不同LED 光强补光对日光温室越冬番茄生长及产量品质的影响

黄松，刘勇鹏，孙凯乐，张婵，孙治强，朴凤植，张涛

(1. 信阳农林学院，河南信阳 464399；2. 漯河市农业科学院，河南漯河 462000；3. 河南农业大学园艺学院，河南郑州 450002)

番茄原产自南美洲，是世界上重要的主栽蔬菜作物，经济营养价值高，在中国南北方广泛栽培，且已基本实现周年生产[1]。 日光温室具有良好的蓄热保温和节能高效特性，能够延长蔬菜作物生育期，是冬季低温蔬菜生产的主要栽培形式[2]。 当前，在日光温室番茄生产中越冬栽培是一个重要的生长周期，然而由于冬春季节太阳高度角的变化，日光温室保温墙、骨架的遮挡以及棉被的使用，再加上薄膜老化透光率降低等因素往往导致棚室内温度较低，光照强度及光照周期受到很大影响，尤其是近年来大气污染加剧，连续的阴雪、雾霾等恶劣天气增多，导致棚室内光照严重不足，番茄的正常生长发育受到严重抑制[3]。 因此，在日光温室番茄冬春生产中，解决光环境造成的胁迫变得日益紧迫。

近年来，随着光源技术和光生物学的进步与发展，利用人工光源在日光温室内补充光照，不仅可以提高作物的净光合速率和产量，而且会促进及协调植物器官生长，提高植株抗病性，也影响蔬菜作物品质[4]。 LED 是一种光电转换效率高、体积小、耗能低、光质纯净、可控性高的冷光源，是当前日光温室蔬菜越冬生产中备受关注的一种新型补光光源[5]。 研究发现，温室中用于补光照明的LED 光质、时长、光照强度对植物的生长发育有很大影响。 其中在补光光质上，陈鹏涛等[6]研究发现，弱光环境下对番茄补充LED 红蓝组合光更有利于光化学效率的提升，植株向上生长加快、鲜重增加且健壮，同时对植物徒长也有很好的调控作用；马肖静等[7]发现，红蓝光(5 ∶1)共同照射下的番茄幼苗植株生物量、壮苗指数、光合速率及保护酶均显著增加，对幼苗生长最为有利。 在补光时长上，王舒亚等[8]研究发现，在日光温室条件下，补光3 h 即可显著提高番茄产量和品质；另有研究发现，冬季温室番茄补光6 h 能够显著增加可溶性糖、有机酸和可溶性固形物的质量分数，果实品质最佳[9]。 而在光照强度上，研究发现过低的光强会减缓植物生长并降低果实产量，光强过强同样也会抑制生长发育，出现光抑制现象[10]。综上，日光温室越冬番茄生产可通过补充红蓝光来实现优质高产。 为此，本试验在前人研究基础上，设置夜间红蓝(5∶1)组合光的不同光强度处理实施补光，研究其对番茄生长、光合色素含量、光合特性、产量及品质的影响，旨在探索弱光环境下日光温室越冬番茄栽培稳产保质的高效人工补光方法，为日光温室番茄越冬生产、光环境调控提供理论参考和生产技术指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料与设备

供试番茄品种为酸甜果101，由河南豫艺种业科技发展有限公司提供。

试验所用的LED 补光灯由河南智圣普电子技术有限公司提供，红光R(峰值波长660 nm)∶蓝光B(峰值波长440 nm)＝5∶1，功率75 W。

1.2 试验设计

试验在河南市驻马店市汝南县番顺农业发展有限公司现代农业设施温室中进行。 日光温室东西长100 m，南北宽10 m。 2021 年8 月10 日将番茄种子播种于72 孔穴盘中，9 月10 日幼苗移栽。试验小区总面积:10 m×72 m ＝720 m2。 小区面积:10 m×6 m＝60 m2。 高垄栽培，每小区4 垄，垄宽1.5 m，每垄双行定植。 株距40 cm，行距30 cm。 每小区栽种192 株。

试验设3 个不同光照处理，以不补光为对照(CK)，共计4 个处理(表1)。 随机区组排列，重复3 次。 11 月4 日开始对棚室内番茄进行补光，补光时间为早晚开棚前3 h 和闭棚后3 h，合计补光时长为6 h。 补光灯悬吊于温室内，3 个不同光照处理小区分别安装16、12、8 盏灯，通过上下调节光源与植株顶端的垂直距离，使各处理到达幼苗冠层的光量子通量密度相等，分别为300、200、100 μmol/(m2·s)， 并根据植株生长高度适时调整光源位置。 不同处理小区间用遮光布进行隔离。 补光时间由定时器控制。

