补光强度对设施寡照下黄瓜产量和品质的影响

张文晶 阮梓健 杨威 郭世荣

摘 要 黄瓜是我国设施栽培的主要作物之一。我国南方地区冬春季受持续阴雨寡照天气的影响，保护设施内弱光问题严重，对设施作物生育、产量和品质造成严重的不良影响。本试验通过搭建遮阳网设施，模拟冬春季长江中下游地区温室内的弱光、寡照，形成光照强度约50 μmol·m-2·s-1的弱光环境，采用LED灯补光，设置125、200、275、350 μmol·m-2·s-1四个光强度在黄瓜结果期进行补光处理，研究补光强度对设施寡照下黄瓜植株生长、光合、果实产量和品质的影响。结果表明，补光对设施寡照下植株生长有促进作用，茎粗、植株干重、根系活力等有显著提高;补光能显著增加黄瓜产量、改善品质，补光后黄瓜的可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均有提高，有机酸含量有所降低，且补光越强果实品质越佳。与CK相比，350 μmol·m-2·s-1补光处理产量提高165.27%，效益较好，果实品质有显著改善，为本试验条件下最适的补光强度。

关键词 黄瓜;设施栽培;弱光;补光强度;产量;品质

中图分类号：S642.2 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.22.008

光是植物唯一的能量来源，对植物的生长发育影响巨大，必须给予合适的光照，才能保证植株的正常生长发育。温室由于结构、覆盖材料等因素的影响，光照强度仅为露地的50%～70%[1]。我国南方地区冬春季节持续阴雨寡照天气会造成温室内作物光照时间缩短、光照强度进一步降低。寡照弱光对作物生育、产量和品质会产生严重的不利影响，已成为制约南方地区设施园艺发展的重要因素。

人工补光是解决冬春季设施栽培作物寡照问题的重要措施。人工补光的光源按照发光形式分为热辐射光源、气体放电光源和电致发光光源3类[2]。电致发光光源指发光二极管，即LED灯。相比其他光源，LED灯具有精确控制光谱组成、产热少、长时间保持光稳定性等优势，其补光技术在农业生产领域应用愈加广泛[3-4]。众多研究表明，LED补光可促进作物生长发育，提高产量和改善品质。吴根良等用不同LED光源照射辣椒发现，不同LED光源均能显著促进辣椒果实中可溶性蛋白含量的增加，适当的LED光源和补光时间可提高设施栽培辣椒果实的商品性和产量[5]。郝东川等应用LED灯对设施栽培瓜果类蔬菜全生育期进行补光处理发现，LED灯补光可明显提高瓜类蔬菜的主蔓雌花数，对提高蔬菜作物的着果率也有促进作用[6]。刘晓英等研究发现，菠菜应用LED补光可显著促进菠菜生长[7]。

黄瓜是我国设施栽培的主要作物之一。在冬春季日光温室黄瓜生产中，光照是影响日光温室黄瓜生长发育的首要环境因子[8]。有研究表明，寡照会造成黄瓜叶片光合速率降低[9]、光合产物运输减缓，引起着果率降低、畸形瓜增多、产量和品质下降[8，10-14]等问题。LED补光技术的出现为解决冬春季黄瓜生产寡照问题提供了可靠途径。目前，LED补光技术在黄瓜上的研究多集中在幼苗阶段，在结果期进行补光的研究还鲜有报道。相较于幼苗期，结果期光照对果实产量及品质的影响更大，结果期补光具有更高的经济效益。在补光强度方面，普遍认为在植物光饱和点之内，补光后的总光强越大对植物生长发育越有利，但补光强度的增高也会使种植成本升高。因此，确定寡照环境下适宜的补光强度进行补光处理，使收益最大化，是补光技术应用于实际生产过程中亟待解决的问题。本试验通过在植株上方搭建遮阳网，模拟冬春季长江中下游地区温室内的寡照环境，在黄瓜结果期采用LED灯管进行人工补光（光质为白光），研究补光强度对设施黄瓜植株生长、光合、产量和果实品质的影响，以期为设施寡照下蔬菜优质高效生产提供技术支撑。

