西红柿温室大棚补光照明的解决方案

西红柿温室大棚补光照明的解决方案

2018-05-29 15:35:39 54

近年来荷兰Venlo型智能温室在中国发展迅速,2公顷以上的大型现代化玻璃温室越来越多。与此同时,中国在学习荷兰温室技术的过程中,也摸索着如何将这些舶来品本土化,追求在本国国情下的高投入高产出。在非人工补光的温室中,为了满足作物对于光照的需求,荷兰番茄栽培会从12月份开始定植,并持续生产到来年的11月份。

随着更多荷兰种植者对提供全年高质量产品的诉求,补光灯的应用越来越多,传统栽培季可提前到9月至7月。牛肉番茄产量也从60Kg/㎡,逐步突破了100Kg/㎡。再放眼中国,不同的气候类型使得栽培季的安排截然不同。区别于荷兰典型的温带海洋性气候,中国北方的温带季风气候使得同年内连续生产难以实现,很多温室8、9月会停止生产。

随着大多温室选择9月底或者10月开始定植,成株越冬栽培无法避免,温室科学补光也成为了种植者日益关心的议题。
鉴于我国温室补光实际应用中尚存不足,本文拟从作物生长评估、光源和光强选择及温室联动设备策略等几个方面来阐述关于温室补光的实际应用,以期为我国现代温室种植者提供补光指导和实践建议。

●补光需求与栽培计划息息相关
温室是否需要补光,每周植物生长数据是非常好的判断依据。植株的生长量、茎粗、叶片长度、开花速率及坐果速率都能体现作物的是否处于良好的平衡。由于目前国内园艺生产链还不够成熟,没有专门提供番茄大苗的育苗公司。大多温室会定植三叶/四叶一心小苗。

在9月底(39周)定植后,第一穗花开始完全开放大约要经历6周左右。番茄作物作为一个“源库”系统,在没有开花坐果之前,叶片白天积累的光合产物只需供给自身的维持呼吸和生长呼吸,营养一般比较富足,作物表现茎秆粗壮、叶片厚实。生长点附近由于花青素的积累会呈现淡紫色(因品种而异),这也是日落前希望看到的现象。由于有足够的光合产物,白天和夜晚的温差(DIF)会控制得很小来促进生长。

但是,一旦作物从营养生长阶段进入到生殖阶段,果实对于光合产物的需求就会迅速上升。很多种植者甚至会看到作物明显的变弱趋势,生长点处茎粗变细、叶片变薄、果实的大小和重量也会随之下降。在这种情况下,如果外界光照充裕,白天积累的净光合产物充足,便能满足逐渐增多的果实消耗。

然而在国内栽培季的安排中,从进入生殖阶段(45周)起,自然光照就逐步下降,这意味着能供给作物的光合产物日益减少。若以2.5植株/平方米的密度定植牛肉番茄举例,在52周成株时期对外界光照的需求上升到1400J/c㎡左右(温室透光率为70%)。此时北京外界的周平均光照只有500-600J/c㎡(图 1)。如若没有很好的补光手段,种植者则需要优先考虑作物营养部位的正常生长,选择安全的起始定植密度,减少留果量来尽量降低寡照时期的风险。

●补光策略与补光系统设计密不可分
若温室具备补光系统,补光策略也不能一概而论,需要根据具体的光源种类,光强和补光模式并结合植物具体状态来进行补光。

■补光光源:
目前市场上温室补光灯的灯源主要有:高压钠灯和LED植物生长灯。高压钠灯作为最初的照明用灯,其光谱分布宽泛,主要集中在人眼敏感的黄橙波段和不可见红外光区域。所以高压钠灯的使用会产生很多热量。很多种植者倾向于选择高压钠灯,认为能够达到同时补光和加热的效果。

