|摘要|
本文以人工补光如何促进设施瓜类和茄果类蔬菜的生产为主要论题，从光源选择、光照强度、补光时间、补光位置以及补光效益5个方面对设施瓜果类蔬菜的补光问题进行探讨，以期为瓜果类蔬菜的人工补光提供实践经验总结与推广应用建议。
在设施瓜果类蔬菜的栽培过程中，光照是最重要的环境因子之一。在弱光寡照情况下，瓜果类蔬菜经常出现幼苗徒长、果实发育缓慢和着色不均匀、病虫害多发、品质和产量下降等问题，降低了种植者的经济效益。因此，补光措施就成为瓜果类蔬菜在整个生长期的主要问题。
光源选择
高压钠灯因具有制造成本低、电光转换效率高、光谱成分集中在黄橙光波段等优点，而在农业设施补光中广泛应用。但由于其光谱成分缺少植物生长必须的红蓝光波段，以及在使用过程中会产生很多热量，造成能效较低、温室冷却成本增加等短板。作为温室补光中最理想的光源，具有冷光源特性的LED补光灯不仅具有节能、环保、寿命长、更高的电光转换效率等诸多特点，还能实现光谱可调，可以根据植物生长发育的需求精准地调制光质、光强和光周期等，应用场景广泛，并已成为设施农业补光的主流光源。
但LED灯价格较高，因此，在一些设施中，也存在将高压钠灯顶补光和LED植株间照明相结合进行混合补光的系统。此外，在一般照明用的宽光谱LED光源基础上，适当地增加紫外光、红光或远红光成分，也可以起到促进植物体内有效物质积累的功效。研究发现，红光处理能显著提高番茄果实碳水化合物含量，并可以促进番茄红素的合成积累。而王英利等研究发现，低剂量 UV-B（0.54 kJ/m2/天）照射番茄也能提高番茄红素的含量，但剂量太高（＞0.71 kJ/m2/天）则起相反作用。因此，如果所种植的植物种类相对固定，则可以根据该植物的光照需求，定制专用LED灯作为照明光源。
光照强度
根据植物对光照强度的要求可将其分为喜光型、喜中光型和耐弱光型植物。而瓜果类蔬菜大多属于喜光型植物，其光补偿点和光饱和点均比较高。例如，作为瓜果类蔬菜的典型代表植物，也是中国设施栽培的主要作物种类，黄瓜和番茄均属喜光喜温作物，其光补偿点分别约为51 μmol/(m2·s)和53 μmol/(m2·s)，光饱和点分别在1421 μmol/(m2·s)和1985 μmol/(m2·s)以上。在番茄整个生长发育过程中，充足的光照条件有利于提高叶片进行充分光合作用的能力，提高植株的生长势头，从而促进番茄果实中碳水化合物、类胡萝卜素和番茄红素的合成积累，生产出优质的果实。反之，在弱光条件下，将导致严重的秧苗徒长、光合产物总量降低、果实营养缺乏及抗病虫害能力下降等异常现象。因此，一般情况下，当光照强度低于1.5倍植株的光补偿点时，就要考虑启动补光系统，以维持植株的正常生长发育。
补光时长
目前的研究表明，补光在甜椒、番茄等作物的增产提质上作用显著，但不同时段的补光时长对于瓜果类蔬菜的产量和品质有不同的影响。郝东川等采用红蓝组合LED灯对设施栽培瓜果类蔬菜（苦瓜、丝瓜、节瓜、番茄、辣椒、紫长茄）全生育期进行夜间补光6 h (18:00~24:00)，结果表明夜间补光显著增加了瓜类蔬菜的主蔓雌花数，提高了单果质量和产量，其中节瓜表现最为显著，其单果质量和产量分别提高了5.3%和15.6%。此外，黄媛等对秋冬茬设施栽培番茄进行不同的补光处理，并利用模糊Borda法进一步综合了灰色关联法、信息量权重评价法、基于熵值法的TOPSIS评价这3种评价方法的排名和序值信息，结果表明，盖棉被后补光6 h为番茄综合评价中的最优补光方案。
尽管夜间补光能达到良好的增产增质效果，但张洋等研究发现，早晨揭帘前补光5 h的效果显著优于晚上盖帘后补光5 h或者早晨揭帘前、晚上盖帘后各补光2.5 h，表明早晨对番茄进行补光处理可以促进番茄果实干物质的积累，提高番茄红素含量，改善番茄的独特风味。这与程瑞峰等在黄瓜上和柳帆红等在番茄上的研究结果相同，可提高果实的风味和品质。这说明相比夜间补光，早晨进行补光时的效果更佳。这是由于早晨温室内高浓度的CO2可以使叶片更好地进行光合作用，通过有机物的有效积累，进而改善果实品质，提高产量。
