半封閉溫室夏季降溫及黃瓜光合特性的研究

丁小濤,金海軍?,楊少軍,何立中,余紀柱??,周 強??

(1上海市設施園藝技術重點實驗室,上海市農業科學院設施園藝研究所,上海201403;2上海都市綠色工程有限公司,上海201106)

半封閉溫室是近年來我國從歐洲引進的溫室類型,它是利用空氣處理機組(ATU)對溫室氣候環境進行調節,將溫室作為太陽能收集器,使其成為能量來源的一部分,利用地下淺層地熱資源,通過采用“冬灌夏用”和“夏灌冬用”配對使用的長季節地下含水層儲能技術和緩沖罐短期儲能技術,并利用地源熱泵將低品味能源提升為高品位能源,從而加以利用。這樣的溫室不僅可以在冬季加溫,還可以在夏季降溫[1]。

水果黃瓜是我國從歐洲引進的適宜溫室栽培的鮮食類黃瓜,品質好、產量高,被很多地區作為名特優蔬菜廣泛引種栽培,深受廣大消費者喜愛[2]。黃瓜喜溫卻不耐熱,過高的溫度會明顯抑制黃瓜的生長[3]。夏季溫室栽培水果黃瓜,最主要的栽培障礙是溫室高溫,半封閉溫室使用ATU等降溫設備可以降低溫室的溫度[4],但其降溫效果如何,以及水果黃瓜在此條件下的光合反應如何,尚未見報道。據此,本試驗擬研究在半封閉溫室夏季ATU降溫條件下,溫室不同垂直高度空間溫度的變化情況,以及水果黃瓜葉片光合作用的響應情況,以期為我國設施黃瓜栽培提供更多的理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室和材料

試驗于2017年7月在國家設施農業工程技術研究中心崇明農業示范基地智能溫室中進行,栽培溫室為東西走向,溫室長35 m,寬24 m,南北分為3跨(每跨8.0 m),東西分為7間(每間5.0 m)。溫室天溝和屋頂的高度分別為7.3 m和8.25 m,每跨南北方向各有3個天窗,每個天窗的大小為2.5 m(長)×1.2 m(寬),天窗完全打開的高度為0.9 m。溫室有3層簾幕：外遮陽(9.35 m高,完全展開后40% 遮陽),內遮陽(7.15 m高,完全展開后50%遮陽),內保溫(6.65 m高,完全展開后20% 遮陽);每個溫室有7個空氣處理機組(ATU,每個ATU擁有33 kW冷卻能力和27.4 kW加熱能力,空氣流量為4 500 m3∕h),每個ATU有約30 m塑料通氣管道(即風筒,直徑50 cm,固定在生長架下方),管道上均勻密布很多小孔,用于給溫室加溫、降溫、除濕和空氣循環。栽培生長架安裝在地面0.8 m高的地方,生長架下的地面全部用黑白塑料薄膜覆蓋。在地面15 cm高度處,每個栽培行走道中鋪設了加熱管道(管道直徑51 mm),可以用于溫室加溫和采摘車運行。

所用黃瓜品種為‘戴多星’,由荷蘭RIJKZWAAN公司提供。2017年6月16日用巖棉作基質播種,7月5日黃瓜5—6葉1心時大苗定植于栽培溫室中,定植密度為2.8株∕m2,采用吊掛栽培,以巖棉作為栽培基質。

栽培期間灌溉營養液電導率(EC)設置為2.5 dS∕m,pH為5.5,以光照為主要參考指標來確定灌溉量,保證每天溫室排液量為20%左右。栽培溫室使用Priva電腦控制系統控制遮陽網開啟、地源熱泵和空氣處理機組(ATU)等設備來調控溫室的溫度,ATU可以通過風筒吹出降溫的空氣,從而對溫室進行降溫,ATU降溫時溫室天窗只保留5%開啟。

黃瓜定植后,通過電腦設置地源熱泵冷水井和ATU全天定時運行,一般ATU表冷器流入的冷水溫度為11—15℃,流出的水溫為20—23℃,有近10℃水溫差釋放的冷量投放到溫室中,用于溫室降溫(2017年7月20—30日溫室10 d平均的冷量供應為61 W∕m2)。ATU可以選擇不同比例的外界空氣和溫室內空氣混合后降溫,一般設置為ATU選擇白天20%—80%的室外空氣混合進行循環,這樣白天可以適當補充CO2,并降低能耗。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗處理的設置及溫度的測定

試驗設置5個垂直溫度監測點(監測點位于第一跨和第二跨中間的垂直位置)和室外溫度監測點。

(1)0 m：在ATU風筒出風口附近,即栽培架附近固定第1個溫度記錄儀;

