日光溫室冬季基質加溫效果及對番茄生長和品質的影響

袁 丁 武占會 季延海 劉明池 王麗萍 佟 靜 梁 浩*

（1北京市農林科學院蔬菜研究中心，北京 100097；2農業農村部華北都市農業重點實驗室，北京 100097；3河北工程大學園林與生態工程學院，河北邯鄲 056038）

日光溫室是我國北方冬季蔬果進行反季節生產的主要設施類型（栗亞飛 等，2013）。在北緯40°以北地區，日光溫室冬季室外偏低的溫度會影響室內空氣溫度，夜間經常出現10 ℃以下的亞低溫（牛貞福 等，2015）。長期夜間亞低溫會導致根系溫度條件不能滿足植株正常生理活動所需的環境，不利于植株的正常生長發育和光合作用，同時過低的溫度不利于基質中微生物的活動，進而阻礙了基質中無機和有機物質的分解（江力，2017），導致作物的干物質質量降低，果實發育速度減慢，平均單株產量降低（王麗娟 等，2006），番茄、草莓等喜溫蔬果作物成活率低（馬丹 等，2007；李炳海 等，2009）。

與傳統溫室空氣加熱相比，對植物根區進行加熱更有利于溫室內植株生長，并且可以大大節約能源（陳祎，2008）。特別是在限根栽培條件下，植株根系能在限定區域內通過控制適宜的根區溫度，使根系得到充分的伸展，對植物生長起到非常重要的作用，有利于植株對養分和水分的吸收以及根系細胞的發育（Schonbeck &Evanylo，1998）。

根區加溫目前常用的方式有碳晶面板加熱盆栽、地下蓄熱系統、太陽能加熱水和土壤等方式（王永維 等，2005；趙云龍 等，2013），這些方式存在初期投入大、受客觀天氣影響過大等缺點（Attar et al.，2013），使用這些技術進行日光溫室果菜類蔬菜生產存在一定的限制（何芬 等，2015）。而電能作為一種無污染、加溫快的二次能源，具有設備投資低、供熱分配均勻，便于自動化控制等優點，在溫室加熱領域得到廣泛應用，但從運行成本角度出發，優化溫室電加熱技術，提高能源利用效率，是亟待解決的技術問題（曲梅 等，2003）。本試驗采用控溫電伴熱加熱系統，在限根栽培條件下，對根系環境進行溫度調控，研究電加熱對于基質內根系溫度場以及無土栽培番茄生長和品質的影響，進而探索有效改善冬季日光溫室地溫環境的調控方式，以期為日光溫室越冬蔬菜生產提供理論依據和實踐支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年10月至2019年2月在北京市農林科學院蔬菜研究中心四季青基地日光溫室中進行，溫室坐北朝南，長度60 m，跨度8 m，脊高4.5 m，后墻高3 m，供試番茄品種為荷蘭瑞克斯旺種子有限公司生產的豐收（74-560）F1。2018年9月7日播種，10月10日定植，采用限根栽培方式，栽培基質為栽培用椰糠條（長1 000 mm，寬200 mm，高150 mm），每個椰糠條定植3株，營養液配方采用北京市農林科學院蔬菜研究中心無土栽培營養液改良配方（劉增鑫，2000）。采用開放式栽培管理方式進行水肥管理。

1.2 試驗方法

試驗用電加熱裝置為自制的控溫電伴熱加熱系統（圖1），由WK-208電腦智能溫控器控制。將電加熱線和溫控器探頭布置在栽培袋截面幾何中心，探頭溫度低于設定溫度可直接加熱栽培基質，高于設定溫度自動斷電。根際控制溫度分別設定為22、28、34 ℃，以不加溫作為對照，每個處理布置9個測溫點（圖2）。每個處理的種植面積為40 m2，共定植45株番茄，行距1.5 m，株距0.33 m，選取長勢一致的6株作為重復。

1.3 項目測定

圖1 溫室自動加熱裝置流程圖

1.3.1 室內外氣溫和基質內溫度測定 選取冬季晴朗天氣進行溫室環境指標的測定，采用T型熱電偶（溫度測量范圍：-40～100 ℃，測量精度：±0.2 ℃；濕度測量范圍：0～100%，測量精度：±2.5%），用于空氣干球溫度和濕球溫度的測定。溫室內溫濕度測點位于溫室中心，距離地面高度0.8 m；室外測點距離地面高度1.5 m，所有傳感器連接美國Campbell公司生產的CR1000數據采集器進行自動記錄，時間間隔為10 min。

圖2 栽培槽橫斷面圖

1.3.2 植株生長指標測定 從定植后14 d開始，每個處理選取長勢一致的3株番茄對其株高、莖粗、葉片數進行測定，6次重復，每隔15 d測定1次。用卷尺測量株高（植株基部到生長點的長度），用游標卡尺測量莖粗。

1.3.3 番茄植株根系指標和產量測定 番茄植株在3～4穗果時進行破壞性試驗，每個處理選取長勢一致的3株植株測定單果質量，取植株根系測定其干、鮮質量。以前3穗果為單株產量，6次重復。

1.3.4 番茄果實品質指標測定 在采收期（定植后120 d）每個處理取3株成熟度一致的番茄果實（第3穗果）對其進行品質指標測定，6次重復。果實可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍法（曹建康等，2007）；可溶性糖含量測定采用恩酮比色法（張以順 等，2009）；VC含量測定采用2，6-二氯酚靛酚滴定法（蔡慶生，2013）；可滴定酸含量測定采用酚酞滴定法（李合生，1998）。

