冬季设施补光对苏州地区岩棉培番茄生长的影响

黄志午， 俞亦章， 徐志刚， 朱为民， 钱春花

(1.上海市农业科学院，上海 201106； 2.昆山市城区农副产品实业有限公司，江苏 昆山 215300； 3.南京农业大学，江苏 南京 210000； 4.苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008)

番茄，又称西红柿、番柿，起源于热带、亚热带地区，属茄科茄属，是中国设施温室中的主栽作物之一，同时番茄还是一种世界性经济作物。番茄产量影响着地方经济发展和农民的经济收入，番茄作为一种肉质性果实，也被认为是研究果实发育、成熟的理想材料。为了周年供应优质果菜，部分地区的栽培技术和栽培设施发展得较快，也面临着诸多客观问题，从而影响番茄产量和品质等。例如：冬季和早春季节的雾霾、连续阴雨等造成温室光照环境恶化。另外，棚室的材料老化、骨架结构、补光灯位置和不断生长的番茄间和叶片间相互遮掩都使得喜光作物番茄长期生长在弱光环境中，使番茄植株营养生长过快，出现避阴反应；此外，番茄生殖生长不良，表现为落花落果、果实发育缓慢、产量下降、品质变低等[1]。要高效生产番茄等果菜类作物，就必须克服冬季低温弱光和高湿度传播病虫害等问题。

岩棉栽培番茄可以有效解决土壤酸碱化、板结等不利于种植的问题，并可杜绝土传病害的传播、节约空间、有效降低空气湿度、减少病虫害。在荷兰无土栽培的设施温室中，90%以上是用岩棉栽培[2]。美国在无土栽培技术领域早已转向太空，并走在世界的前列[3]。

人工补光是改善设施光环境的最有效手段，为当前设施园艺高产、提质增效的关键措施之一，在设施蔬菜生产中具有重要的应用前景[4]。在设施温室内应用人工补光配合采用岩棉培技术能够有效弥补温室环境中的光照不足，降低温室湿度，减少病虫害等，提高抗病性。林婧等[5]研究发现，增加补光强度和延长光照时间，可以增加番茄的株高、节间距和茎粗，提高番茄幼苗抗病虫害的能力。刘晓英等[6]的研究结果表明，不同光质配比可以增加番茄苗期叶绿素含量、提高光合作用等。Xu等[7]发现，发光二极管(LED)红光会增加棉铃虫对番茄的危害，同时LED蓝光降低了番茄的病情指数。目前，大多数研究集中在室内补光对番茄苗期的影响，如在北方设施温室内番茄全生育期的补光，较少涉及长江流域冬季设施岩棉培番茄补光技术的应用。因此本研究以番茄品种152为试验材料，设置3组不同位置补光处理，在双层拱棚的连栋设施大棚内应用岩棉栽培技术，研究人工补光对冬季番茄产量、生长及光合作用的影响，为反季节种植番茄的补光技术提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 光源的选择

冠层补光采用点形大功率植物光源(以下简称点光源，功率250 W，由南京植生谱光电科技有限公司提供)，丛间补光采用线形LED植物光源(以下简称线光源，功率18 W，由南京植生谱光电科技有限公司提供)。

1.2 试验材料

由厦门百利现代农业科技有限公司提供番茄品种152的种子。

1.3 试验设计

试验在南京农业大学昆山蔬菜研究院的双层拱棚连栋温室大棚内进行。2018年8月27日催芽，9月22日定植，各处理设72株番茄，株距25 cm。双层拱棚保温，覆盖地布，用水肥一体化技术降低空气湿度、减少病虫害。设置3个处理组和1个对照组：C1处理，两垄的冠层分别用间隔120 cm的5盏点光源共10盏+两垄的各侧面用5根线光源共20根；C2处理，横向五垄的岩棉块正上方放置3根线光源共15根；C3处理，两垄的冠层分别用间隔120 cm的5盏点光源共10盏；CK，一个不补光的单间。各处理之间使用遮光板隔开，防止光源干扰。点光源固定于岩棉块正上方212 cm处。C1处理的线光源放置于垄的两侧，最开始距离岩棉块的距离为50 cm，其高度随番茄生长及采收状况进行调整；C2处理的线光源固定于垄的中间，距离岩棉块正上方125 cm处(图 1)。补光时间根据当天的天气状况进行调节。11月3日开始补光。白天最高温度高于27 ℃时放风降温除湿，夜间最低温度低于12 ℃时采取临时加温措施增温。双秆整枝，不封顶，每穗留10～12个果，各农事操作统一进行。

C1处理：点光源冠层补光+线光源丛间补光；C2处理：线光源丛间补光；C3处理：点光源冠层补光；CK：未补光的单间对照。图1 冬季设施岩棉培番茄各处理补光方式示意Fig.1 Schematic diagram of the light supplement method for stone wool cultivated tomato under each treatment in winter

