A型立體栽培架密集擺放對栽培小白菜生長及受光的影響

劉新紅,嚴少華,羅 佳,馬 艷

(江蘇省農業科學院 資源與環境研究所,江蘇 南京 210014)

0 引言

蔬菜是人類重要的食物,隨著人們生活水平的提高,蔬菜生產和消費在我國均呈增加趨勢[1]。近年來,傳統蔬菜生產不僅面臨著土壤退化[2]、連作障礙[3]以及地下水污染[4]等資源和環境問題,同時也面臨勞動力短缺和成本上漲的問題[5]。與傳統蔬菜生產方式不同,現代農業采用農業廢棄物生產的栽培基質作為蔬菜栽培介質[6,7],在設施溫室大棚內,實現了蔬菜的周年連續生產,并引進了機械化育苗[8,9]、自動化移栽、栽培架人工智能化移動定位等智能控制技術,將傳統蔬菜生產過程轉化為工廠化生產線生產[10,11]；同時借助基質再生利用技術[12],大大節約了人力，減少了農業廢棄物排放,并將農業廢棄物進行高效利用,最終保護了環境,實現了現代化農業和生態農業雙重目標。

與傳統蔬菜生產不同,蔬菜規模化生產通常采用立體栽培方式,并采用人工光源進行補光[13,14],使得照明用電成為設施蔬菜集約化生產的主要能耗來源[15]。為了降低能耗以及充分利用太陽能進行植物生產,各種立體栽培架均被不同學者應用于蔬菜生產[16],其中A型栽培架因遮光較小而應用較多,例如：李燕等對比了高畦平鋪和架式A型栽培架的栽培效果,結果表明A型架的效果最好[17],單位面積產量及土地利用效率最高[18]；張豫超等研究表明用四層階梯型的A型架進行草莓種植能夠獲得更好的結果[19]；王春玲等將A字型栽培架改良為“逐日”式栽培架,實現栽培架行向與太陽光照射方向平行,以此最大限度地利用了太陽直射光[16]。然而,這些研究通常擺放密度低,不同栽培架之間相距較遠(50～80 cm)。在密集擺放(10 cm)情況下立體栽培架的光照、溫濕度情況以及對蔬菜生產的影響的相關研究較少,這在一定程度上限制了低能耗配置下的規?；卟松a的進程。

立體栽培架密集擺放既能夠提高工作效率，也能夠提高空間利用效率。為了適應智能化、自動化和規?；卟嗽耘嗟男枰?采取立體栽培架密度擺放具有重要意義。江蘇省農業科學院創新團隊在密度立體栽培生產研究中發現,這種栽培方式相對于平面栽培來說產能更高,但由于僅利用太陽能作為光源，勢必也存在遮光問題。為了進一步提高產能,需要對遮光區域進行補光?；诖丝紤],本研究采用密植立體栽培方式和基質栽培材料,采用常見葉菜品種小白菜為試驗對象，對蔬菜生產過程中立體栽培架密植群體的不同位置以及栽培架不同層次的光照進行了測定和分析,旨在弄清密植立體栽培下光照在不同位置、不同層次的分布情況以及對蔬菜產量的影響,為提高補光經濟效率提供數據支撐和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2018年4月在江蘇省農業科學院智能溫室內進行,溫室東西長度為100 m,南北寬度為40 m,頂高為8 m,配置有水簾風機、遮陽網等智能設施。

1.2 立體栽培架

A型栽培架示意圖如圖1a所示,是由左右兩面梯形種植撐桿組成,兩面在頂部由固定軸連接,設置開口角為45°。在每面梯形撐桿上等間距(每層高度27.7 cm)水平放置5層長方形栽培槽(長×寬×高=80 cm×12 cm×8 cm),由上至下依次標識為頂層、中1層、中2層、中3層和底層。槽內放置栽培基質,進行蔬菜種植。

1.3 試驗方法

在溫室中間選取無設施遮擋部位進行試驗。在試驗開始前,將供試栽培架按照行間距和列間距均為10 cm的間距進行密度擺放,設置行數和列數均為6排。為了扣除邊際效應,監測區域設在中心4行列,監測區域行列編號如圖1b所示。

