CN113475327B - 提高设施农业叶菜类蔬菜中叶绿素α的光肥互作种植方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开提高设施农业叶菜类蔬菜中叶绿素α的光肥互作种植方法。本发明结合大棚蔬菜地种植过程中的光强管理与肥料管理，通过光肥互作来增加叶菜中叶绿素的含量，进而有效提高肥料利用率、提升叶菜类蔬菜品质与产量、缩短种植周期、增加经济效益。同时，该种植模式能够为智慧农业大棚的光照强度管理、以及肥料管理提供理论依据。

Description

提高设施农业叶菜类蔬菜中叶绿素α的光肥互作种植方法

技术领域

本发明属于节能减排和环保领域，针对大棚蔬菜种植地，通过调控叶菜类蔬菜种植过程中的光照强度以及氮素、镁素的施用量，使叶菜类蔬菜能够更有效地利用太阳光与肥料来合成叶绿素α，进而提高叶菜品质与产量的新型种植模式。

背景技术

叶菜类植物是一类以鲜嫩叶片及叶柄为产品的蔬菜，普通叶菜类蔬菜如青菜、油麦菜、菠菜、白菜等，可提供人体所必须的多种维生素和矿物质等营养物质，是人们日常饮食中必不可少的食物之一。光是影响植物生长发育最重要的生态因子之一，主要是通过光质和光强两方面影响叶菜植物生长和品质。研究表明，太阳辐射光谱中不同光波对植物生长发育具有不同作用，红光(600～700nm)对光合器官的正常发育至关重要，它可通过抑制光合产物从叶片中输出来增加叶片的淀粉积累；蓝光(400～500nm)可调控叶绿素形成、气孔开启以及生物节律等生理过程；但绿光(510～610nm)、紫外线(波长290～400nm)被植物吸收利用的比率很低，为光合作用中的低效波长，特别是高强度的紫外辐射反而对植物生长及其体内叶绿素α合成具有明显的抑制作用(侯扶江，1998)。

叶绿素α存在于所有绿色植物中，是自然界中对光能吸收、传递和转换的一种最重要的色素，其价值除了体现在进行光合作用外，对人体也有着积极的作用。植物叶绿素含量与其光合能力有很好的相关性，已经成为评价植物长势的一种有效手段(李晶等，2008)。叶绿素α的代谢水平与光照强度息息相关。在一定光照强度范围内，光合作用会随光强的增加而达到顶峰，但是，如果光照强度继续加强，就会破坏植物的原生质，引起叶绿素分解，或者使细胞失水过多而使气孔关闭，造成光合作用减弱、甚至停止。可见，只有当光照强度满足光合作用的要求时，植物才能正常生长发育。不同植物对光的需求也不同，叶菜类植物的光补偿点为2000勒克斯，光照强度低于这个值时，植物不能正常生长发育；其光饱和点约为20000～40000勒克斯，高于这个值时，光合作用强度不再增加，反而不利于叶菜的生长。因此，叶菜类蔬菜种植过程中，光强管理非常重要。

除了光强，叶绿素α与各种营养元素也密切关联，特别是氮和镁。氮素是叶绿素合成的主要成分之一，施加氮素能促进叶绿素的合成，增强叶片的净光合速率(王宏力等，2021)。如果氮素不足，光合作用下降，固然不会高产；但如果氮素过量，虽然短期内能够使植物维持较好的生长，但长此以往，不仅造成浪费、植物产量和品质降低，还对种植土壤质量及周边环境造成影响。因此，氮肥管理对植物叶绿素的合成也非常重要。氮肥与光强在植物生长过程中的作用是相辅相成的(蔡惟涓等，1988)。有研究表明，低光强条件下，施N量过多对植物叶绿素的提升没有效果；而强光条件下，叶片耗氮量多，如果在正常范围内增加氮肥施用量，有利于提高光合速率、增加叶绿素含量。镁位于叶绿素的分子结构中的核心，它和叶绿素分子中的四个N原子连在一起，没有Mg就没有叶绿素。缺镁时，叶绿素的形成受到阻碍，进而影响光合作用，造成植物叶片发黄。我国设施农业大棚蔬菜地由于常年轮作，土壤生态遭到破坏，pH值偏低、湿度较大、淋溶作用强烈，这种环境下土壤更容易缺镁，进而影响作物对镁的吸收。可见，必要时需要对植物补充镁素。然而，过量的镁又会造成农作物吸收营养元素时离子之间增强拮抗作用，从而影响农作物对另一种营养离子的吸收。因此，合理调控镁素的使用量才能提高光合速率、增加叶绿素含量。有研究表明，土壤阳离子间有拮抗作用，铵态氮肥的大量施用，可能加剧植株缺镁的现象，在低浓度下反而会促进相互吸收。由此可见，在田间管理上注重养分的均衡施入显得尤为重要。但目前，针对氮与镁配合光强来提高作物中叶绿素的合成，仍鲜有报道。

