• 近年來荷蘭Venlo型智能溫室在中國發展迅速,2公頃以上的大型現代化玻璃溫室越來越多。與此同時,中國在學習荷蘭溫室技術的過程中,也摸索著如何將這些舶來品本土化,追求在本國國情下的高投入高產出。在非人工補光的溫室中,為了滿足作物對于光照的需求,荷蘭番茄栽培會從12月份開始定植,并持續生產到來年的11月份。隨著更多荷蘭種植者對提供全年高質量產品的訴求,補光燈的應用越來越多,傳統栽培季可提前到9月至7月

    近年來荷蘭Venlo型智能溫室在中國發展迅速,2公頃以上的大型現代化玻璃溫室越來越多。與此同時,中國在學習荷蘭溫室技術的過程中,也摸索著如何將這些舶來品本土化,追求在本國國情下的高投入高產出。在非人工補光的溫室中,為了滿足作物對于光照的需求,荷蘭番茄栽培會從12月份開始定植,并持續生產到來年的11月份。隨著更多荷蘭種植者對提供全年高質量產品的訴求,補光燈的應用越來越多,傳統栽培季可提前到9月至7月。牛肉番茄產量也從60Kg/㎡,逐步突破了100Kg/㎡。再放眼中國,不同的氣候類型使得栽培季的安排截然不同。區別于荷蘭典型的溫帶海洋性氣候,中國北方的溫帶季風氣候使得同年內連續生產難以實現,很多溫室8、9月會停止生產。隨著大多溫室選擇9月底或者10月開始定植,成株越冬栽培無法避免,溫室科學補光也成為了種植者日益關心的議題。


    鑒于我國溫室補光實際應用中尚存不足,本文擬從作物生長評估、光源和光強選擇及溫室聯動設備策略等幾個方面來闡述關于溫室補光的實際應用,以期為我國現代溫室種植者提供補光指導和實踐建議。


    ●補光需求與栽培計劃息息相關

    溫室是否需要補光,每周植物生長數據是非常好的判斷依據。植株的生長量、莖粗、葉片長度、開花速率及坐果速率都能體現作物的是否處于良好的平衡。由于目前國內園藝生產鏈還不夠成熟,沒有專門提供番茄大苗的育苗公司。大多溫室會定植三葉/四葉一心小苗。在9月底(39周)定植后,第一穗花開始完全開放大約要經歷6周左右。番茄作物作為一個“源庫”系統,在沒有開花坐果之前,葉片白天積累的光合產物只需供給自身的維持呼吸和生長呼吸,營養一般比較富足,作物表現莖稈粗壯、葉片厚實。生長點附近由于花青素的積累會呈現淡紫色(因品種而異),這也是日落前希望看到的現象。由于有足夠的光合產物,白天和夜晚的溫差(DIF)會控制得很小來促進生長。但是,一旦作物從營養生長階段進入到生殖階段,果實對于光合產物的需求就會迅速上升。很多種植者甚至會看到作物明顯的變弱趨勢,生長點處莖粗變細、葉片變薄、果實的大小和重量也會隨之下降。在這種情況下,如果外界光照充裕,白天積累的凈光合產物充足,便能滿足逐漸增多的果實消耗。


    然而在國內栽培季的安排中,從進入生殖階段(45周)起,自然光照就逐步下降,這意味著能供給作物的光合產物日益減少。若以2.5植株/平方米的密度定植牛肉番茄舉例,在52周成株時期對外界光照的需求上升到1400J/c㎡左右(溫室透光率為70%)。此時北京外界的周平均光照只有500-600J/c㎡(圖 1)。如若沒有很好的補光手段,種植者則需要優先考慮作物營養部位的正常生長,選擇安全的起始定植密度,減少留果量來盡量降低寡照時期的風險。


    北京周年光照積累量

    圖 1:北京周年光照積累量


    ●補光策略與補光系統設計密不可分

    若溫室具備補光系統,補光策略也不能一概而論,需要根據具體的光源種類,光強和補光模式并結合植物具體狀態來進行補光。


    ■補光光源:

