设施黄瓜补光若干问题的探讨

2020-12-01徐永

农业工程技术·温室园艺 2020年9期

|摘要|在弱光寡照的情况下，设施黄瓜的生长将受到严重的影响，补光就成为壮苗增产的重要手段。本文从实用的角度探讨了设施黄瓜补光中的几个重要问题，包括光源、光强、补光时间、位置、效益及CO2的补充等，以期为设施黄瓜的补光提供一些可供借鉴的实用技术。

引言

黄瓜富含蛋白质、多种维生素、胡萝卜素、及鈣、磷、铁等营养物质，是中国民众最重要的食材之一，既可作为蔬菜，也可作为水果，还可作为面膜美容。中国是黄瓜生产大国，有超过2000年的栽培历史，目前中国黄瓜产量占全世界产量的70%以上，位居世界第一。但中国黄瓜单产不高，仅为荷兰或以色列这些农业发达国家的1/5左右[1]。究其原因，除了在施肥和温湿度控制等方面的管理不到位外，还缺乏严格的光照控制和必要的补光措施。

黄瓜属喜光耐阴性作物，虽然对弱光也有一定的适应性，但长时间处于弱光环境中不利于黄瓜的生长发育。黄瓜从秧苗到整个生长期和果实成熟期都需要大量的光照，其光合作用的强弱直接决定了果实中干物质的含量和有机营养物质的积累。尤其是在中国北方冬春季节设施栽培的情况下，由于阴霾天较多，经常出现光照严重不足且光质较差的情况，导致秧苗徒长、叶片变黄、干物质减少、发育不良、产量降低等问题。因此，设施黄瓜的补光就成为其整个生长期的主要问题。本文从黄瓜生产的实际出发，探讨在生产实践中经常困扰着生产者的有关黄瓜补光的几个问题，包括光源的选择、补光强度、补光时间、补光位置、补光效益和CO2的补充等，以期为设施黄瓜的生产者提供一些可供借鉴的实用技术。

光源的选择

目前可用于补光的光源有荧光灯、各种气体放电灯（包括汞蒸气灯、金属卤化物灯和高压钠灯等）及LED灯，LED灯又可分为照明用的宽光谱LED灯、专用于植物照明的LED灯及窄光谱多芯片组合的可调光谱LED灯。由于荧光灯和气体放电灯的光效比LED灯低，补光所需的能耗费用较高，目前文献上大多都推荐使用LED灯进行补光，而且倾向于使用植物照明专用的LED灯。但对于主要采用自然光照明的设施蔬菜（包括黄瓜）的补光而言，笔者还是建议使用一般照明用的宽光谱LED光源进行补光，原因如下。

首先，植物照明专用LED灯的价格为一般照明用LED灯价格的5倍以上，然而研究发现，白光照射下植物的壮苗指数、干鲜重和各种生化指标与专用的植物LED灯相比都不是最差的[2]，但初始投资却要低得多。以1000 W的功率为例，照明用LED灯价格约为600元，而专用的植物LED灯至少要3000元以上，二者相差2400元。按每天补光7 h，每年补光100天计，每年用电约700 kW·h，以0.50元/（kW·h）电费计算，所需电费约为350元。它们之间的差价可用于补光近7年，而且这些费用还是在7年间逐年支付的。因此，用植物专用的LED灯作为设施黄瓜的补光灯在实际生产中是得不偿失的。

另一方面，如果使用光强和光谱可调的窄光谱多芯片组合型的LED作为补光灯，为了调节光强和光谱，需要使用更高的灯珠功率、增加电子元器件并使用多种单色LED芯片才能满足要求，这又极大地增加了LED初装以及使用的成本。而且在设施补光的情况下已经有了自然光作为基础光照，这些调光LED所起的作用并不能充分地彰显出来，因而在设施园艺的实际生产中一般不这样使用。

补光强度

黄瓜的光补偿点约为50 μmol/（m2·s），而光饱和点则在1200 μmol/（m2·s）以上[3]。因此，若用全人工光栽培，为使黄瓜能够正常生长发育，所需的光合光量子通量密度（PPFD）一般要达到400 μmol/（m2·s）左右。但作为以自然光为主的设施黄瓜而言，在极端情况下的补光强度至少要达到40 μmol/（m2·s）以上，再加上阴霾天时所具有的少量自然光就能确保黄瓜正常的生长发育，避免徒长。为计算所需的补光功率，必须要知道所用光源的光效。对于一般照明用的宽光谱LED光源，其光效一般能够达到2 μmol/（s·W），因此，所需的LED功率至少要达到20 W/m2左右，这相当于13 kW/667 m2。如果用气体放电灯（包括高压钠灯）或窄光谱多芯片组合的可调光谱LED灯，则至少要增加50%的功率。

