起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培對(duì)日光溫室夏季黃瓜根區(qū)溫度、生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

李寶石，劉文科，王奇，邵明杰

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

日光溫室作為北方特有的溫室類型，在國(guó)內(nèi)蔬菜反季節(jié)栽培中占有重要地位［1-2］。然而，由于日光溫室密閉性較好，導(dǎo)致室內(nèi)外空氣流通較差，加之夏季光照充足，易造成室內(nèi)高溫，形成高溫脅迫，不利于蔬菜生長(zhǎng)［3-5］。因此，發(fā)展日光溫室低碳節(jié)能的降溫措施對(duì)保證蔬菜安全越夏、實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)具有重要意義。

土壤起壟栽培是傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式［6-7］，然而由于溫室內(nèi)長(zhǎng)期土壤栽培極易造成連作障礙、次生鹽漬化和地下水污染等問題［8-10］，成為制約溫室蔬菜生產(chǎn)的主要瓶頸。基質(zhì)栽培作為解決土壤連作障礙、次生鹽漬化等問題的一種栽培方式，逐漸得到推廣和應(yīng)用［11］。但是，基質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)導(dǎo)致其穩(wěn)定性較差［12-13］，在夏季高溫階段對(duì)植株生長(zhǎng)非常不利［5］。因此，針對(duì)溫室蔬菜栽培過程中的問題，結(jié)合土壤栽培和基質(zhì)栽培各自的優(yōu)勢(shì)，傅國(guó)海等［13］提出了一種新的無(wú)土栽培方法——起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培（soil-ridgesubstrate-embedded cultivation，SSC）。前期研究表明，該方法充分利用了土壤的根區(qū)緩沖能力，且發(fā)揮了基質(zhì)栽培高產(chǎn)高效的優(yōu)勢(shì)［14］。此外，相對(duì)基質(zhì)栽培，起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培能夠使根區(qū)溫度降低1.5℃，說(shuō)明其具有一定的降溫效果［15］。

李宗耕等［16］和胡廣榮等［17］研究指出，不同栽培壟的高度和寬度對(duì)作物根區(qū)溫度的響應(yīng)不同，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)。然而前人并未探究栽培壟規(guī)格對(duì)夏季蔬菜栽培根區(qū)溫度和生產(chǎn)性能的影響。因此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，通過覆蓋銀色地膜及對(duì)SSC的壟設(shè)置不同規(guī)格，研究適宜夏季栽培的SSC壟規(guī)格，從而為起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培方式的推廣和應(yīng)用提供科學(xué)的參數(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地概況

選取黃瓜品種“中農(nóng)19號(hào)”為試驗(yàn)材料，采取穴盤育苗，育至兩葉一心時(shí)，于2019年4月29日定植于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所試驗(yàn)基地（北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)，E 116.91°，N 40.08°）的日光溫室中。溫室0—20 cm土層土壤的養(yǎng)分含量為：有機(jī)質(zhì)14.31 g·kg-1、全氮1.17 g·kg-1、氨態(tài)氮3.15 mg·kg-1、硝態(tài)氮147.47 mg·kg-1、速效鉀 128.08 mg·kg-1、速效磷1.22 mg·kg-1，pH 7.19。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，分別為：上底寬20 cm、下底寬40 cm、高10 cm的傳統(tǒng)土壤壟栽培（SR處理，對(duì)照）；上底寬20 cm、下底寬40 cm、高15 cm的起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（SSC處理）；上底寬20 cm、下底寬40 cm、高10 cm的起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（SSCs處理）；上底寬30 cm、下底寬40 cm、高10 cm的起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（SSB處理）。起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培即將特別定制的基質(zhì)栽培槽嵌在土壟中，槽內(nèi)放置塑料薄膜后裝入按體積比混合均勻的基質(zhì)（草炭∶蛭石∶珍珠巖=2∶1∶1，體積比）。SSC栽培結(jié)構(gòu)參照傅國(guó)海等［14］方法。各處理均采用全營(yíng)養(yǎng)液滴灌（Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，pH 6.5）。植株生長(zhǎng)前30 d，每天11：00滴灌1 min；植株生長(zhǎng)30 d后，每天11：00滴灌 2 min，13：00滴灌2 min。為進(jìn)一步降低根區(qū)溫度，在各處理壟表面均覆蓋1層銀色反光地膜，薄膜厚度為0.02 mm。各處理壟長(zhǎng)均為3 m，每壟種植10株黃瓜，株距30 cm，行距20 cm，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