    目前市場上溫室補光燈的燈源主要有:高壓鈉燈和LED燈。高壓鈉燈作為最初的照明用燈,其光譜分布寬泛,主要集中在人眼敏感的黃橙波段和不可見紅外光區域。所以高壓鈉燈的使用會產生很多熱量。很多種植者傾向于選擇高壓鈉燈,認為能夠達到同時補光和加熱的效果。但是由于補光燈產生的熱主要停留在溫室頂部,溫室需要配備良好的環流設備。底部的冷空氣并不能很好的環流,高壓鈉燈的使用能多大程度節約天然氣還需要具體計算。其次,上層空氣溫度較高也容易使生長點區域徒長。隨著種植者對植物的認知以及對高壓鈉燈使用的局限性的深入了解,種植者希望能夠單獨控制溫室的光照和溫度環境因子。所以全高壓鈉燈補光系統開始向高壓鈉燈頂光和LED植株間照明的混合補光系統過渡。


    LED植物燈的設計初衷是為了高效地促進植物的光合作用。根據McCree-曲線中植物葉綠素(a,b)對光譜的吸收高峰分別在藍光和紅光波段,所以常見到的LED燈也是以紅光和藍光為主(圖 2)。研究表明紅光對作物的伸長和側枝分化有促進作用,藍光對作物的光形態建成和緊湊有明顯的促進作用。作為冷光源,LED可以更加貼近作物,有效利用光照,而高壓鈉燈則需要考慮一定的安全距離,以及保溫幕布需要選擇具有阻燃性,防止高溫造成火災風險。


    植物葉片對不同波段

    圖 2:McCree-曲線顯示了植物葉片對不同波段


    ■補光光強:

    比起室外光照,種植者應該清楚了解自己溫室內植物實際能夠得到的光照,進而確定需要填補的補光空間。每個溫室的設計、地理位置和設備使用都會影響實際的室內光照。種植者可以通過溫室或者該城市氣象站獲得歷年來的平均光照參數。值得注意的是冬天北方太陽高度角較低。在十一月底正午的光照實測中,大氣中垂直于水平地面的入射光強為總光強的50%左右,溫室內北面作物能照射到光照的時間較短。為了防止溫室內溫度驟降,保溫幕布使用時間也會比較長,被完全打開幾乎需要到日出后2-3小時,外界光照強度達到150W/㎡以上。下午在日落前也會提前關閉,所以溫室白天實際光照時間要更短。此外,容易忽略的一點是溫室玻璃的及時清洗。北方冬天室外溫度長時間低于零度,這給屋頂清洗機的使用帶來了風險,加上少雨,頂部玻璃的清潔度會很大的降低溫室的透光率。


    由于荷蘭冬季光照較弱,最低至150-200J/c㎡,所以補光強度在220μmol/㎡/s 以上。最長18小時的補光,能夠提供14.3mol/㎡的光合有效輻射(PAR),等同于室內補了663J/c㎡的自然光??紤]到中國北方實際的光照情況和經濟效益。若以最低光照(500J/c㎡/day)時期總光照(補光+自然光)能達到室外1000J/c㎡為基準(溫室透光率為70%),溫室內建議補光強度達到130-150μmol/㎡/s。當溫室具有補光能力,在實際設定補光策略的時候需要考慮兩個方面:總瞬時光強和總光照積累量。研究表明當光強未達到400μmol/㎡/s之前,番茄葉片的凈光合速率隨著光強增加而快速增加,進入500-800μmol/㎡/s區間凈光合速率增加速率減緩,超過800μmol/㎡/s之后,接近于飽和狀態 (Heuvelink E. D., 2015)??紤]到溫室的補光效益,當外界自然光強超過450W/㎡時,頂光LED不建議啟動。而具體補光時長,可以根據目前作物需要的光照,溫室內實際的自然光與安裝的補光強度計算。需要注意的是由于光源不同,自然光、高壓鈉燈和LED燈之間的光強疊加都需要一定的轉換關系。


    ■補光模式:

    對于像番茄這樣的大型冠層作物,其產量也是和冠層的總光照截獲相關,而冠層能夠截獲的總光照和葉面積指數(Leaf area Index, LAI)之間是呈負指數函數關系,光照截獲在LAI達到4左右幾乎飽和 (Heuvelink, 2005)。葉片遮擋嚴重時,會降低冠層光合效率。散射型玻璃,幕布的使用都是為了讓光照能夠滲透作物中下部的葉片,提高作物整體的光合效率。在作物進入成株并且增加密度之后,中下部葉片比較郁閉,光照下降明顯。如果溫室配有植株間補光,那么能夠更加直接的利用中下部具有活力的葉片。區別于頂光對于光飽和的考慮,中下部葉片由于能直接照射的自然光較少,可以不設定限定值,而在有補光需求的時期一直使用。植株生長燈的位置需要與底部葉片保持40cm以上的距離,防止光源照射在果實上引起浪費(圖 3)。


