半封闭温室夏季降温及黄瓜光合特性的研究

丁小涛,金海军∗,杨少军,何立中,余纪柱∗∗,周 强∗∗

(1上海市设施园艺技术重点实验室,上海市农业科学院设施园艺研究所,上海201403;2上海都市绿色工程有限公司,上海201106)

半封闭温室是近年来我国从欧洲引进的温室类型,它是利用空气处理机组(ATU)对温室气候环境进行调节,将温室作为太阳能收集器,使其成为能量来源的一部分,利用地下浅层地热资源,通过采用“冬灌夏用”和“夏灌冬用”配对使用的长季节地下含水层储能技术和缓冲罐短期储能技术,并利用地源热泵将低品味能源提升为高品位能源,从而加以利用。这样的温室不仅可以在冬季加温,还可以在夏季降温[1]。

水果黄瓜是我国从欧洲引进的适宜温室栽培的鲜食类黄瓜,品质好、产量高,被很多地区作为名特优蔬菜广泛引种栽培,深受广大消费者喜爱[2]。黄瓜喜温却不耐热,过高的温度会明显抑制黄瓜的生长[3]。夏季温室栽培水果黄瓜,最主要的栽培障碍是温室高温,半封闭温室使用ATU等降温设备可以降低温室的温度[4],但其降温效果如何,以及水果黄瓜在此条件下的光合反应如何,尚未见报道。据此,本试验拟研究在半封闭温室夏季ATU降温条件下,温室不同垂直高度空间温度的变化情况,以及水果黄瓜叶片光合作用的响应情况,以期为我国设施黄瓜栽培提供更多的理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验温室和材料

试验于2017年7月在国家设施农业工程技术研究中心崇明农业示范基地智能温室中进行,栽培温室为东西走向,温室长35 m,宽24 m,南北分为3跨(每跨8.0 m),东西分为7间(每间5.0 m)。温室天沟和屋顶的高度分别为7.3 m和8.25 m,每跨南北方向各有3个天窗,每个天窗的大小为2.5 m(长)×1.2 m(宽),天窗完全打开的高度为0.9 m。温室有3层帘幕：外遮阳(9.35 m高,完全展开后40% 遮阳),内遮阳(7.15 m高,完全展开后50%遮阳),内保温(6.65 m高,完全展开后20% 遮阳);每个温室有7个空气处理机组(ATU,每个ATU拥有33 kW冷却能力和27.4 kW加热能力,空气流量为4 500 m3∕h),每个ATU有约30 m塑料通气管道(即风筒,直径50 cm,固定在生长架下方),管道上均匀密布很多小孔,用于给温室加温、降温、除湿和空气循环。栽培生长架安装在地面0.8 m高的地方,生长架下的地面全部用黑白塑料薄膜覆盖。在地面15 cm高度处,每个栽培行走道中铺设了加热管道(管道直径51 mm),可以用于温室加温和采摘车运行。

所用黄瓜品种为‘戴多星’,由荷兰RIJKZWAAN公司提供。2017年6月16日用岩棉作基质播种,7月5日黄瓜5—6叶1心时大苗定植于栽培温室中,定植密度为2.8株∕m2,采用吊挂栽培,以岩棉作为栽培基质。

栽培期间灌溉营养液电导率(EC)设置为2.5 dS∕m,pH为5.5,以光照为主要参考指标来确定灌溉量,保证每天温室排液量为20%左右。栽培温室使用Priva电脑控制系统控制遮阳网开启、地源热泵和空气处理机组(ATU)等设备来调控温室的温度,ATU可以通过风筒吹出降温的空气,从而对温室进行降温,ATU降温时温室天窗只保留5%开启。

黄瓜定植后,通过电脑设置地源热泵冷水井和ATU全天定时运行,一般ATU表冷器流入的冷水温度为11—15℃,流出的水温为20—23℃,有近10℃水温差释放的冷量投放到温室中,用于温室降温(2017年7月20—30日温室10 d平均的冷量供应为61 W∕m2)。ATU可以选择不同比例的外界空气和温室内空气混合后降温,一般设置为ATU选择白天20%—80%的室外空气混合进行循环,这样白天可以适当补充CO2,并降低能耗。

1.2 试验方法

1.2.1 试验处理的设置及温度的测定

试验设置5个垂直温度监测点(监测点位于第一跨和第二跨中间的垂直位置)和室外温度监测点。

(1)0 m：在ATU风筒出风口附近,即栽培架附近固定第1个温度记录仪;

