大跨度外保溫型塑料大棚內(nèi)番茄栽培溫度適宜度評價和游程分析

董曉星，余路明，牛旭旭，張增光，李勝利

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學 園藝學院，河南 鄭州 450002；2. 渦陽縣農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊，安徽 渦陽 233600）

大跨度外保溫型塑料大棚（WSTP）是一種將日光溫室和塑料大棚兩者相結(jié)合的新型園藝設(shè)施，具有溫度緩沖能力強、土地利用率高、裝配化程度高的特點，適合機械化作業(yè)[1-2]。河南農(nóng)業(yè)大學工廠化育苗研究團隊已對其小氣候特點進行了監(jiān)測和分析[3]，大棚可進行一年兩茬生產(chǎn)（早春茬和秋冬茬）或一年一大茬（越冬茬）生產(chǎn)。但上述茬口主要經(jīng)驗性依靠該大棚內(nèi)日平均溫度和氣候?qū)W的季節(jié)劃分進行安排，生產(chǎn)過程中的環(huán)境調(diào)控主要依靠環(huán)境溫度和作物三基點溫度進行人為判斷比較，無法進行環(huán)境對作物影響的定量分析。

氣候適宜度是利用模糊數(shù)學的方法，對農(nóng)作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成與氣候要素之間關(guān)系進行的一種定量、動態(tài)的研究[4]。最初主要應(yīng)用于描述氣候?qū)π←湣⒂衩?、水稻等大田作物生長的適宜程度上[5-8]，后逐漸應(yīng)用于產(chǎn)量預報、氣候風險、發(fā)育期預報和作物年景評估等多個方面[9-12]。近年來，氣候適宜度定量評價方法也逐漸被應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)中，對設(shè)施內(nèi)的小氣候進行評價。張明潔等[13]以冬季總輻射、年極端最低氣溫、冬季平均氣溫、日光溫室生產(chǎn)季陰天日數(shù)、生產(chǎn)季月最大風速平均值、年最大積雪深度平均值6 個因子作為氣候適宜性區(qū)劃指標，建立了綜合氣候適宜性區(qū)劃指標模型，得到了北方地區(qū)日光溫室的適宜性區(qū)劃圖。魏瑞江等[14]建立了日光溫室內(nèi)氣溫、空氣相對濕度、太陽輻射及其綜合小氣候?qū)S瓜的適宜度模型，并通過產(chǎn)量和適宜度的關(guān)系對該模型有效性進行了驗證，發(fā)現(xiàn)黃瓜產(chǎn)量隨綜合小氣候適宜度的增加而增加，兩者顯著相關(guān)。李勝利等[15]利用溫度適宜度模型定量評價了夏季高山和平原塑料大棚內(nèi)不同溫度環(huán)境對番茄幼苗生長的影響，進行了溫度適宜度與番茄幼苗形態(tài)指標之間的相關(guān)性分析，溫度適宜度與幼苗干物質(zhì)積累量和壯苗指數(shù)相關(guān)性均達極顯著水平。利用氣候適宜度模型對設(shè)施小氣候環(huán)境評價的可靠性得到驗證。本研究利用團隊前期已獲得的WSTP大棚內(nèi)的小氣候數(shù)據(jù)，通過溫度適宜度模型，對該大棚內(nèi)3個茬口的番茄栽培溫度適宜度分別進行了評價，并對其中的不適宜時段進行了游程分析，篩選出了大棚內(nèi)部作物溫度環(huán)境的限制因子，并提出了相應(yīng)的環(huán)境調(diào)控措施，以期為科學利用WSTP 大棚進行生產(chǎn)栽培和有效環(huán)境調(diào)控提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地點與材料

溫度數(shù)據(jù)資料來自河南省平輿縣鑫芳農(nóng)業(yè)有限公司農(nóng)業(yè)園區(qū)的WSTP 大棚內(nèi)（32.95°N，114.50°E）。觀測時間從2018 年8 月3 日至2019 年8 月1 日。大棚長度100 m，跨度20 m，高度5.6 m，透明覆蓋材料為乙烯-醋酸乙烯（EVA）長壽無滴膜，保溫被采用黑色復合輕質(zhì)毛氈保溫被。WSTP 大棚結(jié)構(gòu)如圖1所示。棚內(nèi)種植番茄，品種為羅拉，常規(guī)管理。

