金宇章 張善端

(先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

1 引言

番茄別名西紅柿，是全世界種植最為普遍的茄果類蔬菜之一，在我國特別是北方地區(qū)已經(jīng)成為很多設(shè)施栽培的主栽作物［1］。作為一種重要的食用蔬果，番茄擁有清涼甘甜的口感。其果實(shí)含有豐富的番茄紅素、維生素C、鉀等營養(yǎng)成分，具有抗癌、防貧血、治高血壓等重要功效，可謂營養(yǎng)與美味俱全。番茄因這些優(yōu)點(diǎn)而成為世界上最受歡迎的蔬菜之一，每年巨大的產(chǎn)量帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)價值。

由于番茄在低溫季節(jié)喜溫的特點(diǎn)，我國普遍采用溫室栽培，以提供番茄生長期所需的溫度，并消除災(zāi)害天氣的影響以保證產(chǎn)量。然而，溫室的一些防寒保暖措施降低了冬季本就珍貴的光照強(qiáng)度，且縮短了照光時數(shù)，使得番茄幼苗難以茁壯生長［2］。一些研究表明，光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期對于番茄的幼苗發(fā)育、光合特性、植株形態(tài)、果實(shí)品質(zhì)及產(chǎn)量等均有較大影響。為補(bǔ)充植物成長過程中必需的光照資源，大棚內(nèi)使用的補(bǔ)光照明技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。而LED光源具有很多優(yōu)點(diǎn)，得到了研究和應(yīng)用單位的高度重視，正逐步發(fā)展成為植物補(bǔ)光照明的主流技術(shù)［3］。

在植物補(bǔ)光領(lǐng)域，LED相比白熾燈、熒光燈和HID的優(yōu)勢在于:(1)光譜純且可調(diào)制，光譜寬度在20nm左右，并且可以為植物光合作用和形態(tài)建成所需的光譜進(jìn)行量身定制，光能有效利用率可達(dá)80%～90%;(2)光效高壽命長，紅光和藍(lán)光LED的輻射效率＞40%，白光LED燈具目前光效可達(dá)100lmW–1以上，使用壽命可達(dá)30kh，大大優(yōu)于普通光源，用于規(guī)模化設(shè)施栽培時節(jié)能效果明顯;(3)LED為冷光源，適于近距離照射植物，可全空間立體安裝，不僅大大提高空間利用率，還有助于植物對光能更好的吸收;(4)LED的發(fā)光部件全固態(tài)，耐沖擊，不含汞，綠色環(huán)保，不會對植物安全產(chǎn)生任何威脅［4］。

2 番茄補(bǔ)光照明的早期研究

植物在地球上得以生存，其基本條件就是光合作用永不停歇地進(jìn)行著。光合作用是植物利用葉綠素等光合色素吸收光能，將無機(jī)物CO2和H2O轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并貯存于葡萄糖等有機(jī)分子中的過程。由于氣候和天氣等客觀因素的影響，自然光照經(jīng)常無法滿足植物的生長所需，補(bǔ)光照明應(yīng)運(yùn)而生。而番茄作為人類重要的日常食用作物之一，其補(bǔ)光照明的研究尤為重要?？茖W(xué)家們很早就開始研究補(bǔ)光照明對于番茄生長的影響。1931年，Smith等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)番茄不受光照的時候，果實(shí)內(nèi)的類胡蘿卜素含量會降低［5］。1948年，Denisen等發(fā)現(xiàn)番茄也能在黑暗無光的條件下成熟［6］。1954年和 1955年，McCollum和Nettles相繼用實(shí)驗(yàn)證明，光照下的番茄相比不受光照的番茄顏色更紅，且類胡蘿卜素含量更高［7–8］。1968年，Boe等研究了光波長對于番茄種植的影響，發(fā)現(xiàn)單一紅光處理下番茄果實(shí)的顏色效果幾乎與全光譜照射下的番茄果實(shí)幾乎一致［9］。1974年，Jen等人利用白光熒光燈和白熾燈通過濾色片產(chǎn)生藍(lán)光500nm、綠光570nm和紅光650nm照射番茄，發(fā)現(xiàn)紅光在加速葉綠素生物降解作用中效果最為顯著，藍(lán)光在加強(qiáng)類胡蘿卜素的生物合成中效果最為明顯［10］。

