基于冠层垂直差异化LED光谱策略提升越冬温室番茄产量与品质：红蓝光分时段配置的协同效应研究

《Agronomy》：Vertical LED Inter-Canopy Lighting with Stage-Specific Spectral Strategies Enhances Fruit Weight and Quality of Overwintering Greenhouse Tomatoes Xiangyu Gao, Xiaoming Wei, Yifan Zhai, Weituo Sun, Lichun Wang and Xiaoli Chen

本研究通过创新性地应用冠层内垂直LED补光系统（Inter-Canopy Lighting），结合特定分区的红、蓝光谱差异化调控（上冠层与下冠层独立控光），探索了不同光谱组合对越冬温室番茄果实重量与品质的优化效果。结果表明，在番茄越冬生长的早期（10-12月）采用红蓝混合光（RB）可显著提升果实重量（比对照增加22.62–24.02%）与光增益系数（LGC）；而在后期（1-2月），采用上蓝下红光（BURL）处理则表现出更高的产量提升（果实重量增加48.2–72.88%）与光增益效率（LGC 最高可达其他处理的5.30倍）。光谱策略对果实着色（如番茄红素积累与颜色参数a、a/b*、CCI及C的显著正相关）及营养成分（可溶性糖含量提升5.36~95.35%、维生素C在后期增加29.97–39.65%）均具有积极的调控作用。研究成果为精准调控温室光照环境、实现产量与品质协同提升提供了重要的理论与实践依据。

　　

1. 引言

越冬期温室番茄生产面临光照不足（日均光照积分DLI 仅为5–10 mol·m^?2·d^?1）的严峻挑战，直接影响其生长发育、果实大小、色泽、风味和营养成分。补充人工光照是缓解低光胁迫、保障冬季番茄产量的关键措施。本研究聚焦于LED光源在冠层内的垂直应用，探索不同光谱（红、蓝光）在上、下冠层的差异化配置对番茄果实产量和品质的影响，旨在通过精确的光谱管理优化光能利用效率。

2. 材料与方法

试验在北京首农翠湖工厂化连栋温室进行，使用集群番茄植株（品种DAIVION），于2024年8月定植，采用椰糠无土栽培系统。光源为可分区调控的双面LED灯带（由北京市农林科学院设计），垂直安装在植株冠层内。试验设置了六个处理：上红下蓝（R_UB_L）、全红（R）、全蓝（B）、上蓝下红（B_UR_L）、红蓝混合（RB）以及无补光对照（CK）。补光于2024年10月24日开始，每日9:00–17:00进行8小时。光合光子通量密度（PPFD）设定为100 μmol·m^?2·s^?1。果实取样分别于2024年12月5日和26日，以及2025年1月16日、2月6日和2月27日进行，对应第5、8、11、14和17个果穗。测量指标包括果实鲜重、横径、纵径、体积，以及维生素C（Vc）、番茄红素、可溶性糖和可滴定酸含量。颜色参数通过分光测色仪测定，并计算了色度角（Hue）、彩度（C）、颜色贡献指数（CCI）、a/b比值、光化学反射指数（PRI）、红/绿反射比和修改型叶绿素吸收比值指数（MCARI）。此外，还通过叶绿素荧光快速诱导动力学（OJIP）曲线测定了光合性能指标，如基于吸收的性能指数（PI abs）、合成性能指数（PI total）等。数据分析采用单因素方差分析（ANOVA）和图基多重比较法，显著水平为0.05。

3. 结果

3.1. 不同光照模式下番茄果实的直径和体积

所有补光处理均能增加果实的横径、纵径和体积。在越冬前期（第5和8穗果），B_UR_L、RB和R处理的果实生长最健壮，差异不大。从第11穗果开始，B_UR_L处理的优势明显，其果实横径、纵径和体积在所有穗次中均最大。在第14穗果处，B_UR_L处理下的增加幅度最大，分别比CK提高了22.85%、20.25%和81.55%。

3.2. 不同光照模式下番茄果实的单果重量

所有补光处理的单果重均高于CK。前两穗果（第5、8穗）不同光处理间差异不大，但从第11穗果开始差异显著。B_UR_L处理在第11、14、17穗果的单果重增加最显著，分别比CK提高了48.18%、72.88%和48.21%。在弱光胁迫最强的第11和14穗果期，其他处理果实重量总体呈下降趋势，而B_UR_L处理有效地缓解了低光胁迫，保持了相对稳定的果重。