1  材料与方法

1.1  试验材料

试验于2020年9—11月在南京农业大学白马基地连栋温室中进行。供试黄瓜品种为‘戴多星，育苗基质、栽培基质均由江苏兴农基质科技有限公司提供，LED补光灯管由南京植生谱光电科技有限公司生产。

1.2  试验处理

采用桶式基质无土栽培黄瓜，当黄瓜幼苗长到两叶一心时定植于栽培桶中，每桶定植2株。肥水正常管理，控制温室环境条件，保障黄瓜正常生长。当黄瓜开花后，在植株上方搭建遮阳网，形成光照强度约50 μmol·m-2·s-1的弱光環境。进入结果期后（遮光后4 d），在弱光环境条件下，采用LED灯管进行人工补光，光质为白光，补光时间为30 d。以不补光为空白对照（CK），设置T1（125 μmol·m-2·s-1）、T2（200 μmol·m-2·s-1）、T3（275 μmol·m-2·s-1）、T4（350 μmol·m-2·s-1）四个光强度补光处理，每日9时开始，补光4 h。每个处理栽培13桶，不同处理间悬挂银黑色遮光布隔开，以保证各处理间互不干扰。灯管设于植株生长点正上方15 cm处，根据实际补光情况和植株生长情况进行补光高度调整。试验期间，温室内昼夜气温白天（26.7±5.4） ℃、夜间（14.5±4.5） ℃，空气相对湿度白天（69.4±14.5）%、夜间（98.6±1.3）%。补光15 d后测定黄瓜植株生长指标和生理参数，于补光后6、10、16和22 d测定收获的果实品质。

1.3  测定方法

1.3.1  生长指标

使用游标卡尺测量垂直于黄瓜子叶方向、子叶节下1 cm处的粗度，代表茎粗。不同处理各选取3株洗净根系，去掉根尖和上部老根，剪成2 cm长的碎段，称取0.4～0.5 g，采用氯化三苯基四氯唑（TTC）比色法测定根系活力[15]。各处理另选长势一致的植株，洗净根系，擦干，杀青后放于75 ℃烘箱中烘干至恒重，测定整株干重。

1.3.2  光合生理指标

选取各处理完全展开且叶位相同的功能叶片，采用便携式光合测定系统（Li-6400，美国）于晴天上午进行净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）等光合参数的测定。测定时叶室温度控制在（30±1） ℃，光强控制在1 000 μmol·m-2·s-1，CO2浓度为（415±10） μmol·mol-1，相对湿度为60%～70%。

1.3.3  果实表型指标

在黄瓜开花后10 d（补光后6 d）开始采摘。用电子天平称量果实重量、直尺测定果实纵径、游标卡尺测定果实横径。每次采摘各处理选取3～5根黄瓜称量鲜重后，置于75 ℃烘箱中烘干至恒重，称量黄瓜干重。根据以下公式计算果实含水量（%）：含水量=（鲜重-干重）/鲜重×100。

1.3.4  果实品质指标

每次收获采摘后，各处理随机选择6根黄瓜进行品质测定。测定方法：可溶性糖含量，蒽酮比色法[16];可溶性蛋白含量，考马斯亮蓝G-250染色法[17];有机酸含量，NaOH滴定法[16];可溶性固形物含量，手持折光仪测定法。

1.3.5  果实产量

果实采收期为补光处理后30 d，收获后统计各处理的果实产量，计算增产率和单果重并核算成本。

1.4  数据处理

试验数据经Excel 2018整理后，采用SPSS统计软件对数据进行统计分析，采用Duncan法进行多重比较，以最小显著差数法（LSD）分析差异显著性（P<0.05），采用Origin 2021软件作图。