由此，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，不同光質(zhì)在植物生長過程中的影響不同。人們進(jìn)而研究通過方式獲取不同的光質(zhì)［11］。1991年，Masson等使用濾色片過濾高壓鈉燈光譜獲得特定光譜，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)光有助于蔬菜產(chǎn)量提高［12］。1995年，Brown等開始使用單色 LED調(diào)制出紅光、藍(lán)光和遠(yuǎn)紅光，從而探索植物的光形態(tài)建成［13］。1999年，Kozai等使用帶有光譜選擇濾波的溫室系統(tǒng)進(jìn)行封閉式種植，探討了溫室種植在解決環(huán)保、資源、食物等全球性問題上的積極作用［14］。此后，越來越多的實(shí)驗(yàn)研究揭示了光照影響番茄生產(chǎn)的方式和程度。2004年，Glowacka等的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光應(yīng)用于番茄生產(chǎn)中可以加快花蕾的形成，并且可以有效促進(jìn)植株的生長，增長干重［15］。2002年，馬光恕等研究發(fā)現(xiàn)不同覆蓋材料對溫室番茄發(fā)育會產(chǎn)生影響，光生態(tài)膜的透光性更好，更大的光量對于番茄的生長有促進(jìn)作用，對產(chǎn)量也形成很大影響，屬于國內(nèi)對光之于番茄影響的較早研究［16］。

3 LED應(yīng)用于番茄補(bǔ)光的研究現(xiàn)狀

溫室番茄補(bǔ)光照明彌補(bǔ)了弱光環(huán)境下的光照不足，增強(qiáng)了有效光譜，保證了番茄的質(zhì)量和產(chǎn)量。而近幾年正不斷發(fā)展成熟的植物工廠，有些更是將LED作為植物生長的主要光源。討論光照對于植物的影響，一般從光周期、光強(qiáng)和光質(zhì)三要素角度進(jìn)行研究。

3.1 光強(qiáng)

光強(qiáng)在補(bǔ)光照明中一般用光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)定量表征，單位為 μmo1·m–2·s–1。據(jù)報道，對于番茄的栽培一般需要30mo1·m–2·d–1或更高的光照量，而對于番茄種苗培植則最好使用4.8～6.0mo1·m–2·d–1的光照量 (這對應(yīng)于光照周期為12h下111～139μmo1·m–2·s–1的光強(qiáng))。過低的光強(qiáng)很有可能減少果實(shí)產(chǎn)量和質(zhì)量，達(dá)不到補(bǔ)光照明的預(yù)期效果［17］。

3.2 光周期

光周期即為光照期與暗期長短的交替變換。一般番茄種植的光周期為12～16h。光周期的延長能在一定程度上促進(jìn)植株的生長［18］。但是，光周期也不宜太長，當(dāng)連續(xù)數(shù)日具有超過17h的光周期時，葉子就容易出現(xiàn)缺綠病［17］。同時，一定不能打斷種植過程中的黑暗周期，否則會減緩生產(chǎn)而降低產(chǎn)量［19］。目前對于番茄各個生長階段的補(bǔ)光研究中，大多設(shè)定光周期為 12 ～14h［20］。

3.3 光質(zhì)

光質(zhì)由光源的光譜能量分布決定。葉綠素對于光譜中的不同波段吸收率不同，反應(yīng)方式也不同。因此不同光質(zhì)對番茄的幼苗發(fā)育、植株形態(tài)、果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)等會產(chǎn)生不同的影響。早在1883年，德國生物學(xué)家Engelmann就利用水綿獲得了葉綠素的作用光譜。他發(fā)現(xiàn)，葉綠素在紅光和藍(lán)光下的光合效率特別高，在黃綠光的波段卻較不敏感。因此，學(xué)者們對于溫室番茄補(bǔ)光的研究大多聚焦于紅光和藍(lán)光的影響。紅光LED的峰值波長一般為660nm，藍(lán)光為460nm，黃光為590nm，綠光為530nm，UV－B為300nm。應(yīng)用于補(bǔ)光照明的LED波長半寬可達(dá)5nm［21］。以下分別討論紅光、藍(lán)光、其他可見光、UV－B等對于番茄幼苗生長、植株形態(tài)和果實(shí)品質(zhì)的影響。

