补光强度对设施寡照下黄瓜产量和品质的影响

张文晶，阮梓健，杨 威，郭世荣

（南京农业大学园艺学院，江苏南京 210095）

光是植物唯一的能量来源，对植物的生长发育影响巨大，必须给予合适的光照，才能保证植株的正常生长发育。温室由于结构、覆盖材料等因素的影响，光照强度仅为露地的50%～70%[1]。我国南方地区冬春季节持续阴雨寡照天气会造成温室内作物光照时间缩短、光照强度进一步降低。寡照弱光对作物生育、产量和品质会产生严重的不利影响，已成为制约南方地区设施园艺发展的重要因素。

人工补光是解决冬春季设施栽培作物寡照问题的重要措施。人工补光的光源按照发光形式分为热辐射光源、气体放电光源和电致发光光源3类[2]。电致发光光源指发光二极管，即LED 灯。相比其他光源，LED灯具有精确控制光谱组成、产热少、长时间保持光稳定性等优势，其补光技术在农业生产领域应用愈加广泛[3-4]。众多研究表明，LED 补光可促进作物生长发育，提高产量和改善品质。吴根良等用不同LED 光源照射辣椒发现，不同LED 光源均能显著促进辣椒果实中可溶性蛋白含量的增加，适当的LED 光源和补光时间可提高设施栽培辣椒果实的商品性和产量[5]。郝东川等应用LED 灯对设施栽培瓜果类蔬菜全生育期进行补光处理发现，LED 灯补光可明显提高瓜类蔬菜的主蔓雌花数，对提高蔬菜作物的着果率也有促进作用[6]。刘晓英等研究发现，菠菜应用LED 补光可显著促进菠菜生长[7]。

黄瓜是我国设施栽培的主要作物之一。在冬春季日光温室黄瓜生产中，光照是影响日光温室黄瓜生长发育的首要环境因子[8]。有研究表明，寡照会造成黄瓜叶片光合速率降低[9]、光合产物运输减缓，引起着果率降低、畸形瓜增多、产量和品质下降[8，10-14]等问题。LED 补光技术的出现为解决冬春季黄瓜生产寡照问题提供了可靠途径。目前，LED 补光技术在黄瓜上的研究多集中在幼苗阶段，在结果期进行补光的研究还鲜有报道。相较于幼苗期，结果期光照对果实产量及品质的影响更大，结果期补光具有更高的经济效益。在补光强度方面，普遍认为在植物光饱和点之内，补光后的总光强越大对植物生长发育越有利，但补光强度的增高也会使种植成本升高。因此，确定寡照环境下适宜的补光强度进行补光处理，使收益最大化，是补光技术应用于实际生产过程中亟待解决的问题。本试验通过在植株上方搭建遮阳网，模拟冬春季长江中下游地区温室内的寡照环境，在黄瓜结果期采用LED灯管进行人工补光（光质为白光），研究补光强度对设施黄瓜植株生长、光合、产量和果实品质的影响，以期为设施寡照下蔬菜优质高效生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020 年9—11 月在南京农业大学白马基地连栋温室中进行。供试黄瓜品种为‘戴多星’，育苗基质、栽培基质均由江苏兴农基质科技有限公司提供，LED补光灯管由南京植生谱光电科技有限公司生产。

1.2 试验处理

采用桶式基质无土栽培黄瓜，当黄瓜幼苗长到两叶一心时定植于栽培桶中，每桶定植2 株。肥水正常管理，控制温室环境条件，保障黄瓜正常生长。当黄瓜开花后，在植株上方搭建遮阳网，形成光照强度约50 μmol·m-2·s-1的弱光环境。进入结果期后（遮光后4 d），在弱光环境条件下，采用LED灯管进行人工补光，光质为白光，补光时间为30 d。以不补光为空白对照（CK），设 置T1（125 μmol·m-2·s-1）、T2（200 μmol·m-2·s-1）、T3（275 μmol·m-2·s-1）、T4（350 μmol·m-2·s-1）四个光强度补光处理，每日9 时开始，补光4 h。每个处理栽培13 桶，不同处理间悬挂银黑色遮光布隔开，以保证各处理间互不干扰。灯管设于植株生长点正上方15 cm 处，根据实际补光情况和植株生长情况进行补光高度调整。试验期间，温室内昼夜气温白天（26.7±5.4）℃、夜间（14.5±4.5）℃，空气相对湿度白天（69.4±14.5）%、夜间（98.6±1.3）%。补光15 d 后测定黄瓜植株生长指标和生理参数，于补光后6、10、16和22 d测定收获的果实品质。

1.3 测定方法

1.3.1 生长指标

使用游标卡尺测量垂直于黄瓜子叶方向、子叶节下1 cm 处的粗度，代表茎粗。不同处理各选取3 株洗净根系，去掉根尖和上部老根，剪成2 cm 长的碎段，称取0.4～0.5 g，采用氯化三苯基四氯唑（TTC）比色法测定根系活力[15]。各处理另选长势一致的植株，洗净根系，擦干，杀青后放于75 ℃烘箱中烘干至恒重，测定整株干重。

