温室补光策略

1、温室补光策略近年来荷兰Venlo型智能温室在中国开展迅速,2hm2以上的大型现代化玻璃温室越来越多.中国在学习荷兰温室技术的过程中,也摸索着如何将这些舶来品外乡化,追求在符合本国国情下的高投入高产出.在非人工补光的温室中,为了满足作物对于光照的需求,荷兰番茄栽培会从12月份开始定植,并持续生产到翌年11月份.随着更多荷兰种植者对提供全年高质量产品的诉求,补光灯的应用越来越多,传统栽培季可提前到9月份,甚至7月份.牛肉番茄产量也从60kg/m2,逐步突破了100kg/m2.放眼中国,不同的气候类型使得栽培季的安排截然不同.区别于荷兰典型的温带海洋性气候,中国北方温带季风气候条件下的很多温室8、9

2、月会停止生产.随着大多温室选择9月底或者10月开始定植,成株越冬栽培无法预防,科学补光也成为温室种植者日益关心的议题.预测模型和理论分析说明,当前作物产量的显著增加只能通过提升光合水平和效率来实现,由于靠增加水肥供给提升作物产量已接近极限,在设施园艺领域尤为如此.多年来,设施园艺从业者把主要精力集中在作物水肥治理、栽培模式创新以及温室结构改进等方面,通过这些手段优化作物生长环境从而间接提升作物光合水平,进而提升作物产量.光作为影响植物生长最关键的环境因子,通过影响植物光合作用、光形态建成来调节植物的生长发育.长期以来受制于技术以及本钱等因素,设施园艺作物的生长发育主要依赖太阳辐射,因所处气候带

3、、地理位置不同或季节变化等因素,作物不可预防的面对弱光环境.长时间的弱光会导致植物营养体不健壮、落花落果严重、植物生长发育缓慢、产量下降、品质低下等.随着现代设施园艺技术在世界范围的广泛应用,设施光环境对园艺作物生产性能的影响也越来越受到关注,人工补光已经成为设施园艺种植的关键技术之一.为了使人工补光技术在中国设施园艺领域更加快速、正确地被相关从业人员所了解和掌握,本文从设施植物光合作用特性、设施光环境特征、光对作物生产性能影响、补光需求与栽培方案相关性、补光策略与补光系统设计、补光策略与温室治理、种植者水平对补光效益的影响等方面进行理论阐述,以期对设施园艺人工补光应用提供有益的参考.一、设施

4、植物光合机理分析光合作用是植物利用光能,同化CO才口水制造有机物质并释放氧气的过程.光合作用不仅是植物体内最重要的生命活动过程,也是地球上最重要的化学反响过程.地球上几乎所有的有机物质都直接或间接地来源于光合作用,经光合作用合成的物质不仅是植物合成其结构物质和维持其生命活动的能量物质的根本来源,同时也是其他生命有机体的结构和能量物质的根本来源.光合作用长期以来倍受关注,成为农学和生物学研究热点.在设施园艺领域,人们通过各种人为手段为作物创造最正确环境以期提升光合性能,从而提升产量.影响作物光合作用的因素有多方面,外界因素主要包括光照、CO2温度、湿度、矿质元素、水分等.当前,设施环境下的水肥、

5、温度、湿度、CO有因子已根本实现可调可控,在此条件下作物光合作用完全取决于光照环境的影响.因此,通过改善光环境来提升产量已经成为设施园艺不可无视的关键手段之一.通常,提及光合作用人们首先考虑的是单叶片的光合速率,而植物冠层光合速率往往被忽略.单叶片光合速率只能说明在特定环境条件下叶片光合作用对环境的适应及响应特性,并不能说明作物冠层光合水平.换句话说,单叶片光合速率高并不意味着冠层光合水平强,由于冠层光合水平不仅受单叶片光合水平的影响,还受冠层光截获水平以及冠层光分布等因素的影响.植物冠层光合速率直接影响作物生物量以及产量.因此,说明单叶片和冠层光合机理对人工补光理论研究极为关键.光合作用速率

6、是单位光量子每秒每平方米叶片同化CO2勺量.被植物光合作用所利用的光称之为光合有效辐射PhotosyntheticActiveRadiation,PAR,叩ol/m2s,占太阳总辐射的50溢右.如图1所示,植物叶片光合作用光响应曲线有几个重要的节点.1时片邮风廖光合作阳史勺廖鸟曲如江期中在光合有效辐射为0mol/m2s时即黑暗条件下,A,植物只进行呼吸作用,即消耗体内有机物和释放CO2当光强增加到某一点后,光合作用同化CO2的量与呼吸作用释放CO2勺量相等时的节点为光补偿点B,该点的光照强度即为光补偿光照强度.当光强高于光补偿光照强度时,光合作用同化的CO2S大于呼吸作用释放的CO2S,且光合

