基質加溫系統對設施架式草莓生長結果的影響

魏 斌,畢研飛,唐政輝，孫 昊,錢旻晗，王 健，孟 穎，趙金元

(1江蘇常熟國家農業科技園區管理委員會，常熟215500；2南京農業大學園藝學院，南京210095；3南農大(常熟)新農村發展研究院有限公司，常熟215500；4常熟市農業科技發展有限公司，常熟215500)

草莓色澤鮮艷、外形美觀，果實柔軟多汁、甜酸適口、營養豐富，深受大眾喜愛[1]。草莓屬淺根性植物，在營養生長期80%的根系分布在0—15cm土層內。草莓根際溫度對于草莓植株生長、開花及果實發育存在重要的影響[2]。

草莓架式栽培中，因栽培槽架于空中缺乏地溫支持，且栽培槽內基質體積小、質量輕、基質溫度易受環境影響。實際草莓生產中，為防止室內夜間氣溫過低，通常采用燃油、燃氣、地源熱泵電加熱等系統[3-6]對室內架式栽培槽內的基質進行加熱，但加溫效果有限且成本往往較高。前人研究認為，根區局部加熱利于實現節能生產[7]，地熱線、管道熱交換系統等設備的使用可顯著提高架式栽培草莓夜間根際溫度，進而促進草莓生長發育、提升果實品質，縮短生育周期，提高產量[8-9]?？諝庠礋岜檬且环N利用空氣作為熱源(冷源)，既能供熱又能制冷的高效節能環保型熱泵系統。空氣源熱泵通過輸入少量的高品位能源，可將能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移。空氣源熱泵可實現在冬季外溫度較低情況下為溫室內供暖，為作物生長創造合適的溫度環境[10-11]。

基于前人已有研究基礎，結合空氣源熱泵及熱水管道加熱技術設計一種適用于設施草莓架式栽培的基質溫度加溫系統，開展根區基質加溫技術研究，以期為實現設施草莓架式栽培中根際溫度的有效控制，生產優質草莓果品提供指導。

1 基質加溫系統結構設計與功能

1.1 結構設計

系統加熱采用空氣源熱泵系統控溫技術，利用逆卡諾循環原理(圖1)，通過消耗少量的電能得到機械功，將空氣中難以利用的低品位熱能轉化為高品位熱能，實現低溫熱能向高溫熱能的轉移，隨后將高品位熱能釋放到水中制取熱水。通過在植株根部基質鋪設熱水管，借助循環水泵將熱泵系統加熱后的熱水傳送到熱水管路中，對周邊空氣及基質熱傳導，以實現栽培基質加溫，提升草莓根際溫度。

1.2 系統功能

整套系統由熱泵機組加溫系統、循環水泵、儲水箱(300 L)和熱水管道熱交換系統等部分組成(圖2)。其中熱泵機組為1.0 PH直流變頻機組，制熱輸入功率為500—1 400 W，制熱功率為1 400—5 400 W，制熱室外溫度為-25—33℃，出水溫度為7—52℃。在實際生產中可依據加熱面積的需要將多臺機組進行并聯。循環水泵額定功率為95 W，揚程為6 m，流量為3.6 th。熱水管道熱交換系統與加溫系統相連，其中每條栽培槽為一組，每組管道呈U型均勻排布于槽寬為30cm的H型草莓栽培架上，每條栽培槽上加熱管道水路流程相等，流量分配均衡。加熱管道(直徑25 mm×3.5 mm)為導熱性較好的PPR材質，在草莓栽培前預埋于栽培槽基質表層，管道距離栽培槽邊緣3cm，深度3cm。

系統啟動后，可通過室內機控制面板對循環出水溫度進行設置，通過循環水泵，將系統產生的熱水輸送到草莓根區鋪設的熱水管道中加熱基質。完成熱交換后，低溫水通過回水管回流至空氣源熱泵模塊機組，再次循環供熱；當水路出現缺水情況時，可通過補水箱為熱水輸送水路補水。室內控制系統根據機組的回水溫度控制主機系統啟停：當回水溫度超過設定溫度時，系統停止運行；回水溫度低于設定溫度時，系統開啟。此外，還可通過調節水泵檔位，控制循環管道中的水流量來調節基質溫度。