試驗所采用的栽培基質是自主研發的基質產品(CN201410410898.X),由六合基地有機肥廠提供。試驗所用的栽培槽長×寬×高為80 cm×15 cm×12 cm,內部實際使用容量為8 L。試驗澆水是采用自動噴淋裝置進行均勻噴淋澆水,噴水量50 L/(m2·h)。試驗所用的光照自動檢測儀(杭州路格科技有限公司, L99-LX)能夠實現光照強度參數的連續監測,監測位置位于圖1b中a、b和c三點,其中b點放置在栽培架最頂端,a點和c點放置在東西栽培架的中1層、中2層、中3層和底層，均放置在指定栽培槽內小白菜冠層5 cm處。試驗所用幼苗為6葉1心的臺灣火箭小黃白幼苗,試驗選取長勢均勻的小白菜幼苗進行移栽。試驗于2018年3月29日開始,4月26日結束,共計28 d。試驗于幼苗移栽后的第4天,在光照監測對應的栽培槽內,選取3株長勢一致的幼苗進行標記,作為功能葉生長狀況的調查對象。分別于移栽后第4、11、16、21、28天對標記植株的功能葉進行葉面積、SPAD(Soil and Plant Analyzer Development)值和葉片數的調查。葉面積采用葉片最大長×最大寬根據修正系數換算獲得,修正系數選擇2/3。葉片SPAD值采用SPAD-502便攜式葉綠素測量儀進行測定,選取功能葉的中間偏上部位,進行三點測定，取平均值。記錄葉片數時忽略底部枯黃葉和未展開的心葉。在收獲期對監測區域的各栽培架以及各自栽培槽內蔬菜地上部進行單獨稱重，計算產量。對試驗數據使用Excel 2007進行處理,采用最小顯著性差異法(LSD)對不同行和列的光照強度、溫度、濕度以及小白菜產量進行差異顯著性檢驗。

A圖為A型栽培架示意圖;B圖為栽培架的密集擺放方式方位及行列編號,圖中三角符號表示栽培架,a、b、c三點表示監測位置。

2 結果與分析

2.1 不同方位栽培架和不同層次栽培槽小白菜的產量特征

在密集擺放情況下不同位置栽培架小白菜產量介于4007.73～5593.18 g/架之間,東西方向不同列之間沒有顯著性差異;南北方向的第1至3行之間產量沒有顯著性差異,至第4行顯著低于其它行(如圖2A所示),平均降幅13.93%。此外,從栽培架的不同層次來看,各層次東西方向產量差異不顯著;南北方向僅底層差異不顯著,其它各層次產量差異均表現出第4行不同程度低于其它各行(如圖2B所示),降幅從11.67%(頂層)到21.85%(中3層)。立體栽培密集擺放時各栽培架不同層次栽培槽內小白菜產量呈現自上而下梯度降低的趨勢(如圖2B所示),這種現象常發生在常規密度擺放的A型栽培架中[16,19,20]。

2.2 不同方位栽培架和不同層次栽培槽小白菜植株生長情況

葉面積、葉片數和SPAD值均是反映植物生長狀況的重要指標[21-23]。對頂層、中2層和底層小白菜葉面積、功能葉片數和SPAD值作進一步考察,按照第3、4行各層次均值(北側)和第1、2行(南側)各層次均值分別進行比較,結果如圖2C所示,可見隨著生長期的延長,小白菜葉面積呈顯著增加的趨勢(圖2C)。各栽培架的不同層次在移栽后至第4天葉面積均等,之后各層間差異逐漸出現并不斷拉大,自第16天開始頂層葉面積顯著高于中層并顯著高于下層。從不同擺放方位來看,東西方向各列之間功能葉的葉面積仍無顯著性差異;而從南北方向來看,葉面積呈現南高北低的特征,從第16天開始,除第16天的底層以外,中底層次南側功能葉的葉面積均顯著高于北側的,但在頂層沒有出現顯著性南北側差異。

與葉面積相似,葉片數隨著生育期的延長呈顯著增加趨勢(圖2D),僅第21天與第16天無顯著性差異,這是由于中后期第一片功能葉處于枯黃凋落期,因此不計入在內。葉片數從第11天開始同樣表現出自上而下的層間差異,即頂層顯著高于底層,而與中層差異不顯著,但這種遞減趨勢明顯小于葉面積指標的變異趨勢(圖D)。從不同擺放方位來看,東西方向不同列之間葉片數無顯著差異,南北方向僅在第11天和第16天的中層表現出顯著的南北差異。