1.3.5 不同加溫處理的能耗測定 采用DDS 334型單相電子式電度表記錄每個處理的耗能情況，額定電壓為220 V，額定頻率為50 Hz，額定電流為5（20）A，于每天上午8：00手動記錄電表數值并計算當日能耗。

1.4 數據處理

采用 SPSS 23.0和Excel軟件進行數據分析和圖表的統計與繪制。

2 結果與分析

2.1 室內外氣溫的變化和不同加溫處理對基質內溫度的影響

圖3為1月17～18日（晴天）試驗溫室室內外溫度變化，可以看出，溫室內氣溫受室外溫度影響，兩者總體趨勢呈正相關；5：00時室外氣溫為-8.1℃，是一天內的最低溫度，此時室內溫度為6.8 ℃；室內溫度最低點出現在8：30，為5.6 ℃；13：10時室內溫度達到一天中最高的23.9 ℃，由于日光溫室白天采用機械通風，太陽輻射進入日光溫室中的熱量散失，所以室內溫度不會過高。隨著太陽輻射減少熱量下降，室內溫度逐漸降低。

圖3 室內外氣溫日變化

由圖4可知，在基質中插入電熱線加溫的方法能夠顯著抑制夜間基質溫度降低。不加溫處理的基質溫度隨時間呈線性遞減，夜間根系平均溫度為10.6 ℃，早上8：00根系溫度降到最低值，為7.5℃，對植物生長極為不利；3個加溫處理的植株根系溫度均在設定溫度（22、28、34 ℃）附近波動，設定的溫度越高，溫度波動頻率也越高，說明維持根系高溫需要頻繁啟動加熱線，實際測試基質內中心位置平均溫度分別為22.4、29.8、35.2 ℃，略高于設定溫度。

表1為不同加溫處理的9個測溫點根系平均溫度，電加熱方式能使椰糠條中心位置溫度維持在一定范圍，熱量能有效輻射到整個根際區域，降低亞低溫對植物根系的危害。由于加熱點在根系區域的中間，基質頂部直接接觸室內空氣，所以中下部溫度高，頂部溫度低。

圖4 20：00至次日8：00時間段不同加溫處理對基質內溫度的影響

表1 不同加溫處理的夜間根系平均溫度分布

2.2 不同加溫處理對番茄植株生長的影響

由表2可知，加溫處理14～70 d內，各處理間生長指標的差異性逐漸加大；處理70 d后，22、28 ℃加溫處理的株高、莖粗、葉片數顯著高于對照，其中28 ℃加溫處理對番茄生長促進作用最明顯，株高、莖粗、葉片數較對照分別提高了11.1%、50.1%、27.1%。而34 ℃加溫處理植株的多項生長指標低于對照，說明過高的根系溫度會阻礙植株的生長發育。

2.3 不同加溫處理對番茄產量和植株根系指標的影響

由表3可知，22 ℃和28 ℃加溫處理在單果質量、單株產量、根鮮質量和根干質量指標上明顯高于對照和其他處理；34 ℃加溫處理的根干、鮮質量顯著高于對照，但是單果質量和單株產量顯著低于對照；說明冬季日光溫室中進行適當的加溫處理可以提高植株根系指標和產量，但是加溫溫度過高會對番茄植株的生長發育和產量造成不良影響。

表2 不同加溫處理對番茄植株生長的影響

表3 不同加溫處理對番茄產量和根系指標的影響

2.4 不同加溫處理對番茄果實品質的影響

由表4可知，22 ℃和28 ℃加溫處理的番茄果實可溶性糖、可溶性固形物、可滴定酸、可溶性蛋白含量均顯著高于對照；34 ℃加溫處理的可溶性固形物含量顯著高于對照，其余指標與對照無顯著差異。

2.5 不同加溫處理的能耗分析

由表5可知，在整個栽培周期中，22 ℃加溫處理的能耗產出比（單株產量/單株能耗）最高，達到0.27 kg·kWh-1，單個夜間啟動次數為11次，單株能耗最低，為11.33 kWh，節能效果最優。

表4 不同加溫處理對番茄果實品質的影響

表5 不同加溫處理的能耗分析

3 結論與討論

本試驗結果表明，對日光溫室中基質進行適宜的加溫處理，能提高番茄果實的產量，加溫至28 ℃時單株產量可達3.46 kg，加溫至22 ℃時單株產量達到3.09 kg，較不加溫處理分別顯著提高了55.2%和38.6%；從能耗角度來分析，28 ℃加溫處理比22 ℃的單株能耗提高31.2%，結合產量情況，22 ℃加溫處理的能耗產出比更高。

同時，22 ℃加溫處理下番茄株高、莖粗、葉片數等生長指標和果實的VC、可溶性蛋白、可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物等品質指標均顯著高于對照，與前人研究結果相似（趙玉萍 等，2010；江力，2017）。值得注意的是，34 ℃加溫處理的單果質量、單株產量顯著降低，說明加溫溫度過高會抑制植株生長。

電加熱是一種點源加熱方式，根系區域溫度變化存在一定滯后性，出現根系溫度分布不均和周期性波動現象。借助數值模擬方法，研究在限根栽培條件下根系區域溫度分布，對于提高加溫精度，優化加溫效率具有重要的研究價值。