补光时间

补光时间一般有两种，一种是白天补光，另一种是夜间补光。对于白天补光而言，一般情况下当光照强度低于1.5倍的光补偿点时，对黄瓜而言约为75 μmol/（m2·s），就要考虑开启补光灯，否则可能导致严重的秧苗徒长或瓜果生长异常。具体而言，在阴霾程度不很严重的天气情况下，通常在7：30～10：30，14：30～17：30，每天补光6 h就足够了。但在严重的阴霾天气，则需要全天补光，即从7：30～17：30，每天补光10 h。研究表明，补光后的黄瓜无论是秧苗的壮苗指数、生长速度，还是瓜果的产量和质量都能够得到很大程度的提高[4]。

第二种是夜间补光。最近有学者研究了夜间补光对黄瓜生长的影响[5]，结果表明，在弱光10.0～12.5 μmol/（m2·s）补光处理下，黄瓜幼苗的干鲜重和壮苗指数均增加了40%以上;叶绿素增加了约20%，而类胡萝卜素含量则增加了80%以上;黄瓜的生长、产量和品质等都有显著提高，可溶性固形物增加了10%以上，产量增加了近50%，可溶性糖的含量提高了45%。因此，夜间补光对黄瓜植株的生长发育、果实产量和品质等都具有积极的影响。

夜间补光必须注意两个问题，一是补光强度要低，一般不能高于光补偿点的1/10～1/5;二是补光时间要短，一般不超过2 h，甚至可用多次短时间（5～10 min）中断暗期的方式来抑制秧苗的徒长并提高其壮苗指数[6]。由于夜间补光所需的能耗低、费用少，可以跟白天补光同时使用，以提高补光的效果。

补光位置

补光位置也有两种，一是顶部补光，一是株间补光。顶部补光简单而实用，只要将所需的LED灯均匀地安装在植物的叶冠之上即可，LED灯至叶冠的距离依据其功率而有所不同。若使用可升降的中小功率LED灯，则可离叶冠0.5 m左右，单灯的LED功率增加时，其到叶冠的距离也应增加，以免灼伤叶面。

另有研究表明，株间补光更有利于植物的生长。张盼基于立体光环境的优化建立了设施黄瓜顶叶及株间的需光模型，并据此进行了立体补光、冠层补光及无补光对照的为期90天的补光效果实验[7]。结果表明，相对于对照组，立体补光在植株的光合能力、株高、径粗、花果数量及叶绿素含量等方面相比对照均有提升，其中产量平均提升38.5%，可溶性固形物提升约15.2%，可溶性糖提升约20.4%，维生素C提升约5.63%。因此，株间补光使得光强的分布更均匀，光能的利用率也更高，确有利于黄瓜的生长及其产量的提高。株间补光要注意的一个问题是，单颗的LED功率不能太大，否则容易灼伤叶面，造成相反的效果。

补光效益

补光虽然有利于黄瓜的生长和产量及品质的提升，但也不能脱离效益的评估，如果补光没有效益的话，一切的手段和技巧都是徒劳的。根据前面选用的一般照明用宽光谱LED光源，所用功率为13 kW/667 m2，包括安装费用，按700元/kW计算，则初始投入为9100元/667 m2。虽然LED灯的寿命可达5万h左右，但在户外较为恶劣的环境下LED灯本身和配套的电子元器件都比较容易老化，一般只能用5～8年。如果按7年计算，则每年平摊的费用为1300元/667 m2。

在补光方面，无论是春黄瓜还是秋黄瓜，在种植和生长期间都没有遇到冬季最严重的阴霾天气，因此补光的需求不是很大。假设每茬补光30天，每天7 h，这样每茬每667 m2消耗电能为2700 kW·h。按0.5元/（kW·h）计算，所需的电费为1350元/667 m2，加上平摊的初装费，每年所需的总费用为2650元/667 m2。