补光位置
补光位置差异对瓜果类蔬菜的生长发育有一定的影响。人工光源的安装位置一般有两种，其中顶部补光简单而实用，只要将所需的LED灯均匀地安装在植物的叶冠之上即可；而株间补光则是基于株间的需光条件差异而建立的立体补光环境。瓜果类蔬菜一般都属于大型冠层作物，其产量与总光照截获量密切相关，特别是在作物进入成株之后，会因叶片遮挡严重而出现光合效率显著降低的现象。如果在顶部补光的基础上，再增配株间立体补光系统，那么中下部具有活力的叶片也能更好地进行光合作用，促进有机物质的积累。张盼以设施黄瓜为材料，进行无补光对照、株间立体补光及冠层补光实验处理，结果表明，相比无补光对照，立体补光后的黄瓜产量、可溶性固形物含量、可溶性糖含量及VC含量都有所提高。这一结果表明，立体补光可以提高光能利用率，增强黄瓜植株的光合作用能力，从而促进了黄瓜产量和品质的提高。为解决冠层新生叶光抑制及株间功能叶位光照不足的问题，张仲雄设计了基于植株需光差异特性的设施黄瓜立体光环境智能调控系统，并通过ZigBee技术实现智能控制子系统、冠层-株间LED补光子系统、冠层-株间环境监测子系统和补光灯升降子系统间的无线通信与协调控制。结果表明，相比传统冠层补光区，立体补光区黄瓜植株平均株高、茎粗、产量和经济效益分别增长了8.03%、7.24%、0.28 kg/m2和4.88 元/m2，说明立体光环境调控系统能够提高种植的经济效益，具有推广应用价值。
利用 LED 灯进行设施番茄株间补光
利用 LED 灯进行设施黄瓜株间补光
补光效益
与传统栽培模式相比，设施温室内采用人工光照明进行补光，运行过程中需要消耗较高的补光能源。因此，随着补光强度的增加，虽然瓜果类蔬菜在设施温室的光合作用速率、生长速度、产量和品质都有所提高了，但生产成本也相应增加了。张文晶等在弱光设施环境下，采用LED白光灯顶部补光的方式，设置125、200、275、350 μmol/(m2·s) 四个光照强度在黄瓜结果期进行补光处理后，试验结果表明在补光强度为350 μmol/(m2·s)条件下，补光成本以及补光效益均最高，同时果实品质最佳，增产率达到165.27%，为本试验条件下最适合的补光强度。但再提高补光强度是否还会进一步改善果实品质、提高经济效益仍未可知，仍需进一步试验探究。此外，宋羽在番茄果实成熟期，以白＋蓝组合光（W:B=2:1)为补光灯，设置100、200、300、400 μmol/(m2·s)四个光照强度从冠层的底部进行设施补光处理，结果表明随光强的增加，耗电量明显上升，在400 μmol/(m2·s)条件下，其耗电量比100 μmol/(m2·s)时增加了125.2%。但由于最终果实产量并不与光强成正比，在300和400 μmol/(m2·s)条件下，随着耗电成本的增加，其投入回报率均小于1。在200 μmol/(m2·s)条件下，补光效益最好，其投入回报率为1.24，能够实现设施番茄栽培的增产提质。因此，种植者应根据已有的客观条件，充分利用光照有效性，设计出最佳的补光方案，使补光效益真正在设施瓜果类蔬菜的产量和品质上直接体现出来。此外，除了人为创造适合的光照环境，还应通过控制温度和湿度、适量增施CO2，合理安排种植茬口和种植密度，创造适合设施瓜果类蔬菜生长的环境条件，才能产生更好的经济效益。
总结
综上所述，在设施瓜果类蔬菜种植过程中，种植者应该根据设施类别、作物种类、生长阶段、当地光照条件和投入产出比等因素进行综合考虑，选择适合的补光方案和补光系统。在实际生产中，种植者还需要综合调控设施温室中的其他各项环境因素，完善种植者本身具备的栽培技术，使得将光能转化为产量和品质的能力达到最佳，获得更高的产出效益。此外，作为新型的农业生产方式，设施栽培的补光技术仍处于探索和成长阶段，需要投入更多的人力进行深入研究和推广应用。