圖1 葉綠素的作用光譜曲線Fig.1 Action spectrum of chlorophyll

3.3.1 紅光、藍(lán)光以及紅藍(lán)光組合的作用

國內(nèi)外眾多的研究一致表明，紅光和藍(lán)光是番茄生長過程中最不可或缺的光能，這與葉綠素作用光譜顯示的高吸收率波段相符。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的徐志剛教授課題組利用6種不同光譜能量分布的LED光源，在AGRI－LED植物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)培育番茄 (品種為櫻桃番茄“千禧”)，光強(qiáng)為 320μmo1·m–2·s–1左右，光周期為 12h。對于番茄幼苗，他們認(rèn)為，紅、藍(lán)光的復(fù)合光質(zhì)使得幼苗矮壯，比葉面積小，根冠比及壯苗指數(shù)高，有利于生長發(fā)育。單一的紅光照射會引起幼苗徒長，浪費(fèi)大量養(yǎng)分。而添加藍(lán)光可以有效抑制徒長，還可以顯著提高幼苗總可溶性糖、總游離氨基酸含量以及干樣質(zhì)量［21］。然而，單一藍(lán)光LED顯著影響幼苗生長發(fā)育的研究報道并不多見［22］。對于果實(shí)質(zhì)量，他們研究了不同配比的紅光、藍(lán)光組合在二葉一心時開始處理對于“千禧”果實(shí)品質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)表明:相同光強(qiáng)下 (300μmo1·m–2·s–1)，藍(lán)光比例增大有利于促進(jìn)番茄紅素、可溶性固形物、游離氨基酸和類黃酮的形成，并提高糖酸比值，可以更多地積累營養(yǎng)物質(zhì)。藍(lán)光光強(qiáng)占25%時不利于果實(shí)品質(zhì)的提高，藍(lán)光占60%時的紅藍(lán)組合光質(zhì)是對于番茄果實(shí)品質(zhì)相對較好的光源［23］。

李軍等采用3種不同光質(zhì) (藍(lán)、紅、白)LED光源對秋番茄植株生長及果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對照，認(rèn)為紅光處理對葉綠素總量、葉綠素b、葉綠素a/b值無明顯影響，而藍(lán)光能顯著降低總?cè)~綠素和葉綠素b含量，顯著提高了葉綠素a/b值。在藍(lán)光、紅光組合處理下，植株的相對株高、節(jié)間距、葉面積顯著降低，莖粗增顯著增加，而番茄果實(shí)可溶性糖含量亦顯著增加。可見，此種光質(zhì)處理有效控制了徒長，使得養(yǎng)分更順利地傳遞到番茄果實(shí)［24］。

陳強(qiáng)等利用LED光源調(diào)制了紅光、藍(lán)光和紅、藍(lán)組合光質(zhì) (紅光/藍(lán)光=3:1)，在番茄果實(shí)轉(zhuǎn)色期進(jìn)行照射，距離光源50cm處的光照度為100～105μmo1·m–2·s–1，光周期為 13h。結(jié)果顯示:紅光下番茄紅素積累最多，且紅、藍(lán)光組合處理可以顯著提高番茄果實(shí)中糖和酸的含量，且糖/酸值較高，可作為番茄果實(shí)轉(zhuǎn)色期補(bǔ)光照明的主要光質(zhì)［1］。

Javanmardi等對溫室番茄進(jìn)行光照處理，分為白光、紅光、藍(lán)光、紅藍(lán)光組合等若干組。光強(qiáng)均為30μmo1·m–2·s–1，光周期均為 16h。他們發(fā)現(xiàn)，在紅光或者紅、藍(lán)光組合照射下，植株莖粗更大。而單一藍(lán)光下，植株高度會降低，并且脯氨酸含量最高，而脯氨酸與植物耐受脅迫的能力相關(guān)，能夠提高植物的在不利環(huán)境下的生存力。同時，光質(zhì)對于植物生長的影響具有品種特異性，對不同的植物其作用程度不同［25］。

目前已有的研究大多顯示，紅光和藍(lán)光對于番茄各個階段的生長會產(chǎn)生積極作用。而紅、藍(lán)光的光強(qiáng)配比，在補(bǔ)光照明中尤為重要，需要更深入、更精確的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提高番茄的品質(zhì)。

3.3.2 其他可見光 (黃、綠)的作用

自然光以及傳統(tǒng)植物補(bǔ)光光源發(fā)射的都是連續(xù)光譜，除了紅光、藍(lán)光，也包含其他顏色的光譜成分。LED光源的光譜具有高度可調(diào)制性，幫助人們方便地獲得單色光，單獨(dú)分析各種光譜成分對于目標(biāo)植物的影響程度。

蒲高斌等就不同光質(zhì)對番茄幼苗生長和果實(shí)轉(zhuǎn)色期品質(zhì)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。結(jié)果表明:黃光、綠光處理下的幼苗總氮含量較高，但光合速率非常低。黃光、綠光處理下較低的C/N(碳氮比，碳素與氮素的比例)使幼苗嚴(yán)重徒長，造成養(yǎng)分浪費(fèi)［2］。此外，番茄果實(shí)轉(zhuǎn)色期間的黃光處理不會對果實(shí)的番茄紅素、維生素C等營養(yǎng)成分含量造成顯著差異，而綠光處理反而會造成番茄果實(shí)的品質(zhì)下降［26］。

