转光膜在设施园艺生产中应用的研究进展

北方园艺（）：专题综述第一作者简介：寇尔丰（），女，硕士研究生，研究方向为蔬菜生理。：责任作者：宋世威（），男，博士，副教授，硕士生导师，现主要从事蔬菜生理与分子生物学和设施园艺生理生态等研究工作。：基金项目：广东省农业技术需求研究与示范资助项目（）；广东省科技计划资助项目（）；广州市产学研协同创新重大专项资助项目（）。收稿日期：转光膜在设施园艺生产中应用的研究进展寇尔丰，邓沛生，宋世威，孙光闻，刘厚诚，陈日远（华南农业大学园艺学院，广东广州）摘要：转光膜具有转换光质、改善设施环境特征、提高作物产量和品质等优点，因此在设施园艺生产上得到了广泛的关注与应用。该研究综述了转光膜的原理及制备、转光膜的环境效应及转光膜在设施园艺生产中的应用，同时对转光膜的应用前景进行了展望，以期为转光膜研究及其在设施园艺生产中的应用提供参考依据。关键词：转光膜；环境效应；生长发育；品质中图分类号：文献标识码：文章编号：（）农用塑料薄膜以棚膜和地膜为主，还包括遮阳网、塑料膜袋等，是设施园艺生产中主要的透明覆盖材料。我国设施园艺生产中常用的农膜种类有、及涂覆膜等，自世纪年代末开始将薄膜应用于温室覆盖，年代开始生产农用薄膜，年代初开始生产农膜。进入世纪，、涂覆膜开始作为覆盖材料应用于设施园艺生产，其产量和覆盖面积迅速扩大，居世界首位。目前，我国现有农膜生产企业的总产能超过万，年农膜总产量近万，其中棚膜与地膜产量之比约，“十二五 ”期间年平均产量增速超过。植物光合作用最有效的光谱是可见光中的红橙光和蓝紫光，透过较多的紫外光会对植物造成伤害并且加速农膜的老化，透过较多的红外光则会降低农膜的保温性。理想的农膜要求具有较高的可见光透过率以及较低的紫外光、红外光透过率，转光膜属于理想农膜。转光膜是通过生产工艺改变透过农膜的光质以实现光质转换，使之更加符合植物生长发育的需求。其最早于年由前苏联科学家和等提出，并于年在国际园艺设施高技术研讨会上被推荐为最有前途的功能性农用薄膜。由于转光膜在促进园艺植物生长发育、提高产量及改善农产品品质等方面均具有良好的效果，因此越来越受到科学研究和生产应用的广泛关注。转光膜的作用原理及制备转光膜的作用原理根据转光过程中吸收与发射光子的能量大小，可将转光膜分为两大类：一类是将太阳光中的紫外光、绿光转换成红橙光和（或）蓝光；另一类是将太阳光中的红外光转换为可见光。其中以紫外光转红橙光、紫外光转蓝紫光或黄绿光转红橙光为主。其原理是：转光剂在其转光过程中发生斯托克斯位移，吸收光子的能量将大于辐射光子，发射光谱与吸收光谱相比将向能量较低的方向偏移。虽然不同的转光剂所能吸收和辐射的波长范围、辐射强度不同，但其作用原理基本一致。即体系中含有的不稳定离子或电子，在吸收紫外光或绿光的能量后跃迁到不稳定的激发态，而此能量可传递给中心离子使其电子从不稳定的激发态跃迁回到稳定的基态，转换过程中的能量差将会以光或热的形式释放出来。转光膜的制备制备转光膜的关键在于转光剂的选择。转光剂有不同的分类方法，按转光性质可划分为绿转红、紫外转红和紫外转蓝；按发光性质可划分为红光剂、蓝光剂和双光剂（红蓝光剂、双能转光剂）；按材料性质可划分为稀土无机化合物、稀土有机配合物和有机荧光染料。转光剂的制备方法主要有高温固相合成法、溶胶凝胶法、水热合成法、溶剂热法、喷雾热解法和微波辐射法等。前人对转光膜制备的研究主要集中在载体树脂、转光剂配比等方面。有研究表明，转光剂与不同品牌的树脂、光稳定剂、流滴剂、着色剂之间会产生不同的正、负配合效应。等研发出一种薄膜，能激发波长的光使其转换为波长的光，实现了转换发光。宋美芹研制出一种混入转光剂的聚甲基丙烯酸甲酯（）转光膜，在处的发光峰出现了红移现象，达到了黄光转红光的效果。等开发出含、稀土无机转光剂的绿光转红光的转光膜。杨华平研制出了一种混入蓝光转光剂和红光转光剂的聚氯乙烯（）红蓝双转膜，该转光膜能有效地将紫外光转为红光和蓝光。