甜櫻桃需冷量的自動監(jiān)測及在設施栽培中的應用

張道輝　趙紅軍　高賀春　譚鉞　王甲威　陳新　魏海蓉　劉慶忠

摘要：甜櫻桃設施栽培的經濟效益遠高于露地栽培，但若對需冷量掌控不準，容易造成萌芽不齊、花器官畸形或敗育、坐果不良和成熟期推遲等問題。為此，本課題組研制了一種甜櫻桃設施栽培需冷量自動檢測、選擇、記錄顯示系統(tǒng)，包括現(xiàn)場溫度檢測、有效低溫選擇、控制信號轉換與輸出、需冷量積累顯示等裝置，連續(xù)3年用于甜櫻桃設施栽培試驗，取得良好效果。由于應用該系統(tǒng)精確監(jiān)測了需冷量，使設施栽培扣棚控溫時機的掌控更科學合理，成功避免了萌芽不齊、坐果不良和延遲成熟等問題，在此基礎上，與溫、濕度自動監(jiān)測和聯(lián)控報警等現(xiàn)代測控技術配合運行，高精度調控大棚內栽培環(huán)境，使果實大小均勻，產量、質量及采收期均達到預期效果。

關鍵詞：需冷量；甜櫻桃；設施栽培；自動監(jiān)測；優(yōu)質高產

中圖分類號：S662.5-33

文獻標識號：A

文章編號：1001-4942（2015）10-0119-06

甜櫻桃需冷量（或稱需冷積溫）是甜櫻桃樹體對生理休眠有效低溫量的要求，以栽培環(huán)境中有效低溫持續(xù)的時數為計量單位，只有滿足了需冷量，甜櫻桃才能完成自然休眠，進行正常的生長發(fā)育。因此，需冷量也是設施栽培時確定扣棚控溫時機的關鍵依據。對甜櫻桃設施栽培需冷量的測定，國內一直沿用傳統(tǒng)的估算方法，即由人工根據“猶他模型”和0～7.2℃選擇模式，監(jiān)測不同甜櫻桃品種所需的有效低溫，并隨時記錄有效低溫存在的時間，以此為基礎估算出對應品種的需冷量。由于有效低溫出現(xiàn)時間不規(guī)律，而且經常出現(xiàn)在夜間和陰冷天氣，完全靠人工現(xiàn)場檢測并記錄，操作難度非常大，特別是對夜間短暫出現(xiàn)的有效低溫，很難準確記錄其存在時間，因此，估算出的需冷量存在顯著誤差，造成以需冷量為主要依據的扣棚控溫時機掌控不準。如果扣棚控溫時間提前，樹體會因需冷量不足導致發(fā)育障礙，出現(xiàn)萌發(fā)不齊，花器官畸形或敗育，坐果不良，果實產量下降或絕產。如果扣棚控溫時間滯后，又會導致成熟期延遲，影響經濟效益。為此，在進行了針對性研究后，本課題組研制了一種甜櫻桃設施栽培需冷量自動檢測、選擇、記錄顯示系統(tǒng)，通過連續(xù)3年的甜櫻桃保護地栽培應用試驗，并結合溫、濕度自動檢測和聯(lián)控報警等現(xiàn)代測控技術，高精度調控大棚內栽培環(huán)境，使甜櫻桃扣棚控溫時間控制、產量、質量及采收期控制均達到預期效果。

