珠海大型温室番茄长季节栽培模式补光设计研究

鲍顺淑，刘庆鑫，武 耘，李思博

（1农业农村部规划设计研究院，北京 100125；2农业农村部农业设施结构工程重点实验室，北京 100125）

0 引言

近年来，中国设施园艺产业快速发展，全国各地大型玻璃温室建设越来越多。大型温室设备配套齐全，对温室内的环境调控能力强，主要用于番茄、黄瓜等果菜的长季节栽培[1-2]。长季节栽培可延长采收期，增加收获果穗数，能显著提高番茄产量和效益[3-4]，是番茄的重要种植模式。在长季节栽培中，温室环境尤其是光环境的变化对番茄生产有着较大的影响，弱光是导致作物减产的主要因素之一[5-6]。但由于多种因素的影响，温室的自然光透过率只有60%～70%，且由于地域差异，部分地区光照资源匮乏，在一定程度上造成了温室内植物处于弱光环境。在实际生产中时常听到种植者抱怨天气，尤其是连续的阴天导致温室内的光照环境差，植株长势弱，番茄产量和品质受到影响。因此，光环境调控成为番茄长季节栽培首要解决的问题之一[7-8]，为了获得较好的品质和较高的产量，需要根据番茄的光照需求进行人工补光调节[9-10]。荷兰温室生产非常注重补光，对番茄、甜椒、黄瓜等作物的长季节栽培均有较为成熟的补光方案。目前国内大型温室处于快速发展阶段，缺乏系统有效的补光方案，部分温室不顾当地光热资源条件与荷兰的差异，盲目照搬荷兰补光方案，导致补光运行成本高，温室生产盈利能力差；也有部分大型温室不具备配套的补光设备，没有因地制宜的补光策略，导致农产品质量和产量与预期差异较大，生产效益不佳。因此，如何用最少的人工补光弥补自然光的不足，是大型温室生产亟需解决的重要问题。为此，本研究在广东省珠海市番茄长季节栽培大型温室设计建造之初，从珠海地区光照资源评估、番茄光照需求规律、补光策略等方面开展研究，力争给出适宜珠海地区大型温室番茄长季节栽培模式全生育期的合理光照调控方案[5]，以期为投资者与种植者提供补光指导和建议，实现大型温室的低成本高效生产，并为其他地区温室补光设计提供参考。

1 研究资料与方法

中国经度范围为73°33′—135°05′E；纬度范围为3°51′N至53°33′N，较大的经纬度跨度导致不同地区的自然光照环境有着较大的差异。广东省珠海市位于21°48′—22°27′N、113°03′—114°19′E，研究组收集了珠海地区1997—2016年共20年的日总辐射曝辐量资料（日总辐射曝辐量，单位为0.01 MJ/m2，它表示该地区的光照强度的物理量，其大小直接影响作物的生长，对农业有着重要的影响，是反映该地区光照资源的重要指标之一）。通过对珠海地区多年日总辐射曝辐量数据进行汇总分析，找出不同季节不同月份的自然光照强度变化规律；同时，结合珠海光照资源条件、温室光照透过率、番茄光照需求与茬口安排，给出珠海地区大型温室番茄长季节栽培的合理补光方案。

2 珠海地区日照光强的气候特性

2.1 20年日总辐射曝辐量变化特征

珠海市1997—2016年逐月总日辐射曝辐射量如图所示（图1），从图可以看出1—4月自然光光强较弱，其中3月的光强最低仅有8.30 MJ/m2，从5月开始光强开始逐渐升高，至7月达到最大为15.58 MJ/m2，11、12月光强开始降低。春季3—5月，光强从低开始增强，夏季6—8月光强最强，秋季9—11月光强开始逐渐减弱，冬季12—2月光强则降至全年最低。由此可知珠海地区冬季和春季光照强度较弱，夏季和秋季光照强度较强。

