2018-08-28
人工补光技术为番茄补光需要注意些什么?

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  比起室外光照,种植者应该清楚了解自己温室内植物实际能够得到的光照,进而确定需要填补的补光空间。每个温室的设计、地理位置和设备使用都会影响实际的室内光照。种植者可以通过温室或者从该城市气象站获得历年来的平均光照参数。值得注意的是,冬天北方太阳高度角较低,在 11 月底正午的光照实测中,大气中垂直于水平地面的入射光强为总光强的 50% 左右,温室内北面作物能照射到光照的时间较短。为了防止温室内温度骤降,保温幕布使用时间也会比较长,需要到日出后 2~3 h,外界光照强度达到150 W/m 2 以上时才能完全打开。下午日落前也会提前关闭,所以温室白天实际光照时间更短。

  寡照条件下,为了保证作物的营养部分不过分消耗而影响后期生长活力和产量,往往要对番茄进行疏花疏果。在补光之后,疏花疏果的程度会降低,每周花穗开花速率和坐果速率也比较平稳,植株能够保持很好的营养生长和生殖生长。另外植株密度增加时间也可随着植株的状态会有所提前,并且可以尝试更高的密度。在飞利浦LED 植物照明和答而丰合作的改良中心,大果番茄Komeett的种植密度突破了常规的 3.6 株 /m2 ,达到了 4.2 株 /m2。

  此时北京外界的周平均光照只有500~600 J/cm 2。如若没有很好的补光手段,种植者则需要优先考虑作物营养部位的正常生长,选择安全的起始定植密度,减少留果量尽量降低寡照时期的风险。

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  温室管理中,所有的环境因素调控都是联动的。补光之后,只有其他相应的环控配合好,才能最大化补光优势。若种植者能很好的把控生产的所有因子,便更能主观调控作物的生长节奏。

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  数据表明,株间补光改善温室番茄冠层光环境,提高冠层及植株整体光合能力,番茄产量增加22.7%~28.5%,果实干物质提高31%~38.6%。株间补光位置叶片在500~650nm波段光吸收率和最大净光合速率Pmax均高于未补光植株;株间补光降低了补光位置叶片的比叶面积。不同红蓝光比例株间补光对番茄总干物质的积累和产量的形成均有显著的促进作用,但不同红蓝光比例处理差异不显著。

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  目前市场上温室补光灯的灯源主要有高压钠灯和 LED 灯。高压钠灯作为较通用的照明用灯,其价格适中,可以为广大农户所接受,短期见效显著,配套的补光技术已经较为成熟,目前还在大规模使用当中。而LED拥有较窄的光谱可调性,安全、可靠性高,在植物生理试验应用中具有灵活性。具体使用中,应该根据栽培需求、应用目标、投资能力和成本控制等实际情况,合理选择。

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  此外,容易忽略的一点是温室玻璃的清洗,北方冬天室外温度长时间低于零度,这给屋顶清洗机的使用带来了风险,加上少雨,顶部玻璃清理不及时,会很大程度上降低温室的透光率。由于荷兰冬季光照较弱,一天光照累积量最低至 150~200 J/cm 2 ,所以补光强度在 220 mol/(m 2 s)以 上。 最 长 18 h 的 补 光, 能 够 提 供 14.3 mol/m 2的 光 合 有 效 辐 射(PAR), 等 同 于 在 室 内 补 了663 J/cm 2 的自然光。考虑到中国北方实际的光照情况和经济效益,若以外界最低光照(500 J/(cm 2 day))时期总光照(补光 + 自然光)能达到室外 1000 J/cm 2为基准(温室透光率为 70%),温室内建议补光强度至少达到 130~150 mol/(m 2 s)。当温室具有补光能力,在实际设定补光策略的时候需要考虑 2 个方面:总瞬时光强和总光照积累量。研究表明当光强未达到 400 mol/(m 2 s) 之前,番茄叶片的净光合速率随着光强增加而快速增加,进 入 500~800 mol/(m 2 s) 区 间 净 光 合 速 率 增加速率减缓,超过 800 mol/(m 2 s) 之后,接近于饱和状态 。考虑到温室的补光效益,当外界光照探测仪测量的自然光强超过 450 W/m 2 (接近于 970 mol/(m 2 s),温室透光率为 70%)时,顶补光 LED 不建议启动。而具体补光时长,可以根据目前作物需要的光照、温室内实际的自然光与安装的补光强度计算。需要注意的,是由于光源不同,自然光、高压钠灯和 LED 灯之间的光强叠加都需要一定的单位转换关系(自然光:1 MJ/m 2 PAR=4.6 mol/m 2 =71.9 kWh,高压钠灯:1 MJ/m 2 PAR =5 mol/m 2 =118 kWh [2] )。

