园艺设施光照环境与作物生育

项目5　园艺设施光照环境特点及调控

项目描述　设施内的光照环境包括光照强度、光质、光照时数与空间分布。光照环境对设施内作物的生长发育产生光效应、热效应、形态效应，直接影响作物的光合作用、光周期反应和器官形成的建成。而设施内的光照条件受设施外自然光照、设施建筑方位、设施结构、透光屋面大小、形状、覆盖材料特性、清洁程度、作物的群体结构及辐射特性等多种因素的影响。只有了解园艺设施的光照环境特点，熟悉园艺作物对光照条件的要求，掌握园艺设施光照环境调控的方法，才能促进园艺作物的安全、优质、高产、高效生产。

学习目标　了解影响园艺设施光照环境的各种因素和变化特点；熟悉光照强度、光照时间及光质变化对园艺作物的影响；掌握改善设施光照条件、调控光照时数、园艺设施遮光和人工补光的方法。

能力目标　掌握改善设施光照条件的基本技能；学会调控设施内光照时数的基本方法；学会园艺设施遮光和人工补光的操作方法。

项目任务

小贴士

“万物生长靠太阳”，植物的生命活动，都与光照密不可分，因为其赖以生存的物质基础是通过光合作用制造出来的。目前我国园艺设施类型中，塑料拱棚和日光温室是最主要的类型，约占设施栽培总面积的90%或更多。塑料拱棚和日光温室是以日光为光源与热源的，所以光照环境对设施园艺生产产生的影响是巨大的。设施内的光照环境包括光照强度（光照度）、光质、光照时数与空间分布。光照环境对设施内作物的生长发育产生光效应、热效应、形态效应，直接影响作物的光合作用、光周期反应和器官形成的建成，所以在设施园艺作物生产，尤其是在喜光作物的优质高产栽培中，会产生决定性影响。

任务5.1　园艺设施光照环境特点

活动情景　园艺设施内的光照环境不同于露地，由于是人工建造的保护设施，其设施内的光照条件受设施外自然光照、设施建筑方位、设施结构、透光屋面大小、形状、覆盖材料特性、清洁程度、作物的群体结构及辐射特性等多种因素的影响。

工作过程设计

工作任务单

任务相关知识点

5.1.1　设施外的太阳辐射

设施内的光照来源，除少数地区或温室进行补光育苗或部分利用人工光源栽培植物外，主要依靠自然光源的太阳光能，通常是指太阳辐射中人眼可视的可见光部分，波长在380～760nm范围，其辐射能量约占地球表面太阳辐射总能量的1/2。

太阳不断地以电磁波的形式向宇宙释放能量，太阳辐射穿过大气层时，由于臭氧、水汽、二氧化碳和尘粒等的吸收、反射、散射，透射到地球表面的太阳辐射能量仅占大气层上届太阳总辐射的1/2左右；到达地表的太阳辐射光谱也发生了很大变化，光谱范围仅限于300～3000nm。狭义的太阳光能通常是指380～760nm的可见光部分，但广义的太阳光能是包含光谱为300～3000nm范围的到达地面的整个太阳辐射能，除可见光外，还包括紫外线（波长在380nm以下）和红外线（波长在760nm以上）。紫外辐射又分为近紫外线（320～400nm，UV-A）和远紫外线（280～320nm，UV-B）；红外辐射（也称热辐射）又分为760～3000nm波段的近红外线和3000nm以上的远红外线（也称长波辐射）。另外，波长为400～700nm的范围是植物光合作用主要吸收利用的能量，称为光合有效辐射。而700～760nm的部分称为远红光。由此可见，与植物生长和设施环境控制密切相关的太阳辐射，不仅占总辐射能量约50%的可见光部分，还包括分别占太阳总辐射能量约43%和7%的红外线和紫外线辐射（图5.1）。所以，用太阳辐射量来表达设施光照环境更为恰当。

图5.1　地表太阳辐射光谱能量分布及各波长域名称

图5.2　植物对不同光谱的相对敏感性

图5.3　人眼对不同光谱的相对敏感性

度量日光能的相关单位有代表辐射能（radiometry）的W/m2，代表照度（photometry）的lx和代表光量子流密度（quantum）的μmol/（m2·s）。旧制常用照度（光照强度）作为光量的物理量，其单位为勒克斯（lx）或千勒克斯（klx），这是指正常人眼的感光灵敏度曲线折算的表示物体被照明的程度，在光辐射中属于波长为380～760nm的可见光部分。实际上不同波长段的光亮度是存在很大差异的，例如光波为550nm即黄绿光处，是人眼感光最灵敏的峰段，然而对绿色植物的吸收率而言，黄绿光是吸收率较低的波段，如图5.2、图5.3。同时，影响植物生理代谢的不仅是可见光，还包括紫外线和红外线，所以新近都改用国际单位（SI制）来表示太阳光辐射能的物理量，即以单位时间内通过单位面积的辐射能量的“辐射通量密度”（radiantfluxdensity，RFD）来表示太阳辐射能的大小，其中通过的光合有效波长域，能被植物叶绿素吸收并参与光化学反应的太阳辐射能则称为“光合有效辐射”（photosynthetically activeradiation，PAR），其单位都是W/m2或kJ/（m2·h）〔1W/m2=3.60kJ/（m2·h）〕或用μmol/（m2·s）表示；或者以单位时间内通过单位面积入射的光量子摩尔数（1mol= 6.02257×1023）的“光量子通量密度”（photonfluxdensity，PFD）来表示，又称光通量密度，单位是mol/（m2·s）；或者以光合有效波长范围内的光量子通量密度，即“光合有效光通量密度”（PPFD）来表示，单位为μmol/（m2·s）。单个光量子的能量与其波长成反比，光合作用强度与光合有效利用光量子数成正相关，这更客观地反映了光能对植物的生理作用。