随着农业科技的不断进步，利用温室大棚来种植蔬菜越来越普遍，合理的大棚管理可获得高产量的蔬菜，增加经济效益。迄今，有关温室大棚中光强或不同营养元素对植物生长发育、生理代谢等方面的影响研究已有较多报道，但通过肥料与光强互作来提高叶菜中叶绿素的含量、提升蔬菜品质的相关研究甚少。基于此，本发明结合大棚蔬菜地种植过程中的光强管理与肥料管理，通过光肥互作来增加叶菜中叶绿素的含量，进而有效提高肥料利用率、提升叶菜类蔬菜品质与产量、缩短种植周期、增加经济效益。同时，该种植模式能够为智慧农业大棚的光照强度管理、以及肥料管理提供理论依据。

发明内容

本发明针对现有背景技术中存在的问题，提供一种提高叶菜类蔬菜叶绿素α的光肥互作种植方法。通过对光强控制与氮、镁的施用量配合调控，来提升叶菜中叶绿素α的含量，进而有效提高叶菜类蔬菜品质与产量。

本发明方法的具体步骤是：

步骤(1).在控温控湿的温室大棚棚内设置LED光源、遮光系统、光照度传感器、控制器；

光照度传感器用于监测记录温室大棚内光线的强度；

控制器用于接收光照度传感器的信号，用于控制LED光源和遮光系统的开启与关闭；

作为优选，温室大棚温度控制在15-30℃，空气相对湿度在50-70％；

作为优选，光照度传感器位于植物种植区上方的30-40cm；

步骤(2).种植前，对大棚土壤进行常规耕作处理；

步骤(3).测定大棚土壤中pH值、总氮含量、全镁含量、全钾含量、交换性Mg含量；

作为优选，所述交换性Mg含量采用原子吸收分光光度法，参照鲍士旦《土壤农化分析》(2000)；

作为优选，所述总氮含量通过半微量开氏法(NY/T 53-1987)测定；

步骤(4).对步骤(3)处理后大棚土壤施入一定量的基肥，保障后续为植物提供所需的基础养分；其中冬季(12月-2月)时，基肥施入量中氮素用量为基肥氮素用量基准值A，夏季(6-8月)时基肥施入量中氮素用量为1.2A；春秋季(3-5月、9-11月)时基肥施入量中氮素用量为1.1A；同时若土壤pH值<7，且交换性Mg<50mg/kg或全钾与全镁的浓度比>5:1时，单位为mg/kg，在基肥中加入硫酸镁；以镁含量计，硫酸镁的用量为1-1.5kg Mg/亩；

以氮素施入总量计，基肥氮素用量基准值A＝(目标叶菜产量所需养分氮素总量-大棚土壤供肥氮素量)÷(基肥中养分氮素含量×肥料当季利用率)，单位为kgN/亩；

其中若基肥为氮肥时，则肥料当季利用率范围为30-60％；若基肥为有机肥时，则肥料当季利用率30％；若基肥为复合肥时，则肥料当季利用率30-70％；

步骤(5).移栽叶菜类蔬菜苗至步骤(4)处理后种植区土壤中，大棚内温度及湿度控制、植株浇灌、杀虫过程，均常规处理；每棵蔬菜苗长到4-6片真叶以上(即生长即将或者开始明显发旺时)进行追肥；追肥用量为0.05-0.1AkgN/亩；

当光照强度低于2000勒克斯时不亮灯，控制打开LED灯补光；当光照强度高于2000勒克斯且低于40000勒克斯时，控制遮光系统关闭；当光照强度高于40000勒克斯且低于60000勒克斯时，控制遮光系统打开，选用透光率75％的遮光布遮光；当光照强度高于60000勒克斯且低于80000勒克斯时亮黄灯，控制遮光系统打开，选用透光率50％的遮光布遮光；当光照强度高于80000勒克斯时亮红灯，控制遮光系统打开，选用透光率25％以下的遮光布遮光；

