覆膜種類對夏季日光溫室起壟內嵌式基質栽培根區溫熱的影響
作者: 李宗耕，傅國海，劉文科 時間: 2024-03-25
【摘要】夏季在日光溫室中采用新型栽培方式起壟內嵌式基質栽培法種植番茄，探究黑色、灰色反光和銀色反光地膜3種不同覆膜種類對新型栽培方式根區溫熱的影響，并對其降溫性能做出評價。結果表明，夏季日光溫室內白天氣溫高于根區溫度，夜間氣溫低于根區溫度，室內溫度的日變化大；銀色地膜隔熱性能較好，根區溫度日變化平緩，降溫效果顯著；黑色地膜隔熱性能差，根區溫度日變化劇烈，降溫效果差。熱通量在不同地膜不同根區位置的吸放熱也有所不同，在根區表面，以黑色地膜吸放熱最為劇烈；在根區中部和底部，均以灰色地膜吸熱最為劇烈。
日光溫室是中國特有的溫室類型，不僅成功解決了中國北方地區冬春蔬菜短缺和周年均衡供應的難題，也為農業增效、農民增收和農村經濟的發展做出了積極貢獻。日光溫室因其具有良好的蓄熱保溫和節能高效的性能可在不加溫條件下進行果菜反季節生產，解決了中國北方冬季蔬菜生產問題，得到大面積的推廣應用。目前，日光溫室多以傳統的土壤栽培為主，這種栽培方式不僅產量低、連作障礙嚴重，而且存在諸多問題。比如，長期土壤栽培過程中，過量的水肥和農藥投入導致資源浪費和生態環境污染。而且在冬春季日光溫室蔬菜生產中，低溫脅迫是影響作物生長的重要環境因素。在冬季極端低溫環境下溫室內作物光合作用等一系列生理活動受到抑制，導致生長減緩和產量降低。針對日光溫室栽培過程中出現的冬季低溫脅迫和土壤栽培帶來的低產及一系列環境問題，有學者以增加晚間日光溫室作物根區溫度和提升產量為目標，基于土壤栽培根區環境穩定與基質栽培高產的優點提出了一種新的栽培方法--土壟內嵌式基質栽培方法中。前期的研究表明，相對于土壟栽培，在早春低溫環境下采用起壟內嵌式基質栽培方法進行甜椒栽培能夠提高夜間最低根區溫度2.15℃提高甜椒產量50% 以上[2-3]。
然而，該方法如何用于夏季日光溫室蔬菜生產是另外一個需要解決的問題。由于溫室的封閉性能好，空氣流通不暢，加之夏季陽光充足溫室效應加劇，溫度極易升高，形成高溫脅迫。不利于作物生長。而實際生產中，夏季日光室通常會選擇休茬來避過高溫脅迫期，但長間的休茬會造成設施用地及設備閑置，不僅影響投資者收益，也極大浪費了土地資源。為了保證溫室作物安全越夏，實現高效、優質周年生產，發展日光溫室低碳節能的降溫措施是必不可缺的重要環節。前人研究表明，設施栽培過程中，作物對根區溫度的響應比對空氣溫度更為敏感。此外，根區溫度調控作為一種局部溫度調控措施，相比冠層溫度調控更加節能高效。傅國海等研究表明，在夏季相同覆膜情況下，利用土壤內嵌基質栽培的方法能夠充分發揮土壤的溫度緩沖作用，同時又能充分發揮基質栽培高產高效的優點；土壟內嵌基質栽培方法相對基質栽培能夠降低根區溫度1.5℃左右，與土壟處理的根區溫度相近，說明土壟內嵌基質栽培具有一定的降溫效果。本試驗在前期研究的基礎上，通過對起壟內嵌式基質栽培覆蓋3種不同地膜，分析其對該種栽培方法根區降溫性能的影響，篩選出適合夏季生產使用的起壟內嵌式基質栽培的地膜種類，保證溫室作物安全越夏。
材料與方法
試驗材料
