等量PPFD下高压钠灯与LED补光对温室黄瓜微气候、光合特性及产量和能源效率的差异研究

《Scientia Horticulturae》：Comparison of greenhouse microclimate, growth, yield and photosynthetic characteristics of cucumber ( Cucumis sativus L.) under supplemental lighting with high-pressure sodium and light-emitting diode lamps

　　

研究人员在韩国Venlo型玻璃温室中，以冬季型黄瓜品种‘Dongi’为材料，设置无补光对照、高压钠灯（HPS）与发光二极管（LED）三类处理，并将补光的光合光子通量密度（PPFD，400–700 nm）匹配至约212 μmol·m-2·s-1、运行时段一致，使补充每日光积分（DLI）等效。结果表明：在光子供应量相等条件下，HPS与LED仍显著提升可售果实产量57%–83%，且增产主要来自坐果数增加而非单果重增大；HPS灯下叶片温度较气温高约1.3°C，而LED叶片温度接近气温，说明HPS的辐射热改变了冠层热环境。结合柴油供暖核算，HPS因废热回收替代锅炉供热，在单位果实的能源成本、一次能源消耗与CO2排放上均低于LED。该研究揭示：补光比较不能仅看光子数量，灯具的辐射热与光谱特性会通过冠层微气候间接影响发育与产量。

研究背景与问题提出

温带与高纬度地区冬季温室黄瓜生产受低温弱光制约，每日光积分（DLI，单位时间落到单位面积的光合有效辐射总量）不足直接限制冠层光合与可售产量。补光可稳产增产，但高压钠灯（HPS，high-pressure sodium lamp）与发光二极管（LED，light-emitting diode）两类光源差异不仅在于光子效能：HPS释放大量辐射热并具宽谱含远红成分，LED光谱可调、发热低、光子效能高。既往比较常把光量、光谱与辐射热混淆，且多基于北欧条件；东亚冬季自然光较强、供暖依赖燃油、品种与管理不同，亟需在光子量匹配前提下分离“灯本身特性”的影响。

研究人员开展的工作与核心结论

研究人员在韩国Haman保护地园艺研究所Venlo玻璃温室中，将三个相邻隔间分别设为无补光对照（CON）、HPS与LED处理，黄瓜品种为Cucumis sativus L. cv.‘Dongi’。两补光处理在冠层上方1.5 m处PPFD均约212 μmol·m^-2·s^-1，依室外辐射阈值联动启停，使补充DLI等效。观测涵盖微气候、植株形态与生物量分配、产量与品质、叶绿素荧光光响应，以及照明电耗、供暖热水换热核算的运营成本、一次能源与CO₂排放。结论为：等光子通量下HPS仍优于LED增产，关键机制可能来自冠层辐射致热加速发育，而非更高光合电子传递能力；从单位果实能源经济与环境负荷看，HPS在燃油供暖场景下更具优势。

主要关键技术方法

研究以单株标记与隔间尺度结合：用量子传感器标定PPFD均匀性；以Priva环控系统记录气温、相对湿度与CO₂，用加热回路供回水温差与定流量重建各隔间供暖能量；通过破坏性采样获取茎叶干鲜重、叶面积与特定叶面积（SLA，leaf area per unit leaf dry mass）、特定茎长（SSL，stem length per unit stem dry mass）；用MICRO-PAM监测叶绿素荧光参数，包括PSII有效量子产额Y(II)、表观电子传递速率ETR、非光化学猝灭NPQ及快速光曲线；产量按行统计可售与畸形果，能源项按韩国农业电价、柴油热值与排放因子折算。

研究结果

补光光谱、运行与能量使用

两灯光谱差异明确：HPS蓝光少、绿黄为主、含约5%远红（far-red，700–780 nm）；LED为深红/白低蓝谱、几乎无远红。相同PPFD与排程下LED照明用电比HPS少44%，但HPS大幅减少锅炉供暖需求。

温室微气候与叶片温度

傍晚仅补光时段，HPS隔间气温高于LED约0.85°C，且随季节由0.46升至1.15°C；荧光探头记录显示HPS叶片高于气温1.30°C，LED与暗对照叶片贴近气温，HPS叶片实际比LED叶片高约2.6°C。

营养生长、形态与生物量分配

冬季补光植株SPAD更高、SLA与SSL更低，说明叶片更厚、茎更充实；末期HPS茎干重与节点数最高，LED次之。对照的遮阴表型在后期自然光增强后趋同。

产量、产量构成与干物质分配

可售产量对照3.24 kg·株^-1，LED 5.07 kg·株^-1（+57%），HPS 5.94 kg·株^-1（+83%）。差异主要来自可售果数（20.1→28.7→34.2个·株^-1），单果重差异小。估计地上部干物质中果实用HPS/LED略高（约75%–76%对70%）。

叶绿素荧光与光响应

快速光曲线显示ETR_max与初始斜率α无显著差异，但对照的饱和参数I_k与最适光强I_opt高于补光处理；傍晚同光强下HPS的NPQ低于LED，可能与HPS叶片温度较高、猝灭弛豫更快有关，而非电子传递容量差异。

冬季能量、成本与排放

按1月–4月核算：HPS总能源成本最低（5.65百万KRW），LED最高（7.76百万KRW）；单位可售果的能源成本HPS为3811 KRW·kg^-1，LED为6169 KRW·kg^-1；一次能源与CO₂强度亦以HPS最低。仅HPS处理毛收入覆盖能源成本。

讨论与结论翻译

讨论指出，等PPFD下HPS更高产量不能归因于光合光子数量，也不表现为更高光饱和电子传递；更合理假设是HPS红外辐射直接加热冠层，在每晚补光时段维持较高叶温，加速花与果实发育，从而收获更多果实数。光谱（尤其少量远红）可能影响分配，但本试验远红通量远低于既往效应研究，故非主因。该设计无法完全分离辐射热与光谱，结论应作为机制假设。

研究结论可归纳为：在匹配光子供应的温室黄瓜补光中，HPS与LED均大幅增产，但HPS凭借冠层辐射加热在燃油供暖体系下获得更高果数、更低单位果实能耗与排放；LED仅具更高照明电效，却因失去灯热补偿而增加供暖负担。灯具选型应同时考量光子效能、辐射热收支与区域能源结构，而非仅比较PPFD与电耗。

论文解读已完成，接下来可以选择一个方向继续深化：

把解读压缩成期刊审稿意见

设计分离辐射热与光谱的对照实验

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设计分离辐射热与光谱的对照实验