日光溫室番茄種植環(huán)境參數(shù)時空分布測試與分析

趙建貴，李志偉，王文俊，李晉蒲，曹瑞紅

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

日光溫室作為我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)施，其獨(dú)特的構(gòu)造可以保證在較寒冷的季節(jié)果菜產(chǎn)品終年出產(chǎn)，設(shè)施蔬菜種植是農(nóng)戶重要的收入來源之一[1-4]。隨著果菜產(chǎn)品的大量需求和日光溫室面積的不斷擴(kuò)大，番茄種植在溫室栽培中占有重要地位。但是目前溫室種植番茄存在很多問題[5-8]，如對溫室內(nèi)環(huán)境變化的未知與缺乏科學(xué)性管理造成番茄病害頻發(fā)。目前，溫室環(huán)境測量常以某一位置的參數(shù)值代表整體溫室真實(shí)值，或只是對溫室水平空間進(jìn)行多點(diǎn)參數(shù)測量，很少有學(xué)者對溫室縱向空間環(huán)境情況給予關(guān)注。探究并掌握溫室內(nèi)部環(huán)境的時空分布差異性，將為優(yōu)化溫室結(jié)構(gòu)、制訂監(jiān)測環(huán)境方案、確定作物種植密度和改善調(diào)控策略等提供理論依據(jù)，對改善作物的生長環(huán)境和預(yù)防病蟲害具有重要意義[9-10]。

本試驗(yàn)針對番茄日光溫室特征環(huán)境開展研究，利用自研發(fā)的無線多傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)對日光溫室內(nèi)番茄的冠層光照強(qiáng)度、溫濕度、二氧化碳濃度、土壤水分含量和土壤溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行長期連續(xù)測試，采用濾波法對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得高精確度且完整的環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)而研究溫室環(huán)境參數(shù)的時空分布狀況及變化規(guī)律，旨在為日光溫室設(shè)計(jì)建造提供參考，為農(nóng)戶設(shè)施果蔬的種植與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018 年11 月至2019 年4 月在晉中市太谷縣冀村農(nóng)戶溫室進(jìn)行。該地位于東經(jīng)112′74″、北緯37′49″。選取的日光溫室為東西走向，長100 m，寬8 m，后保溫墻為高3.5 m、厚1.4 m 的土墻，東西墻為0.5 m 厚外磚內(nèi)土墻，灌溉方式為溝灌，隴寬為62 cm；溫室內(nèi)除通風(fēng)口和保溫被外無其他調(diào)控裝備；透光覆蓋材料為聚氯乙烯膜[11]，保溫被材料為外皮防雨綢內(nèi)芯纖維棉材質(zhì)的棉簾[12]，承重為雙骨架斜拉花鋼骨架[13]。試驗(yàn)初期，番茄處于開花期，株高1 m 左右。

1.2 無線多傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)

無線多傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)是結(jié)合4G 和LORA開發(fā)的溫室環(huán)境實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)由父節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)、云平臺、服務(wù)器構(gòu)成（圖1），其中，父節(jié)點(diǎn)一方面負(fù)責(zé)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令并接收子節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，另一方面負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)透傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器；子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集溫室內(nèi)外光照強(qiáng)度、溫濕度、二氧化碳濃度、土壤濕度和土壤溫度等環(huán)境參數(shù),系統(tǒng)采集頻率設(shè)置為6 min；遠(yuǎn)程服務(wù)器負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)拆包、處理、存儲和顯示等，供用戶查看實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)。其實(shí)現(xiàn)了對日光溫室環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測，提高了數(shù)據(jù)的連續(xù)性、科學(xué)性和可靠性，為分析溫室環(huán)境時空分布差異提供了有效、可靠的研究平臺和重要的數(shù)據(jù)支持。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 水平方向布局方案 為研究日光溫室內(nèi)外部環(huán)境參數(shù)時空分布在水平方向上的區(qū)域分布狀況，將溫室長和寬均等分為4 份，室內(nèi)每個交叉點(diǎn)布置一子節(jié)點(diǎn)（2～10 號），均采集光照強(qiáng)度、溫濕度、二氧化碳濃度、土壤水分含量、土壤溫度環(huán)境參數(shù)；室外布置一個子節(jié)點(diǎn)（1 號），采集室外光照強(qiáng)度、溫濕度、土壤溫度環(huán)境參數(shù)，溫室子節(jié)點(diǎn)位置布局如圖2 所示。