1.4 测定项目和方法

1.4.1 生长指标的测定 从每个处理中随机选取灯下长势一致的4株番茄，分别于开花后30 d、37 d、44 d、51 d和58 d，用布条尺测量株高、第3穗花上两节的节间距，用电子游标卡尺测量第3穗花上两节的节间茎粗，用计数法目测花穗数。

1.4.2 叶片中色素含量的测定 分别在果实的绿熟期、转色期和成熟期，摘取各处理选取的4株番茄相同部位的果实，用植物破壁研磨机进行研磨，放入超低温冰箱中保存待用。取对应的番茄叶片，放入液氮罐中后用超低温冰箱保存待测，共取样3次。叶绿素含量的测定采用乙醇-丙酮混合提取法[8]。

1.4.3 光合荧光参数、光响应曲线的确定 在果实成熟期，用光合仪 LI-6400XT(USA)测量各光合指标。测量光响应曲线时，光照度梯度设置为2 000 μmol/(m2·s)、1 800 μmol/(m2·s)、1 600 μmol/(m2·s)、1 400 μmol/(m2·s)、1 200 μmol/(m2·s)、1 000 μmol/(m2·s)、800 μmol/(m2·s)、600 μmol/(m2·s)、400 μmol/(m2·s)、200 μmol/(m2·s)、150 μmol/(m2·s)、100 μmol/(m2·s)、75 μmol/(m2·s)、50 μmol/(m2·s)、25 μmol/(m2·s)、0 μmol/(m2·s)，CO2浓度设置为(390±10) μmol/mol，重复测定3次。

1.5 数据统计和分析

采用Excel 2010处理数据和绘图，采用SPSS 20.0进行统计分析，并用Duncan’s法分析差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄产量的影响

2.1.1 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄各采摘节点产量的影响 2018年11月3日开始随天气状况间断补光，补光后3 d C1和C3处理果实最先开始转色，补光后26 d各补光处理开始采收，而CK延迟6 d后才达到采收程度，说明冠层应用点光源进行补光能够促进番茄果实提前转色，且补充光照使得番茄提前成熟，提早上市，增加了经济效益。除第4次采摘外，CK在各次采收中的产量都较低。补光处理能够增加番茄产量，且C1处理的产量最高，补光效果最佳(表1)。

表1 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄各采摘节点产量的影响

2.1.2 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄产量及构成因素的影响 如表2所示，不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄产量及其构成因素的影响存在差异。对照的总产量最低，为36 587.52 g。C1处理的72株总产量最高，为51 076.08 g，与对照相比提高39.60%。C1处理的实际单株产量最高，其次是C3处理，两者显著高于CK，而各补光处理之间没有显著差异，这与单穗果质量的差异显著性相同。不同处理下番茄单果质量的顺序为C1处理>C3处理>C2处理>CK，这与72株总产量、实际单株产量和单穗果质量的顺序相同。C1处理的单果质量显著大于C2处理和对照。上述结果说明，C1处理相比于C2处理和C3处理在各产量构成因素中表现最好，试验产量最高。

表2 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄产量及构成因素的影响

2.1.3 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄花穗数的影响 如表3所示，在开花后30 d、37 d和51 d，不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄花穗数没有显著影响。开花后30 d，C2处理的花穗数低于对照。开花后37 d，C3处理的花穗数高于对照和其他处理。C1和C3处理的花穗数平均每周增长1穗以上，C2处理每周增长1穗，而CK每周增长1穗左右。C1和C3处理的花穗数增量大于C2处理，明显大于CK，说明补光处理能促进花芽分化，同时，冠层应用点光源的效果更显著。开花后44 d和58 d，C1和C3处理花穗数高于对照和C2处理。最终到花后58 d，C1处理的花穗数最多，其次为C3处理，说明冠层点光源+丛间线光源的补光效果最好。花穗数是重要的番茄产量构成因素之一，它直接影响了产量的高低。

表3 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄花穗数的影响

2.2 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄生长的影响

2.2.1 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄节间距和茎粗的影响 如表4所示，不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄节间距存在一定影响。花后37 d和58 d，CK的节间距显著高于C2处理，与C1和C3处理无显著差异。花后44 d CK的节间距显著高于C2和C3处理，与C1处理没有显著差异。花后51 d不同补光处理和CK的节间距没有显著差异，对照一直保持最高的节间距。由此可见，C1和C3处理比C2处理更能促进冬季设施岩棉培番茄的生长发育，两者的各产量构成因素表现最好，产量也高于C2处理和CK。比较各补光处理与CK，发现补光处理能抑制冬季设施岩棉培番茄徒长。

