LED 植株间补光对温室番茄生长发育、产量、光照和水分利用率的影响

戴剑锋，李小段，刘湘伟，王康丽，Esther de Beer

（1.昕诺飞（中国）投资有限公司，上海 200233；2.北京宏福国际农业科技有限公司，北京 102601；3.荷兰昕诺飞公司，埃因霍温 5656AE）

光照是影响作物生长发育最重要的环境因子之一，是作物光合作用以及产量和品质形成的能量来源。在冬春季节的温室番茄栽培中，弱光天气较多，由于高架栽培的番茄具有较深的冠层，番茄叶片之间相互遮阳，中下层叶片处于相对弱光环境中。有研究表明，番茄中下层叶片由于长期处于弱光环境，光合能力相对较弱[1]，影响了冠层整体光合作用以及植株的生长，并最终影响了产量和品质。因此，冬春季节的光照环境成了生产的主要限制因子，而人工补光是解决这一问题的有效措施。近年来，园艺LED已被广泛应用于温室作物科研和生产中。由于LED 低散热、高光效的优点，有越来越多的温室番茄高架栽培采用LED 植株间照明模组进行人工补光[2]。

国外在温室番茄LED 植株间补光方面已经开展了大量研究。研究表明，LED 植株间补光改善了作物中下层叶片的光照环境，促进了植株光合作用，提高了番茄产量[3-5]。国内关于LED 植株间补光的研究报道为数不多，有学者针对日光温室中LED 植株间补光对番茄叶片光合作用速率、冠层光分布以及产量等方面进行了研究[6-7]，这些研究结果和方法对现代化连栋玻璃温室内的同类研究具有很好的参考价值。丁小涛等[8]在上海地区的现代化温室开展了LED 植株间补光对番茄生长和果实品质的研究，LED 补光增强了番茄叶片光合作用，改善了果实品质，果实采收提前。该研究在12 月定植，而生产温室的常规定植时间一般在9～10 月份，研究也仅在2 月份对番茄果实进行采收分析，还不足以全面反映整个补光季的全貌。迄今为止，尚未见针对现代化连栋玻璃温室规模化番茄生产进行LED 植株间补光的全季节研究。本研究拟以连栋玻璃温室规模化生产的番茄为对象，进行LED 植株间补光对番茄生长发育、产量以及光照和水分利用率的研究，以期为中国现代化温室番茄种植中的LED 补光应用提供理论依据和科学的参考。

材料与方法

试验温室和材料

试验于2020 年第42 周～2021 年第30 周在北京宏福国际农业科技有限公司位于北京大兴区庞各庄镇的生产温室（以下简称北京宏福农业园区）进行。温室南北走向，南北方向长164 m，东西方向共38 跨，跨度8 m，脊高7.5 m，天沟高6.5 m。温室中部有一条宽度为3.8 m 的东西方向走道，将温室分为南北两侧长度各为80.1 m 的栽培区，栽培槽长80 m，栽培槽行距为1.6 m。

试验采用中果无限生长型番茄品种‘Cappricia’，由荷兰瑞克斯旺公司提供，于2020 年第42 周定植于椰糠基质条上，2021 年第24 周植株摘心，第30 周拉秧，该季试验结束。

试验方法

在走道南侧分别选取一跨用于对照区（不补光）和补光处理区试验，对照区和补光区的面积均为640.8 m2（80.1 m×8 m）。补光处理区中，在栽培槽上方1.1 m 和1.5 m 高度处分别设置一行飞利浦LED 植株间照明模组进行补光，模组由昕诺飞（中国）投资有限公司提供，补光灯型号为GreenPower LED Interlighting DRB 250 RO，单支模组光通量为220 µmol/s，模组长度为2.5 m，功率79 W，补光区共使用320 支LED 模组（图1）。补光的光合有效辐射PAR（Photosynthetically Active Radiation）光通量密度PPFD（Photosynthetically Photon Flux Density）为110 µmol/（m2•s）。补光开始日期为2020 年第47 周，补光结束日期为2021年第22 周。根据作物的生长情况以及每周室外光照情况设定补光策略，最长补光时间设定为00:30～16:30，当室外太阳辐射高于750 W/m2时，关闭补光灯。

