LED补光对温室水培生菜、小白菜冬季增产效果的研究
[摘要] 上海冬季常遇低温少日照，大棚水培叶类蔬菜生长缓慢，生产周期长，不能满足市场供应需求。近年来，LED植物补光灯开始应用于温室栽培和生产，一定程度上弥补了自然光不足时温室内日积光量不能满足作物生长需要的缺陷。不足的。试验中，在温室内安装了两种不同光质的LED补光灯，进行冬季水培生菜和绿茎增产的探索试验。结果表明，两种LED灯均可显着提高小白菜和生菜的单株鲜重。小白菜的增产作用主要体现在叶片膨大、增厚等综合感官品质的提高，莴苣的增产作用主要体现在叶片数量和干物质含量的增加。

光是植物生长不可或缺的一部分。近年来，LED灯以其光电转换率高、光谱可定制、使用寿命长等优点被广泛应用于温室环境的种植和生产中[1]。在国外，由于相关研究起步较早，配套体系成熟，许多规模化的花卉果蔬生产具有较为完善的补光策略。大量实际生产数据的积累，也让生产者能够清晰地预测增产效果。同时对使用LED补光系统后的回报进行评估[2]。然而，目前国内对补光的研究大多偏向于小规模的光质和光谱优化，缺乏可用于实际生产的补光策略[3]。很多国内生产者在将补光技术应​​用到生产中时，会直接使用国外已有的补光方案，而不管产地的气候条件、生产的蔬菜种类、设施设备的条件如何。此外，补光设备成本高、能耗大，往往造成实际作物产量和经济效益与预期效果存在巨大差距。这样的现状不利于我国补光增产技术的发展和推广。因此，迫切需要将成熟的LED补光灯产品合理投放到国内实际生产环境中，优化使用策略，积累相关数据。

冬季是新鲜叶类蔬菜需求旺盛的季节。与室外农田相比，温室在冬季可以为叶类蔬菜的生长提供更适宜的环境。但有文章指出，一些老化或清洁不佳的温室，冬季透光率低于50%。此外，冬季还容易出现长期阴雨天气，使温室处于低湿状态。温度和弱光环境，影响植物的正常生长。光照已成为冬季蔬菜生长的限制因素[4]。实验使用的是已经投入实际生产的Green Cube。浅液流叶菜种植系统搭配昕诺飞（中国）投资有限公司两款不同蓝光配比的LED顶光模组。种植生菜和小白菜这两种市场需求量较大的叶菜类蔬菜，旨在研究冬季温室LED照明对水培叶菜类蔬菜产量的实际增产效果。

材料和方法
用于测试的材料

实验中使用的测试材料是生菜和小白菜。生菜品种Green Leaf Lettuce来自北京鼎丰现代农业发展有限公司，小白菜品种Brilliant Green来自上海市农业科学院园艺研究所。

实验方法

试验于2019年11月至2020年2月在上海绿立方孙桥基地文螺型玻璃温室进行，共进行两轮重复试验。第一轮试验于2019年底，第二轮试验于2020年初，试验材料播种后置于人工光气候室育苗，潮灌。育苗期采用EC为1.5、pH为5.5的水培蔬菜普通营养液灌溉。幼苗长至3叶1心期后，定植于绿立方履带式浅流叶菜栽培床上。种植后，浅流营养液循环系统采用EC 2 和pH 6 的营养液进行日常灌溉。灌水频率为 10 分钟，停水 20 分钟。实验设置对照组（不补光）和治疗组（LED补光）。CK在不补光的情况下种植在玻璃温室中。LB：drw-lb Ho（200W）在玻璃温室种植后进行补光。水培蔬菜冠层表面光通量密度(PPFD)约为140 μmol/(㎡·S)。MB：玻璃温室种植后，使用drw-lb（200W）补光，PPFD约为140μmol/（㎡·S）。

第一轮试验种植日期为2019年11月8日，定植日期为2019年11月25日，试验组补光时间为6:30-17:00；第二轮试验种植日期为2019年12月30日，种植日期为2020年1月17日，试验组补充时间为4:00-17:00
冬季晴朗天气，温室每天6：00-17：00打开天窗、侧膜和风机通风换气。夜间气温较低时，温室于17：00-次日6：00关闭天窗、侧卷膜和风机，打开温室内保温幕进行夜间保温。