常濤濤等認(rèn)為，黃光處理的番茄幼苗總的蔗糖含量雖然較高，但其它各項(xiàng)生物量指標(biāo)都較差，在幼苗發(fā)育階段不宜使用［21］。

Javanmardi等對比了番茄等作物對于不同LED光譜的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)綠光和黃光有抑制幼苗側(cè)枝生長的作用，減少了側(cè)枝的數(shù)量，不利于幼苗生長［25］。

國內(nèi)外學(xué)者對于黃光、綠光之于溫室番茄作用大小的研究成果大體相似，不推薦在番茄生長的各個階段，特別是幼苗期使用這兩種顏色的光照。

3.3.3 增加UV－B對番茄品質(zhì)的影響

國內(nèi)外研究表明，除了可見光，UV－B也會對番茄的生長發(fā)育起到一定程度的影響。以前人們大多使用紫外熒光燈產(chǎn)生UV－B，其譜線寬度相比LED光源稍寬。但隨著技術(shù)的改良和進(jìn)步，越來越多的紫外光LED正投入生產(chǎn)和應(yīng)用，植物補(bǔ)光照明也將全面進(jìn)入LED時代。

王英利等對番茄品種毛粉802進(jìn)行UV－B和紅光復(fù)合處理。研究結(jié)果顯示:高劑量 UV－B(0.95kJ·m–2·d–1，每日3小時)會降低果實(shí)的番茄紅素和維生素C的含量，而低劑量UV－B(0.54kJ·m–2·d–1，每日3小時)可提高番茄紅素和維生素C含量。他們還發(fā)現(xiàn)，在番茄的不同發(fā)育階段進(jìn)行UV－B處理，果實(shí)的品質(zhì)不同。根據(jù)分組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得出結(jié)論:9～10葉期開始施加0.54kJ·m–2·d–1的UV－B配合一定劑量紅光進(jìn)行復(fù)合處理，并在開花座果期停止照射，可以顯著提高番茄果實(shí)品質(zhì)［27］。

楊暉等以蘭州地區(qū)常見的兩個番茄品種(“同輝”早熟型和“霞光”晚熟型)為實(shí)驗(yàn)比較對象，探討了高劑量 UV－B輻射 (4.25kJ·m–2·d–1)和低劑量 UV－B輻射 (2.54kJ·m–2·d–1)對這兩種番茄果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量的影響程度。實(shí)驗(yàn)證明，“同輝”的產(chǎn)量隨著輻射增加而明顯增加，而“霞光”的產(chǎn)量卻只在低輻射下增加。要增加番茄的產(chǎn)量，就要根據(jù)品種的不同而控制UV－B的劑量［28］。他們還認(rèn)為，UV－B對于不同種類的番茄，會對其花粉萌芽、種子質(zhì)量、開花數(shù)等繁殖特性分別產(chǎn)生不同程度影響［29］。

Castagna等在番茄“Moneymaker”和“hp－1異種”兩個品種發(fā)芽之后直到紅熟期施加6.08kJ·m–2·d–1的UV－B光照，時長為1小時 (即果實(shí)水平面輻照度為1.69W·m–2)。結(jié)果表明，UV－B處理的好處是會使不同番茄品種的果實(shí)都擁有更高的維生素C濃度和類胡蘿卜素濃度，危害是卻會使番茄品種的果肉質(zhì)地變軟。但是這些結(jié)果也有可能根據(jù)UV－B劑量的變化而變化，需要更多的實(shí)驗(yàn)比較才能確認(rèn)這些特性［30］。

研究者們在不同氣候地區(qū)，對于不同品質(zhì)的番茄施加不同光量的UV－B獲得的結(jié)果差異顯著。因此，要對于UV－B處理之于番茄生產(chǎn)的影響獲得一個清晰的結(jié)論還有待更全面的研究和更深入的討論。

3.4 其他番茄補(bǔ)光相關(guān)研究

Erhioui等對比有無補(bǔ)光照明及不同的大棚材料對于溫室番茄的影響后發(fā)現(xiàn)，透光率較高的大棚材料和充足的補(bǔ)光照明能為加拿大春季番茄生長和生產(chǎn)提供了良好的環(huán)境。更好的光照可以增加葉片的數(shù)量、重量、光合作用率和產(chǎn)量［31］。