在黃瓜整個(gè)生長(zhǎng)季，采用美國(guó)生產(chǎn)的CR1000數(shù)據(jù)采集器和T型熱電偶線測(cè)定根區(qū)土壤或基質(zhì)的溫度及室內(nèi)外空氣溫度，每10 min采集一次數(shù)據(jù)。其中，根區(qū)測(cè)點(diǎn)位于壟中心5 cm深處；室內(nèi)、外溫度測(cè)點(diǎn)位于小區(qū)上方2 m高處，并將測(cè)點(diǎn)置于防輻射罩內(nèi)，避免太陽(yáng)直射。選取黃瓜采收期（6月4日—8日、7月4日—8日）連續(xù)5 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取連續(xù)5 d的平均值作為測(cè)定溫度，以減小天氣突變?cè)斐傻恼`差。并根據(jù)日出時(shí)間將5：00—20：00 定為白天，20：00—5：00（次日）定為夜間。

于定植后25 d和50 d時(shí)進(jìn)行黃瓜生長(zhǎng)及生理指標(biāo)的測(cè)定。采用游標(biāo)卡尺測(cè)定莖粗（cm），直尺測(cè)定株高（cm）；采用SPAD葉綠素儀測(cè)定黃瓜葉片SPAD值；計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)葉片數(shù)。

于定植后50 d每個(gè)處理選取5株黃瓜植株開始采收，以后每隔3～5 d采收一次，對(duì)每次采收果實(shí)的鮮重進(jìn)行累加，即為該處理黃瓜的單株產(chǎn)量（kg·株-1），并進(jìn)一步折算為產(chǎn)量（kg·m-2）。從6月17日采收的果實(shí)中每處理選取10根果實(shí)，測(cè)定果實(shí)的長(zhǎng)度（cm）、直徑（cm）和單果重（g）。于7月12日測(cè)產(chǎn)結(jié)束后進(jìn)行拉秧，分別將選取5株植株的地上部和根系用電熱鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9620-A）于105℃殺青2 h后，80℃烘干至恒重，測(cè)定黃瓜植株地上部和根系干重（g）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 25.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室6月和7月室內(nèi)、外的氣溫變化

從圖1可知，2019年6月4—8日和7月4—8日室內(nèi)外溫度峰值變化相似，每日最高氣溫出現(xiàn)在13：00左右，最低氣溫出現(xiàn)在6：00左右，且室內(nèi)氣溫隨室外氣溫的變化而同步發(fā)生變化。7月4—8日出現(xiàn)的極端高溫（＞40℃）天數(shù)多于6月4—8日。6月份白天室內(nèi)氣溫的平均值為29.1℃，夜間室內(nèi)氣溫的平均值為26.5℃；5 d中室內(nèi)最高氣溫范圍為31.9～43.4℃，最低氣溫范圍為18.0～20.6℃。5個(gè)晝夜中室外的平均氣溫為23.9℃，白天室外氣溫的平均值為26.5℃，夜間室外氣溫的平均值為20.2℃；5 d中室外最高氣溫范圍為25.9～37.0℃，最低氣溫范圍為16.1～17.5℃。

圖1 6月4—8日和7月4—8日日光溫室室內(nèi)外的氣溫變化Fig.1 Changes of air temperature in Chinese solar greenhouse during June 4—8 and July 4—8