1.3.2 垂直方向環(huán)境監(jiān)測方案 由于番茄植株生長高度在2 m 左右（通過打頂抑制其向上生長），因此，在研究日光溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)時空分布在垂直方向上的分布狀況時，采集數(shù)據(jù)高度至2.5 m。介于溫室前沿最高2 m，因此前沿一排子節(jié)點(diǎn)（2，5，8 號）采集數(shù)據(jù)高度為2 m。據(jù)此，除前一排和室外采集點(diǎn)外，其余子節(jié)點(diǎn)均采集光照強(qiáng)度、5 個層次溫濕度（0.2，1.0，1.5，2.0，2.5 m）、二氧化碳濃度（1.5 m）、土壤水分含量、3 個層次（10，20，30 cm）土壤溫度，試驗(yàn)垂直方向傳感器布局如圖3 所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在日光溫室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，可能會由于傳感器故障、數(shù)據(jù)傳送過程丟失和外界環(huán)境干擾等造成異常數(shù)據(jù)[14-16]。數(shù)據(jù)濾波技術(shù)作為數(shù)據(jù)處理技術(shù)的重要組成部分，消除附加在數(shù)據(jù)中不確定因素的干擾，使采集的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地反映番茄溫室環(huán)境狀況。本試驗(yàn)通過Pycharm 軟件平臺對隨機(jī)連續(xù)7 d的數(shù)據(jù)采用限幅濾波法、中位值濾波法和算術(shù)平均值濾波法相結(jié)合來提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，保證研究數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

1.4.1 限幅濾波法 限幅濾波法對外界因素引起的脈沖波干擾很有效，但存在不能夠抑制周期性的干擾和平滑度差問題[17-18]，因此該方法可以有效處理因傳感器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致誤差較大的數(shù)據(jù)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)理論對系統(tǒng)采集溫室數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，設(shè)置最小限值為M、最大限值為N、待檢數(shù)據(jù)為X 時，將待檢數(shù)據(jù)與極限范圍進(jìn)行判斷：若M≤X≤N，則數(shù)據(jù)有效；若X＜M或X＞N，則數(shù)據(jù)無效，應(yīng)予以丟棄。番茄生長發(fā)育的環(huán)境參數(shù)幅值列于表1。

表1 番茄生長發(fā)育的幅值環(huán)境

1.4.2 中位值濾波法 中位值濾波法對變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果[19-20]。采集系統(tǒng)中傳感器連續(xù)采集k 次原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，然后將其進(jìn)行順序排列，若k 為奇數(shù)，則中間值樣本為有效值；若k 為偶數(shù)，則有效值為（n（k＋1）/2＋nk/2）/2。

1.4.3 算術(shù)平均值濾波法 算數(shù)平均值濾波法適用于對一般具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波[21-22]，采集的原始數(shù)據(jù)得到n 個樣本數(shù)值X（i）（i＝1，2，3，…，n），根據(jù)平均值公式計(jì)算獲得U，且均值U 與樣本數(shù)據(jù)的偏差平方和最小，用經(jīng)驗(yàn)理論與均值U 結(jié)合填補(bǔ)剔除的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)與完整。當(dāng)n 值較大時，信號平滑度較高，但靈敏度較低；當(dāng)n 值較小時，信號平滑度較低，但靈敏度較高。本試驗(yàn)采集頻率為6 min，n 選定為10，每次計(jì)算1 h 的均值，以達(dá)到更好的濾波效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 水平方向數(shù)據(jù)分析結(jié)果

2.1.1 光照強(qiáng)度分析 從圖4 可以看出，冬季溫室內(nèi)全天光照時間約8 h，9：00 左右開啟保溫被，植株開始進(jìn)行光合作用，冠層處光照強(qiáng)度在9：00—11：00呈線性增長，11：00—12：00 因CO2濃度減少增長速率降低，13：00 達(dá)到最大值，室內(nèi)光照強(qiáng)度是室外的82.6%，14：00—17：00 呈線性下降，17：00 左右關(guān)閉保溫被。由于太陽輻射的角度與距離，在南北方向上，室內(nèi)光照強(qiáng)度呈現(xiàn)南強(qiáng)北弱特點(diǎn)；由于太陽輻射的方位和墻的遮檔，在東西方向上，午前東弱西強(qiáng)，午后東強(qiáng)西弱，溫室中部是全天光照最好的區(qū)域。