(2)1 m：在ATU風筒出風口附近,即栽培架附近上方1 m處固定第2個溫度記錄儀;

(3)2 m：在ATU風筒出風口附近,即栽培架附近上方2 m處固定第3個溫度記錄儀;

(4)3 m：在ATU風筒出風口附近,即栽培架附近上方3 m處固定第4個溫度記錄儀;

(5)4 m：在ATU風筒出風口附近,即栽培架附近上方4 m處固定第5個溫度記錄儀;

(6)室外：溫室頂部安裝一個氣象站,記錄室外溫度。

將所有溫度記錄儀傳感器固定在溫室不同高度,所用溫度記錄儀為DL-W111型,由杭州盡享科技有限公司生產,于2017年7月20日12：00—30日12：00持續監測溫室不同垂直高度空氣溫度,設置每10 min記錄一次數據。溫室Priva電腦控制系統可以定時記錄室外溫度和溫室環境參數等數據。

7月23日,當黃瓜植株長至約2.8 m高時,早上6：00—9：00對第一跨和第二跨黃瓜進行落蔓,落蔓1 m左右,留下第三跨黃瓜不落蔓,上午9：30—11：30分別對落蔓和不落蔓的黃瓜進行光合作用的測量。

落蔓處理：黃瓜植株頂部在生長架上方約1.8 m處;不落蔓處理：黃瓜植株頂部在生長架上方約2.8 m處。

1.2.2 落蔓和不落蔓黃瓜葉片光合作用的測定

利用LI-6400型光合儀(LI-COR Inc.,美國)分別對落蔓和不落蔓黃瓜上部新展開最大功能葉的氣體交換參數凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)進行測量,測量的光照強度為1 000 μmol∕(m2·s);溫度、濕度、CO2濃度依賴于溫室的自然條件。每個處理重復測量5次。

進行 CO2響應曲線測量時,CO2濃度水平設置為 0 μmol∕mol、50 μmol∕mol、100 μmol∕mol、200 μmol∕mol、300 μmol∕mol、400 μmol∕mol、600 μmol∕mol、800 μmol∕mol、1 200 μmol∕mol、1 600 μmol∕mol、2 000 μmol∕mol,測量光強設置1 000 μmol∕(m2·s),CO2響應曲線測量時每個處理重復3次。根據CO2響應曲線,參考Harley等[5]和Manter等[6]的方法,通過非線性回歸技術,計算出Rubisco最大羧化速率(Vcmax)和RuBP最大再生速率(Jmax)。

1.2.3 黃瓜產量記錄

黃瓜采收期從7月19日開始,至9月7日結束,共51 d。采收早中期每天采收,中后期根據生長情況,一般1—2 d采收一次,每次采收時,分小區記錄黃瓜產量,最后計算平均產量。

1.3 數據分析

使用SAS 9.3軟件對各處理進行統計分析,結果以平均值±標準差表示,不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著。使用Origin 7.5軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 溫室內不同垂直高度空間溫度的變化

從圖1和表1可以看出,2017年7月20—30日,室外和溫室不同垂直高度空間溫度呈現波浪形變化,ATU降溫處理后,溫室不同垂直高度空間晚上的溫度均有明顯降低,但白天溫室不同高度空間變化差異較大。溫室溫度變化幅度最大的為溫室ATU出風口4 m高處,10 d內的平均溫度為31.50℃,白天最高溫度為45.80℃,晚上最低溫度為23.70℃,最大溫差達到22.10℃;室外10 d內的平均溫度為31.79℃,白天最高溫度為39.88℃,晚上最低溫度為26.33℃,最大溫差達到13.55℃;溫度變化幅度最小的為溫室ATU出風口附近(0 m),10 d內的平均溫度為24.90℃,白天最高溫度為34.00℃,晚上最低溫度為21.20℃,最大溫差達到12.80℃。溫室ATU出風口4 m較0 m高處的平均溫度、最高溫度、最低溫度和最大溫差分別高6.60℃、11.80℃、2.50℃和9.30℃。

圖1 室外和溫室不同垂直高度空間溫度的變化(7月20—30日)Fig.1 Temperature changes of outside and different vertical heights in greenhouse during 20—30 July

表1 室外和溫室不同垂直高度空間的平均溫度、最高溫度、最低溫度和最大溫差的比較(7月20—30日)Table 1 Comparison of average temperature,maximum temperature,minimum temperature and maximum temperature difference between outside and different vertical heights in greenhouse during 20—30 July ℃

