宋金修 于鵬澎 沈成 蔡瑋 李閆祥 黃鑫

摘要：為培育優(yōu)質番茄壯苗、降低工廠化育苗能耗，以中雜9號番茄（Solanum lycopersicum Mill.）為材料，在可控環(huán)境條件下分別研究光照強度與光照時間、日累積光照量DLI與播種密度對番茄育苗質量的影響，并對育苗系統(tǒng)能耗進行分析。結果表明，隨著DLI的增加，番茄幼苗的生物積累量、根冠比和壯苗指數(shù)均顯著提高，但DLI為15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗生物積累量與能耗量和DLI為12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗沒有顯著性差異；在相同DLI處理下，隨著播種密度的增大，番茄幼苗的莖粗、葉片數(shù)、葉面積、凈光合速率和壯苗指數(shù)均逐漸降低，但D15.12-50K番茄幼苗的地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重以及總干重與D12.96-50K、D15.12-72K無顯著性差異。因此，提高DLI可以在一定程度上減弱因播種密度過大引起的育苗質量不佳現(xiàn)象，同時提高番茄育苗的空間利用效率和光能利用效率。采用DLI為15.12mol/（m2·d）（即光照強度為300μmol/（m2·s）、光照時間為14h/d）、72孔穴盤較有助于培育番茄優(yōu)質壯苗，同時降低育苗能耗量。

關鍵詞：植物工廠；日累積光照量；光能利用效率；壯苗指數(shù)；工廠化育苗

中圖分類號：S238

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12014308

Effects of daily light integral and sowing density on seedling quality of tomato and its energy consumption analysis

Song Jinxiu1， 2， Yu Pengpeng1， 2， Shen Cheng3， Cai Wei2， Li Yanxiang2， Huang Xin2

（1. Key Laboratory of Ministry of Education of Modern Agricultural Equipment and Technology， Jiangsu University，

Zhenjiang， 212013， China； 2. College of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China;

3. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

In order to cultivate high-quality tomato seedlings and reduce the energy consumption of industrial seedling， tomato （Solanum lycopersicum Mill.） （cv. “Zhongza NO.9”） was used as the experimental material to study the effects of light intensity and light duration， the effects of DLI and sowing density on the seedling quality of tomato in a controlled environment， and energy consumption was also analyzed in this paper. The results indicated that the biomass accumulation， root-shoot ratio and healthy index of tomato seedlings were significantly increased with the increase of DLI， but there was no significant difference in biomass accumulation and energy consumption between tomato seedlings with DLI of 15.12 mol/（m2·d） and 12.96 mol/（m2·d）. The stem diameter， leaf number， leaf area， net photosynthetic rate and healthy index of tomato seedlings with the same DLI treatment decreased gradually because of the increase of sowing density. However， there was no significant difference in shoot fresh weight， shoot dry weight， root fresh weight， root dry weight and total dry weight of tomato seedlings between D15.12-50K， D12.96-50K and D15.12-72K. Therefore， increasing DLI can reduce the poor seedling quality caused by excessive sowing density to a certain extent， and improve the spatial utilization efficiency and light utilization efficiency of tomato seedling. In summary， it can be believed that the DLI with 15.12mol/（m2·d） （the light intensity is 300μmol/（m2·s）， and the light duration is 14 h/d） and the sowing density with 72 cell per plug tray is more conducive to cultivating high-quality tomato seedlings， and the energy consumption of seedlings can also be reduced at the same time.

Keywords：

plant factory; daily light integral; light use efficiency; healthy index; industrial seedling

0 引言

2022年，我國番茄栽培面積達到1330khm2，產(chǎn)量突破65000kt，分別占到世界的22.0%和34.7%［1］。番茄栽培面積的持續(xù)擴大促進了種苗市場的繁榮發(fā)展。目前，我國番茄種苗需求量巨大，約為600億株/年。設施番茄育苗具有生產(chǎn)周期短、育苗質量好、自動化程度高、受自然環(huán)境脅迫小和土地利用率高等突出優(yōu)勢，已經(jīng)成為我國番茄種苗生產(chǎn)的主要形式。