2.1.2 溫度分析 由圖5 可知，由于有保溫墻體、土壤和保溫被的作用，晚上室內(nèi)各區(qū)域溫度呈平緩下降趨勢，且均保持一致，靠出口的8，9，10 號區(qū)域溫度略低于其余區(qū)域，可能是由于出口的密閉性存在問題；由于太陽輻射的作用，8：00—9：00 室外溫度上升，室內(nèi)溫度相應(yīng)上升，但溫度增值較??；9：00左右保溫棉開啟，太陽的輻射和植株光合作用引起溫度迅速升高；11：30 左右通風(fēng)口開啟，溫室內(nèi)外溫度進(jìn)行熱交換，室內(nèi)北部區(qū)域和中部區(qū)域的溫度呈短暫下降，通風(fēng)口下4，7，10 號區(qū)域溫度明顯低于其他區(qū)域；12：00—13：00 溫度上升，在13：00 左右達(dá)到最大值，南部區(qū)域能達(dá)到35 ℃；13：00—17：00溫度呈下降趨勢，16：00 左右關(guān)閉通風(fēng)口，16：00 前溫度下降的幅度低于16：00—17：00；17：30 左右關(guān)閉保溫被，17：00—18：00 溫度呈短暫回升，之后呈平緩下降。日光溫室內(nèi)溫度呈白天遠(yuǎn)高于晚上、中部高于四周，溫度變化與光照強(qiáng)度變化規(guī)律基本保持一致，在南北方向上，室內(nèi)溫度呈現(xiàn)南強(qiáng)北弱特點(diǎn)；受墻體和太陽輻射角度的影響,在東西方向上，午前東弱西強(qiáng)，午后東強(qiáng)西弱。

2.1.3 濕度分析 由圖6 可知，溫室內(nèi)植物生長過程中80%的時間處于高濕狀態(tài)，不通風(fēng)時室內(nèi)相對濕度通常在95%以上，白天保溫被開啟后，隨著溫度的升高相對濕度減小，當(dāng)11：30 通風(fēng)口開啟后，室內(nèi)濕度迅速下降，通風(fēng)口下區(qū)域濕度下降速度比其他區(qū)域快，南部2，4，8 號區(qū)域在12：00 左右達(dá)到最小值，中部3，6，9 號區(qū)域在13：00 左右達(dá)到最小值，北部4，7，10 號區(qū)域在14：00 左右達(dá)到最小值；夜間室內(nèi)相對濕度則由于溫度的下降而增大，均保持在99.9%高濕狀態(tài)。室內(nèi)濕度總體上呈午前北高南低、午后北低南高的特點(diǎn)。

2.1.4 CO2濃度分析 由圖7 可知，CO2濃度日變化曲線通常呈不規(guī)則“U”型，在早晨開啟保溫被之前，由于夜間植株的呼吸作用，使得CO2濃度最高，保溫被開啟后，溫室內(nèi)CO2濃度隨著作物光合作用的消耗而逐漸減??；通風(fēng)口開啟后，通風(fēng)口下4，7，10 號區(qū)域CO2濃度低于其他區(qū)域，在11：00左右達(dá)到最低值，11：00—12：00 迅速上升；通風(fēng)口與保溫被關(guān)閉后，植株的呼吸作用使室內(nèi)CO2濃度迅速增加，且中部區(qū)域高于其他區(qū)域。

2.1.5 土壤濕度分析 溫室內(nèi)各區(qū)域土壤濕度全天變化不明顯，均保持在65%左右。與空氣濕度相比較，土壤濕度比較穩(wěn)定，變化幅度較小。土壤濕度受溫室溫度、作物生長情況、作物種植密度、空氣濕度等的影響較大。

2.1.6 土壤溫度分析 由圖8 可知，室內(nèi)北部土壤溫度變化不太明顯，均保持在13.6 ℃左右，變化最明顯的是南部和中部區(qū)域，土壤溫度最高可以達(dá)到14.5 ℃。最高地溫一般比最高室溫晚出現(xiàn)3 h 左右，最低地溫比最低室溫晚出現(xiàn)2 h 左右。地溫的變化幅度比較小，特別是夜間的地溫下降幅度不明顯。溫室內(nèi)土壤溫度呈北高南低。

