1、溫室補光策略近年來荷蘭Venlo型智能溫室在中國發展迅速，2hm2以上的大型現代化玻璃溫室越來越多。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，追求在符合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，并持續生產到翌年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月份，甚至7月份。牛肉番茄產量也從60kg/m2,逐步突破了100kg/m2。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，中國北方溫帶季風氣候條件下的很多溫室8、9

2、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，科學補光也成為溫室種植者日益關心的議題。預測模型和理論分析表明，當前作物產量的顯著增加只能通過提高光合能力和效率來實現，因為靠增加水肥供應提高作物產量已接近極限，在設施園藝領域尤為如此。多年來，設施園藝從業者把主要精力集中在作物水肥管理、栽培模式創新以及溫室結構改進等方面，通過這些手段優化作物生長環境從而間接提高作物光合能力，進而提升作物產量。光作為影響植物生長最關鍵的環境因子，通過影響植物光合作用、光形態建成來調節植物的生長發育。長期以來受制于技術以及成本等因素，設施園藝作物的生長發育主要依賴太陽輻射，因所處氣候帶

3、、地理位置不同或季節變化等因素，作物不可避免的面對弱光環境。長時間的弱光會導致植物營養體不健壯、落花落果嚴重、植物生長發育緩慢、產量下降、品質低下等。隨著現代設施園藝技術在世界范圍的廣泛應用，設施光環境對園藝作物生產性能的影響也越來越受到關注，人工補光已經成為設施園藝種植的關鍵技術之一。為了使人工補光技術在中國設施園藝領域更加快速、正確地被相關從業人員所了解和掌握，本文從設施植物光合作用特性、設施光環境特征、光對作物生產性能影響、補光需求與栽培計劃相關性、補光策略與補光系統設計、補光策略與溫室管理、種植者水平對補光效益的影響等方面進行理論闡述，以期對設施園藝人工補光應用提供有益的參考。一、設施

4、植物光合機理分析光合作用是植物利用光能，同化CO才口水制造有機物質并釋放氧氣的過程。光合作用不僅是植物體內最重要的生命活動過程，也是地球上最重要的化學反應過程。地球上幾乎所有的有機物質都直接或間接地來源于光合作用，經光合作用合成的物質不僅是植物合成其結構物質和維持其生命活動的能量物質的根本來源，同時也是其他生命有機體的結構和能量物質的根本來源。光合作用長期以來倍受關注，成為農學和生物學研究熱點。在設施園藝領域，人們通過各種人為手段為作物創造最佳環境以期提高光合性能，從而提高產量。影響作物光合作用的因素有多方面，外界因素主要包括光照、CO2溫度、濕度、礦質元素、水分等。當前，設施環境下的水肥、溫

5、度、濕度、CO有因子已基本實現可調可控，在此條件下作物光合作用完全取決于光照環境的影響。因此，通過改善光環境來提高產量已經成為設施園藝不可忽視的關鍵手段之一。通常，提及光合作用人們首先考慮的是單葉片的光合速率，而植物冠層光合速率往往被忽略。單葉片光合速率只能說明在特定環境條件下葉片光合作用對環境的適應及響應特性，并不能說明作物冠層光合能力。換句話說，單葉片光合速率高并不意味著冠層光合能力強，因為冠層光合能力不僅受單葉片光合能力的影響，還受冠層光截獲能力以及冠層光分布等因素的影響。植物冠層光合速率直接影響作物生物量以及產量。因此，闡明單葉片和冠層光合機理對人工補光理論研究極為關鍵。光合作用速率是

6、單位光量子每秒每平方米葉片同化CO2勺量。被植物光合作用所利用的光稱之為光合有效輻射PhotosyntheticActiveRadiation,PAR,叩ol/（m2s）,占太陽總輻射的50溢右。如圖1所示，植物葉片光合作用光響應曲線有幾個重要的節點。1時片郵風廖光合作陽史勺廖鳥曲如江期中在光合有效輻射為0mol/（m2s）時（即黑暗條件下，A）,植物只進行呼吸作用，即消耗體內有機物和釋放CO2當光強增加到某一點后，光合作用同化CO2的量與呼吸作用釋放CO2勺量相等時的節點為光補償點（B）,該點的光照強度即為光補償光照強度。當光強高于光補償光照強度時，光合作用同化的CO2S大于呼吸作用釋放的C