表1 不同处理光照强度、灯盏数与处理方式

1.3 测定指标及方法

从补光之日起，分别在补光10、20、30、40 d时，每处理随机选择番茄20 株，测定株高、茎粗等生长形态指标，在补光30、60 d 时测定叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和叶绿素(a＋b)含量，同时测定其净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率各光合生理指标。 采收期各处理进行番茄果实产量统计，并取样测定VC、可溶性糖、有机酸、番茄红素含量等品质指标。

1.3.1 生长指标 株高:用卷尺测量番茄地上部高度；茎粗:用游标卡尺测量；叶片数:直接观察法数取。

1.3.2 叶片叶绿素含量 采用无水乙醇＋丙酮溶液(体积比1∶1)提取测定[11]。

1.3.3 光合生理指标 采用北京力高泰科技有限公司生产的光合测定仪LI－6400XT 测定净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率。

1.3.4 果实产量 从收获日始累计记录各处理小区的果实数量、产量、单果重，最后计算总产量，并折算出相应的公顷产量。

1.3.5 果实品质 收获第3、第4 穗果时，各处理抽取多个成熟度相同并具有代表性的果实分析番茄果实品质。 VC 含量用2，6－二氯酚靛酚滴定法测定，番茄红素含量用甲苯浸提法测定，可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝法测定，可溶性糖含量用蒽酮比色法测定[12]。

1.4 数据处理与分析

采用WPS 统计各项指标及作图，用SPSS 24.0软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同LED 光强补光处理对番茄株高、茎粗的影响

由图1 可知，补光10 d 和20 d 时，不同处理番茄株高没有显著性差异；30 d 时T3、T1 处理株高比CK 分别显著增加11.28%和6.22%，T2 与CK 差异不显著；40 d 时，3 个处理株高与CK 均差异显著，以T3 最高，比CK 增加10.09%，T1 和T2 处理比CK 分别增加5.10%和7.97%，T2 与T3差异不显著。

补光10 d 时，各处理番茄茎粗没有显著性差异；20、30 d 时，T1 处理茎最粗，与其它处理均差异显著，而T2、T3 与对照无显著差异；40 d 时，T1与T2 差异不显著，比CK 分别显著增加13.60%和11.37%，T3 与CK 差异不显著，仅增5.74%。

综上可知，随着补光时间的延长，不同LED光强补光处理对番茄株高、茎粗均有一定的促进作用。 随着光照强度增大，茎逐渐增粗，株高却逐渐降低，整体以T1 处理最有利于番茄生长发育。

2.2 不同LED 光强补光处理对番茄光合色素含量的影响

由表2 可知，补光30 d 时，T1 与T2 处理番茄叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、叶绿素(a＋b)含量与CK 相比均差异显著。 其中，叶绿素a、叶绿素(a＋b) 含量以T1 最高，比CK 分别高出31.71%和44.62%；叶绿素b 含量以T2 最高，其次是T1，两者之间无显著性差异，比CK 分别高出1.59 倍和1.41 倍；类胡萝卜素含量仍以T1 最高，但3 个处理间无显著差异，比CK 分别高26.83%、14.63%和14.63%。

表2 不同LED 光强补光处理的番茄光合色素含量(mg/g)

补光60 d 时，除叶绿素b 外，各处理叶绿素a、类胡萝卜素、叶绿素(a＋b) 含量与CK 相比均显著增加。 其中叶绿素a、类胡萝卜素、叶绿素(a＋b) 含量均以T1 最高，且T1 显著高于T2、T3，T2 与T3 无显著差异，三者叶绿素a 含量比CK 分别增加18.84%、5.31%和3.38%，类胡萝卜素含量比CK 分别增加36.36%、25.00%和22.72%，叶绿素(a＋b)含量比CK 分别增加8.93%、2.23%和0.75%；而叶绿素b 含量以CK 最高，T1 最低，T1、T2 显著低于CK，其它处理间无显著性差异。

