 日）和采摘期（2018 年1 月8 日）。

叶绿素相对含量及光合作用测定：于晴天10：30～11：00，选取完全展开的第2 片功能叶，利用美国LI-COR 公司的LI-6400 便携式光合仪测定其净光合作用速率（Pn）、气孔导度（cond）、胞间CO2浓度（Ci）及蒸腾速度（Tr）；利用日本柯尼卡美能达公司的SPAD-502 叶绿素仪测定相应叶片的叶绿素相对含量（马钊 等，2015）；每个小区随机选择3 株长势一致的植株。测量时期为第1 茬果的盛花期（2017 年11 月12 日）、盛果期（2017年12 月6 日）和采摘期（2018 年1 月8 日）。

生育期（初花期、坐果期、始熟期）观测及产量和单果质量的测定：以第1 株草莓开花的时间为初花期、第1 株草莓结实的时间为坐果期、第1 颗果实成熟的时间为始熟期（万群 等，2015）；以标记的双行20 株样本进行产量测定，记录每次的采摘时间和采摘产量，利用株距、行距来进一步计算每667 m2产量，3 次重复；于采摘期在每个小区随机选取20 颗果实进行单果质量测定，3 次重复。

可溶性糖和VC 含量：随机选取1 kg 大小一致的果实作为样品，根据GB/T 5 009.7—2016 检测还原糖含量，GB/T 5009.86—2016 检测VC 含量。每个处理3 次重复，分别于第1 茬果和第2 茬果的采摘盛期取样。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2007 和Origin 9.0 软件处理数据并制图，采用SAS 9.4 软件进行统计分析，运用t 检验进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 转光膜对棚内空气温度的影响

转光膜棚内草莓整个生育期的积温和日平均温度都显著高于普通膜（图1）。与普通膜相比，转光膜棚内的积温为2 072.5 ℃，提高了75.0 ℃（P ＜0.05），大棚日平均温度也平均提高0.39 ℃（P ＜0.01），最高可提高2.20 ℃。

2.2 转光膜对冠层温度的影响

不同生育期草莓冠层温度存在差异（表1、图2）。与普通膜相比，幼苗期转光膜处理的草莓冠层温度显著提高了0.4℃；盛花期和盛果期，转光膜处理的冠层温度分别显著降低了1.2 ℃和1.7 ℃；采摘期，转光膜处理的冠层温度提高了0.6 ℃，但差异不显著。

2.3 转光膜对草莓叶片叶绿素相对含量（SPAD值）的影响

植物叶片的叶绿素含量与SPAD 值成正相关（马钊 等，2015）。由图3 可见，转光膜与普通膜棚内草莓叶片叶绿素含量的差异在盛花期、盛果期和采摘期表现不同，与普通膜相比，转光膜处理的草莓在盛果期的SPAD 值显著增加了14.0%；而盛花期和采摘期，二者的SPAD 值差异不显著。

图1 转光膜对棚内空气温度的影响a，转光膜对棚内日平均温度的影响；b，转光膜与普通膜棚内温度差值。彩色图版见《中国蔬菜》网站：www.cnveg.org，下图同。

表1 转光膜对草莓冠层温度的影响

图2 转光膜对草莓冠层温度的影响a、b，盛花期，a 为转光膜，b 为普通膜；c、d，盛果期，c 为转光膜，d 为普通膜。

2.4 转光膜对草莓叶片光合特性的影响

转光膜处理对盛果期草莓叶片的净光合速率有显著影响，比普通膜处理可提高14.3%（图4-a）。气孔导度的变化规律与净光合速率类似（图4-b）。转光膜处理草莓叶片的胞间二氧化碳浓度在盛果期显著降低，盛花期和采摘期与普通膜处理无显著差异（图4-c），盛花期和盛果期草莓叶片的蒸腾速率分别较普通膜处理显著提高了11.0%和14.7%（图4-d）。

图3 转光膜对草莓叶片叶绿素相对含量的影响图柱上不同小写字母表示差异显著（P ＜0.05），下图同。

2.5 转光膜对草莓生育期的影响

转光膜棚内草莓的初花期、坐果期和始熟期都早于普通膜，分别提前6、8、10 d（表2）。坐果期-始熟期观测结果也显示（图5），转光膜棚内草莓的转色时间和始熟期均提前。

