扰流风机对日光温室环境及番茄生长的影响
2016-09-14冯晓龙赵淑梅王庆荣任晓萌
张 栎 冯晓龙 赵淑梅 王庆荣 任晓萌
(中国农业大学水利与土木工程学院,农业部设施农业工程重点实验室,北京 100083)
扰流风机对日光温室环境及番茄生长的影响
张 栎冯晓龙赵淑梅*王庆荣任晓萌
(中国农业大学水利与土木工程学院,农业部设施农业工程重点实验室,北京 100083)
∶针对日光温室冬季生产环境密闭、缺少气流扰动的现状,开展了扰流风机日光温室应用效果研究。在测试扰流风机所形成的气流特性的基础上,进一步对连续扰流区域、间歇扰流区域与非扰流区域的温湿度环境以及番茄生长指标进行对比分析。结果表明,扰流风机能够对温室内空气产生有效扰动,风机下1.5 m处0.15~0.50 m·s-1风速的覆盖范围可达73%;在正午高温时段(11∶30~13∶30),连续扰流能够使植株冠层空气温度降低3~4 ℃、相对湿度增加8%左右;在连续扰流作用下,番茄叶片净光合速率(Pn)提高31%、气孔导度(Gs)提高57%,有效促进了番茄生长。
∶日光温室;扰流风机;环境;番茄;生长
日光温室是我国自主研发的设施形式,随着生产技术不断提高,在最低气温-20 ℃的条件下基本可以不加温生产喜温果菜,开创了世界高寒地区不加温生产喜温果菜的先例(李天来,2005)。由于其卓越的生产性能和相对低廉的投资成本,日光温室在我国北方地区得到了广泛应用,目前已占全国设施总面积的25%(魏晓明 等,2012)。
温度、光照、湿度、CO2浓度及气流速度等是影响作物生长的重要环境因子,其中温度、光照等在温室环境调控研究中最受关注,但对气流调控的关注相对较少。气流不仅会影响作物冠层空间的环境,还会直接影响作物的光合作用和蒸腾作用。日光温室目前主要依靠自然通风来实现温室智能调控、微生态环境调控(Wang et al.,2002)以及气流组织。由于其通风口设置有限且冬季有很强的保温需求,很多时候无法进行通风(段明辉 等,2014),因此冬季日光温室内的气流调控基本无法实现。在通常无加热及不通风的情况下,日光温室内空气能否流动主要取决于温室内各位置的温差;但因温室内空间有限,温差所形成的气流极其微弱(张起勋,2007)。停滞的空气会导致作物叶面气孔阻力加大、叶面结露以及冠层空间CO2浓度不足等问题,不利于植物生长(杨振超 等,2007)。因此,通过人为扰动空气来组织适当的气流,同时调节其他环境因子,提高环境的均匀性,是改善日光温室环境的重要途径(Kuroyanagi,2013)。
目前,在连栋温室及塑料大棚中使用较多的空气扰动方式是安装扰流风机(Kuroyanagi,2016)。研究表明,使用扰流风机可以获得良好的气流组织,为作物生长提供适宜的气流速度;可以为作物生长提供相对均一的温湿度环境,降低叶面结露、减少病虫害的发生;可以提高作物生长区CO2浓度的均匀性,促进温室内CO2的有效利用(Matsuura et al.,2003;Yu et al.,2007;Ishii et al.,2012)。关于气流对作物生理和生长的影响,古在丰树等(2007)研究表明,在0~0.5 m·s-1风速范围内作物光合速率随气流速度增加而增长,其原因是气流打破了气孔限制进而提升了作物的蒸腾速率与光合速率(杨振超,2006);现已证实气流可以提高番茄(Shibuya et al.,2006;Thongbai et al.,2010)、甜瓜(杨振超 等,2007)、甘薯(Kitaya et al.,2004)、叶用莴苣(Jee et al.,2008)等作物的光合速率、产量及品质,减少病害的发生。综上所述,日光温室内使用扰流风机对改善温室环境及提高作物产量、品质有积极意义。
关于日光温室内使用扰流风机的报道相对较少,仅有少数研究者开展了测试与模拟研究,认为使用扰流风机可以改善日光温室冬季室内气流组织与温度分布(段明辉 等,2014;王润涛 等,2014),但对扰流风机自身的影响范围及其在日光温室中的应用方法鲜有报道。针对这一问题,本试验在日光温室冬季栽培条件下,着重测试分析了扰流风机所形成的有效气流范围、对温室环境以及番茄生长的影响,以期为扰流风机的应用推广提供理论依据。
1 材料与方法
1.1试验材料
供试日光温室位于北京市通州区潞城镇中农富通园艺有限公司通州基地(39.8°N,116.7°E),长80 m,跨度8 m;平常采用自然通风,试验期间无通风、加温措施。供试扰流风机(上海韩庆机电有限公司)风量2 000 m3·h-1,直径30 cm。供试番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)品种为诺亚,由中农富通园艺有限公司提供,2015年12月30日定植,株距35 cm,行距90 cm;采用控根基质槽栽培,基质成分为草炭∶蛭石∶珍珠岩∶鸡粪= 2 V∶1 V∶1 V∶1 V;营养液由中农富通园艺有限公司配置,每7 d浇灌1次;单干整枝,其他栽培管理措施同常规。
