冬季温室LED补充光照对水培生菜和小白菜增产效果的研究
【摘要】上海冬季常年气温低、日照少，温室水培叶菜生长缓慢，生产周期长，难以满足市场供需。近年来，LED植物补光灯开始应用于温室栽培生产，在一定程度上弥补了自然光照不足时温室日累积光照量无法满足作物生长需求的缺陷。本实验在温室中安装了两种不同光质的LED补光灯，探索冬季提高水培生菜和绿茎蔬菜产量的效果。结果表明，两种LED灯均能显著提高小白菜和生菜的单株鲜重。小白菜增产主要体现在叶片增大增厚等感官品质的提升上，而生菜增产主要体现在叶片数量和干物质含量的增加上。

光照是植物生长不可或缺的组成部分。近年来，由于LED灯具有光电转换效率高、光谱可定制、使用寿命长等优点，已被广泛应用于温室栽培生产[1]。国外由于相关研究起步较早且配套体系成熟，许多大型花卉、水果和蔬菜生产企业拥有较为完善的补光策略。大量实际生产数据的积累也使得生产者能够清晰地预测增产效果，并评估LED补光系统的使用回报[2]。然而，目前国内补光研究大多集中于小规模的光质和光谱优化，缺乏可应用于实际生产的补光策略[3]。许多国内生产者在将补光技术应​​用于生产时，往往直接照搬国外现有的补光方案，而忽略了产区的气候条件、蔬菜种类以及设施设备的具体情况。此外，补光设备成本高昂、能耗大，往往导致实际作物产量和经济效益与预期效果之间存在巨大差距。这种情况不利于补光技术在我国的发展推广和增产。因此，亟需将成熟的LED补光产品合理应用于国内实际生产环境中，优化使用策略，并积累相关数据。

冬季是新鲜叶菜需求量大的季节。与露天农田相比，温室能为叶菜在冬季的生长提供更适宜的环境。然而，有文章指出，一些老旧或清洁度差的温室在冬季的透光率低于50%。此外，冬季也容易出现持续的阴雨天气，导致温室处于低温低光照的环境中，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]。本实验采用已投入实际生产的“绿立方”（Green Cube）系统。该系统为浅流式叶菜种植系统，并搭配昕诺飞（中国）投资有限公司的两款不同蓝光比例的LED顶灯模块。种植生菜和小白菜这两种市场需求量较大的叶菜，旨在研究冬季温室中LED照明对水培叶菜产量的实际提升效果。

材料与方法
测试所用材料

实验中使用的测试材料为生菜和小白菜。生菜品种“绿叶生菜”来自北京鼎峰现代农业发展有限公司，小白菜品种“亮绿”来自上海市农业科学院园艺研究所。

实验方法

本试验于2019年11月至2020年2月在上海绿立方农业发展有限公司孙桥基地文洛型玻璃温室进行，共进行了两轮重复试验。第一轮试验于2019年底进行，第二轮试验于2020年初进行。播种后，试验材料被移至人工光照气候室进行育苗，并采用潮汐灌溉。育苗期间，灌溉采用EC值为1.5、pH值为5.5的通用水培蔬菜营养液。幼苗长至3叶1心期后，移栽至绿立方轨道式浅流叶菜种植床。移栽后，采用浅流营养液循环系统，每日灌溉采用EC值为2、pH值为6的营养液。灌溉频率为10分钟供水，20分钟停止供水。本实验设置了对照组（不进行光照补充）和处理组（进行LED光照补充）。CK组种植于不进行光照补充的玻璃温室中。LB组：种植于玻璃温室后，使用drw-lb Ho（200W）进行光照补充。水培蔬菜冠层表面的光合有效辐射（PPFD）约为140 μmol/(㎡·s)。MB组：种植于玻璃温室后，使用drw-lb（200W）进行光照补充，PPFD约为140 μmol/(㎡·s)。

第一轮试验种植日期为2019年11月8日，实际种植日期为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，实际种植日期为2020年1月17日，试验组补光时间为4:00-17:00。
冬季晴朗天气时，温室会在每天6:00-17:00打开天窗、侧膜和风扇进行日常通风。夜间气温较低时，温室会在17:00-次日6:00关闭天窗、侧卷膜和风扇，并打开温室内的保温帘以保持夜间温度。

