日累积光照量与播种密度对番茄育苗质量的影响及能耗分析

宋金修 于鹏澎 沈成 蔡玮 李闫祥 黄鑫

摘要：为培育优质番茄壮苗、降低工厂化育苗能耗，以中杂9号番茄（Solanum lycopersicum Mill.）为材料，在可控环境条件下分别研究光照强度与光照时间、日累积光照量DLI与播种密度对番茄育苗质量的影响，并对育苗系统能耗进行分析。结果表明，随着DLI的增加，番茄幼苗的生物积累量、根冠比和壮苗指数均显著提高，但DLI为15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗生物积累量与能耗量和DLI为12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗没有显著性差异；在相同DLI处理下，随着播种密度的增大，番茄幼苗的茎粗、叶片数、叶面积、净光合速率和壮苗指数均逐渐降低，但D15.12-50K番茄幼苗的地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重、地下部干重以及总干重与D12.96-50K、D15.12-72K无显著性差异。因此，提高DLI可以在一定程度上减弱因播种密度过大引起的育苗质量不佳现象，同时提高番茄育苗的空间利用效率和光能利用效率。采用DLI为15.12mol/（m2·d）（即光照强度为300μmol/（m2·s）、光照时间为14h/d）、72孔穴盘较有助于培育番茄优质壮苗，同时降低育苗能耗量。

关键词：植物工厂；日累积光照量；光能利用效率；壮苗指数；工厂化育苗

中图分类号：S238

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2023） 12014308

Effects of daily light integral and sowing density on seedling quality of tomato and its energy consumption analysis

Song Jinxiu1， 2， Yu Pengpeng1， 2， Shen Cheng3， Cai Wei2， Li Yanxiang2， Huang Xin2

（1. Key Laboratory of Ministry of Education of Modern Agricultural Equipment and Technology， Jiangsu University，

Zhenjiang， 212013， China； 2. College of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China;

3. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

In order to cultivate high-quality tomato seedlings and reduce the energy consumption of industrial seedling， tomato （Solanum lycopersicum Mill.） （cv. “Zhongza NO.9”） was used as the experimental material to study the effects of light intensity and light duration， the effects of DLI and sowing density on the seedling quality of tomato in a controlled environment， and energy consumption was also analyzed in this paper. The results indicated that the biomass accumulation， root-shoot ratio and healthy index of tomato seedlings were significantly increased with the increase of DLI， but there was no significant difference in biomass accumulation and energy consumption between tomato seedlings with DLI of 15.12 mol/（m2·d） and 12.96 mol/（m2·d）. The stem diameter， leaf number， leaf area， net photosynthetic rate and healthy index of tomato seedlings with the same DLI treatment decreased gradually because of the increase of sowing density. However， there was no significant difference in shoot fresh weight， shoot dry weight， root fresh weight， root dry weight and total dry weight of tomato seedlings between D15.12-50K， D12.96-50K and D15.12-72K. Therefore， increasing DLI can reduce the poor seedling quality caused by excessive sowing density to a certain extent， and improve the spatial utilization efficiency and light utilization efficiency of tomato seedling. In summary， it can be believed that the DLI with 15.12mol/（m2·d） （the light intensity is 300μmol/（m2·s）， and the light duration is 14 h/d） and the sowing density with 72 cell per plug tray is more conducive to cultivating high-quality tomato seedlings， and the energy consumption of seedlings can also be reduced at the same time.

Keywords：

plant factory; daily light integral; light use efficiency; healthy index; industrial seedling

0 引言

2022年，我国番茄栽培面积达到1330khm2，产量突破65000kt，分别占到世界的22.0%和34.7%［1］。番茄栽培面积的持续扩大促进了种苗市场的繁荣发展。目前，我国番茄种苗需求量巨大，约为600亿株/年。设施番茄育苗具有生产周期短、育苗质量好、自动化程度高、受自然环境胁迫小和土地利用率高等突出优势，已经成为我国番茄种苗生产的主要形式。

光是植物生长发育的原初动力，光环境的优劣会直接影响育苗质量和后期产量［2］。由于冬春季的低温寡日照、夏秋季的高温强日照会造成番茄种苗的生长延缓和品质劣化［3］，改善番茄育苗光环境对提高育苗质量、缩短育苗周期、降低育苗能耗具有重要意义。人工光型植物工厂可以有效改善番茄育苗的环境条件，实现种苗的标准化、工厂化、智能化生产。但因其能耗高、投资大、运行成本高等原因，产业化推广受到限制。降低人工光型植物工厂的能耗，提高育苗系统的光能利用效率是当前研究的热点。相较于传统的土方育苗，穴盘育苗具有省时省力、清洁高效、适宜远距离运输和机械化生产等优点，已经成为番茄育苗不可或缺的设备［4］。穴盘的规格决定了番茄种苗的播种密度，穴盘孔数越少，穴孔体积越大，根系的生长空间和可利用养分越多，有利于幼苗生物量的积累，移栽定植时伤苗率也可以大大降低［56］；而随着穴孔体积增大，单株种苗的成本提高，空间利用效率和光能利用效率下降［78］。在人工光型植物工厂中，选择合适的穴盘规格对提高种苗育苗效率、光能利用效率和空间利用效率具有重要影响。

