现代智能连栋温室增开补光灯对作物生长影响研究

2022-08-15刘康妮北京极星农业有限公司北京100193

农业工程技术 2022年13期

刘康妮，仲航，张超，徐丹（北京极星农业有限公司，北京 100193）

光合作用是指作物在光照条件下，将CO2和水转化为有机质，实现干物质积累的生化过程，它决定了作物的产量和品质。因此，创造满足光合作用需求的光照条件是提高光合速率、加快物质积累、提高作物产量和品质的关键。然而，由于受到倾斜结构、覆盖材料、太阳高度角和温室玻璃表面洁净度的影响，连栋玻璃温室内的光强只有田间的1/2。尤其在春冬季节,温室的光强度通常低于作物光合作用的光饱和点,导致作物光合能力下降，作物生长和成熟缓慢,并使得害虫发生概率急剧增长[1]。同时，在弱光胁迫下，光合产物的合成和分配也受到影响，植株干物质积累下降，进而对番茄等喜光作物果实的产量和品质产生较大影响[2]。因此，在一定条件下，调控光环境对促进温室产业的发展非常重要，加快温室产业升级是一项紧迫的任务。

番茄是世界上最重要且最普遍的园艺作物之一，就人类健康而言，番茄是许多国家每日膳食的主要组成部分，是矿物质、维生素和抗氧化化合物的重要来源[3]。国内设施栽培的番茄主要集中在传统日光温室中，各类温光环境及其相关的研究也都集中在日光温室环境条件下，由于缺乏大规模连栋玻璃温室，研究者只能在小的试验温室中进行模拟试验，从而对大型连栋玻璃温室内环境研究较少[4]。自21 世纪 90 年代，有大量的智能连栋玻璃温室被从荷兰引入中国，经几十年发展，智能温室在中国已经从最初的展示示范、试验推广阶段进入到种植生产阶段[5]，也为在智能温室中研究光环境提供了条件。了解掌握国内玻璃温室内光环境变化特点，也对提高番茄的品质及产量具有重要意义。

北京极星农业产业园坐落于北京市密云区（40.4°N,117°E），密云区气候为暖温带季风型大陆性半湿润半干旱气候，夏秋季光照远高于冬春季，以2021年为例，全年累计光照可达492177 J/cm2，夏秋季光照为冬春季的1.67倍，但由于温室内种植越冬茬番茄，9月定植，6月拉秧，即使夏季光照强、光质高，也不能够直接转化为产量，因此如何提高夏秋季温室内光照成为提高产量的首要目标。

影响温室内植物可利用光强的因素有很多，为增加光照，园区连栋玻璃温室采用漫反射玻璃，透光性高且光均匀一致，可有效减少上部叶片对下部叶片的遮挡，并且经过阳光照射后，产生的阴影较少，有利于作物均衡生长。定期使用全自动屋顶清洗机对屋顶进行清洁，清洗后透光率最高可增加10%。装备1000 W高压钠灯，一行18个，每跨5行，28跨，共计2520只，PAR输出（PPF）为2100 μmol/s，距植株头部约3 m（图1）。特殊设计玻璃材质及夹角，使玻璃上不易结露，提高透光率；使用白色地布，增加反光。然而，温室仍然会由于各种因素导致透光率不能达到预期，例如设备、玻璃及覆盖材料不可逆老化、硬件结构如桁架及遮光帘的存在而导致部分区域遮光，单个补光灯遮光面积为0.1058 m2，单根桁架及收起的幕布遮光面积为25.76 m2，去除补光灯及桁架的重合面积，总遮光面积可达811.44 m2。园区温室于2016年建成，为进行透光率测试，在2021年12月12:00在温室内随机选取10个测试点，透光率平均值为86.64%，已低于刚建成时的原始值。

图1 高压钠灯分布图

试验材料与方法

为应对2020～2021种植季冬天和早春因寡照而导致产量不如预期的情况，2021～2022种植季，极星农业在考虑成本及植株夜间温度需求的情况下，于2021年11月～2022年3月（从2021年第45周～2022年第13周，共计22周），期间自23:00开始使用高压钠灯补光至次日7:00，与此同时夜间也会增加灌溉次数以满足植物生长需求，其中11月和3月份补光时长会随日照时间减少/增加而相对增加/减少。

