基于物聯(lián)網(wǎng)的設施番茄溫差調控模型研究

黃媛，楊英茹*，高欣娜，陳誠，杜亞茹，李海杰，武猛，李瑜玲*

（1.石家莊市農林科學研究院/石家莊市農業(yè)信息化工程技術研究中心，河北 石家莊050041；2.國家農業(yè)信息技術研究中心，北京100000）

番茄原產于南美洲，明萬歷年間傳入我國用于觀賞，在我國種植栽培時間尚不足百年[1]，但隨著消費者的喜愛以及種植技術的提高和普及，其種植面積迅速擴大，現(xiàn)已成為我國栽培面積較為廣泛的作物之一[2]。番茄在我國南方地區(qū)多為露地種植，在北方地區(qū)多為保護地種植，設施農業(yè)滿足了番茄反季生產的種植需求[3]。農業(yè)設施的溫度變化與露地環(huán)境明顯不同，總體來說，設施內溫室效應顯著，保溫效果好[4]。北方秋茬番茄主要在8月中下旬至9月初定植，翌年拉秧[5]，該茬番茄苗期至一穗花期間正值北方的盛夏季節(jié)，此時白天氣溫高、夜間保溫性好，因此設施內溫度呈現(xiàn)白天氣溫高、晝夜溫差小的特點。

眾多學者對設施環(huán)境的熱因素變化規(guī)律進行了研究。李小芳[6]利用VB6.0編程求解，將溫室地理參數(shù)、結構參數(shù)、圍護結構物性參數(shù)和氣象初始條件作為模型參數(shù)，對室內空氣溫濕度和各內表面的溫度進行了預測；楊振超等[7]對冬季不同結構類型節(jié)能日光溫室內氣溫和濕度的差異進行了比較，發(fā)現(xiàn)8：00拱圓型溫室內的氣溫較琴弦式溫室平均高14.1℃；孟翠麗等[8]對湖北省火龍果種植大棚冬季最低氣溫與當天棚外氣溫、前一天棚內外氣溫各要素的相關性進行分析，并構建了低溫預報模型。但是，針對北方設施番茄苗期溫室內氣溫變化特征的研究尚未見報道。

番茄幼苗對氣溫敏感，北方秋茬番茄定植后至一穗花現(xiàn)蕾階段常出現(xiàn)由于溫度管理不到位而造成幼苗徒長，影響一穗果的生長發(fā)育。因此，以北方地區(qū)秋茬番茄種植實際出發(fā)，以當?shù)卦耘嘣O施的實際溫度為基礎，開展溫室內晝夜溫差變化規(guī)律的研究，以期指導當?shù)厍锊绶迅咝a。

1 材料與方法

2018年和2019年在石家莊市農林科學研究院趙縣農業(yè)科技園區(qū)（東經(jīng)114°49′12″，北緯37°47′48″），連續(xù)2 a選擇種植番茄的的1號、3號和5號溫室作為研究對象。溫室東西走向80 m、跨度8 m，番茄種植面積489 m2，棚膜上下風口可開合，并裝有風機可進行通風換氣、排濕降溫。

溫度數(shù)據(jù)為2008年和2009年秋茬設施栽培番茄定植后21 d內的室溫。秋冬茬番茄的定植時間為當年的8月17～24日，定植后即開始進行溫度數(shù)據(jù)采集。使用國家農業(yè)信息工程技術研究中心研制的溫室微型氣象站進行溫度采集，氣象站空氣溫度傳感器測量范圍為-20～70℃，測量精度為±0.1℃。氣象站分別懸掛于溫室中部，每30 min自動采集1次空氣溫度數(shù)據(jù)并存儲和上傳，通過石家莊市農林科學研究院（趙縣）農業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新平臺（http：//123.127.160.69：10006/iot_sjz/sjz/sjzHome）“實時數(shù)據(jù)”或“歷史數(shù)據(jù)”欄目進行數(shù)據(jù)查看和下載。將當日8：00至19：30的24個溫度數(shù)據(jù)取平均值，得到晝均溫度；將當日20：00至次日7：30的24個溫度數(shù)據(jù)取平均值，得到夜均溫度。根據(jù)公式，計算晝夜溫差：

晝夜溫差=晝均溫度-夜均溫度

利用IBM SPSS Statistics 23軟件進行數(shù)據(jù)的回歸分析，其中顯著性水平設置為α=0.05；利用Microsoft Excel軟件進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 溫室內晝夜溫度及溫差的統(tǒng)計分析