数据收集

采收青京菜和生菜地上部分后，测定株高、叶片数和单株鲜重。测定鲜重后，将植株置于烘箱中，在75℃下干燥72小时。干燥结束后，测定干重。温室内的温度和光合有效辐射（PPFD）由温度传感器（RS-GZ-N01-2）和光合有效辐射传感器（GLZ-CG）每5分钟采集并记录一次。

数据分析

根据以下公式计算光能利用效率（LUE）：
光能利用效率 (g/mol) = 单位面积蔬菜产量 / 单位面积蔬菜从种植到收获期间所获得的累计光照总量
按以下公式计算干物质含量：
干物质含量（%）= 每株植物干重/每株植物鲜重×100%
使用 Excel2016 和 IBM SPSS Statistics 20 分析实验数据，并分析差异的显著性。

材料与方法
光照和温度

第一轮试验从播种到收获历时46天，第二轮试验从播种到收获历时42天。第一轮试验期间，温室日平均温度主要在10～18℃范围内；第二轮试验期间，温室日平均温度波动幅度较第一轮试验更大，最低日平均温度为8.39℃，最高日平均温度为20.23℃。生长过程中，日平均温度总体呈上升趋势（图1）。

在第一轮实验中，温室的日光积分（DLI）波动小于14 mol/(㎡·D)。在第二轮实验中，温室的日累积自然光照量总体呈上升趋势，高于8 mol/(㎡·D)，并在2020年2月27日达到最大值26.1 mol/(㎡·D)。第二轮实验中温室日累积自然光照量的变化幅度大于第一轮实验（图2）。在第一轮实验中，补光组的总日累积光照量（自然光照DLI与LED补光DLI之和）大部分时间高于8 mol/(㎡·D)。在第二轮实验中，补光组的总日累积光照量大部分时间高于10 mol/(㎡·D)。第二轮补充光照总量比第一轮增加了 31.75 mol/㎡。

叶菜产量和光能利用效率

●第一轮测试结果
从图3可以看出，LED补光的白菜生长状况更好，株型更紧凑，叶片比未补光的对照组（CK）更大更厚。LB和MB组白菜的叶片颜色比对照组（CK）更亮更绿。从图4可以看出，LED补光的生菜生长状况比未补光的对照组（CK）更好，叶片数量更多，株型更饱满。

从表1可以看出，CK、LB和MB处理的白菜在株高、叶片数、干物质含量和光能利用效率方面没有显著差异，但LB和MB处理的白菜鲜重明显高于CK；在LB和MB处理中，两种不同蓝光比例的LED生长灯对单株鲜重没有显著影响。

从表2可以看出，LB处理组的生菜株高显著高于CK处理组，但LB处理组与MB处理组之间无显著差异。三个处理组的叶片数存在显著差异，MB处理组的叶片数最多，为27片。LB处理组的单株鲜重最高，为101g，两组间也存在显著差异。CK处理组与LB处理组的干物质含量无显著差异。MB处理组的干物质含量比CK处理组和LB处理组高4.24%。三个处理组的光能利用效率存在显著差异。LB处理组的光能利用效率最高，为13.23 g/mol，CK处理组的光能利用效率最低，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著高于CK组，与LB处理组无显著差异。LB和MB处理的小白菜叶片数显著高于CK组，但两组补充光照处理之间无显著差异。三组处理的单株鲜重存在显著差异，CK组最低，为47 g，MB处理组最高，为116 g。三组处理的干物质含量无显著差异。三组处理的光能利用效率存在显著差异，CK组最低，为8.74 g/mol，MB处理组最高，为13.64 g/mol。

从表4可以看出，三种处理间生菜株高无显著差异。LB和MB处理的叶片数显著高于CK，其中MB处理的叶片数最多，为26片。LB和MB处理的叶片数无显著差异。两种补光处理的单株鲜重均显著高于CK，其中MB处理的单株鲜重最高，为133 g。LB和MB处理的单株鲜重也存在显著差异。三种处理的干物质含量存在显著差异，其中LB处理的干物质含量最高，为4.05%。MB处理的光能利用效率显著高于CK和LB处理，为12.67 g/mol。