根据金投网给出的2020年黄瓜的平均批发价约2.1元/kg[8]，因此，通过补光后每季每667 m2必须增产1.3 t以上才能收回成本。根据国内目前的生产情况，春季黄瓜产量一般为7 t/667 m2左右，秋季为6 t/667 m2左右。因此，补光后单产应能提高25%左右才有收益，这与目前的实验数据基本一致。如果还能套种其它作物，或在冬季不能种植黄瓜的时期充分利用现成的补光设施种植一些其它作物，则更能充分发挥补光的效益，从而获得较好的投资回报。

以上只是就一般情况进行了分析，有些地区如果阴霾严重且持续时间长，加上大棚薄膜老化变脏光衰严重，导致植物在整个生长周期都长期处于弱光寡照的环境，则补光就十分必要，效益也要高得多。否则除了会出现徒长、叶黄、发育不良、果实干物质及有机物含量减少外，甚至会导致欠收、绝收等问题。

CO2的补充

晴朗天气在封闭的温室或大棚内生长的黄瓜容易导致CO2的亏缺，若不及时补充则可能使CO2的浓度低于光合作用所需的补偿点（约168 μmol/mol），从而严重制约植物的生长发育。因此，在光照良好的时段科学地补充CO2对促进作物的生长发育十分重要。

然而，目前的补光研究很少涉及到与温度和CO2的相互作用。实际上，研究表明，在一定的光照强度下，植物的净光合速率会随着CO2浓度的增加而提高，有助于促进植物的生长发育。实验表明，适当地施用CO2，有助于提高黄瓜的株高、茎粗、叶面积、干鲜重、果实发育及产量等。当CO2浓度为800 μmol/mol时，黄瓜的产量可增加43.3%[9]。而CO2的施用可用简单的吊袋式CO2气肥袋，每次费用约为200元/667 m2，有效期可达30～35天[10]。因此，施用CO2是一种投资少、见效高的辅助手段，在光照充足的时段与补光手段互补使用，能产生更好的经济效益。

总结

文章从实际生产的角度探讨了黄瓜补光的几个问题，如果从研究的角度，还应探讨光强、光质和光照时间这3个因素间的相互作用，及其与温湿度和CO2浓度间的关系，还可以研究近紫外和远红光补光对黄瓜生长的影响等。而且不同的组合对植株的生长、黄瓜的产量和品质都有不同的影响，这些研究成果或规律的獲得都有助于指导黄瓜和其它蔬菜的生产，并在不同的生长阶段为不同的生产目的提供不同的最佳组合。但对于实际生产而言，在设计补光方案时首要考虑的因素应是较高的投入产出比，只有在可以获得合理的产出效益的前提下才能考虑其它先进的补光方法或手段。

参考文献

[1] 许天颖，谈洁.我国黄瓜亩产为何只有荷兰1/5[N].南京日报，2018-10-15（A03）.

[2] 林魁，黄枝，林碧英，等.光强和红蓝配比对瓠瓜幼苗生长及生理生化特性的影响[J].西北植物学报，2017（3）：517-525.

[3] 张振贤，周绪元，陈利平.主要蔬菜作物光合与蒸腾特性研究[J].园艺学报，1997，24（2）：155-160.

[4] 苏立芳.LED补光对日光温室黄瓜生长、生理指标及品质的影响[D].邯郸：河北工程大学，2018.

[5] 王华硕.LED补光对日光温室黄瓜、番茄、草莓生长发育及品质的影响[D].天津：河北工业大学，2018.

[6] 佘新.红光中断暗期对黄瓜幼苗形态及生理特性的影响[D].杨凌：西北农林科技大学，2013.

[7] 张盼.非均匀光合特性约束下的黄瓜立体需光模型构建方法研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2019.

[8] 黄瓜报价行情走势图[EB/OL].http：//jiage.cngold.org/shucai/huanggu/，2020-9-15.

[9] 刘洋，孙胜，邢国明，等.不同浓度CO2施肥对温室黄瓜生长与产量的影响[J].山西农业大学学报（自然科学版），2018，38（2）：53-58.

[10] 徐少华.浅谈设施蔬菜二氧化碳（CO2）施肥技术[J].农业开发与装备，2019，（8）：200，204.

*项目支持：福建省重大专项专题项目“高产、优质、抗逆、广适的设施蔬菜新品种选育与产业化”（编号2018NZ0002-2）。