太阳辐射下1W/m2≈4.56μmol/（m2·s），PAR（W/m2）≈0.45RFD（W/m2）。可见光波长域lx与W/m2的换算系数为1W/m2≈250lx。RFD、PPFD和光照强度间不成比例关系，三者相互换算较为复杂，与辐射源的波长分布等有密切关系，现将不同光辐射源的三者相互换算系数表示如表（表5.1）。以白炽灯为例，照度为1klx时，其PAR为3.96W/m2，其余PAR、PPFD依定义推定。

表5.1　不同光源的PAR、PPED及照度的换算
（McCree，1972）

在晴天条件下，地面太阳辐射能依不同波长的能量分布如图5.1所示，其最大辐射能在550nm（绿色）附近。图中的能量分布曲线并不光滑，是由于大气中水汽、二氧化碳、其他气体等具有选择性吸收光谱的特性所致。图示光合有效辐射占总辐射的50%弱，而波长800nm以上部分仅起加热（叶温升高）作用而对植物生理作用没有直接影响。

上述到达地面的太阳辐射由直接辐射和散射辐射两部分组成。前者是指未经大气层微粒的反射和散射而直接到达地面的太阳辐射；后者是指阳光通过大气层时经气体分子、尘埃、水滴等的吸收、反射而成为散射光到达地面。两者之和称为太阳总辐射，单位为W/m2。在晴天条件下，散射光能占总辐射的约10%，阴雨天时散射光比率几乎达到100%。

5.1.2　影响设施内光照条件的因素

太阳光投射到设施表面会发生反射、吸收和投射而形成设施内的光照环境。影响设施内光照环境的主要因素，除室外时刻变化的太阳辐射等气象因素外，还受设施本身结构域管理技术的影响，其机理较为复杂。在生产实践中对设施内光照环境的要求是能最大限度地透过光线（透光率大）、透光面积大、光照时间长和光照分布均匀。

1）室外太阳辐射的影响

室外太阳辐射直接影响室内光照环境，它又受太阳高度角和大气透明度的限制。

（1）太阳高度角

太阳高度角是指太阳直射光线与地平面的夹角。太阳高度角的大小取决于某地的地理纬度、季节及每天的时刻，即太阳高度角在低纬度地区大于高纬度地区，在夏半年大于冬半年（夏至日最大，冬至日最小），在正午时刻大于一天内的其他时刻，可见太阳高度角每时每刻都在变化。通常所指某地某天的太阳高度角是指当地中午12：00的太阳高度角，用H0表示。其算式：

H0=90°-￠+δ

式中　￠——某地的地理纬度；

　　　δ——赤纬，即太阳直射光线垂直射在地面处的地理纬度。

太阳赤纬随时间的变化在-23.5°（南回归线）至23.5°（北回归线）的范围内变化，而且在夏半年（春分至秋分）取正值，冬半年（秋分至春分）取负值，如表5.2。

表5.2　季节与赤纬（δ）

太阳高度角的大小直接影响室外太阳辐射和室内的透光率。当太阳高度角等于90°时，室外太阳辐射强度最强，透光率也最大；高度角越小，室外太阳辐射越弱，透光率也越小。所以，太阳高度角是估算设施透光率和计算全天太阳辐射强度的必要参数。

（2）大气透明度

大气透明度对直射光的影响很大。通常夏季晴天时直射光占太阳总辐射的90%左右，多云到阴天时则占30%～40%。大气透明度受大气层厚度（与海拔高度有关）、云的种类与云量、雾及煤烟、水滴、尘埃等因素影响，大气透明度好，白天太阳辐射强度大，设施的透光率大，有利于设施作物的生产。

2）设施透光率的影响

设施的透光率时指设施内作物栽培床面或作物冠层接受太阳辐射能或光照强度与室外水平面太阳辐射能或自然光照强度之比，以百分率表示。

太阳光由直射光和散射光两部分组成，设施内的直射光透光率（Td）与散射光透光率（Ts）不同，若设施内全天的太阳辐射总量（或全天光照度）为G，设施外直射光量和散射光量分别为Rd、Rs，则：

G=RdTd+RsTs

（1）散射光透光率（Ts）

太阳光通过大气层时，因气体分子、尘埃、水滴等发生吸收与散射后到达地表的光线称散射光。散射光是太阳辐射的重要组成部分，在设施设计和管理上要充分考虑利用散射光的问题。通常情况下，散射光透光率（Ts）取决于透明覆盖材料的种类、保护设施的结构、形式及覆盖物的污染状况。对于某种类型的设施，Ts可以由下式决定：

Ts=Tso（1-r1）（1-r2）（1-r3）

式中：Tso为干洁透明覆盖材料对散射光的透光率，系覆盖材料为水平放置时测得的散射光透光率（当屋面倾斜角度较大时，应折减2%～3%）；r1为设施构架。设备等不透光材料的遮光损失率（一般大型设施r1在5%以内，小型设施在10%以内）；r2为覆盖材料因老化的透明损失；r3为水滴和尘埃的遮光损失（一般水滴透过损失可达20%～30%，尘埃可达15%～20%）。

太阳辐射中，散射辐射的比重与太阳高度角和天空云量有关，太阳高度角为0°时，散射辐射占100%，20°时占90%，50°时占18%。散射辐射还随云量的增多而增大，散射光是太阳辐射的重要组成部分，在设施设计和管理上要考虑如何充分利用散射光的问题。

（2）直射光透光率（Td）

直射光透光率（Td）主要与投射光的入射角有关。入射角大小由太阳高度角所制约，而太阳高度角是依该地区的地理纬度、季节、时间的变化而时刻变化的，还因设施方位、构造形式、屋面坡度、单栋或连栋覆盖材料的种类等不同而异。

总之，在设施总辐射中，散射光透光率一般是设施固有的定数，所占比例较小，而且是垂直透射入设施内，栽培床面光照时空分布也较直射光均匀，主要由设施结构与覆盖材料所决定，与太阳高度角及设施建造方位无关。以下所论述的设施光照环境的各种影响因素主要是针对直射光透光率为主。