在第二轮实验中，补光组的总日光积分（DLI）远高于第一轮实验相同接种天数下的DLI（图1-2），且第二轮实验中补光处理组的补光时间（4:00-17:00）比第一轮实验（6:30-17:00）增加了2.5小时。两轮小白菜的收获时间均为播种后35天。两轮实验中对照组（CK）单株鲜重相近。第二轮实验中，LB和MB处理组与对照组相比，单株鲜重的差异远大于第一轮实验中与对照组相比的差异（表1，表3）。第二轮实验生菜的收获时间为播种后42天，第一轮实验生菜的收获时间为播种后46天。第二轮试验生菜（对照组）收获时，菌丝定植天数比第一轮少了4天，但单株鲜重是第一轮的1.57倍（表2和表4），光能利用效率相近。由此可见，随着温度逐渐升高，温室自然光照逐渐增强，生菜的生产周期缩短。

材料与方法
两轮试验基本覆盖了上海整个冬季，对照组（CK）能够较为准确地模拟冬季低温低光照条件下温室水培绿茎蔬菜和生菜的实际生产状况。补光试验组在两轮试验中均对最直观的数据指标（单株鲜重）产生了显著的促进作用。其中，小白菜的增产效果体现在叶片的大小、颜色和厚度上。而生菜则倾向于增加叶片数量，植株形态也更加饱满。试验结果表明，补光能够提高这两类蔬菜的鲜重和产品品质，从而提升蔬菜产品的商品价值。采用红白低蓝光和红白中蓝光LED顶灯模块进行补光的小白菜，叶片颜色比未补光的叶片更深绿、更有光泽，叶片更大更厚，植株整体生长趋势更加紧凑旺盛。然而，“马赛克生菜”属于浅绿色叶菜，其生长过程中没有明显的颜色变化，肉眼难以察觉叶片颜色的变化。适量的蓝光可以促进叶片发育和光合色素合成，并抑制节间伸长。因此，补充光照组的蔬菜在外观品质上更受消费者青睐。

在第二轮试验中，补光组的日累计光照量远高于第一轮试验相同接种天数下的日光积分（DLI）（图1-2），且第二轮补光处理组的补光时间（4:00-17:00）较第一轮试验（6:30-17:00）增加了2.5小时。两轮试验中，小白菜的收获时间均为播种后35天。两轮试验中对照组（CK）的鲜重相近。第二轮试验中，补光组（LB）和补光处理组（MB）与对照组（CK）的单株鲜重差异远大于第一轮试验中与对照组（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水培小白菜的增产。第二批试验生菜的收获期为播种后42天，第一批试验生菜的收获期为播种后46天。第二批试验生菜收获时，对照组（CK组）的菌丝定植天数比第一批少4天。然而，单株鲜重是第一批试验的1.57倍（表2和表4）。光能利用效率相近。可以看出，随着温度缓慢升高，温室自然光照逐渐增强（图1-2），生菜的生产周期可以相应缩短。因此，在冬季气温较低、光照较弱的情况下，为温室补充照明设备可以有效提高生菜的生产效率，进而增加产量。在第一轮实验中，叶菜补充光照的耗电量为0.95 kW·h；在第二轮实验中，叶菜补充光照的耗电量为1.15 kW·h。比较两轮实验，小白菜三个处理的光耗电量，第二轮实验的能量利用效率低于第一轮实验。生菜CK和LB补充光照处理组在第二轮实验中的光能利用效率也略低于第一轮实验。推测其可能原因是，播种后一周内日均温度较低，导致幼苗生长缓慢期延长；虽然实验期间温度有所回升，但回升幅度有限，总体日均温度仍处于较低水平，从而限制了叶菜水培整个生长周期的光能利用效率（图1）。

实验过程中，营养液池未配备升温设备，导致水培叶菜的根系环境温度始终处于较低水平，日均温度也受到限制，使得蔬菜未能充分利用LED补光增加的日累积光照量。因此，冬季温室补光时，必须考虑采取适当的保温和升温措施，以确保补光增产的效果。此外，使用LED补光会在一定程度上增加生产成本，而农业生产本身并非高产产业。因此，如何在冬季温室水培叶菜的实际生产中优化补光策略并与其他措施配合，如何利用补光设备实现高效生产，提高光能利用率和经济效益，仍需进一步的生产实验研究。

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，金正利，等. 光补技术在保护地果蔬中的应用现状及展望[J]. 北方园艺，2018(17): 166-170
[3] 刘晓颖，徐志刚，焦雪蕾，等. 植物照明的研究与应用现状及发展策略[J]. 照明工程学报, 013, 24 (4): 1-7
[4] 谢静，侯成刘，史伟松，等. 光源及光质控制在温室蔬菜生产中的应用[J]. 中国蔬菜，2012(2):1-7