王洪安等的實(shí)驗(yàn)證明，番茄育苗過程中進(jìn)行補(bǔ)光照明不僅可以顯著促進(jìn)幼苗的光合作用，還可以提高幼苗的抗病性。這是因?yàn)檠a(bǔ)充的光照大大提高了幼苗防御系統(tǒng)酶的活性，而防御系統(tǒng)酶活性的高低與植物抗逆境特別是抗病害的能力關(guān)系密切。因此，使用補(bǔ)光照明的溫室番茄比普通番茄更加安全健康［32］。

Furusawa等根據(jù)可見光譜的特征信息發(fā)明了一種對于番茄圖像的顏色校準(zhǔn)方法，從而評估不同光照條件下的番茄果實(shí)顏色。他們考慮和分析了照明燈光的光譜對于番茄表面色彩效果的影響，并與自然光下拍攝的番茄標(biāo)準(zhǔn)圖像的RGB值進(jìn)行比對，從而獲得準(zhǔn)確的顏色評估結(jié)果。這種方法可用于長時間地監(jiān)視在補(bǔ)光照明下培養(yǎng)的番茄果實(shí)的表面顏色的變化，從而分析其成熟的過程與質(zhì)量的好壞［33］。

3.5 番茄補(bǔ)光照明研究的不足和可能的研究方向

盡管國內(nèi)外對于LED在溫室番茄生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)做了大量研究，但已有的研究中依然有三個問題有待解決:(1)對于究竟何種光強(qiáng)、光周期和光質(zhì)配比是最優(yōu)的這個問題尚無定論，人們只是設(shè)定有限的若干組研究對象進(jìn)行對照，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能是大致趨勢，尚未給出準(zhǔn)確的最優(yōu)值;(2)沒有研究同時考慮不同波長LED的輻射效率、植物葉綠素對不同波長的有效作用曲線和植物特征參數(shù)的改變量，來給出單位功率的電能對改善果實(shí)品質(zhì)的作用，即光源的能效;(3)對于不同品種的番茄，補(bǔ)光照明的處理不盡相同，缺乏一套成本低廉而行之有效的LED補(bǔ)光實(shí)驗(yàn)方法來針對每一種番茄量身定制其補(bǔ)光照明方案，以獲得最大產(chǎn)量及最優(yōu)品質(zhì)。LED技術(shù)的不斷成熟使得光強(qiáng)和光質(zhì)的調(diào)制、光周期的控制以及燈具的設(shè)計和布置越來越簡易化和自定義化。相信上述問題得以解決后，LED的應(yīng)用一定會對我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到更大的助推作用。

4 新型LED光源應(yīng)用于溫室番茄生產(chǎn)的前景分析

近幾年，LED在植物設(shè)施栽培領(lǐng)域的研究和發(fā)展已經(jīng)引起全世界的重視。采用LED為主要光源的植物工廠可以使得大規(guī)模番茄栽培的空間利用率和環(huán)境可控性大幅提高［34］，電能損耗量大幅減小［35］，災(zāi)害影響度大幅降低，已經(jīng)成為未來農(nóng)業(yè)的必然發(fā)展方向。美國、日本、荷蘭、英國等發(fā)達(dá)國家的蔬菜生產(chǎn)已然在植物工廠的道路上大步邁進(jìn)。在荷蘭皇家普萊德公司 (Royal Pride Holland)的植物工廠中，先進(jìn)的溫室技術(shù)和照明技術(shù)已經(jīng)可以保證全年365天供應(yīng)美味、安全、健康的多個品種的番茄，并且銷往英國、德國、西班牙等國。

在中國，溫室栽培技術(shù)已經(jīng)較為成熟，是經(jīng)濟(jì)型農(nóng)業(yè)的重要部分。但大棚內(nèi)的光照仍然以太陽光為主，光能利用率較低，并且受季節(jié)和天氣影響較大。因此，建設(shè)封閉式的植物工廠，開發(fā)LED光環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的具有重要意義。迄今為止，我國在植物工廠設(shè)施開發(fā)和LED植物應(yīng)用的機(jī)理研究尚處于起步階段。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等機(jī)構(gòu)正大力研究和推廣植物工廠概念及應(yīng)用，獲得了諸多LED植物照明企業(yè)和溫室種植企業(yè)的響應(yīng)和支持。我國首家植物工廠于2009年落戶北京通州，標(biāo)志著我國的植物工廠已初具雛形。

LED照明技術(shù)的不斷進(jìn)步正引領(lǐng)溫室補(bǔ)光照明進(jìn)入一個更節(jié)能，更可控的時代［36］，也勢必會在未來植物工廠化的大規(guī)模番茄生產(chǎn)中扮演一個不可或缺的角色。

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