(2)1 m：在ATU风筒出风口附近,即栽培架附近上方1 m处固定第2个温度记录仪;

(3)2 m：在ATU风筒出风口附近,即栽培架附近上方2 m处固定第3个温度记录仪;

(4)3 m：在ATU风筒出风口附近,即栽培架附近上方3 m处固定第4个温度记录仪;

(5)4 m：在ATU风筒出风口附近,即栽培架附近上方4 m处固定第5个温度记录仪;

(6)室外：温室顶部安装一个气象站,记录室外温度。

将所有温度记录仪传感器固定在温室不同高度,所用温度记录仪为DL-W111型,由杭州尽享科技有限公司生产,于2017年7月20日12：00—30日12：00持续监测温室不同垂直高度空气温度,设置每10 min记录一次数据。温室Priva电脑控制系统可以定时记录室外温度和温室环境参数等数据。

7月23日,当黄瓜植株长至约2.8 m高时,早上6：00—9：00对第一跨和第二跨黄瓜进行落蔓,落蔓1 m左右,留下第三跨黄瓜不落蔓,上午9：30—11：30分别对落蔓和不落蔓的黄瓜进行光合作用的测量。

落蔓处理：黄瓜植株顶部在生长架上方约1.8 m处;不落蔓处理：黄瓜植株顶部在生长架上方约2.8 m处。

1.2.2 落蔓和不落蔓黄瓜叶片光合作用的测定

利用LI-6400型光合仪(LI-COR Inc.,美国)分别对落蔓和不落蔓黄瓜上部新展开最大功能叶的气体交换参数净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)进行测量,测量的光照强度为1 000 μmol∕(m2·s);温度、湿度、CO2浓度依赖于温室的自然条件。每个处理重复测量5次。

进行 CO2响应曲线测量时,CO2浓度水平设置为 0 μmol∕mol、50 μmol∕mol、100 μmol∕mol、200 μmol∕mol、300 μmol∕mol、400 μmol∕mol、600 μmol∕mol、800 μmol∕mol、1 200 μmol∕mol、1 600 μmol∕mol、2 000 μmol∕mol,测量光强设置1 000 μmol∕(m2·s),CO2响应曲线测量时每个处理重复3次。根据CO2响应曲线,参考Harley等[5]和Manter等[6]的方法,通过非线性回归技术,计算出Rubisco最大羧化速率(Vcmax)和RuBP最大再生速率(Jmax)。

1.2.3 黄瓜产量记录

黄瓜采收期从7月19日开始,至9月7日结束,共51 d。采收早中期每天采收,中后期根据生长情况,一般1—2 d采收一次,每次采收时,分小区记录黄瓜产量,最后计算平均产量。

1.3 数据分析

使用SAS 9.3软件对各处理进行统计分析,结果以平均值±标准差表示,不同小写字母表示在5%水平上差异显著。使用Origin 7.5软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 温室内不同垂直高度空间温度的变化

从图1和表1可以看出,2017年7月20—30日,室外和温室不同垂直高度空间温度呈现波浪形变化,ATU降温处理后,温室不同垂直高度空间晚上的温度均有明显降低,但白天温室不同高度空间变化差异较大。温室温度变化幅度最大的为温室ATU出风口4 m高处,10 d内的平均温度为31.50℃,白天最高温度为45.80℃,晚上最低温度为23.70℃,最大温差达到22.10℃;室外10 d内的平均温度为31.79℃,白天最高温度为39.88℃,晚上最低温度为26.33℃,最大温差达到13.55℃;温度变化幅度最小的为温室ATU出风口附近(0 m),10 d内的平均温度为24.90℃,白天最高温度为34.00℃,晚上最低温度为21.20℃,最大温差达到12.80℃。温室ATU出风口4 m较0 m高处的平均温度、最高温度、最低温度和最大温差分别高6.60℃、11.80℃、2.50℃和9.30℃。

图1 室外和温室不同垂直高度空间温度的变化(7月20—30日)Fig.1 Temperature changes of outside and different vertical heights in greenhouse during 20—30 July

表1 室外和温室不同垂直高度空间的平均温度、最高温度、最低温度和最大温差的比较(7月20—30日)Table 1 Comparison of average temperature,maximum temperature,minimum temperature and maximum temperature difference between outside and different vertical heights in greenhouse during 20—30 July ℃