2  结果与分析

2.1  补光强度对植株生长的影响

茎粗、根系活力和植株干重等是衡量植株生长状况的重要指标。由表1可以看出，与CK相比，结瓜期进行补光处理对黄瓜植株茎粗、根系活力和植株干重有不同程度的提高，T1处理补光强度最弱，只有根系活力显著增加。随着补光强度的增加，与CK相比，T2处理根系活力差异显著，茎粗、植株干重虽有增加但并不显著。茎粗在T3处理时才表现出显著差异。与CK相比，T4处理促进黄瓜植株生长最为明显，茎粗、根系活力、植株干重分别增加4.76%、307.32%、43.53%。

数据为3个及以上生物学重复的平均值（±SE），同列数据不同小写字母表示在P<0.05水平上差異显著，下表同

2.2  补光强度对叶片光合作用的影响

光合作用是绿色植物吸收CO2制造有机物并释放氧气的过程，补光处理对叶片光合作用有一定的促进作用。从表2可以看出，随着补光强度的增加，植株净光合速率和气孔导度均有上升的趋势。与CK相比，T1、T2、T3和T4处理净光合速率分别提高了32.62%、41.76%、68.97%和84.27%，气孔导度分别提高了63.46%、127.88%、130.77%和178.85%。与CK相比，各补光处理蒸腾速率均显著增加，但各处理间并无显著差异。

2.3  补光强度对果实品质的影响

2.3.1  果实可溶性糖含量

从图1可以看出，随着补光天数的增加，黄瓜可溶性糖含量总体呈现下降趋势。与补光处理相比，CK处理植株可溶性糖含量的下降趋势更为明显。与补光后6 d相比，补光后22 d时CK、T1、T2、T3和T4处理黄瓜可溶性糖含量分别降低39.28%、27.06%、24.96%、26.70%和18.15%。因此，补光处理对黄瓜可溶性糖含量的降低有遏制作用。

随着补光天数的增加，不同补光处理的黄瓜可溶性糖含量呈现出差异。从整体上看，随着补光强度的增加，可溶性糖含量升高，即CK

2.3.2  果实有机酸含量

有机酸含量是黄瓜品质的重要指标，补光处理对黄瓜有机酸含量有一定的降低作用。从图2可以看出，随着补光天数的增加，黄瓜有机酸含量呈现下降趋势。与补光6 d相比，补光22 d CK、T1、T2、T3和T4处理有机酸含量分别下降了16.99%、22.44%、22.88%、24.89%和24.68%。随着补光天数的增加，不同补光处理黄瓜有机酸含量表现出差异，与CK相比，补光后16 d有机酸含量显著降低。

2.3.3  果实可溶性蛋白含量

可溶性蛋白含量是一个重要的生理生化指标，反映黄瓜体内生理代谢的强度，其含量对黄瓜的品质有重要影响。从图3可以看出，随着补光天数的增加，黄瓜可溶性蛋白含量呈现先升高后下降的趋势。与补光后6 d相比，补光后16 d黄瓜可溶性蛋白含量显著增加，T1、T2、T3和T4处理可溶性蛋白含量分别提高31.91%、41.23%、32.68%和32.42%。整体上看，补光处理的可溶性蛋白含量显著高于CK，且随着补光强度的增加，可溶性蛋白含量有增加的趋势。

2.3.4  果实可溶性固形物含量

由图4可以看出，随着补光天数的增加，黄瓜可溶性固形物含量呈现先升高后下降的趋势。与补光后6 d相比，补光后16 d黄瓜可溶性固形物含量明显增加，CK、T1、T2、T3和T4处理黄瓜可溶性固形物含量分别提高了10.97%、30.04%、30.42%、48.64%和37.04%。

整体上看，随着补光强度的增加，可溶性固形物含量升高。与CK相比，补光后10 d各处理间开始具有显著差异，T1、T2、T3和T4处理可溶性固形物含量分别提高了2.53%、5.49%、18.14%和23.63%。

