日光温室番茄种植环境参数时空分布测试与分析

赵建贵，李志伟，王文俊，李晋蒲，曹瑞红

（山西农业大学工学院，山西太谷030801）

日光温室作为我国北方地区农业生产的重要设施，其独特的构造可以保证在较寒冷的季节果菜产品终年出产，设施蔬菜种植是农户重要的收入来源之一[1-4]。随着果菜产品的大量需求和日光温室面积的不断扩大，番茄种植在温室栽培中占有重要地位。但是目前温室种植番茄存在很多问题[5-8]，如对温室内环境变化的未知与缺乏科学性管理造成番茄病害频发。目前，温室环境测量常以某一位置的参数值代表整体温室真实值，或只是对温室水平空间进行多点参数测量，很少有学者对温室纵向空间环境情况给予关注。探究并掌握温室内部环境的时空分布差异性，将为优化温室结构、制订监测环境方案、确定作物种植密度和改善调控策略等提供理论依据，对改善作物的生长环境和预防病虫害具有重要意义[9-10]。

本试验针对番茄日光温室特征环境开展研究，利用自研发的无线多传感网络监测系统对日光温室内番茄的冠层光照强度、温湿度、二氧化碳浓度、土壤水分含量和土壤温度等环境参数进行长期连续测试，采用滤波法对大量数据进行处理，获得高精确度且完整的环境数据，进而研究温室环境参数的时空分布状况及变化规律，旨在为日光温室设计建造提供参考，为农户设施果蔬的种植与管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018 年11 月至2019 年4 月在晋中市太谷县冀村农户温室进行。该地位于东经112′74″、北纬37′49″。选取的日光温室为东西走向，长100 m，宽8 m，后保温墙为高3.5 m、厚1.4 m 的土墙，东西墙为0.5 m 厚外砖内土墙，灌溉方式为沟灌，陇宽为62 cm；温室内除通风口和保温被外无其他调控装备；透光覆盖材料为聚氯乙烯膜[11]，保温被材料为外皮防雨绸内芯纤维棉材质的棉帘[12]，承重为双骨架斜拉花钢骨架[13]。试验初期，番茄处于开花期，株高1 m 左右。

1.2 无线多传感网络监测系统

无线多传感网络监测系统是结合4G 和LORA开发的温室环境实时监测系统，具有传输距离远、抗干扰能力强等优点。该系统由父节点、子节点、云平台、服务器构成（图1），其中，父节点一方面负责向子节点发送指令并接收子节点采集的数据，另一方面负责将数据透传至远程服务器；子节点负责采集温室内外光照强度、温湿度、二氧化碳浓度、土壤湿度和土壤温度等环境参数,系统采集频率设置为6 min；远程服务器负责对数据拆包、处理、存储和显示等，供用户查看实时和历史数据。其实现了对日光温室环境的实时监测，提高了数据的连续性、科学性和可靠性，为分析温室环境时空分布差异提供了有效、可靠的研究平台和重要的数据支持。

1.3 试验方法

1.3.1 水平方向布局方案 为研究日光温室内外部环境参数时空分布在水平方向上的区域分布状况，将温室长和宽均等分为4 份，室内每个交叉点布置一子节点（2～10 号），均采集光照强度、温湿度、二氧化碳浓度、土壤水分含量、土壤温度环境参数；室外布置一个子节点（1 号），采集室外光照强度、温湿度、土壤温度环境参数，温室子节点位置布局如图2 所示。

1.3.2 垂直方向环境监测方案 由于番茄植株生长高度在2 m 左右（通过打顶抑制其向上生长），因此，在研究日光温室内部环境参数时空分布在垂直方向上的分布状况时，采集数据高度至2.5 m。介于温室前沿最高2 m，因此前沿一排子节点（2，5，8 号）采集数据高度为2 m。据此，除前一排和室外采集点外，其余子节点均采集光照强度、5 个层次温湿度（0.2，1.0，1.5，2.0，2.5 m）、二氧化碳浓度（1.5 m）、土壤水分含量、3 个层次（10，20，30 cm）土壤温度，试验垂直方向传感器布局如图3 所示。

1.4 数据处理

在日光温室内进行数据采集时，可能会由于传感器故障、数据传送过程丢失和外界环境干扰等造成异常数据[14-16]。数据滤波技术作为数据处理技术的重要组成部分，消除附加在数据中不确定因素的干扰，使采集的数据能够真实地反映番茄温室环境状况。本试验通过Pycharm 软件平台对随机连续7 d的数据采用限幅滤波法、中位值滤波法和算术平均值滤波法相结合来提升数据的精准度，保证研究数据的真实性和可靠性。