2 材料與方法

2.1 栽培材料及系統運行試驗

2.1.1 材料

試驗于2017年9月—2018年3月在江蘇常熟國家農業科技園區的草莓溫室內進行(圖3)，溫室為文洛型玻璃溫室(40m×60m)。室內有H型草莓立體栽培架共計45條，其中10條布設了基質加熱系統管道。以不采取供熱為對照組，每條栽培架槽寬30cm，長度36m。供試品種為“紅顏”雙行定植，于9月9日完成定植，行株距為 20 cm×20 cm。

試驗期間，溫室環境采取統一管理：定植及生長初期室溫過高時，開啟遮陽及濕簾風機進行降溫；冬季室溫過低時，夜間使用保溫幕保溫，此外，室內配備的天然氣暖風加溫機(倍利COMBITERM 140E，意大利)可對室內空氣進行自動加溫，設定室內空氣溫度不低于5℃。

2.1.2 系統運行方案

基質加溫系統于2017年12月11日—2018年2月15日期間開啟，運行方案為：1)冬季，晴朗白天，太陽輻射較高，室內氣溫高于20℃以上時，關閉系統；2)冬季，夜晚或者連續陰雨天。室內氣溫較低于10℃以下時，開啟系統，進行加熱。

系統循環水設定溫度初始值為35℃，以15—18℃為適宜溫度。當室內外氣溫較高時，適當降低設定值；當氣溫較低時，提高設定值。系統采取自動控制模式，當循環水溫接近設定值時，壓縮機轉速變慢，輸入和輸出功率變小。當水溫達到設定溫度，系統停止運行；當水溫低于設定溫度時，機組開始運行。

2.2 參數測定

2.2.1 溫度測定

2.2.2 用電量測定

采用電量測量儀對加溫系統開啟后的耗電量進行記錄與測量。

2.2.3 營養生長指標測定

參照《草莓種質資源描述規范和數據標準》[12]分別于加溫處理前后，測定草莓植株株高、冠徑、葉片大小、葉柄長、花芽(抽生花序)數等生理生長指標；同時，采用 SPDA-520型葉綠素測量儀，對草莓植株基部第2、第3片功能葉進行測定，每隔10 d測量1次。

2.2.4 產量和品質測定

自果實著色面積在80%左右開始，每隔3—4 d采摘1次，統計每株的果個數、單果重、單株產量；同時，采用WYT-32手持折光儀對果實的可溶性固形物含量進行測定[2,13]。系統開啟后，選取位于栽培架中部，位置一致、長勢相近的草莓植株，每處理選取20株草莓，3次重復，掛牌標記。

2.3 系統性能評價

性能系數(Coefficient of performance，COP)是評價熱泵系統節能性的最重要指標之一。它表示了熱泵收益(制熱量)與付出代價(本系統為消耗電能)的比值。系統熱泵機組的運行效率計算公式為[10]：

COP=QhW=CρLΔTtW(1)

其中，Qh為系統供熱量，kJ；W為系統耗電量，kJ；C為水的熱容，kJ(kg·℃)；ρ為水的密度，kgm3；L為水流量，m3h；ΔT為系統供回水溫差，℃；t為系統運行時間，h。通過測試水箱進出口水溫可計算出供熱量Qh，通過電表可讀出系統開啟時間段內耗電量W。

2.4 數據處理

數據采用Excel 2016軟件進行處理，數據曲線采用 Origin 9.4 軟件繪制。

3 結果與分析

3.1 系統加溫效果分析

圖4與圖5分別反映了試驗組和對照組根區周圍基質日平均溫度及日最低溫度的變化情況。系統在12月11日開啟，如圖所示，系統開啟前，兩組之間日平均溫度及最低溫度不存在顯著差異；而系統開啟后，試驗組日平均溫度及日最低溫度均明顯上升并且顯著高于對照。統計結果顯示，與對照組相比，試驗組根際日平均溫度可提高3.4℃以上；日最低溫度可提高3.2℃以上，增溫效果明顯。

