温室补光策略

温室补光策略

近年来荷兰Venlo型智能温室在中国发展迅速，2hm2以上的大

型现代化玻璃温室越来越多。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，追求在符合本国国情下的高投

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，并持续生产到翌年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月份，甚至7月份。牛肉番茄产

量也从60kg/m2，逐步突破了100kg/m2。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，中国北方温带季风气候条件下的很多温室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，

科学补光也成为温室种植者日益关心的议题。

预测模型和理论分析表明，当前作物产量的显著增加只能通过

提高光合能力和效率来实现，因为靠增加水肥供应提高作物产量已

接近极限，在设施园艺领域尤为如此。多年来，设施园艺从业者把

主要精力集中在作物水肥管理、栽培模式创新以及温室结构改进等

方面，通过这些手段优化作物生长环境从而间接提高作物光合能力，进而提升作物产量。光作为影响植物生长最关键的环境因子，通过

影响植物光合作用、光形态建成来调节植物的生长发育。长期以来

受制于技术以及成本等因素，设施园艺作物的生长发育主要依赖太

阳辐射，因所处气候带、地理位置不同或季节变化等因素，作物不

可避免的面对弱光环境。长时间的弱光会导致植物营养体不健壮、

落花落果严重、植物生长发育缓慢、产量下降、品质低下等。随着

现代设施园艺技术在世界范围的广泛应用，设施光环境对园艺作物

生产性能的影响也越来越受到关注，人工补光已经成为设施园艺种

植的关键技术之一。为了使人工补光技术在中国设施园艺领域更加

快速、正确地被相关从业人员所了解和掌握，本文从设施植物光合

作用特性、设施光环境特征、光对作物生产性能影响、补光需求与

栽培计划相关性、补光策略与补光系统设计、补光策略与温室管理、种植者水平对补光效益的影响等方面进行理论阐述，以期对设施园

艺人工补光应用提供有益的参考。

一、设施植物光合机理分析

光合作用是植物利用光能，同化CO2和水制造有机物质并释放

氧气的过程。光合作用不仅是植物体内最重要的生命活动过程，也

是地球上最重要的化学反应过程。地球上几乎所有的有机物质都直

接或间接地来源于光合作用，经光合作用合成的物质不仅是植物合

成其结构物质和维持其生命活动的能量物质的根本来源，同时也是

其他生命有机体的结构和能量物质的根本来源。

光合作用长期以来倍受关注，成为农学和生物学研究热点。在

设施园艺领域，人们通过各种人为手段为作物创造最佳环境以期提

高光合性能，从而提高产量。影响作物光合作用的因素有多方面，

外界因素主要包括光照、CO2、温度、湿度、矿质元素、水分等。当前，设施环境下的水肥、温度、湿度、CO2等因子已基本实现可调

可控，在此条件下作物光合作用完全取决于光照环境的影响。因此，通过改善光环境来提高产量已经成为设施园艺不可忽视的关键手段

之一。

通常，提及光合作用人们首先考虑的是单叶片的光合速率，而

植物冠层光合速率往往被忽略。单叶片光合速率只能说明在特定环

境条件下叶片光合作用对环境的适应及响应特性，并不能说明作物

冠层光合能力。换句话说，单叶片光合速率高并不意味着冠层光合

能力强，因为冠层光合能力不仅受单叶片光合能力的影响，还受冠

层光截获能力以及冠层光分布等因素的影响。植物冠层光合速率直

接影响作物生物量以及产量。因此，阐明单叶片和冠层光合机理对

人工补光理论研究极为关键。

光合作用速率是单位光量子每秒每平方米叶片同化CO2的量。

被植物光合作用所利用的光称之为光合有效辐射[Photosynthetic Active Radiation,PAR，µmol/(m2·s）]，占太阳总辐射的50%左右。如图1所示，植物叶片光合作用光响应曲线有几个重要的节点。

在光合有效辐射为0µmol/(m2·s）时（即黑暗条件下，A），

植物只进行呼吸作用，即消耗体内有机物和释放CO2；当光强增加

到某一点后，光合作用同化CO2的量与呼吸作用释放CO2的量相等

时的节点为光补偿点（B），该点的光照强度即为光补偿光照强度。

当光强高于光补偿光照强度时，光合作用同化的CO2量大于呼吸作

用释放的CO2量，且光合作用速率随光强增高而升高。在此阶段，

光合速率与光强呈线性关系（C），其斜率表示光合作用光能利用效

率。在整个光合作用光响应曲线中，该阶段的光能利用率最大。因

此在人工补光实际应用中，应在这一阶段内寻求合适的补光光强。

当光照升高到一定强度时，叶片光合速率升高减缓直至保持平稳，

即光合作用达到最大值，而该点称为光饱和点（D），引起光合作用

饱和点的光强为饱和光强。对于冠层来说，光合速率随光强增加而

持续升高，光合作用饱和点不易出现（图1实线）。该现象的出现

主要是由于作物冠层光分布不均匀性导致的。在高光强下，冠层顶

部叶片虽已达光饱和点，但冠层中下部叶片仍处于弱光环境。据此，在人工补光实际应用过程中，必须结合作物单叶片和冠层光合特性

综合考虑补光灯具光强以及灯具安装位置（如顶部补光结合冠层补光），从而达到最佳补光效果。

2、设施光环境特征分析

设施条件下的光照强度明显低于外界光强。考虑到经济成本因素，中国超过95%以上的温室都使用塑料薄膜作为覆盖材料，塑料

温室透光率最高为70%左右，最低不足50%。以荷兰为例，在透光率

高达90%以上的玻璃材料覆盖的连栋温室里，其透光率通常也在70%

左右。导致温室透光率低的因素是多方面的，如覆盖材料自身对光

的吸收和反射、温室骨架及设备的遮挡、外部粉尘沉积、内部结露等。因此，对于大多数果菜和切花类等需光性强的园艺作物来说，

现有的温室透光率基本上达不到温室内作物最佳生长需求，尤其在

冬春季节和阴雨天气，自然光很难满足作物的正常生长发育。

此外，设施条件下的光照强度分布很不均匀。受温室骨架、作

物冠层结构以及太阳高度角的动态变化影响，作物冠层呈现大量且

持续变化的光斑。受制于光合诱导现象的影响，光的持续动态变化

会限制植物光合速率的提升。Li等研究发现，在温室条件下光照环