3）覆盖材料透光特性的影响

（1）设施屋面直射光入射角的影响

太阳光照射到设施屋面后，大部分透过透明覆盖材料射入设施内，一部分被覆盖材料所吸收，一部分被反射掉，这三部分有如下关系：

吸收率+反射率+透射率=100%

洁净玻璃或塑料薄膜的光吸收率约10%，为一定数。因此，光线的透射率就决定于反射率的大小，反射率越小则透射率越大，而辐射率大小与直射光的入射角有直接关系。所谓直射光入射角是指直射光线照射到屋面与屋面的法线间形成的夹角，如图5.4所示。

入射角越小，透光率越大，入射角为0时，光线垂直照射到透明覆盖物上，透光率为最高。图5.4示入射角的大小与透光率和反射率的关系，可以看出，透光率与入射角的关系并不成简单的线性关系，透光率随入射角的增大而减小，入射角为0时透光率约83%；入射角为40°或45°，透光率明显减少；若入射角超过60°，透光率就急剧下降，而反射率就迅速增大。但透光率与入射角之间的关系还因覆盖材料种类的不同而异，透明覆盖材料农膜与透明玻璃的透光率高于扩散性覆盖材料（透过的直射光20%～40%被扩散）。毛玻璃和纤维玻璃等半透明覆盖材料，当入射角超过20°时，就随着入射角的增大而透光率直线下降。硬质覆盖材料中，波形板（如波状纤维玻璃）由于能对阳光进行多次反射，而且能在某一方向上使阳光入射角减小，因而透过性能高于平板材料。

图5.4　覆盖物为3mm玻璃的太阳入射角与透光率和反射率

（2）覆盖材料对不同光质（波长）的透光性

不同覆盖材料有不同的透光率，并且影响设施内的光谱成分组成，特别是其所含添加剂种类的不同，对太阳辐射光谱的吸收、反射和透射能力各异，所以在某些情况下，虽然两种覆盖材料的透光率相同，但由于对不同光质（波长）的透光率不同，致使透射入设施的光谱能量分布有很大差异，对作物生长发育的有效性也不相同。理想的覆盖材料应对波长为300～750nm的对作物生理作用关系密切的有效辐射具有最大的透过率。波长300nm以下的紫外线，由于大气臭氧层的吸收，到达地面的很少，而且波长在320nm以下的远紫外线透过率越低，对增强塑料覆盖材料的抗老化剂越有利；320～380nm波长的近紫外线透过率高，则对某些作物的果色、花色、维生素C等的形成有利；太阳辐射中800～3000nm波长的红外线透过率底时，则进入设施的热量较少。而设施内辐射波长在5000～20000nm的长波辐射透过率越低，则对设施保温越有利。图5.5表示各种覆盖材料在紫外线部分和可见光部分不同波长的透光率。由图可见FRP板、PC版和PET版均不透过紫外线。PE膜、MMA版、FRA版、PVC膜和玻璃都能透过部分紫外线，由于紫外线290nm以下的波长域被臭氧层几乎全部吸收掉，不能到达地面，所以这几种材料的紫外线部分的透光率，实质上不存在差异。但当PE、MMA和FRA加工时加入紫外吸收剂时，也会阻止紫外线的透过。至于可见光部分，各种覆盖材料的透光率大都在85%～92%，差异不显著。玻璃对可见光的透光率很高，近红外线以及波长2500nm以内波段的红外线的透光率也很高，但能阻止波长为4500nm以上的长波辐射红外线的通过，这对设施保温有利。玻璃对300nm以下的紫外线基本不透过，却能透过310～320nm以上的近紫外线。FRP板、PC板与玻璃一样，300nm以下的远紫外线透光率低，FRA板和MMA板近紫外线透过率较高，其余特征均与玻璃相似，但抗老化性能差，透光率年递减1%以上。PET膜、ETFE膜的可见光透光率高达90%～93%，近紫外线透过率也是最好的，特别是ETFE膜300nm以下的紫外线透光率高达70%以上。

图5.5　不同覆盖材料的分光透过率（日本设施园艺协会，1986）

EVA膜、PE膜和PVC膜，对可见光的透光率相近，都在90%左右，对近红外线到波长5000nm的红外线的透光率也比较接近。但EVA和PE膜可透过300nm以下的紫外线，PVC膜只能透过300～380nm的近紫外线。PE膜和EVA膜保温性能不如PVC膜。

近年来，设施园艺中用于遮光降温而研发的遮光资材及其应用日益增多，都是具有透气性的网状、无纺布状（二者兼具防虫功能）、条带状的遮光资材，通过染色改变红光与蓝光光谱的比率，都部分应用于育苗控制徒长、植物花芽分化与抽薹开花的调控上，这种不同可见光谱透过率不同的遮光材料称为选择性光透过资材。

（3）污染和老化对覆盖材料透光性的影响

保护设施透明覆盖材料的内外表面在使用过程中经常被灰尘、烟粒污染，内表面经常附着一层水滴或水膜，使其透光率大为减弱，光质也有所改变。一般PVC膜易被污染，PE膜次之，玻璃污染较轻。水膜的消光作用与水膜的厚度有关：当水膜厚度不超过0.1～1.0 mm时，水膜对薄膜的透光性影响很小。灰尘主要削弱900～1000nm和1100nm的红外线部分。覆盖材料本身老化也会使透光率减小，老化的消光作用主要在紫外线部分，覆盖材料不同，老化的程度也不同。生产中，如使用有滴膜，且不经常清除污染，则这种膜会因附着水滴而使透光率降低20%以上，因污染使透光率降低15%～20%，因本身老化而降低透光率20%～40%，而且会对紫外线部分起消减作用，再加上温室结构的遮光，温室等设施的透光率最低时仅为露地的40%～50%。

