日光溫室冬季基質(zhì)加溫效果及對番茄生長和品質(zhì)的影響

袁 丁 武占會 季延海 劉明池 王麗萍 佟 靜 梁 浩*

（1北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，北京 100097；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；3河北工程大學(xué)園林與生態(tài)工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

日光溫室是我國北方冬季蔬果進(jìn)行反季節(jié)生產(chǎn)的主要設(shè)施類型（栗亞飛 等，2013）。在北緯40°以北地區(qū)，日光溫室冬季室外偏低的溫度會影響室內(nèi)空氣溫度，夜間經(jīng)常出現(xiàn)10 ℃以下的亞低溫（牛貞福 等，2015）。長期夜間亞低溫會導(dǎo)致根系溫度條件不能滿足植株正常生理活動所需的環(huán)境，不利于植株的正常生長發(fā)育和光合作用，同時過低的溫度不利于基質(zhì)中微生物的活動，進(jìn)而阻礙了基質(zhì)中無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)的分解（江力，2017），導(dǎo)致作物的干物質(zhì)質(zhì)量降低，果實(shí)發(fā)育速度減慢，平均單株產(chǎn)量降低（王麗娟 等，2006），番茄、草莓等喜溫蔬果作物成活率低（馬丹 等，2007；李炳海 等，2009）。

與傳統(tǒng)溫室空氣加熱相比，對植物根區(qū)進(jìn)行加熱更有利于溫室內(nèi)植株生長，并且可以大大節(jié)約能源（陳祎，2008）。特別是在限根栽培條件下，植株根系能在限定區(qū)域內(nèi)通過控制適宜的根區(qū)溫度，使根系得到充分的伸展，對植物生長起到非常重要的作用，有利于植株對養(yǎng)分和水分的吸收以及根系細(xì)胞的發(fā)育（Schonbeck &Evanylo，1998）。

根區(qū)加溫目前常用的方式有碳晶面板加熱盆栽、地下蓄熱系統(tǒng)、太陽能加熱水和土壤等方式（王永維 等，2005；趙云龍 等，2013），這些方式存在初期投入大、受客觀天氣影響過大等缺點(diǎn)（Attar et al.，2013），使用這些技術(shù)進(jìn)行日光溫室果菜類蔬菜生產(chǎn)存在一定的限制（何芬 等，2015）。而電能作為一種無污染、加溫快的二次能源，具有設(shè)備投資低、供熱分配均勻，便于自動化控制等優(yōu)點(diǎn)，在溫室加熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但從運(yùn)行成本角度出發(fā)，優(yōu)化溫室電加熱技術(shù)，提高能源利用效率，是亟待解決的技術(shù)問題（曲梅 等，2003）。本試驗(yàn)采用控溫電伴熱加熱系統(tǒng)，在限根栽培條件下，對根系環(huán)境進(jìn)行溫度調(diào)控，研究電加熱對于基質(zhì)內(nèi)根系溫度場以及無土栽培番茄生長和品質(zhì)的影響，進(jìn)而探索有效改善冬季日光溫室地溫環(huán)境的調(diào)控方式，以期為日光溫室越冬蔬菜生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實(shí)踐支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年10月至2019年2月在北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心四季青基地日光溫室中進(jìn)行，溫室坐北朝南，長度60 m，跨度8 m，脊高4.5 m，后墻高3 m，供試番茄品種為荷蘭瑞克斯旺種子有限公司生產(chǎn)的豐收（74-560）F1。2018年9月7日播種，10月10日定植，采用限根栽培方式，栽培基質(zhì)為栽培用椰糠條（長1 000 mm，寬200 mm，高150 mm），每個椰糠條定植3株，營養(yǎng)液配方采用北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心無土栽培營養(yǎng)液改良配方（劉增鑫，2000）。采用開放式栽培管理方式進(jìn)行水肥管理。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用電加熱裝置為自制的控溫電伴熱加熱系統(tǒng)（圖1），由WK-208電腦智能溫控器控制。將電加熱線和溫控器探頭布置在栽培袋截面幾何中心，探頭溫度低于設(shè)定溫度可直接加熱栽培基質(zhì)，高于設(shè)定溫度自動斷電。根際控制溫度分別設(shè)定為22、28、34 ℃，以不加溫作為對照，每個處理布置9個測溫點(diǎn)（圖2）。每個處理的種植面積為40 m2，共定植45株番茄，行距1.5 m，株距0.33 m，選取長勢一致的6株作為重復(fù)。