2.2 ATU正常工作和停止工作后温室内不同垂直高度空间温度的变化

2017年7月26日下午14：30左右ATU停止工作,一直持续到27日上午9：30左右。ATU停止工作后温室不同高度空间的温度均迅速升高(图2),其中,ATU出风口4 m高处温度升高最快,在15：00达到最高温度43.4 ℃;ATU 出风口3 m、2 m、1 m、0 m 分别在15：20、16：00、16：20、16：20 达到各自最高温度42.7℃、40.2℃、37.2℃、33.6℃,温室不同高度空间的温度很快升到最高后又逐步降低,而此时段室外温度正在逐渐降低。温室不同高度空间晚上的温度均和室外差异不大,不同高度空间彼此间的温差也不明显,而ATU运行时它们的差异较大(图2,26日天亮前和27日晚上),且均明显低于室外的温度;27日早上ATU重新开始运行后,温室不同高度空间的温度又有明显的降低,尤其是ATU出风口0 m、1 m和2 m高处温度降低更为明显。

图2 ATU正常工作和停止工作后温室不同垂直高度空间温度的变化(7月26—27日)Fig.2 Temperature changes of different vertical heights in greenhouse under the normal work and stop work of ATU during 26—27 July

2.3 黄瓜落蔓前后温室内不同垂直高度空间温度的变化

从图3和表2可以看出,黄瓜落蔓前后1 d室外的平均温度、最高温度、最低温度和最大温差差异不大;黄瓜落蔓前温室ATU出风口0 m、1 m、2 m高处的温度明显低于室外温度,尤其是ATU出风口0 m、1 m高处更为明显,ATU出风口3 m高处白天的最高温度略高于室外,ATU出风口4 m高处白天的最高温度明显高于室外;7月23日落蔓后温室不同高度空间的温度均有明显增加,白天ATU出风口3 m、4 m高处的最高温度明显高于室外温度,ATU出风口2 m高处的最高温度略高于室外温度,不同垂直高度空间的温度较落蔓前均有明显的增加,致使7月23日黄瓜落蔓后温室不同高度空间的最大温差均明显高于7月22日,但其温室不同高度空间晚上的最低温度差异不大。随着落蔓后时间的延长,温室不同高度的白天温度有所降低,尤其是ATU出风口2 m高处以下的空间降低更为明显(图1,图3)。

2.4 落蔓和不落蔓处理对黄瓜叶光合作用的影响

从图4可以看出,落蔓黄瓜叶的净光合速率(Pn)显著高于不落蔓植株叶片,而气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)却显著低于不落蔓植株叶片,二者胞间二氧化碳浓度(Ci)差异不明显。

从落蔓和不落蔓处理对黄瓜叶片CO2响应曲线可以看出(图5),落蔓黄瓜叶片的CO2响应曲线明显在不落蔓黄瓜叶片的上方,说明落蔓黄瓜叶片有较强的光合能力;同时落蔓黄瓜叶片Rubisco最大羧化效率(Vcmax)和RuBP最大再生速率(Jmax)也显著高于不落蔓黄瓜叶片(表3)。

图3 黄瓜落蔓前后温室不同垂直高度空间的温度的变化(7月21—24日)Fig.3 Temperature changes of different vertical heights in greenhouse before and after lowering plants during 21—24 July

表2 室外和温室不同垂直高度空间落蔓前1 d和落蔓后1 d平均温度、最高温度、最低温度和最大温差的比较(7月22—23日)Table 2 Comparison of average temperature,maximum temperature,minimum temperature and maximum temperature difference between outside and different vertical heights in greenhouse during one day before lowering plants and one day after lowering plants(22—23 July)℃

图4 落蔓和不落蔓处理对黄瓜叶片气体交换参数的影响Fig.4 Effects of lowering plants on Pn,Gs,Ci and Trof cucumber leaves

图5 落蔓和不落蔓处理黄瓜叶片CO2响应曲线的变化Fig.5 Changes of CO2response curve of cucumber leavestreated with lowering plants or not

表3 落蔓和不落蔓处理对黄瓜叶片Rubisco最大羧化效率(Vcmax)、RuBP最大再生速率(Jmax)的影响Table 3 Effects of lowering plants on Rubisco maximum carboxylation efficiency(Vcmax)and RuBP maximum regeneration rate(Jmax)of cucumber leaves