4）设施结构方位的影响

设施结构方位包括建筑方位、结构形式（如屋面坡度、单栋或连栋等）、宽度（跨度）、高度和长度等。

设施内直射光透光率通常以直射光日总量床面平均透过率来表示，系指设施外水平面直射光强度与全天直射光照时间的平均积累值作为全天设施外平面接受的直射光能的总量（P），将P与设施内栽培床面或作物群体冠层水平面接受直射光（Q）之比，即Q/P×100%来表示。系以室内床面平均受光量计，不考虑不同部位光量分布不均匀的状况。

光照强度与光照时数构成作物所需的光量，与作物的产量、品质密切相关。我国冬季的日照时数的长短，因地理纬度的不同而有很大变化，赤道上全年每天保持12h的日照，随着纬度的增高，我国日照时数由南向北逐渐减少。以冬至日照时数为例，广州为10.72h，武汉为10.18h，北京为9.33h，纬度46°哈尔滨的地区只有8.46h。我国冬季的光照强度，在西部地区（东经105°以西），随纬度的上增高而减弱；在东部地区，则有华南地区、淮河以北与辽河、内蒙古高原以南的两个高值区，辽河以北的东北地区和川黔至长江中下游地区的两个低值区。故我国高纬度地区存在冬季光量不足，而成为冬春季设施栽培的限制因子。

现以温室为例，将影响室内栽培床面或作物群体冠层平面直射光日总量平均透过率的构造方位等因素介绍如下：

（1）构架率

温室有透明材料和不透明材料的构架材料组成。温室全表面积内，直射光照射到结构骨架（或框架）材料的面积与全表面积之比，称构架率。构架率越大，说明构架的遮光面积越大，直射光透光率越小。简易大棚的构架率约为4%，普通钢架玻璃温室约为20%。

（2）建造方位

建造方位是指温室屋脊的走向，它对室内直射光透过率与光分布的影响很大，而对散射光的影响不大。我国淮河秦岭以北的北方地区广为分布的日光温室是单屋面温室，东西两山墙和北后墙为土墙、砖墙，仅向阳面采光，显然，这类温室都是坐北朝南，东西栋建造方位，以达到充分采光和防寒保温的目的。随着设施园艺的发展，双屋面连栋温室和大棚已日渐发展成设施栽培的又一主要形式。

以下介绍温室内床面直射光日总量平均透光率与方位、纬度、季节等的关系（图5.6至图5.9所示的温室均为长98m、屋面角为24.6°的单栋和11连栋双屋面温室）。

①纬度与方位的关系　图5.6分别代表北纬30°与北纬45°两地区冬至时，温室内床面直射光日总量平均透光率与建设方位的关系。由图可见，东西栋比南北栋的透光率高，这种倾向高纬度地区比低纬度地区明显，单栋温室比连栋温室明显。

图5.6　纬度方位对床面日均直射光透过率的影响（冬至）

②季节与方位的关系　图5.7所示北纬35°41′的日本东京地区不同建设方位的单栋或连栋温室直射光日总量床面平均透光率的季节变化。由图可见，从冬至（12月21—23日）到夏至（6月21—23日）的半年间，东西栋方位单栋温室的透光率以冬季的67%达到最高值，其后从2月初至4月中旬渐次下降至60%，以后呈稳定状；而冬季东西连栋温室的透光率次于单栋温室，约为58%，后呈稍稍下降的趋势，直到3月初，此后至4月中旬又渐渐升高到62%，后趋稳定。而且东西连栋温室，到4月初以后的透光率要稍高于东西方位单栋温室。南北栋方位温室，单栋的总比连栋的高出百分之几的透光率；其透光率到冬至时仅约50%，为最低值，此后逐渐增加，到夏至时增至约67%而达到最大值。南北连栋的透光率在2月初之后超过东西连栋，3月中旬以后也超过东西方位单栋温室的透光率。

图5.7　季节方位和栋数对床面日均直射光透过率的影响

由上可见，在高纬度地区的冬季，不论是单栋或连栋、单屋面或双屋面或大棚的透光率均为东西栋优于南北栋；到了夏季则发生了逆转，双栋与双屋面温室或大棚的透光率，则是南北栋优于东西栋。

图5.8　4连栋温室直射光日总量透过率床面分布（冬至，日本大阪）

③直射光日总量平均透光率的床面分布　图5.8所示在日本大阪冬至期间4连栋温室的东西栋或南北栋方位时，床面直射光日总量平均透光率在温室跨度方向上的分布情况。由图可见，东西栋的平均透光率高于南北栋，但床面不同位置的光量分布很不均匀，这是由于东西连栋温室近中午时刻，从其邻接连栋的北屋面直射光的透过率低，因此时直射光达北屋面的入射角已超过60°，故透光率迅速下降。但南北栋方位的床面，不论哪一部位的透光率都较均匀一致。

④直射光床面平均透光率的日变化　图5.9所示北纬34.5°（日本大阪）地区不同建设方位温室的床面直射光日总量平均透光率在冬至时的变化。由图可见，东西栋方位的，不论单栋或连栋，均以正午时透光率最大，但在早晚时单栋的变化较少，连栋的则透过率降低极为显著。而南北向单栋温室透光率在中午前后较低，为48%～52%，早晚则较高，为60%～65%。而南北连栋较南北单栋的透光率中午附近相差不大，但早晚南北连栋的透光率则明显低下。

图5.9　建设方位与床面直射光平均透过率的经时变化（冬至，日本大阪）

⑤屋面角、连栋数、温室侧面长度等与床面日总量平均透光率。

a.屋面倾角与透光率：冬至期间北纬35°地区温室床面直射光日总量平均透过率与屋面角的关系如图5.10所示。南北栋温室的透光率与屋面倾角的关系不大；但东西向单栋温室，屋面倾角越大，透光率越高。而东西向连栋温室，则随着屋面角增大到约30°时透光率达最高值，再继续增大则透光率又迅速下降，这是由于屋脊升高后，直射光透过温室时，要经过的屋面数增多了。但不论何者，单栋温室的透光率均高于连栋温室。

