补光方式对设施越冬番茄生长发育的影响

尤杰，张宇阳，浦 敏，徐志刚

(1.南京农业大学农学院，江苏 南京 210095; 2.苏州纽克斯电源技术股份有限公司，江苏 苏州 215143)

引言

番茄(Lycopersiconesculentum，Mill.)是我国重要的设施栽培作物，除营养价值外，还具备优良的观赏价值，我国是世界上番茄栽培面积最大的国家，番茄在蔬菜量占比7.1%[1，2]。长江中下游地区太阳辐射较低，近50年来光合有效辐射呈现下降态势，江苏地区日照时数降低趋势较为明显[3，4]，我国设施大部分以日光温室为主，结构不合理和棚膜老化等因素严重影响番茄生产[5, 6]。综上，发展设施番茄补光生产，特别是越冬番茄补光生产，对解决长江中下游地区的番茄供应具有重要意义。研究表明不同光源均能显著改善番茄幼苗植株形态和全株干物质量的积累[7]，不同类型的补光灯(荧光灯、HPS、LED)对草莓果实产量和品质也有显著的影响[8]。当前HPS和LED都属于温室补光中优质光源的选择，根据自身需求种植者开发了顶部HPS、顶部HPS+株间LED，顶部LED以及顶部LED+株间LED四种温室补光系统，国内外学者对HPS和LED的补光效果进行了评价，HPS和白红蓝(W∶R∶B=1∶2∶1)LED两者都促进了移植番茄幼苗的生长，LED大于HPS处理组，并且LED对根部的生长效果优于HPS等其他补光处理[9]，刘文科等[10]发现相同光强HPS和LED(R∶B或者R)对番茄的产量影响差异不显著。但是，与顶部HPS补光相比，用顶部HPS+株间LED和顶部LED在秋季生长周期中种植的黄瓜产量更高，并且果实质量更加平衡[11]。随着植物补光研究深入，补光生产理论不断丰富，但是对于实际补光生产的理论研究较少，特别是对于设施越冬番茄补光生产而言，本试验从设施越冬番茄的补光生产为出发点，通过对越冬番茄长期补光照射，探究番茄补光增产机理和果实品质变化，以期推进补光从理论到实践过渡，解决长江中下游冬季番茄供应问题，填补越冬番茄补光种植的理论空白，为种植者奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试品种

试验品种选择“普罗旺斯(Provence)”杂交一代番茄品种，无限生长型粉果，适宜冬，春茬口椰糠岩棉基质栽培品种。

1.2 试验灯具

顶部补光: 功率均为150 W的高压钠灯HPS和LED(W∶R=4∶1 灯珠比)。

株间补光：功率为40 W株间LED(R∶B=2∶1 灯珠比)，长度为2.5 m。

1.3 试验地点

试验于2018年11月在苏州纽克斯智慧农场(120.53°E，31.47°N)中进行。为达到冬季保温效果，在原单体连栋温室中建造钢结构小拱棚(长、宽、高分别是25 m、6.5 m、3 m)种植环境，使用遮光帘将小拱棚平均分为5个种植区域包含4个补光处理和1个空白对照。

1.4 试验设计

2018年10月17日采用穴盘式育苗，育苗基质细粒椰糠。11月23日，待幼苗长到5叶1心，选取茎干粗壮、长势整齐的幼苗进行移栽，所有处理均采用长100 cm、宽20 cm、高12 cm的细粒椰糠种植包进行试验，株间距0.25 m，行间距1 m。番茄一穗留果4～5个，待第四穗完全坐果后，掐尖。从番茄初花期(12月20日)后开始补光，到第四穗果采收(5月23日)，根据番茄生育期调整补光时间，12月20日～3月23日,补光时长为279 h(8:30—10:30、16:30—17:30)，3月24日—5月23日，补光时长为120 h(8:30—10:00、17:00—17:30)。

本试验共设置4个不同补光方式和1个空白对照组(CK)，分别为顶部HPS补光(H)、顶部LED补光(L)、顶部HPS+株间LED灯(HL)以及顶部LED+株间LED(LL)，顶部补光灯排布图如图1、图2所示，本试验将小拱棚平均分割为5个区，单个区域面积5 m×6.5 m，每个区域种植番茄90株。