圖6顯示了典型天氣條件下草莓根區基質溫度的日變化情況，基質溫度在一天內的變化相對于室內空氣具有滯后性。晴天，隨著室溫的升高，基質吸熱升溫，在15：00左右達到最大值；到了夜間，室溫及基質溫度開始下降，并在凌晨6：00左右降到最低。整個夜間，基質溫度始終高于室內空氣溫度，說明基質處于不斷放熱狀態。陰雨天，由于太陽輻射較低，室溫及基質溫度全天處于較低的水平，且試驗組顯著高于對照組。結果表明，實驗組晴天根區日平均溫度可提高4.5℃，陰天可提高5.3℃。

相關研究表明[14-19]，根區溫度改變對于作物的生長發育、生理特性以及果實產量等指標作用顯著。對草莓而言，根系生長適宜溫度為15—18℃[20]，如果地溫降至10℃以下，生長發育就會緩慢，甚至停止生長。試驗數據顯示，測試期間，部分晴天的凌晨及陰雨天全天，當室內外空氣溫度較低時，未加熱基質溫度會降低至10℃以下，最低值僅為8.6℃，而經過系統加溫的試驗組全程始終保持在14℃以上，可提供比較穩定的根區溫度，滿足草莓根系的生長需求。

3.2 系統性能分析

圖7顯示了不同天氣(1月6日、7日陰雨天，1月8日多云，1月9日、10日晴天)室外溫度條件下系統運行情況，這段時間內，系統整體供熱總量為為2.2×105kJ，合計61.02 kWh，共耗電22.6 kWh，節能效果較好。從圖中可以看出，在室外溫度波動較大時，系統運行依然較為穩定，系統日平均COP變化較小。當室外平均氣溫在0℃以下，系統COP基本保持在2.5 以上。結果顯示，測試期間，系統COP基本保持在2.5—3.3。

3.3 系統對草莓生長及產量的影響

表1顯示了2017年12月6日(加溫前)和2018年1月15日(加溫后)分別對不同處理草莓植株生長結果的影響情況。加溫前，試驗組與對照組各項生長指標無顯著差異；加溫后，試驗組草莓植株的葉片數、株高、冠徑以及花芽數均高于對照，其中花芽數提高了15.6%，說明系統對根區的加溫處理可以有效促進草莓植株的生長和花芽分化。

表1 根際加溫處理對草莓生長情況的影響

表2為低溫季節應用本系統對草莓產量的影響結果。與對照相比，除加溫前的11月差異不明顯之外，加溫組12月、1月和2月份草莓單株產量分別比對照提高 30.4%、34.6%和6.5%，四個月單株平均產量提高了17.8%，優質果率提高了28.6%。

表2 根際加溫處理對草莓果實產量的影響

以上結果表明，該系統對于提高草莓前期產量效果明顯，這與徐川等[2]的研究結果一致。另外，試驗組優質果率明顯提高，但草莓的果實可溶性固形物含量與對照相比差異不顯著。試驗后期，由于外界及室內氣溫的回升，系統對果實發育的影響逐漸減少，與對照相比，果實產量與品質均無明顯差異。

4 討論

針對設施草莓架式栽培條件下，冬季栽培基質夜間溫度較低，易造成草莓生長發育受限、早期產量較低、果實品質較差等問題，基于空氣源熱泵控溫技術設計開發了一種栽培基質加溫系統。通過系統在冬季低溫條件開展的系統加熱試驗及應用效果分析研究，該系統可提供比較穩定的基質溫度，滿足草莓根系的生長需求。對于解決冬季設施草莓架式栽培早期基質低溫問題提供了一種解決方案，具有一定的研究意義和推廣價值。實際生產中，應根據使用地域、天氣狀況及加溫面積的不同選擇配備合適功率的熱泵機組及加熱管網，并探索合適的運行策略。