    植物補光系統

    圖 3:植株間補光系統


    ●補光策略與溫室管理

    溫室管理中,所有的環境因素調控都是聯動的。補光之后,只有其他相應的環控配合好,才能最大化補光優勢。若種植者能很好的把控生產的所有因子,便更能主觀調控作物的生長節奏。


    ■補光+溫度:

    當外界光照較好時,溫度策略系統設定界面往往可以設定一個光強對于溫度的影響,例如300W/㎡上升到400W/㎡,加溫和通風溫度各加1度,或者一天光照積累到1000J/c㎡可以適當增加總光照對夜溫的影響,消耗白天的積累量。一般溫室室外會配備總輻射傳感器,但是內部配備測PAR的植物光合有效輻射傳感器的溫室很少。種植者在調節光照對于溫度影響的時候,也需要將補光帶來的附加輻射一起考慮進去。其實在補光的實際案例中已經發現,由于可以保持較高的溫度,冬季果穗的坐果率明顯增加。


    ■補光+灌溉:

    灌溉設定主要根據光照和時間雙因素來控制,保證植物的較好的光照下有充足的水分進行光合作用。第一次灌溉往往在日出之后兩小時,基質袋含水量出現一個“晨間快速下降”。溫室補光之后,隨著補光時間的前移,作物的生物鐘也慢慢的被調節。灌溉策略需要根據基質袋的水分下降曲線和含量及時調整。在實際應用中,“晨間快速下降”也出現的比自然光下早,說明作物已經開始活躍,并利用基質袋內的水分(圖 4)。在這種情況下,可以在補光之后,適當增加一次灌溉。由于補光強度低于外界自然光,灌溉量不宜過多,結合基質袋24小時總失水率。


    Trunita基質袋含水量趨勢

    圖 4:Trunita基質袋含水量趨勢(藍色曲線),朗億成2018,獲得使用許可。


    ■補光與濕度:

    當補光時間提前到日出之前,由于植物氣孔打開,開始蒸騰,溫室里的空氣濕度開始上升。高壓鈉燈放出熱量,拉大了空氣和葉腔內的蒸汽壓差,進一步加劇了蒸騰作用。但由于冬季室外低溫限制,室內也沒有達到通風溫度,溫室的相對濕度會一直保持較高的水平。若晚上濕度超過90%,則需要考慮高濕帶來的病害風險,可以給幕布設定一個缺口配合背風面窗口,加熱管道排濕。


    ■補光+作物管理:

    上文提到在寡照下,為了保證作物的營養部分不過分消耗而影響后期生長活力和產量,往往要對番茄進行疏花疏果。在補光之后,疏花疏果的程度會降低,每周花穗開花速率和坐果速率也比較平穩,營養生長和生殖生長能夠較好的保持。另外密度增加時間也隨著植株的狀態會有所提前,并且可以嘗試更高的植物密度。在飛利浦LED植物照明和答而豐合作的改良中心,大果番茄“Komeett”的密度突破了常規的每平方米3.6株,達到了每平方米4.2株。


    總結:

    國內大型溫室種植者經驗尚且不足(大約為1-2年),對于冬季作物補光還處在定性理解階段,往往是經歷過越冬生產才意識到補光的需要。其實,在溫室建設初期就應該考慮是否需要補光。作物選擇、溫室選址及本地氣候條件幾乎決定了栽培季能否靈活安排還是只能靠天吃飯。不過由于造價、天然氣價格等因素,在高壓鈉燈和LED燈的選擇上也出現了投資成本和使用成本的考量。植物燈帶來的效益非常依賴種植者的水平,好的種植者對光的利用率更高,也更加能通過調節溫室其他因素,使其完美配合實現更高的產量。所以國內種植者當務之急應該是不斷完善自己的栽培技術,充分利用好免費的自然光。在過硬的栽培技術下,從9月份開始定植,中國溫室使用周期也能達到45周左右(采收周大約為33周左右)。中國的大果番茄也可以向50-60Kg/㎡斤邁進。

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