1.2试验方法
使用2台型号相同的扰流风机(SFG3-4型),分别编号为风机A和风机B,运行时间为2016年2月1~25日。2台风机悬挂高度均距地面2.2 m,南北方向位于温室跨度中部,东西方向分别位于距温室西端20、40 m处,保证风机之间无相互影响(图1)。为进一步探讨不同调控方式可能产生的影响,设置了2种调控模式,即风机A为连续运行模式,运行时间为10∶30~14∶30;风机B为间歇运行模式,运行时间为9∶30~11∶30和13∶30~15∶30;风机B的运行模式考虑了温室中午可能进行通风换气,但2台风机每天的总运行时间均为4 h;选取温室东部无风机安装区域为对照区。
图1 日光温室内扰流风机及测点分布
1.2.1气流测定 2015年12月25日、定植前,于空旷温室内,在距风机高度0、0.5、1.0、1.5 m处设置4个平面,分别编号为平面1、平面2、平面3、平面4;每个平面内设置1个8 m×4 m的测量区,测量其风速分布;测量区内各方向每隔1 m设置1个测量点,共45个测点(图2)。风速测定采用智能风速风量计(MODEL-6035,风速测量范围∶0.01~30 m·s-1,精度∶测量值的±3%,日本Kanomax株式会社),2次重复,每次每点连续测量10次,取平均值。
受限于温室空间,本试验无法进行更大范围的风速测量,故在古在丰树等(2007)的研究基础之上(在0~0.5 m·s-1范围内随着风速的增加都会促进作物的光合作用),综合考虑测试仪器的精度和测试现场的影响,将0.15~0.50 m·s-1风速作为有效扰流效果,并以此为目标风速,采用DeltaGraph软件对不同的测试高度分别绘制风速分布图。
1.2.2温湿度测定 各小区分别在距离风机1.5 m的冠层处布置温湿度测点,分别标记为测点1、测点2、测点3(图1)。2016年2月5日8∶00~18∶00,每整点测定1次,测量仪器为温湿度自动记录仪(Testo-175,温度测量范围∶-20~55 ℃,精度∶±0.4 ℃;湿度测量范围∶0~100%,精度∶±2%,德国德图集团)。
1.2.3番茄生长指标与光合指标测定 每小区随机选取10株番茄幼苗,2016年2月1日测定株高、茎粗,作为基础数据;2月25日再次测定株高、茎粗及光合指标。株高,采用钢卷尺测量从茎基部到植株生长点的长度;茎粗,采用游标卡尺测量距地面2 cm处的直径;叶片净光合速率(Pn)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)等光合指标于上午11∶00~12∶00进行测定,每小区选取10片叶龄一致的叶片,采用便携式光合仪(CIRAS-2,CO2测量范围∶0~2 000 mmol·mol-1,精度∶0.2 mmol·mol-1;H2O测量范围∶0~75 mb,精度0.03 mb,美国PP Systems公司)进行测定。
图2 日光温室内风速测点分布
1.3数据处理
采用Excel、DeltaGraph软件进行数据处理、制图及方差分析。
2 结果与分析
2.1扰流风机对日光温室内气流环境的影响
由图3可知,平面1、平面2、平面3、平面4内达到目标风速(0.15~0.50 m·s-1)的面积分别占测试区域总面积的64%、53%、64%、73%,说明使用扰流风机在一定范围内获得了较好的空气扰动效果,其中距离风机1.5 m处的扰动效果最佳。进一步观察测试区域南北方向的气流分布情况,可以看出平面4和平面3的扰动效果好于其他2个平面,其中平面4在南北方向4 m的测试范围内都得到了一定的气流。由此推测,在平面4的高度处,南北方向实际获得气流的范围应大于4 m。本试验中的日光温室跨度为8 m,除去北侧走道和南侧低矮空间不太适合栽培的区域,南北方向最佳栽培区域6 m左右,将扰流风机悬挂于植株冠层以上1.5 m高度处,可以为南北方向大部分主要栽培区域提供较为适宜的气流。
图3 日光温室内风速分布
为进一步分析风机对其下方不同高度处的扰流效果,对不同高度平面、不同范围风速的覆盖区域进行统计分析(表1)。风速在0.15~0.25 m·s-1范围内,平面1、平面2、平面3之间差别不大,气流覆盖区域占总测试区域的33%~36%,但平面4的气流覆盖区域占总测试区域的44%;风速在0.25~0.35 m·s-1范围内,平面2和平面3的气流覆盖区域所占比例均在20%以下,平面1略高,为22%,平面4最高,为24%;风速在0.35 m·s-1以上,平面1、平面2、平面3、平面4的气流覆盖区域分别占22%、4%、20%和9%。由于平面1为风机安装高度平面,生产中不可能将其作为工作面,因此仅将其作为参考;平面2、平面3、平面4距离风机的高度分别为0.5、1.0、1.5 m,是可以作为工作面的位置,其中平面2(距离风机0.5 m)无论从总气流覆盖面积还是各个范围气流分布面积,都不如平面3和平面4;平面3(距离风机1.0 m)的不同范围气流分布的均匀性最好,而平面4(距离风机1.5 m)在风速0.15~0.35 m·s-1范围内的低风速气流所占比例最高。所以,从应用的角度而言,将扰流风机安装在距离植株冠层顶部1.0~1.5 m的高度,可以在冠层空间得到比较好的扰流效果。
