鮑順淑，劉慶鑫，武 耘，李思博

（1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，北京 100125）

0 引言

近年來，中國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，全國各地大型玻璃溫室建設(shè)越來越多。大型溫室設(shè)備配套齊全，對溫室內(nèi)的環(huán)境調(diào)控能力強(qiáng)，主要用于番茄、黃瓜等果菜的長季節(jié)栽培[1-2]。長季節(jié)栽培可延長采收期，增加收獲果穗數(shù)，能顯著提高番茄產(chǎn)量和效益[3-4]，是番茄的重要種植模式。在長季節(jié)栽培中，溫室環(huán)境尤其是光環(huán)境的變化對番茄生產(chǎn)有著較大的影響，弱光是導(dǎo)致作物減產(chǎn)的主要因素之一[5-6]。但由于多種因素的影響，溫室的自然光透過率只有60%～70%，且由于地域差異，部分地區(qū)光照資源匱乏，在一定程度上造成了溫室內(nèi)植物處于弱光環(huán)境。在實際生產(chǎn)中時常聽到種植者抱怨天氣，尤其是連續(xù)的陰天導(dǎo)致溫室內(nèi)的光照環(huán)境差，植株長勢弱，番茄產(chǎn)量和品質(zhì)受到影響。因此，光環(huán)境調(diào)控成為番茄長季節(jié)栽培首要解決的問題之一[7-8]，為了獲得較好的品質(zhì)和較高的產(chǎn)量，需要根據(jù)番茄的光照需求進(jìn)行人工補(bǔ)光調(diào)節(jié)[9-10]。荷蘭溫室生產(chǎn)非常注重補(bǔ)光，對番茄、甜椒、黃瓜等作物的長季節(jié)栽培均有較為成熟的補(bǔ)光方案。目前國內(nèi)大型溫室處于快速發(fā)展階段，缺乏系統(tǒng)有效的補(bǔ)光方案，部分溫室不顧當(dāng)?shù)毓鉄豳Y源條件與荷蘭的差異，盲目照搬荷蘭補(bǔ)光方案，導(dǎo)致補(bǔ)光運行成本高，溫室生產(chǎn)盈利能力差；也有部分大型溫室不具備配套的補(bǔ)光設(shè)備，沒有因地制宜的補(bǔ)光策略，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量與預(yù)期差異較大，生產(chǎn)效益不佳。因此，如何用最少的人工補(bǔ)光彌補(bǔ)自然光的不足，是大型溫室生產(chǎn)亟需解決的重要問題。為此，本研究在廣東省珠海市番茄長季節(jié)栽培大型溫室設(shè)計建造之初，從珠海地區(qū)光照資源評估、番茄光照需求規(guī)律、補(bǔ)光策略等方面開展研究，力爭給出適宜珠海地區(qū)大型溫室番茄長季節(jié)栽培模式全生育期的合理光照調(diào)控方案[5]，以期為投資者與種植者提供補(bǔ)光指導(dǎo)和建議，實現(xiàn)大型溫室的低成本高效生產(chǎn)，并為其他地區(qū)溫室補(bǔ)光設(shè)計提供參考。

1 研究資料與方法

中國經(jīng)度范圍為73°33′—135°05′E；緯度范圍為3°51′N至53°33′N，較大的經(jīng)緯度跨度導(dǎo)致不同地區(qū)的自然光照環(huán)境有著較大的差異。廣東省珠海市位于21°48′—22°27′N、113°03′—114°19′E，研究組收集了珠海地區(qū)1997—2016年共20年的日總輻射曝輻量資料（日總輻射曝輻量，單位為0.01 MJ/m2，它表示該地區(qū)的光照強(qiáng)度的物理量，其大小直接影響作物的生長，對農(nóng)業(yè)有著重要的影響，是反映該地區(qū)光照資源的重要指標(biāo)之一）。通過對珠海地區(qū)多年日總輻射曝輻量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，找出不同季節(jié)不同月份的自然光照強(qiáng)度變化規(guī)律；同時，結(jié)合珠海光照資源條件、溫室光照透過率、番茄光照需求與茬口安排，給出珠海地區(qū)大型溫室番茄長季節(jié)栽培的合理補(bǔ)光方案。

