分光生态农用大棚聚能膜在生态农业中的应用

赵玉静，薛 刚，王青川，陈 冲，于长军，张延军，王翠云

（1.山东省淄博市临淄区农业技术服务中心，山东淄博 255400；2.山东省高密市农业技术推广中心，山东潍坊 261500；3.山东省淄博市临淄区农村改革发展服务中心，山东淄博 255400；4.德州市农业农村局水产果蔬中心，山东德州 253000；5.山东宽力新材料有限公司，山东淄博 255400）

我国温室大棚从1997年进入了快速发展阶段，国家统计局数据显示，2019年中国塑料薄膜产量1 594.6 万t，其中农用薄膜产量85.2 万t；2020年前三季度我国塑料薄膜产量为1060.1 万t，其中农用塑料薄膜产量56.3 万t。农用大棚膜也进行了多次更新换代，从材质上分为聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、EVA 薄膜、茂金属聚乙烯薄膜；从功能上分为耐老化、消雾、流滴功能性薄膜；从工艺上分为内添加型薄膜、外涂覆薄膜。到目前为止外涂覆型PO 膜为第四代农用大棚膜。

目前所有农膜产品及透明材料透过的光谱为280～550 nm，这是由太阳光到达地球表层的最宽光谱带决定的，而植物生长吸收的光谱为220～700 nm，这一波谱段才能满足叶绿素吸收的波长[1-2]。分光生态聚能膜从2009年开始研发，针对植物叶绿素吸收的光谱带进行了进一步改进；通过物理方法，充分利用光能，把照射在棚膜上的自然光变化为紫外光、蓝紫光、红橙光，满足叶绿素吸收波长的范围。

临淄区蔬菜种植历史悠久，是闻名全国的“中国西红柿之乡”，番茄、西葫芦获得了国家地理标志产品称号。截至2022年种植面积达1.12 万hm2，年产量109.7 万t，年产值达到22.7 亿元，蔬菜产业产值占农业总产值的25.1%。然而，长久以来设施蔬菜化学肥料和农药过量施用严重，大水大肥成为生产中的常态，由此引起的环境污染和农产品质量安全问题，严重威胁了设施蔬菜产业的可持续发展[3-6]。为有效改善设施蔬菜生产存在问题，有学者提出可推广应用分光生态农用大棚膜[5-7]。本文分析了新型分光聚能膜作用原理及对设施内环境的影响，并跟踪测试了番茄和西葫芦的生育期指标、产量指标，评价其应用效果，为实现绿色、环保、可持续发展的生态农业提供参考。

1 分光生态农用大棚聚能膜的作用机理及优势

1.1 分光膜分光原理

影响光合作用的外界条件主要是光照强度和二氧化碳浓度。在一定限度内，光照越强，光合作用越强；若光照过强，气孔会关闭，从而影响光合作用的进行。分光膜膜内有机官能团可把光谱调整为紫外光、蓝紫光和红橙光，同时防止太阳光直接照射到叶面，在夏天起到调温作用。

分光生态聚能膜是一种新型温室棚膜，当自然光照射到分光生态聚能膜的膜面时，膜内有机官能团可把光谱调整为紫外光、蓝紫光和红橙光[7]，使其与叶绿素吸收的波长相匹配，促进植物的光合作用。通过现场测定，分光膜内波峰值为667 nm，达到了红橙光的波段（600～700 nm），该波段有力促进种子或孢子的萌发以及茎的生长，并且有利于植物二氧化碳的分解以及叶绿素的形成；对照PO 膜波峰值为478 nm，只达到蓝紫光波段（400～550 nm）；分光膜透光率高达89%～94%，进入棚内的光为漫散射光，避免了对植物的灼伤。MK350 光谱彩色照度计（台湾群耀实业有限公司生产）测得，使用普通棚膜，棚内λp=478 nm，表示太阳光照射到普通PO 膜覆盖的大棚内，光强较大处波长为478 nm，该波长属于蓝紫光区域。λpV=456.32 mW/m2，表示光强较大处波长为478 nm所代表的蓝紫光区域的强度为456.32。使用分光生态膜棚内λp=667 nm，表示太阳光照射到分光生态聚能膜覆盖的大棚内，光强较大处波长为667 nm，该波长属于红橙光区域。棚内λpV=546.10 mW/m2，表示光强较大处波长为667 nm 所代表的红橙光区域的强度为546.10。