試驗在北京市順義區大孫各莊鎮的日光溫室中進行，溫室長60m，跨度8m，脊高3.8m。試驗小區距溫室最南端2m，距西側山墻4m。供試作物為番茄(Lycopersicon esculentum Miller)穴盤育苗，2葉1心時移栽定植。番茄栽培采用起壟內嵌式基質栽培(soil-ridgedsubstrateembedded cultivation,簡稱SSC)方式，全營養液滴灌方法。起壟內嵌基質栽培(SSC)方式為：
在一定規格的鐵絲網槽內鋪上相同的塑料薄膜，膜的側面下方打孔便于水熱交換，沿南北方向擺放整齊，裝入按比例均勻混合的栽培基質(草炭：蛭石：珍珠巖=3:2:1);然后在栽培槽四周按照一定的標準培土起壟，將栽培槽嵌在土壟中，外側培土后覆蓋地膜，形成起壟內嵌基質栽培(SSC)模式，具體結構見圖15-6。該試驗采用鐵絲網槽的規格為長x寬x高=300cmx10cmx15cm，塑料膜的厚度為0.12mm，塑料薄膜側面通氣孔距離底部5cm，孔徑1cm，孔距 10 cm。
試驗設計
采用起壟內嵌式基質栽培方式栽培番茄，在栽培壟上覆蓋黑色地膜、灰色反光膜和銀色反光膜3種不同的覆蓋處理，每個處理重復2次，處理間相距40cm，處理內相距20cm，邊界設置保護行，處理在試驗小區內隨機排列。
測定方法
試驗采用國產智能溫度記錄儀和YM-RT型土壤熱通量采集器來監測根區溫度和熱量的變化。其中1個溫度探頭設在日光溫室內部，測點布置在距西側山墻10m、距溫室南端3m垂直距離地面2m處，測定日光溫室內部空氣溫度，測點設置要避光通風，鋁箔紙包蓋，避免太陽輻射干擾，另外在每個處理的壟中心部位埋設1個溫度探頭監測根區溫度變化，埋設深度為7.5cm。此外在每個處理根區基質的表面、中部和底部分別各放置1塊熱通量板，來檢測根區基質不同部位的熱量變化。數據采集頻率為1次/10min，選取2017年7月26~30日連續5天數據進行分析。
試驗結果
SSC 壟不同覆膜類型對根區溫度變化的影響
由圖3可知，連續5天中溫室內空氣溫度變化最為劇烈，白天溫度高于根區溫度，夜間溫度低于根區溫度。3種地膜覆蓋下根區溫度日變化以黑色地膜的變化最劇烈，黑色地膜根區溫度最高，灰色地膜次之，銀色地膜根區溫度最低，說明黑色地膜降溫效果較差，銀色地膜降溫效果最為明顯，具有較好的隔熱效果。此外，3種膜下根區夜間溫度以黑色地膜最低，銀色和灰色地膜夜間根區溫度差異不明顯。5天中黑色、灰色和銀色地膜最高溫度平均值與最低溫度的平均值的差值分別為7.21、4.59、3.63℃，表明黑色地膜根區溫度的日變化比較劇烈，白天溫度高，夜間溫度低，而銀色地膜的根區日溫度變化比較平緩。白天根區接收熱量多能快速提升根區溫度，而夜間時，根區溫度快速下降，說明黑色地膜的傳熱性能較好，隔熱性能較差，而灰色和銀色反光膜的隔熱性能較好，白天高溫時段可以隔絕熱量向根區的傳遞，而夜間低溫時又可以很好的將熱量保持在根區，從而維持根區溫度的穩定性SSC 壟不同覆膜類型對根區不同部位熱通量影響由圖4可知，5天中3個處理熱通量具有明顯的日變化，一天中黑色地膜和銀色地膜在7:30~17:00吸收熱量，而在17:00~7:30由根區放出熱量;而銀色地膜一天中基本都處于吸收熱量的狀態，在夜間熱通量變化趨近于0，說明此時段根區溫度和棚內溫度基本相同。此外，黑色地膜根區表面熱通量日變化吸放熱最為劇烈銀色和灰色地膜覆蓋下根區表面熱通量日變化較為平緩。
