设施作物光需求特性及光调控棚膜研究进展

邵佳丽,张聃丘,廉世勋,米庆华,魏 珉,,李 岩,*

1.山东农业大学园艺科学与工程学院,山东 泰安 271018

2.湖南师范大学化学化工学院,湖南 长沙 410081

3.农业部黄淮海设施农业工程科学观测实验站/作物生物学国家重点实验室/山东果蔬优质高效生产协同创新中心,山东 泰安 271018

光照、温度和湿度是影响设施栽培的主要环境因子。其中，光照是设施作物光合作用的直接来源，对作物的生长、形态建成、光合作用、物质代谢以及基因表达均具有调控作用，且改变光照进而可以影响其他环境因子。因此，设施内光环境调控对作物生长具有重要意义。光调控棚膜即以作物栽培生理为出发点，研究不同调光剂对作物生长的影响，是农业生态研究的一个新领域。目前，关于光调控棚膜的研究十分活跃，并已成为农用棚膜功能化技术的重要发展方向。

故生产上可从不同作物的光需求特性出发，研制出更有利于作物生产的光调控棚膜，以此来合理、精准调控设施内光环境，对提高作物光合作用以及高产优质栽培具有重要意义。

1 设施作物光需求特性

光照是影响设施作物生长的关键环境因素，主要通过光强、光质和光周期等影响设施作物的形态建成与生理代谢，对其生产起到决定性作用[1,2]。作物种类不同，则对于光因素的反应不同。

1.1 光强

光照强弱能够改变设施作物形态和品质，根据其所需光照强度的不同可分为喜光型、中光型和耐弱光型[3]。喜光作物主要包括番茄、西瓜、月季、桃等，光饱和点在1000～1500 μmol·m-2·s-1，光强不足则会影响其产量和品质；中光作物主要包括甜椒、黄瓜、苹果等，光饱和点在680～1000 μmol·m-2·s-1，一定范围内其光合速率随光强的升高而增强，产量也随之提高；耐弱光作物多为叶类和葱蒜类蔬菜，适当遮光会更有利于其植株生长及果实产量和品质的提高[4,5]。

1.2 光质

光质对设施作物形态建成、生理代谢及果实品质等具有广泛调节作用，且光质不同影响也不尽相同[6-8]。研究表明，植物对可见光的吸收波长主要集中在400～510 nm 的蓝紫光区和610～720 nm 的红橙光区：蓝光有利于植株叶绿素积累，使叶片增厚及茎秆加粗且可增加果实中可溶性蛋白、有机酸和游离氨基酸含量[9,10]；红光则可提高植株的光合速率，促进植株茎的伸长及叶片伸展，改善果实营养品质且诱导植株花芽分化[11,12]。此外，绿光也可调整植株形态，调节光诱导植物反应[13]；紫光可诱导果实中花青苷等生物活性物质的合成和积累[14,15]；远红光则在促进植株营养生长与新梢节间伸长等方面起重要作用[16]。

1.3 光周期

根据设施作物对光周期的反应可将其划分为长日照、日中性和短日照作物。长日照作物主要包括多数叶类、甘蓝类和葱蒜类蔬菜及瓜叶菊、火龙果等，生长过程中需要12～14 h 以上的光照时长才可开花；日中性作物主要包括番茄、黄瓜、辣椒、大丽花、香石竹及大部分果树等，光照时长对其花芽分化无显著影响；短日照作物主要包括茼蒿、扁豆、苋菜、菊花、一品红等，光照时长少于12 h 方可开花[3]。

2 光调控棚膜应用

调控设施光环境能够有效促进作物生长发育，提高其产量和品质。目前，生产上主要通过人工补光、覆盖材料、栽培管理及设施构造等进行调控。其中，设施覆盖材料尤其是农用塑料棚膜因其经济便捷而成为调控设施光环境最常用的手段。目前，我国已经成为世界上使用农用棚膜最多的国家，其产量和覆盖率均位居世界首位[42]。

农用塑料棚膜可大致为三类：普通塑料棚膜、功能塑料棚膜（长寿命膜、无滴膜、保温膜、防尘膜等）、控制性功能塑料棚膜（光调控膜、漫散射膜、反光膜等）。其中，光调控棚膜是在充分利用自然光的基础上根据作物的光需求特性经滤光、调光、散光、遮光等手段对设施光环境进行精准调控的棚膜。近年来，光调控棚膜已成为功能性棚膜领域的研究热点。且大量的农田应用试验结果进一步证明，光调控棚膜能够有效调节温室内光谱透过比例，促进作物光合作用，缩短作物生长周期，且实现增产及改善品质。故生产上可根据作物光需求特性灵活覆盖不同功能的光调控棚膜以精准调控设施内光环境，创造适合作物生长的环境条件，实现其早收、增产、优产等。