2.2 20年日总辐射曝辐量变化特征

珠海市1997—2016年平均总日辐射曝辐量年变化图（图2），由图可以看出20年来珠海地区总日辐射曝辐量有升高的趋势，1997—2006年总日辐射曝辐量平均值为11.45 MJ/m2，2007—2016年总日辐射曝辐量平均值为12.56 MJ/m2，后十年较前十年光照强度稍有提高，但是幅度并不明显。其中2010年和2005年的总日辐射曝辐量较低。

2.3 20年日总辐射曝辐量四季变化趋势

从图3四个季节的变化趋势情况来看，1997—2016年春、夏、秋、冬四个季节的日辐射曝辐量都呈增加趋势，即四季的太阳辐射强度都有所增强。其中夏季的增加幅度最大，2016年较1997年日辐射曝辐量增加了3.66 MJ/m2，增加了22.2%；其次是秋季和冬季分别增加了 1.73 MJ/m2、1.08 MJ/m2，分别增加了 13.3%和11.1%；而春季增加幅度最小，几乎没有很大的变化，呈现平稳趋势。且从图3可以看出，四个季节中夏季（6、7、8月）的太阳光照最强，为14.73 MJ/m2，秋季（9、10、11月）次之为13.38 MJ/m2，春季（3、4、5月份）和冬季（12、1、2月）平均日辐射曝辐量较少分别为10.20 MJ/m2、9.47 MJ/m2。

图1 珠海市1997—2016年平均逐月总日辐射曝辐量变化

图2 珠海市1997—2016年总日辐射曝辐量年变化

图3 珠海市1997—2016年总日辐射曝辐量四季变化

2.4 广东省地区的日照时长

林苗青等[15]对近53年来广东省地区的日照时数进行分析，由其研究结果可以知道，秋季的日照时数最长，有684 h即平均每天日照时长7.5 h；夏季和冬季次之，分别为587 h和551 h，即平均每天日照时长6.5 h和6 h；春季的日照时数最短，仅有384 h，即平均每天日照时长4.3 h。珠海日照时长与广东地区基本一致，夏季和秋季的日照时长较长，春季和冬季日照时长和日照强度值均较低。中国经纬度跨度大，不同地区的光照时长差距较大（见表1），因此，若要进行番茄长季节栽培，还需要考虑不同季节的自然光照时长特点，进行合理的人工补光。

表1 不同区域光照时长比较

3 珠海市温室内部光合有效辐射分析

植物生长所需的光强大都以光合有效辐射来表示，因此需将总辐射曝辐量换算成光合有效辐射来分析，其换算公式如公式(1)所示。

式中，PAR表示光合有效辐射，μmol/m2·s，Q表示总辐射曝辐量，MJ/m2，A1 表示0.01 MJ/m2=0.086W/m2，A2为光能转化系数，这里取4.56[12]。

由于温室维护结构等的影响，温室内的光照强度仅为室外的30%～70%，因此本研究温室内的光强按照室外光强的60%计算，室内的光环境情况如表2所示。番茄作物生长期所需的光合有效辐射在300 μmol/(m2·s)以上才可以满足其营养生长和果实发育[12]。由表2可知，春季2—4月和秋季9—10月以及冬季2、12月珠海地区温室内有半个月以上的时间其光强强度都低于 300 μmol/(m2·s)。因此，珠海地区温室若要进行番茄的长季节栽培，需根据不同季节的自然光照条件制定相应的补光策略。

表2 珠海市1997—2016年温室内光照环境

4 珠海番茄长季节栽培补光方案

4.1 番茄苗期的光照需求

有研究表明，苗期的光照环境对番茄的生长十分重要，苗期弱光会造成幼苗的茎叶弱小，严重时会导致幼苗的徒长，导致番茄后期长势弱，并最终会影响产量和品质。番茄苗期所需光合有效辐射约为200 μmol/(m2·s)。珠海温室番茄长季节栽培育苗期为7、8、9三个月，从表2可以知道这三个月温室内的平均光合有效辐射约为194 μmol/(m2·s)，可以满足番茄苗期的光照需求，可不进行额外的人工补光。

