激光植物生长灯在无花果日光温室栽培上的应用
时间：2023-03-09 21:55:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
贺宇，韩亚慧，张春芬，邓舒，肖蓉，曹秋芬，孙海峰，王欢
（1.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801；
2.山西大学 生命科学学院，山西 太原 030006；
3.山西农业大学 果树研究所，山西 太原 030031；
4.山西农业大学 生命科学学院，山西 太谷 030801；
5.临汾市碧丰霖农业科技开发有限公司，山西 临汾 041000；
6.临汾市尧都区扶贫开发中心，山西 临汾 041000）
无花果原产地中海沿岸，喜温暖湿润气候，属喜光性树种，只有在良好的光照条件下，才能正常生长、开花、结果。随着经济的发展，人们的生活水平不断提高，对于果蔬的需求日益多样化，本土常见的果蔬已不能满足人们对于新鲜事物的追求，这就促进了南果北种栽培技术。在我国北方地区，由于冬天的阳光入射角度较低、植被单位面积的光能不足、日照时数较短，自然光条件无法适应无花果生长对光照条件的需要以及遭受不良气候下的环境条件影响，使得植物的生长发育速率过缓[1]。人们使用日光温室、塑料大棚虽然可以解决环境温度的问题[2]，但受温室骨架、建筑方位、角度、覆盖材质等因素的影响，温室内光照条件已经不适宜无花果的健壮生长，从而出现了坐果率、产量和品质降低等问题。生产的大量需求有力地促进了植物补光科技的蓬勃发展，现代园艺设施中，为了实现作物高效优质的生产，各种人工光源也被大量开发利用[3]。但传统光源大多为白炽灯、荧光灯和钠灯，都是连续复合光谱，无法控制光质比等技术参数，造成很大一部分光谱能量的浪费；
且作为热光源，无法近距离照射植物，使用过程中部分光子运动能量逸散，也不利于精确调控植物生长的环境温度[4]。近年随着技术的发展，LED光源凭借其照明效果好、响应速度快、光质纯等优势取得了较大研究进展。但是上述光源在技术手段上一般都是采用增大灯管的输出功率来扩大照射面积，所产生的光照对于植物的生长发育并不能达到良好的效应，而输出功率的增大会造成散热问题，从而加速LED、卤素灯、荧光灯等的老化，影响植物补光灯的使用寿命。为克服上述植物补光灯存在的问题，需要一种辐照能量强、单盏功耗较少、单色性好、覆盖面积广的新型光源[1]。
激光植物生长灯是利用激光合成的植物光合作用光谱信息技术，以提高绿色植物光合作用能力的植物生长光源，具有亮度高、方向性好、射程远、方便控制等优点[5]。植物在生长过程中使用激光生长灯，能把相应的光子摄入植物细胞并提高植物细胞的生物能,激活植物有关光合效应酶的生物活性并促进植株的生理代谢[6-8]，各种波段的光通过激活相应光受体结合，影响植株的生长发育、光合特性、形态建成、生物代谢以及产品品质等[9]。而可见光中波长640～660 nm的红光和波长430～450 nm的蓝光对植株的作用效果显著，在这2个波长范围内叶绿素a和叶绿素b分别有一个吸收峰值[10]，是植物光合作用的主要能量来源。植物补光灯的选择应该既可以满足植物生长的需求，又尽可能地降低补光成本[11]。在设施蔬菜、果树上研究较多的是LED灯对植物生长的影响。在植物生产中仍然存在耗能大、生产成本高的问题，影响果农使用的积极性。作为新型的植物补光灯，激光植物生长灯具有许多优良的性能：覆盖面积广、体积小、寿命长、功耗低、光谱更精准[1]。激光植物生长灯在蔬菜上应用已有研究报道，而在设施果树上研究未见报道，对此，山西农业大学园艺植物生物技术课题组连续2 a调查了温室补光后无花果植株生长及果实性状，研究激光植物生长灯对无花果生长、发育、结果的影响，为无花果设施栽培丰产技术提供理论依据。
1.1 试验材料
供试无花果品种为波姬红，由山西省临汾市碧丰霖农业科技开发有限公司引进。试验仪器为红娇阳M101-G型激光植物生长灯，功率12 W，补光灯珠3×3阵列，蓝光波长400～500 nm，红光波长610～720 nm，红蓝光质2∶1，西安同凯电子科技有限责任公司生产。
1.2 试验方法
试验于2020—2021年在山西省临汾市碧丰霖农业科技开发有限公司日光温室内进行。日光温室东西走向，长70 m，跨度11 m，脊高4.5 m，骨架材料为直径50 mm钢管，覆盖保温材料。南北向栽植无花果，行距1.8 m，株距0.6 m，开心形树形（图1）。
图1 开心形树形Fig.1 Open heart-shaped tree