1.3.2 光合生理指标

选取各处理完全展开且叶位相同的功能叶片，采用便携式光合测定系统（Li-6400，美国）于晴天上午进行净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）等光合参数的测定。测定时叶室温度控制在（30±1）℃，光强控制在1 000 μmol·m-2·s-1，CO2浓度为（415±10）μmol·mol-1，相对湿度为60%～70%。

1.3.3 果实表型指标

在黄瓜开花后10 d（补光后6 d）开始采摘。用电子天平称量果实重量、直尺测定果实纵径、游标卡尺测定果实横径。每次采摘各处理选取3～5根黄瓜称量鲜重后，置于75 ℃烘箱中烘干至恒重，称量黄瓜干重。根据以下公式计算果实含水量（%）：含水量=（鲜重-干重）/鲜重×100。

1.3.4 果实品质指标

每次收获采摘后，各处理随机选择6 根黄瓜进行品质测定。测定方法：可溶性糖含量，蒽酮比色法[16]；可溶性蛋白含量，考马斯亮蓝G-250染色法[17]；有机酸含量，NaOH 滴定法[16]；可溶性固形物含量，手持折光仪测定法。

1.3.5 果实产量

果实采收期为补光处理后30 d，收获后统计各处理的果实产量，计算增产率和单果重并核算成本。

1.4 数据处理

试验数据经Excel 2018 整理后，采用SPSS 统计软件对数据进行统计分析，采用Duncan 法进行多重比较，以最小显著差数法（LSD）分析差异显著性（P＜0.05），采用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 补光强度对植株生长的影响

茎粗、根系活力和植株干重等是衡量植株生长状况的重要指标。由表1可以看出，与CK相比，结瓜期进行补光处理对黄瓜植株茎粗、根系活力和植株干重有不同程度的提高，T1处理补光强度最弱，只有根系活力显著增加。随着补光强度的增加，与CK相比，T2处理根系活力差异显著，茎粗、植株干重虽有增加但并不显著。茎粗在T3处理时才表现出显著差异。与CK相比，T4处理促进黄瓜植株生长最为明显，茎粗、根系活力、植株干重分别增加4.76%、307.32%、43.53%。

表1 补光强度对寡照下黄瓜植株生长的影响

2.2 补光强度对叶片光合作用的影响

光合作用是绿色植物吸收CO2制造有机物并释放氧气的过程，补光处理对叶片光合作用有一定的促进作用。从表2 可以看出，随着补光强度的增加，植株净光合速率和气孔导度均有上升的趋势。与CK 相比，T1、T2、T3和T4处理净光合速率分别提高了32.62%、41.76%、68.97% 和84.27%，气孔导度分别提高了63.46%、127.88%、130.77%和178.85%。与CK 相比，各补光处理蒸腾速率均显著增加，但各处理间并无显著差异。

表2 补光强度对寡照下黄瓜叶片光合作用的影响

2.3 补光强度对果实品质的影响

2.3.1 果实可溶性糖含量

从图1 可以看出，随着补光天数的增加，黄瓜可溶性糖含量总体呈现下降趋势。与补光处理相比，CK处理植株可溶性糖含量的下降趋势更为明显。与补光后6 d 相比，补光后22 d 时CK、T1、T2、T3和T4处理黄瓜可溶性糖含量分别降低39.28%、27.06%、24.96%、26.70%和18.15%。因此，补光处理对黄瓜可溶性糖含量的降低有遏制作用。

图1 补光强度和时间对黄瓜可溶性糖含量的影响

随着补光天数的增加，不同补光处理的黄瓜可溶性糖含量呈现出差异。从整体上看，随着补光强度的增加，可溶性糖含量升高，即CK＜T1＜T2＜T3＜T4。在补光后16 d 差异最为显著，与CK 相比，T1、T2、T3和T4处理可溶性糖含量分别提高了17.20%、19.58%、32.80%和52.65%。

2.3.2 果实有机酸含量

有机酸含量是黄瓜品质的重要指标，补光处理对黄瓜有机酸含量有一定的降低作用。从图2可以看出，随着补光天数的增加，黄瓜有机酸含量呈现下降趋势。与补光6 d 相比，补光22 d CK、T1、T2、T3和T4处理有机酸含量分别下降了16.99%、22.44%、22.88%、24.89%和24.68%。随着补光天数的增加，不同补光处理黄瓜有机酸含量表现出差异，与CK 相比，补光后16 d有机酸含量显著降低。

图2 补光强度和时间对黄瓜有机酸含量的影响

2.3.3 果实可溶性蛋白含量

可溶性蛋白含量是一个重要的生理生化指标，反映黄瓜体内生理代谢的强度，其含量对黄瓜的品质有重要影响。从图3 可以看出，随着补光天数的增加，黄瓜可溶性蛋白含量呈现先升高后下降的趋势。与补光后6 d 相比，补光后16 d 黄瓜可溶性蛋白含量显著增加，T1、T2、T3和T4处理可溶性蛋白含量分别提高31.91%、41.23%、32.68%和32.42%。整体上看，补光处理的可溶性蛋白含量显著高于CK，且随着补光强度的增加，可溶性蛋白含量有增加的趋势。