7月份5個(gè)連續(xù)晝夜中室內(nèi)氣溫的平均值為28.4℃，白天室內(nèi)氣溫的平均值為31.4℃，夜間室內(nèi)氣溫的平均值為24.1℃；5 d中室內(nèi)最高氣溫范圍為34.4～42.4℃，最低氣溫范圍為20.0～22.9℃。5個(gè)晝夜中室外氣溫的平均值為26.0℃，白天室外氣溫的平均值為28.7℃，夜間室外氣溫的平均值為22.2℃；5 d中室外最高氣溫范圍為31.0～41.0℃，最低氣溫范圍為18.0～20.9℃。

2.2 不同栽培模式對(duì)黃瓜根區(qū)溫度的影響

如表1所示，6月4—8日SSC和SSB處理白天根區(qū)的平均溫度略高于SR處理，表明在白天室內(nèi)氣溫較高時(shí)，基質(zhì)對(duì)高溫的緩沖能力較弱，溫度隨氣溫上升較快。在7月4—8日5個(gè)連續(xù)晝夜中，SR、SSC、SSCs和SSB處理白天根區(qū)的平均溫度分別為27.8、27.5、27.5和27.8℃，4種處理間無(wú)顯著差異。在6月4—8日夜間時(shí)段，SSC、SSCs和SSB處理根區(qū)的平均溫度高于SR處理，其中，SSC處理顯著高于SR處理，說(shuō)明起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培模式有利于維持根區(qū)溫度。6月4—8日，SR、SSC、SSCs和SSB處理根區(qū)的最高溫平均值分別為29.5、30.1、27.9和 31.2 ℃，即 SSB＞SSC＞SR＞SSCs說(shuō)明SSB處理對(duì)較高氣溫的緩沖能力較差，SSCs處理的緩沖能力較強(qiáng)；7月4—8日也表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。6月4—8日，SR、SSC、SSCs和SSB處理根區(qū)的最低溫平均值分別為22.9、24.3、24.2和23.9℃，即SSC＞SSCs＞SSB＞SR，且3種起壟內(nèi)嵌基質(zhì)處理均顯著高于SR處理；7月4—8日也表現(xiàn)類似的結(jié)果。對(duì)比最高溫與最低溫的差值表明，無(wú)論是6月還是7月，SSC和SSCs處理的溫差均小于其他兩種處理，但處理間差異不顯著。

表1 4種栽培方式下6月4—8日和7月4—8日黃瓜根區(qū)的平均溫度Table 1 Average temperature of root zone under 4 cultivated patterns during June 4—8 and July 4—8 （℃）

2.3 不同栽培模式對(duì)黃瓜生長(zhǎng)及生理指標(biāo)的影響

不同栽培模式對(duì)黃瓜生長(zhǎng)發(fā)育具有顯著影響（表2）。定植25 d，SSC、SSCs和SSB處理的株高均顯著高于SR處理，SSB處理又顯著高于SSC和SSCs處理；4種處理的莖粗均無(wú)顯著差異；SSC和SSB處理的葉片SPAD值顯著高于SR處理；SSCs和SSB處理的葉片數(shù)顯著高于SR處理。定植50 d，SSC、SSCs和SSB處理的株高、莖粗、SPAD和葉片數(shù)均顯著高于SR處理；SSCs和SSB處理的葉片SPAD值顯著高于SR處理。由此表明，土壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培對(duì)黃瓜生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。

表2 不同栽培模式下黃瓜的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)Table 2 Growth and physiological indicators of cucumber in different cultivation patterns

2.4 不同栽培模式對(duì)黃瓜生物量與果實(shí)產(chǎn)量的影響

不同栽培模式對(duì)黃瓜生物量具有顯著影響（表3）。SSC、SSCs和SSB處理黃瓜植株的地上部干重顯著高于SR處理，說(shuō)明土壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培促進(jìn)了黃瓜生長(zhǎng)，增加了地上部干物質(zhì)的積累。SSCs和SSB處理的根系干重顯著高于SSC和SR處理，其中，SSCs處理較SR處理顯著提高了66.06%，說(shuō)明起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培更利于黃瓜根系的生長(zhǎng)。SSCs處理黃瓜的果實(shí)長(zhǎng)度顯著大于SR處理。各處理間果實(shí)直徑無(wú)顯著差異。SSC和SSCs處理的單果重顯著高于SR和SSB處理，最終，SSC和SSCs處理的單株產(chǎn)量也顯著高于SR和SSB處理，分別較SR處理提高了6.4%和7.0%。由此表明，土壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培更有利于黃瓜生長(zhǎng)，提高黃瓜產(chǎn)量。