由圖5中可知，3種地膜覆蓋下根區中部熱通量具有明顯的日變化，其中灰色地膜覆蓋下，8:10~18:20由根區上層基質向下傳遞熱量，而18:20~20:10由下層基質向上層傳遞熱量;銀色和黑色地膜10:30~17:40由根區上層基質向下層基質傳遞熱量，17:40~10:30由根區下層基質向上層基質傳遞熱量。白天階段，3種地膜以灰色地膜覆蓋下由上層基質向下層基質傳熱最為劇烈，以銀色地膜覆蓋下由上層向下層傳遞熱量最為平緩。夜間階段，以黑色地膜覆蓋下根區下層基質向上層基質傳熱最為劇烈，以灰色地膜覆蓋下根區下層基質向上層基質傳熱最為平瀝霏鉞羨緩。
由圖6可知，5天中灰色地膜的覆蓋下根區底部熱通量具有明顯的日變化，在10:00~22:00由根區層向根區底部傳熱，而在22:00~10:00熱通量數值為負值，說明此時段由壟底部土壤向根區基質傳遞熱量;而5天中黑色地膜和銀色地膜基本一直處于吸熱狀態，說明根區基質的溫度一直高于壟底部土壤的溫度。
討論與結論
試驗結果表明，黑色地膜根區白天平均溫度比灰色和銀色地膜根區白天平均溫度分別高出1.1、1.5℃，而夜間平均溫度比灰色地膜和銀色地膜分別低1.0、0.7℃，此外，銀色地膜覆蓋下根區最高溫度與最低溫度差值小，有利于維持根區溫度的穩定性;黑色地膜覆蓋下根區最高溫度與最低溫度差值大，根區溫度日變化較為劇烈，溫度緩沖性能差。綜上所述，黑色、灰色和銀色3種不同的降溫性能，以銀色反光膜降溫效果最為顯著，以黑色地膜降溫效果最差。
熱通量方面，根區表面熱通量以黑色地膜覆蓋下吸放熱最為劇烈，銀色和灰色地膜覆蓋下根區基質表面熱通量吸放熱較為平穩，二者之間沒有明顯差異;根區基質中部熱通量變化：以灰色地膜覆蓋下根區基質中部吸熱最為劇烈，銀色地膜吸熱最為平緩，以黑色地膜覆蓋下根區基質中部放熱最為劇烈，灰色地膜根區基質中部放熱最為平緩。根區基質底部熱通量變化以灰色地膜覆蓋下根區基質底部熱通量吸放熱最為劇烈，而銀色地膜和黑色地膜覆蓋下根區基質底部基本一直處在吸熱狀態。以土壟內嵌基質栽培方法為基礎，通過覆蓋反光隔熱型地膜能夠進一步降低栽培壟根區溫度，為作物生長提供較為適宜的根區溫度環境，可對基質栽培在日光溫室夏季生產中的應用發揮重大作用。
日光溫室是中國特有的溫室類型，不僅成功解決了中國北方地區冬春蔬菜短缺和周年均衡供應的難題，也為農業增效、農民增收和農村經濟的發展做出了積極貢獻。日光溫室因其具有良好的蓄熱保溫和節能高效的性能可在不加溫條件下進行果菜反季節生產，解決了中國北方冬季蔬菜生產問題，得到大面積的推廣應用。目前，日光溫室多以傳統的土壤栽培為主，這種栽培方式不僅產量低、連作障礙嚴重，而且存在諸多問題。比如，長期土壤栽培過程中，過量的水肥和農藥投入導致資源浪費和生態環境污染。而且在冬春季日光溫室蔬菜生產中，低溫脅迫是影響作物生長的重要環境因素。在冬季極端低溫環境下溫室內作物光合作用等一系列生理活動受到抑制，導致生長減緩和產量降低。針對日光溫室栽培過程中出現的冬季低溫脅迫和土壤栽培帶來的低產及一系列環境問題，有學者以增加晚間日光溫室作物根區溫度和提升產量為目標，基于土壤栽培根區環境穩定與基質栽培高產的優點提出了一種新的栽培方法--土壟內嵌式基質栽培方法中。前期的研究表明，相對于土壟栽培，在早春低溫環境下采用起壟內嵌式基質栽培方法進行甜椒栽培能夠提高夜間最低根區溫度2.15℃提高甜椒產量50% 以上[2-3]。