2 珠海地區(qū)日照光強(qiáng)的氣候特性

2.1 20年日總輻射曝輻量變化特征

珠海市1997—2016年逐月總?cè)蛰椛淦剌椛淞咳鐖D所示（圖1），從圖可以看出1—4月自然光光強(qiáng)較弱，其中3月的光強(qiáng)最低僅有8.30 MJ/m2，從5月開始光強(qiáng)開始逐漸升高，至7月達(dá)到最大為15.58 MJ/m2，11、12月光強(qiáng)開始降低。春季3—5月，光強(qiáng)從低開始增強(qiáng)，夏季6—8月光強(qiáng)最強(qiáng)，秋季9—11月光強(qiáng)開始逐漸減弱，冬季12—2月光強(qiáng)則降至全年最低。由此可知珠海地區(qū)冬季和春季光照強(qiáng)度較弱，夏季和秋季光照強(qiáng)度較強(qiáng)。

2.2 20年日總輻射曝輻量變化特征

珠海市1997—2016年平均總?cè)蛰椛淦剌椓磕曜兓瘓D（圖2），由圖可以看出20年來珠海地區(qū)總?cè)蛰椛淦剌椓坑猩叩内厔荩?997—2006年總?cè)蛰椛淦剌椓科骄禐?1.45 MJ/m2，2007—2016年總?cè)蛰椛淦剌椓科骄禐?2.56 MJ/m2，后十年較前十年光照強(qiáng)度稍有提高，但是幅度并不明顯。其中2010年和2005年的總?cè)蛰椛淦剌椓枯^低。

2.3 20年日總輻射曝輻量四季變化趨勢

從圖3四個季節(jié)的變化趨勢情況來看，1997—2016年春、夏、秋、冬四個季節(jié)的日輻射曝輻量都呈增加趨勢，即四季的太陽輻射強(qiáng)度都有所增強(qiáng)。其中夏季的增加幅度最大，2016年較1997年日輻射曝輻量增加了3.66 MJ/m2，增加了22.2%；其次是秋季和冬季分別增加了 1.73 MJ/m2、1.08 MJ/m2，分別增加了 13.3%和11.1%；而春季增加幅度最小，幾乎沒有很大的變化，呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢。且從圖3可以看出，四個季節(jié)中夏季（6、7、8月）的太陽光照最強(qiáng)，為14.73 MJ/m2，秋季（9、10、11月）次之為13.38 MJ/m2，春季（3、4、5月份）和冬季（12、1、2月）平均日輻射曝輻量較少分別為10.20 MJ/m2、9.47 MJ/m2。

圖1 珠海市1997—2016年平均逐月總?cè)蛰椛淦剌椓孔兓?/p>

圖2 珠海市1997—2016年總?cè)蛰椛淦剌椓磕曜兓?/p>

圖3 珠海市1997—2016年總?cè)蛰椛淦剌椓克募咀兓?/p>

2.4 廣東省地區(qū)的日照時長

林苗青等[15]對近53年來廣東省地區(qū)的日照時數(shù)進(jìn)行分析，由其研究結(jié)果可以知道，秋季的日照時數(shù)最長，有684 h即平均每天日照時長7.5 h；夏季和冬季次之，分別為587 h和551 h，即平均每天日照時長6.5 h和6 h；春季的日照時數(shù)最短，僅有384 h，即平均每天日照時長4.3 h。珠海日照時長與廣東地區(qū)基本一致，夏季和秋季的日照時長較長，春季和冬季日照時長和日照強(qiáng)度值均較低。中國經(jīng)緯度跨度大，不同地區(qū)的光照時長差距較大（見表1），因此，若要進(jìn)行番茄長季節(jié)栽培，還需要考慮不同季節(jié)的自然光照時長特點，進(jìn)行合理的人工補(bǔ)光。