作为优选，温室大棚内的光照时间控制在冬季(12月-2月)光照时间为6:00至18:00、夏季(6-8月)光照时间为5:00至20:00、春秋季(3-5月、9-11)光照时间为5:00至19:00；

作为优选，蔬菜苗间隔距离5-15cm；

作为优选，移栽前蔬菜苗选择高度5cm左右；

步骤(6).直至种植结束，收获蔬菜，计算产量，并通过80％丙酮提取，分光光度计在663nm波长处测定叶菜中叶绿素α含量。

本发明的有益效果是：

本发明结合大棚蔬菜地种植过程中的光强管理与肥料管理，通过光肥互作来增加叶菜中叶绿素的含量，进而有效提高肥料利用率、提升叶菜类蔬菜品质与产量、缩短种植周期、增加经济效益。同时，该种植模式能够为智慧农业大棚的光照强度管理、以及肥料管理提供理论依据。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

实施例1：提高青菜中叶绿素α的光肥互作种植模式实例

2019年10月初在杭州富阳某控温(15-30℃)控湿(空气相对湿度在50-70％)的温室大棚中种植青菜(品种：上海青)，棚内设置LED光源以及遮光系统。种植前，对大棚土壤进行常规耕作处理。

测得土壤pH值为6.5、总氮含量2.51g/kg、全镁2009mg/kg、全钾9360mg/kg、交换性Mg含量36mg/kg。

种植前施入有机肥作为基肥，肥料当季利用率取30％，计算出基肥施入量(以氮素施入总量计)30kgN/亩，并以此作为基准值，种植期为秋季，则施入量为33kgN/亩。同时设置施肥量25kgN/亩与40kgN/亩做比较。交换性Mg含量36mg/kg，小于50mg/kg，因此基肥中配施硫酸镁，以镁含量计1kg Mg/亩。同时设置不施用硫酸镁的处理作比较。

移栽5cm左右高的青菜苗至种植区土壤中，菜苗间隔距离8cm，大棚内温度及湿度控制、植株浇灌、杀虫过程，均常规处理；每棵叶小苗长到4-6片真叶以上(即生长即将或者开始明显发旺)时进行一次追肥，追肥量为2kgN/亩。

在该大棚内部植物种植区30-40cm左右高处安装光照度传感器，定时开关，开启时间为5:00至19:00，即光照时间为5:00至19:00；通过光照度传感器监测记录温室大棚内光线的强度，可以直接与相关的补光系统、遮阳系统等设备相连；当光照强度低于2000勒克斯时不亮灯，指示打开LED灯补光；当光照强度高于2000低于40000勒克斯时亮绿灯，指示大棚无需遮光；当光照强度高于40000低于60000勒克斯时亮蓝灯，指示大棚需进行遮光，选用透光率75％的遮光布遮光；当光照强度高于60000低于80000勒克斯时亮黄灯，指示大棚需进行遮光，选用透光率50％的遮光布遮光；当光照强度高于80000勒克斯时亮红灯，指示大棚需进行遮光，选用透光率25％以下的遮光布遮光。同时设置无光强控制的处理。

12月中旬种植结束，收获青菜，计算产量，并通过80％丙酮提取，分光光度计在663nm波长处测定叶菜中叶绿素α含量，具体见表1。

表1不同大棚蔬菜种植模式下青菜中叶绿素α含量与地上部分产量

可以看出，有光强控制的种植模式下，施肥量为33kgN/亩，且配施以镁含量计1kgMg/亩的硫酸镁时，产量与叶片叶绿素α含量均最高。而无光强控制的种植模式下，产量随施肥量增大而增大，但叶片叶绿素α含量也小于有光强控制的处理。可见，施N素过多对植物叶绿素的提升没有显著效果，当光强控制配合合理施肥，可提升青菜有效利用N、Mg合成叶绿素的效率，进而提高叶绿素α含量及作物产量的目的。

实施例2：提高空心菜中叶绿素α的光肥互作种植模式实例

2018年6月初在杭州富阳某控温(15-30℃)控湿(空气相对湿度在50-70％)的温室大棚中种植空心菜(品种：湖南白花)，棚内设置LED光源以及遮光系统。种植前，对大棚土壤进行常规耕作处理。