光是植物生長發(fā)育的原初動力，光環(huán)境的優(yōu)劣會直接影響育苗質量和后期產(chǎn)量［2］。由于冬春季的低溫寡日照、夏秋季的高溫強日照會造成番茄種苗的生長延緩和品質劣化［3］，改善番茄育苗光環(huán)境對提高育苗質量、縮短育苗周期、降低育苗能耗具有重要意義。人工光型植物工廠可以有效改善番茄育苗的環(huán)境條件，實現(xiàn)種苗的標準化、工廠化、智能化生產(chǎn)。但因其能耗高、投資大、運行成本高等原因，產(chǎn)業(yè)化推廣受到限制。降低人工光型植物工廠的能耗，提高育苗系統(tǒng)的光能利用效率是當前研究的熱點。相較于傳統(tǒng)的土方育苗，穴盤育苗具有省時省力、清潔高效、適宜遠距離運輸和機械化生產(chǎn)等優(yōu)點，已經(jīng)成為番茄育苗不可或缺的設備［4］。穴盤的規(guī)格決定了番茄種苗的播種密度，穴盤孔數(shù)越少，穴孔體積越大，根系的生長空間和可利用養(yǎng)分越多，有利于幼苗生物量的積累，移栽定植時傷苗率也可以大大降低［56］；而隨著穴孔體積增大，單株種苗的成本提高，空間利用效率和光能利用效率下降［78］。在人工光型植物工廠中，選擇合適的穴盤規(guī)格對提高種苗育苗效率、光能利用效率和空間利用效率具有重要影響。

當前，在完全可控環(huán)境條件下，番茄育苗光環(huán)境調控的研究主要集中在光照強度、光照時間和光質上，對日累積光照量（Daily Light Integral，DLI）影響的研究較少［3］。DLI指植物在1天內接收到的總光能量，即光照強度與光照時間的乘積，可以替代光照強度作為植物生長發(fā)育的光變量指標。適宜的DLI可以提高育苗質量，提高幼苗的光能利用效率。目前針對穴盤規(guī)格的研究較多，而針對DLI與播種密度交互影響番茄育苗質量的研究較少。本文針對目前番茄種苗需求量高、育苗質量差以及能耗量較高等問題，在可控環(huán)境下探究DLI與播種密度對番茄育苗質量的影響，提出適宜的DLI與播種密度參數(shù)，以為培育優(yōu)質番茄壯苗、提高光能利用效率和工廠化穴盤育苗技術推廣提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試番茄（Solanum lycopersicum Mill.）品種選擇中雜9號（由中國農業(yè)科學院蔬菜花卉所提供）。試驗于2023年3—5月在江蘇大學現(xiàn)代農業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室的人工光型植物工廠內進行。育苗基質選用草炭、蛭石和珍珠巖的混合基質（3V∶1V∶1V）。種子發(fā)芽溫度控制為28℃±1℃，相對濕度控制為75%±10%，CO2濃度不控制。育苗期間的明期溫度為24℃±1℃、相對濕度為60%±10%、CO2濃度為600μmol/mol±50μmol/mol；暗期溫度為20℃±1℃、相對濕度為70%±10%、CO2濃度不控制。

1.2 試驗方法

試驗分為兩組。試驗一：番茄育苗采用R∶B為1∶2的LED植物生長燈（W-LED5/1-T5-16W）進行人工光照，共設置2種光照強度：200μmol/（m2·s）、300μmol/（m2·s）和2種光照時間：12h/d、14h/d，進行組合光照環(huán)境處理，共計4個試驗區(qū)：試驗區(qū)分別命名為200P-12H、200P-14H、300P-12H、300P-14H，即DLI分別為8.64mol/（m2·d）、10.08mol/（m2·d）、12.96mol/（m2·d）、15.12mol/（m2·d）。試驗二：番茄幼苗根據(jù)試驗一結果選擇適宜的2種DLI（D1和D2）和3種播種密度（50孔/盤、72孔/盤、105孔/盤）進行DLI與播種密度交互影響試驗，共計6個試驗區(qū)（試驗區(qū)分別命名為D1-50K、D1-72K、D1-105K、D2-50K、D2-72K、D2-105K）。番茄種子出芽后采用1/3倍的日本山崎（番茄）營養(yǎng)液進行底面灌溉，待子葉展平后使用2/3倍的營養(yǎng)液進行灌溉，當?shù)谝黄嫒~展開后使用標準濃度的營養(yǎng)液灌溉。

