起壟高度對日光溫室土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培甜椒根區(qū)溫熱及產(chǎn)量的影響*

李寶石，劉文科，李宗耕，張玉彬，查凌雁，周成波，邵明杰

起壟高度對日光溫室土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培甜椒根區(qū)溫熱及產(chǎn)量的影響*

李寶石，劉文科**，李宗耕，張玉彬，查凌雁，周成波，邵明杰

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

為了優(yōu)化土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（SSC）的壟高參數(shù)，于2018年在冬季日光溫室內(nèi)進行甜椒栽培試驗。試驗設置土壟（SR）、標準壟（NR）、矮標準壟（NRs）和土壤溝嵌（SE）共4個處理，以探究栽培壟高度對根區(qū)溫熱特性、壟側(cè)土壤緩沖能力以及甜椒生長和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：白天高溫時段，起壟高度越高則根區(qū)溫度越高，相同壟高的NR處理比SR處理白天平均溫度高1.07℃；夜間低溫時段，NRs處理根區(qū)溫度最高，比SR處理根區(qū)溫度高1.77℃；12月27?31日連續(xù)5 d觀測表明，各處理根區(qū)晝夜平均溫度在17.03～18.55℃。起壟高度對甜椒的株高和莖粗有顯著影響，起壟越高，甜椒植株生物量越高，NR處理的地上和地下干鮮重均為最優(yōu)。但是，NRs處理的甜椒產(chǎn)量更高。與SR處理相比，NR和NRs處理甜椒產(chǎn)量分別提高43.0%和50.9%。綜上所述，在相同水肥條件下，起壟高度對根區(qū)溫度的改變在1.52℃范圍內(nèi)，NRs處理能夠提高夜間根區(qū)溫度；雖然高壟（NR）能夠促進甜椒植株生物量，但適量降低壟高（NRs）更有利于甜椒產(chǎn)量的提高。因此，壟高10cm的SSC可通過提高根區(qū)夜間溫度，從而提高SSC的生產(chǎn)性能，更適宜應用于日光溫室甜椒生產(chǎn)。

日光溫室；壟高；根區(qū)溫度；土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培

日光溫室因其具有良好的蓄熱保溫能力[1]，在一定程度上解決了中國北方冬季蔬菜生產(chǎn)問題，從而得到各地大面積推廣應用[2]。截至目前，中國日光溫室的栽培面積已超過1×106hm2，然而，在冬春季日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，低溫脅迫仍是影響作物生長的重要環(huán)境因素[3?5]。研究表明，根區(qū)溫度對作物生長的影響比空氣溫度更大[6]。較低的根區(qū)溫度會影響根系呼吸、水肥吸收、根系生長[7?8]，阻礙作物開花結(jié)果[9]，最終影響其產(chǎn)量。Clarkson等[10]研究證明，即使是根區(qū)溫度的小幅度變化也會引起根系養(yǎng)分吸收的變化，進而影響作物生長。Walker[11]研究表明，在12～35℃范圍內(nèi)，根區(qū)溫度每降低1℃就能引起玉米生長量下降約20%。因此，根區(qū)溫度調(diào)控在日光溫室作物生產(chǎn)中具有重要意義[12]。

為緩解日光溫室栽培過程中出現(xiàn)的低溫脅迫，提高根區(qū)對溫度變化的緩沖能力，傅國海等[13]提出了一種新的栽培方式，即土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培方法（soil-ridged substrate-embedded cultivation，SSC）。該方法將土壤栽培與無土栽培相結(jié)合，既能發(fā)揮土壤的溫度緩沖能力，同時又發(fā)揮基質(zhì)栽培高產(chǎn)高效的優(yōu)點，以及增強基質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性。前期研究表明，相對土壟栽培，在冬春季低溫環(huán)境下采用土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培方法栽培甜椒，能夠提高夜間最低根區(qū)溫度2.15℃，從而提高甜椒產(chǎn)量50%以上[14?15]；與純基質(zhì)栽培相比，土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培的根區(qū)溫度相對穩(wěn)定，且具有良好的溫度緩沖能力[16]。

有研究表明，起壟高度、覆蓋材料等因素均會影響根區(qū)溫度[17?19]。在前期的試驗中并未探究栽培土壟高度對根區(qū)溫熱和生產(chǎn)性能的影響。因此，本試驗在前期試驗的基礎上，通過設置3種起壟高度，探究不同高度對根區(qū)溫熱變化和作物生長的影響，從而確定最優(yōu)栽培壟高度，為新型栽培方式的推廣應用提供理論支持和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室概況