表4 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄第3穗花上两节节间距和茎粗的影响

不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄茎粗的影响也存在显著差异。花后37 d、44 d各补光处理番茄茎粗都显著大于CK。花后51 d、58 d，C1处理的番茄茎粗最大且显著大于CK，与C2、C3处理没有显著差异。综合比较得出，各补光处理植株表现更粗壮且C1处理最健壮，与CK形成鲜明对比，说明补光促进了冬季设施岩棉培番茄生长发育，降低了冬季恶劣环境条件的影响。

2.2.2 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄株高的影响 如表5所示，不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄花后30 d到51 d的株高没有显著影响。而在花后58 d，不同补光方法处理的番茄株高存在显著差异，C1处理的株高显著高于C3处理，两者与对照、C2处理没有显著差异。C1处理的番茄生长得最快，最终各处理株高的顺序为C1处理>CK处理>C2处理>C3。

表5 不同补光方法对冬季岩棉培番茄株高的影响

2.3 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄光合作用的影响

2.3.1 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄叶片光合色素含量的影响 由图 2可知，不同补光方法下冬季设施岩棉培番茄果实各发育时期植株叶片中色素含量存在差异。在果实绿熟期，对照的Chl.a含量、Chl.b含量、Chl.a/Chl.b比值、类胡萝卜素含量和叶绿素总含量都是最高的，且对照的Chl.a含量和Chl.a/Chl.b比值均显著高于C2处理，与C1和C3处理没有显著差异，其他各色素含量在转色期和完熟期均没有显著差异。在果实完熟期，对照的各光合色素含量与各补光处理之间没有显著差异，但对照的各色素含量都是最低的。比较各补光处理，发现C2处理的叶绿素总含量高于C1和C3处理，这可能是由于C2处理光照度较低以及与其他处理在同一间棚室内温度有所增加的情况下，应对低温寡照的适应性反应。C3处理的叶绿素含量相对高于C1 处理，可能由于南面温度稍高。果实从转色期到完熟期对养分和能量需求增加，可溶性离子浓度(EC)也达到5.0以上，同时，补光促进果实完熟期叶片中色素的积累，促进光合作用对光能和CO2的吸收，形成更多碳水化合物输送到果实中。

各处理见图1注。同一时期不同处理间标有不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图2 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄光合色素各相关指标的影响Fig.2 Effect of different light supplement methods on chlorophyll related indicators of stone wool cultivated tomato in winter

2.3.2 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄光合特征的影响 如表6所示，不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄植株气孔导度和蒸腾速率没有显著影响，但C2处理在各处理和对照中是最低的。不同补光方法对番茄光合速率和胞间二氧化碳浓度有显著影响，C2处理的光合速率显著低于对照、C1和C3处理，大小顺序为C3处理>C1处理>对照>C2处理。而C2处理和对照的胞间二氧化碳浓度显著高于C1和C3处理。尽管C2处理的叶绿素总含量高于对照和其他各补光处理，但C2处理的光合速率、气孔导度和蒸腾速率均低于对照，这可能是由于棚室内补光灯、设施设备(如：棚室骨架结构、臭氧发生器)等遮挡及较弱的自然光造成的。这也进一步说明在没有充足光照的情况下，植物光合作用的强弱不仅与补光强度相关，还跟设施内温度、自然光强度等有关。C3处理的光合速率、蒸腾速率高于对照、C1和C2处理，可能由于C3处理处于温度稍高的南面，再加上冠层应用大功率植物光源，其气孔导度、蒸腾速率和光合速率也相应上升。

表6 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄光合特征的影响

2.3.3 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄光响应曲线的影响 如图3所示，不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄光响应的影响存在明显差异。在光照度为0～400 μmol/(m2·s)的范围内，各补光处理下番茄植株的净光合速率都高于对照。同时在此范围内，对照及各处理的番茄植株光合速率增速都较快，在光照度达到500 μmol/(m2·s)之后，增速趋于平缓，但C1处理的光合速率较对照和其他处理高出4～6 μmol/(m2·s)。且在光照度为400 μmol/(m2·s)之后，C2处理的光合速率低于对照，这与C2处理的光合特征相对应(表6)。

各处理见图1注。图3 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄光响应曲线的影响Fig.3 Effects of different light supplement methods on light response curve of stone wool cultivated tomato in winter

如表7所示，由光响应曲线得到的参数值在不同补光方法下差异明显。C3处理的光补偿点最低，为4.075 μmol/(m2·s)，与C1处理的差异较小，两者明显小于C2处理和对照。说明C1和C3处理对冬季弱光的环境适应性强于CK和C2处理，两者光合速率也高于CK和C2处理。同时C1和C3处理在形态建成(表4、表5)和产量构成(表2)方面表现较好。正常的光照环境中，春秋茬番茄的光饱和点为1 200～1 300 μmol/(m2·s)，但本试验番茄为反季节番茄，低温寡照、湿度较高等恶劣的环境导致番茄的光饱和点普遍降低一半以上。对照的光补偿点和光饱和点都高于各补光处理，而C2处理的光饱和点与对照不相同，说明C2处理丛间应用线形LED植物光源有一定的补光效果，起到抵御冬季不良环境因素的作用，这也是C2处理的总产量稍高于CK的原因之一。