2.2 垂直方向數(shù)據(jù)分析結(jié)果

溫室垂直方向環(huán)境影響著作物層次生長，試驗(yàn)在室內(nèi)布置9 個區(qū)域分別對0.2，1.0，1.5，2.0，2.5 m高處的溫濕度和10，20，30 cm 土層的土壤溫度進(jìn)行測試與分析，隨機(jī)選取溫室中部3 號區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.1 溫度分析 由圖9 可知，保溫被關(guān)閉后，由于土壤和保溫墻的散熱，0.2 m 高處的溫度均高于其他高度的溫度，其他高處的溫度保持一致變化，但是1 m 處溫度略低于其他高度。保溫被開啟后，由于太陽的輻射，溫度呈現(xiàn)單峰變化，13：00 左右溫度達(dá)到最大值，且溫度隨高度的增加而增大，白天高處溫度高于低處，高度增大5 cm，溫度增加2～5 ℃，0.2 m 高處最大溫度為22 ℃左右，而2.5 m 高處最大溫度可達(dá)到35 ℃。

2.2.2 濕度分析 由圖10 可知，溫室內(nèi)0.2 m 高處相對濕度全天為99.9%。保溫被關(guān)閉后，溫室內(nèi)相對濕度均為99.9%。保溫被開啟后，2.0，2.5 m 處相對濕度開始下降，而1.0，1.5 m 高處的相對濕度在通風(fēng)口打開后才開始下降，1 m 高處最低值為90%左右，2.5 m 高處最小值為63.5%，相對濕度隨高度的增加而遞減。

2.2.3 土壤溫度分析結(jié)果 從圖11 可以看出，不同土層地溫的變化趨勢差異比較大，白天室溫高于地溫，夜間地溫高于室溫。30 cm 土層溫度變化較小，保持在13.9 ℃左右，13：00 時下降到最低值13.5 ℃；20 cm 土層溫度比30 cm 土層溫度變化差異大，12：00 時下降到最低值13 ℃；10 cm 土層溫度變化差異最大，9：00 時下降到最低值11.9 ℃，16：00 時上升到最大值14.4 ℃。

3 結(jié)論與討論

番茄的光補(bǔ)償點(diǎn)為7 000 lx，適宜光照強(qiáng)度為30 000～40 000 lx，冬季日光溫室內(nèi)光照時間不足，水平方向呈現(xiàn)出南強(qiáng)北弱、午前西強(qiáng)東弱、午后東強(qiáng)西弱、中部全天光照最好的特點(diǎn)；垂直方向上光照強(qiáng)弱與室內(nèi)植株種植密度密切相關(guān)。因此，番茄生長發(fā)育期應(yīng)增加補(bǔ)救措施，在建造溫室時應(yīng)在合適范圍內(nèi)增加溫室的長度，種植時應(yīng)增大隴寬。

番茄是喜溫作物，最適溫度白天為25～28 ℃，夜間為16～18 ℃。本研究表明，室內(nèi)白天通風(fēng)口打開后部分區(qū)域溫度可能達(dá)到35 ℃以上，夜間最高溫度12.7 ℃。溫度水平方向呈現(xiàn)白天高夜間、中部區(qū)域高于四周的特點(diǎn)；垂直方向夜間0.2 m 高處溫度高于其他高處，白天溫度隨高度增大而增加，高度增加5 cm，溫度增加2～5 ℃。因此，白天應(yīng)采取降溫措施，夜間增加升溫措施。

本研究表明，番茄最適相對濕度為45%～65%。室內(nèi)夜間相對濕度始終為99.9%，白天只有短暫的最適濕度環(huán)境；水平方向呈現(xiàn)出午前北高南低、午后北低南高的特點(diǎn)；垂直方向0.2 m 高處濕度全天均為99.9%，其他高處隨高度增加相對濕度降低。因此，需要對番茄溫室采取降濕措施。

番茄最適地溫為20～25 ℃。水平方向呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)；垂直方向10 cm 土層溫度變化明顯，最小值為12.3 ℃，最大值為14.4 ℃，地溫隨深度增加而增大，30 cm 土層溫度保持在14 ℃左右。因此，需要對溫室采取提升地溫措施。