2.6 转光膜对草莓产量及品质的影响

从表3 可以看出，转光膜处理的草莓产量为1 009.1 kg · （667 m2）-1，每667 m2比普通膜处理增产219.9 kg，且单果质量显著增加了16.4%。

转光膜处理可以提高草莓果实的VC 含量，第1 茬和第2 茬草莓的VC 含量分别比普通膜显著提高16.1%、24.4%，转光膜处理对两茬草莓果实可溶性糖含量的影响均不显著（表3）。

图4 转光膜对草莓叶片光合特性的影响

表2 转光膜对草莓生育期的影响

图5 草莓坐果期-始熟期田间观测结果a，普通膜；b，转光膜。

表3 转光膜对草莓产量和品质的影响

3 结论与讨论

转光膜具有增温的作用。研究发现，转光膜能显著提高棚内日最高气温，平均升温1.6 ℃，最高可达3 ℃（傅明华 等，2000）；在冬季和早春应用转光膜能使棚温增加1.7 ℃（蒲文宣 等，2008）；此外，转光膜还可以增强塑棚温室的升温速率，提高塑棚温室内室温，与对照膜相比，转光膜在单日11：00 可增温3.9 ℃（邵毛妮 等，2017）。本试验结果表明，转光膜可以显著提高棚内的日平均温度，增加棚内积温；这与唐颢等（2014）研究发现的转光膜具有增温效应的结论一致。转光膜中的稀土元素受到高能量紫外光激发并发射低能量红光的过程可产生斯托克斯（stokes）位移，将能量差以热能的形式释放，使温室气温升高（寇尔丰 等，2018）。本试验采用的含有稀土Eu 元素的转光膜可以产生斯托克斯位移，使棚内日平均温度升高，促进草莓初花期、坐果期、始熟期的提前。

冠层温度是指作物层不同高度叶和茎表面温度的平均值（史长丽 等，2006）。其影响因素有内因如植株的蒸腾作用、基因型等；外因如太阳辐射强度、地面辐射热量等（任学敏 等，2015）。本试验发现，虽然转光膜棚内气温显著高于普通膜，但盛花期和盛果期时的草莓冠层温度显著低于普通膜，其原因一方面是转光膜棚内草莓叶片蒸腾速率较高引起叶片温度下降；另一方面，转光膜棚内草莓长势优于普通膜，而茂盛的叶片可能致使地面辐射减弱，使冠层温度降低。

转光膜能够增加棚内红光的比例，提高植物叶片叶绿素的积累，增强植物的光合能力。前人研究发现，红光可以提高叶绿素含量，且红光/蓝光的比值越大，草莓叶片叶绿素含量越高（徐凯 等，2005）；红光还能增强草莓叶片的气孔开放程度，提高气孔导度，增加植株的光合能力，有利于作物的生长和发育（张元梅和樊卫国，2016）。本试验发现，草莓叶片的净光合速率和气孔导度变化趋势类似，且转光膜处理的草莓盛果期叶片的净光合速率和气孔导度均显著高于普通膜，胞间CO2浓度显著低于普通膜，表明转光膜促进了草莓叶片气孔的开放，提高了叶肉细胞对CO2的利用效率，从而促进了草莓净光合作用速率的增强（李岩 等，2017）。此外，相关研究还表明转光膜被激发所产生的红光有利于PS Ⅱ过程中的电子传递，促使CO2的固定，促进光反应的进行（Li et al.，2017）。