在整個生育期內功能葉的SPAD值介于(25.68±1.13)～(31.72±1.84),隨著生育期的延長呈現先升高后降低的趨勢,但差異均不顯著。不同層次自第11天開始自上而下SPAD有降低趨勢,但差異不顯著。同樣地,從密集擺放的不同擺放方位來看,東西方向不同列之間和南北方向不同行之間差異不顯著。

2.3 不同方位栽培架和不同層次栽培槽植物冠層光照強度、溫度和濕度的分布特征

一般葉菜生長對光照強度具有較大的耐受性[24]。我們采用密集擺放的立體栽培方式進行試驗，發現不同方位及層次的小白菜均能正常生長，但是位于底層的小白菜生長最易受阻,這與有關學者的調研結果[16,25]相似。進一步對南北兩向栽培架底部光照強度及高光強停留時間進行考察,結果表明,底層植株冠層光照強度及其停留時間視生育期的不同而不同,前期南面累積光強高于北面,大于30 klx光強的光照停留時間明顯長于北面;而在生育后期則相反,南面累積光強和大于30 klx光強的光照停留時間均低于北面(圖3A)。溫度和濕度同樣是影響蔬菜生長的關鍵因子。本實驗同步對密集擺放情況下不同方位栽培架底層進行監測,結果如圖3所示,在生育前期植物冠層南北兩側溫度差異不顯著(圖3B),同時濕度差異也不顯著(圖3C),這可能是由于植物生育前期葉面積和生物量較小,沒有形成局部的差異。但在生育后期，溫度和濕度均表現出了顯著的南北側差異,這種差異在9:00后顯現并逐漸增加,即南側底層溫度低于北側,降幅最高為2.50 ℃(相對偏差8.50%)；而濕度則表現為南側高于北側,增幅最高達到11.50%(相對偏差32.90%),這可能是由于后期植株葉面積和生物量增大(圖2C、圖2D)，在底層形成遮蔭，造成了局部差異。

A：不同擺放方位單個栽培架小白菜產量,不同小寫字母表示南北方位不同行間產量差異達到顯著水平(P<0.05),不同大寫字母表示東西方位不同列間產量差異達到顯著水平(P<0.05)。B：不同擺放方位和層次栽培槽的小白菜產量,不同小寫字母表示南北不同行各層次間差異達到顯著水平(P<0.05)。C:不同擺放方位和層次栽培槽內小白菜功能葉面積的時間變異,“*”表示同一層次南北側間差異達到顯著水平(P<0.05)。D：不同擺放方位和層次栽培槽內小白菜功能葉葉片數的時間變異,“*”表示同層次南北側間差異達到顯著水平(P<0.05)。

圖2 不同方位栽培架和不同層次栽培槽小白菜的生長指標表現

考慮到生育中后期植株葉面積和葉片數快速增加(圖2C、圖2D),選擇試驗后期(第17～28天)連續3個晴天,按照不同光照強度持續時間在全天光照時間內所占比例對全天光照強度進行分析,結果如圖4所示。總的來看,光照強度在全天的分布呈“倒V”型,較低光強(<2.5 klx)及較高光強(>50 klx)所占比例較低,而處于中間的10～30 klx光強區間所占比例較高。從不同層次來看,頂層光強在30～50 klx區間占比最高,占全天時間的32.08%；中1和中2層次的10～30 klx光強區間持續時間占比最高,分別占全天時間的43.39%和46.23%；中3層光強在2.5～10 klx和10～30 klx的分布時間接近,分別為35.85%和37.74%；而底層光強在2.5～10 klx區間的分布時間最多,占全天的42.45%。上述結果表明，隨著栽培槽所處層次由高到低,高光強分布減小而低光強分布增加。