图1 温室番茄对照区和补光区（摄于2021 年第7 周）

对照区定植密度为2.5 干/m2，并分别于2021年第2 周、第4 周和第8 周采用留杈增密的方式分别增加密度至2.9 干/m2、3.3 干/m2和3.75 干/m2；补光区定植密度为2.9 干/m2，并分别于2021 年第3 周和第8 周采用留杈增密的方式分别增加密度至3.75 干/m2和4.17 干/m2，整个生产季中，对照区和补光区的植株密度如图2 所示。

图2 对照区和补光区的植株密度

番茄生长过程中，营养液通过自动施肥机（荷兰Priva 公司）供给，采用滴箭进行灌溉。一般在日出后2 h 左右开始第1 次灌溉，晴天日落前2 h 左右结束灌溉，阴天在日落前5 h 左右结束灌溉。由于对照区和补光区在同一个种植管理大区，灌溉采用同一个灌溉系统，为了满足补光区作物的水肥需求，在补光区额外增加了滴箭，对照区和补光区的滴箭数量分别为2.08、3.3 个/m2。作物管理、营养液配方及管理参见王冰华等[9]。

项目测定

在对照区和补光区各选取长势基本一致的10根茎干进行标记，并作如下观测。

（1）生长自番茄定植后，对作物生长发育状况进行观测，记录茎干伸长量、第一花穗下茎粗、叶片数、叶长、叶宽等生长数据，开花期记录开花数、坐果后记录坐果穗数、采收穗数。其中，几个发育指标的标准如下，含叶柄在内的叶长开始大于10 cm 后认定为一片叶，一穗花上所有花朵完全展开认定为开花，花瓣完全抱合认定为坐果。以每次观测的叶片数、开花数以及坐果数除以观测的时间间隔，即可计算出相应的出叶速率、开花速率和坐果速率。

（2）产量在果实采收期测量每次采收的商品果质量并换算成单位面积产量，测定单果质量。

（3）环境数据记录温室外太阳总辐射（Priva CM3P）、LED 补光时长（由计时器控制并记录）温室内温湿度（Priva 3779024）、CO2浓度（Priva Guardian NG）、作物灌溉量和排液量。其中灌溉量根据空白滴箭的出液量来计算，排液量根据搜集到的两个椰糠基质条的排液量来计算，由灌溉量和排液量计算出作物的实际耗水量。以上所有数据，以周为单位进行记录统计。

数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 进行分析。

结果与分析

温室内外主要环境因子

试验对照区和补光区在同一个温室内，没有相对独立的分区环境控制，因此两个区的主要环境因子基本一致，除了光照环境不同之外，补光区增加的滴箭会在灌溉量方面满足补光区的需求。

本季试验共持续41 周时间，其中，补光区从第47 周～次年22 周给予了共28 周LED 补光。温室外光照累积量如图3a 所示，随季节呈现先下降后上升的趋势。从第46 周开始，室外光照开始连续低于1000 J/cm2。该生产季温室内日平均气温在16～28℃，也呈现先下降后上升的趋势（图3b）。其中，在冬季几周维持了相对较低的日平均温度，这是为了在冬季弱光季节避免更快坐果而带来过高的作物负载，从观测的作物长势来看，这样的控温能够满足番茄生长发育的需求。

图3 温室内外主要环境因子

结合作物实际生长发育情况，在室外光照低于1000 J/cm2的第47 周时，作物冠层高度已经达到下面一行LED 植株间模组的高度，因此，从本周开始给予LED 人工补光，实际补光小时数从最初3 h/天到生产季节中期的16 h/天。每周补光时长如图4a 所示，整个生产季补光时长达到了2553 h。根据室外光照、温室综合透光率（60%）、系数2.15[（μmol/s/m2）/（W/m2）]、补光的光通量密度和补光时长，可得对照区和补光区的PAR 总量分别为4899 mol/m2和5910 mol/m2（图4b），LED 提供了1011 mol/m2PAR，补光区光照比对照区提高了21%。