不同纬度对东西连栋温室的透光率影响较大，如图5.11所示，北纬35°41′的东京与北纬52°20′的阿姆斯特丹的差异极大。

b.连栋数和温室长度与透光率：如图5.12（a）所示，东西栋的透光率随着连栋数的增加，透光率逐渐降低，但超过5连栋后再增加连栋数时，透光率变化不大；而南北栋温室透光率则与连栋数关系不大。

如图5.12（b）所示，东西栋方位的床面透光率与温室长度几乎无关。但对我国北方单屋面日光温室的测试表明，长度在50m以内时，透光率随长度的减少而减少；但南北栋者，长度10m的较50m的透光率高约5%，即随长度的增加，透光率随之下降。这是由于南北侧面长度较短的较之长度较长的温室，在中午附近时段的直射光，床面从南正面透过的光量比率大于从屋脊或侧面的透过率。

图5.10　冬至北纬35°地区温室屋面倾角与透光率

图5.11　不同纬度地区温室屋面角与透光率

图5.12　连栋数（a）与侧面长度（b）对直射光日总量的床面平均透过率

c.邻栋温室间距与透光率：同一场地设置几个温室时，相邻温室间隔太近时，会因临近温室的阴影而影响直射光透光率，尤其是我国高纬度地区的东西栋日光温室。在北纬40°一带，两栋间距应不小于栋高（含卷起的草苫高）的2倍，使太阳高度最低的冬至前后，室内也有充足的光照；而南北栋的相邻温室间隔，一般应为檐高的1倍左右，据北纬34°地区冬季测定，肩高2.2m的温室，相邻温室间隔3m时，邻栋阴影消失不影响透光率。

5）温室形状、室内作物的群体结构和畦向等的影响

通常塑料温室拱圆形较屋脊形透光要好。作物群体结构依种类品种的田间生长状态、种植密度、植株大小、高度与株型等影响群体各器官的立体分布，不仅影响群体冠层光能分布，也影响中下层的光能分布与利用。室内床面透光率与畦向也有关系，通常南北畦向受光均匀，日平均投射总量大于东西畦向。高竿作物的行距，温室栽培的要大于露地栽培，以利群体中下层叶系的光能利用。

任务5.2　园艺设施光照环境与作物生育

活动情景　园艺作物包括蔬菜、观赏植物和果树3大种类，园艺设施的光照环境是影响作物生长发育的重要条件之一，其影响主要是通过光照强度、光照时数和光质等来实现的。

工作过程设计

工作任务单

任务相关知识点

5.2.1　光照强度对作物的影响

光照强度首先影响作物的光合作用，在一定范围内（光饱和点以下），光照越强光合速率越高（图5.13），产量也越高。光照强度同时还影响植株的形态和花色，一般随着光照强度的减弱，叶面积变大，株高增加；有些花的色素如花青素，必须在强光下才能产生，散光下不易产生。而园艺作物的种类不同对光照强度的要求不同，因此可将园艺作物分为阳性植物（又称喜光植物）、阴性植物和中性植物。

图5.13　一天内温室中PAR与作物群体光合作用的变化

1gCO2/（h·m2）=6.313μmol/（s·m2）
PAR——光合有效辐射

1）阳性植物

这类植物必须在完全的光照下生长，不能忍受长期荫蔽环境，一般原产于热带或高原阳面。如多数一二年生花卉、宿根花卉、球根花卉、木本花卉及仙人掌类植物等。蔬菜中的西瓜、甜瓜、番茄、茄子等都要求较强的光照，才能很好地生长，光饱和点大多在6～7万lx以上。光照不足会严重影响产量和品质，特别是西瓜、甜瓜，含糖量会大大降低。果树设施栽培较多的葡萄、桃、樱桃等也都是喜光作物。

2）阴性植物

这类植物不耐较强的光照，遮阴下方能生长良好，不能忍受强烈的直射光线。它们多产于热带雨林或阴坡。如花卉中的兰科植物、观叶类植物、凤梨科、姜科植物、天南星科及秋海棠科植物。蔬菜中多数绿叶菜和葱蒜类比较耐弱光，光饱和点2.5～4万lx。

3）中性植物

这类植物对光照强度的要求介于上述两者之间。一般喜欢阳光充足，但在微阴下生长也较好，如花卉中的萱草、耧斗菜、麦冬草、玉竹等。果树中的李、草莓等。中光型的蔬菜有黄瓜、甜椒、甘蓝类、白菜、萝卜等，光饱和点4～5万lx。

5.2.2　光照时数对作物的影响

光照时数的长短影响蔬菜的生长发育，也就是通常所说的光周期现象。光周期是指一天中受光时间长短，受季节、天气、地理纬度等的影响。蔬菜对光周期的反应可分为3类：

1）长日性蔬菜

在较长的日照条件下（一般为12～14h以上）促进植株开花，而在较短的日照条件下，不开花或延迟开花。如白菜、甘蓝、萝卜、胡萝卜、芹菜、菠菜、莴苣、蚕豆、豌豆、大葱、大蒜等，它们都在春季开花，大都为二年生蔬菜，若光照时数少于12～14h，则不抽薹开花，这对设施栽培有利，因为绿叶菜类和葱蒜类的产品器官不是花或果实（豌豆除外）。

2）短日性蔬菜

在较短的日照条件下（一般在12～14h以下）促进植物开花，而在较长的日照条件下，不开花或延迟开花。属于短日性的蔬菜有大豆、豇豆、扁豆、茼蒿、苋菜，蕹菜等。在自然条件下，这些作物在秋季白昼缩短时开花。

3）中日性蔬菜

对光照时数要求不严格，适应范围宽，如黄瓜、番茄、辣椒、菜豆等。需要说明的是短日性蔬菜，对光照时数的要求不是关键，而关键在于黑暗时间长短，对发育影响很大；而长日性蔬菜则相反，光照时数至关重要，黑暗时间不重要，甚至连续光照也不影响其开花结实。