转光膜的环境效应园艺设施中低温、弱光、高湿等环境特征限制了设施园艺的发展。转光膜的使用能使作物充分利用光能，改善设施内的环境条件，对提高园艺作物的产量和品质有着非常重要的作用。光照农用转光膜能将太阳光谱中对植株光合作用无效的紫黄光、黄绿光转换为对植株光合作用有效的蓝紫光和红橙光，转光效率为，蓝紫光和红橙光均可相对增加。因此在低温、弱光及阴雨天气下，转光膜均能提高植株光能利用率。随着转光剂含量的增加，转光膜的转光效率提高，但薄膜的透光率下降，湿度增加。因此转光膜覆盖设施的光照强度一般低于普通膜。研究发现，添加了转光剂农膜的透光率大约会降低。唐颢等提出，覆膜后由于透光率受到一定影响，棚内的光照度较露天茶园降低了；但也有研究指出，转光膜的透光率比普通白膜和双防膜高出。不同转光膜的透光率差异可能与转光剂的添加有关。温度由于转光膜在转光过程中发生斯托克斯位移，在高能光激发以及低能光发射的能量转换过程中将相应的能量差以热量的形式释放，因此有利于提高园艺设施内的气温和地温。研究发现转光膜增温效果明显高于对照农膜，转光膜下近地表、的月平均地温分别比对照农膜高出、。对覆盖不同地膜进行春季马铃薯生产的研究表明，转光膜的增温效果最好，其次是配色膜，黑色膜的效果较差，但均好于普通透明地膜。与长寿流滴膜相比，纳米转光膜能有效提高空气温度和土壤温度。转光膜在不同天气条件下的增温效果不同，晴天好于阴雨天。在阴雨天，转光膜覆盖比普通膜覆盖下的地温高，而晴天则高。转光膜在新疆棉花上应用的试验也表明，转光膜在晴天增温效果高于阴天。低温季节（月和月）转光膜的增温效果更加显著，最低气温可提高。转光膜还具有调节棚温的功能。通过对比种（乙烯乙酸乙烯共聚物）转光膜的温光反应发现，在气温较低时，种转光膜的棚内气温及地温较对照膜分别提高了和；而在气温较高时，二者分别下降了和。转光膜的这种调温作用可能与转光剂本身的性质有关，一般稀土发光材料在低温条件下发光效率高，而达到某一温度则发生淬灭现象。湿度与普通农膜覆盖提高设施内湿度的功能一致，转光膜覆盖下茶园的平均湿度比露天茶园高，保温增湿作用显著，从而促使春北方园艺月（上）茶比自然茶园提前萌发和开采，可显著提高明前茶比例。月下旬至翌年月上旬，号消雾无滴红色转光膜比消雾无滴膜下的空气平均湿度高。与多功能农膜相比，不同天气状况下转光膜保湿效果不同。晴天，早晨棚内相对湿度相近，而中午盖光转膜比盖多功能膜低，凌晨盖光转膜高，阴天早晨盖光转膜低，中午盖光转膜低，雨天早晨基本相同，中午相差不大，凌晨相同。不同加工工艺转光膜覆盖对温室湿度的影响不同。三层共挤和内添加型棚膜覆盖的温室内空气平均湿度均高于五层共挤和涂覆型棚膜；其中大多数时间五层共挤棚膜覆盖的温室湿度最低，说明与其它棚膜相比五层共挤棚膜具有更好的除湿作用，有助于控制病虫害的发生。由于不同作物对湿度的要求不同，以作物生长需求和病虫害防治等为前提选择适宜某种作物的转光膜显得尤为重要。转光膜在设施生产中的应用许多研究证明转光膜能通过改变透过设施的光质来提高植株光能利用率，在促进作物生长发育、提高作物产量与产品器官品质、减少病害发生等方面均具有良好效果。转光膜对设施作物生长发育和产量的影响转光膜在设施采光覆盖和地膜覆盖下均能促进作物生长发育。双转光膜增强了烟苗的抗逆性，其茎粗、根长和最大叶面积显著高于对照，有利于烟苗早生快发，增大光合面积。蓝绿转红光的转光膜提高了萝卜叶片的光合作用，提高了葱芽的干鲜质量，并促进了蓝星花种子的萌芽，而紫外转蓝绿光的转光膜则促进萝卜叶和葱叶的伸长。转光膜下生长的胡萝卜与毛豆的株高、叶数、茎粗和产品器官鲜质量等生长指标均高于普通膜。转光膜覆盖下番茄、茄子、青椒、黄瓜等果菜的产量分别比对照膜提高了、和。罗桂林等也提出蓝光转光膜对小白菜的产量有所提高。与空白膜栽培模式相比，光转换膜栽培模式下的芥菜、白菜与菜心种蔬菜不同品种间的地上部生物量增幅分别为、、。