1.2 分光生态农用大棚聚能膜的优点

分光生态农用大棚聚能膜能够实现绿色农业种植，提升蔬菜水果的品质与价值。棚内透过充足的紫外光杀灭和抑制病菌的滋生与繁衍，减少农药残留对人体的危害，并且投射到棚内的光为散射光，果实大且着色均匀、甜度高、口感好；实现化肥减量增效，推动生态农业的可持续发展。棚内透过的蓝紫光，红橙光与叶绿素吸收的光谱相匹配，把光能转化为光肥，增产增收，减少化学化肥使用使土壤松散透气；延长采收期，提高经济效益。提前早熟7～15 d，增产5%～25%。

2 分光生态农用大棚聚能膜的应用试验

2.1 对比试验

2.1.1 试验方法

2021年在山东省淄博市临淄区齐都镇（E118°32'，N36°85'）设施蔬菜生产中进行了不同膜对番茄生长性状、产量及品质等对比试验。供试番茄品种为‘莱顿18号’，2021年7月20日定植，2021年11月25日拉秧。

日光温室内温度、湿度、光照强度采用山东思远农业公司研发生产的齐稷通设备采集；植株不同生育期株高、茎粗、叶片数及叶面积的测定参考文献[8-13]；番茄品质的测定参考文献[14]；收获时测定小区产量，折合成每667 m2产量。

2.1.2 不同棚膜覆盖处理下番茄的产量和品质

由1.2 知，对比PO 膜，分光膜（增加红橙光）在光照强度弱时，棚内温度高、湿度小；在光照强度强时，棚内温度低、湿度小；具有升温慢、降温慢的特点；分光膜在结果期对植株生物学性状影响效果明显，可有效增加植株叶片数、促进茎秆粗壮、促进植物生长。

表1 显示，相比于PO 膜，分光膜的番茄产量提高15.4%，可溶性糖、VC 及可溶性固形物含量分别提高9.3%、6.8%和8.0%，可滴定酸含量降低5.21%。因此分光生态膜能显著提高番茄产量和品质。

表1 不同棚膜覆盖处理下番茄的产量和品质Table 1 Yield and quality of tomato under different plastic film mulching treatments

2.2 追踪实验

2.2.1 实验设计

在设施西葫芦生产上进行了追踪试验，试验安排在皇城镇许家村（E18°36'，N36°83'），供试品种为‘京葫36’，2021年10月6日定植，11月中下旬开始收获，并于2022年1月6日进行了产量测定，经生态膜处理，行距0.825 m，株距0.737 m，平均种植密度为1 096 株/667 m2。

2.2.2 不同光环境处理对西葫芦产量的影响

由表2 可知，红橙光处理，每667 m2株数1096，按每株45 个果，平均单果质量0.44 kg 计算，折合每667 m2产18 445.7 kg。普通光环境处理区，按每株39 个果，平均单果质量0.45 kg 计算，折合每667 m2产量16 349.6 kg。红橙光处理比对照区每667 m2增产2 096.1 kg，每667 m2增产12.82%，农药化肥每667 m2减少19.7%，每667 m2增效19.38%，达到增产目标。

表2 不同光环境处理对西葫芦产量的影响Table 2 Effects of different light treatments on the yield of summer squash

3 新型功能农用大棚膜的发展趋势与展望

目前，设施蔬菜生产中化肥施用量过大，设施蔬菜每667 m2化肥用量是全国农作物的4.1 倍。投入肥料养分比例严重失调，氮磷钾肥每667 m2施用总量分别超出推荐量1.2、5.3、1.0 倍[15]，这导致了严重的土壤问题。另一方面，我国设施蔬菜生产以日光温室与塑料大棚为主，温差大、湿度高，病虫害与连作障碍严重，这导致农药施用量大、蔬菜病虫害药剂的不合理施用以及抗药性的产生。化肥农药施用过多、安全风险高等问题已经成为制约设施蔬菜产业发展的瓶颈，有悖于于生态农业的发展[16-19]。

生态农业是一种遵循生态学原理和生态经济规律，因地制宜的设计、组装、调整和管理农业生产和农村经济的系统工程体系。注重资源的开发与保护，使其达到高效性、可持续性、多样性现代化的科技农业。传统的种植农业只注重氮、磷、钾。随着时代的进步，开始注重水、土、肥的施用，多年来对自然光的利用关注很少，随着我国园艺设施的不断发展，作物对光的需求，对光质的需求显著提高。不同光质或波长的光具有明显不同的生物学效应，包括对植物的形态结构与化学组成，光合作用和器官生长发育的不同影响[20]。分光生态农用大棚聚能膜通过提供合理的光环境，增加红橙光的透过率，可以增强光合效率、增加产量、改善品质，同时降低农药化肥的投入，充分利用光能必将成为我国生态农业的发展趋势。