综上可知，不同LED 光强补光处理对番茄光合色素含量均有一定的影响，且随着光强的增加，叶绿素a、类胡萝卜素、叶绿素(a＋b)含量也逐渐升高，而叶绿素b 含量却出现降低趋势，整体上仍以T1 处理最有利于番茄光合色素的积累。

2.3 不同LED 光强补光处理对番茄光合特性的影响

由表3 可知，补光30 d 时，不同处理番茄的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率与CK 相比均有一定的增强。 其中，T1、T2 处理番茄净光合速率比CK 分别显著提高93.69%和57.44%，T3 与CK无显著差异，仅高21.84%。 各处理番茄气孔导度与CK 相比均差异显著，但各处理间无显著差异，以T1 最高，比CK 高81.25%，其次是T2，比CK高62.50%。 各处理番茄蒸腾速率均显著高于CK，且T1 显著高于T2、T3，T2 与T3 无显著差异。胞间CO2浓度，T1、T2 处理显著低于CK，T3 与CK差异不显著，以T1 胞间CO2浓度最低。

表3 不同LED 光强补光处理的番茄光合特性

补光60 d 时，各处理番茄在净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率上与CK 相比均存在显著差异。 其中，T1 处理番茄净光合速率最高，其次是T2、T3，比CK 分别高52.71%、30.10%和12.78%，且3 个处理之间均差异显著。 各处理气孔导度与CK 相比均差异显著，仍以T1 最高，其次是T2、T3。 胞间CO2浓度以T1 处理最低，显著低于CK、T3，与T2 差异不显著。 T1 处理番茄蒸腾速率最高，比CK 高76.10%，其次是T2、T3，比CK 分别高44.06%和41.85%。

综合分析可知，不同LED 光强补光处理对番茄的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均有一定的增强作用，也能有效降低胞间CO2浓度，且随着光强增加和补光时间延长，其作用也越来越明显，整体上T1 处理对光合特性的增强效果最为明显。

2.4 不同LED 光强补光处理对番茄产量的影响

由表4 可知，不同处理番茄产量与CK 相比均差异显著，各处理产量表现为:T1＞T2＞T3＞CK。其中，T1 产量为67 526.40 kg/hm2，较CK 增产19.86%；T2 较CK 增产10.41%。 不同处理对番茄单果重也有一定影响:T1 处理单果重最大，达到88.39 g，显著高于T2、T3 和CK，较CK 增加15.68%；其次是T2，比CK 增加7.55%；T3 与CK差异不显著，仅增加3.70%。

表4 不同LED 光强补光处理的番茄产量

2.5 不同LED 光强补光处理对番茄品质的影响

由表5 可知，各处理间的番茄VC 含量与CK相比均差异显著，以T1 处理VC 含量最高，其次是T2，比CK 分别提高80.17%和60.70%。 T1 处理果实番茄红素含量最高，达156.90 mg/kg，比CK 提高84.31%，显著高于其它处理；其次为T2，显著高于T3 与CK，比CK 提高45.74%；T3 与CK无显著差异。 T2 处理番茄可溶性蛋白含量最高，与T1 差异不显著，但显著高于其它处理，T2、T1比CK 分别提高22.81%和21.05%；T3 可溶性蛋白含量虽高于CK(0.87%)，但差异不显著。 各处理间有机酸含量与CK 相比均存在显著性差异，其含量依次为CK＞T3＞T2＞T1，其中T1 处理最低，较CK 降低28.24%。 各处理番茄可溶性糖含量均显著高于CK，以T1 最高，比CK 提高22.04%，T1 与T2 无显著差异，与T3 差异显著。 糖酸比表现为T1＞T2＞T3＞CK，其中T1 处理达到8.21，较CK 增加65.52%。

表5 不同LED 光强补光处理的番茄营养品质

整体分析可知，不同LED 光强补光处理对番茄营养品质均有很好的改善作用，尤其在VC、番茄红素、有机酸含量上，随着光强增加，改善效果也越来越明显。 番茄整体品质以T1 处理效果更佳。

3 讨论与结论

光是植物进行光合作用的源动力，是植物生长发育的重要环境因素之一。 番茄生产过程中，所在光环境是影响其光合作用、果实产量和品质的关键因子[13，14]。 在日光温室冬季番茄生产中，常用LED 光源进行人工补光来缓解栽培中出现的低温、光照不足问题，调控温室光环境，促进植物生理代谢，以期实现番茄优质高产、抗病的目的[15]。