7、O2S,且光合作用速率隨光強增高而升高。在此階段，光合速率與光強呈線性關系（C）,其斜率表示光合作用光能利用效率。在整個光合作用光響應曲線中，該階段的光能利用率最大。因此在人工補光實際應用中，應在這一階段內尋求合適的補光光強。當光照升高到一定強度時，葉片光合速率升高減緩直至保持平穩，即光合作用達到最大值，而該點稱為光飽和點（D）,引起光合作用飽和點的光強為飽和光強。對于冠層來說，光合速率隨光強增加而持續升高，光合作用飽和點不易出現（圖1實線）。該現象的出現主要是由于作物冠層光分布不均勻性導致的。在高光強下，冠層頂部葉片雖已達光飽和點，但冠層中下部葉片仍處于弱光環境。據此，在人工補光實際應用過程

8、中，必須結合作物單葉片和冠層光合特性綜合考慮補光燈具光強以及燈具安裝位置（如頂部補光結合冠層補光），從而達到最佳補光效果。2、設施光環境特征分析設施條件下的光照強度明顯低于外界光強?？紤]到經濟成本因素，中國超過95%U上的溫室都使用塑料薄膜作為覆蓋材料，塑料溫室透光率最高為70%fc右，最低不足50%以荷蘭為例，在透光率高達90%U上的玻璃材料覆蓋的連棟溫室里，其透光率通常也在70%左右。導致溫室透光率低的因素是多方面的，如覆蓋材料自身對光的吸收和反射、溫室骨架及設備的遮擋、外部粉塵沉積、內部結露等。因此，對于大多數果菜和切花類等需光性強的園藝作物來說，現有的溫室透光率基本上達不到溫室內作物最

9、佳生長需求，尤其在冬春季節和陰雨天氣，自然光很難滿足作物的正常生長發育。止匕外，設施條件下的光照強度分布很不均勻。受溫室骨架、作物冠層結構以及太陽高度角的動態變化影響，作物冠層呈現大量且持續變化的光斑。受制于光合誘導現象的影響，光的持續動態變化會限制植物光合速率的提升。Li等研究發現，在溫室條件下光照環境的動態變化導致盆栽紅掌光能利用率在其生長季降低8溢右。在作物冠層內部，光分布不均勻性更為突出。Li等對溫室番茄冠層光環境進行了系統的測定，在溫室里選定6行作物，每行5m長，在此范圍內由冠層頂部向下50cm處（即冠層中上部）測定120個點的光強，冠層水平面的光強分布如圖2。；廣一年）弋工直小：一

10、毛:一三千萬三于在，巴.X對7/1和青衣M點平刀向忙工；1通1后若汽震1!套慌的行戴.工制工定了備定建圉.依居H迪王空抒班目導。C12345毛享居一.辛圖2先冒在作物冠層水平方"四端霜卿工期看如圖所示，受冠層結構相互遮陰影響，水平方向上光分布很不均勻。在冠層垂直方向上，由冠層頂部向下每25cm測定光強，同時測定冠層相應高度的葉面積，由此得出圖3。»-工，情車對幡，fWSSW任一部£”咨可尋贏麻田比誨而it柯美亞）二？于匚.土？也紀上E凈TfilWF罌叱主;十苴二1時王，月宣南防五房營白工宣土包電力為0L圖3兆強在驊翔需層垂直方；于揭卷靜修盤亙如圖所示，在垂直方向上

11、，冠層葉片接受的光強隨葉面積指數的增加（即植株高度下降）呈指數下降趨勢。鑒于植物葉片光合速率與光強呈非線性關系（圖1）,光在作物冠層的不均勻性分布特點降低了光能利用效率。綜上所述，在人工補光實際應用中，為了盡最大可能提高光能利用率，必須綜合考慮補光光強以及光分布特點。3、光對作物生產性能影響在設施條件下，作物生長速率取決于作物冠層接受的總光量。如前所述，在冬春季節自然光難以滿足設施作物生長的最佳需求。而人工補光可以部分地解決這一問題。在人工補光的實際應用中，對其進行效用分析非常必要。眾所周知，荷蘭為設施園藝產業最發達的國家，受其地理位置及氣候條件的影響，人工補光已廣泛應用于園藝作物生產中。其相