然而，該方法如何用于夏季日光溫室蔬菜生產是另外一個需要解決的問題。由于溫室的封閉性能好，空氣流通不暢，加之夏季陽光充足溫室效應加劇，溫度極易升高，形成高溫脅迫。不利于作物生長。而實際生產中，夏季日光室通常會選擇休茬來避過高溫脅迫期，但長間的休茬會造成設施用地及設備閑置，不僅影響投資者收益，也極大浪費了土地資源。為了保證溫室作物安全越夏，實現高效、優質周年生產，發展日光溫室低碳節能的降溫措施是必不可缺的重要環節。前人研究表明，設施栽培過程中，作物對根區溫度的響應比對空氣溫度更為敏感。此外，根區溫度調控作為一種局部溫度調控措施，相比冠層溫度調控更加節能高效。傅國海等研究表明，在夏季相同覆膜情況下，利用土壤內嵌基質栽培的方法能夠充分發揮土壤的溫度緩沖作用，同時又能充分發揮基質栽培高產高效的優點；土壟內嵌基質栽培方法相對基質栽培能夠降低根區溫度1.5℃左右，與土壟處理的根區溫度相近，說明土壟內嵌基質栽培具有一定的降溫效果。本試驗在前期研究的基礎上，通過對起壟內嵌式基質栽培覆蓋3種不同地膜，分析其對該種栽培方法根區降溫性能的影響，篩選出適合夏季生產使用的起壟內嵌式基質栽培的地膜種類，保證溫室作物安全越夏。
材料與方法
試驗材料
試驗在北京市順義區大孫各莊鎮的日光溫室中進行，溫室長60m，跨度8m，脊高3.8m。試驗小區距溫室最南端2m，距西側山墻4m。供試作物為番茄(Lycopersicon esculentum Miller)穴盤育苗，2葉1心時移栽定植。番茄栽培采用起壟內嵌式基質栽培(soil-ridgedsubstrateembedded cultivation,簡稱SSC)方式，全營養液滴灌方法。起壟內嵌基質栽培(SSC)方式為：
在一定規格的鐵絲網槽內鋪上相同的塑料薄膜，膜的側面下方打孔便于水熱交換，沿南北方向擺放整齊，裝入按比例均勻混合的栽培基質(草炭：蛭石：珍珠巖=3:2:1);然后在栽培槽四周按照一定的標準培土起壟，將栽培槽嵌在土壟中，外側培土后覆蓋地膜，形成起壟內嵌基質栽培(SSC)模式，具體結構見圖15-6。該試驗采用鐵絲網槽的規格為長x寬x高=300cmx10cmx15cm，塑料膜的厚度為0.12mm，塑料薄膜側面通氣孔距離底部5cm，孔徑1cm，孔距 10 cm。
試驗設計
采用起壟內嵌式基質栽培方式栽培番茄，在栽培壟上覆蓋黑色地膜、灰色反光膜和銀色反光膜3種不同的覆蓋處理，每個處理重復2次，處理間相距40cm，處理內相距20cm，邊界設置保護行，處理在試驗小區內隨機排列。
測定方法
試驗采用國產智能溫度記錄儀和YM-RT型土壤熱通量采集器來監測根區溫度和熱量的變化。其中1個溫度探頭設在日光溫室內部，測點布置在距西側山墻10m、距溫室南端3m垂直距離地面2m處，測定日光溫室內部空氣溫度，測點設置要避光通風，鋁箔紙包蓋，避免太陽輻射干擾，另外在每個處理的壟中心部位埋設1個溫度探頭監測根區溫度變化，埋設深度為7.5cm。此外在每個處理根區基質的表面、中部和底部分別各放置1塊熱通量板，來檢測根區基質不同部位的熱量變化。數據采集頻率為1次/10min，選取2017年7月26~30日連續5天數據進行分析。
試驗結果
SSC 壟不同覆膜類型對根區溫度變化的影響