3.3. 不同光照模式下番茄的光增益系数（LGC）

光增益系数（LGC）定义为果实重量每增加1%所需的光辐射能量增加的百分比。结果表明，在补光前期（第5、8穗果），RB处理的促增效果最佳，果实增重幅度（22.62–24.02%）和LGC均最高，最高可达其他处理的4.41倍。而在补光后期（第11、14、17穗果），B_UR_L处理展现出更优的增产效率，其LGC值是其他处理的1.28至5.30倍，尤以第17穗果的LGC最高。这可能是不同光谱对番茄植株营养器官（叶片）的累积效应差异所致。

3.4. 不同光照模式下番茄果实的着色参数与模拟颜色

与CK相比，所有补光处理均提高了果实红色饱和度（a），降低了黄色饱和度（b）和色度角（Hue）。在促进a值增加方面，R和B_UR_L处理最为有效。R处理在第5、8穗果的提升幅度最大，而B_UR_L处理在第11、14、17穗果表现最佳，a值分别比CK提高42.80%、53.12%和66.95%。B_UR_L处理下第17穗果的b*和Hue值降幅最大，表明其促进了果皮红色素积累，使果实呈现更明显的红色。B处理的果实则趋向于黄绿色。

3.5. 不同光照模式下番茄果实的反射光谱

在可见光区域，所有补光处理均增加了果实反射率，这与成熟过程中叶绿素降解和番茄红素积累的光学特性一致。在补光后期（第11、14、17穗果），各处理间反射光谱差异显著：B_UR_L处理在620 nm以下波段反射率最低，而在620 nm以上波段反射率最高，表明其叶绿素降解最彻底，番茄红素积累最多，成熟度最高，纯红光（R）处理次之。CK则在680 nm附近出现反射拐点，表明叶绿素吸收残留，成熟不完全。

3.6. 不同光照模式对番茄果实维生素C（VC）和番茄红素含量的影响

从第11穗果开始，所有补光处理均提高了番茄红素和维生素C含量。对于维生素C，B_UR_L、B和RB处理的提升效果显著，其中RB处理在第11、14、17穗果的维生素C含量最高，分别比CK高出38.15%、39.65%和29.97%。对于番茄红素，R和B_UR_L处理最能促进其积累，RB处理次之。R处理下第5穗果的番茄红素含量提升最高（比CK高28.21%），而B_UR_L处理则在第8、11、14、17穗果表现最佳，提升幅度为32.16%至45.33%。光谱调控表现出特异性：单色蓝光显著提高维生素C含量，而纯红光对番茄红素积累的促进作用更强。

3.7. 不同光照模式对番茄果实糖含量、酸含量及糖酸比的影响

所有补光处理均提高了果实的可溶性糖含量（比CK增加5.36%至109.39%），并从第11穗果开始降低了可滴定酸含量（最大降幅达62.49%）。糖酸比在大部分穗果中均在R或B_UR_L处理下达到峰值。这归因于B_UR_L最有利于糖分积累，而R处理则最有效地降低酸含量。RB处理则使果实中糖、酸含量均维持在较高水平，这可能有助于形成糖、酸风味都较浓郁的口感。

4. 结论与讨论

研究揭示了光质在冠层内的空间差异化配置对越冬温室番茄生长的重要性。早期阶段（10-12月）使用红蓝混合光（RB）能有效提高产量和光能利用效率；而在后期持续低光胁迫下（1-2月），切换到上蓝下红光（B_UR_L）策略更能显著提升果实重量和光增益系数。这种分阶段的光谱策略还协同优化了果实品质：R和B_UR_L处理最有利于番茄红素积累，促进果实转红；而RB和B处理则在提升维生素C含量方面表现突出。B_UR_L和R处理能有效提高可溶性糖含量并降低酸度，优化糖酸比。这些发现为在温室番茄生产中实施基于发育阶段和冠层位置的精准光谱调控提供了理论依据和实践方案，有望实现产量、着色和营养品质的协同提升，具有重要的生产指导意义。