1.3 項目測定

圖1 溫室自動加熱裝置流程圖

1.3.1 室內(nèi)外氣溫和基質(zhì)內(nèi)溫度測定 選取冬季晴朗天氣進(jìn)行溫室環(huán)境指標(biāo)的測定，采用T型熱電偶（溫度測量范圍：-40～100 ℃，測量精度：±0.2 ℃；濕度測量范圍：0～100%，測量精度：±2.5%），用于空氣干球溫度和濕球溫度的測定。溫室內(nèi)溫濕度測點(diǎn)位于溫室中心，距離地面高度0.8 m；室外測點(diǎn)距離地面高度1.5 m，所有傳感器連接美國Campbell公司生產(chǎn)的CR1000數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行自動記錄，時間間隔為10 min。

圖2 栽培槽橫斷面圖

1.3.2 植株生長指標(biāo)測定 從定植后14 d開始，每個處理選取長勢一致的3株番茄對其株高、莖粗、葉片數(shù)進(jìn)行測定，6次重復(fù)，每隔15 d測定1次。用卷尺測量株高（植株基部到生長點(diǎn)的長度），用游標(biāo)卡尺測量莖粗。

1.3.3 番茄植株根系指標(biāo)和產(chǎn)量測定 番茄植株在3～4穗果時進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，每個處理選取長勢一致的3株植株測定單果質(zhì)量，取植株根系測定其干、鮮質(zhì)量。以前3穗果為單株產(chǎn)量，6次重復(fù)。

1.3.4 番茄果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)測定 在采收期（定植后120 d）每個處理取3株成熟度一致的番茄果實(shí)（第3穗果）對其進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)測定，6次重復(fù)。果實(shí)可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍(lán)法（曹建康等，2007）；可溶性糖含量測定采用恩酮比色法（張以順 等，2009）；VC含量測定采用2，6-二氯酚靛酚滴定法（蔡慶生，2013）；可滴定酸含量測定采用酚酞滴定法（李合生，1998）。

1.3.5 不同加溫處理的能耗測定 采用DDS 334型單相電子式電度表記錄每個處理的耗能情況，額定電壓為220 V，額定頻率為50 Hz，額定電流為5（20）A，于每天上午8：00手動記錄電表數(shù)值并計算當(dāng)日能耗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS 23.0和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表的統(tǒng)計與繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)外氣溫的變化和不同加溫處理對基質(zhì)內(nèi)溫度的影響

圖3為1月17～18日（晴天）試驗(yàn)溫室室內(nèi)外溫度變化，可以看出，溫室內(nèi)氣溫受室外溫度影響，兩者總體趨勢呈正相關(guān)；5：00時室外氣溫為-8.1℃，是一天內(nèi)的最低溫度，此時室內(nèi)溫度為6.8 ℃；室內(nèi)溫度最低點(diǎn)出現(xiàn)在8：30，為5.6 ℃；13：10時室內(nèi)溫度達(dá)到一天中最高的23.9 ℃，由于日光溫室白天采用機(jī)械通風(fēng)，太陽輻射進(jìn)入日光溫室中的熱量散失，所以室內(nèi)溫度不會過高。隨著太陽輻射減少熱量下降，室內(nèi)溫度逐漸降低。

圖3 室內(nèi)外氣溫日變化

由圖4可知，在基質(zhì)中插入電熱線加溫的方法能夠顯著抑制夜間基質(zhì)溫度降低。不加溫處理的基質(zhì)溫度隨時間呈線性遞減，夜間根系平均溫度為10.6 ℃，早上8：00根系溫度降到最低值，為7.5℃，對植物生長極為不利；3個加溫處理的植株根系溫度均在設(shè)定溫度（22、28、34 ℃）附近波動，設(shè)定的溫度越高，溫度波動頻率也越高，說明維持根系高溫需要頻繁啟動加熱線，實(shí)際測試基質(zhì)內(nèi)中心位置平均溫度分別為22.4、29.8、35.2 ℃，略高于設(shè)定溫度。

