土垄内嵌基质栽培方式对日光温室春甜椒的降温增产效应*

傅国海，刘文科（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081）



土垄内嵌基质栽培方式对日光温室春甜椒的降温增产效应*

傅国海，刘文科**
（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081）

摘要：本文提出土垄内嵌基质的栽培方式以缓解日光温室春甜椒生长季遭受的高温影响。通过设置土垄栽培（S处理）、土垄嵌PE槽基质栽培（P处理）、土垄嵌铁丝网槽基质栽培（W处理）3种处理，以单纯PE槽基质栽培（CK）为对照，在春甜椒果实成熟采摘期（5-6月）每日气温较高时段（12：00-16：00）观测各处理根区环境温度，在甜椒不同生育时期观测各处理植株的生长指标及产量并进行比较。结果表明：S、P和W处理的根区温度分别比CK低1.50、2.17和1.47℃，说明P和W处理能够有效缓冲高温时甜椒根区环境温度的升高，且P处理的温度缓冲效果略优于W处理。S、P和W处理甜椒的株高、茎粗、叶绿素含量和地上干鲜重均显著高于CK，能显著促进甜椒生长发育，其中W处理对甜椒生长的促进作用最明显。基质栽培根系鲜重较大，但CK根区高温减少了甜椒地上部和根系干物质积累。此外，第一次采摘时土垄栽培的结实数显著低于其它3个处理，说明基质栽培相对土壤栽培能促进甜椒开花坐果，缩短生育期。W处理结实数、单果重、单株产量、果实大小及单产均显著高于其它处理，其产量为3.78kg·m−2，分别比S、P和CK处理提高80.9%、31.3%和51.8%。总之，土垄嵌铁丝网槽基质栽培能够在有效增强根区温度缓冲能力的前提下，明显提高甜椒产量，在日光温室高温环境生产中具有重要的应用价值。

关键词：日光温室；土垄内嵌基质栽培方式；甜椒；根区温度；温度缓冲能力

傅国海,刘文科.土垄内嵌基质栽培方式对日光温室春甜椒的降温增产效应[J].中国农业气象,2016,37(2):199-205

日光温室是中国独有的设施类型，由于其具有良好的节能高效和蓄热保温性能[1]，能够在降低生产成本的同时维持冬季蔬菜生长所需的环境温度，在北方具有较大规模[2]。截至2014年，栽培面积已超过1×106hm2，约占设施园艺栽培面积的25%，已成为北方设施蔬菜生产中最为重要的形式之一[3]。

日光温室生产多以土壤栽培为主，这种方式不仅产量低而且由于长期覆盖栽培和设施环境内水、热失衡，过量水肥和农药投入等原因[4-5]，易导致资源浪费和生态环境污染[6-8]。另外，温度是影响作物生长的最重要的环境因素之一[9-10]，日光温室内一般无温度调控设备，室内温度易受自然环境影响，容易出现由季节变化和外界环境温度变化造成的冬春季节低温和夏季高温胁迫问题[11-12]。

一般来说，温室内环境空间相对较大，如果进行温度调节需要较大的投入，而且能耗较高；而根区环境空间相对较小，仅对根区温度进行调节消耗的资源和能源相对较少，根区的局部调控会更节能高效。并且，有研究表明，设施作物的生长发育对根区温度比空气温度更为敏感[13]，当空气温度适合作物生长时，根区温度胁迫成为抑制根区生理活动和植物生长发育的主要因素[14-15]，温度胁迫使其茬口安排受到限制，不能实现全年生产，造成产量降低[16-18]。