光照时间的长短对花卉开花也有影响，唐菖蒲是典型的长日照花卉，要求日照时数达13～14h以上才能花芽分化；而一品红与菊花则相反，是典型的短日照花卉，光照时数＜10～11h才能花芽分化。设施栽培可以利用此特性，通过调控光照时数达到调节开花期的目的。一些以块茎、鳞茎等贮藏器官进行休眠的花卉如水仙、仙客来、郁金香、小苍兰等，其贮藏器官的形成受光周期的诱导与调节。

果树因生长周期长，对光照时数要求主要是年积累量，如杏要求年光照时数2500～ 3000h，樱桃2600～2800h，葡萄2700h以上，否则不能正常开花结实，说明光照时数对作物花芽分化，即生殖生长（发育）影响较大。设施栽培光照时数不足往往成为限制因子，因为在高寒地区尽管光照强度能满足要求。但1d内光照时间太短，不能满足要求，一些果菜类或观花的花卉若不进行补光就难以栽培成功。

5.2.3　光质及光分布对作物的影响

一年四季中，光的组成由于气候的改变有明显的变化。如紫外光的成分以夏季的阳光中最多，秋季次之，春季较少，冬季则最少。夏季阳光中紫外光的成分是冬季的20倍，而蓝紫光比冬季仅多4倍。因此，这种光质的变化可以影响到同一种植物不同生产季节的产量及品质。表5.3反映了光质对作物产生的生理效应。

表5.3　各种光谱成分对植物的作用

光质还会影响蔬菜的品质，紫外光与维生素C的合成有关，玻璃温室栽培的番茄、黄瓜等其果实维生素C的含量往往没有露地栽培的高，就是因为玻璃阻隔紫外光的透过率，塑料薄膜温室的紫外光透光率就比较高。光质对设施栽培的园艺作物的果实着色有影响，颜色一般较露地栽培色淡，如茄子为淡紫色。番茄、葡萄等也没有露地栽培风味好，味淡，口感不甜。例如，日光温室的葡萄、桃、塑料大棚的油桃等都比露地栽培的风味差，这与光质有密切关系。

由于农业设施内光分布不如露地均匀，使得作物生长发育不能整齐一致。同一种类品种、同一生育阶段的园艺作物长得不整齐，既影响产量、成熟期也不一致。弱光区的产品品质差，且商品合格率降低，种种不利影响最终导致经济效益降低，因此设施栽培必须通过各种措施，尽量减轻光分布不均匀的负面效应。

任务5.3　园艺设施光照环境调控

工作过程设计

工作任务单

续表

任务相关知识点

园艺设施内对光照条件的要求：一是光照充足；二是光照分布均匀。从我国目前的国情出发，主要还依靠增强或减弱农业设施内的自然光照，适当进行补光，而发达国家补光已成为重要手段。

5.3.1　改善设施内光照条件

1）改进园艺设施结构提高透光率

（1）选择适宜的建筑场地及合理建筑方位

确定的原则是根据设施生产的季节，当地的自然环境，如地理纬度、海拔高度、主要风向、周边环境（有否建筑物、有否水面、地面平整与否等）。大棚南北延长或东西延长；日光温室坐北朝南，东西延长，在黄淮地区，以南偏东5°～10°为多，而气候寒冷的高纬度地区则多以南偏西朝向居多；连栋温室以南北延长为主。

（2）设计合理的屋面坡度

单屋面温室主要设计好后屋面仰角，前屋面与地面交角，后坡长度，既保证透光率高也兼顾保温好。连接屋面温室屋面角要保证尽量多进光，还要防风、防雨（雪）使排雨（雪）水顺畅。并选用良好的透明覆盖材料及建筑材料。

（3）采用合理的透明屋面形状

生产实践证明，拱圆形屋面采光效果好。

（4）选择骨架材料

在保证温室结构强度的前提下尽量用细材，以减少骨架遮阴，梁柱等材料也应尽可能少用，如果是钢材骨架，可取消立柱，对改善光环境很有利，见表5.4。

表5.4　不同棚型结构的透光量及透光率

（5）选用透光率高且透光保持率高的透明覆盖材料

我国以塑料薄膜为主，应选用防雾滴且持效期长、耐候性强、耐老化性强等优质多功能薄膜，漫反射节能膜、防尘膜、光转换膜。大型连栋温室，有条件的可选用PC板材。

透明覆盖物应选用坚固耐用并且透光性能良好的覆盖材料，如玻璃应选用3mm厚的平板玻璃，其散射光，透光率高达82%，而5mm厚的平板玻璃和6mm厚的钢化玻璃其散射光，透光率均为78%，并且建筑成本增加。用塑料薄膜覆盖的温室和大棚，应选静电作用小的防尘膜，聚氯乙烯大棚膜，覆盖两个月后透光率为55%，而聚乙烯防尘膜覆盖两个月后透光率仍为82%左右，覆盖一年后聚氯乙烯膜透光率下降到15%，而聚乙烯除尘膜透光率仍然高过58%。结合考虑其透光性和耐用年限，目前应选用多选用多功能抗老化耐低温的聚乙烯防尘农膜最为理想。

2）改进栽培管理措施改善光照环境

①保持透明屋面干洁　使塑料薄膜温室屋面的外表面少染尘，经常清扫以增加透光，内表面应通过放风等措施减少结露（水珠凝结），防止光的折射，提高透光率。

②在保温前提下，尽可能早揭晚盖外保温和内保温覆盖物，增加光照时间　在阴雨雪天，也应揭开不透明的覆盖物，在确保防寒保温的前提下时间越长越好，以增加散射光的透光率。双层膜温室，可将内层改为白天能拉开的活动膜，以利光照。

③合理密植，合理安排种植行向　目的是为减少作物间的遮阴，密度不可过大，否则作物在设施内会因高温、弱光发生徒长，作物行向以南北行向较好，没有死阴影。若是东西行向，则行距要加大，尤其是北方单屋面温室更应注意行向，栽培床高度要南低北高，防止前后遮阴。