但是由于补光灯产生的热主要停留在温室顶部,温室需要配备良好的环流设备。底部的冷空气并不能很好的环流,高压钠灯的使用能多大程度节约天然气还需要具体计算。其次,上层空气温度较高也容易使生长点区域徒长。随着种植者对植物的认知以及对高压钠灯使用的局限性的深入了解,种植者希望能够单独控制温室的光照和温度环境因子。所以全高压钠灯补光系统开始向高压钠灯顶光和LED植株间照明的混合补光系统过渡。

LED植物生长灯的设计初衷是为了高效地促进植物的光合作用。根据McCree-曲线中植物叶绿素(a,b)对光谱的吸收高峰分别在蓝光和红光波段,所以常见到的LED灯也是以红光和蓝光为主 。研究表明红光对作物的伸长和侧枝分化有促进作用,蓝光对作物的光形态建成和紧凑有明显的促进作用。作为冷光源,LED可以更加贴近作物,有效利用光照,而高压钠灯则需要考虑一定的安全距离,以及保温幕布需要选择具有阻燃性,防止高温造成火灾风险。

植物生长灯|LED组培灯|LED花期灯


■补光光强:
比起室外光照,种植者应该清楚了解自己温室内植物实际能够得到的光照,进而确定需要填补的补光空间。每个温室的设计、地理位置和设备使用都会影响实际的室内光照。种植者可以通过温室或者该城市气象站获得历年来的平均光照参数。值得注意的是冬天北方太阳高度角较低。

在十一月底正午的光照实测中,大气中垂直于水平地面的入射光强为总光强的50%左右,温室内北面作物能照射到光照的时间较短。为了防止温室内温度骤降,保温幕布使用时间也会比较长,被完全打开几乎需要到日出后2-3小时,外界光照强度达到150W/㎡以上。

下午在日落前也会提前关闭,所以温室白天实际光照时间要更短。此外,容易忽略的一点是温室玻璃的及时清洗。北方冬天室外温度长时间低于零度,这给屋顶清洗机的使用带来了风险,加上少雨,顶部玻璃的清洁度会很大的降低温室的透光率。

由于荷兰冬季光照较弱,最低至150-200J/c㎡,所以补光强度在220μmol/㎡/s 以上。最长18小时的补光,能够提供14.3mol/㎡的光合有效辐射(PAR),等同于室内补了663J/c㎡的自然光。考虑到中国北方实际的光照情况和经济效益。若以最低光照(500J/c㎡/day)时期总光照(补光+自然光)能达到室外1000J/c㎡为基准(温室透光率为70%),温室内建议补光强度达到130-150μmol/㎡/s。当温室具有补光能力,在实际设定补光策略的时候需要考虑两个方面:总瞬时光强和总光照积累量。

研究表明当光强未达到400μmol/㎡/s之前,番茄叶片的净光合速率随着光强增加而快速增加,进入500-800μmol/㎡/s区间净光合速率增加速率减缓,超过800μmol/㎡/s之后,接近于饱和状态 (Heuvelink E. D., 2015)。考虑到温室的补光效益,当外界自然光强超过450W/㎡时,顶光LED不建议启动。而具体补光时长,可以根据目前作物需要的光照,温室内实际的自然光与安装的补光强度计算。需要注意的是由于光源不同,自然光、高压钠灯和LED灯之间的光强叠加都需要一定的转换关系。

■补光模式:
对于像番茄这样的大型冠层作物,其产量也是和冠层的总光照截获相关,而冠层能够截获的总光照和叶面积指数(Leaf area Index, LAI)之间是呈负指数函数关系,光照截获在LAI达到4左右几乎饱和 (Heuvelink, 2005)。叶片遮挡严重时,会降低冠层光合效率。散射型玻璃,幕布的使用都是为了让光照能够渗透作物中下部的叶片,提高作物整体的光合效率。在作物进入成株并且增加密度之后,中下部叶片比较郁闭,光照下降明显。如果温室配有植株间补光,那么能够更加直接的利用中下部具有活力的叶片。

