日光温室冬季基质加温效果及对番茄生长和品质的影响

袁 丁 武占会 季延海 刘明池 王丽萍 佟 静 梁 浩*

（1北京市农林科学院蔬菜研究中心，北京 100097；2农业农村部华北都市农业重点实验室，北京 100097；3河北工程大学园林与生态工程学院，河北邯郸 056038）

日光温室是我国北方冬季蔬果进行反季节生产的主要设施类型（栗亚飞 等，2013）。在北纬40°以北地区，日光温室冬季室外偏低的温度会影响室内空气温度，夜间经常出现10 ℃以下的亚低温（牛贞福 等，2015）。长期夜间亚低温会导致根系温度条件不能满足植株正常生理活动所需的环境，不利于植株的正常生长发育和光合作用，同时过低的温度不利于基质中微生物的活动，进而阻碍了基质中无机和有机物质的分解（江力，2017），导致作物的干物质质量降低，果实发育速度减慢，平均单株产量降低（王丽娟 等，2006），番茄、草莓等喜温蔬果作物成活率低（马丹 等，2007；李炳海 等，2009）。

与传统温室空气加热相比，对植物根区进行加热更有利于温室内植株生长，并且可以大大节约能源（陈祎，2008）。特别是在限根栽培条件下，植株根系能在限定区域内通过控制适宜的根区温度，使根系得到充分的伸展，对植物生长起到非常重要的作用，有利于植株对养分和水分的吸收以及根系细胞的发育（Schonbeck &Evanylo，1998）。

根区加温目前常用的方式有碳晶面板加热盆栽、地下蓄热系统、太阳能加热水和土壤等方式（王永维 等，2005；赵云龙 等，2013），这些方式存在初期投入大、受客观天气影响过大等缺点（Attar et al.，2013），使用这些技术进行日光温室果菜类蔬菜生产存在一定的限制（何芬 等，2015）。而电能作为一种无污染、加温快的二次能源，具有设备投资低、供热分配均匀，便于自动化控制等优点，在温室加热领域得到广泛应用，但从运行成本角度出发，优化温室电加热技术，提高能源利用效率，是亟待解决的技术问题（曲梅 等，2003）。本试验采用控温电伴热加热系统，在限根栽培条件下，对根系环境进行温度调控，研究电加热对于基质内根系温度场以及无土栽培番茄生长和品质的影响，进而探索有效改善冬季日光温室地温环境的调控方式，以期为日光温室越冬蔬菜生产提供理论依据和实践支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年10月至2019年2月在北京市农林科学院蔬菜研究中心四季青基地日光温室中进行，温室坐北朝南，长度60 m，跨度8 m，脊高4.5 m，后墙高3 m，供试番茄品种为荷兰瑞克斯旺种子有限公司生产的丰收（74-560）F1。2018年9月7日播种，10月10日定植，采用限根栽培方式，栽培基质为栽培用椰糠条（长1 000 mm，宽200 mm，高150 mm），每个椰糠条定植3株，营养液配方采用北京市农林科学院蔬菜研究中心无土栽培营养液改良配方（刘增鑫，2000）。采用开放式栽培管理方式进行水肥管理。

1.2 试验方法

试验用电加热装置为自制的控温电伴热加热系统（图1），由WK-208电脑智能温控器控制。将电加热线和温控器探头布置在栽培袋截面几何中心，探头温度低于设定温度可直接加热栽培基质，高于设定温度自动断电。根际控制温度分别设定为22、28、34 ℃，以不加温作为对照，每个处理布置9个测温点（图2）。每个处理的种植面积为40 m2，共定植45株番茄，行距1.5 m，株距0.33 m，选取长势一致的6株作为重复。

1.3 项目测定

图1 温室自动加热装置流程图

1.3.1 室内外气温和基质内温度测定 选取冬季晴朗天气进行温室环境指标的测定，采用T型热电偶（温度测量范围：-40～100 ℃，测量精度：±0.2 ℃；湿度测量范围：0～100%，测量精度：±2.5%），用于空气干球温度和湿球温度的测定。温室内温湿度测点位于温室中心，距离地面高度0.8 m；室外测点距离地面高度1.5 m，所有传感器连接美国Campbell公司生产的CR1000数据采集器进行自动记录，时间间隔为10 min。

图2 栽培槽横断面图

1.3.2 植株生长指标测定 从定植后14 d开始，每个处理选取长势一致的3株番茄对其株高、茎粗、叶片数进行测定，6次重复，每隔15 d测定1次。用卷尺测量株高（植株基部到生长点的长度），用游标卡尺测量茎粗。

1.3.3 番茄植株根系指标和产量测定 番茄植株在3～4穗果时进行破坏性试验，每个处理选取长势一致的3株植株测定单果质量，取植株根系测定其干、鲜质量。以前3穗果为单株产量，6次重复。

1.3.4 番茄果实品质指标测定 在采收期（定植后120 d）每个处理取3株成熟度一致的番茄果实（第3穗果）对其进行品质指标测定，6次重复。果实可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝法（曹建康等，2007）；可溶性糖含量测定采用恩酮比色法（张以顺 等，2009）；VC含量测定采用2，6-二氯酚靛酚滴定法（蔡庆生，2013）；可滴定酸含量测定采用酚酞滴定法（李合生，1998）。