等发现种不同厚度（和）绿转红光的转光膜下生菜的叶色、地上部干鲜质量均优于对照。转光膜下黄瓜的植株生长率、果实干物质积累率和总产量均高于对照，并且转光膜促进了植株从营养生长向生殖生长的转变。转光地膜覆盖能使棉花提早出苗，现蕾提早，开花提早，吐絮提早。同样，转光膜的覆盖可使大棚中葡萄的成熟期提前。转光膜对设施作物品质的影响与对照膜覆盖相比，转光膜覆盖处理提高了甜椒果实的维生素、可溶性糖、游离氨基酸含量，并降低了硝酸盐含量。种不同的转光膜覆盖处理下，菠菜的硝酸盐、单宁含量分别比对照降低、和、，有效改善了菠菜的口感。蓝转光膜可增加小白菜维生素和可溶性糖含量。与内添加型单层膜相比，涂覆型转光膜可显著提高番茄果实中的番茄红素、可溶性糖、维生素、可溶性蛋白质含量及糖酸比，显著降低有机酸含量。与普通长寿无滴膜相比，种长寿无滴转光膜均能显著提高大白菜维生素、可溶性蛋白质、可溶性糖含量。茶园覆盖转光膜有利于碳同化作用，水浸出物、茶多酚、可溶性糖含量增加，可促进茶汤的浓厚度和甜度。转光膜对设施作物病虫害的影响转光膜除了能促进作物生长发育、提高作物产量与品质外，还对预防作物病害有一定作用。转光膜能将促进某些真菌孢子萌发的紫外光转换成对植物生长发育有利的红橙光或蓝光，创造了植物适宜生长发育的环境条件，提高了作物的抗逆性，从而减少作物病害的发生。试验表明，聚乙烯转光膜对番茄叶枯病、疫病以及茄子黄萎病具有不同程度的减轻作用。紫外转红橙光的聚乙烯转光膜下黄瓜的病株率和病叶率分别比对照膜减少和，明显减轻了黄瓜霜霉病的危害。茶园覆盖转光膜后，棚内小气候变化对假眼小绿叶蝉、茶蚜繁殖有一定的抑制作用。但也有研究表明，转光膜覆盖不能防治甘蓝的霜霉病和莴苣的霜霉病。这可能与植物第期北方园艺病害的发生和流行受病原物、感病植物、环境条件等多因素的综合影响有关，因此，转光膜在不同作物和不同试验条件下表现出不同的病害防治效果。展望综上所述，转光膜主要通过改变设施内的光质和温度等环境条件，提高园艺作物的光合效率、减少病虫害的发生，以达到提高作物产量和品质的目的。目前我国研发的转光膜存在制造成本高、转光寿命短、吸收光谱和发射光谱的范围窄、大多以单一转光为主等缺点。有试验研究发现，实地扣棚个月的转光膜其荧光发射强度仅能达到起初的左右。且目前国产转光膜扣棚年后其荧光发射强度一般只能达到起始荧光发射强度的，严重阻碍了转光膜的推广与应用。因此，在生产中如何降低转光剂的荧光衰减速度以及拓宽其吸收与发射光谱的范围是有效解决转光膜应用问题的关键。近年来，随着材料科学的发展，很多新型转光材料被合成与发现，转光膜的种类也逐渐增多，如光生态膜、转光驱虫膜、消雾型转光膜以及专用转光膜等。光生态膜主要通过测定不同作物叶片的反射光谱，研究作物的光合作用光谱，在制膜过程中添加不同转光剂模拟其作用光谱而制成。有试验结果表明，光生态膜能提高日光温室黄瓜和番茄的产量。在其它作物上也表现出相同效果。此外，光生态膜也能提高作物的品质。也有人通过测定不同作物的吸收光谱，根据不同作物叶绿素在蓝光和红光区的吸收强度不同，研制出与作物吸收光谱相匹配的光生态膜。同时通过模拟不同作物的光合作用光谱，研发出了适合不同作物生长发育的专用转光膜。专用转光膜能显著提高作物的产量以及品质，解决目前转光膜与植株光合作用光谱不匹配的问题。随着生活品质的提高，人们对食品安全问题越来越重视，在设施园艺方面，不仅要提高蔬菜以及水果产量和品质，更要提高安全等级。因此探索绿色、安全的环保可持续发展的转光材料是转光膜发展的一种趋势。如甲基纤维素与碳点的复合膜在不影响可见光吸收的前提下，能够有效地吸收紫外光，转换成有用的蓝光，有望作为转光材料应用于现代农业上，为我国未来转光膜发展另辟蹊径。参考文献李树旺，王春雷，等高端棚膜的制造、应用与发展农业工程技术，（）：曹志强，刘敏我国农膜行业 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