测得土壤pH值为6.3、总氮含量2.04g/kg、全镁1974mg/kg、全钾10028mg/kg、交换性Mg含量38mg/kg。

种植前施入复合肥作为基肥，肥料当季利用率取60％，计算出基肥施入量(以氮素施入总量计)25kg N/亩，并以此作为基准值，种植期为夏季，则施入量为30kgN/亩。同时设置施肥量20kg N/亩与40kg N/亩做比较。交换性Mg含量38mg/kg，小于50mg/kg，且全钾/全镁>5:1，因此基肥中配施硫酸镁，以镁含量计1.5kg Mg/亩。同时设置不施用硫酸镁的处理作比较。

移栽5cm左右高的空心菜苗至种植区土壤中，菜苗间隔距离10cm，大棚内温度及湿度控制、植株浇灌、杀虫过程，均常规处理；每棵叶小苗长到4-6片真叶以上(即生长即将或者开始明显发旺)时进行一次追肥，追肥量为3kgN/亩。

在该大棚内部植物种植区30-40cm左右高处安装光照度传感器，定时开关，开启时间为5:00至20:00，即光照时间为5:00至20:00；通过光照度传感器监测记录温室大棚内光线的强度，可以直接与相关的补光系统、遮阳系统等设备相连；当光照强度低于2000勒克斯时不亮灯，指示打开LED灯补光；当光照强度高于2000低于40000勒克斯时亮绿灯，指示大棚无需遮光；当光照强度高于40000低于60000勒克斯时亮蓝灯，指示大棚需进行遮光，选用透光率75％的遮光布遮光；当光照强度高于60000低于80000勒克斯时亮黄灯，指示大棚需进行遮光，选用透光率50％的遮光布遮光；当光照强度高于80000勒克斯时亮红灯，指示大棚需进行遮光，选用透光率20％的遮光布遮光。同时设置无光强控制的处理。

7月底种植结束，收获空心菜，计算产量，并通过80％丙酮提取，分光光度计在663nm波长处测定叶片叶绿素α含量，具体见表2。

表2不同大棚蔬菜种植模式下空心菜中叶绿素α含量与地上部分产量

可以看出，有光强控制的种植模式下，施肥量为30kg N/亩时，且配施以镁含量计1.5kg Mg/亩的硫酸镁时，产量与叶片叶绿素α含量均最高，其次为施肥量40kg N/亩配施1.5kg Mg/亩的处理。而无光强控制的种植模式下，产量随施肥量增大而增大，但显著小于有光强控制的处理，叶片叶绿素α含量也小于有光强控制的处理。因此，光强控制配合合理施肥，达到了提高空心菜中叶绿素α含量及产量的目的。

实施例3：提高波菜中叶绿素α的光肥互作种植模式实例

2019年1月初在杭州富阳某控温(15-30℃)控湿的温室大棚中种植冬菠菜(华菠1号)，棚内设置LED光源以及遮光系统。种植前，对大棚土壤进行常规耕作处理。

测得土壤pH值为6.3、总氮含量1.93g/kg、全镁1902mg/kg、全钾11028mg/kg、交换性Mg含量62mg/kg。

种植前施入氮肥(硫酸铵)作为基肥，肥料当季利用率取50％，计算出基肥施入量(以氮素施入总量计)25kgN/亩，并以此作为基准值，种植期为冬季，则施入量为该基准值。同时设置施肥量15kgN/亩与35kgN/亩做比较。土壤全钾/全镁>5:1，因此基肥中配施硫酸镁，以镁含量计1kg Mg/亩。同时设置不施用硫酸镁的处理作比较。

移栽5cm左右高的菠菜苗至种植区土壤中，菜苗间隔距离10cm，大棚内温度及湿度控制、植株浇灌、杀虫过程，均常规处理；每棵叶小苗长到4-6片真叶以上(即生长即将或者开始明显发旺)时进行一次追肥，追肥量为2kgN/亩。