当前，在完全可控环境条件下，番茄育苗光环境调控的研究主要集中在光照强度、光照时间和光质上，对日累积光照量（Daily Light Integral，DLI）影响的研究较少［3］。DLI指植物在1天内接收到的总光能量，即光照强度与光照时间的乘积，可以替代光照强度作为植物生长发育的光变量指标。适宜的DLI可以提高育苗质量，提高幼苗的光能利用效率。目前针对穴盘规格的研究较多，而针对DLI与播种密度交互影响番茄育苗质量的研究较少。本文针对目前番茄种苗需求量高、育苗质量差以及能耗量较高等问题，在可控环境下探究DLI与播种密度对番茄育苗质量的影响，提出适宜的DLI与播种密度参数，以为培育优质番茄壮苗、提高光能利用效率和工厂化穴盘育苗技术推广提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试番茄（Solanum lycopersicum Mill.）品种选择中杂9号（由中国农业科学院蔬菜花卉所提供）。试验于2023年3—5月在江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室的人工光型植物工厂内进行。育苗基质选用草炭、蛭石和珍珠岩的混合基质（3V∶1V∶1V）。种子发芽温度控制为28℃±1℃，相对湿度控制为75%±10%，CO2浓度不控制。育苗期间的明期温度为24℃±1℃、相对湿度为60%±10%、CO2浓度为600μmol/mol±50μmol/mol；暗期温度为20℃±1℃、相对湿度为70%±10%、CO2浓度不控制。

1.2 试验方法

试验分为两组。试验一：番茄育苗采用R∶B为1∶2的LED植物生长灯（W-LED5/1-T5-16W）进行人工光照，共设置2种光照强度：200μmol/（m2·s）、300μmol/（m2·s）和2种光照时间：12h/d、14h/d，进行组合光照环境处理，共计4个试验区：试验区分别命名为200P-12H、200P-14H、300P-12H、300P-14H，即DLI分别为8.64mol/（m2·d）、10.08mol/（m2·d）、12.96mol/（m2·d）、15.12mol/（m2·d）。试验二：番茄幼苗根据试验一结果选择适宜的2种DLI（D1和D2）和3种播种密度（50孔/盘、72孔/盘、105孔/盘）进行DLI与播种密度交互影响试验，共计6个试验区（试验区分别命名为D1-50K、D1-72K、D1-105K、D2-50K、D2-72K、D2-105K）。番茄种子出芽后采用1/3倍的日本山崎（番茄）营养液进行底面灌溉，待子叶展平后使用2/3倍的营养液进行灌溉，当第一片真叶展开后使用标准浓度的营养液灌溉。

1.3 参数测定

1） 生长形态。待番茄幼苗长至四叶一心时，各试验处理随机选取12株长势一致的番茄幼苗测量其生长形态。其中，株高为幼苗茎秆基部至顶部生长点的长度，利用直尺测量（cm）；茎粗为幼苗子叶下方1cm处茎秆的直径，利用游标卡尺测量（mm）；叶片数为幼苗已成型的真叶数量（未完全展开的叶片记为0.5，片）；叶面积使用智能叶面积测量系统（YMJ-CH）扫描样本所有真叶，并记录每株幼苗的总叶面积（cm2）。

2） 生物积累量。各试验处理随机选取8株长势一致的番茄幼苗进行生物量测量。地上部鲜重与地下部鲜重：用万分之一电子天平（ME204E）分别测量幼苗的地上部和地下部所有植物体的重量（g）。地上部干重与地下部干重：将上述样本用报纸完全包裹后放入烘箱，105℃杀青3h后，60℃烘干至恒重，用万分之一电子天平测量烘干后地上部和地下部所有植物体的重量（mg）。总干重即番茄幼苗地上部干重与地下部干重之和（mg）。

3） 根冠比与壮苗指数。按式（1）和式（2）进行计算。

根冠比=地下部干重/地上部干重  （1）

壮苗指数=（茎粗/株高×全株干质量）  （2）

番茄幼苗叶片的叶绿素含量和光合特性，育苗期间的光能利用效率（LUEd）和电能利用效率（EUEd）的测量方法和计算方法参照Song等［2］的方法。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019、SPSS 26、Graphpad Prism 6.01进行试验数据的分析处理及图表绘制，方差分析采用LSD最小显著差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 光照强度与光照时间对番茄育苗质量的影响