1系統(tǒng)組成與工作原理

該系統(tǒng)組成與工作原理如圖1所示，包括現(xiàn)場溫度檢測、信號轉換、線性化處理、信號放大、數字顯示、比較器、功率放大器、有效低溫選擇設定值信號發(fā)生器、控制信號轉換與輸出、電網電源、電源輸出控制、手動顯示控制、需冷量記錄顯示器13個單元電路。溫度檢測單元將設施栽培現(xiàn)場的環(huán)境溫度信號，通過傳感器、信號傳輸電纜等輸送到信號轉換單元，由信號轉換單元轉換成電信號輸送到線性化處理單元，經線性化處理后輸送給信號放大單元，經放大處理后分成兩路，一路輸入到數字顯示單元，推動該單元顯示栽培現(xiàn)場的溫度值，另一路進入比較器單元，與設定值信號進行比較，經比較處理后輸出控制信號進入功率放大器單元，經功率放大后進人控制信號轉換與輸出單元，該單元將其轉換成可控制電源輸出的控制信號，并輸送到電源輸出控制單元，電源輸出控制單元根據與栽培現(xiàn)場溫度具有線性關系的輸入信號，停止或輸送電網電源，當停止電網電源時表明栽培現(xiàn)場無有效低溫存在，需冷量記錄顯示單元不積累也不顯示記錄的需冷量，當輸送電網電源時表明栽培現(xiàn)場有效低溫存在，需冷量記錄顯示單元動態(tài)顯示積累的需冷量。

現(xiàn)場溫度檢測單元中的溫度傳感器，選用AD590M半導體集成溫度傳感器，具有靈敏度高、反應快、帶線傳輸距離遠的特點，最適宜在大櫻桃設施栽培中應用。比較器單元由UTC358型雙運算放大器、工作點定位電阻、防噪聲電容等組成，可以實現(xiàn)用選擇好的設定值信號與能代表栽培現(xiàn)場溫度的電信號進行比較，并根據需要放大兩種信號差的大小和方向，從而通過設定值選擇出適宜的有效低溫記錄范圍。有效低溫選擇設定值信號發(fā)生器單元，主要由工作點定位電阻、設定值信號調節(jié)電位器等組成，工作點定位電阻選用溫度系數為±0.0005%/℃的RX710-A型精密線繞電阻，設定值信號調節(jié)電位器選用溫度系數為±0.002%/℃的HP-16型精密線繞電位器。手動顯示控制單元，由AS1601-DR型按鈕開關、防抖動電容等組成，其功能是當栽培現(xiàn)場無有效低溫時，通過手動按鈕隨時觀看已積累的需冷量。

需冷量記錄顯示器單元，可顯示記錄1秒到9999小時以內的需冷量，其構成與工作原理如圖2所示，由觸發(fā)器A、60進制秒計數器1、觸發(fā)器B、60進制分計數器2、觸發(fā)器C、100進制時計數器3、觸發(fā)器D、1000進制時計數器4及8位LED顯示共9個單元電路組成。觸發(fā)器A選用74AC11074型具有可預設和復位功能的集成電路觸發(fā)器，每次得電都可自動輸出觸發(fā)信號。觸發(fā)器B、C、D均選用CD54AC74型具有復位功能的集成電路觸發(fā)器。計數器1、2、3、4均由同步10進制集成計數器74LS160級聯(lián)構成。8位LED顯示單元由74HC595型移位寄存器、FJ5461BH型七段數碼管等組成，可動態(tài)顯示1秒到9999小時內的任何需冷量值。

2應用試驗

2.1試材與方法

該試驗在山東省泰安市夏張鎮(zhèn)進行，以9年生紅燈、美早（Tieton）、薩米特（Summit）為主栽品種，授粉樹分別選用紅蜜、雷尼（Rainier）、拉賓斯（Lapins）和先鋒（Van）四個品種，主栽品種與授粉樹比例為3：1。所栽品種全部用考特（Cob）作砧木。棚體為二聯(lián)棟大棚，總面積4000m²。2011年3月下旬進棚定植，2012年大量疏花疏果，每棵樹產量控制在2kg以下，以利于培養(yǎng)樹體；2013年開始每年花期在棚內放養(yǎng)蜜蜂提高授粉效果，每666.7m²大約放養(yǎng)蜜蜂1.3萬只。栽培株行距為3m×4m。每年秋末開始監(jiān)測0～7.2℃氣溫存續(xù)時間（需冷量），當需冷量大于1200h即扣棚控溫。endprint

