设施园艺生产人工补光理论初探

作者简介：李涛（1985-），男，陕西商洛人，博士，       研究方向：设施园艺光生物学。

预测模型和理论分析表明，当前作物产量的显著增加只能通过提高光合能力和效率来实现，因为靠增加水肥供应提高作物产量已接近极限 [1]，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管理、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高作物光合能力，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成本等因素，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、地理位置不同或季节变化等因素，作物不可避免的面对弱光环境。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 [2-4]。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 [5]。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、中国太阳日辐射量以及人工补光思路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。

设施植物光合机理分析

光合作用是植物利用光能，同化 CO2 和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应过程。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 [6-7]。
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佳环境以期提高光合性能，从而提高产量。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、温度、湿度、CO2 等因子已基本实现可调可控，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高产量已经成为设施园艺不可忽视的关键手段之一。

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能力。换句话说，单叶片光合速率高并不意味着冠层光合能力强，因为冠层光合能力不仅受单叶片光合能力的影响，还受冠层光截获能力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，阐明单叶片和冠层光合机理对人工补光理论研究极为关键。

光合作用速率是单位光量子每秒每平方米叶片同化 CO2 的量。被植物光合作用所利用的光称之为光合有效辐射 [Photosynthetic ActiveRadiation, PAR，µmol/(m2 ·s）]，占太阳总辐射的 50% 左右。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。在光合有效辐射为0 µmol/(m2 ·s）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 的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CO2 量大于呼吸作用释放的 CO2 量，且光合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合适的补光光强。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，即光合作用达到最大值，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），从而达到最佳补光效果。

设施条件下的光照强度明显低于外界光强。考虑到经济成本因素，中国超过 95% 以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% 左右，最低不足 50%[3]。以荷兰为例，在透光率高达 90% 以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，现有的温室透光率基本上达不到温室内作物最佳生长需求，尤其在冬春季节和阴雨天气，自然光很难满足作物的正常生长发育。
此外，设施条件下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 [8-9]。Li 等 [10-11]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% 左右。在作物冠层内部，光分布不均匀性更为突出。Li等 [12] 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 5 m 长，在此范围内由冠层顶部向下 50 cm 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。如图所示，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 25 cm 测定光强，同时测定冠层相应高度的叶面积，由此得出图 3。如图所示，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，为了尽最大可能提高光能利用率，必须综合考虑补光光强以及光分布特点。

中国太阳日辐射量概况

孙友平等 [14] 利用中国 45 个气象观测站点在 1973~2002 年期间观测的水平面太阳辐射数据，建立了中国太阳日辐射图。这一地图记录了各个地区在每个月所接受的太阳日辐射量月平均值。概括如下：每年 12 月，北部地区太阳日辐射量最低，为 5~10 mol/（m2 · 天）；然而，每年的 5~7 月，西北地区的太阳日辐射量最高，为45~50 mol/（m2 ·天）。每年 10 月 ~ 次年 3 月，太阳日辐射量大致呈东西向的水平条带状分布。每年 5~8 月，中国东西部地区太阳日辐射量分布差异较大。在每年春分、秋分时节，太阳日辐射量变化最大。从每年的 3 月 21 日 ~9 月 21 日，中国北部地区的太阳辐射时间较长，但最大光子通量较低；相反，南部地区的太阳辐射时间较短，然而最大光子通量较高。由此可见，不同地区、不同季节太阳日辐射量差异较大，各地区在应用人工补光时应充分结合本地太阳日辐射量与当地气候条件综合考虑。

此外，近年来由于中国工业化进程迅猛发展导致大气污染严重，雾霾天气频现，尤其以北方地区显著。雾霾颗粒降低了太阳辐射的透过率，从而减少了太阳日辐射量，严重影响作物正常生长。以图 4 为例，该图比较了荷兰瓦赫宁根和中国北京 2015 年同期太阳日辐射量。受纬度和气候条件因素影响，中国北京的太阳日辐射量明显高于荷兰瓦赫宁根；由于受 11 月份中国华北地区持续极端雾霾天气的影响，该月份中国北京太阳日辐射量低至荷兰同期水平（图 4 虚线方框），即太阳日辐射量低至 10 mol/（m2 ·天）以下，受温室覆盖材料及骨架的影响，实际到达植物冠层的太阳日辐射量为 6 mol/（m2 ·天）以下，这一水平的太阳日辐射量难以满足果菜类作物生长。由此可见，雾霾天气对中国太阳日辐射量影响显著。为了应对极端雾霾天气对设施园艺作物生长的挑战，人工补光不失为一个良好的手段。

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