动态光照策略缓解温室番茄光周期损伤的机理与节能效益研究

《Frontiers in Plant Science》：Dynamic lighting mitigates photoperiodic injury in greenhouse tomatoes

本研究通过对比16小时传统光照与24小时动态/静态光照策略，揭示了动态光照（日间白光转夜间蓝光并降低PPFD）能有效维持番茄光系统II最大光化学效率（Fv/Fm）和产量，同时利用分时电价降低30%用电成本，为高纬度地区温室节能生产提供新范式。

　　

引言

高纬度地区冬季光照不足制约温室番茄周年生产，传统补光方案（16小时白光，200-250 μmol·m^-2·s^-1PPFD）面临高能耗问题。研究提出通过延长光周期至24小时并利用夜间低谷电价策略，在维持每日光积分（DLI）不变前提下降低生产成本。但连续光照（CL）易引发光周期损伤，表现为叶片黄化和光合效率下降。本文通过对比动态光照（光谱与强度昼夜调节）与静态光照（恒定光谱与PPFD）对樱桃番茄生理及产量的影响，探讨光周期损伤的缓解机制。

材料与方法

实验以樱桃番茄品种‘Tomary’和‘Black Cherry’为材料，在加拿大哈罗研究中心玻璃温室内进行。设置6种补光处理：16小时低蓝光（16LB）与高蓝光（16HB）作为对照；24小时动态光照（24LB-D/24HB-D，日间白光转夜间蓝光，PPFD由250降至168 μmol·m^-2·s^-1）；24小时静态光照（24LB-S/24HB-S，恒定光谱与PPFD）。所有处理DLI统一为14.4 mol·m^-2·d^-1。测定指标包括叶片形态、光合参数（F_v/F_m、φPSII、ETR、NPQ）、产量、果实品质及抗氧化物质含量。

结果

植物生长：动态光照处理下两品种的节间长度、茎粗及叶绿素含量（SPAD值）均与16小时对照无显著差异，而24小时静态处理导致‘Black Cherry’节间缩短和茎粗异常。

光合生理：24小时动态处理的F_v/F_m值（0.82-0.83）与对照持平，但静态处理显著降低（24LB-S: 0.79, 24HB-S: 0.75），且高蓝光静态组合损伤最严重。光响应曲线显示静态处理的最大光合速率降低20%，量子产额下降15%，表明光捕获系统受损。非光化学淬灭（NPQ）在低光强下静态处理值偏高，提示光保护机制过度激活。

产量与能耗：动态光照产量（‘Tomary’ 7.2 kg·m^-2）与对照无差异，而静态处理减产30%-40%。电能利用效率（ECE）分析表明，24LB-D较16LB每公斤果实节电成本0.45加元，按公顷规模推算年节省约1.27万加元。‘Black Cherry’对静态光照更敏感，其ECE增幅达58%。

果实品质：可溶性固形物含量在各处理间无显著差异，但静态处理下DPPH自由基清除能力降低20%，表明抗氧化能力受损。花青素与酚类物质含量不受光周期策略影响。

讨论

动态光照的保护机制：光谱与强度的昼夜调节可能通过模拟自然光周期波动，维持植物昼夜节律同步性。静态光照破坏Cab基因表达节律，引发活性氧（ROS）积累，而动态光照中夜间蓝光可能通过调节抗氧化酶活性缓解氧化胁迫。实验同时发现，春季自然光强升高后静态处理植株出现恢复趋势，暗示高DLI（>20 mol·m^-2·d^-1）可能通过增强光呼吸途径提升CL耐受性。

实际应用价值：动态光照策略可实现“削峰填谷”用电，使夜间低碳电力（核电/水电）占比提升至70%。低蓝光配方（10%）较传统高蓝光方案节能15%，且避免蓝光过量引发的光抑制。品种特异性反应提示商业化推广需结合栽培品种的CL耐受性评估。

结论

24小时动态光照通过光谱与强度调控有效规避光周期损伤，在维持产量品质的同时降低生产成本。低蓝光配方与分时电价协同作用，为温室番茄低碳生产提供可行路径。未来研究需聚焦光温互作对植物生物钟的调控机制，进一步优化动态光照参数。