此外,栽培架不同層次在南北方向上光照強度也存在差異。弱光強即低于2.5 klx光強區時間占比僅在底層表現出南高北低的特征;低光強即2.5～10 klx區時間分布僅在底層表現為南低北高(P<0.01);中光強即10～30 klx區時間占比在中間3層和底層均表現為南高北低(P<0.01),但中3層南北側差異并不顯著;高光強30～50 klx區時間占比在各層次均呈現出南低北高(P<0.01)的特征,但在中3層兩側差異不顯著。這說明,在生育后期,南北側差異在不同光強區間的表現具有波動性,這可能與光照影響因素的變動有關。

南側與北側光照強度的差異主要與日照角度、遮擋物的分布有關。以底層植物的受光來看,弱光區分布時間處于7:30～9:30以及14:00～16:30,這兩個時間段是日出和日落時間,光線自南向北照向栽培區域,此時存在上層對下層的遮擋，也存在南側對北側的遮擋,由于太陽高度角偏低,底層光照主要依賴外圍散射光。植物生育前期南側對北側的光照遮擋(圖3),可能導致了南側植株生長較北側旺盛,這增加了生育后期的南側栽培架上下層的遮擋,因此南側弱光區占比高于北側,而低光強區占比反而低于北側。同樣,由于高光強區時間處于11:00～12:30,此時太陽高度最高,入射角最大,主要遮光因素是上層對下層的遮擋,由于南側植株生長旺盛，導致南側高光強區分布仍然顯著高于北側(P<0.05)。

中等光強區對應時間是9:30～11:00和12:30～14:00時間段,此時太陽高度上升,入射角低于正午并且高于日出/日落時間[26],這有利于A型架兩側植物接受直射光照,此時上下層遮擋最小,南側對北側的遮擋成為主要的光照影響因素,因此南側中等光強分布顯著高于北側(P<0.05)。

綜上所述,立體栽培架密集擺放造成南側對北側的遮擋,這首先在生育前期造成了植株生物量差異逐漸增加,并在生育后期加重了南側上層對下層的遮擋,這種上層對下層的遮擋程度影響了散射光分布,是南側底層弱光占比高于北側的重要原因。另外,生育后期植株生物量的差異增加了南側對北側的遮擋,造成了南北側植株在中等光強區受光程度的差異。采用經濟高效的LED光源進行有選擇有重點的補光成為最大限度提高植物工廠蔬菜生產效率的重要途徑[27-29]。

2.4 相關性分析

光強是植物產量的重要影響因子[20,24]。本研究結果同樣顯示弱光區占比與產量呈極顯著負相關,而高光強占比與產量呈極顯著正相關關系(表1)。另外,中等光強占比與產量的相關性未達到顯著性,這說明此次立體栽培密集擺放方式中等光強不是植物產量差異的主要影響因素,也就是說植株在強光和弱光兩大區間的受光差異是產量差異的主要影響因素。

表1 不同光照強度區間與小白菜產量間的相關系數

另外,小白菜產量與葉面積和葉片數呈極顯著正相關(r=0.85,P<0.01),這說明對葉菜來說,葉面積和葉片數是產量的重要組成因子。本研究發現SPAD值與其它參數如不同階段光強、小白菜產量和栽培基質性質特征的相關性均未達到顯著性水平，這一方面說明栽培基質中養分尤其是氮含量充足,另一方面說明小白菜的SPAD值對于受光程度不敏感。

3 結論

采用密集擺放的A型立體栽培架栽培小白菜時,會引起南側栽培架對北側栽培架的遮光,對東西方向的光照無顯著影響。相應地,對小白菜產量的影響主要體現在對南北方向各行之間的影響,自南向北第4行的產量顯著降低;東西方向各列間產量無顯著性差異。

采用密集擺放的A型立體栽培架栽培方式,會引起生育前期南側立體架對北側立體架的光照遮擋,進而造成植株葉面積差異逐漸增加,并在生育后期分別加重南側對北側的光照遮擋和南側上層對下層的光照遮擋，從而拉大立體架上下層之間的產量差異。因此,在立體栽培架密集擺放方式下,需要在生育中期開始對位于中下層的植物進行強光(>30 klx)補光。

圖3 小白菜生育前期和后期冠層在晴天時白天的光照強度、溫度和濕度

在相鄰兩個柱形圖頂端的“*”表示在兩者間差異達到顯著性水平(P<0.05)。