转光膜能够促进果实提前成熟和产量增加。张旭等（1998）研究发现，转光膜使番茄、青椒、黄瓜、茄子等蔬菜作物分别增产21.6%、13.2%、17.6%、24.5%；陆国军和俞刚翔（2007）研究发现，转光膜使葡萄整个生育期缩短2～3 d，增产6.6%左右；李强等（2015）研究发现，与普通棚膜相比，转光膜可以促进芥菜、普通白菜、菜薹（菜心）的地上生物量分别增加20.53%～23.40%、20.13%～32.62%、16.43%～20.30%。本试验发现，转光膜处理下的草莓可提前10 d 成熟，每667 m2增产219.9 kg，这与寇尔丰等（2018）的转光膜具有增产作用的研究结论一致。转光膜促进果实提前成熟和增产的原因可能有3 方面：第一，转光膜在低温时的保温效果较好，且草莓盛花期、盛果期的净光合速率较强；第二，转光膜棚内草莓盛花期和盛果期的冠层温度较低，叶绿素含量较高，衰老慢，有利于光合能力和作物产量的提高（邓强辉 等，2009）；第三，光谱中远红光与红光的比例可以影响光敏色素控制的光合产物的分配，使其更多地将产物分配给果实（Kasperbauer，2000），转光膜增加了红光的量，使远红光与红光的比例正好处在这一个范围内。

转光膜可以改善果实的品质。植物的品质受光质的影响（许大全 等，2015），蓝光使普通白菜粗蛋白含量明显提高，且与红光以1∶6 的比例混合时能使普通白菜中磷、钾含量提高，生物量和干质量明显增加，亚硝酸盐含量降低（樊小雪 等，2016）；红光（665 nm）能显著提高莴苣的叶面积、鲜质量和干质量（王瑞楠 等，2017）；低剂量的UV-B（280～320 nm）则能促进植物体内次生代谢物质硫代葡萄糖苷、酚类物质的积累，从而改善作物品质（Schreiner et al.，2012）。作为衡量作物品质的重要指标，VC 和可溶性糖含量的高低将直接影响到作物的食用价值。研究表明，转光膜使甜椒的VC 含量显著提高31.56%（吉家曾 等，2013）；转光膜处理的春大白菜中VC 含量显著高于普通膜（王玉霞 等，2006）。本试验发现，转光膜棚内草莓VC 含量较高，这可能与VC 合成相关的半乳糖内脂脱氢酶（GaILDH）以及可以氧化VC 的抗坏血酸氧化酶（AAO）、抗坏血酸过氧化物酶（AAP）对光比较敏感有关（刘庆 等，2015），红光比例的提高可能增加了GaILDH 的合成，导致AAO 及AAP 含量的降低，但具体机理还需进一步研究。此外，转光膜对于可溶性糖含量的影响作用因作物种类而不同。转光膜处理的菠菜、番茄的可溶性糖含量显著提高（王玉霞，2007；李岩 等，2016），而黄瓜的可溶性糖含量却略低于对照膜（秦立洁和田岩，2002）。本试验发现，转光膜处理两次采摘的草莓果实可溶性糖含量与普通膜差异不显著，可能是因为不同作物对光的敏感程度不同（蒲文宣等，2008）。

从成本和收益方面分析，转光膜在草莓种植上的应用具有广阔前景。本试验中转光剂的市场售价约为2 000 元 · kg-1，其在转光膜中添加量仅为1‰～2‰（廉世勋 等，2002；张细和，2006），可一定程度限制其成本的提高；此外，转光膜能够促进草莓提前10 d 成熟，每667 m2增产219.9 kg，能进一步提高大棚的经济效益。而在未来转光膜的发展历程中，转光剂的成本还可以通过降低Eu3+的含量或引入价格低廉的配体实现。如：于含铕转光体系中掺杂适量Y+以减少高价格的Eu3+的比例，利用新型配体碳点（CDs）和聚乙烯醇（PVA）与Eu3+结合以取代高成本的有机配体等（张细和，2006；He et al.，2016）。

综上，转光膜对温室草莓的生长具有促进作用。第一，转光膜具有显著增温效果。与普通膜相比，转光膜棚内的积温显著增加75.0 ℃，日平均温度极显著升高0.39 ℃。第二，转光膜具有促进草莓生长发育的作用。转光膜棚内盛果期草莓的叶绿素含量和净光合速率可显著提高14.0%和14.3%；转光膜可使草莓提前10 d 左右采摘，每667 m2增产219.9 kg。第三，转光膜具有改善草莓品质的作用。转光膜处理两次采摘的草莓VC 含量都显著高于普通膜，但果实可溶性糖含量差异不显著。