图3 补光强度和时间对黄瓜可溶性蛋白含量的影响

2.3.4 果实可溶性固形物含量

由图4 可以看出，随着补光天数的增加，黄瓜可溶性固形物含量呈现先升高后下降的趋势。与补光后6 d 相比，补光后16 d 黄瓜可溶性固形物含量明显增加，CK、T1、T2、T3和T4处理黄瓜可溶性固形物含量分别提高了10.97%、30.04%、30.42%、48.64% 和37.04%。

图4 补光强度和时间对黄瓜可溶性固形物含量的影响

整体上看，随着补光强度的增加，可溶性固形物含量升高。与CK 相比，补光后10 d 各处理间开始具有显著差异，T1、T2、T3和T4处理可溶性固形物含量分别提高了2.53%、5.49%、18.14%和23.63%。

2.4 补光强度对果实表型和产量的影响

由表3 可见，补光处理可以明显促进黄瓜植株生长，提高产量。T1、T2、T3和T4处理产量分别提高了55.67%、88.90%、109.59%和165.27%。与CK 相比，补光处理增加了果实纵径，且随补光强度的增加更为显著。与CK 相比，补光处理对果实横径并没有表现出显著差异。随着补光强度的增加，单果重稍有增加，但与CK 相比，T1、T2处理并无显著差异，T3、T4处理有显著增加。

表3 补光强度对黄瓜果实表型和产量的影响

2.5 寡照下补光成本与收益核算

式中，C为补光成本，F为补光电费，H为补光灯使用费，单位元；W为单根灯管每小时消耗电能，0.018 度；B为电价，0.528 3 元/度；T为补光时间，4 h·d-1；D为补光天数，30 d；n为每排灯管数量，7根；x为灯管排数，CK、T1、T2、T3、T4处理分别赋值0、1、2、3、4 排；d为补光灯单价，90 元；G为补光灯使用寿命，20 000 h。

式中，P为补光收益，Tr为总收益，单位元；X为果实单价，11.92元/kg；To为果实总产量，单位kg。

式中，K为单价电费收益，单位元/元。

由表4 可见，随着补光强度的增加，补光成本逐渐升高。从补光收益上看，采用4 排28 根灯管收益最佳，与CK 相比，收益提高了75.30%。随着补光灯管数的增加，单价电费各处理的收益呈现降低的趋势，KT4＜KT3＜KT2＜KT1。

表4 寡照下补光成本与收益

3 讨论与结论

光照强度直接影响黄瓜叶片的光合作用，弱光下叶片净光合速率下降，气孔导度和蒸腾速率降低，这与叶东奇等[18]对生菜进行的LED 补光试验中得出的结论一致。长期的弱光胁迫会削减植物吸收营养的能力，影响植株的光合作用并阻碍光合产物向根部的运输，进而影响植株生长。本试验结果表明，CK 的黄瓜植株茎粗、植株干重、根系活力等生长指标均低于补光处理，弱光环境限制了植株的生长。随补光强度的增强，补光处理的黄瓜植株茎粗、植株干重、根系活力有所增加，表明补光对寡照下的黄瓜植株生长有一定的促进作用。

弱光会造成黄瓜产量下降，一方面弱光使黄瓜叶片光合作用减弱，光合产物总量降低；另一方面，在寡照逆境下，黄瓜叶片光合产物向果实中的分配比例减少，向茎中的分配比例增加[19]，加剧了果实营养缺乏，进而降低果实产量。本试验结果表明，弱光条件下黄瓜产量较低，与CK 相比，补光处理显著提高黄瓜的果实产量，增加果实纵径和单果重，与苏立芳等[20]的研究结论一致。随着补光强度的增加，黄瓜增产率不断提高，最高增产率达165.27%。与薛晓萍等[21]的研究结论一致，CK的果实可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均低于补光处理，表明弱光造成黄瓜产量下降的同时也会使果实品质下降。补光处理可以起到改善果实品质的作用，补光后黄瓜的可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均有提高，有机酸含量有所降低，这与王华硕[22]的研究结论相似。赵玉萍等研究发现，不同的温度和光照强度对温室番茄光合作用及果实品质有显著影响，光照强度越大，番茄果实的品质越好[23]。本试验结果也表明，补光强度愈强，黄瓜果实品质越佳。

通过核算，T4处理（350 μmol·m-2·s-1）效益最高，增产率为165.27%，黄瓜品质较CK 也有显著改善，为本试验条件下最适合的补光强度。同时也发现，随着补光强度的增加，单位电价下各补光处理的收益呈下降趋势。这表明高收益是以高资源浪费为代价，电力资源在高补光强度的处理中并未得到充分利用。另外，T4处理（350 μmol·m-2·s-1）为本试验最高补光处理，再提高补光强度是否还会进一步促进黄瓜植株生长、提高果实产量、改善果实品质、提高经济效益仍未可知，因此仍需进一步试验探究。生产上建议黄瓜结果期可采用LED 灯进行补光处理，有利于提高果实产量、品质。一定光照强度内，果实产量、品质、收益与光照强度成正比。