表1 日光温室内不同高度处风速覆盖区域
2.2扰流风机对日光温室内冠层温湿度的影响
由图4可知,扰流风机的运行在一定程度上改变了日光温室内植株冠层温度的变化规律。与对照(测点3,无扰流区域)相比,风机连续运行的测点1从早上风机启动开始冠层温度就呈现低于测点3的趋势,这种趋势持续整个风机运行期间;综合整个试验期间的数据,在午后(13∶00~14∶00)温室内温度达到最高值时,测点1和测点3的温差可达3~4 ℃。采用间歇运行模式的测点2,在风机运行时段冠层温度亦低于对照。说明,无论采用哪种方式,扰动空气都有一定的降温作用。
由图5可知,无论是风机连续运行(测点1)、还是间歇运行(测点2),只要风机运行就会使植株冠层空气相对湿度上升。综合整个试验期间的数据,在温室处于30 ℃以上高温时,无扰流作用的测点3冠层空气相对湿度最低可降到50%左右;而扰流作用会使冠层空气相对湿度提升8%左右,其中正午高温时刻(12∶00前后)提升幅度最大。
图4 日光温室内番茄植株冠层处温度的变化趋势(2016年2月5日,晴)
图5 日光温室内番茄植株冠层处相对湿度的变化趋势(2016年2月5日,晴)
2.2扰流作用对番茄生长及光合作用的影响
从表2可以看出,无论哪种运行模式,风机的扰流作用均对番茄株高有促进作用,其中连续扰流处理的株高显著高于对照;同样,风机所带来的气流对番茄茎粗也有一定促进作用,但各处理间差异未达显著水平。
从表3可以看出,与对照相比,连续扰流处理的番茄叶片净光合速率(Pn)提高了31%、胞间二氧化碳浓度(Ci)提高了16%、气孔导度(Gs)提高了57%、蒸腾速率(Tr)提高了33%,差异均达显著水平;间歇扰流处理除净光合速率显著高于对照外,其他各光合指标与对照差异不显著,但是所有参数均高于对照。
表2 扰流作用对番茄植株生长指标的影响
表3 扰流作用对番茄叶片光合指标的影响
3 结论与讨论
本试验结果表明,扰流风机能够对日光温室内空气产生有效扰动。本试验中风机按东西方向安装于作物冠层上方,在其下方1.5 m高度位置的东西8 m、南北4 m的范围内,0.15~0.50 m·s-1风速的覆盖范围可达73%,且大部分集中在0.35 m·s-1以下的低风速区域,扰流效果良好。
冬季因保温需求而减少通风或者通风不畅的情况下,晴天中午日光温室内很容易出现高温现象,无气流情况下植株叶面很难散热,最终可能会导致叶面温度高于空气温度(de Gelder et al.,2012)。本试验中,无扰流区域(测点3)10∶00~15∶00的温室温度基本都在30 ℃以上,甚至最高可达40 ℃,推测叶面温度应该会更高。有研究表明,过高的温度会对作物产生高温胁迫(李天来和李淼,2009;朱静 等,2012),亦会导致光合午休现象的出现(耿显胜 等,2010)。扰流风机的使用可有效抑制中午高温现象,在中午高温时段(11∶30~13∶30)可使冠层温度下降3~4℃,对减少高温胁迫具有重要作用;同时增加空气相对湿度8%左右,有利于保持光合作用和蒸腾作用。有研究表明,在高温(40 ℃左右)、亚高温(33 ℃左右)条件下,相对湿度30%~80%范围内,增加空气湿度可以提高作物光合作用与果实品质(薛义霞等,2010;张宇 等,2012)。由此可见,扰流风机在正午时刻(12∶00前后)的降温提湿作用,及其所形成的气流对叶面的影响,都对作物的生长具有积极意义。
本试验结果表明,扰流作用可以提高番茄叶片的净光合速率(Pn)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)等光合指标,其中表现最为突出的是气孔导度,提高了57%,这说明气流降低了叶面气孔的阻力,打破了气孔限制,进而提升了胞间二氧化碳浓度,同时提高了净光合速率和蒸腾速率,最终表现为番茄株高和茎粗等生长指标的增加,这与杨振超(2006)的研究结果一致。
本试验中,连续扰流运行模式的效果明显好于间歇扰流运行模式。分析其原因主要有两个方面∶一是正午高温时段(11∶30~13∶30)的扰流作用因促进了温室内空气的对流,有效降低了冠层温度,减轻了高温胁迫对植物的伤害;二是扰流风机所产生的气流及降温提湿作用能够有效打破气孔限制、缓解作物光合午休现象,有利于提高作物的光合效率,促进物质生产。因此,扰流风机的合理使用时间应该是在中午到午后的高温时段(10∶00~15∶00);当然,也要根据实际生产环境进行适当调整。