試驗在北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所試驗基地的日光溫室中進行。溫室東西長60m，跨度8m，脊高3.8m，室齡為4a。試驗小區(qū)面積48m2，距溫室南端2m，離西側(cè)山墻4m。日光溫室采用覆蓋保溫被的方式維持夜間溫度，保溫被開閉時間分別為8：30和16：30。供試作物選擇甜椒，品種為“海豐16號”。采取穴盤育苗，育苗兩葉一心時定植，定植時間為2018年10月17日。

甜椒栽培以土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（Soil-ridged substrate-embedded cultivation，SSC）為基礎，探究不同壟高甜椒根區(qū)溫熱變化并對比甜椒生長及產(chǎn)量狀況。采用營養(yǎng)液定時滴灌（Hoagland營養(yǎng)液配方）。SSC栽培方式為：鐵絲網(wǎng)槽內(nèi)（長×寬×高＝3.0m× 0.10m×0.10m）鋪上厚度為0.12mm塑料薄膜，在塑料薄膜側(cè)面距離底部5cm處打通氣孔，孔徑1cm，孔距10cm，膜的側(cè)面下方打孔便于水熱交換，然后裝入按體積配比均勻混合的栽培基質(zhì)（草炭:蛭石:珍珠巖=2:1:1），外側(cè)用土壤培壟后，覆蓋地膜，以保持水分不易流失，SSC栽培結(jié)構(gòu)圖見參考文獻[13]。

1.2 試驗設計

試驗設置4個處理。處理1為土壟（SR），下底寬40cm，高15cm，上底寬20cm；處理2為SSC標準壟（NR），下底寬40cm，高15cm，上底寬20cm；處理3為SSC矮壟栽培（NRs），下底寬40cm，高10cm，上底寬20cm；處理4為土壤溝嵌（SE），槽體全嵌入地面，槽深10cm。4種處理栽培壟如圖1所示。試驗小區(qū)共設置14個栽培壟，小區(qū)東、西兩端各設置1個保護行，中間12壟為處理行，完全隨機排列，每個處理3次重復。栽培壟為南北走向，長度為3m。

圖1 4種栽培壟的剖面結(jié)構(gòu)及溫度傳感器、熱通量板的布設位置

1.3 測定方法

采用YM-CJ型智能土壤溫度記錄儀（中國產(chǎn)，精度±0.05℃）對土壤溫度進行測定。共設置15個測點，分別布置在每個處理栽培壟根區(qū)基質(zhì)和兩側(cè)土壤的中部，埋設深度均為7.5cm（圖1），以及在日光溫室內(nèi)設置2個測點，用來測量室內(nèi)空氣溫度，懸掛高度為1.5m，在室外設置1個測點來測定室外溫度的變化，懸掛高度為1.5m；室內(nèi)外測點置于輻射罩內(nèi)，避免太陽直射。溫度采集時間間隔為10min。根據(jù)日光溫室保溫被開閉時間，本試驗將白天定義為8：30?16：30，夜間為16：30?次日8：30。

采用YM-TF型智能土壤熱通量記錄儀（中國產(chǎn)，精度±0.1W·m?2）采集土壤或基質(zhì)界面垂直方向的熱量傳遞過程。測定2018年12月27?31日的日光溫室內(nèi)、外及栽培壟溫度，以及根區(qū)中心5cm深垂直方向的熱通量數(shù)據(jù)。

12月14日每個處理選5株甜椒進行生長指標的測定。采用游標卡尺測定莖粗；直尺測定甜椒株高；SPAD葉綠素儀測定甜椒葉片葉綠素含量。分別于2019年2月22日和3月1、8、15、22、29日分6次采摘成熟果實。每個處理隨機選取5株取樣，累加單株果實鮮重總和，即為整個階段單株甜椒產(chǎn)量。同時，于3月29日拉秧時，將選取的5株甜椒的地上部與地下部分開，測定鮮重，然后用電熱鼓風干燥箱（DHG-9620-A）于105℃殺青2 h，于80℃烘干至恒質(zhì)量，測定植株干質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件處理及作圖，并采用SPSS25軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培方式根區(qū)與壟側(cè)土壤溫熱變化