本试验选用红蓝光比例为5∶1 的组合光质，设置100、200、300 μmol/(m2·s)共3 种光照强度，于冬季日光温室开棚前3 h 和闭棚后3 h 进行补光，结果表明:不同LED 光强补光处理对番茄株高、茎粗、光合色素含量、光合特性及产量品质均有一定的促进作用，整体以300 μmol/(m2·s)光强处理最有利于番茄生长发育和品质改善。 其中，随着补光时间增加和光照强度增大，茎逐渐增粗，株高却逐渐降低，这与王婷婷等[16]的研究结果(低光强可显著促进植物生长)、陈鹏涛等[6]的研究结果(弱光环境下番茄补充红蓝组合光，调控徒长效果较明显)一致。

研究发现，光照强弱直接影响着植物光形态的建成和叶绿素含量[17]。 Kang 等[18]研究表明，高光照强度对番茄的叶绿素含量有显著影响；刘文海等[19]研究表明，叶绿素含量的提高可以增加用于吸收光能的集光色素蛋白的相对含量，从而提高光能利用率。 本研究发现，不同LED 光强补光处理对番茄光合色素含量均有一定的影响，且随着光强增加，叶绿素a、类胡萝卜素、叶绿素(a＋b)含量也逐渐升高，而叶绿素b 含量却随着光强增加出现降低趋势，且随着补光时间延长降低越来越明显。 这与任旭妍等[20]的研究结果(一定范围内随着光强降低，叶绿素b 含量的增加有助于增强紫叶生菜对弱光环境的适应能力)、苏立芳[21]的研究结果(补光处理显著提高黄瓜叶片的叶绿素含量)一致。

光合作用是影响植物生长发育的关键因素，植物生命活动的有机物质都来源于光合作用，而光强影响植物的光合机构，进而影响光合作用[22]。 研究发现，在自然光照强度下，光合作用随光照强度的增加而增加[23]。 也有研究显示，叶片表面的气孔是光合反应中气体交换的通道，直接影响植物的光合效率[24]。 本研究发现，不同LED 光强补光处理对番茄的净光合速率、气孔导度及蒸腾速率均有一定的增强作用，也能有效降低胞间CO2浓度，且随着光强增加和补光时间延长，其作用也越来越明显，进而说明温室补光过程中适当增加光照强度有利于番茄的光合作用。 这与Fan 等[14]的研究结果(气孔导度和气孔频度都随光强的增加而增加)、倪秀珍[25]的研究结果(增加光照强度会提高萝卜的光饱和点，有利于萝卜的光合作用)、Yoneda 等[26]的研究结果(提高甜叶菊的环境光强，能提高光合作用，从而提高甜叶菊叶片的生物量)一致。

果实产量和品质是其生产中最为关键的指标，对蔬菜产业的发展起着决定性作用。 研究发现，光照条件对番茄产量和果实品质(糖类、有机酸、蛋白及番茄红素)也有显著影响[27]。 闫文凯[3]研究发现，采用红蓝LED 光源对温室番茄进行补光，能提高植株光合能力，增产达到25%以上；赵玉萍等[28]研究发现，增加环境光强能显著提高番茄果实的可溶性糖、抗坏血酸、氨基酸含量及糖酸比；阳圣莹等[29]研究表明，补光光强在一定范围内，随光照强度的增加“红颊”草莓果实可溶性固形物及维生素C 含量持续增加。 本研究表明，不同LED 光强补光处理对番茄果实VC、番茄红素、有机酸含量均有很好的改善作用，且随着光强增加糖酸比逐渐提高，改善效果也越明显；整体以高光强T1 处理番茄品质最好，且比CK 增产19.86%。 这与Tamaoki 等[30]的研究结果(适当增加光照强度，有利于维生素C 的合成)、Mikulic－Petkovsek 等[31]的研究结果(高光强下，由于光合活性的提高及初级代谢产物的积累，果实糖酸比显著提高)、毛金柱等[32]的研究结果(一定范围内，维生素C 含量随光照强度提高而增加)相一致。

综上，不同LED 光照强度夜间补光对越冬日光温室番茄的生长发育、产量、品质均有很好的促进作用，且适当增加光照强度的效果更明显，整体以300 μmol/(m2·s)光强处理最有利于番茄的越冬生产。