4.2 番茄生长期温室补光方案

当番茄植株的育苗期结束后，番茄植株开始进入营养生长和生殖生长期，因这两个时期番茄对光照强度的需求相似，因此在这里统称为生长期。生长期的番茄植株对光照的需求增加，此阶段的光环境条件会直接影响番茄植株的长势、坐果率及果实的产量及品质，是影响番茄产量的重要阶段。有研究表明进入生长阶段后番茄所需的光合有效辐射需大于300 μmol/(m2·s)，光照时长15 h/d。而根据表2中可知，10月份开始后温室内的光合有效辐射量达不到所需的光照强度，需要人工补光加以调节。具体补光方案根据不同月份的自然光照情况进行补光量的调节，如图4所示。

5 讨论

图4 珠海市温室内补光方案

珠海的自然光照相对充足，但有着明显的季节差异，其中夏季和秋季的光照强度大且日照时数长。夏季室外的平均日辐射曝辐量可达14.73 MJ/m2，日照时数为6.5 h/d，这与林苗青[15]等对广东地区日照时长的研究结果相似。由于温室维护结构的影响，室内光照强度低于室外自然光照，假设有60%的光照进入温室内部，通过换算可知温室内的光合有效辐射为199 μmol/(m2·s)；秋季室外的平均日辐射曝辐量可达13.38 MJ/m2，日照时数为7.5 h/d，温室内的光合有效辐射为171 μmol/(m2·s)；春季室外的平均日辐射曝辐量可达10.20 MJ/m2，日照时数为4.3 h/d，温室内的光合有效辐射为 161 μmol/(m2·s)；冬季室外的平均日辐射曝辐量最低9.47 MJ/m2，日照时数为6.0 h/d，温室内的光合有效辐射为 146 μmol/(m2·s)，这与李晓文等[11]研究结果相符合。王静等[26]研究表明温室内部的光照环境对植物的生长有着重要的影响，合理的补光措施是设施栽培重要的环境调控手段。闫文凯等[27]研究发现根据温室内的光照环境差异对温室内的番茄进行不同补光强度、不同补光方式可以有效的提高温室番茄产量。王舒亚等[28]研究发现对番茄进行不同时长的补光处理，补光2 h、3 h处理下的番茄产量有明显的提高，这与李蔚等[29]对温室内番茄不同时间进行补光处理的结果相似。张帆洋等[5]的研究结果表明在番茄营养生长期（3月中旬），温室内的光照量和昼夜平均温差对叶面积、茎粗和株高的增长影响不大；在番茄果实膨大期（4月中旬），温室内的光照量与果实膨大均呈极显著正相关。Lanoue Jason等[31]的研究表明番茄对水肥的吸收与光照呈正相关。由此可见在实际生产过程中应根据当地不同月份的光照情况，对温室内的番茄进行不同的补光处理。根据广州地区的光照情况和栽培茬口安排，7、8、9月份在温室内进行育苗，此时温室内的光照强度满足番茄苗期对光照的需求，因此，不需要额外的人工补光。而当番茄植株进入到营养生长及生殖生长时期，温室内的光照强度则无法满足番茄植株正常的生长需求，需要进行人工补光来达到番茄作物的生长需求，从而保证温室内番茄植物的产量及品质。

6 结论

番茄长季节栽培模式，在7、8、9月份进行育苗，温室内的光合有效辐射为171 μmol/(m2·s)，日照时数为7.5 h/d，温室内的自然光照可满足番茄幼苗的光照需求，不需要进行额外的人工补光；番茄在10—12月进入营养生长，此时温室内的光合有效辐射为146 μmol/(m2·s)，日照时数为6.0 h/d；坐果期则在来年的1—4月份，此时期温室内的光合有效辐射为161 μmol/(m2·s)，日照时数为4.3 h/d，需根据自然光的情况进行适当补光，补光强度为102～166 μmol/(m2·s)。