综上,本试验中所用的扰流风机于日光温室中的最佳安装高度为作物冠层以上1.5 m左右,控制方式建议采用连续运行模式;尤其是中午温室通风不畅的情况下,扰流风机的使用更为重要。
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Abstract∶Aiming at the status of air tightness and circulation insufficiency during winter season in solar greenhouse,this paper studies on the application effects of air circulator.On the bases of testing the airflow characteristics of air circulators,comparative tests were carried out on tomato(Lycopersicon esculentum Mill.)growth characteristics and environmental parameters(humidity and temperature)with 2 disturbance treatments,continuous flow disturbance and intermittent flow disturbance,and no flow disturbance served as the control. The results showed that the fans could produce effective air circulation,the coverage represented 73%,where air velocity retained 0.15-0.50 m·s-1in the position of 1.5 m below the fans.During noon time(11∶30-13∶30),when temperature was high,the continuous flow turbulence could decrease air temperature by 3-4 ℃ and increase relative humidity by about 8% in the position of plant canopy.Moreover,the continuous flow disturbance could also increase the net photosynthesis rate(Pn)of tomato leaves by 31%,stomatal conductance (Gs)by 57%,and thus effectively promoted tomato plant growth.
Key words∶Solar greenhouse;Air circulator;Environment;Tomato;Growth
Effects of Air Circulator on Environmental Parameter and Tomato Grow th in Solar Greenhouse
ZHANG Yue,FENG Xiao-long,ZHAO Shu-mei*,WANG Qing-rong,REN Xiao-meng
(Key Laboratory of Agricultural Engineering in Structure and Environment,M inistry of Agriculture,College of Water Resources and Civil Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)
张栎,硕士研究生,专业方向∶设施园艺环境工程,E-mail∶zhy-zb@ qq.com
(Corresponding author)∶赵淑梅,女,副教授,硕士生导师,专业方向∶农业生物环境工程,E-mail∶zhaoshum@cau.edu.cn
∶2016-06-30;接受日期∶2016-07-20
公益性行业(农业)科研专项(201203002),现代农业产业技术体系建设专项(CARS-25-D-04),“十二五”农村领域国家科技计划项目(2013AA102407)