1.3 參數(shù)測定

1） 生長形態(tài)。待番茄幼苗長至四葉一心時，各試驗處理隨機選取12株長勢一致的番茄幼苗測量其生長形態(tài)。其中，株高為幼苗莖稈基部至頂部生長點的長度，利用直尺測量（cm）；莖粗為幼苗子葉下方1cm處莖稈的直徑，利用游標卡尺測量（mm）；葉片數(shù)為幼苗已成型的真葉數(shù)量（未完全展開的葉片記為0.5，片）；葉面積使用智能葉面積測量系統(tǒng)（YMJ-CH）掃描樣本所有真葉，并記錄每株幼苗的總葉面積（cm2）。

2） 生物積累量。各試驗處理隨機選取8株長勢一致的番茄幼苗進行生物量測量。地上部鮮重與地下部鮮重：用萬分之一電子天平（ME204E）分別測量幼苗的地上部和地下部所有植物體的重量（g）。地上部干重與地下部干重：將上述樣本用報紙完全包裹后放入烘箱，105℃殺青3h后，60℃烘干至恒重，用萬分之一電子天平測量烘干后地上部和地下部所有植物體的重量（mg）?？偢芍丶捶延酌绲厣喜扛芍嘏c地下部干重之和（mg）。

3） 根冠比與壯苗指數(shù)。按式（1）和式（2）進行計算。

根冠比=地下部干重/地上部干重? （1）

壯苗指數(shù)=（莖粗/株高×全株干質量）? （2）

番茄幼苗葉片的葉綠素含量和光合特性，育苗期間的光能利用效率（LUEd）和電能利用效率（EUEd）的測量方法和計算方法參照Song等［2］的方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019、SPSS 26、Graphpad Prism 6.01進行試驗數(shù)據(jù)的分析處理及圖表繪制，方差分析采用LSD最小顯著差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 光照強度與光照時間對番茄育苗質量的影響

2.1.1 光照強度與光照時間對番茄幼苗生物積累量的影響

由圖1可知，在可控環(huán)境下，光照強度與光照時間對番茄幼苗植株的生物積累量有顯著影響。300P-14H番茄幼苗的地上部干重和地下部干重均為最高，分別達到482mg和87mg，顯著高于其他試驗區(qū)。從幼苗接收到的總光能量來看，隨著DLI增加，番茄幼苗的地上部干重和地下部干重均呈現(xiàn)顯著增加趨勢。其中，番茄幼苗的地上部干重與DLI呈線性相關關系；地下部干重與DLI呈二次相關關系。

光照強度與光照時間對番茄的育苗質量也具有顯著影響（圖2）。其中，300P-12H番茄幼苗的根冠比均值最大，顯著高于200P-12H，但與200P-14H和300P-14H無顯著性差異。300P-14H番茄幼苗的壯苗指數(shù)最大，且顯著高于其他試驗區(qū)。由結果分析可知，隨著DLI的增加，番茄幼苗的根冠比與壯苗指數(shù)呈顯著增加趨勢。通過分析番茄幼苗的生長形態(tài)差異可知，株高、莖粗、葉數(shù)和葉面積也呈現(xiàn)和根冠比、壯苗指數(shù)相同的變化趨勢（數(shù)據(jù)未顯示）。

2.1.2 光照強度與光照時間對番茄育苗能耗量的影響

由表1可知，200P-12H番茄幼苗的單位鮮重耗電量與單位干重耗電量均為最高，分別是0.06（kW·h）/g和0.73（kW·h）/g，顯著高于其他試驗區(qū)。200P-14H、300P-12H和300P-14H之間無顯著性差異。300P-14H與300P-12H番茄幼苗的LUEd和EUEd無顯著性差異，但顯著高于光照強度為200μmol/（m2·s）的試驗區(qū)。200P-12H番茄幼苗的LUEd和EUEd最低。光照強度與光照時間的交互作用對番茄幼苗的LUEd和EUEd沒有顯著影響。在一定范圍內，番茄幼苗的LUEd和EUEd隨著DLI的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；隨著DLI繼續(xù)增加，番茄幼苗的光LUEd和EUEd不再顯著增加。