由圖3可知，連續5天中溫室內空氣溫度變化最為劇烈，白天溫度高于根區溫度，夜間溫度低于根區溫度。3種地膜覆蓋下根區溫度日變化以黑色地膜的變化最劇烈，黑色地膜根區溫度最高，灰色地膜次之，銀色地膜根區溫度最低，說明黑色地膜降溫效果較差，銀色地膜降溫效果最為明顯，具有較好的隔熱效果。此外，3種膜下根區夜間溫度以黑色地膜最低，銀色和灰色地膜夜間根區溫度差異不明顯。5天中黑色、灰色和銀色地膜最高溫度平均值與最低溫度的平均值的差值分別為7.21、4.59、3.63℃，表明黑色地膜根區溫度的日變化比較劇烈，白天溫度高，夜間溫度低，而銀色地膜的根區日溫度變化比較平緩。白天根區接收熱量多能快速提升根區溫度，而夜間時，根區溫度快速下降，說明黑色地膜的傳熱性能較好，隔熱性能較差，而灰色和銀色反光膜的隔熱性能較好，白天高溫時段可以隔絕熱量向根區的傳遞，而夜間低溫時又可以很好的將熱量保持在根區，從而維持根區溫度的穩定性SSC 壟不同覆膜類型對根區不同部位熱通量影響由圖4可知，5天中3個處理熱通量具有明顯的日變化，一天中黑色地膜和銀色地膜在7:30~17:00吸收熱量，而在17:00~7:30由根區放出熱量;而銀色地膜一天中基本都處于吸收熱量的狀態，在夜間熱通量變化趨近于0，說明此時段根區溫度和棚內溫度基本相同。此外，黑色地膜根區表面熱通量日變化吸放熱最為劇烈銀色和灰色地膜覆蓋下根區表面熱通量日變化較為平緩。
由圖5中可知，3種地膜覆蓋下根區中部熱通量具有明顯的日變化，其中灰色地膜覆蓋下，8:10~18:20由根區上層基質向下傳遞熱量，而18:20~20:10由下層基質向上層傳遞熱量;銀色和黑色地膜10:30~17:40由根區上層基質向下層基質傳遞熱量，17:40~10:30由根區下層基質向上層基質傳遞熱量。白天階段，3種地膜以灰色地膜覆蓋下由上層基質向下層基質傳熱最為劇烈，以銀色地膜覆蓋下由上層向下層傳遞熱量最為平緩。夜間階段，以黑色地膜覆蓋下根區下層基質向上層基質傳熱最為劇烈，以灰色地膜覆蓋下根區下層基質向上層基質傳熱最為平瀝霏鉞羨緩。
由圖6可知，5天中灰色地膜的覆蓋下根區底部熱通量具有明顯的日變化，在10:00~22:00由根區層向根區底部傳熱，而在22:00~10:00熱通量數值為負值，說明此時段由壟底部土壤向根區基質傳遞熱量;而5天中黑色地膜和銀色地膜基本一直處于吸熱狀態，說明根區基質的溫度一直高于壟底部土壤的溫度。
討論與結論
試驗結果表明，黑色地膜根區白天平均溫度比灰色和銀色地膜根區白天平均溫度分別高出1.1、1.5℃，而夜間平均溫度比灰色地膜和銀色地膜分別低1.0、0.7℃，此外，銀色地膜覆蓋下根區最高溫度與最低溫度差值小，有利于維持根區溫度的穩定性;黑色地膜覆蓋下根區最高溫度與最低溫度差值大，根區溫度日變化較為劇烈，溫度緩沖性能差。綜上所述，黑色、灰色和銀色3種不同的降溫性能，以銀色反光膜降溫效果最為顯著，以黑色地膜降溫效果最差。
熱通量方面，根區表面熱通量以黑色地膜覆蓋下吸放熱最為劇烈，銀色和灰色地膜覆蓋下根區基質表面熱通量吸放熱較為平穩，二者之間沒有明顯差異;根區基質中部熱通量變化：以灰色地膜覆蓋下根區基質中部吸熱最為劇烈，銀色地膜吸熱最為平緩，以黑色地膜覆蓋下根區基質中部放熱最為劇烈，灰色地膜根區基質中部放熱最為平緩。根區基質底部熱通量變化以灰色地膜覆蓋下根區基質底部熱通量吸放熱最為劇烈，而銀色地膜和黑色地膜覆蓋下根區基質底部基本一直處在吸熱狀態。以土壟內嵌基質栽培方法為基礎，通過覆蓋反光隔熱型地膜能夠進一步降低栽培壟根區溫度，為作物生長提供較為適宜的根區溫度環境，可對基質栽培在日光溫室夏季生產中的應用發揮重大作用。