因此，本文从调节根区环境温度的角度出发，提出一种新型的日光温室栽培方法即土垄内嵌基质栽培方式（Soil ridge substrate-embedded cultivation, SRSC），通过调控根区温度，促进日光温室作物生产。SRSC结合了无土栽培与土壤栽培各自的优势，一方面基质栽培能够有效解决土壤栽培过程中存在的问题[19]，发挥其高产的优势；另一方面通过土壤包被基质，增强了基质环境的稳定性。此外，SRSC还限制根系空间，有效吸收利用水肥；防止水肥渗漏，提高水肥利用率；侧面开孔，增加根区通气性；结合滴灌系统使用，减少水肥资源投入，最终解决日光温室突出的资源环境和产量低等问题。本试验以春甜椒为材料，探究SRSC新型栽培方法对其生长季温度较高阶段根区温度、生长和产量的影响，以期为实际生产应用提供理论支持和技术支撑。

1　材料与方法

1.1试验设置

试验在北京市顺义区大孙各庄镇的日光温室中进行，温室长60m，跨度8m，脊高3.8m。小区长10m，宽3m，小区距温室最南端1.5m，距西侧山墙4m。供试作物为甜椒（Capsicum annuum L.），品种为海丰16号，穴盘育苗，三叶一心时定植，株距30cm，行距67cm，定植时间为2015年3月20日。

试验采取起垄覆膜方式，即土垄内嵌基质栽培（Soil ridge substrate-embedded cultivation, SRSC，如图1所示），即将特别设计的基质栽培槽嵌在一定规格的土垄中，槽内装入按体积比例混合均匀的栽培基质（草炭:蛭石:珍珠岩=1:1:1），培垄完成后，垄表覆盖地膜（厚度为0.06mm）。垄的上底宽22cm，下底宽42cm，高15cm。试验设计了两种栽培槽即PE栽培槽和铁丝网槽加铺塑膜栽培槽。PE栽培槽壁厚为2mm；铁丝网槽孔径2.5cm，槽内铺设塑料薄膜，厚度为0.12mm。栽培槽的规格均为120cm（长）×12cm（宽）×16cm（高），并于两种栽培槽侧面（四周）距底部5cm处打两行孔，孔径1cm，左右孔距5cm，上下孔距2.5cm，交叉排布，其中嵌膜栽培槽在塑料膜上打孔，打孔位置与PE栽培槽相同。试验采用全营养液滴灌的方法栽培甜椒。

图1　土垄内嵌基质栽培方式结构示意图Fig. 1　The sketch map of soil ridge substrate-embedded cultivation method

试验共设置4个处理，其中3个处理为起垄加地表覆膜种植，但各处理垄内情况略有不同。处理1为均质土垄（S），处理2为土垄内嵌入PE栽培槽，槽内放置栽培基质（P），处理3为土垄内嵌入铁丝网栽培槽，槽内覆膜并放置栽培基质（W）；处理4为对照（CK），为日光温室常用无土栽培模式即PE栽培槽（规格同处理2），直接放置于土壤表面并覆膜。每个处理设置3个重复栽培行，每行栽种8株甜椒，各处理行自东向西依次排列，栽培过程中各处理水肥管理一致。

1.2项目观测

在甜椒整个生长季，试验采用国产YM-CJ型智能土壤温度记录仪（记录仪精度±0.05℃）采集根区土壤或基质的温度及室内外空气温度，根区测点位于垄中心位置10cm深处，室内温度测点位于试验小区上方2m高处，测点避光；室外温度测点位于室外通风避光处，数据采集时间间隔为20min。在结果-采收期（5月10日-6月14日）每日高温阶段即12：00-16：00采集日光温室内外气温及栽培垄作物根区的温度。取连续5d平均值作为测定温度，以减小天气突变造成的误差。

对甜椒不同生育期各生长发育指标进行测定。利用直尺测定株高，即甜椒基部至生长点的距离，测定时间分别为定植后25、50和80d；用游标卡尺测定甜椒成熟果实大小（直径和长度，直径为甜椒中间部位的直径），测定时间为定植后80d（采收期）；采用SPAD叶绿素仪测定叶片的叶绿素含量，测定时间分别为定植后25、50和80d；计数法分别计数总果实数和成熟果实数，测定时期为6月10日（第一次采收期）；采用称量法测定果实重量（分两次间隔7d采收，累加产量）及植株干鲜重（台秤精度±1g，天平精度±0.01g），单位面积产量=处理小区总产量/处理小区面积。采用Excel2003 和SAS9.0进行数据分析和作图。