表7 不同补光方法对冬季设施岩棉培番茄光响应曲线参数的影响

C1处理的最大净光合速率明显大于对照、C2和C3处理，对照的最大净光合速率最小，但与C2和C3处理的最大净光合速率差异不大。在弱光阶段光响应曲线的斜率即为表观量子效率。对照的表观量子效率较小，各处理的大小顺序为C2处理>C1处理>C3处理>对照。各处理之间光呼吸速率相差较大，C2处理最大，为0.855 μmol/(m2·s)，高于对照，是C3处理的3.35倍。

3 讨论与结论

补光能显著提高番茄的产量，这是由于植株生长处于源限制时，补光显著影响番茄的形态特征，对作物生物量的积累有促进作用。叶片光合作用的强弱影响着果实碳同化物转运，弱光环境下补光可以提高光合同化率、果实生长速率和作物产量[9]。战吉宬等[10]认为弱光下植株会出现徒长、茎秆瘦长、叶片变大变薄和颜色变淡等避阴症状。强光下植株会出现叶片变厚、叶色变黄等不良症状[11]。本研究中对照的节间距均高于补光处理，且对照的茎粗最小。在花后58 d，对照的株高除小于C1处理外，均大于另外2个补光处理。根据朗伯比尔定律，随着冠层深度的增加，叶面积指数为1时丛间光照强度只有冠层顶部的40%，且随着叶面积指数增加，中下部光照强度呈指数关系下降。株间补光能够提高番茄中下部的光照强度，增加叶片净光合速率，利于番茄植株生长，提高产量。在只有双层拱棚保温的情况下，通过补光可以提前6 d采收，且C1处理的产量最高，补光效果最佳。研究中发现，补光处理可显著提高番茄的单株产量和单果质量，对照的花穗数整体上少于C1和C3处理，但个别指标却比C2处理更好。层间LED补光与环境光照强度相比较弱，对番茄植株光合作用没有太大影响，这与闫文凯等[12]研究结果一致。Marcelis[13]研究结果表明光照强度每增加1%，其产量也增加1%。Gajcwolska等[14]研究认为点状高压钠灯相比于LED灯更有利于增加番茄的产量。

大多数叶绿素a和全部的叶绿素b都参与光能的吸收和传递，另有一部分叶绿素a起光反应中心作用，推动光化学反应的进行，分别称为天线色素和反应中心色素，类胡萝卜素也有天线色素的作用，同时它还起到光保护的作用。本试验中，在果实发育的转色期和完熟期，补光处理对叶绿素各指标无显著影响，但补光处理下叶绿素含量增加而对照是下降的。叶绿素和类胡萝卜素分配比例的改变，使得植株更加高效地利用光能，从而提高植株抵抗逆境和病虫害的能力。

光合作用是植物形成产量的基础[15-17]，叶片净光合速率下降是植物对环境胁迫的共同特征。光合作用受光照和温度等环境条件的影响，又容易受到气孔限制和非气孔限制。本试验发现，C2处理的光合速率显著低于对照、C1处理和C3处理，其气孔导度较低而胞间二氧化碳浓度显著高于其他处理，说明C2的净光合速率主要受非气孔限制的影响。赵玉萍等[18]研究发现，在相同温度下，增加光照强度，番茄的净光合速率上升，对照的气孔导度增大，胞间二氧化碳浓度提高，这与本试验结果一致。植物光补偿点与对弱光的利用效率成反比，本试验中，对照和C2处理的光补偿点相同，明显高于C1和C3处理，C3处理和对照的光饱和点与光补偿点的数值大小呈正相关，而C2处理的光饱和点并不是最高，且C1处理要高于C2处理，这与李佳帅等[19]研究结果不一致，可能与补光方法和针对不同植物产生的效果差异有关。与对照和其他各处理相比，C2处理的表观量子效率和光呼吸速率最高，因此，C2处理下的番茄更多地消耗叶片中光合作用所产生的碳水化合物，以弥补弱光的影响。光饱和点能够反映植物对光能利用区间的大小。本研究中，C1处理的光饱和点高于C2和C3处理，且C1处理的最大净光合速率明显高于对照和其他处理，其表观量子效率明显高于对照和C3处理，光呼吸速率则只高于C3处理。点光源冠层补光+线光源丛间补光(C1)处理的番茄具有更大的光能利用区间和光合潜力。