7、作用速率随光强增高而升高.在此阶段,光合速率与光强呈线性关系C,其斜率表示光合作用光能利用效率.在整个光合作用光响应曲线中,该阶段的光能利用率最大.因此在人工补光实际应用中,应在这一阶段内寻求适宜的补光光强.当光照升高到一定强度时,叶片光合速率升高减缓直至保持平稳,即光合作用到达最大值,而该点称为光饱和点D,引起光合作用饱和点的光强为饱和光强.对于冠层来说,光合速率随光强增加而持续升高,光合作用饱和点不易出现图1实线.该现象的出现主要是由于作物冠层光分布不均匀性导致的.在高光强下,冠层顶部叶片虽已达光饱和点,但冠层中下部叶片仍处于弱光环境.据此,在人工补光实际应用过程中,必须结合作物单叶片和冠

8、层光合特性综合考虑补光灯具光强以及灯具安装位置如顶部补光结合冠层补光,从而到达最正确补光效果.2、设施光环境特征分析设施条件下的光照强度明显低于外界光强.考虑到经济本钱因素,中国超过95%U上的温室都使用塑料薄膜作为覆盖材料,塑料温室透光率最高为70%fc右,最低缺乏50%以荷兰为例,在透光率高达90%U上的玻璃材料覆盖的连栋温室里,其透光率通常也在70%左右.导致温室透光率低的因素是多方面的,如覆盖材料自身对光的吸收和反射、温室骨架及设备的遮挡、外部粉尘沉积、内部结露等.因此,对于大多数果菜和切花类等需光性强的园艺作物来说,现有的温室透光率根本上达不到温室内作物最正确生长需求,尤其在冬春季节

9、和阴雨天气,自然光很难满足作物的正常生长发育.止匕外,设施条件下的光照强度分布很不均匀.受温室骨架、作物冠层结构以及太阳高度角的动态变化影响,作物冠层呈现大量且持续变化的光斑.受制于光合诱导现象的影响,光的持续动态变化会限制植物光合速率的提升.Li等研究发现,在温室条件下光照环境的动态变化导致盆栽红掌光能利用率在其生长季降低8溢右.在作物冠层内部,光分布不均匀性更为突出.Li等对温室番茄冠层光环境进行了系统的测定,在温室里选定6行作物,每行5m长,在此范围内由冠层顶部向下50cm处即冠层中上部测定120个点的光强,冠层水平面的光强分布如图2.；广一年弋工直小：一毛:一三千万三于在,巴.X对7/

10、1和青衣M点平刀向忙工；1通1后假设汽震1!套慌的行戴.工制工定了备定建圉.依居H迪王空抒班目导.C12345毛享居一.辛图2先冒在作物冠层水平方"四端霜卿工期看如下图,受冠层结构相互遮阴影响,水平方向上光分布很不均匀.在冠层垂直方向上,由冠层顶部向下每25cm测定光强,同时测定冠层相应高度的叶面积,由此得出图3.»-工,情车对幡,fWSSW任一部£咨可寻赢麻田比诲而it柯美亚二于匚.土也纪上E净TfilWF罂叱主;十苴二1时王,月宣南防五房营白工宣土包电力为0L图3兆强在骅翔需层垂直方；于揭卷静修盘亘如下图,在垂直方向上,冠层叶片接受的光强随叶面积指数的增加即植

11、株高度下降呈指数下降趋势.鉴于植物叶片光合速率与光强呈非线性关系图1,光在作物冠层的不均匀性分布特点降低了光能利用效率.综上所述,在人工补光实际应用中,为了尽最大可能提升光能利用率,必须综合考虑补光光强以及光分布特点.3、光对作物生产性能影响在设施条件下,作物生长速率取决于作物冠层接受的总光量.如前所述,在冬春季节自然光难以满足设施作物生长的最正确需求.而人工补光可以局部地解决这一问题.在人工补光的实际应用中,对其进行效用分析非常必要.众所周知,荷兰为设施园艺产业最兴旺的国家,受其地理位置及气候条件的影响,人工补光已广泛应用于园艺作物生产中.其相关从业人员对光影响作物生长进行了系统的量化分析.

12、通过多年的经验积累及相关科研结果得出在设施条件下每减少1%勺光量意味着降低1溢右的产量,即著名的1悔验定律.哀1在祺施条傅下每降低1%意光B致几种园艺作物平均标产数概况被据来毒：支mE一甲代t户不诉研表1为Marcelis等通过近百篇相关文献及数家种植户的经验总结得出结论,本节转述在此以期对中国设施园艺人工补光应用提供理论参考.表1显示设施条件下总光量对作物产量影响显著.但同时也必须意识到作物生长是由多因素协同作用的结果.因此,在人工补光应用过程中也必须考虑到其它环境因子的协同作用.例如,在增加光强的同时也应补充CO冰度及提升空气温度,这样才能到达最正确补光效果.鉴于中国温室补光实际应用中尚存

13、缺乏,本文拟从作物生长评估、光源和光强选择及温室联动设备策略等方面来阐述关于温室补光的实际应用,以期为中国现代温室种植者提供补光指导和实践建议.4、补光需求与栽培方案相关性温室是否需要补光,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/标准坐果数都能表达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