2.4  补光强度对果实表型和产量的影响

由表3可见，补光处理可以明显促进黄瓜植株生长，提高产量。T1、T2、T3和T4处理产量分别提高了55.67%、88.90%、109.59%和165.27%。与CK相比，补光处理增加了果实纵径，且随补光强度的增加更为显著。与CK相比，补光处理对果实横径并没有表现出显著差异。随着补光强度的增加，单果重稍有增加，但与CK相比，T1、T2处理并无显著差异，T3、T4处理有显著增加。

2.5  寡照下补光成本与收益核算

C=F+H=W*B*T*D*n*x+d*n*x*T*D/G

式中，C为补光成本，F为补光电费，H为补光灯使用费，单位元;W为单根灯管每小时消耗电能，0.018度;B为电价，0.528 3元/度;T为补光时间，4 h·d-1;D为补光天数，30 d;n为每排灯管数量，7根;x为灯管排数，CK、T1、T2、T3、T4处理分别赋值0、1、2、3、4排;d为补光灯单价，90元;G为补光灯使用寿命，20 000 h。

P=Tr-C，Tr=X*To

式中，P为补光收益，Tr为总收益，单位元;X为果实单价，11.92元/kg;To为果实总产量，单位kg。

K=P/F

式中，K為单价电费收益，单位元/元。

由表4可见，随着补光强度的增加，补光成本逐渐升高。从补光收益上看，采用4排28根灯管收益最佳，与CK相比，收益提高了75.30%。随着补光灯管数的增加，单价电费各处理的收益呈现降低的趋势，KT4

3  讨论与结论

光照强度直接影响黄瓜叶片的光合作用，弱光下叶片净光合速率下降，气孔导度和蒸腾速率降低，这与叶东奇等[18]对生菜进行的LED补光试验中得出的结论一致。长期的弱光胁迫会削减植物吸收营养的能力，影响植株的光合作用并阻碍光合产物向根部的运输，进而影响植株生长。本试验结果表明，CK的黄瓜植株茎粗、植株干重、根系活力等生长指标均低于补光处理，弱光环境限制了植株的生长。随补光强度的增强，补光处理的黄瓜植株茎粗、植株干重、根系活力有所增加，表明补光对寡照下的黄瓜植株生长有一定的促进作用。

弱光会造成黄瓜产量下降，一方面弱光使黄瓜叶片光合作用减弱，光合产物总量降低;另一方面，在寡照逆境下，黄瓜叶片光合产物向果实中的分配比例减少，向茎中的分配比例增加[19]，加剧了果实营养缺乏，进而降低果实产量。本试验结果表明，弱光条件下黄瓜产量较低，与CK相比，补光处理显著提高黄瓜的果实产量，增加果实纵径和单果重，与苏立芳等[20]的研究结论一致。随着补光强度的增加，黄瓜增产率不断提高，最高增产率达165.27%。与薛晓萍等[21]的研究结论一致，CK的果实可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均低于补光处理，表明弱光造成黄瓜产量下降的同时也会使果实品质下降。补光处理可以起到改善果实品质的作用，补光后黄瓜的可溶性糖、可溶性固形物、可溶性蛋白含量均有提高，有机酸含量有所降低，这与王华硕[22]的研究结论相似。赵玉萍等研究发现，不同的温度和光照强度对温室番茄光合作用及果实品质有显著影响，光照强度越大，番茄果实的品质越好[23]。本试验结果也表明，补光强度愈强，黄瓜果实品质越佳。

通过核算，T4处理（350 μmol·m-2·s-1）效益最高，增产率为165.27%，黄瓜品质较CK也有显著改善，为本试验条件下最适合的补光强度。同时也发现，随着补光强度的增加，单位电价下各补光处理的收益呈下降趋势。这表明高收益是以高资源浪费为代价，电力资源在高补光强度的处理中并未得到充分利用。另外，T4处理（350 μmol·m-2·s-1）为本试验最高补光处理，再提高补光强度是否还会进一步促进黄瓜植株生长、提高果实产量、改善果实品质、提高经济效益仍未可知，因此仍需进一步试验探究。生产上建议黄瓜结果期可采用LED灯进行补光处理，有利于提高果实产量、品质。一定光照强度内，果实产量、品质、收益与光照强度成正比。

参考文献：

[1] 谢景，刘厚诚，宋世威，等.光源及光质调控在温室蔬菜生产中的应用研究进展[J].中国蔬菜，2012（2）：1-7.