区别于顶光对于光饱和的考虑,中下部叶片由于能直接照射的自然光较少,可以不设定限定值,而在有补光需求的时期一直使用。植株间补光灯的位置需要与底部叶片保持40cm以上的距离,防止光源照射在果实上引起浪费(图 3)。
●补光策略与温室管理
温室管理中,所有的环境因素调控都是联动的。补光之后,只有其他相应的环控配合好,才能最大化补光优势。若种植者能很好的把控生产的所有因子,便更能主观调控作物的生长节奏。

■补光+温度:
当外界光照较好时,温度策略系统设定界面往往可以设定一个光强对于温度的影响,例如300W/㎡上升到400W/㎡,加温和通风温度各加1度,或者一天光照积累到1000J/c㎡可以适当增加总光照对夜温的影响,消耗白天的积累量。一般温室室外会配备总辐射传感器,但是内部配备测PAR的植物光合有效辐射传感器的温室很少。种植者在调节光照对于温度影响的时候,也需要将补光带来的附加辐射一起考虑进去。其实在补光的实际案例中已经发现,由于可以保持较高的温度,冬季果穗的坐果率明显增加。

■补光+灌溉:
灌溉设定主要根据光照和时间双因素来控制,保证植物的较好的光照下有充足的水分进行光合作用。第一次灌溉往往在日出之后两小时,基质袋含水量出现一个“晨间快速下降”。温室补光之后,随着补光时间的前移,作物的生物钟也慢慢的被调节。灌溉策略需要根据基质袋的水分下降曲线和含量及时调整。在实际应用中,“晨间快速下降”也出现的比自然光下早,说明作物已经开始活跃,并利用基质袋内的水分(图 4)。在这种情况下,可以在补光之后,适当增加一次灌溉。由于补光强度低于外界自然光,灌溉量不宜过多,结合基质袋24小时总失水率。
■补光与湿度:
当补光时间提前到日出之前,由于植物气孔打开,开始蒸腾,温室里的空气湿度开始上升。高压钠灯放出热量,拉大了空气和叶腔内的蒸汽压差,进一步加剧了蒸腾作用。但由于冬季室外低温限制,室内也没有达到通风温度,温室的相对湿度会一直保持较高的水平。若晚上湿度超过90%,则需要考虑高湿带来的病害风险,可以给幕布设定一个缺口配合背风面窗口,加热管道排湿。

■补光+作物管理:
上文提到在寡照下,为了保证作物的营养部分不过分消耗而影响后期生长活力和产量,往往要对番茄进行疏花疏果。在补光之后,疏花疏果的程度会降低,每周花穗开花速率和坐果速率也比较平稳,营养生长和生殖生长能够较好的保持。另外密度增加时间也随着植株的状态会有所提前,并且可以尝试更高的植物密度。在飞利浦LED植物照明和答而丰合作的改良中心,大果番茄“Komeett”的密度突破了常规的每平方米3.6株,达到了每平方米4.2株。

总结:
国内大型温室种植者经验尚且不足(大约为1-2年),对于冬季作物补光还处在定性理解阶段,往往是经历过越冬生产才意识到补光的需要。其实,在温室建设初期就应该考虑是否需要补光。作物选择、温室选址及本地气候条件几乎决定了栽培季能否灵活安排还是只能靠天吃饭。不过由于造价、天然气价格等因素,在高压钠灯和LED灯的选择上也出现了投资成本和使用成本的考量。

补光灯带来的效益非常依赖种植者的水平,好的种植者对光的利用率更高,也更加能通过调节温室其他因素,使其完美配合实现更高的产量。所以国内种植者当务之急应该是不断完善自己的栽培技术,充分利用好免费的自然光。在过硬的栽培技术下,从9月份开始定植,中国温室使用周期也能达到45周左右(采收周大约为33周左右)。中国的大果番茄也可以向50-60Kg/㎡斤迈进。

文章来自:飞利浦