表1為不同加溫處理的9個測溫點(diǎn)根系平均溫度，電加熱方式能使椰糠條中心位置溫度維持在一定范圍，熱量能有效輻射到整個根際區(qū)域，降低亞低溫對植物根系的危害。由于加熱點(diǎn)在根系區(qū)域的中間，基質(zhì)頂部直接接觸室內(nèi)空氣，所以中下部溫度高，頂部溫度低。

圖4 20：00至次日8：00時間段不同加溫處理對基質(zhì)內(nèi)溫度的影響

表1 不同加溫處理的夜間根系平均溫度分布

2.2 不同加溫處理對番茄植株生長的影響

由表2可知，加溫處理14～70 d內(nèi)，各處理間生長指標(biāo)的差異性逐漸加大；處理70 d后，22、28 ℃加溫處理的株高、莖粗、葉片數(shù)顯著高于對照，其中28 ℃加溫處理對番茄生長促進(jìn)作用最明顯，株高、莖粗、葉片數(shù)較對照分別提高了11.1%、50.1%、27.1%。而34 ℃加溫處理植株的多項生長指標(biāo)低于對照，說明過高的根系溫度會阻礙植株的生長發(fā)育。

2.3 不同加溫處理對番茄產(chǎn)量和植株根系指標(biāo)的影響

由表3可知，22 ℃和28 ℃加溫處理在單果質(zhì)量、單株產(chǎn)量、根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量指標(biāo)上明顯高于對照和其他處理；34 ℃加溫處理的根干、鮮質(zhì)量顯著高于對照，但是單果質(zhì)量和單株產(chǎn)量顯著低于對照；說明冬季日光溫室中進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訙靥幚砜梢蕴岣咧仓旮抵笜?biāo)和產(chǎn)量，但是加溫溫度過高會對番茄植株的生長發(fā)育和產(chǎn)量造成不良影響。

表2 不同加溫處理對番茄植株生長的影響

表3 不同加溫處理對番茄產(chǎn)量和根系指標(biāo)的影響

2.4 不同加溫處理對番茄果實(shí)品質(zhì)的影響

由表4可知，22 ℃和28 ℃加溫處理的番茄果實(shí)可溶性糖、可溶性固形物、可滴定酸、可溶性蛋白含量均顯著高于對照；34 ℃加溫處理的可溶性固形物含量顯著高于對照，其余指標(biāo)與對照無顯著差異。

2.5 不同加溫處理的能耗分析

由表5可知，在整個栽培周期中，22 ℃加溫處理的能耗產(chǎn)出比（單株產(chǎn)量/單株能耗）最高，達(dá)到0.27 kg·kWh-1，單個夜間啟動次數(shù)為11次，單株能耗最低，為11.33 kWh，節(jié)能效果最優(yōu)。

表4 不同加溫處理對番茄果實(shí)品質(zhì)的影響

表5 不同加溫處理的能耗分析

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，對日光溫室中基質(zhì)進(jìn)行適宜的加溫處理，能提高番茄果實(shí)的產(chǎn)量，加溫至28 ℃時單株產(chǎn)量可達(dá)3.46 kg，加溫至22 ℃時單株產(chǎn)量達(dá)到3.09 kg，較不加溫處理分別顯著提高了55.2%和38.6%；從能耗角度來分析，28 ℃加溫處理比22 ℃的單株能耗提高31.2%，結(jié)合產(chǎn)量情況，22 ℃加溫處理的能耗產(chǎn)出比更高。

同時，22 ℃加溫處理下番茄株高、莖粗、葉片數(shù)等生長指標(biāo)和果實(shí)的VC、可溶性蛋白、可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物等品質(zhì)指標(biāo)均顯著高于對照，與前人研究結(jié)果相似（趙玉萍 等，2010；江力，2017）。值得注意的是，34 ℃加溫處理的單果質(zhì)量、單株產(chǎn)量顯著降低，說明加溫溫度過高會抑制植株生長。

電加熱是一種點(diǎn)源加熱方式，根系區(qū)域溫度變化存在一定滯后性，出現(xiàn)根系溫度分布不均和周期性波動現(xiàn)象。借助數(shù)值模擬方法，研究在限根栽培條件下根系區(qū)域溫度分布，對于提高加溫精度，優(yōu)化加溫效率具有重要的研究價值。