[2] 王孝娣，王莹莹，郑晓翠，等.人工补光对设施园艺作物生长发育影响的研究进展[J].北方园艺，2019（20）：117-124.

[3] 刘晓英，徐志刚，常涛涛，等.不同光质LED弱光对樱桃番茄植株形态和光合性能的影响[J].西北植物学报，2010，30（4）：725-732.

[4] 刘晓英，徐志刚，焦学磊，等.植物照明的研究和应用现状及发展策略[J].照明工程学报，2013，24（4）：1-7.

[5] 吴根良，郑积荣，李许可.不同LED光源对设施越冬辣椒果实品质和产量的影响[J].浙江农林大学学报，2014，31（2）：246-253.

[6] 郝东川，司雨.LED灯对设施栽培瓜果类蔬菜产量的影响[J].长江蔬菜，2012（18）：58-60.

[7] 刘晓英，徐志刚，焦学磊，等.可调LED光源系统设计及其对菠菜生长的影响[J].农业工程学报，2012，28（1）：208-212.

[8] 孙建磊，王崇启，肖守华，等.弱光对黄瓜幼苗光合特性及Rubisco酶的影响[J].核农学报，2017，31（6）：1200-1209.

[9] Hou J，Li W，Zheng Q，et al. Effect of low light intensity on growth and accumulation of secondary metabolites in roots of Glycyrrhiza uralensis Fisch[J]. Biochemical Systematics and Ecology，2010，38（2）：160-168.

[10] 裴孝伯，李世诚，蔡润.连续弱光处理对黄瓜生育及光合速率的影响[J].安徽农业大学学报，2005（3）：373-376.

[11] 朱艳蕾，陈梅，艾山江·阿布都拉.成株期弱光对不同品种黄瓜生长发育的影响[J].北方园艺，2008（9）：4-7

[12] 王兴银，张福墁.成株期弱光对不同品种黄瓜生长发育的影响[J].中国农业大学学报，2000（5）：36-41.

[13] 陈小玲，陈清西.植物弱光逆境生理的研究进展[J].北方园艺，2014（6）：183-187.

[14] Knox J，Morris J，Hess T. Identifying future risks to UK agricultural crop production：Putting climate change in context[J]. Outlook on Agriculture，2010，39（4）：249-256.

[15] Clemenssonlindell A. Triphenyltetrazolium chloride as an indicator of fine-root vitality and environmental stress in coniferous forest stands：Applications and limitations[J]. Plant and Soil，1994，159（2）：297-300.

[16] 李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京：高等教育出版社，1998.

[17] 赵世杰，史国安，董新纯.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业科学技术出版社，2002.

[18] 叶东奇.不同温度和光照强度下LED光源对生菜补光策略的优化[D].沈阳：沈阳农业大学，2019.

[19] 马国成，张福墁.日光温室不同光温环境对黄瓜光合产物运输及分配的影响[J].北京农业大学学报，1995（1）：34-38.

[20] 苏立芳.LED补光对日光温室黄瓜生长、生理指标及品质的影响[D].邯郸：河北工程大学，2018.

[21] 薛晓萍，李楠，張继波，等.寡照对温室黄瓜花果期生长及产量品质影响研究[J].海洋气象学报，2020，40（03）：77-83.

[22] 王华硕.LED补光对日光温室黄瓜、番茄、草莓生长发育及品质的影响[D].邯郸：河北工程大学，2018.

[23] 赵玉萍，邹志荣，杨振超，等.不同温度和光照对温室番茄光合作用及果实品质的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2010，38（5）：125-130.

（责任编辑：丁志祥）