试验在北京极星农业有限公司的连栋玻璃温室内进行。温室面积3.3 hm2，南北走向，东西方向共28跨，跨度8 m，每跨6个栽培架，栽培槽长80 m，行距为1.6 m。试验采用引进先正达集团的‘鸡尾酒’番茄品种。

番茄生长过程中，营养液通过水肥一体化的自动施肥机（Priva）通过滴箭进行滴灌，根据日出日落时间及每日光照累计自动调整浇灌时间及次数。温室外光照累计数据由Priva气象站监测并上传，温室内PAR数据则由Priva光照传感器捕捉并记录。植物各项生长参数，例如每周茎干伸长量、每周坐果串数及坐果数，每周由技术员记录一次，产量每天记录并在周末进行累加统计。

结果分析

综合来看，两种植季室外光照累计相差不大,冬季光照累计相对平均，均随季节呈现上升趋势，2022年2～3月光照增加明显 (图2)，室内PAR随时间变化的整体趋势与室外光照累计相同，但开补光灯后2021～2022种植季温室内植物可利用的PAR强度为2020～2021种植季的1.24～1.75倍（图3）。

图2 2020～2021及2021～2022种植季温室外光照累计

图3 2020～2021及2021～2022种植季室内PAR

植物只有在有光的条件下才能生长，在一定范围内光照越强植株长势越好，由于2021～2022生长季对番茄进行补光，番茄植株有可能在生理指标上体现出更好的发育情况。通过每周作物记录中的生长量来看，2021～2022种植季植株每周生长量等于或高于2020～2021生长季，长势相对更好（图4）。此外，通过对比发现，两种植季整体变化趋势相似，第5周2021～2022种植季茎干伸长量猛增，但第6周又突降，原因可能是2022年第5周为春节，测量不及时导致生长量累积，因此人工在生产中也是不可忽视的一环。

图4 2020～2021及2021～2022种植季作物每周生长量

每周坐果串数及坐果数可以体现作物生殖生长的能力，两种植季在11月初坐果数相同，而随着生长季的延长，补光后的植株坐果数逐渐与未补光的植株拉开差距，在补光期末，2021～2022种植季植株结了第27.5串果，而未补光的2020～2021种植季植株则结束在第26串果，有1.5穗果的差距（图5）。而每周坐果数虽不断变动，但总体而言2021～2022种植季每周坐果数大于2020～2021种植季，且差距显著（图6）。

图5 2020～2021及2021～2022种植季作物每周坐果串数

在荷兰种植者和研究者中有着一种说法，多1%的光照就多1%的产量，作物通过吸收更多的光照提升光合作用，最终使得产量增加。在两季种植中，密度均保持在3.75株/m2，但补光后的产量远高于不补光，平均产量提高31.63%，差距最大的在1月份，2021～2022种植季单月产量是2020～2021种植季的1.44倍（图6），原因可能是增开补光灯的同时温度上升，加速了果实成熟转色率。另外，番茄产量呈现先增后降再增的趋势，与温室内光强先下降后上升再下降正相反（图3），也体现出番茄底部与头部在感知外界环境变化时有一个月左右的“时差”。

图6 2020～2021及2021～2022种植季作物每月产量

讨论与结论

本实验由于补光灯电路设计及对生产效益的考虑，无法在园区内分区进行对照实验，只能通过两个生长季做对比，时间跨度较大，两种植季外部环境条件与员工园艺操作均略有不同，且实验于企业园区内伴随生产种植季进行，可利用的条件有限，只测量得到光强数据，无法测量光合作用各项参数，从而无法判定测定补光对于冠层光合作用的改善，也无法判定补光后作物由光转化而来的干物质分配情况，此部分仍有待研究。但通过已得到的作物指标来说，增开补光灯更有利于作物生长，补光的同时增温，加速坐果及果实转色，提高成熟速度，并从而导致产量更高。

此外，在补光策略上，尤其是早上关灯策略，为防止光照波动及顺应植物本身生长规律，补光灯开启数量随日出逐渐减少，当早上日出后，在7:30左右，补光灯数量关闭一半；当外界光照到达300 W/m2时，补光灯全部关闭。选择夜间补光也出于对能源消耗及峰谷平电价的考虑，北京市郊区企业夜间电价为0.3元/(kW.h)，高峰时段及平段电价分别为0.89及0.59元/(kW.h)，夜间补光节约了近1/2的成本。