2.1.1 根區(qū)溫度

由圖2 可知，2018年12月27?31日日光溫室室內(nèi)、外溫度變化趨勢一致，最高氣溫出現(xiàn)在14：00左右，最低氣溫出現(xiàn)在7：00左右。冬季試驗中，由于日光溫室具有蓄熱保溫能力，其室內(nèi)的環(huán)境溫度明顯高于室外溫度。連續(xù)5d室外氣溫平均為?9.06℃，白天時段平均為?5.62℃，夜間時段平均為?10.84℃；連續(xù)5d室內(nèi)氣溫平均為16.73℃，白天時段平均為25.36℃，夜間時段平均為12.28℃。

由圖3可知，2018年12月27?31日4種栽培處理根區(qū)溫度變化也表現(xiàn)出一致趨勢，但NRs和SE處理到達峰值的時間滯后于SR和NR處理，SR和NR處理的最高溫度出現(xiàn)在16：30左右，最低溫度出現(xiàn)在10：00左右；NRs和SE處理的最高溫度出現(xiàn)在17：30左右，最低溫度出現(xiàn)在11：00左右。連續(xù)觀測的5d中，SR、NR、NRs和SE處理的平均根區(qū)溫度分別為17.88、17.96、18.55和17.03℃，根區(qū)最高溫度平均值分別為22.71、23.19、21.55和20.59℃，說明NRs和SE處理對根區(qū)高溫的緩沖能力較強。觀測期內(nèi)4種栽培處理根區(qū)最低溫度平均值分別為14.34、14.18、15.53和14.38℃，說明NRs處理抵御低溫的能力最強。觀測期內(nèi)各處理最高溫度與最低溫度平均值之差分別為8.36、9.01、6.02、6.21℃，即NRs處理的根區(qū)溫度變化最為穩(wěn)定。觀測期內(nèi)各處理根區(qū)白天溫度平均值分別為18.04、19.11、16.92和16.17℃，夜間分別為17.61、17.37、19.38、17.48℃，說明SR和NR處理的蓄熱能力較強，但保溫能力較差；NRs處理的蓄熱能力較弱，但保溫能力較強。

圖2 2018年12月27?31日日光溫室室內(nèi)、外溫度變化

圖3 2018年12月27?31日4種栽培處理根區(qū)溫度變化（中心測點）

2.1.2 根區(qū)與其兩側(cè)溫度之差

由表1可知，4種處理東、西兩側(cè)的土壤白天平均溫度與根區(qū)白天平均溫度的差值均為正值，說明此時段的壟側(cè)溫度高于根區(qū)溫度，由于壟側(cè)土壤起到保溫蓄熱的功能，NRs和SE處理的差值較大，說明NRs和SE處理的壟側(cè)蓄熱能力較強。各處理東、西側(cè)夜間平均溫度均低于同時段的根區(qū)夜間平均溫度，表明各處理夜間根區(qū)溫度較高。東、西側(cè)土壤最高溫度的平均值均大于根區(qū)最高溫度的平均值，東、西兩側(cè)均以NRs處理的差值最大，說明NRs處理的壟側(cè)土壤能夠有效抵御環(huán)境高溫脅迫，避免較多熱量從壟側(cè)傳至根區(qū)。東、西兩側(cè)土壤最低溫度的平均值均小于根區(qū)最低溫度的平均值，東、西兩側(cè)以NR和NRs處理的差值較大，說明NR和NRs處理的壟側(cè)土壤能夠較好維持根區(qū)的溫度。

2.1.3 根區(qū)垂直方向熱通量

由圖4可知，連續(xù)5d內(nèi)4種栽培處理根區(qū)中心基質(zhì)垂直方向熱通量表現(xiàn)為明顯的日變化特點，觀測的5d內(nèi)各處理均在13：00左右出現(xiàn)熱通量的最大值，在6：00左右出現(xiàn)熱通量的最小值，每日10：30? 18：00多為正值，說明這一時段熱量由上層向下傳遞；18：00?次日10：30多為負值，說明此時段熱量由下層向上層傳遞。各處理栽培的峰值不一樣，表明各處理根區(qū)熱量的傳遞存在差異。采用累加法計算觀測期內(nèi)垂直方向熱通量值，SR、NR、NRs和SE處理日平均吸熱量為4148.5、3408.1、3690.1和3327.8W·m?2，即SR處理由上層向下傳遞的熱量最多；各處理日平均吸熱量與放熱量差值依次為?1509.0、1670.3、353.7和?2342.7W·m?2，由此可見，吸熱多并不一定放熱多，雖然SR處理的吸熱量最多，放熱量卻以SE處理最多。一日內(nèi)的吸放熱量雖然與根區(qū)溫度的變化無必然聯(lián)系，但其熱量的傳遞劇烈程度會引起根區(qū)溫度的變化，SR處理的熱量傳遞過程最為劇烈，因此根區(qū)溫度到達峰值時間較早。

表1 根區(qū)與東、西側(cè)土壤平均溫度的差值（2018年12月27?31日）

注:表中數(shù)值為同一時刻根區(qū)溫度減去壟東側(cè)或壟西側(cè)土壤溫度的差值。

Note: The median value of the table is the root zone temperature at the same time minus the soil temperature difference on the east or west side of the ridge.