图1 不同灯具的光谱分布Fig.1 Spectral distribution of different lamps

图2 试验组顶部补光灯排布图Fig.2 Layout of top supplemental lighting lamps on the test group

2 测试指标

2.1 产量和植株形态测量

用商用电子秤(精确度为0.01 kg)测量番茄的小区产量、单株产量，其中单株产量为随机选取5株番茄的产量平均值，单果重用电子天平(精确度为0.01 g)称量。

实际单株产量(kg)=试验小区总产量/该小区有效株数

单功率产出 (kg·kW-1)=试验小区产量提高量/该灯具总功率

用卷尺(精确度为0.1 cm)测量番茄株高、节间长度，电子游标卡尺(精确度为0.1 mm)测量番茄的茎粗。

2.2 叶片光合参数测定

每个处理选取5株番茄生长点以下第3片完全展开功能叶，荧光参数使用LI-6400XT(USA)荧光叶室进行测量。光合参数使用LI-6400XT(USA)进行测定，测定条件：光合光量子通量密度300 μmol·m-2·s-1，光合仪流速设定为300 μmol·mol-1，二氧化碳浓度为390±10 μmol·mol-1，叶温为25 ℃。每次测定各处5个重复。其中水分利用效率(WUE)、瞬时羧化效率(CE)和光能利用率(LUE)计算公式如下：

2.3 果实品质的测定

采摘后的番茄进行榨汁，分别进行两次实验，每次实验3个果实样品。

可滴定酸含量的测定利用氢氧化钠溶液滴定法[12]，吸取样品溶液5 ml进行测定，计算公式为：

(1)

式中：V为样品提取液总体积，ml；Vs为滴定时所取滤液体积，ml；C为氢氧化钠滴定液浓度，mol/L;V1为滴定滤液消耗的NaOH溶液体积，ml；V0为滴定蒸馏水消耗的NaOH溶液体积，ml；m为样品质量，g；f为折算系数，g/mmol(这里取1)。

可溶性固形物的测定利用手持折光仪测定，取一定量的番茄果实汁液进行测量[123]。

可溶性蛋白含量的测定运用考马斯亮蓝染色法[13]，计算公式为

(2)

式中：c为所测吸光度的试液浓度(μg/ml);V1为总试液的体积;V2为所取试液体积;m为所测材料的质量。

可溶性糖含量的测定运用蒽酮比色法[13]，计算公式为

(3)

VC含量的测定运用分光光度计法[11]，计算公式为

(4)

以上处理均取果实汁液0.1 ml进行实验，3个重复，取平均值。

2.4 数据分析

试验数据运用SPSS 25.0进行相关统计分析，Duncan检验(α=0.05)进行多重比较，统计图运用Origin 9.0进行绘制。

3 结果与分析

3.1 补光方式对番茄产量的影响

如表1所示，番茄“Provence”补光处理组的单株产量显著高于CK，处理LL单株产量最高，处理L和HL之间无显著性差异，显著低于处理LL，相比于CK，LL、HL、L、H产量上升幅度为69.23%、58.24%、49.45%、27.47%，根据差异性分析结合产量提升幅度，产量提高效果LL>HL≈L>H，而实际单株产量同样符合这样的排序。所有补光处理单果重之间没有显著性差异，HL和LL与之有显著差异，而H和L与之无显著性差异，说明顶部补光结合株间补光灯的方式能有效提高番茄果实内部物质的积累。处理LL单位功率产出的数值最高，处理H最小，处理LL分别高出处理H、HL、L 5.04 kg·kW-1、3.08 kg·kW-1、2.43 kg·kW-1，处理L、HL之间的差距较小，只有0.65 kg·kW-1，说明相同组合模式下，高压钠灯的功率产出要低于LED。

表1 补光方式对番茄产量的影响

3.2 补光方式对番茄植株形态的影响

如表2所示，番茄“Provence”在补光处理组中节间数、株高、节间长度、茎粗这些形态指标之间并没有显著性差异，补光处理LL在节间数上与CK存在显著性的差异，说明长期补光过程中，番茄的全株形态没有存在可见的变化，处理LL在节间数上保持优势，使得番茄植株保持更稳定的结构。

3.3 补光方式对坐果期叶片光合参数的影响

如表3所示，补光处理LL净光合速率与其他试验组(含CK)存在显著性差异，其他试验组与CK之间无显著性差异，HPS和LED冠层补光同时增加相同的株间补光灯后，LED的效果更好，HPS无明显变化，这说明LL补光组合在番茄结果期叶片光合能力保持充足的活力，光能利用率LUE也说明这种现象。对于气孔导度Gs，补光处理之间无显著差异，而CK与补光处理组差异显著，说明未经过长期补光照射的番茄结果期叶片气孔开度较大，结合蒸腾速率Tr，CK散失水分量较多，水分利用率指标也能说明这种表现。各个处理和CK间的胞间CO2浓度并无明显差别，由于它们净光合速率有差异，因此处理LL的瞬时羧化速率最优，并且与HL和CK形成明显差别，说明处理LL更倾向于有机物积累，结合表1的产量数据，我们发现处理LL的产量最高。