试验设激光植物生长灯补光和不补光2个处理。激光植物生长灯可以根据植株的生长情况上下调整、360°旋转照射，生长灯放置温室中间（图2），每天两侧各照射2次，每次2 h，照射时间设定为16：00—20：00和2：00—6：00这2个时间段。
图2 置于温室中间的激光植物生长灯Fig.2 Laser plant growth lamp placed in the middle of greenhouse
1.3 测定指标及方法
1.3.1 无花果植株生长指标的测定 每个处理随机选取生长良好、长势基本一致的5株无花果植株，挂上标签作为测量对象，在生长期（6—10月）用卷尺测量株高、叶长、叶宽，用电子数显千分尺测量叶片厚度；
结果期调查始结果部位、单株结果数，用电子天平称取单果质量，用0～200 mm数显游标卡尺测量果实纵横径、茎粗。
1.3.2 无花果植株生理指标的测定 叶绿素含量使用便携式叶绿素测定仪测定，光合指标使用便携式光合仪测定。
1.3.3 无花果果实品质的测定 总糖含量用蒽酮比色法测定[12]，还原糖含量用DNS比色法测定，可滴定酸含量采用标准氢氧化钠溶液滴定法测定[13]，维生素C含量采用2，6-二氯靛酚法测定[13]。钙、镁、铁的分析测定采用原子吸收分光光度计，硒的测定使用荧光检测器[14]。
1.3.4 产量的测定 测定补光组与不补光组的无花果质量，直至休眠期，折合计算公顷产量。
1.4 数据分析
试验数据采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析（ANOVA）和最小显著性差异分析（LSD），其他统计分析采用Excel 2010处理。
2.1 激光植物生长灯对日光温室栽培无花果植株生长的影响
由表1可知，安装激光植物生长灯后，日光温室无花果植株生长更为旺盛。2020年补光后株高比对照组增加41 cm，增长22.33%；
叶宽增加3.68 cm，增长16.36%；
叶片厚度增加0.12 mm，增长26.43%，植株株高、叶宽及叶片厚度3个指标都极显著高于未补光植株。补光后植株茎粗增长8.21%，叶片长度增长9.38%，平均叶面积增加3.89%，节间长度缩短5.95%，与不补光处理间差异不显著。
表1 2020—2021年激光补光后日光温室栽培无花果植株生长情况Tab.1 Fig plant growth in solar greenhouse after laser supplemental light in 2020-2021
2021年有补光处理的无花果植株株高增加26.2 cm，增长14.49%，极显著高于对照组；
补光处理后叶长增加0.65 cm，增长2.41%；
叶宽增加0.98 cm，增长3.8%，与对照组差异不显著。
综合2 a的生长情况看，安装激光植物生长灯后，无花果植株长势更为健壮，而没有进行激光补光的无花果植株明显长势较弱，因此，激光植物生长灯处理能有效促进无花果的株高、叶片等的生长，对日光温室栽培无花果植株生长有明显的促进作用。
由表2可知，补光后无花果植株叶绿素含量增长4.1%，光合速率提高5.46%，这2项指标都显著高于未补光植株。
表2 2020年激光补光后日光温室栽培无花果植株光合参数Tab.2 Fig plant photosynthetic parameters in solar greenhouse after laser supplemental light in 2020
2.2 激光植物生长灯对日光温室栽培无花果坐果及产量的影响
从表3可以看出，安装激光植物生长灯后，无花果产量明显增加。2020年无花果植株节间数极显著高于不补光植株，结果部位平均降低3节，平均每枝坐果数增加8个，果实纵横径、单果质量等指标均高于未补光无花果植株。2020年补光后的日光温室产量为60 736.57 kg/hm2，对照温室产量为32 127.91 kg/hm2，增产89.05%。2021年补光后无花果植株节间数平均增多2节，结果部位降低4～5节，平均每枝结果数量增多6个。2021年补光后的日光温室产量为44 341.94 kg/hm2，不补光温室产量为25 689.25 kg/hm2，增产幅度达到42.07%。
表3 2020—2021年激光补光后日光温室栽培无花果坐果率和产量分析Tab.3 Analysis of fruit setting rate and yield of fig cultivated in solar greenhouse after laser supplemental light in 2020-2021