2018年和2019年試驗溫室的秋冬茬番茄緩苗期累計105 d。2 a調查結果（表1）顯示，溫室內晝均溫度為25.31～37.76℃，夜均溫度為17.79～28.42℃；晝夜溫差為0.42～15.62℃，晝夜溫差≤3℃、3～6℃（含）、6～9℃（含）、＞9℃的天數(shù)分別為14、24、29和38 d，占統(tǒng)計總天數(shù)的比例依次為13%、23%、28%和36%。可以看出，設施番茄苗期溫室內晝夜氣溫波動較大，溫差≤6℃的天數(shù)占統(tǒng)計總天數(shù)的36%。

表1 秋冬茬番茄苗期溫室內晝夜氣溫的變化Table 1 Changes of day and night temperature in greenhouse during tomato seedling stage in autumn and winter （益）

2.1 晝均溫度與晝夜溫差的回歸分析

利用晝夜溫差和晝均溫度數(shù)據(jù)繪制散點圖，以晝夜溫差（Y）為因變量、晝均溫度（X）為自變量對二者的關系進行分析，結果（圖1）顯示，在95%置信區(qū)間晝夜溫差與晝均溫度呈線性正相關，一元回歸方程為Y=0.902X-21.687，其中晝均溫度的取值范圍為25.3～37.8℃。顯著性檢驗結果顯示，R2=0.807，較接近于1，說明自變量—因變量形成的散點與回歸曲線較為接近；方差分析結果顯示，F(xiàn)=193.676，P=0.000（＜0.005），說明回歸關系具有統(tǒng)計學意義。因此，可以將采集的晝溫經(jīng)過計算后代入回歸方程，提前預判當天的晝夜溫差。

圖1 晝夜溫差—晝均溫度散點圖Fig.1 Scatter diagram of temperature difference between day and night and daily average temperature

前人研究結果顯示，在適宜溫度下，晝夜溫差為6℃左右時番茄苗生長良好[9～12]。根據(jù)回歸方程得到晝夜溫差為6℃時的晝均溫度為30.7℃，即：晝均溫度＜30.7℃時晝夜溫差＜6℃，晝均溫度≥30.7℃時晝夜溫差≥6℃。將預估晝夜溫差與當時番茄幼苗適宜生長的晝夜溫差進行比對，可提前進行溫差預警，并提出溫差管理的指導意見。

3 結論與討論

許多學者對設施番茄苗期的溫室內晝夜溫差管控進行了研究。李莉等[9]研究顯示，在日均溫度22℃條件下，溫室內晝夜溫差為6～8℃時番茄苗生育良好。朱凱[10]研究顯示，日平均溫度為18和25℃時，6℃晝夜溫差最有利于番茄葉片進行光合作用。楊再強等[11]和張潔等[12]研究顯示，在日均溫度為25℃時，番茄的幼果坐果率、果實橫徑、果實縱徑、單果重量和單株產量均以6℃晝夜溫差處理最高。現(xiàn)有研究結果均表明，在適宜溫度下，晝夜溫差為6℃左右時番茄苗生長良好。

2018年和2019年連續(xù)2 a在石家莊市農林科學研究院趙縣農業(yè)科技園區(qū)選擇種植秋冬茬番茄的1號、3號、5號溫室作為研究對象，利用溫室微型氣象站自動采集各溫室番茄定植后21 d內的空氣溫度，統(tǒng)計結果顯示，番茄苗期溫室內的晝均溫度為25.31～37.76℃，晝夜溫差為0.42～15.62℃，晝夜溫度波動較大，溫差≤6℃的天數(shù)占統(tǒng)計總天數(shù)的36%；以晝夜溫差（Y）為因變量、晝均溫度（X）為自變量進行線性回歸分析，結果顯示，在95%置信區(qū)間二者呈線性正相關，一元回歸方程為Y=0.902X-21.687（R2=0.807），據(jù)此得到晝夜溫差為6℃時的晝均溫度為30.7℃。在當?shù)厍锊绶讶粘９芾碇校梢罁?jù)回歸方程，利用采集的溫室內晝溫（晝均溫度）對當天的晝夜溫差進行預測預警，并提出溫度調控管理的指導意見，當晝均溫度≥30.7℃時晝夜溫差可≥6℃，當晝均溫度＜30.7℃時應及時開啟通風降溫設備。

由于多數(shù)學者對番茄苗不同溫差下的生長評價試驗均以較適宜的晝均溫度為前提，欲達到番茄苗期溫差精準調控，可開展以晝溫和溫差2個條件為影響因素的番茄苗期生長試驗，發(fā)掘不同晝溫下不同溫差對番茄苗生長的影響，建立多晝溫條件下不同溫差的番茄苗生長管理方案。同時，開展不同品種的晝夜溫差生長評價試驗，發(fā)掘不同品種對不同溫差生長表現(xiàn)的共性與差異性，結合設施溫差調控模型和自動化溫控管理設備，建立番茄苗期智能化溫差管控系統(tǒng)，實現(xiàn)番茄種植的精準管理[13～16]。