1.3.5 不同加温处理的能耗测定 采用DDS 334型单相电子式电度表记录每个处理的耗能情况，额定电压为220 V，额定频率为50 Hz，额定电流为5（20）A，于每天上午8：00手动记录电表数值并计算当日能耗。

1.4 数据处理

采用 SPSS 23.0和Excel软件进行数据分析和图表的统计与绘制。

2 结果与分析

2.1 室内外气温的变化和不同加温处理对基质内温度的影响

图3为1月17～18日（晴天）试验温室室内外温度变化，可以看出，温室内气温受室外温度影响，两者总体趋势呈正相关；5：00时室外气温为-8.1℃，是一天内的最低温度，此时室内温度为6.8 ℃；室内温度最低点出现在8：30，为5.6 ℃；13：10时室内温度达到一天中最高的23.9 ℃，由于日光温室白天采用机械通风，太阳辐射进入日光温室中的热量散失，所以室内温度不会过高。随着太阳辐射减少热量下降，室内温度逐渐降低。

图3 室内外气温日变化

由图4可知，在基质中插入电热线加温的方法能够显著抑制夜间基质温度降低。不加温处理的基质温度随时间呈线性递减，夜间根系平均温度为10.6 ℃，早上8：00根系温度降到最低值，为7.5℃，对植物生长极为不利；3个加温处理的植株根系温度均在设定温度（22、28、34 ℃）附近波动，设定的温度越高，温度波动频率也越高，说明维持根系高温需要频繁启动加热线，实际测试基质内中心位置平均温度分别为22.4、29.8、35.2 ℃，略高于设定温度。

表1为不同加温处理的9个测温点根系平均温度，电加热方式能使椰糠条中心位置温度维持在一定范围，热量能有效辐射到整个根际区域，降低亚低温对植物根系的危害。由于加热点在根系区域的中间，基质顶部直接接触室内空气，所以中下部温度高，顶部温度低。

图4 20：00至次日8：00时间段不同加温处理对基质内温度的影响

表1 不同加温处理的夜间根系平均温度分布

2.2 不同加温处理对番茄植株生长的影响

由表2可知，加温处理14～70 d内，各处理间生长指标的差异性逐渐加大；处理70 d后，22、28 ℃加温处理的株高、茎粗、叶片数显著高于对照，其中28 ℃加温处理对番茄生长促进作用最明显，株高、茎粗、叶片数较对照分别提高了11.1%、50.1%、27.1%。而34 ℃加温处理植株的多项生长指标低于对照，说明过高的根系温度会阻碍植株的生长发育。

2.3 不同加温处理对番茄产量和植株根系指标的影响

由表3可知，22 ℃和28 ℃加温处理在单果质量、单株产量、根鲜质量和根干质量指标上明显高于对照和其他处理；34 ℃加温处理的根干、鲜质量显著高于对照，但是单果质量和单株产量显著低于对照；说明冬季日光温室中进行适当的加温处理可以提高植株根系指标和产量，但是加温温度过高会对番茄植株的生长发育和产量造成不良影响。

表2 不同加温处理对番茄植株生长的影响

表3 不同加温处理对番茄产量和根系指标的影响

2.4 不同加温处理对番茄果实品质的影响

由表4可知，22 ℃和28 ℃加温处理的番茄果实可溶性糖、可溶性固形物、可滴定酸、可溶性蛋白含量均显著高于对照；34 ℃加温处理的可溶性固形物含量显著高于对照，其余指标与对照无显著差异。

2.5 不同加温处理的能耗分析

由表5可知，在整个栽培周期中，22 ℃加温处理的能耗产出比（单株产量/单株能耗）最高，达到0.27 kg·kWh-1，单个夜间启动次数为11次，单株能耗最低，为11.33 kWh，节能效果最优。

表4 不同加温处理对番茄果实品质的影响

表5 不同加温处理的能耗分析

3 结论与讨论

本试验结果表明，对日光温室中基质进行适宜的加温处理，能提高番茄果实的产量，加温至28 ℃时单株产量可达3.46 kg，加温至22 ℃时单株产量达到3.09 kg，较不加温处理分别显著提高了55.2%和38.6%；从能耗角度来分析，28 ℃加温处理比22 ℃的单株能耗提高31.2%，结合产量情况，22 ℃加温处理的能耗产出比更高。

同时，22 ℃加温处理下番茄株高、茎粗、叶片数等生长指标和果实的VC、可溶性蛋白、可溶性糖、可滴定酸、可溶性固形物等品质指标均显著高于对照，与前人研究结果相似（赵玉萍 等，2010；江力，2017）。值得注意的是，34 ℃加温处理的单果质量、单株产量显著降低，说明加温温度过高会抑制植株生长。

电加热是一种点源加热方式，根系区域温度变化存在一定滞后性，出现根系温度分布不均和周期性波动现象。借助数值模拟方法，研究在限根栽培条件下根系区域温度分布，对于提高加温精度，优化加温效率具有重要的研究价值。