圖4 2018年12月27?31日4種栽培處理根區(qū)中心基質(zhì)垂直方向熱通量變化

2.2 不同栽培方式對甜椒生長及產(chǎn)量的影響

2.2.1 生長指標

由表2可知，4種處理對甜椒生長的影響存在差異。NRs和SE處理甜椒植株株高、莖粗均顯著高于SR處理，NR處理的甜椒植株株高顯著高于SR處理，但二者莖粗指標無顯著差異。各處理的葉綠素含量（SPAD）無顯著差異，由于水肥管理條件一致，說明NRs和SE處理對甜椒植株前期的生長是有利的。

2.2.2 生物量和產(chǎn)量

由表3可知，NR處理甜椒植株地上鮮重顯著高于其它3個處理；SR、NR和NRs處理的地下干鮮重和地上干重無顯著差異，但均顯著高于SE處理，可能是由于起壟高度影響了根區(qū)溫度，進而影響了甜椒的植株生長。4種處理對甜椒單株產(chǎn)量的影響不同，NR和NRs處理產(chǎn)量顯著高于SR和SE處理，NR與NRs處理無顯著差異，SR處理顯著高于SE處理，說明一定的起壟高度對甜椒產(chǎn)量具有一定的促進作用。與SR處理相比，NR和NRs處理分別比SR處理增產(chǎn)43.0%和50.9%，即NRs處理的增產(chǎn)效果更明顯。

表2 4種栽培處理下12月14日甜椒生長指標（平均值±標準差）

注:小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note：Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below.

表3 4種栽培方式下甜椒生物量和產(chǎn)量指標（平均值±標準差）

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

日光溫室在冬春季節(jié)由于其自身的保溫蓄熱能力，能夠明顯提高室內(nèi)氣溫，在室外氣溫不利于作物生長的情況下仍然能夠使室內(nèi)氣溫滿足作物生長，說明日光溫室在冬春季具有較好的增溫蓄熱效果。在夜間低溫時段，根區(qū)溫度比室內(nèi)氣溫高5.09～7.10℃，能夠滿足甜椒生長所需的根區(qū)溫度，有效抵御冬春季日光溫室的低溫冷害，這與傅國海等[14]的研究相符。

試驗結(jié)果表明，各處理的根區(qū)溫度具有相似的日變化規(guī)律，均呈單峰曲線日變化特征。但4種處理根區(qū)溫度的曲線并不完全重合，說明各處理的根區(qū)溫度有所差異。NRs和SE處理到達峰值的時間滯后于SR和NR處理，其原因可能是：在上層面積一定時，其壟側(cè)的受熱面積越大，對接受太陽輻射越有利，從而能夠快速蓄積熱量，將壟側(cè)熱量傳至根區(qū)，從而使溫度上至最大值[20]。栽培壟高度會影響根區(qū)溫度的變化，主要表現(xiàn)為：白天階段，栽培壟越高，根區(qū)溫度越高，在相同壟高處理下，SR處理低于NR處理，其原因可能是在冬春季節(jié)，太陽高度角低，日照時間短，而土壤的比熱容較大，升溫和降溫較慢[21]。夜間階段，NRs處理的根區(qū)溫度最高，其原因可能是由于室內(nèi)空氣溫度低于室內(nèi)土壤溫度，土壤為熱源向外放熱，此時栽培壟越高，放熱面積也越大[20]。而SE處理由于全嵌入地面的栽培方式阻滯了較多的太陽輻射熱量向根區(qū)的傳遞[22]，其蓄積的熱量并不是最大的，導致夜間根區(qū)溫度并不能明顯提高。