14、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,营养一般比拟富足,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会限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

15、,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/m2,在52周成株时期对外界光照的需求上升到1400J/cm2左右温室透光率为70%.此时北京外界的周平均光照只有500600J/cm2图1.如假设没有很好的补光手段,种植者那么需要优先考虑作物营养部位的正常生长,选择平安的起始定植密度,减少留果量尽量降低寡照时期的风险.5、补光策略与补光系统设计假设温室配备补光系统,也需合理的补光策略与之相结合,需要根据具体的光源种类、光强和补光模式并结合植物具体生长状态来进行补光.5.1 补光光源目前市场上温室补光灯的灯源主要有高压钠灯和LEDT.高压钠灯作为最

16、初的照明用灯,其光谱分布宽泛,主要集中在人眼敏感的黄橙波段和不可见红外光区域,所以高压钠灯使用过程中会产生很多热量.很多种植者倾向于选择高压钠灯,认为能够到达同时补光和加热的效果.但是由于补光灯产生的热主要停留在温室顶部,底部的冷空气并不能很好的环流,温室需要配备良好的环流设备,高压钠灯的使用能多大程度节约能源还需要具体计算.其次,上层空气温度较高也容易使生长点区域徒长.随着种植者对植物的认知以及对高压钠灯使用的局限性的深入了解,种植者希望能够单独限制温室的光照和温度环境因子.所以全高压钠灯补光系统开始向高压钠灯顶补光和LED植株间照明相结合的混合补光系统过渡.LED补光灯的设计初衷是为了高效

17、地促进植物的光合作用.根据McCree-曲线中植物叶绿素a、b对光谱的吸收顶峰分别在蓝光和红光波段,所以常见到的LED丁也是以红光和蓝光为主图2.研究说明,红光对作物的伸长和侧枝分化有促进作用,蓝光对作物的光形态建成和紧凑有明显的促进作用.作为冷光源,LED可以更加贴近作物,有效利用光照,而高压钠灯那么需要考虑一定的平安距离,以及保温幕布需要选择具有阻燃性,预防高温造成火灾风险.5.2 补光光强比起室外光照,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

18、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%fc右,温室内北面作物能照射到光照的时间较短.为了预防温室内温度骤降,保温幕布使用时间也会比拟长,需要到日出后23h,外界光照强度到达150W/m2以上时才能完全翻开.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.止匕外,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150200J/cm2,所以补光强度在220叩o

19、l/(m2s)以上.最长18h的补光,能够提供14.3mol/m2的光合有效辐射(PAR,等同于在室内补了663J/cm2的自然光.考虑到中国北方实际的光照情况和经济效益,假设以外界最低光照(500J/(cm2day)时期总光照(补光+自然光)能到达室外1000J/cm2为基准(温室透光率为70%,温室内建议补光强度至少到达130150gol/(m2s).当温室具有补光水平,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.研究说明当光强未到达400gol/(m2s)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叩ol/(m2s)区间净光合速率增加速率减

20、缓,超过800叩ol/(m2-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450W/m2(接近于970叩ol/(m2s),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：1MJ/m2PAR=4.6mol/m2=71.9KLxh高压钠灯：1MJ/m2PAR=5mol/m2=118KLXh.5.3 补光模式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

21、总光照和叶面积指数LeafareaIndex,LAI之间是呈负指数函数关系,光照截获在LAI到达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,提升作物整体的光合效率.在作物进入成株并且增加密度之后,中下部叶片比拟郁闭,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40cm以上的距离图3.6、补光策略与温室治理温室治理中,所有的环境因素调控都是联

22、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.假设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.6.1 补光+温度当外界光照较好时,温度策略系统设定界面往往可以设定一个光强对于温度的影响,例如300W/m21升到400W/m2加温和通风温度各加1C,或者一天光照积累到1000J/cm2可以适当增加总光照对夜温的影响,增强呼吸作用,消耗富足的光合产物.一般温室室外会配备总辐射传感器,但是内部配备测PAR勺植物光合有效辐射传感器的温室很少.种植者在调节光照对温度影响时,也需要将补光带来的附加辐射一起考虑进去.其实在补光的实际案例中已经发现,保持较高的温度,冬季果穗

23、的坐果率明显增加.6.2 补光+灌溉灌溉策略制定主要根据光照和时间两因素来限制,保证植物在较好的光照下有充足的水分进行光合作用.第一次灌溉往往在日出之后2h,基质袋含水量出现一个“晨间快速下降.温室补光之后,随着补光时间的前移,作物的生物钟也慢慢的被调节.灌溉策略需要根据基质袋的水分下降曲线和含量及时调整,在实际应用中,“晨间快速下降也出现的比自然光条件下早,说明作物已经开始活泼,并利用基质袋内的水分图4.在这种情况下,可以在补光之后,适当增加一次灌溉.由于补光强度低于外界自然光,灌溉量不宜过多,可将栽培基质袋24h的失水率限制在15溢右.6.3 补光与湿度当补光时间提前到日出之前,由于植物气孔翻开,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.