表1是需冷量滿足后棚內甜櫻桃不同生育期環(huán)境因子調控指標及檢測數據，表達了棚內甜櫻桃定植后不同時期環(huán)境因子調控指標和連續(xù)3年的平均檢測值與波動幅度，每年扣棚后栽培環(huán)境因子的調控指標均按表1所示設定。棚內溫、光、濕三種環(huán)境因子的檢測和記錄，由安裝在值班室的“甜櫻桃栽培大棚環(huán)境因子測控儀”自動完成，手動設定3種環(huán)境因子的上、下限值，當超出設定范圍時，儀器會發(fā)出聲光報警，此時人工根據檢測值，通過卷簾機、加熱爐和換氣調節(jié)口等裝置，把3種環(huán)境因子調控在要求范圍內。

圖3是大棚內甜櫻桃不同生育期代表性日氣溫曲線，顯示了當日0時到次日6時的時間與溫度對應關系，代表了從扣棚控溫到果實采收期間栽培環(huán)境的實際氣溫。可以看出，各個時期每天的氣溫變化規(guī)律性很強，最低氣溫出現(xiàn)在當日的0～9時之間，這段時間氣溫最穩(wěn)定，波動幅度在3.5℃以內；最高氣溫出現(xiàn)在當日的14時前后；萌芽期和開花期氣溫較低，在6～20℃間波動，進入幼果期后，氣溫上升，同時波動幅度增大，在10～27℃之間波動。

2.2棚內主要環(huán)境因子調控方法

2.2.1確定扣棚控溫時間 確定扣棚控溫時間的關鍵依據是樹體完成自然休眠，而只有滿足了需冷量才能完成自然休眠，進行正常的生長發(fā)育。因此，本研究在扣棚控溫前，首先進行需冷量檢測，并將積累顯示的需冷量值作為扣棚控溫時機的主要依據。在滿足樹體需冷量后立即扣棚控溫，而且扣棚控溫時間越早，采收期就越提前，效益就越好。目前國內甜櫻桃主栽品種的需冷量都在500～1200h，對有效低溫普遍采用的是0～7.2℃選擇模式，一旦品種確定，對其需冷量的準確控制，就成為果實提早成熟并取得高效益的關鍵。本研究也是以0～7.2℃范圍內的溫度為有效低溫，由自行研制的甜櫻桃設施栽培需冷量自動檢測、選擇、記錄顯示系統(tǒng)對其進行自動監(jiān)測，由該系統(tǒng)的8位7段數碼管動態(tài)顯示1秒到9999小時內的積累需冷量值，即使短暫出現(xiàn)的有效低溫，也會被累計存儲并準確顯示。

2.2.2棚內氣溫及地溫調控方法 棚內的氣溫調控主要由人工操控的電動卷簾機、透光塑料薄膜的頂部和底部換氣調節(jié)口、保溫棉被和草簾、地炕式加熱爐等裝置完成。棚內氣溫檢測和報警由設置在棚外值班室的甜櫻桃栽培大棚環(huán)境因子測控儀自動完成。該儀器的測溫探頭采用具有防水外殼的PT-100型熱敏電阻，并被置于棚內具有代表性的位置。白天，當外界有陽光且棚溫需提高時，電動卷簾機把保溫棉被和草簾全部卷起，同時將頂部和底部換氣調節(jié)口縮小或封閉，讓陽光盡可能多的通過塑料薄膜進入大棚；當遇到連續(xù)雨雪、陰冷或特別低溫天氣時，棚溫會持續(xù)下降，此時為提高或保持棚溫，要將棚體全面覆蓋保溫棉被和草簾，封閉換氣調節(jié)口，同時點燃地炕式加熱爐，并開啟排煙軸流風機。同理，當需降低棚內氣溫時，則要減少保溫棉被和草簾覆蓋面積，通過打開或調大頂部換氣調節(jié)口，交換棚內外的空氣降溫；如需快速降溫時，再打開或調大底部換氣調節(jié)口，通過增加棚內外空氣的交換速度，使棚內溫度快速下降。當需要保溫或夜間調節(jié)棚溫時，也是通過調控上述裝置完成。根據國內甜櫻桃栽培區(qū)的氣候條件，經過太陽能和加熱爐雙熱源升溫，可在整個冬季把棚溫控制在5～27℃以內。