④加强植株管理　黄瓜、番茄等高秧作物及时整枝打杈，及时吊蔓或插架。进入盛产期时还应及时将下部老叶或过多的叶摘除，以防止上下叶片相互遮阴。

⑤选用耐弱光的品种。

⑥地膜覆盖　有利地面反光以增加植株下层光照。

⑦采用有色薄膜　人为地创造某种光质，以满足某种作物或某个发育时期对该光质的需要，获得高产、优质。但有色覆盖材料其透光率偏低，只有在光照充足的前提下改变光质才能收到较好的效果。

⑧充分利用反射光，提高设施光照强度　在日光温室北墙张挂反光幕（板），可使反光幕前光照增加40%～44%，有效范围达3m（见表5.5）。

表5.5　温室反光幕的增光绿（%）

1988年12月19日至1999年3月25日交节气日12次测定平均（熊岳农业学校）

5.3.2　光照时数的调控

1）长光照与短光照处理

电光源照射（或称长光照处理）或遮光（或称短光照处理）是依作物的光周期特性，利用人工照明延长光照时间或利用遮光缩短光照时间来调节切花、盆花和蔬菜的开花期或休眠期，使其产品在价格较高或特别需要的时段上市。长光照与短光照处理现已广泛应用于菊花、草莓、紫苏等作物的设施周年优质高产栽培中。如中高纬度地区菊花电光源照射处理可延长秋菊花开花期至冬季元旦、圣诞节、春节三大节日期间开花，实现反季节栽培，增加淡季菊花供应，提高效益。草莓电光源照射栽培，可阻止休眠或打破休眠，提早开花结果，提前上市。

2）方法

短光照处理，采用遮光率100%的遮光网（具透气性）覆盖。长光照处理，处理的强度、方法均依作物种类而异。电光源处理的方法有：

①延长光照（初夜照明）　应用于抑制短日照植物花芽分化或促进长日照植物开花。从日落开始给予短日照植物超过临界日长时数的补光来抑制花芽分化；给予长日照植物补光到适于开花的日照时数以促进开花。

②中断暗期（深夜照明）　植物光周期反应实际上是由于暗期的长短所诱导，因此在黑夜中插入连续照明2～4h，把暗期一分为二，中断暗期，与延长光照起同样效果。

③间歇照明　把日落后照明延长光照改为利用定时装置，调控为每小时点灯10～20 min，其余时间熄灯，如此反复点灭，与连续长光照处理效果相同；在规模大的场合，分别几个点灯场所，采取顺次反复循环移动的方式进行间歇照明，既可节约能耗，又防灯具频繁点灭而缩短使用寿命。

④黎明前照明（清晨光照）　与初夜照明的延长光照处理效果相同。

⑤再电照处理　多头小菊类菊花冬季电照栽培时，往往在停止电照后因冬季日照长度显著变短，出现顶部叶变小、舌状花数减少等“早衰”现象，导致切花品质下降，为防止早衰、维持品质，在电照停止10～14d后再电照处理5～7d，克服上述早衰现象。

5.3.3　园艺设施遮光

芽菜和软化蔬菜、观叶植物、花卉、等进行设施栽培或育苗时，往往通过遮光来抑制气温、土温和叶温的上升，借以改善品质，保护作物的稳定生产，或者进行短日照处理，都要利用遮光来调控光照时数或光照强度。

1）缩短日照时间

有些作物必须在短日照条件下（8～10h）才能完成花芽分化或开花结果，这种植物叫短日照植物，例如黄瓜在苗长出2片真叶时，就已开始花芽分化，这时如果每天日照时数超过10h以上（长日照），花芽分化就少，所以必须在苗期进行短日照处理，再配合夜间适当低温管理（15～17℃），则秧苗花芽分化的快，花芽多，特别是雌花花芽形成的多，栽在棚室后，瓜码密，产量高。所以，黄瓜在早春温室育苗时，通过晚揭、早盖草帘子的办法，进行短日照处理，即上午8时把温室草帘子卷起来，午后4时再把草帘子盖上，这种短日照处理，既有利于温室保温，又能多结瓜，提高黄瓜产量。

有些短日照的植物，如：草莓，牵牛花，落地生根等浆果或花卉要想提早开花，必须进行短日照处理，方法是用黑色塑料薄膜或内层为红色，外层为黑色的双面窗帘，每天及时盖上和揭开，让太阳照射8～10h，很快就会开花。

2）减弱光照强度

①遮阳网或不织布覆盖　夏季高温季节，对于喜阴植物，应采取遮光措施，以防止日晒和减弱光照强度，一般上午9—10时到下午3—4时，在温室外面用竹帘，遮阳网等覆盖或直接覆盖不织布，均能减弱光照强度。设施遮光20%～40%能使室内温度下降2～4℃。在育苗过程中，移栽后为了促进缓苗，通常也需要进行遮光。

②设施内种植藤本植物　设施内种植一些爬蔓的藤本植物，也能达到遮光效果，特别是一些观赏花卉植物，如兰科，天南星科，蕨类及食虫植物等，在高纬度的黑龙江省，即使在冬季，也需要进行适当遮阴。园林花卉植物专用温室常在温室北墙处，种植或摆放几盆原产热带或亚热带的多年生草本植物，如叶子花，佛手瓜或一年生的丝瓜，苦瓜等，夏季高温时茎蔓爬到温室架上，下面形成荫蔽环境，起到遮光，降温的作用。

③玻璃面上涂白灰　先将生石灰块5kg加少量水粉化，过滤后加入25kg水和250g食盐，用喷雾器均匀的喷布在温室外的玻璃面上，如遇暴雨冲掉后可再喷，由于喷白能大量反射太阳光，能起到减弱温室内部光照强度的作用，但喷白对降低温度效果不大。