2.2 ATU正常工作和停止工作后溫室內不同垂直高度空間溫度的變化

2017年7月26日下午14：30左右ATU停止工作,一直持續到27日上午9：30左右。ATU停止工作后溫室不同高度空間的溫度均迅速升高(圖2),其中,ATU出風口4 m高處溫度升高最快,在15：00達到最高溫度43.4 ℃;ATU 出風口3 m、2 m、1 m、0 m 分別在15：20、16：00、16：20、16：20 達到各自最高溫度42.7℃、40.2℃、37.2℃、33.6℃,溫室不同高度空間的溫度很快升到最高后又逐步降低,而此時段室外溫度正在逐漸降低。溫室不同高度空間晚上的溫度均和室外差異不大,不同高度空間彼此間的溫差也不明顯,而ATU運行時它們的差異較大(圖2,26日天亮前和27日晚上),且均明顯低于室外的溫度;27日早上ATU重新開始運行后,溫室不同高度空間的溫度又有明顯的降低,尤其是ATU出風口0 m、1 m和2 m高處溫度降低更為明顯。

圖2 ATU正常工作和停止工作后溫室不同垂直高度空間溫度的變化(7月26—27日)Fig.2 Temperature changes of different vertical heights in greenhouse under the normal work and stop work of ATU during 26—27 July

2.3 黃瓜落蔓前后溫室內不同垂直高度空間溫度的變化

從圖3和表2可以看出,黃瓜落蔓前后1 d室外的平均溫度、最高溫度、最低溫度和最大溫差差異不大;黃瓜落蔓前溫室ATU出風口0 m、1 m、2 m高處的溫度明顯低于室外溫度,尤其是ATU出風口0 m、1 m高處更為明顯,ATU出風口3 m高處白天的最高溫度略高于室外,ATU出風口4 m高處白天的最高溫度明顯高于室外;7月23日落蔓后溫室不同高度空間的溫度均有明顯增加,白天ATU出風口3 m、4 m高處的最高溫度明顯高于室外溫度,ATU出風口2 m高處的最高溫度略高于室外溫度,不同垂直高度空間的溫度較落蔓前均有明顯的增加,致使7月23日黃瓜落蔓后溫室不同高度空間的最大溫差均明顯高于7月22日,但其溫室不同高度空間晚上的最低溫度差異不大。隨著落蔓后時間的延長,溫室不同高度的白天溫度有所降低,尤其是ATU出風口2 m高處以下的空間降低更為明顯(圖1,圖3)。

2.4 落蔓和不落蔓處理對黃瓜葉光合作用的影響

從圖4可以看出,落蔓黃瓜葉的凈光合速率(Pn)顯著高于不落蔓植株葉片,而氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)卻顯著低于不落蔓植株葉片,二者胞間二氧化碳濃度(Ci)差異不明顯。

從落蔓和不落蔓處理對黃瓜葉片CO2響應曲線可以看出(圖5),落蔓黃瓜葉片的CO2響應曲線明顯在不落蔓黃瓜葉片的上方,說明落蔓黃瓜葉片有較強的光合能力;同時落蔓黃瓜葉片Rubisco最大羧化效率(Vcmax)和RuBP最大再生速率(Jmax)也顯著高于不落蔓黃瓜葉片(表3)。

圖3 黃瓜落蔓前后溫室不同垂直高度空間的溫度的變化(7月21—24日)Fig.3 Temperature changes of different vertical heights in greenhouse before and after lowering plants during 21—24 July

表2 室外和溫室不同垂直高度空間落蔓前1 d和落蔓后1 d平均溫度、最高溫度、最低溫度和最大溫差的比較(7月22—23日)Table 2 Comparison of average temperature,maximum temperature,minimum temperature and maximum temperature difference between outside and different vertical heights in greenhouse during one day before lowering plants and one day after lowering plants(22—23 July)℃

圖4 落蔓和不落蔓處理對黃瓜葉片氣體交換參數的影響Fig.4 Effects of lowering plants on Pn,Gs,Ci and Trof cucumber leaves

圖5 落蔓和不落蔓處理黃瓜葉片CO2響應曲線的變化Fig.5 Changes of CO2response curve of cucumber leavestreated with lowering plants or not

表3 落蔓和不落蔓處理對黃瓜葉片Rubisco最大羧化效率(Vcmax)、RuBP最大再生速率(Jmax)的影響Table 3 Effects of lowering plants on Rubisco maximum carboxylation efficiency(Vcmax)and RuBP maximum regeneration rate(Jmax)of cucumber leaves

2.5 夏季ATU降溫對黃瓜產量的影響

本試驗采收期從7月19日到9月7日,共采收51 d,平均產量達到61.3 t∕hm2。從圖6可以看出,在夏季最熱的7月中下旬到8月上中旬,黃瓜累積產量增加較快,之后黃瓜產量增加較慢,這可能和夏季栽培黃瓜后期衰老較快有關。