圖1 WSTP大棚3D結(jié)構(gòu)Fig.1 3D structure of WSTP plastic greenhouse

1.2 數(shù)據(jù)收集

大棚內(nèi)部環(huán)境測試時間為2018 年8 月至2019年6 月，番茄栽培茬口安排見表1。內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測指標包括氣溫和地溫，測試方法參見文獻[3]。

表1 WSTP大棚內(nèi)番茄各茬口栽培日期 年-月-日Tab.1 Schedule of each tomato stubble in WSTP greenhouse Year-month-day

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 適宜度分析 為了定量評價WSTP大棚內(nèi)不同茬口番茄栽培的溫度適宜程度，參照前人研究方法[16-18]，通過式（1）建立棚內(nèi)的溫度適宜度模型。

其中，F(xiàn)t為WSTP 大棚內(nèi)某一時刻作物的溫度適宜度，是溫度t的分段函數(shù)，在0 到1 之間變化。tl、t0、t2、th分別表示所研究作物生長的最低溫度、適宜溫度下限、適宜溫度上限、最高溫度。為方便對適宜度分析，按周利杰[16]的方法將適宜度Ft進行分割，以0.3 和0.7 為節(jié)點，[0，0.3）為不適宜，[0.3，0.7）為次適宜，[0.7，1.0]為適宜。

以番茄為研究對象，根據(jù)前人的研究成果，番茄各生育時期內(nèi)的最低、最高和適宜上下限溫度區(qū)間如表2所示。按照番茄不同生育時期對環(huán)境溫度的要求，分別計算WSTP大棚內(nèi)氣溫和地溫的適宜度。

表2 番茄各生育時期所需的最高、最低、最適溫度Tab.2 The highest，the lowest and the suitable temperature for each growth stage of tomato ℃

1.3.2 游程分析 根據(jù)游程分析理論[17-18]，對溫度不適宜區(qū)段，分別計算游程歷時Lˉ、游程烈度Dˉ和游程強度Hˉ，對不適宜時長和程度進行進一步的定量分析。游程分析方法如下：對給定溫度序列Ati（i=0，1，2，…，n），將植株生長適宜度Ft＜0.3 時對應(yīng)的上限和下限溫度作為給定水平T01和T02截取上述序列。給定溫度序列大于T01部分，記為正游程，對應(yīng)的時間段即為高溫歷時時長；給定溫度序列大于T02部分，記為負游程，對應(yīng)的時間段即為低溫歷時時長。兩者均可記為游程歷時Lˉ。正游程序列樣本和負游程序列樣本分別與給定水平T0i的差值之和，記為游程烈度Dˉ，游程烈度/游程歷時為游程強度Hˉ。根據(jù)適宜度的計算公式，以0.3 為臨界值，計算出給定截取溫度（表3）。

表3 番茄各生育時期的給定截取溫度Tab.3 Given interception temperature of tomato at each growth stage ℃

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理分析和作圖。冬季白天是指8：30 至16：30，夜間是指16：30 至次日8：30；夏季白天是指7：00 至19：00，夜間是指19：00至次日7：00[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 WSTP大棚內(nèi)不同茬口番茄栽培的溫度適宜度分析

2.1.1 秋冬茬 圖2 和表4 顯示了WSTP 大棚內(nèi)秋冬茬番茄栽培白天氣溫、夜間氣溫、白天地溫和夜間地溫適宜度的變化規(guī)律?？梢钥闯觯锒缯麄€栽培期138 d 中，棚內(nèi)白天氣溫平均適宜度為0.69，適宜的天數(shù)共85 d，占比61.6%，次適宜的天數(shù)共33 d，占比23.9%，不適宜的天數(shù)共20 d，占比14.5%，其中苗期出現(xiàn)4 d，結(jié)果期16 d；夜間氣溫平均適宜度為0.58，適宜的天數(shù)共73 d，占比52.9%，次適宜的天數(shù)共25 d，占比18.1%，不適宜天數(shù)40 d，占比29.0%，其中苗期出現(xiàn)4 d，結(jié)果期36 d；白天地溫的平均適宜度為0.73，適宜的天數(shù)共87 d，占比63.0%，次適宜的天數(shù)共35 d，占比25.4%，不適宜天數(shù)16 d，占比11.6%，其中苗期出現(xiàn)10 d，結(jié)果期6 d；夜間地溫的平均適宜度為0.77，適宜的天數(shù)共95 d，占比68.8%，次適宜的天數(shù)共30 d，占比21.7%，不適宜天數(shù)13 d，占比9.5%，其中苗期出現(xiàn)7 d，結(jié)果期6 d。棚內(nèi)不適宜溫度環(huán)境主要出現(xiàn)在8月31 日至9 月9 日、12 月5 日至次年1 月15 日，集中在苗期前期和結(jié)果后期。此段時間棚內(nèi)夜間氣溫出現(xiàn)不適宜情況的天數(shù)最多，是主要的不利環(huán)境因子，不適宜情況出現(xiàn)比例達87.5%，白天氣溫的不適宜度次之，不適宜情況占比35.0%，地溫的適宜度較高，不適宜出現(xiàn)率為17.5%。