綜上可知，光照強度與光照時間顯著影響著番茄幼苗的生物積累量、種苗質量和能源利用效率。隨著DLI的增加，番茄幼苗的生物積累量、育苗質量和能源利用效率均顯著增加，但300P-12H和300P-14H的番茄幼苗無顯著性差異。

2.2 DLI與播種密度對番茄育苗質量的影響

2.2.1 對番茄幼苗植株生長形態(tài)的影響

由以上分析可知，光照強度為300μmol/（m2·s）的兩個試驗區(qū)番茄幼苗的育苗質量和能耗量沒有顯著性差異。為此，試驗二選擇300P-12H和300P-14H試驗區(qū)的DLI值，即D1為12.96mol/（m2·d）（D12.96），D2為15.12mol/（m2·d）（D15.12）。

在不同的DLI與播種密度處理下，各試驗區(qū)番茄幼苗的生長形態(tài)有顯著性差異（圖3）。其中，DLI為12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗株高隨著播種密度的增加而逐漸降低，但DLI為15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗株高未受到播種密度的明顯影響。這說明DLI對番茄幼苗的株高具有顯著影響，增加DLI可在一定程度上緩解因播種密度較大帶來的徒長現(xiàn)象。DLI對莖粗、葉片數(shù)、葉面積的影響不顯著。播種密度對番茄幼苗的株高、莖粗、葉片數(shù)、葉面積均有顯著影響，D15.12-50K和D12.96-50K番茄幼苗的葉片數(shù)和葉面積均最高，兩者之間無顯著性差異。D15.12-50K番茄幼苗的莖粗最高，達到5.49mm。

2.2.2 對番茄幼苗葉片光合能力的影響

DLI與播種密度對番茄幼苗葉片的光合特性具有顯著影響（表2），對葉片的葉綠素含量和葉綠素熒光特性沒有顯著影響（表3和表4）。D12.96-72K番茄葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量和總葉綠素含量均為最低，其他試驗區(qū)之間沒有顯著性差異。D15.12-50K、D15.12-72K、D12.96-50K番茄葉片的凈光合速率顯著高于其他試驗區(qū)，且三者之間沒有顯著性差異。D15.12-50K、D15.12-72K、D12.96-50K、D12.96-72K番茄葉片的氣孔導度高于其他試驗區(qū)，且四者之間沒有顯著性差異。各試驗區(qū)番茄葉片的蒸騰速率沒有顯著性差異。

2.2.3 對番茄幼苗生物積累量的影響

D15.12-50K番茄幼苗的地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重以及總干重均為最高，與D12.96-50K、D15.12-72K無顯著性差異，但顯著高于其他試驗區(qū)（表5）。在相同DLI處理下，隨著播種密度的增大，番茄幼苗的地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重以及總干重均顯著降低；在同種穴盤孔數(shù)下，DLI為15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗地下部鮮重、地下部干重以及總干重顯著高于DLI為12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗。

各試驗區(qū)番茄幼苗的根冠比無顯著性差異（圖4），均值在0.15左右。不同播種密度的番茄幼苗的壯苗指數(shù)存在顯著性差異（圖4），而相同DLI處理的番茄幼苗的壯苗指數(shù)無顯著性差異。隨著播種密度的增加，番茄幼苗的壯苗指數(shù)逐漸降低。D15.12-50K番茄幼苗的壯苗指數(shù)最高，達到16.2，但與D12.96-50K無顯著性差異。

2.2.4 對番茄育苗能耗量的影響

D15.12-105K番茄幼苗的單位鮮重耗電量和單位干重耗電量均為最低，分別為0.012（kW·h）/g和0.20（kW·h）/g，除D12.96-105K外，與其他試驗區(qū)無顯著性差異（表6）。D15.12-50K、D15.12-72K、D12.96-50K以及D12.96-72K番茄幼苗LUEd和EUEd均無顯著性差異；D15.12-105K和D12.96-105K番茄幼苗LUEd和EUEd較低，但無顯著性差異。