2.1 不同作物光需求特性调控

光调控棚膜可根据设施作物对光强的不同需求进行合理优化。对于喜光作物，以提高棚膜透光率为原则，选择低阻光的调光材料，并通过添加不同助剂或染料的稀土材料适当优化透过光质比例，使作物在接受较高光强的同时尽可能吸收对植株光合作用起主要作用的光质；对于中光作物，以优化目标光质比例为主，根据不同作物适宜的光质需求在棚膜中加入不同调光剂或染料来转换光质，使透过棚膜的光质比例和光照强度更有利于作物生长发育；对于耐弱光作物，则以调整光强为主，在其不同生长发育阶段适当遮光，并适当优化光质比例来促进植株健壮生长[37]。

在针对作物不同光质需求，通过覆盖光调控棚膜合理调控透过光质的研究方面，山东农业大学农膜课题组与湖南师范大学根据前期研究结果，即适宜茄果类蔬菜生长的光质组合为红、蓝光强比3:1，采用四种无机调光剂复配，得到能够同时将紫外光和绿光高效转换成红光和蓝光的双光效调光剂[43,44]，绿转红、紫外转红量子效率分别提高62.25%和32.14%，加入吹膜原料中从而提高红光透过的占比后，得到红蓝光发射强度接近3:1 的光调控棚膜。温室覆盖该棚膜能够明显提高甜椒和番茄光合效率，促进植株生长，进而增加产量，优化果实品质[38,45,46]。此外，前人研究了可调节双激发双发射荧光粉在提高不同植物采光能力方面的有效性，改善了太阳能转换效率[39]。综上，利用设施作物的光质需求特性对其进行光精准调控已迈上新的台阶，且为光调控棚膜的进一步研发提供了理论依据与实际应用。

2.2 相同作物不同季节需求特性调控

不同设施作物有着适宜其生长的最优环境条件，当其生长季节不适宜时，可通过选择特定棚膜以适应相应环境条件，进而实现设施内光环境的调控。以我国北方蔬菜栽培为例，一般分四个季节茬口种植：越冬茬，通常在日光温室等设施内进行，作物主要包括部分茄果类、瓜类和叶类蔬菜等，需较高的透光率。故应选用消雾流滴及保温性能好且透光率高的棚膜进行覆盖，一般棚膜规格为10～14 m×0.08～0.10 mm（幅宽×厚度）；越夏茬，一般在连栋温室及拱棚内种植，包括韭菜、菠菜、叶用莴苣等，因夏季光照较强，适当降低透光率并增加膜下红光透光比例，有利于提高植株光合效率。宜选用流滴性好，低透光率且提高红光比例的棚膜，规格约为9～14 m×0.06～0.08 mm；春提前和秋延迟，一般分别在日光温室、小拱棚、塑料大棚或连栋温室等设施内种植，主要包括豌豆、生姜、瓜类及茄果类蔬菜等。春提前栽培作物应覆盖流滴性好、透光率高，且光质优化，兼具越冬及越夏功能的棚膜，其规格约为9～14 m×0.08～0.15 mm；秋延迟栽培则宜选用流滴、防尘性好，并兼具越冬要求的棚膜，棚膜规格约为9～14 m×0.08～0.10 mm[40]。2015 年，山东农业大学研发出越夏菠菜、生菜、韭菜，早春西瓜、黄瓜、生姜等12 种蔬菜专用棚膜，以及聚烯烃五层共挤棚膜的应用技术规程并制定了相应地方标准，为设施内光环境精准调控提供了理论与实践基础[40]。

3 光调控棚膜存在的问题及展望

3.1 存在问题

光调控棚膜目前正处于实践发展当中，光精准调控仍存在许多问题亟待解决。首先，相关单位对制备该类棚膜的专用材料开发不足；此外，针对设施作物光需求特性的基础理论研究不够充分，尤其是研发作物专用光调控棚膜较少，缺乏系统的研究及完善的产业链；棚膜耐老化性能较差，功能期易衰减，难以满足企业和农业生产需求[41]；棚膜生产企业片面追求光调控棚膜高透光率，忽视其保温性及其他功能，且对棚膜生产的工艺流程把关不严，致使产品质量欠佳；市场管理不规范，棚膜销售量大，易出现不合格产品；对棚膜透光、调光等功能宣传不到位，造成用户不能完全根据其栽培目的选择适宜棚膜，加之用户使用不当，难以发挥棚膜本身的最佳效果。

3.2 展望

首先，应把重心放在产品研发方面，不断探索激发和发射光谱精准协同优化的稀土调光材料，使其激发光和发射光能够准确满足设施作物光合作用的需求；重点对低成本且长效稳定的精准调光稀土发光材料进行突破研究，以期提高棚膜利用率，延长功能期，降低使用成本；加快应用推广光精准调控的设施作物专用棚膜及其配套栽培技术，推动设施作物栽培提质增效的系统发展；做好光精准调控棚膜宣传普及与示范推广，使生产企业及用户了解到专用棚膜的存在及其重要性；加强市场监管，坚持“农膜行业准入条件”，提升企业管理水平，降低材料和能源消耗，杜绝不达标棚膜在市场出现的情况，更好地助力我国设施农业发展。