2.1.1 光照强度与光照时间对番茄幼苗生物积累量的影响

由图1可知，在可控环境下，光照强度与光照时间对番茄幼苗植株的生物积累量有显著影响。300P-14H番茄幼苗的地上部干重和地下部干重均为最高，分别达到482mg和87mg，显著高于其他试验区。从幼苗接收到的总光能量来看，随着DLI增加，番茄幼苗的地上部干重和地下部干重均呈现显著增加趋势。其中，番茄幼苗的地上部干重与DLI呈线性相关关系；地下部干重与DLI呈二次相关关系。

光照强度与光照时间对番茄的育苗质量也具有显著影响（图2）。其中，300P-12H番茄幼苗的根冠比均值最大，显著高于200P-12H，但与200P-14H和300P-14H无显著性差异。300P-14H番茄幼苗的壮苗指数最大，且显著高于其他试验区。由结果分析可知，随着DLI的增加，番茄幼苗的根冠比与壮苗指数呈显著增加趋势。通过分析番茄幼苗的生长形态差异可知，株高、茎粗、叶数和叶面积也呈现和根冠比、壮苗指数相同的变化趋势（数据未显示）。

2.1.2 光照强度与光照时间对番茄育苗能耗量的影响

由表1可知，200P-12H番茄幼苗的单位鲜重耗电量与单位干重耗电量均为最高，分别是0.06（kW·h）/g和0.73（kW·h）/g，显著高于其他试验区。200P-14H、300P-12H和300P-14H之间无显著性差异。300P-14H与300P-12H番茄幼苗的LUEd和EUEd无显著性差异，但显著高于光照强度为200μmol/（m2·s）的试验区。200P-12H番茄幼苗的LUEd和EUEd最低。光照强度与光照时间的交互作用对番茄幼苗的LUEd和EUEd没有显著影响。在一定范围内，番茄幼苗的LUEd和EUEd随着DLI的增加呈现逐渐增加的趋势；随着DLI继续增加，番茄幼苗的光LUEd和EUEd不再显著增加。

综上可知，光照强度与光照时间显著影响着番茄幼苗的生物积累量、种苗质量和能源利用效率。随着DLI的增加，番茄幼苗的生物积累量、育苗质量和能源利用效率均显著增加，但300P-12H和300P-14H的番茄幼苗无显著性差异。

2.2 DLI与播种密度对番茄育苗质量的影响

2.2.1 对番茄幼苗植株生长形态的影响

由以上分析可知，光照强度为300μmol/（m2·s）的两个试验区番茄幼苗的育苗质量和能耗量没有显著性差异。为此，试验二选择300P-12H和300P-14H试验区的DLI值，即D1为12.96mol/（m2·d）（D12.96），D2为15.12mol/（m2·d）（D15.12）。

在不同的DLI与播种密度处理下，各试验区番茄幼苗的生长形态有显著性差异（图3）。其中，DLI为12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗株高随着播种密度的增加而逐渐降低，但DLI为15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗株高未受到播种密度的明显影响。这说明DLI对番茄幼苗的株高具有显著影响，增加DLI可在一定程度上缓解因播种密度较大带来的徒长现象。DLI对茎粗、叶片数、叶面积的影响不显著。播种密度对番茄幼苗的株高、茎粗、叶片数、叶面积均有显著影响，D15.12-50K和D12.96-50K番茄幼苗的叶片数和叶面积均最高，两者之间无显著性差异。D15.12-50K番茄幼苗的茎粗最高，达到5.49mm。

2.2.2 对番茄幼苗叶片光合能力的影响

DLI与播种密度对番茄幼苗叶片的光合特性具有显著影响（表2），对叶片的叶绿素含量和叶绿素荧光特性没有显著影响（表3和表4）。D12.96-72K番茄叶片的叶绿素a含量、叶绿素b含量和总叶绿素含量均为最低，其他试验区之间没有显著性差异。D15.12-50K、D15.12-72K、D12.96-50K番茄叶片的净光合速率显著高于其他试验区，且三者之间没有显著性差异。D15.12-50K、D15.12-72K、D12.96-50K、D12.96-72K番茄叶片的气孔导度高于其他试验区，且四者之间没有显著性差异。各试验区番茄叶片的蒸腾速率没有显著性差异。

2.2.3 对番茄幼苗生物积累量的影响

D15.12-50K番茄幼苗的地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重、地下部干重以及总干重均为最高，与D12.96-50K、D15.12-72K无显著性差异，但显著高于其他试验区（表5）。在相同DLI处理下，随着播种密度的增大，番茄幼苗的地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重、地下部干重以及总干重均显著降低；在同种穴盘孔数下，DLI为15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗地下部鲜重、地下部干重以及总干重显著高于DLI为12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗。