2.5 夏季ATU降温对黄瓜产量的影响

本试验采收期从7月19日到9月7日,共采收51 d,平均产量达到61.3 t∕hm2。从图6可以看出,在夏季最热的7月中下旬到8月上中旬,黄瓜累积产量增加较快,之后黄瓜产量增加较慢,这可能和夏季栽培黄瓜后期衰老较快有关。

图6 半封闭温室夏季黄瓜产量累积变化情况Fig.6 Accumulation and changes of cucumber yield in semi-closed greenhouse in summer

3 结论与讨论

温度是温室气候特征最基本的要素之一,温度极大地影响温室作物的产量[7]。贺芳芳[8]对普通玻璃温室中温湿要素分布特征研究发现,夏季温室白天通过遮阳网遮阳降温,并在温室屋顶喷淋,从地面到冠顶增加1.5—2.0℃,不同时间温室温度的垂直分布温差不同。本试验表明,ATU出风口0 m、1 m、2 m、3 m和4 m高处温度差异很明显,温室ATU出风口4 m较0 m高处的平均温度高6.60℃,这可能是因为栽培温室高度较大,ATU风筒固定在生长架下方,吹出来的冷空气容易堆积在温室下方,同时植物蒸腾作用主要集中在温室中部及靠下的部分,温室接收太阳辐射后便很容易使温室形成较大的垂直温差。

试验表明,ATU降温不仅使温室在白天不同垂直高度空间形成明显的温差,晚上也有明显的温差。白天温室不同垂直高度空间形成的温差主要和ATU吹出的冷空气堆积、黄瓜植株蒸腾以及太阳辐射等因素有关,而晚上的温差主要和ATU吹出的冷空气堆积有关。杨献光等[9]研究表明,日光温室内温度的垂直变化比水平变化剧烈得多,在垂直分布上,距地面垂直距离不同,极差温度差异非常明显。半封闭温室ATU白天降温对ATU出风口2 m以下的垂直空间效果最好,此高度空间下温室的温度明显低于夏季外界的温度;ATU晚上降温,温室不同垂直高度空间也有一定的差异,其温度均明显低于外界温度,这说明半封闭温室ATU夏季降温效果非常明显。当ATU停止工作后,白天温室不同垂直高度空间的温度均迅速增加,晚上的温度均和室外差异不明显,ATU重新开始工作后,不同垂直高度空间的温度又有一个明显降低的过程,并且晚上其温度又有明显差异。

温室黄瓜落蔓是日常管理中最基本的操作之一,合理落蔓可以使叶片均匀分布,保持合理采光位置,维持最佳叶面积系数,提高光合效率,从而使黄瓜生长势加强,结瓜期延长,产量提高[10]。徐彦军等[11]研究表明,黄瓜生长季节保持合理的落蔓次数,每株保持功能叶21片以上,会使黄瓜有更好的生长势,并且单株结瓜数、单瓜鲜质量和黄瓜产量都高。本研究发现,夏季温室栽培,落蔓黄瓜的光合作用和光合潜力均显著高于不落蔓黄瓜,这可能是因为不落蔓黄瓜叶片温度明显高于落蔓黄瓜叶片(ATU出风口向上3 m较2 m高处的平均温度、最高温度分别高2.0℃和3.3℃;而不落蔓黄瓜和落蔓黄瓜测量叶片的高度大概在ATU出风口以上2.5 m和1.5 m),从而使其Rubisco最大羧化速率和RuBP最大再生速率有所降低,最终导致其叶片的光合能力降低[12];同时不落蔓黄瓜叶片需要增加气孔导度,提高蒸腾速率,来缓解高温对植物叶片造成的热胁迫。

本研究中,黄瓜一次落蔓高度为1 m左右,幅度过大,从而导致落蔓前后温室不同垂直高度空间温度变化较大,同时落蔓时一次去除老叶过多,对植物影响较大,所以栽培中最好每次落蔓50 cm左右,以去除3—5片老叶为宜。本研究在夏季最热的7月中下旬到8月上中旬,黄瓜累积产量增加较快,整个采收期黄瓜产量达到61.3 t∕hm2,在夏季室外最高温度达到近40℃高温的条件下,已经是比较高的产量[13],说明半封闭温室夏季降温效果是比较好的,栽培黄瓜仍能获得较高的产量。

综上所述,半封闭温室ATU可以很好地降低夏季温室的温度,但对温室不同垂直高度空间的降温效果差异明显,ATU对其出风口2 m及以下空间降温效果更好;黄瓜夏季栽培应及时落蔓,以控制植株高度在生长架上方2 m左右的位置为宜。