数据采集

株高、叶数和单株鲜重是在收获清净菜和生菜的地上部分后获得的。称取鲜重后，放入烘箱中，75℃烘干 72 h。结束后，测定干重。温度传感器 (RS-GZ-N01-2) 和光合活性辐射传感器 (GLZ-CG) 每 5 分钟收集和记录温室中的温度和光合光子通量密度 (PPFD，光合光子通量密度)。

数据分析

根据以下公式计算光利用效率（LUE，Light Use Efficiency）：
LUE（g/mol）=单位面积蔬菜产量/单位面积蔬菜从种植到收获累计获得的总光照量
按以下公式计算干物质含量：
干物质含量（%）=单株干重/单株鲜重×100%
使用Excel2016和IBM SPSS Statistics 20对实验中的数据进行分析，分析差异显着性。

材料和方法
光和温度

第一轮试验从播种到收获用时46天，第二轮试验从播种到收获用时42天。第一轮试验期间，温室日平均温度大多在10-18℃范围内；第二轮试验期间，温室内日平均气温波动较第一轮试验期间更为剧烈，最低日平均气温为8.39℃，最高日平均气温为20.23℃。日平均气温在生长过程中总体呈上升趋势（图1）。

第一轮试验期间，温室日光积分（DLI）波动小于14 mol/（㎡·D）。第二轮试验期间，温室日累计自然光量总体呈上升趋势，均高于8 mol/(㎡·D)，最大值出现在2020年2月27日，为26.1 mol /(㎡·D)。第二轮试验期间温室日累计自然光量的变化大于第一轮试验期间的变化（图2）。第一轮实验中，补光组日累计总光量（自然光DLI与led补光DLI之和）绝大部分时间高于8mol/(㎡·D)。在第二轮实验中，补光组日总累积光量大部分时间都在10 mol/(㎡·D)以上。第二轮总累积补光量比第一轮多31.75 mol/㎡。

叶类蔬菜产量与光能利用效率

●第一轮测试结果
从图3可以看出，补LED的小白菜长得更好，株形更紧凑，叶片比不补CK的更大更厚。LB 和 MB 小白菜的叶子比 CK 更亮、更深。从图4可以看出，LED补光的生菜比没有补光的CK长得更好，叶片数量更多，株型更饱满。

从表1可以看出，CK、LB和MB处理的小白菜株高、叶数、干物质含量和光能利用效率无显着差异，但LB和MB处理的小白菜鲜重为显着高于CK；两种不同蓝光配比的LED生长灯在LB和MB处理下单株鲜重无显着差异。

由表2可见，LB处理生菜株高显着高于CK处理，但LB处理与MB处理无显着差异。3个处理叶片数差异显着，MB处理叶片数最高，为27片。LB处理单株鲜重最高，为101g。两组之间也存在显着差异。CK和LB处理干物质含量无显着差异。MB含量比CK和LB处理高4.24%。三种处理的光利用效率存在显着差异。LB处理的光利用效率最高，为13.23 g/mol，CK处理最低，为10.72 g/mol。

●第二轮测试结果

从表3可以看出，MB处理的小白菜株高显着高于CK，与LB处理无显着差异。LB和MB处理的小白菜叶片数显着高于CK，但两组补光处理无显着差异。3种处理单株鲜重差异显着。CK处理单株鲜重最低，为47 g，MB处理最高，为116 g。3种处理间干物质含量无显着差异。光能利用效率存在显着差异。CK 较低，为 8.74 g/mol，而 MB 处理最高，为 13.64 g/mol。

由表4可见，3个处理间生菜株高无显着差异。LB和MB处理的叶片数显着高于CK。其中MB叶片数最高，为26片。LB和MB处理叶片数无显着差异。两组补光单株鲜重均显着高于CK，其中MB处理单株鲜重最高，为133g。LB 和 MB 处理之间也存在显着差异。3个处理间干物质含量差异显着，LB处理干物质含量最高，为4.05%。MB处理的光能利用效率显着高于CK和LB处理，为12.67 g/mol。

第二轮实验时，补光组的总DLI远高于第一轮实验相同定植天数的DLI（图1-2），补光组的补光时间治疗组在第二轮实验(4:00-00-17:00)。与第一轮实验（6:30-17:00）相比，增加了2.5小时。两轮小白菜的收获时间为播种后35天。两轮CK单株鲜重相似。在第二轮实验中，LB 和 MB 处理与 CK 相比每株植物鲜重的差异远大于第一轮实验中与 CK 相比的每株植物鲜重差异（表 1，表 3）。第二轮实验生菜的收获时间为种植后42天，第一轮实验生菜的收获时间为种植后46天。第二轮实验生菜CK收获定植天数比第一轮减少4天，但单株鲜重是第一轮实验的1.57倍（表2和表4），光能利用效率相近。可以看出，随着气温逐渐回暖，温室内自然光逐渐增强，生菜的生产周期缩短。