2　结果与分析

2.1土垄内嵌基质栽培方式对甜椒根区基质温度的影响

由图2可见，甜椒结果期（5-6月）温室内外的5d高温时段的平均温度均较高，且室内温度达30℃以上，始终高于室外。在整个观测期内，各处理以高温时段常用无土栽培模式即PE栽培槽内（CK处理）植株根区的基质温度最高，说明无土栽培甜椒根区在外界高温环境下温度较高，对生产不利。相对的，两种土垄内嵌基质栽培方式中，高温时段P处理根区基质平均温度则相对较低，比CK平均低2.17℃，而W处理比CK平均低1.47℃，因此可以看出，高温时段，PE栽培槽的高温缓冲效果比铁丝网内铺置塑料膜的方式效果稍好，可能是由于PE槽较厚槽壁影响热量传导造成的；而不用基质直接用土壤栽培即S处理其根区温度比CK平均低1.5℃。说明两种土垄内嵌基质栽培方法高温缓冲能力优于或接近土壤的高温缓冲能力，明显强于常用无土栽培模式即PE栽培槽（CK处理），可以实现夏季温度较高环境下基质栽培替代土壤栽培的目的。

图2　甜椒结果期温室内外(a)以及不同处理根区(b)每5d平均温度变化过程Fig. 2　Change process of average temperature each 5 days inside and outside greenhouse(a) and root zone under different treatments(b) during sweet pepper ripening stage

2.2土垄内嵌基质栽培方式对甜椒植株生长的影响

由表1、图3可知，4种处理对甜椒生长发育的影响存在差异。由表1可知，S、P和W处理甜椒植株茎粗、株高、叶绿素含量和地上干鲜重均显著高于CK，说明CK显著抑制了甜椒的生长，减少了地上部干物质积累，这可能是由于根区温度过高影响了甜椒的生长发育；S处理根系鲜重显著低于其它3个处理，而CK根系干重显著低于其它3个处理，说明基质栽培相较土壤栽培促进了甜椒根系生长，根系含水分较多，而根系高温减少了根系干物质的积累，从而导致CK根系干物质量较低。由图3可知，定植后的前50d，P、CK和W处理甜椒长势基本一致，生长快于S，说明基质栽培对甜椒生长具有促进作用；定植50d后，S栽培甜椒生长加快，株高迅速增加，而CK栽培甜椒生长速率滞后于其它3个处理。定植后S、P和W处理的叶绿素含量变化趋势基本一致，且P和W的叶绿素含量及变化趋势基本相同，显著高于CK栽培甜椒叶绿素含量，且苗期至采收期CK变化不明显，表明CK对甜椒生长的抑制作用明显。

表1　各处理甜椒收获后生长发育指标观测结果比较（平均值±标准差）Table 1　Compare of observation results of sweet pepper plants under different treatments after harvest (mean±SD)

图3　各处理甜椒株高(a)和叶绿素含量(b)的动态变化过程Fig. 3　Change processes of plant height(a) and chlorophyll content(b) of sweet pepper under different treatments