连续2 a的试验均表明，增加激光植物生长灯可以增多节间数，降低结果部位，增大单果质量，能显著增加日光温室产量。
2.3 激光植物生长灯对日光温室栽培无花果果实商品品质的影响
由表4可知，2 a间激光补光后的无花果在总糖、还原糖、维生素C含量上均不同程度低于未补光无花果植株，但可滴定酸含量升高，微量元素差异不大。试验结果表明，补光后的无花果口感偏酸，影响果实品质。2 a的数据说明，激光植物生长灯由于增加了无花果的产量，但是在一定程度上会影响果实的品质。
表4 2020—2021年激光补光后日光温室栽培无花果果实品质分析Tab.4 Fruit quality analysis of fig cultivated in solar greenhouse after laser supplemental light in 2020-2021
许多研究成果指出，相比于单色光而言，红蓝光同时作用于植株能更有效促进光合作用[15]。林婧[16]在研究不同红蓝光比例对樱桃番茄幼苗生长的影响中发现，当蓝光与红光比例区间为1∶1～3∶2时最有利于幼苗生长，此时的叶面积虽小但厚，茎干较粗，养分积蓄量最高。陈心源[3]在研究不同配比红蓝光补光对火龙果成花和果实品质的影响中发现，当蓝光与红光比例为1∶4时，结果产出最大。王涛等[17]在研究不同红蓝光比例对生菜生长的影响中发现，红蓝比例为6∶3时，生菜的株高增加、开展度更好。在本试验中，激光植物生长灯红蓝光比例为2∶1，无花果株高、叶片厚度显著增大，叶面积、茎粗、单枝坐果数和单果质量不同程度增加，产量明显提高，说明红蓝光组合的激光植物生长灯能有效促进无花果的生长和增产，提高经济效益，与上述学者研究结果一致。植物的生物学效应会因为其种类、品种不同而表现出一定的差异性，在本试验中，激光植物生长灯由红蓝光组合作用于植株，表现出促进植株生长、增加产量的积极影响。
在植物光生物学研究领域，许多学者将激光应用于生菜、辣椒、豆角等蔬菜作物及水稻等粮食作物，均发现了激光补光对植物的生长发育及生物量积累的积极影响。MURASE[18]将激光补光作用于生菜苗期，并结合生菜感光细胞的特性调设特定激光光源脉宽，发现与黑暗处理相比，此条件下幼苗的株高、鲜质量均显著提高；
赵定杰等[5]研究发现，激光植物生长灯补光可以使辣椒的现蕾期、始花期、始收期提前4～7 d，缩短其生长周期，还能矮化辣椒苗、增加茎粗，提高现蕾率、增加苗期鲜质量和干质量，使辣椒产量显著提高19.0%。国信农业将CXL1-X0210-00激光补光灯作用于有机果蔬大棚中，梁雪梅等[19]研究发现，处于生长期的草莓，激光补光后的植株株高和叶长比对照组增加5%；
生长期的豆角补光后的株茎长和叶长与对照组相差约10%，豆角的厚和宽相差约15%，长度相差大于20%；
补光区中生长期的黄瓜藤蔓高度与未补光黄瓜藤蔓相差10%。王昊等[20]在研究激光植物生长灯对冬季设施辣椒生长发育的影响时发现，补光处理后辣椒的始花期可以提前3 d，坐果期能提前6 d，并且能促进株高、茎粗和叶片的生长发育，产量比未补光辣椒增加2 935.5 kg/hm2。本试验表明，在光照弱、光照时间短的环境中，有激光植物生长灯补光的无花果植株可以提前25 d结果，始结果部位降低，节间长度缩短，单枝坐果量增大，产量明显增多。激光灯补光可以促进无花果植株的形态建成、增加生物量、提高产量，实现了生长发育的正向调控。
近年来，由于激光辐射对植物生理的影响利用价值被不断发掘，用于激光照射的作物种类和生理指标的研究范围不断扩大。钱舒婷[11]在探索不同类型补光灯对草莓光合特性的影响时发现，激光生长灯在草莓叶片光合色素含量、Vc含量指标上表现不理想，但在可溶性固形物含量、可溶性糖含量方面表现不错。此试验中，由于补光灯延长了无花果光合作用的时间，提高了光合效率，增加了有机物的积累，从而使无花果植株长势快、坐果率高、单果质量增大，提高了无花果的产量，但同时由于产量的大幅增大，水肥供应不足，在一定程度上影响了果实甜度。因此，在使用激光补光时，要适当调节水分和肥料供给，帮助补充因植物快速生长而大量消耗的养分和水分[21]，实现增收增质增产的目的。在今后的栽培模式中，要合理运用激光灯，实现植物光环境的智能调控，促进植物的生长发育和产量积累。此外，在试验中，激光处理对光合特性影响不显著，结合前人研究综合考虑可能是光信号诱导成花，在后续的研究中，还应继续探讨激光植物生长灯的作用原理以及照射时间对无花果生长、结果的影响。
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