表4 秋冬茬番茄栽培各溫度適宜度等級出現(xiàn)的天數(shù)Tab.4 Days of each temperature suitability grade for tomato cultivation during autumn-winter stubble d

圖2 WSTP大棚內(nèi)秋冬茬番茄栽培溫度的適宜度分析Fig.2 Temperature suitability for tomato cultivation during autumn-winter stubble in WSTP greenhouse

2.1.2 早春茬 圖3 和表5 顯示了WSTP 大棚內(nèi)早春茬番茄栽培白天氣溫、夜間氣溫、白天地溫和夜間地溫適宜度的變化規(guī)律和各等級天數(shù)統(tǒng)計。可以看出，早春茬栽培期共125 d，白天氣溫、白天地溫和夜間地溫均無不適宜情況出現(xiàn)。白天氣溫平均適宜度為0.82，其中適宜天數(shù)99 d，占比79.2%，次適宜天數(shù)26 d，占比20.8%；夜間氣溫平均適宜度為0.80，其中適宜天數(shù)90 d，適宜情況比例占比72.8%，次適宜天數(shù)33 d，占比26.4%，僅2 d 出現(xiàn)不適宜情況；白天地溫和夜間地溫平均適宜度為0.93和0.95，其中適宜情況分別占比95.2%和96.0%，僅在苗期分別出現(xiàn)6 d 和5 d 的次適宜情況。可以看出，早春茬棚內(nèi)溫度環(huán)境整體適宜度高。

表5 早春茬番茄栽培各溫度適宜度等級出現(xiàn)的天數(shù)Tab.5 Days of each temperature suitability grade for tomato cultivation during winter-spring stubble d

圖3 WSTP大棚內(nèi)早春茬番茄栽培的溫度適宜度分析Fig.3 Temperature suitability for tomato cultivation during winter-spring stubble in WSTP greenhouse

2.1.3 越冬茬 圖4 和表6 顯示了WSTP 大棚內(nèi)越冬茬番茄栽培白天氣溫、夜間氣溫和地溫適宜度的變化規(guī)律和各等級天數(shù)統(tǒng)計?？梢钥闯?，越冬茬整個栽培期共237 d，棚內(nèi)白天氣溫平均適宜度為0.66，適宜的天數(shù)共137 d，占比57.8%，次適宜的天數(shù)共54 d，占比22.8%，不適宜的天數(shù)共46 d，占比19.4%，其中開花期出現(xiàn)16 d，結(jié)果期30 d；夜間氣溫平均適宜度為0.60，適宜的天數(shù)共126 d，占比53.2%，次適宜的天數(shù)共42 d，占比17.7%，不適宜天數(shù)69 d，占比29.1%，其中開花期出現(xiàn)25 d，結(jié)果期44 d；白天地溫的平均適宜度為0.79，適宜的天數(shù)共165 d，占比69.6%，次適宜的天數(shù)共57 d，占比24.1%，不適宜情況全部在結(jié)果期，共計15 d，占比6.3%；夜間地溫的平均適宜度為0.79，適宜的天數(shù)共163 d，占比68.8%，次適宜的天數(shù)共59 d，占比24.9%，不適宜天數(shù)15 d，占比6.3%，同樣全部出現(xiàn)在結(jié)果期。

表6 越冬茬番茄栽培各溫度適宜度等級出現(xiàn)的天數(shù)Tab.6 Days of each temperature suitability grade for tomato cultivation during over-winter stubble d

圖4 WSTP大棚內(nèi)越冬茬番茄栽培溫度適宜度變化Fig.4 Temperature suitability for tomato cultivation during over-winter stubble in WSTP greenhouse

棚內(nèi)不適宜溫度環(huán)境主要出現(xiàn)在12 月5 日至次年2 月23 日，此段時間棚內(nèi)白天氣溫和夜間氣溫分別僅有3 d 和1 d 達到適宜的程度，不適宜情況的出現(xiàn)比例分別為56.8%和84.0%，是主要的不利環(huán)境因子。