图4 每周补光时长和室内PAR 累积量

补光对生长发育的影响

由于补光区有更好的光照环境，因此番茄植株可能会有更好的生长发育。本试验中，温度、湿度、CO2浓度等环境因子没有差异，因此，植株在出叶速率、开花速率以及坐果速率等发育指标方面应该不会存在显著差异。以坐果速率为例，图5a 表示对照区和补光区植株坐果速率，从图中可以看出，随着生长季的延长，坐果速率略有提高，这与生长季的日均温总体在升高相关，因为温度是植株发育的决定因素。同时，图5a的结果表明，对照区和补光区的番茄坐果速率分别为每周0.80 穗/干和0.85 穗/干，补光区坐果速率快6%，但没有显著差异。微小的差异最终体现在单干采收穗数中（图5b），生长季末，补光区比对照区多采收1.1 穗，分别为28.6 穗/干、27.5 穗/干，单干多采收4.0%，这也是补光后增产的来源之一。

图5 坐果速率和采收穗数

尽管温度没有差异，但坐果速率出现了微小差异，这可以解释为，对照区处于相对弱光环境下，光合作用一定程度地受限，植株干物质积累受到抑制，花芽分化延迟，对番茄的开花授粉和坐果都会造成一些影响[10]，尽管本试验中没有观测到显著差异。

植株高度也是反应植物应对光照环境的指标之一，不同生长期内株高对光照的响应也有差异。研究发现，番茄在弱光处理下植株变矮[11]。本试验中，补光后，每周测定的植株茎干伸长量略有增加，差异不显著（图6a），体现在植株茎干总长度上，补光区植株茎干总长度略高于对照区植株茎干总长度（图6b），与已有的研究结果一致。

图6 茎干伸长量和茎干长度

植株第一花序下的茎直径可以反映植物长势的强弱，结果表明，补光后茎直径高于对照区植株茎直径（图7a），说明补光后植株的长势强于对照区。研究表明，植物处于弱光条件下，会出现叶面积增加的现象[12]。对于特定番茄品种，其叶片长度和宽度大致成比例，因此这里用叶片宽度来表明番茄叶片的大小情况，如图7b 所示。在补光初期，对照区叶片要比补光区叶片大，补光中后期这一现象不再明显，这与补光初期对照区植物总体处于相对弱光环境下有关，补光中后期，室外光照上升使得温室内总光照量提高，因而中后期叶片大小几乎无差异。

图7 植株茎直径和叶宽

补光对产量、光照利用率与水分利用率的影响

本试验从第52 周开始采收番茄果实，至拉秧结束采收，共采收31 周。根据每周的商品果产量记录计算出生长季总产量。结果表明，补光区采收总产量显著高于对照区的采收总产量，分别为 44.7、35.1 kg/m2，产量提高9.6 kg/m2，提高了27%（图8a）。如前所述，补光区光照提高了21%，产量提高了27%。在荷兰种植者中有这样一个经验性说法，多1% 光照，意味着多1% 产量。本试验中，LED 补光区产量提高的幅度高于光照提高的幅度，因此存在一个系数，也即LED补光的生产效率是自然光生产效率的倍数，本试验中该系数为1.30。