表2 补光方式对番茄植株茎部形态的影响

表3 补光方式对叶片光合参数的影响

3.4 补光方式对番茄果实品质的影响

如表4所示，两批次番茄测量结果处理组L和LL的可滴定酸和可溶性糖对比CK明显增高，顶部LED增加株间株间补光灯后，效果不显著。而补光处理H和HL变化不明显，说明顶部LED补光对于提升两个指标含量具有明显作用。

表4 补光方式对番茄糖酸含量的影响

如表5所示，补光处理LL两次番茄可溶性固形物、VC含量对比CK明显增高，平均增幅为35.25%、253.35%，其中顶部补光增加株间LED灯后，HPS没有明显变化，可溶性蛋白含量在所有的试验中没有发生显著变化，说明补光方式LL能改善番茄果实可溶性固形物、VC含量，但是对番茄果实可溶性蛋白含量效果不明显。

表5 补光方式对番茄果实可溶性固形物、VC和可溶性蛋白含量的影响

4 讨论与结论

4.1 讨论

1)补光方式对番茄产量的影响。前人研究表明，在温度相同的情况下，全光谱LED与HPS补光相比，番茄的产量提高[14]，顶部HPS补光的过程中增加LED株间照明，甜椒植株获得了更高的产量[15]，同样在Moerkens的研究当中1000 W HPS增加LED冠层照明，番茄的产量增加[16]，本试验中结论得到印证，不同补光方式均提高了番茄“Provence”产量水平，而LL产量提升效果明显(表1)，从植株形态上来看，整个生育期番茄植株并没有因为补光而发生较大的改变，但是结合结果期叶片光合参数，补光处理LL的光能利用率较高，这可能是产量提升比较重要的一个因子。本试验中，补光处理之间蒸腾速率和水分利用率均无显著性的差异，不同补光方式并不影响结果期叶片的水分利用状态(表3)，但在菊花的长短周期，与HPS相比，红蓝和红白LED增强了菊花叶片的蒸腾作用，并降低了水分利用效率[16]，Kim等[17]研究得出红白和红蓝色LED的番茄叶片的水分利用率均低于HPS照明，也有研究表明600 W HPS对比320 W全光谱株间LED，拥有较高的光合速率和蒸腾速率[18]，这可能由于灯具的功率大小、光谱成分以及补光时间和持续周期长短导致的差异有关。

2)补光方式对番茄果实品质的影响。果实在发育的过程中，除外部形态和颜色变化外，其内部化学成分也发生明显变化，也就是可溶性低分子有机物质转化为难溶性的高分子有机物[21]。本试验中，补光处理LL 的可滴定酸、可溶性糖、可溶性固形物、VC含量对比CK，明显上升，有研究证明，株间LED补光照射，可以提高果实的曝光量，促进可溶性固形物含量的提升[22]，结合顶部LED和株间LED的光谱，有试验表明红蓝(R∶B=5∶1)、白光、红光的可溶性糖含量分别增加了449%、447%、395%和487%[23]，其中红光组分能显著提高番茄果实可溶性糖含量[24]。但是有研究者通过HPS+LED(R∶B=95∶5)和LED+LED对比试验发现,LED+LED不影响果实内化合物代谢[25]。通过收集600 W HPS顶部补光和LED株间补光生产番茄的果实品质对比，对于所收集的品尝者数据来说，两者的差异并不显著[26]，Dzakovich等[27]研究顶部高压钠灯、株间LED以及HPS+株间LED灯收集的番茄果实发现，补光的光质并不会显著影响番茄的理化特性和被感知上的特性，不同研究结果表明，灯具属性和番茄品种的差异可能会产生不同的影响。

4.2 结论

四种补光方式均能显著提高番茄“Provence”产量，提升幅度为：顶部LED+株间LED(LL)>顶部HPS+株间LED(HL)≈顶部LED(L)>顶部HPS(H)。补光处理LL在番茄坐果期明显提升叶片的光合能力是番茄补光增产因子之一，并且番茄果实的可滴定酸、可溶性糖、可溶性固形物和VC含量提升幅度显著。