2.1.4 WSTP 大棚內(nèi)秋冬茬、早春茬和越冬茬溫度平均適宜度 從表7 可以看出，3 個茬口中早春茬適宜度最高，溫度平均適宜度均大于0.8，累計適宜度（白天氣溫+夜間氣溫+白天地溫+夜間地溫）為3.50，整個栽培期僅夜間氣溫出現(xiàn)2 d 不適宜的情況。越冬茬適宜度次之，累計適宜度為2.84，其中夜間氣溫的適宜度僅0.60。秋冬茬最低，平均適宜度在0.58～0.77，累計適宜度為2.77。但越冬茬和秋冬茬累計適宜度差異不大，且越冬茬栽培期長，不適宜的天數(shù)為69 d，較秋冬茬長28 d。

表7 番茄栽培3個茬口各溫度平均適宜度Tab.7 Statistics of average suitability of temperature in three stubbles of tomato

2.2 WSTP大棚內(nèi)番茄栽培溫度不適宜階段的游程分析

2.2.1 秋冬茬 在2.1.1秋冬茬的適宜度分析中，秋冬 茬 中8 月31 日 至9 月9 日、12 月5 日 至 次 年1 月15日棚內(nèi)溫度環(huán)境表現(xiàn)為不適宜，按前述游程分析的方法對該段時間進行了游程分析，定量說明其不適宜程度，如圖5 所示，可以看出，8 月31 日至9 月9日棚內(nèi)溫度環(huán)境的游程烈度均為正值，此段時間棚內(nèi)的環(huán)境限制因子為高溫。棚內(nèi)白天氣溫和地溫游程烈度和歷時均較大，平均游程烈度Dˉ分別為8.22 ℃和10.85 ℃，平均游程歷時分別為5 h 和10 h?？梢钥闯?，棚內(nèi)地溫相較于氣溫更為不利。12 月5 日至次年1 月15 日，棚內(nèi)白天和夜間地溫的各項游程值為0，棚內(nèi)白天和夜間氣溫環(huán)境的游程烈度均為負值，此段時間棚內(nèi)的不利環(huán)境因子主要是棚內(nèi)白天和夜間氣溫過低。棚內(nèi)夜間氣溫的低溫歷時長，游程烈度大，變化幅度大= 12 h，=-15.08 ℃，=-1.18 ℃/h；白天氣溫的低溫歷時和游程烈度次之，= 5 h，Dˉ=-6.69 ℃，=-1.43 ℃/h。

圖5 WSTP大棚內(nèi)秋冬茬番茄栽培溫度不適宜階段的游程分析Fig.5 Run analysis of unsuitable temperature stage during autumn-winter stubble in WSTP greenhouse

2.2.2 越冬茬 同樣將2.1.3 越冬茬中12 月5 日至次年2 月23 日不適宜時期進行了游程分析，如圖6所示，可以看出，棚內(nèi)溫度環(huán)境的游程烈度均為負值，此段時間棚內(nèi)的環(huán)境限制因子為低溫。棚內(nèi)夜間氣溫的低溫歷時最長，游程烈度最大，= 11h，= -30.45 ℃，= -2.48 ℃/h；白天氣溫的低溫歷時和 游 程 烈 度 次 之，變 化 幅 度 大，= 5 h，=-14.08 ℃，= -2.88 ℃/h。白天和夜間地溫的低溫歷時較短，不足1 h，游程烈度較小。12 月5 日至次年1 月9 日，棚內(nèi)白天和夜間地溫的各項游程值為0，地溫適宜作物的生長發(fā)育；白天氣溫的低溫歷時= 4 h，游程烈度= -10.35 ℃；夜間氣溫的低溫歷時= 11h，游程烈度= -27.85 ℃。1 月10 日至2月23日，棚內(nèi)地溫也開始出現(xiàn)低溫問題，但程度較低，低溫歷時Lˉ= 8 h，游程烈度= -6.01℃，地溫低溫歷時分布不均勻，存在階段性的長時間低溫問題；白天氣溫的低溫歷時= 5 h，游程烈度=-17.07 ℃；夜間氣溫的低溫歷時= 12 h，游程烈度= -32.53 ℃。

圖6 WSTP大棚內(nèi)越冬茬番茄栽培溫度不適宜階段的游程分析Fig.6 Run analysis of unsuitable temperature stage during over-winter stubble in WSTP greenhouse