試驗結(jié)果表明，各處理根區(qū)東、西兩側(cè)土壤最高溫度的平均值與根區(qū)最高溫度的平均值的差值以NRs處理最大；各處理根區(qū)西側(cè)土壤最低溫度的平均值與根區(qū)最低溫度的平均值的差值以NRs處理最大，東側(cè)差值以NR處理最大，NRs處理次之。NR和NRs處理緩沖性能較好的原因可能是在白天溫度較高時，由于土壟兩側(cè)土壤的緩沖能力，使熱量多集中在壟側(cè)土壤，根區(qū)溫度未隨氣溫上升而發(fā)生劇烈變化；在夜間溫度較低時，壟側(cè)土壤的熱量向根區(qū)傳遞，阻滯了根區(qū)的熱量散失，從而保持了較高的根區(qū)溫度。根區(qū)熱通量變化規(guī)律是反映根區(qū)熱量傳遞的衡量指標，SR處理的峰值和谷值均較高，熱量傳遞最為劇烈，而NR和NRs處理的峰值和谷值均較低，變化較為平緩，說明由表層向下或下層向上傳遞熱量時較為穩(wěn)定。

不同栽培壟高度下甜椒株高、莖粗、生物量等具有顯著差異，而SPAD值則無顯著差異，可能原因是由于前期NR處理根區(qū)基質(zhì)多且厚，水肥供應多存留在基質(zhì)底層，而甜椒植株根系小不能吸收利用底部的養(yǎng)分，但隨著根系生長以及水肥用量增大，適宜的根區(qū)溫度滿足甜椒植株快速生長。就甜椒產(chǎn)量而言，標準壟處理NR與矮標準壟處理NRs雖無顯著差異，但是NRs處理的根區(qū)基質(zhì)體積小于NR處理，能夠節(jié)約基質(zhì)，降低生產(chǎn)成本。

3.2 結(jié)論

在4種栽培處理中，將原15cm高的土壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培降低到10cm后即本文矮標準壟處理（NRs），可有效提升夜間甜椒根區(qū)的溫度，而且根區(qū)溫度的日變化波動較小，其壟側(cè)土壤具有良好的溫度緩沖能力。雖然NRs處理與NR處理在提高甜椒產(chǎn)量上無顯著差異，但其能夠節(jié)省基質(zhì)，降低生產(chǎn)成本。因此，NRs處理在日光溫室的設施蔬菜生產(chǎn)中具有更好的應用前景。

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Effects of Ridge Height on Root Zone Temperature and Yield of Soil-Ridged Substrate- Embedded Cultivation Sweet Pepper in Chinese Solar Greenhouse

LI Bao-shi, LIU Wen-ke, LI Zong-geng, ZHANG Yu-bin, ZHA Ling-yan, ZHOU Cheng-bo, SHAO Ming-jie

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agricultural, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

In order to optimize the ridge height of soil-ridged substrate-embedded cultivation (SSC), sweet pepper was cultivated by SSC in solar greenhouse. Four different cultivation treatments including soil ridge (SR), normal ridge (NR), short normal ridge (NRs), and soil embedded (SE) were designed, thus to study the effects of ridge height on temperature and thermal characteristic of root zone, buffer capacity of ridge soil, and yield of sweet pepper. The results showed that the higher the ridge height, the higher the temperature during the daytime. The daytime average temperature of NR was 1.07 ℃ higher than that of the SR treatment which had same ridge height. During the nighttime low temperature period, the NRs root zone temperature was the highest, which was 1.77 ℃ higher than SR treatment. The average root zone temperature of each treatment was 17.03?18.55℃ during 5 days from Dec. 27?31, 2018. The ridge height had significant effects on the plant height and stem diameter of sweet pepper. The higher the ridge height, the greater biomass of sweet pepper plants, the fresh and dry weight of shoot and root of NR was greatest. While the yield of sweet pepper was highest under NRs. Compared with SR, NR and NRs increased sweet peppers yield by 43.0% and 50.9%, respectively. In a word, under the same water and fertilizer conditions, the ridge height increased the root zone temperature in the range of 1.52 ℃. NRs treatment could increase nighttime root zone temperature. Although relative higher ridge (NR) was conducive to increase the biomass of sweet pepper, the yield could be promoted by reducing ridge height appropriately. Therefore, the SSC with a ridge height of 10 cm could improve production performance of SSC by elevating root zone temperature in night, which is more suitable for sweet pepper production in solar greenhouse.

Chinese solar greenhouse; Ridge height; Root zone temperature; Soil-ridged substrate-embedded cultivation

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.01.002

李寶石,劉文科,李宗耕,等.起壟高度對日光溫室土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培甜椒根區(qū)溫熱及產(chǎn)量的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2020,41,(1):16-23

2019?05?24

劉文科，E-mail：liuwenke@caas.cn

寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)計劃項目（2017BY085）；“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目課題（2016YFD0801001）

李寶石，E-mail：lbs1206119@163.com