圖6 半封閉溫室夏季黃瓜產量累積變化情況Fig.6 Accumulation and changes of cucumber yield in semi-closed greenhouse in summer

3 結論與討論

溫度是溫室氣候特征最基本的要素之一,溫度極大地影響溫室作物的產量[7]。賀芳芳[8]對普通玻璃溫室中溫濕要素分布特征研究發現,夏季溫室白天通過遮陽網遮陽降溫,并在溫室屋頂噴淋,從地面到冠頂增加1.5—2.0℃,不同時間溫室溫度的垂直分布溫差不同。本試驗表明,ATU出風口0 m、1 m、2 m、3 m和4 m高處溫度差異很明顯,溫室ATU出風口4 m較0 m高處的平均溫度高6.60℃,這可能是因為栽培溫室高度較大,ATU風筒固定在生長架下方,吹出來的冷空氣容易堆積在溫室下方,同時植物蒸騰作用主要集中在溫室中部及靠下的部分,溫室接收太陽輻射后便很容易使溫室形成較大的垂直溫差。

試驗表明,ATU降溫不僅使溫室在白天不同垂直高度空間形成明顯的溫差,晚上也有明顯的溫差。白天溫室不同垂直高度空間形成的溫差主要和ATU吹出的冷空氣堆積、黃瓜植株蒸騰以及太陽輻射等因素有關,而晚上的溫差主要和ATU吹出的冷空氣堆積有關。楊獻光等[9]研究表明,日光溫室內溫度的垂直變化比水平變化劇烈得多,在垂直分布上,距地面垂直距離不同,極差溫度差異非常明顯。半封閉溫室ATU白天降溫對ATU出風口2 m以下的垂直空間效果最好,此高度空間下溫室的溫度明顯低于夏季外界的溫度;ATU晚上降溫,溫室不同垂直高度空間也有一定的差異,其溫度均明顯低于外界溫度,這說明半封閉溫室ATU夏季降溫效果非常明顯。當ATU停止工作后,白天溫室不同垂直高度空間的溫度均迅速增加,晚上的溫度均和室外差異不明顯,ATU重新開始工作后,不同垂直高度空間的溫度又有一個明顯降低的過程,并且晚上其溫度又有明顯差異。

溫室黃瓜落蔓是日常管理中最基本的操作之一,合理落蔓可以使葉片均勻分布,保持合理采光位置,維持最佳葉面積系數,提高光合效率,從而使黃瓜生長勢加強,結瓜期延長,產量提高[10]。徐彥軍等[11]研究表明,黃瓜生長季節保持合理的落蔓次數,每株保持功能葉21片以上,會使黃瓜有更好的生長勢,并且單株結瓜數、單瓜鮮質量和黃瓜產量都高。本研究發現,夏季溫室栽培,落蔓黃瓜的光合作用和光合潛力均顯著高于不落蔓黃瓜,這可能是因為不落蔓黃瓜葉片溫度明顯高于落蔓黃瓜葉片(ATU出風口向上3 m較2 m高處的平均溫度、最高溫度分別高2.0℃和3.3℃;而不落蔓黃瓜和落蔓黃瓜測量葉片的高度大概在ATU出風口以上2.5 m和1.5 m),從而使其Rubisco最大羧化速率和RuBP最大再生速率有所降低,最終導致其葉片的光合能力降低[12];同時不落蔓黃瓜葉片需要增加氣孔導度,提高蒸騰速率,來緩解高溫對植物葉片造成的熱脅迫。

本研究中,黃瓜一次落蔓高度為1 m左右,幅度過大,從而導致落蔓前后溫室不同垂直高度空間溫度變化較大,同時落蔓時一次去除老葉過多,對植物影響較大,所以栽培中最好每次落蔓50 cm左右,以去除3—5片老葉為宜。本研究在夏季最熱的7月中下旬到8月上中旬,黃瓜累積產量增加較快,整個采收期黃瓜產量達到61.3 t∕hm2,在夏季室外最高溫度達到近40℃高溫的條件下,已經是比較高的產量[13],說明半封閉溫室夏季降溫效果是比較好的,栽培黃瓜仍能獲得較高的產量。

綜上所述,半封閉溫室ATU可以很好地降低夏季溫室的溫度,但對溫室不同垂直高度空間的降溫效果差異明顯,ATU對其出風口2 m及以下空間降溫效果更好;黃瓜夏季栽培應及時落蔓,以控制植株高度在生長架上方2 m左右的位置為宜。