12、關從業人員對光影響作物生長進行了系統的量化分析。通過多年的經驗積累及相關科研結果得出在設施條件下每減少1%勺光量意味著降低1溢右的產量，即著名的1悔驗定律。哀1在祺施條傅下每降低1%意光B致幾種園藝作物平均標產數概況被據來毒：支mE一甲代t戶不訴研表1為Marcelis等通過近百篇相關文獻及數家種植戶的經驗總結得出結論，本節轉述在此以期對中國設施園藝人工補光應用提供理論參考。表1顯示設施條件下總光量對作物產量影響顯著。但同時也必須意識到作物生長是由多因素協同作用的結果。因此，在人工補光應用過程中也必須考慮到其它環境因子的協同作用。例如，在增加光強的同時也應補充CO冰度及提高空氣溫度，這樣才能達

13、到最佳補光效果。鑒于中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方面來闡述關于溫室補光的實際應用，以期為中國現代溫室種植者提供補光指導和實踐建議。4、補光需求與栽培計劃相關性溫室是否需要補光，植物每周的生長數據可作為判斷依據。植株的生長量、莖粗、葉片長度、開花速率（標準果穗每周植株凈增開花數/標準開花數）及坐果速率（標準果穗每周植株凈增坐果數/標準坐果數）都能體現作物的生長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，大多北方溫室會選擇3葉/4葉1心的小苗進行定植。從9月底（39周）定植，至第一穗花開始完全開放

14、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，作物表現為莖稈粗壯、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），種植者可通過此現象來判斷一天的光合作用強弱。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生長呈明顯變弱趨勢，生長點處莖粗變細、葉片變薄、新生長的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

15、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,自然光照就逐步減弱，這意味著能供給作物的光合產物日益減少。以牛肉番茄為例，定植密度為2.5棵/m2,在52周成株時期對外界光照的需求上升到1400J/cm2左右（溫室透光率為70%。此時北京外界的周平均光照只有500600J/cm2（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，減少留果量盡量降低寡照時期的風險。5、補光策略與補光系統設計若溫室配備補光系統，也需合理的補光策略與之相結合，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生長狀態來進行補光。5.1 補

16、光光源目前市場上溫室補光燈的燈源主要有高壓鈉燈和LEDT。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，所以高壓鈉燈使用過程中會產生很多熱量。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，底部的冷空氣并不能很好的環流，溫室需要配備良好的環流設備，高壓鈉燈的使用能多大程度節約能源還需要具體計算。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補光和L

17、ED植株間照明相結合的混合補光系統過渡。LED補光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丁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。5.2 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

18、使用都會影響實際的室內光照。種植者可以通過溫室或者從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11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%fc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，需要到日出后23h,外界光照強度達到150W/m2以上時才能完全打開。下午日落前也會提前關閉，所以溫室白天實際光照時間更短。止匕外，容易忽略的一點是溫室玻璃的清洗，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，頂部玻璃清理不及時，會很大程度上降低溫室的透光率。由于荷蘭冬季

19、光照較弱，一天光照累積量最低至150200J/cm2,所以補光強度在220叩ol/(m2s)以上。最長18h的補光，能夠提供14.3mol/m2的光合有效輻射(PAR,等同于在室內補了663J/cm2的自然光?？紤]到中國北方實際的光照情況和經濟效益，若以外界最低光照(500J/(cm2day)時期總光照(補光+自然光)能達到室外1000J/cm2為基準(溫室透光率為70%,溫室內建議補光強度至少達到130150gol/(m2s)。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2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400gol/(m2s)之前，番茄葉片的凈光合速率隨著光強

20、增加而快速增加，進入500-800叩ol/(m2s)區間凈光合速率增加速率減緩，超過800叩ol/(m2-s)之后，接近于飽和狀態。考慮到溫室的補光效益，當外界光照探測儀測量的自然光強超過450W/m2(接近于970叩ol/(m2s),溫室透光率為70%時，頂補光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單位轉換關系（自然光：1MJ/m2PAR=4.6mol/m2=71.9KLxh高壓鈉燈：1MJ/m2PAR=5mol/m2=118KLXh。5.3 補光模

21、式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（LeafareaIndex,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。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。植株間補光燈的位置需要與底部葉片保持

22、40cm以上的距離（圖3）。6、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。6.1 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/m21升到400W/m2加溫和通風溫度各加1C,或者一天光照積累到1000J/cm2可以適當增加總光照對夜溫的影響，增強呼吸作用，消耗富足的光合產物。一般溫室室外會配備總輻射傳感器，但是內部配備測PAR勺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溫度影響時，也需要將補光

23、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，保持較高的溫度，冬季果穗的坐果率明顯增加。6.2 補光+灌溉灌溉策略制定主要根據光照和時間兩因素來控制，保證植物在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2h,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”也出現的比自然光條件下早，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，可將栽培基質袋24h的失水率控制在15溢右。6.3 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