在该大棚内部植物种植区30-40cm左右高处安装光照度传感器，定时开关，开启时间为6:00至18:00，即光照时间为6:00至18:00；通过光照度传感器监测记录温室大棚内光线的强度，可以直接与相关的补光系统、遮阳系统等设备相连；当光照强度低于2000勒克斯时不亮灯，指示打开LED灯补光；当光照强度高于2000低于40000勒克斯时亮绿灯，指示大棚无需遮光；当光照强度高于40000低于60000勒克斯时亮蓝灯，指示大棚需进行遮光，选用透光率75％的遮光布遮光；当光照强度高于60000低于80000勒克斯时亮黄灯，指示大棚需进行遮光，选用透光率50％的遮光布遮光；当光照强度高于80000勒克斯时亮红灯，指示大棚需进行遮光，选用透光率25％以下的遮光布遮光。同时设置无光强控制的处理。

3月初种植结束，收获波菜，计算产量，并通过80％丙酮提取，分光光度计在663nm波长处测定叶片叶绿素α含量，具体见表3。

表3不同大棚蔬菜种植模式下波菜中叶绿素α含量与带根产量

可以看出，有光强控制的种植模式下，施肥量为25kgN/亩时，且配施以镁含量计1kg Mg/亩的硫酸镁时，产量与叶片叶绿素α含量均最高。在高氮施用量情况下配施硫酸镁，对菠菜中叶绿素的提高以及产量的提升效果并不明显。而无光强控制的种植模式下，叶绿素α含量与产量随施肥量增大而增大，但施氮量低时，显著小于有光强控制的处理，叶片叶绿素α含量也小于有光强控制的处理。施氮量高时，有光强控制与无光强控制的处理中叶绿素α含量与产量差异不显著。因此，光强控制配合合理施肥，可提高波菜中叶绿素α含量及产量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.提高设施农业叶菜类蔬菜中叶绿素α的光肥互作种植方法，所述叶菜类蔬菜为青菜或空心菜或菠菜，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、在控温控湿的温室大棚棚内设置LED光源、遮光系统、光照度传感器、控制器；

光照度传感器用于监测记录温室大棚内光线的强度；

控制器用于接收光照度传感器的信号，用于控制LED光源和遮光系统的开启与关闭；

所述温室大棚温度控制在15-30℃，空气相对湿度在50-70%；温室大棚内的光照时间控制在冬季光照时间为6:00至18:00、夏季光照时间为5:00至20:00、春秋季光照时间为5:00至19:00；

步骤(2)、种植前，对大棚土壤进行常规耕作处理；

步骤(3)、测定大棚土壤中pH值、总氮含量、全镁含量、全钾含量、交换性Mg含量；

步骤(4)、对步骤（3）处理后大棚土壤施入一定量的基肥，保障后续为植物提供所需的基础养分；其中冬季时，基肥施入量中氮素用量为基肥氮素用量基准值A ，夏季时基肥施入量中氮素用量为1.2A ；春秋季时基肥施入量中氮素用量为1.1A ；同时若土壤pH值<7，且交换性Mg<50mg/kg或全钾与全镁的浓度比>5:1，单位为mg/kg时，在基肥中加入硫酸镁；以镁含量计，硫酸镁的用量为1-1.5 kg Mg/亩；

以氮素施入总量计，基肥氮素用量基准值A =（目标叶菜产量所需养分氮素总量-大棚土壤供肥氮素量）÷（基肥中养分氮素含量×肥料当季利用率），单位为kgN/亩；

其中氮肥当季利用率范围为30-60%、有机肥当季利用率30%、复合肥当季利用率30-70%；

步骤(5)、移栽叶菜类蔬菜苗至步骤（4）处理后种植区土壤中，大棚内温度及湿度控制、植株浇灌、杀虫过程，均常规处理；每棵蔬菜苗长到4-6片真叶以上进行追肥；追肥用量为0.05-0.1 A kgN/亩；

当光照强度低于2000勒克斯时不亮灯，控制打开LED灯补光；当光照强度高于2000且低于40000勒克斯时，控制遮光系统关闭；当光照强度高于40000低于60000勒克斯时，控制遮光系统打开，选用透光率75％的遮光布遮光；当光照强度高于60000低于80000勒克斯时亮黄灯，控制遮光系统打开，选用透光率50％的遮光布遮光；当光照强度高于80000勒克斯时亮红灯，控制遮光系统打开，选用透光率25％以下的遮光布遮光；

步骤(6)、直至种植结束，收获蔬菜。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)光照度传感器位于植物种植区上方的30-40cm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)所述交换性Mg含量采用原子吸收分光光度法。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)所述总氮含量通过半微量开氏法测定。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(5)蔬菜苗间隔距离为5-15cm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(5)移栽前蔬菜苗选择高度5cm。