3 討論與結論

光是植物生長發(fā)育的能量和信號來源，光環(huán)境的優(yōu)劣直接影響到番茄的育苗質量和結構特征［9］。我國番茄育苗常集中在冬春季節(jié)或夏秋季節(jié)，由于冬春季節(jié)常遇到低溫寡日照或梅雨、夏秋季節(jié)常遇到高溫強光照或臺風等影響，番茄幼苗不可避免地出現(xiàn)生長緩慢或者徒長現(xiàn)象，種苗質量較差［3］。有研究表明，隨著光照強度降低，植物的株高、根冠比、下胚軸長度和壯苗指數(shù)逐漸下降［10］，葉面積增加，葉片變薄，生物量向地下部分配比例增加［11］。延長光照時間可以促進植物幼苗葉片的光合產(chǎn)物積累量，提高植株的根冠比和葉面積［12］。而作為植物接收到的總光能量，DLI在近些年的研究也越來越多，Yang等［13］發(fā)現(xiàn)增加DLI可以減少強光影響，提高植物幼苗的生物積累量。

本文發(fā)現(xiàn)，隨著DLI的增加，番茄幼苗的生物積累量、根冠比和壯苗指數(shù)均顯著提高，這與多數(shù)學者的結論一致，說明增加總光能量可以提高番茄幼苗長勢、促進光合產(chǎn)物生成［14］。另外，番茄植株的地下部干重與DLI呈二次相關關系，這與Zhang［15］、Yan［16］等研究結果一致，這是因為番茄植株的生物積累量在DLI超過一定范圍后因為受到光抑制而出現(xiàn)下降趨勢［17］。但在本實驗中，較難通過二次相關曲線擬合得出適宜的DLI參數(shù)。結果顯示，DLI為15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗生物積累量與能耗量和DLI為12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗沒有顯著性差異，且顯著高于其他試驗區(qū)。因此，綜合考慮番茄幼苗的培育質量和經(jīng)濟效益，DLI為12.96mol/（m2·d）（即光照強度為300μmol/（m2·s）、光照時間為12h）的光照環(huán)境更適合番茄育苗的培育，這也與Fan等［18］的研究結果相近。

播種密度決定了番茄幼苗的生長空間和可利用養(yǎng)分，穴孔體積大更有利于根系發(fā)育和養(yǎng)分吸收，但也會導致單株番茄幼苗的電能利用效率、光能利用效率以及基質利用率下降［1920］。為培養(yǎng)番茄優(yōu)質壯苗，并降低育苗系統(tǒng)能耗量，本文分析了可控環(huán)境下DLI與播種密度交互作用對番茄育苗質量的影響。研究結果顯示，在相同DLI處理下，隨著播種密度的增大，番茄幼苗的莖粗、葉片數(shù)和葉面積逐漸降低，這與Kim等［21］的研究結果相似；株高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，原因可能是種植密度過大導致番茄幼苗徒長［22］；葉片的凈光合速率、生物積累量和壯苗指數(shù)逐漸降低。番茄幼苗葉片的葉綠素含量和葉綠素熒光特性無顯著性差異，這與王世琛等［23］的研究結果存在一定差異。對比不同DLI處理下的番茄幼苗，結果發(fā)現(xiàn)DLI為15.12mol/（m2·d）與12.96mol/（m2·d）的番茄幼苗在50孔穴盤的育苗質量和DLI為15.12mol/（m2·d）的番茄幼苗在72孔穴盤的育苗質量之間的差異不顯著，兩者之間的光能利用效率和電能利用效率也沒有明顯差異。

綜上所述，在可控環(huán)境條件下，DLI與播種密度對番茄育苗質量具有顯著影響，且提高DLI可以在一定程度上減弱因播種密度過大引起的育苗質量不佳現(xiàn)象。在番茄育苗過程中，協(xié)調DLI與播種密度等參數(shù)可以有效提高番茄育苗的空間利用效率和光能利用效率。因此，本文綜合認為DLI為15.12mol/（m2·d）（即光照強度為300μmol/（m2·s）、光照時間為14h），采用72孔穴盤較有助于培育番茄優(yōu)質壯苗，同時也有利于降低番茄育苗的能耗量。

參 考 文 獻

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