2.3土垄内嵌基质栽培方式对甜椒产量的影响

图4显示的是第一次采摘时计数的果实数量，从图可以看出，S处理的总结实数量和成熟果实数均显著低于其它3个处理，基质栽培相对土壤栽培显示出优势。由表2可知，4种栽培方式对甜椒产量的影响不同。W处理甜椒单株果数、单果重和单株产量均显著高于其它3个处理。S处理甜椒结实数最少，无土栽培的甜椒结实数均多于S，P处理由于根区高温使其生长受到明显抑制，并最终影响了结实数量，所以甜椒结实数较少；W处理甜椒单果重分别比S、P和CK提高63.5%、31.1%和61.5%，且CK与S差异不明显，即由于基质根区高温，CK没有发挥出基质栽培促进生长和高产的优势；W处理单株产量最高，增产效果显著。W处理甜椒果实直径显著大于其它处理，果实长度也较其它处理更大，说明其对果实生长的促进作用显著，可使甜椒具有更高的产量。4个处理甜椒单位面积产量表现为W>P>CK>S，说明基质栽培产量高于土壤栽培，但传统无土栽培（CK）由于根区高温，其产量明显低于土垄内嵌基质栽培方式栽培下的甜椒产量。P和W处理的产量分别为2.88和3.78kg·m−2，分别比S提高37.8%和80.9%，分别比CK提高15.7%和51.8%，即W栽培方法的增产效果明显。

图4　第一次采摘时各处理植株总结实数和成熟果实数比较Fig. 4　Compare of total fruit number and mellow fruit when picking at first time

表2　各处理甜椒收获后产量指标的比较（平均值±标准差）Table 2　Compare of yield indices after harvest (mean±SD)

3　讨论与结论

通过不同起垄覆膜方式改善作物根区环境，之前已经有了较多研究。薛俊武等[20]研究认为，在黄土高原旱地采用覆膜垄作方式种植马铃薯可显著增加产量并提高水分利用效率；孙玉莲等[21]研究认为，全膜双垄沟播对旱区玉米田土壤水分和温度有着良好的调节作用。针对日光温室生产过程中出现的高温及低产等问题，本文在前期低温环境对甜椒幼苗生长的影响研究基础上[22]，提出了一种新的起垄覆膜方式，即土垄内嵌基质栽培方式（SRSC），研究其对日光温室春茬甜椒根区温度、生长和产量的影响，并探究其影响机理。

试验结果表明，土垄内嵌基质栽培方式能够有效缓冲根区温度的升高。在全天温度较高阶段（12：00-16：00），当外界环境温度较高时，P和W处理根区温度分别比传统无土栽培（CK）低2.17和1.47℃，纯土垄栽培（S）根区温度比CK低1.50℃，即三者都可以有效缓冲根区高温。但是，纯土垄栽培存在土壤连作障碍、水肥利用率低等缺点，不利于日光温室作物生产，而P和W处理的温度缓冲效果接近或优于土壤，土垄内嵌基质栽培完全可以作为一种新型的无土栽培方法取代传统的土壤栽培和无土栽培，同时发挥两种栽培方法的优势。关于新型栽培方法，郑奕等[23]提出了一种新型的桶式无土栽培装置，能够有效缓冲根区温度变化，但是其设计较为复杂，不利于生产推广，而本文提出的土垄内嵌基质栽培方式操作简单，充分利用了基质外侧土壤对根区高温的缓冲作用。有研究表明，温度变化与其介质成分和状态有关[24-25]，基质多为草炭、蛭石、珍珠岩和腐熟有机质等的混合物，组成结构稳定性差[26]，温度变化受外界环境影响较大。相对的，良好的结构特性使土壤对温度变化具有良好的缓冲性能，使土壤温度变化滞后于外界环境温度变化[27-28]，能够为植物根系提供更为稳定的根区环境温度。值得注意的是，本研究P处理温度缓冲效果最好，优于S和W处理，可能是由于一定厚度的PE栽培槽阻碍了热量向内部传导造成的。