表1 不同區(qū)域光照時長比較

3 珠海市溫室內(nèi)部光合有效輻射分析

植物生長所需的光強(qiáng)大都以光合有效輻射來表示，因此需將總輻射曝輻量換算成光合有效輻射來分析，其換算公式如公式(1)所示。

式中，PAR表示光合有效輻射，μmol/m2·s，Q表示總輻射曝輻量，MJ/m2，A1 表示0.01 MJ/m2=0.086W/m2，A2為光能轉(zhuǎn)化系數(shù)，這里取4.56[12]。

由于溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)等的影響，溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度僅為室外的30%～70%，因此本研究溫室內(nèi)的光強(qiáng)按照室外光強(qiáng)的60%計算，室內(nèi)的光環(huán)境情況如表2所示。番茄作物生長期所需的光合有效輻射在300 μmol/(m2·s)以上才可以滿足其營養(yǎng)生長和果實發(fā)育[12]。由表2可知，春季2—4月和秋季9—10月以及冬季2、12月珠海地區(qū)溫室內(nèi)有半個月以上的時間其光強(qiáng)強(qiáng)度都低于 300 μmol/(m2·s)。因此，珠海地區(qū)溫室若要進(jìn)行番茄的長季節(jié)栽培，需根據(jù)不同季節(jié)的自然光照條件制定相應(yīng)的補(bǔ)光策略。

表2 珠海市1997—2016年溫室內(nèi)光照環(huán)境

4 珠海番茄長季節(jié)栽培補(bǔ)光方案

4.1 番茄苗期的光照需求

有研究表明，苗期的光照環(huán)境對番茄的生長十分重要，苗期弱光會造成幼苗的莖葉弱小，嚴(yán)重時會導(dǎo)致幼苗的徒長，導(dǎo)致番茄后期長勢弱，并最終會影響產(chǎn)量和品質(zhì)。番茄苗期所需光合有效輻射約為200 μmol/(m2·s)。珠海溫室番茄長季節(jié)栽培育苗期為7、8、9三個月，從表2可以知道這三個月溫室內(nèi)的平均光合有效輻射約為194 μmol/(m2·s)，可以滿足番茄苗期的光照需求，可不進(jìn)行額外的人工補(bǔ)光。

4.2 番茄生長期溫室補(bǔ)光方案

當(dāng)番茄植株的育苗期結(jié)束后，番茄植株開始進(jìn)入營養(yǎng)生長和生殖生長期，因這兩個時期番茄對光照強(qiáng)度的需求相似，因此在這里統(tǒng)稱為生長期。生長期的番茄植株對光照的需求增加，此階段的光環(huán)境條件會直接影響番茄植株的長勢、坐果率及果實的產(chǎn)量及品質(zhì)，是影響番茄產(chǎn)量的重要階段。有研究表明進(jìn)入生長階段后番茄所需的光合有效輻射需大于300 μmol/(m2·s)，光照時長15 h/d。而根據(jù)表2中可知，10月份開始后溫室內(nèi)的光合有效輻射量達(dá)不到所需的光照強(qiáng)度，需要人工補(bǔ)光加以調(diào)節(jié)。具體補(bǔ)光方案根據(jù)不同月份的自然光照情況進(jìn)行補(bǔ)光量的調(diào)節(jié)，如圖4所示。