表3 不同栽培模式下黃瓜的生物量、果實(shí)形態(tài)和產(chǎn)量Table 3 Plant biomass，fruit morphology and yield of cucumber in different cultivated patterns

3 討論

孫玉蓮等［18］研究認(rèn)為，采用全膜雙壟溝播的栽種模式對(duì)旱區(qū)玉米田的土壤水分和溫度具有調(diào)節(jié)作用。傅國(guó)海等［7］研究認(rèn)為，優(yōu)化土壟參數(shù)可有效改變?nèi)展鉁厥抑刑鸾犯鶇^(qū)溫度。Miles等［19］研究表明，在夏季應(yīng)用黑色地膜較白色地膜能夠降低膜下溫度和根區(qū)溫度。李宗耕等［20］研究指出，夏季日光溫室中使用銀色反光地膜相比黑色地膜不僅能夠降低根區(qū)溫度，還有利于維持根區(qū)溫度的穩(wěn)定性。此外，SSC作為一種新型的無(wú)土栽培模式，結(jié)合銀色反光地膜不僅能夠提高外側(cè)土壤溫度的緩沖能力，還能夠起到隔熱降溫的作用［21］。本研究結(jié)果表明，起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培模式能夠有效緩沖黃瓜根區(qū)溫度。與SR處理相比，3種起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培模式處理的溫度緩沖效果接近或優(yōu)于土壤栽培，該方法可作為夏季日光溫室蔬菜的新型無(wú)土栽培方式［14］。栽培壟的高度對(duì)根區(qū)溫度的影響表現(xiàn)為：壟高15 cm的SSC處理白天的平均溫度和最高溫度均高于壟高10 cm的SSCs和SSB處理，可能是由于栽培壟的升高，增加了受熱面積，接收到的太陽(yáng)輻射也越多，從而使根區(qū)溫度較高［22］。因此，適當(dāng)降低壟高有利于降低根區(qū)溫度。壟寬越寬，黃瓜根區(qū)溫度越高，可能是由于基質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差［23］。根區(qū)溫度變化受外界環(huán)境影響較大，根區(qū)基質(zhì)的受熱面積增加，接受的太陽(yáng)輻射越多，而基質(zhì)本身對(duì)于高溫的緩沖能力較差，因此內(nèi)嵌基質(zhì)栽培模式的壟寬對(duì)根區(qū)溫度的影響較為明顯［16］。

不同壟規(guī)格的起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培對(duì)黃瓜生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)顯著影響，但對(duì)產(chǎn)量有顯著影響。SSC和SSCs處理的單株產(chǎn)量也顯著高于SR和SSB處理，且以壟高10 cm的SSCs處理產(chǎn)量最高。與起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培相比，土壤栽培更容易造成養(yǎng)分向深處淋溶，無(wú)法將養(yǎng)分截留在根系能夠吸收的區(qū)域，導(dǎo)致根區(qū)養(yǎng)分不足，最終影響產(chǎn)量［11，16］。與 SSC處理相比，SSCs處理降低了壟高，有利于黃瓜根系對(duì)累積于壟底部養(yǎng)分的吸收和利用，從而提高黃瓜產(chǎn)量［16］。

綜上所述，起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培（SSC）結(jié)合銀色反光地膜能有效增強(qiáng)土壤對(duì)氣溫變化的緩沖能力，顯著提高黃瓜產(chǎn)量，其中以壟高10 cm的起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培模式對(duì)產(chǎn)量的提高最為顯著，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。因此，以壟高10 cm的起壟內(nèi)嵌基質(zhì)栽培結(jié)合銀色地膜在日光溫室夏季生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。