试验结果表明，S、P和W处理相对于CK能够显著促进作物生长。在日光温室中，几种处理的甜椒冠层温度一致，不同的是由于CK基质槽外侧没有土壤对温度变化的缓冲，造成根区温度较高，未能发挥无土栽培促进生长的优势。在协调作物对高温的胁迫中，根系起着关键作用，过高的根区温度比高气温对植物的影响更大[29]。Peter等[30]研究表明，根区温度过高会影响甜椒的生长。此外，本研究中3种基质栽培方法甜椒产量均高于土壤栽培，这与刘景霞等[31]的研究结果一致。由于基质栽培中栽培槽底部密封，避免了水肥流失，具有较高的水肥利用率，其高产高效的优势得以发挥。W处理的增产效果最为明显，产量最高。P和W处理由于基质外侧有土壤的缓冲，能够有效缓解外界环境温度较高时对甜椒根区的高温胁迫，其产量高于CK；W产量高于P，可能是由于P处理温度变化受到PE基质栽培槽的影响，而W处理中的根区温度虽然较P高，但其温度水平可能对甜椒生长有利，具体的影响机理将在后期试验中进行研究。

总之，基于土壤栽培和基质栽培各自存在的诸多问题提出的土垄内嵌基质栽培方式（SRSC）能有效增强基质对温度变化的缓冲能力，使基质在不采取降温措施的条件下达到或优于土壤缓冲温度变化的效果，能够有效降低外界高温对甜椒根区的胁迫，这对高温环境中日光温室无土栽培具有重要意义；此外，利用基质栽培槽或塑料薄膜将基质与土壤隔离，在解决土壤栽培问题的同时实现了土壤栽培和基质无土栽培的结合，高产高效，生态环保。SRSC栽培方式能够显著促进甜椒生长并明显提高甜椒产量，其中W处理对产量的提高最为明显，同时相比PE基质栽培槽，W处理采用廉价的铁丝网嵌膜，生产成本大大降低，虽然高温缓冲效果稍差，但并不影响甜椒生长和产量形成，所以此栽培方式在实际应用中更具有优势。

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Effects on Cooling down and Increasing Yield of Sweet Pepper of A Novel Cultivation Method: Soil Ridge Substrate-Embedded in Chinese Solar Greenhouse

FU Guo-hai, LIU Wen-ke
(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Labatory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

Abstract：In Chinese solar greenhouse, in order to deal with the problem of high temperature stress in sweet pepper growth period in spring, a novel cultivation method named soil ridge substrate-embedded cultivation (SRSC) was designed. In this experiment, four kinds of treatments were set such as soil ridge (S treatment), soil ridge substrate-embedded of PE (P treatment), soil ridge substrate-embedded of wire (W treatment) and single PE groove (CK) which as contrast. Root zone temperatures were observed from 12：00 to 16：00 every day in sweet pepper maturation stage (May to June), and parameters of growth and yield of sweet pepper were measured and analysed at different times. Results showed that root zone temperatures of S, P and W were 1.50, 2.17 and 1.47 lower th℃an CK, respectively, and P and W could effectively buffer high root zone temperature, and the effect of P was slightly better than W. The plant height, stem diameter, chlorophyll content, dry shoot weight and fresh shoot weight of sweet pepper cultivated on S, P and W were significantly higher than that of CK, and the effect of W was the most obvious. The fresh root weight of soilless cultivation was significantly less than sweet pepper cultivated on other ridges, but dry shoot and root weight were decreased by high root zone temperature. In addition, the fruit number of S wassignificantly less than that of other three treatments when picking at first time, it suggested that soilless cultivation could accelerate the growth process of sweet pepper. The yield of W was 3.78kg·m−2, and it increased by 80.9%, 31.3%, and 51.8% respectively than S, P and CK. In short, W enhanced the root zone temperature buffer capacity, and significantly improved the yield of sweet pepper, and it had important application value in the high temperature environment production in Chinese solar greenhouse.

Key words：Chinese solar greenhouse; Soil ridge substrate-embedded cultivation method; Sweet pepper; Root zone temperature; Temperature buffer capacity

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.092

* 收稿日期：2015-07-06**通讯作者。E-mail：liuwenke@caas.cn

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）课题（2013AA103001）；国家自然科学基金项目（31201661）

作者简介：傅国海（1991-），硕士生，主要从事设施作物根系环境研究。E-mail：haifengzhisheng@126.com