棚內淺層地溫由氣溫和滴灌水溫及水量控制，在設施栽培條件下，地溫波動幅度遠遠小于氣溫，特別是為防止生草普遍地面覆蓋黑色塑料薄膜的情況下，地溫更加穩(wěn)定。需增加地溫時，除增加或保持棚溫外，還要減少滴灌時間，使淺層土透過的水量減小，溫度回升；反之，延長滴灌時間，使地溫下降。如此調控，可在整個冬季把棚內地溫動態(tài)控制在要求的7～17℃以內。

2.2.3棚內濕度和光照度調控方法 棚內濕度檢測由設置在棚外值班室的甜櫻桃栽培大棚環(huán)境因子測控儀自動完成。該儀器濕度探頭采用霍尼威爾型濕度傳感器，并被置于棚內具有濕度代表性的位置。棚內濕度靠控制滴灌水和在黑色地膜上噴水維持，需根據地溫和空氣相對濕度的相互影響規(guī)律共同調控。需增加濕度時，延長滴灌時間或多往黑色地膜上噴水；需降低濕度時，則縮短滴灌時間，少噴或不向黑色地膜上噴水。這樣，可在整個冬季把棚內濕度控制在要求的40%～85%以內。

棚內的光照度檢測同樣由設置在棚外值班室的甜櫻桃栽培大棚環(huán)境因子測控儀自動完成。測光照的探頭采用光電池照度傳感器，并被置于棚內具有光照度代表性的位置。由人工根據光照監(jiān)測值調節(jié)保溫棉被遮蓋面積的大小。操作時需結合當時光溫相互影響規(guī)律，與溫度共同調控。需增加光照時，減小遮蓋面積，反之增加遮蓋面積。由表1可看出，棚內栽培的甜櫻桃，不同生育期所需控制的光照度有明顯差別，以著色期光照度最強，波動幅度最大，這有利于果實著色及可溶性固形物的快速積累。

3結果與分析

從2011年3月到2014年5月，連續(xù)應用甜櫻桃設施栽培需冷量自動檢測、選擇、記錄顯示系統(tǒng)進行設施栽培試驗，2012年12月23日扣棚控溫，2013年4月5日開始采收，2013年12月26日扣棚控溫，2014年4月8日開始采收。連續(xù)兩年采用相同的管理辦法和調控指標，取得基本一致的試驗結果，各品種甜櫻桃均以果實大小均勻、色澤鮮亮、無裂痕、無缺陷、不畸形為優(yōu)質果。連續(xù)兩年的產量和質量統(tǒng)計結果見表2。兩年的扣棚控溫時間、采收時間、采收期不完全相同，是由當時的氣侯和市場價格所致；平均單果重的差別與每年的疏花疏果量有關；兩年的優(yōu)質果率和平均產量沒按品種分別統(tǒng)計，因為不同品種間采收期和產量都存在差別，由于栽種在一起共同管理，相互之間有些影響，所以把不同品種的產量和質量共同統(tǒng)計。2014年的優(yōu)質果率和產量均略高于2013年，這可能與管理和操作經驗有關。

4結論

綜上，通過2011年3月到2014年5月的甜櫻桃設施栽培試驗結果得出以下結論：

①應用甜櫻桃設施栽培需冷量自動檢測、選擇、記錄顯示系統(tǒng)自動監(jiān)測需冷量，測量精度高，操作簡單，勞動強度低，可明顯降低栽培成本。

②高精度監(jiān)測甜櫻桃需冷量，使確定設施栽培的扣棚控溫時機有了準確依據，從而控制樹體在完成生理休眠的前題下盡早萌芽，果實提前成熟，提高了經濟效益，避免出現(xiàn)萌芽不齊、果發(fā)育不良或果實成熟期推遲現(xiàn)象。

③在高精度監(jiān)測甜櫻桃需冷量的前題下，與現(xiàn)代環(huán)境測控技術結合，對棚內栽培環(huán)境的溫、光、濕三種因子進行半自動高精度調控，可使甜櫻桃果實產量、質量及成熟期得到有效控制。endprint