④玻璃屋面喷水　夏季高温光照过强，结合降温采取屋顶喷水，徐徐流水不但可带走大量热能，同时还能吸收和反射一部分的光能，从而使温室内的光能强度有所减弱。

⑤室外种植落叶树种　在温室外部四周距墙2—2.5m处，种植成排的高度适宜的小乔木，树种要求枝叶不过于繁茂，树冠比较开张，枝条萌发力强，生长迅速，且病虫为害较少的落叶树，如垂柳、合欢等。夏季即可降温又遮阴并能使温室周围环境更与自然的生态条件相近，秋末太阳高度角开始降低，光照强度减弱，对树木进行强修剪，防止冬季遮光，早春又可重新萌发形成新的植物景观。

5.3.4　人工补光

人工补光的目的有两个：一是人工补充光照，用以满足作物光周期的需要，当黑夜过长而影响作物生育时，应进行补充光照。另外，为了抑制或促进花芽分化，调节开花期，也需要补充光照。这种补充光照要求的光照强度较低，称为低强度补光。另一目的是作为光合作用的能源，补充自然光的不足。据研究，当温室内床面上光照日总量小于100W/m2时，或光照时数不足4.5h/d时，就应进行人工补光。因此，在北方冬季保护设施内很需要这种补光，但这种补光要求的光照强度大，为1～3klx，所以成本较高，国内生产上很少采用，主要用于育种、引种、育苗。

人工补光的光源为电光源。对电光源有3点要求：一是要有一定的强度；二是要求光照强度具有一定的可调性；三是要求有一定的光谱能量分布，可以模拟自然光照，要求具有太阳光的连续光谱，也可以采用类似作物生理辐射的光谱。

冬季利用温室栽培植物，为满足植物生长发育的生理需要，进行人工补光，在生产实践中有重要意义。常用的人工光源有白炽灯，荧光灯，高压水银荧光灯，高压钠灯，氙灯等。

1）白炽灯和卤钨灯

它们同属热辐射光源，即在给光的同时还产生热效应。为了防止高温烧伤植物，往往采取以下两种措施：

（1）用移动灯光

电灯距秧苗15cm处，灯光在栽植床上移动的速度为15～20cm/s，适宜培育各种要求光照强度高的秧苗，一般功率为200～500W/m2。

（2）用水滤器

在灯光下装置透光良好的水滤器，里面盛入流动的水，使植物在水滤器下生长，利用水将多余热量吸收。

2）日光灯

光谱全但缺乏紫外光，可克服白炽灯产生辐射热的缺点，苗期连续30d，4～8h/d，番茄，黄瓜早熟15～20d。

3）生物汞灯

农业专用，呼和浩特生产的为45W，天津500W，缺点是寿命短。

4）钠灯

作为广场照灯比较理想，照射幅度大，可兼做农业用。

5）水银荧光灯

这种灯能把紫外光变为可见光，光照强度高，有利于长日照植物进行光合作用。

6）荧光灯

这种灯辐射能的紫外部分被玻璃罩内所涂的荧光粉吸收转变为可见光，光的颜色取决于所涂的特殊的荧光粉，这种荧光灯特别适合于增加日照长度。适于植物人工补光、光源所需功率及每天补充照明时间。

人工补光所需功率及补光时间见表5.6。

表5.6　人工补充照明所需功率及补光时间

项目小结

光照环境对设施内作物的生长发育产生光效应、热效应、形态效应，直接影响作物的光合作用、光周期反应和器官的形成。设施内的光照条件受设施外自然光照、设施建筑方位、设施结构、透光屋面大小、形状、覆盖材料特性、清洁程度、作物的群体结构及辐射特性等多种因素的影响。蔬菜、观赏植物和果树等园艺作物的生长发育受光照环境的影响，主要是通过光照强度、光照时数和光质等来实现的，光照强度、光照时数、光质和光照的分布不同，对园艺作物生长发育的影响不同。生产中应根据需要调节光照强度、光照时数、遮光或人工补光；改善设施内的光照条件是通过改进园艺设施结构提高透光率和改进栽培管理措施来实现的；通过长光照与短光照处理调节光照时数；园艺设施遮光的方法主要有：遮阳网或不织布覆盖、室内种植藤本植物、玻璃面上涂白灰、玻璃屋面喷水、室外种植落叶树种等；人工补光的光源常用的有白炽灯、荧光灯、高压水银荧光灯、高压钠灯、氙灯等。

思考练习

1.设施内的光照环境包括哪些内容？与露地相比有什么特点？

2.影响设施内光照环境的主要因素有哪些？

3.设施内光照环境对园艺作物的生产有哪些重要作用？

4.怎样改善设施内的光照条件？

5.如何调控设施的光照时数？

6.园艺设施生产什么情况下要利用遮阴技术？常用哪些方法遮阴？

7.人工补光的目的是什么？常用的方法有哪些？

实训12：实地测量日光温室内光照的水平与垂直分布

1）目的要求

学习照度计的使用方法，熟悉日光温室光照强度的观测方法，掌握设施内光照的分布和变化规律。

2）材料用具

照度计，标杆、皮尺等。

3）方法步骤

每4～8个学生为一小组进行观测记录。

（1）光照强度的分布

①光照强度的垂直分布　在设施中部选取一垂直剖面，从南向北树立根标杆，第一杆距南侧（大棚内东西两侧标杆距棚边）0.5m，其他各杆相距1m。每杆垂直方向上每0.5m设一测点。

②光照强度的水平分布　在设施内距地面1m高处，选取一水平断面，按东、中、西和南、中、北设9个点，在室外距地面1m高处，设一对照测点。

每一剖面，每次观测时读两遍数，取平均值。两次读数的先后次序相反，第一次先从南到北，由上到下；第二次从北到南，由上到下。每日观测时间：上午8时，下午1时。

（2）光照强度的日变化观测

观测设施内中部与露地对照区1m高处的光照强度变化情况，记载2时、6时、10时、14时、18时、22时的光照强度。

课后作业

根据观测数据，绘出设施内垂直方向和水平方向的光照分布图，并分析所观测设施光照分布特点及其形成的原因。