各试验区番茄幼苗的根冠比无显著性差异（图4），均值在0.15左右。不同播种密度的番茄幼苗的壮苗指数存在显著性差异（图4），而相同DLI处理的番茄幼苗的壮苗指数无显著性差异。随着播种密度的增加，番茄幼苗的壮苗指数逐渐降低。D15.12-50K番茄幼苗的壮苗指数最高，达到16.2，但与D12.96-50K无显著性差异。

2.2.4 对番茄育苗能耗量的影响

D15.12-105K番茄幼苗的单位鲜重耗电量和单位干重耗电量均为最低，分别为0.012（kW·h）/g和0.20（kW·h）/g，除D12.96-105K外，与其他试验区无显著性差异（表6）。D15.12-50K、D15.12-72K、D12.96-50K以及D12.96-72K番茄幼苗LUEd和EUEd均无显著性差异；D15.12-105K和D12.96-105K番茄幼苗LUEd和EUEd较低，但无显著性差异。

3 讨论与结论

光是植物生长发育的能量和信号来源，光环境的优劣直接影响到番茄的育苗质量和结构特征［9］。我国番茄育苗常集中在冬春季节或夏秋季节，由于冬春季节常遇到低温寡日照或梅雨、夏秋季节常遇到高温强光照或台风等影响，番茄幼苗不可避免地出现生长缓慢或者徒长现象，种苗质量较差［3］。有研究表明，随着光照强度降低，植物的株高、根冠比、下胚轴长度和壮苗指数逐渐下降［10］，叶面积增加，叶片变薄，生物量向地下部分配比例增加［11］。延长光照时间可以促进植物幼苗叶片的光合产物积累量，提高植株的根冠比和叶面积［12］。而作为植物接收到的总光能量，DLI在近些年的研究也越来越多，Yang等［13］发现增加DLI可以减少强光影响，提高植物幼苗的生物积累量。

本文发现，随着DLI的增加，番茄幼苗的生物积累量、根冠比和壮苗指数均显著提高，这与多数学者的结论一致，说明增加总光能量可以提高番茄幼苗长势、促进光合产物生成［14］。另外，番茄植株的地下部干重与DLI呈二次相关关系，这与Zhang［15］、Yan［16］等研究结果一致，这是因为番茄植株的生物积累量在DLI超过一定范围后因为受到光抑制而出现下降趋势［17］。但在本实验中，较难通过二次相关曲线拟合得出适宜的DLI参数。结果显示，DLI为15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗生物积累量与能耗量和DLI为12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗没有显著性差异，且显著高于其他试验区。因此，综合考虑番茄幼苗的培育质量和经济效益，DLI为12.96mol/（m2·d）（即光照强度为300μmol/（m2·s）、光照时间为12h）的光照环境更适合番茄育苗的培育，这也与Fan等［18］的研究结果相近。

播种密度决定了番茄幼苗的生长空间和可利用养分，穴孔体积大更有利于根系发育和养分吸收，但也会导致单株番茄幼苗的电能利用效率、光能利用效率以及基质利用率下降［1920］。为培养番茄优质壮苗，并降低育苗系统能耗量，本文分析了可控环境下DLI与播种密度交互作用对番茄育苗质量的影响。研究结果显示，在相同DLI处理下，随着播种密度的增大，番茄幼苗的茎粗、叶片数和叶面积逐渐降低，这与Kim等［21］的研究结果相似；株高呈现先降低后升高的趋势，原因可能是种植密度过大导致番茄幼苗徒长［22］；叶片的净光合速率、生物积累量和壮苗指数逐渐降低。番茄幼苗叶片的叶绿素含量和叶绿素荧光特性无显著性差异，这与王世琛等［23］的研究结果存在一定差异。对比不同DLI处理下的番茄幼苗，结果发现DLI为15.12mol/（m2·d）与12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗在50孔穴盘的育苗质量和DLI为15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗在72孔穴盘的育苗质量之间的差异不显著，两者之间的光能利用效率和电能利用效率也没有明显差异。

综上所述，在可控环境条件下，DLI与播种密度对番茄育苗质量具有显著影响，且提高DLI可以在一定程度上减弱因播种密度过大引起的育苗质量不佳现象。在番茄育苗过程中，协调DLI与播种密度等参数可以有效提高番茄育苗的空间利用效率和光能利用效率。因此，本文综合认为DLI为15.12mol/（m2·d）（即光照强度为300μmol/（m2·s）、光照时间为14h），采用72孔穴盘较有助于培育番茄优质壮苗，同时也有利于降低番茄育苗的能耗量。

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