5 討論

圖4 珠海市溫室內(nèi)補(bǔ)光方案

珠海的自然光照相對充足，但有著明顯的季節(jié)差異，其中夏季和秋季的光照強(qiáng)度大且日照時數(shù)長。夏季室外的平均日輻射曝輻量可達(dá)14.73 MJ/m2，日照時數(shù)為6.5 h/d，這與林苗青[15]等對廣東地區(qū)日照時長的研究結(jié)果相似。由于溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，室內(nèi)光照強(qiáng)度低于室外自然光照，假設(shè)有60%的光照進(jìn)入溫室內(nèi)部，通過換算可知溫室內(nèi)的光合有效輻射為199 μmol/(m2·s)；秋季室外的平均日輻射曝輻量可達(dá)13.38 MJ/m2，日照時數(shù)為7.5 h/d，溫室內(nèi)的光合有效輻射為171 μmol/(m2·s)；春季室外的平均日輻射曝輻量可達(dá)10.20 MJ/m2，日照時數(shù)為4.3 h/d，溫室內(nèi)的光合有效輻射為 161 μmol/(m2·s)；冬季室外的平均日輻射曝輻量最低9.47 MJ/m2，日照時數(shù)為6.0 h/d，溫室內(nèi)的光合有效輻射為 146 μmol/(m2·s)，這與李曉文等[11]研究結(jié)果相符合。王靜等[26]研究表明溫室內(nèi)部的光照環(huán)境對植物的生長有著重要的影響，合理的補(bǔ)光措施是設(shè)施栽培重要的環(huán)境調(diào)控手段。閆文凱等[27]研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)溫室內(nèi)的光照環(huán)境差異對溫室內(nèi)的番茄進(jìn)行不同補(bǔ)光強(qiáng)度、不同補(bǔ)光方式可以有效的提高溫室番茄產(chǎn)量。王舒亞等[28]研究發(fā)現(xiàn)對番茄進(jìn)行不同時長的補(bǔ)光處理，補(bǔ)光2 h、3 h處理下的番茄產(chǎn)量有明顯的提高，這與李蔚等[29]對溫室內(nèi)番茄不同時間進(jìn)行補(bǔ)光處理的結(jié)果相似。張帆洋等[5]的研究結(jié)果表明在番茄營養(yǎng)生長期（3月中旬），溫室內(nèi)的光照量和晝夜平均溫差對葉面積、莖粗和株高的增長影響不大；在番茄果實膨大期（4月中旬），溫室內(nèi)的光照量與果實膨大均呈極顯著正相關(guān)。Lanoue Jason等[31]的研究表明番茄對水肥的吸收與光照呈正相關(guān)。由此可見在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)夭煌路莸墓庹涨闆r，對溫室內(nèi)的番茄進(jìn)行不同的補(bǔ)光處理。根據(jù)廣州地區(qū)的光照情況和栽培茬口安排，7、8、9月份在溫室內(nèi)進(jìn)行育苗，此時溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度滿足番茄苗期對光照的需求，因此，不需要額外的人工補(bǔ)光。而當(dāng)番茄植株進(jìn)入到營養(yǎng)生長及生殖生長時期，溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度則無法滿足番茄植株正常的生長需求，需要進(jìn)行人工補(bǔ)光來達(dá)到番茄作物的生長需求，從而保證溫室內(nèi)番茄植物的產(chǎn)量及品質(zhì)。

6 結(jié)論

番茄長季節(jié)栽培模式，在7、8、9月份進(jìn)行育苗，溫室內(nèi)的光合有效輻射為171 μmol/(m2·s)，日照時數(shù)為7.5 h/d，溫室內(nèi)的自然光照可滿足番茄幼苗的光照需求，不需要進(jìn)行額外的人工補(bǔ)光；番茄在10—12月進(jìn)入營養(yǎng)生長，此時溫室內(nèi)的光合有效輻射為146 μmol/(m2·s)，日照時數(shù)為6.0 h/d；坐果期則在來年的1—4月份，此時期溫室內(nèi)的光合有效輻射為161 μmol/(m2·s)，日照時數(shù)為4.3 h/d，需根據(jù)自然光的情況進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)光，補(bǔ)光強(qiáng)度為102～166 μmol/(m2·s)。