图8 番茄采收产量和鲜产量与光照的关系

光照利用率可以定义为单位PAR 生产的番茄鲜产量数，单位为g/mol。根据图8b 中的数据可以分别得到番茄鲜产量与PAR 累积量的线性回归曲线，其斜率即为相应的光照利用率。对照区和补光区的光照利用率分别为7.7、8.1 g/mol，其中后者为自然光和LED 光照的综合光照利用率。结果表明，LED 补光提高了番茄生产的综合光照利用率。光照利用率的提高伴随着最终产量的提升。增产原因主要有如下几个方面，在冬春季低光照时期，LED 补光后作物光照环境改善，在作物管理方面，增加定植密度成为可能，并且在随后的栽培管理过程中做到提前留杈增密，使得单位面积可以生产更多的果穗；另一方面，补光后作物的坐果速率略有提高，整个生产季每茎干可以多采收1.1 穗果实（图5b），考虑到补光区的最终密度要高于对照区，因此单位面积多采收的果穗数也会相应提高很多。同时，我们注意到，对照区和补光区的果实单果质量分别为115 g 和111 g，补光区单果质量降低3.5%，这一定程度可能是由于整个生长季节中补光区的密度要高于对照区而引起的。单果质量的降低对增产的效应为负，然而，单果质量的降低效应或多或少由于单干采收穗数的增加（如前所述，增加4.0%）而得到了弥补。

作物的水分利用率表示作物每消耗单位水量所能生产的产量（kg/m3）整个生产季中对照区和补光区的实际耗水量分别是694 L/m2和878 L/m2，补光区耗水总量要高于对照区，根据测得的总产量，可以计算得到对照区和补光区的水分利用率分别为43.8、45.1 kg/m3，补光后水分利用率提高了3.1% 左右。参考两年前（2018～2019 生产季）北京宏福农业园区的水分利用率35 kg/m3[1]，可以发现近两年来种植管理者在生产中通过作物水肥管理进一步提高了水分利用率。

结论与讨论

通过本试验的研究，在作物管理方面，补光后可以结合实际补光强度和室外光照累积量，合理确定初始定植密度，并且在随后的种植管理中对留杈增密进行相应调整，提高了单位面积的果实产量。补光后，光照环境改善，作物的发育速率比如开花、坐果速率略有提高，全生产季累积下来，单干能够比对照区多采收1.1 穗果实。作物生长方面，植株的茎长、茎直径、叶片大小均在补光后有所改善，这均与以往的研究结果一致。同时，补光后的综合光照利用率得以提高，相应地，作物产量提高了27%，水分利用率提高了3.1%。本试验在北京宏福农业园区的现代化大规模连栋生产温室进行，试验的时间跨度覆盖2020～2021 年整个生产季，因此无论从试验点的选择、还是试验时间的安排方面，都比较具有代表性，因此本试验的研究结果可以为现代化温室番茄生产的补光应用提供一些可供参考的经验。

本试验在生产温室内伴随生产季进行，试验条件所限，没有进行作物叶面积指数、叶片氮含量、叶片光合作用速率等光合相关参数的测定，补光后作物产量形成过程中的干物质分配，也没有进行测定，因此，本试验中叶片以及冠层光合作用的改善、作物干物质分配情况对最终的增产贡献仍有待进一步研究来探索。由于生产温室的实际情况限制，本季试验无法对对照区和补光区进行独立的环境控制，因此，试验中除了光照环境之外的其余环境因子几乎没有差异。理论上，光照环境改善后，作物的光合作用速率会得到提高，而光合作用是光照和温度以及其他环境因子协同作用的共同结果。具体到今后的LED补光生产实践研究中，试验设置方面仍然有提高的空间，比如，在能够进行独立分区管理的温室进行LED 补光应用，使得温度、湿度、CO2浓度、灌溉系统都能够与补光管理相匹配，进而对LED 补光的效果提供更全面、更科学的评估。

另外，冬季温室进行LED 补光时，为了更好地发挥补光效果，温室温度需要作相应地匹配控制，这可能会增加加温能耗。在确保补光的提质增产效应的同时，分析补光应用中增加的生产成本，这将有助于全面优化LED 补光策略，以提高温室的生产效率和经济效益，这有待进一步的相关生产试验研究来探索，从而为实际生产管理提供更为科学和准确的管理经验。