3 結(jié)論與討論

本研究利用測試的溫度數(shù)據(jù)，通過溫度適宜度模型，以番茄為研究對象，按照生產(chǎn)中常用的生產(chǎn)計劃一年兩茬（秋冬茬和早春茬）和一年一大茬（越冬茬），分析評價了WSTP 大棚內(nèi)3 個茬口的番茄栽培溫度適宜度，其中早春茬適宜度最高，越冬茬適宜度次之，秋冬茬最低，但越冬茬和秋冬茬累計適宜度差異不大?？梢钥闯觯绱翰缡荳STP 大棚內(nèi)的優(yōu)勢茬口，這與日光溫室內(nèi)的栽培規(guī)律一致[20]。因此，在河南省WSTP 大棚內(nèi)種植番茄采用一年兩茬安排生產(chǎn)計劃，更有利于栽培生產(chǎn)。在茬口安排時，應(yīng)在保證早春茬優(yōu)勢茬口的基礎(chǔ)上，合理安排其他時期的生產(chǎn)，探索適宜的應(yīng)用茬口，實現(xiàn)高效利用，例如，可安排早春茬番茄+夏秋茬甜瓜+冬茬芹菜進行生產(chǎn)[21-22]。

棚內(nèi)主要的不適宜時期集中在8月31日至9月9 日、12 月5 日至 次年2 月23 日。8 月31 日至9 月9日棚內(nèi)存在短暫的高溫不利環(huán)境。對于低溫時期，一年兩茬的生產(chǎn)計劃在1 月15 日結(jié)束秋冬茬的生產(chǎn)，2 月23 日開始早春茬的生產(chǎn)，避開1 月17 日至2月22 日部分的不利時段，提高栽培茬口的適宜度。在越冬茬中，該時段正是棚內(nèi)的開花期和結(jié)果前期，且主要的不利環(huán)境因子是白天氣溫和夜間氣溫，游程烈度大，低溫歷時長，其中夜間氣溫更為不利，= 11h，= -30.45 ℃，這樣的溫度環(huán)境會造成番茄開花坐果期延后、落花落果和畸形果，嚴重影響番茄的坐果率和產(chǎn)量[23-24]，應(yīng)在加強溫度調(diào)控的情況下，加強保花保果。

在棚內(nèi)溫度環(huán)境中，夜間氣溫是首要的不利環(huán)境因子，其次是白天氣溫、白天地溫和夜間地溫環(huán)境。棚內(nèi)氣溫和地溫均有不適宜的情況，地溫環(huán)境的適宜度始終大于室內(nèi)氣溫，根據(jù)游程分析，棚內(nèi)地溫的游程烈度和歷時均小于氣溫。棚內(nèi)主要的環(huán)境限制因子是氣溫，低溫游程烈度大，歷時長。

為改善棚內(nèi)溫度環(huán)境，可利用WSTP 大棚的結(jié)構(gòu)特點，精細化管理保溫被，針對8 月31 日至9 月9日棚內(nèi)高溫時段，可將保溫被放下覆蓋50%棚面，調(diào)節(jié)棚內(nèi)光照，降低棚內(nèi)溫度，促進定植作物緩苗。12 月5 日至2 月23 日棚內(nèi)主要是低溫不利環(huán)境，可早晨將西側(cè)保溫被晚揭開1 h，下午將東側(cè)保溫被早放下1 h，降低棚面的散熱面積，提高棚內(nèi)溫度。若進行加溫可使用空氣加熱器，能夠快速響應(yīng)氣溫環(huán)境變化，尤其針對室內(nèi)氣溫適宜度低的情況可獲得較快的調(diào)控效果。但相關(guān)具體措施的環(huán)境調(diào)控效果仍需要進一步探索。

在河南地區(qū)WSTP 大棚內(nèi)番茄3 個栽培茬口中，早春茬適宜度最高，累計適宜度（白天氣溫+夜間氣溫+白天地溫+夜間地溫）為3.50，越冬茬次之，秋冬茬適宜度最低，但后兩者累計適宜度差異不大。WSTP 大棚內(nèi)種植番茄應(yīng)采用一年兩茬安排生產(chǎn)計劃，更有利于栽培生產(chǎn)。在目前的栽培茬口中，棚內(nèi)主要的不適宜時期集中在8 月31 日至9 月9日和12月5日至次年2月23日。棚內(nèi)夜間氣溫是首要的不利環(huán)境因子，適宜度低，游程烈度大，游程歷時長，其后依次是白天氣溫、白天地溫和夜間地溫。