材料和方法
两轮试验基本覆盖上海市整个冬季，对照组（CK）能够比较还原冬季低温低日照温室水培绿茎生菜的实际生产状况。补光实验组在两轮实验中对最直观的数据指标（单株鲜重）均有显着促进作用。其中，小白菜的增产效果同时体现在叶片的大小、颜色和厚度上。但生菜往往叶片数量增多，株型看起来更饱满。试验结果表明，补光可以提高两类蔬菜种植中的鲜重和产品品质，从而增加蔬菜产品的商品性。小白菜补光 红白、低蓝、红白、中蓝LED顶光模组比没有补光的叶片外观颜色更深绿有光泽，叶片更大更厚，生长趋势整个株型更加紧凑而苍劲。而“花叶莴苣”属于浅绿色叶菜，在生长过程中并没有明显的颜色变化过程。叶色的变化人眼不明显。适当比例的蓝光可促进叶片发育和光合色素合成，抑制节间伸长。因此，清淡组的蔬菜在外观品质上更受消费者青睐。

在第二轮试验中，补光组的日累计总光量远高于第一轮试验相同定植天数的DLI（图1-2），补光组补光组第二轮时间(4:00-17:00)较第一轮实验(6:30-17:00)增加2.5小时。两轮小白菜的收获时间为播种后35天。两轮中CK的鲜重相似。第二轮实验中 LB 和 MB 处理与 CK 的单株鲜重差异远大于第一轮实验中 CK 的单株鲜重差异（表 1 和表 3）。因此，延长补光时间可以促进冬季室内栽培的水培小白菜增产。第二轮实验生菜的收获时间为种植后42天，第一轮实验生菜的收获时间为种植后46天。第二轮实验生菜收获时，CK组定植天数较第一轮减少4天。然而，单株鲜重是第一轮实验的1.57倍（表2和表4）。光能利用效率相似。可以看出，随着温度慢慢升高，温室内自然光逐渐增强（图1-2），生菜的生产周期可以相应缩短。因此，在气温低、光照少的冬季，在温室中增设补光设备，可以有效提高生菜的生产效率，进而增产。第一轮试验叶菜植物补光耗电量为0.95千瓦时，第二轮试验叶菜植物补光耗电量为1.15千瓦时。对比两轮实验，小白菜三个处理的光耗，实验二的能量利用效率低于实验一。实验二生菜CK、LB补光处理组光能利用效率略低于实验一。推测可能的原因是定植后一周内的日平均气温偏低，使得慢苗期变长，试验期间气温虽有所回升，但幅度有限，总体日平均气温仍处于水平较低，制约了叶类蔬菜水培整个生长周期的光能利用效率。（图1）。

试验过程中，营养液池未配备加温设备，导致水培叶类蔬菜根系环境始终处于低温水平，日平均温度有限，导致蔬菜无法充分利用通过延长LED补光灯，日累计光量增加。因此，冬季温室大棚补光时，要考虑适当的保温加温措施，以保证补光增产的效果。因此，必须考虑采取适当的保温增温措施，以保证冬季温室补光增产的效果。LED补光灯的使用会在一定程度上增加生产成本，而且农业生产本身并不是高产产业。因此，关于冬季温室水培叶类蔬菜在实际生产中如何优化补光策略并配合其他措施，如何利用补光设备实现高效生产，提高光能利用效率和经济效益。 ，还需要进一步的生产实验。

作者：季一鸣、刘康、张先平、毛红雷（上海绿立方农业发展有限公司）。
文章来源：农业工程技术（温室园艺）。

参考：
[1]戴建峰，飞利浦园艺LED在温室生产中的应用实践[J]．农业工程技术, 2017, 37(13): 28-32
[2] 杨晓玲，宋兰芳，金正丽，等．设施果蔬补光技术应​​用现状与展望[J].北方园艺，2018（17）：166-170
[3] 刘晓英，许志刚，焦雪蕾，等．植物照明的研究应用现状与发展策略[J].照明工程学报, 013, 24(4): 1-7
[4] 谢静，刘厚成，史伟松，等．光源及光质控制在大棚蔬菜生产中的应用[J].中国蔬菜，2012（2）：1-7