  根据整个生产季的总光照积累和总产量,可以计算出种植者对自然光的利用率。荷兰优秀的大果番茄种植者,对于自然光的利用能够达到11~12 g/mol,而中国目前较好的种植者水平也只能达到 6~7 g/mol。这意味着补充相同时间的光照,优秀的种植者能将光转化为产量的能力更高,所以完善栽培技术对于提高补光效益非常关键。

  当补光时间提前到日出之前,由于植物气孔打开,开始蒸腾,温室里的空气湿度开始上升。高压钠灯放出热量,拉大了空气和叶腔内的蒸汽压差,进一步加剧了蒸腾作用。但由于冬季室外低温限制,室内也没有达到通风温度,温室的相对湿度会一直保持较高的水平。若晚上湿度超过 90%,则需要考虑高湿带来的病害风险,可以给幕布设定一个缺口配合背风面窗口,加热管道排湿。

  像番茄这样的大型冠层作物,其产量也是和冠层的总光照截获相关,而冠层能够截获的总光照和叶面积指数(Leaf area Index,LAI)之间是呈负指数函数关系,光照截获在 LAI 达到 4 左右几乎饱和。叶片遮挡严重时,会降低冠层光合效率。散射型玻璃、幕布的使用都是为了让光照能够渗透作物中下部的叶片,提高作物整体的光合效率。在作物进入成株并且增加密度之后,中下部叶片比较郁闭,光照下降明显。如果温室配有植株间补光,那么能够更加直接的利用中下部具有活力的叶片。区别于顶光对于光饱和的考虑,中下部叶片由于能直接照射的自然光较少,可以不设定限定值,而在有补光需求的时期一直使用。植株间补光灯的位置需要与底部叶片保持40 cm 以上的距离。

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  温室是否需要补光,植物每周的生长数据可作为判断依据。植株的生长量、茎粗、叶片长度、开花速率(标准果穗每周植株净增开花数 / 标准开花数)及坐果速率(标准果穗每周植株净增坐果数 / 标准坐果数)都能体现作物的生长是否处于良好的平衡。由于目前国内园艺生产链还不够成熟,没有专门提供番茄大苗的育苗公司,大多北方温室会选择 3 叶 /4 叶 1 心的小苗进行定植。从 9 月底(39 周)定植,至第一穗花开始完全开放大约要经历 6 周左右。番茄作物作为一个“源库”系统,在没有开花坐果之前,叶片白天积累的光合产物只需供给自身的维持呼吸和生长呼吸,营养一般比较富足,作物表现为茎秆粗壮、叶片厚实。生长点附近由于花青素的积累会呈现淡紫色(因品种而异),种植者可通过此现象来判断一天的光合作用强弱。由于有足够的光合产物,白天和夜晚的温差(DIF)会控制得很小来促进生长。但是,一旦作物从营养生长阶段进入到生殖阶段,果实对于光合产物的需求就会迅速上升。很多种植者甚至会看到作物生长呈明显变弱趋势,生长点处茎粗变细、叶片变薄、新生长的果实的大小和重量也会随之下降。在这种情况下,如果外界光照充裕,白天积累的净光合产物充足,便能满足逐渐增多的果实消耗。然而在国内栽培季的安排中,从进入生殖阶段(45 周)起,自然光照就逐步减弱,这意味着能供给作物的光合产物日益减少。以牛肉番茄为例,定植密度为 2.5 棵 /m 2 ,在 52 周 成 株 时 期 对 外界光照的需求上升到 1400 J/cm2左右(温室透光率为 70%)。

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  番茄属于喜温、喜光作物, 但由于我国北方冬季受日照时间短、雾霾和阴雪天气等影响,再加上温室材料的老化,容易使番茄长期处于弱光环境,从而影响正常的光合作用,主要表现为作物生长速度缓慢、植株同化作用下降、减产甚至死亡,而人工补光技术恰好可弥补这个缺点。

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  总之,温室补光需要根据温室地址、作物选择、栽培计划等具体情况来确定。其次考量到不同灯源的投资和使用成本,以及对于其他能耗(天然气、电)的影响,种植者应该选择适合的补光系统。在实际的使用过程中,种植者仍然需要调节温室其他各项因素,使得补光的利用率达到最高。由于补光灯带来的效益非常依赖种植者的水平,好的种植者能将光转化为产量的能力更高,也更加能通过调节温室其他因素。所以国内种植者当务之急应该是不断完善自己的栽培技术,充分利用好免费的自然光。

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