1.4.1 限幅滤波法 限幅滤波法对外界因素引起的脉冲波干扰很有效，但存在不能够抑制周期性的干扰和平滑度差问题[17-18]，因此该方法可以有效处理因传感器出现故障而导致误差较大的数据。依据经验理论对系统采集温室数据进行判断，设置最小限值为M、最大限值为N、待检数据为X 时，将待检数据与极限范围进行判断：若M≤X≤N，则数据有效；若X＜M或X＞N，则数据无效，应予以丢弃。番茄生长发育的环境参数幅值列于表1。

表1 番茄生长发育的幅值环境

1.4.2 中位值滤波法 中位值滤波法对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果[19-20]。采集系统中传感器连续采集k 次原始试验数据样本，然后将其进行顺序排列，若k 为奇数，则中间值样本为有效值；若k 为偶数，则有效值为（n（k＋1）/2＋nk/2）/2。

1.4.3 算术平均值滤波法 算数平均值滤波法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波[21-22]，采集的原始数据得到n 个样本数值X（i）（i＝1，2，3，…，n），根据平均值公式计算获得U，且均值U 与样本数据的偏差平方和最小，用经验理论与均值U 结合填补剔除的数据，保证数据的连续与完整。当n 值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低；当n 值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高。本试验采集频率为6 min，n 选定为10，每次计算1 h 的均值，以达到更好的滤波效果。

2 结果与分析

2.1 水平方向数据分析结果

2.1.1 光照强度分析 从图4 可以看出，冬季温室内全天光照时间约8 h，9：00 左右开启保温被，植株开始进行光合作用，冠层处光照强度在9：00—11：00呈线性增长，11：00—12：00 因CO2浓度减少增长速率降低，13：00 达到最大值，室内光照强度是室外的82.6%，14：00—17：00 呈线性下降，17：00 左右关闭保温被。由于太阳辐射的角度与距离，在南北方向上，室内光照强度呈现南强北弱特点；由于太阳辐射的方位和墙的遮档，在东西方向上，午前东弱西强，午后东强西弱，温室中部是全天光照最好的区域。

2.1.2 温度分析 由图5 可知，由于有保温墙体、土壤和保温被的作用，晚上室内各区域温度呈平缓下降趋势，且均保持一致，靠出口的8，9，10 号区域温度略低于其余区域，可能是由于出口的密闭性存在问题；由于太阳辐射的作用，8：00—9：00 室外温度上升，室内温度相应上升，但温度增值较小；9：00左右保温棉开启，太阳的辐射和植株光合作用引起温度迅速升高；11：30 左右通风口开启，温室内外温度进行热交换，室内北部区域和中部区域的温度呈短暂下降，通风口下4，7，10 号区域温度明显低于其他区域；12：00—13：00 温度上升，在13：00 左右达到最大值，南部区域能达到35 ℃；13：00—17：00温度呈下降趋势，16：00 左右关闭通风口，16：00 前温度下降的幅度低于16：00—17：00；17：30 左右关闭保温被，17：00—18：00 温度呈短暂回升，之后呈平缓下降。日光温室内温度呈白天远高于晚上、中部高于四周，温度变化与光照强度变化规律基本保持一致，在南北方向上，室内温度呈现南强北弱特点；受墙体和太阳辐射角度的影响,在东西方向上，午前东弱西强，午后东强西弱。

2.1.3 湿度分析 由图6 可知，温室内植物生长过程中80%的时间处于高湿状态，不通风时室内相对湿度通常在95%以上，白天保温被开启后，随着温度的升高相对湿度减小，当11：30 通风口开启后，室内湿度迅速下降，通风口下区域湿度下降速度比其他区域快，南部2，4，8 号区域在12：00 左右达到最小值，中部3，6，9 号区域在13：00 左右达到最小值，北部4，7，10 号区域在14：00 左右达到最小值；夜间室内相对湿度则由于温度的下降而增大，均保持在99.9%高湿状态。室内湿度总体上呈午前北高南低、午后北低南高的特点。

2.1.4 CO2浓度分析 由图7 可知，CO2浓度日变化曲线通常呈不规则“U”型，在早晨开启保温被之前，由于夜间植株的呼吸作用，使得CO2浓度最高，保温被开启后，温室内CO2浓度随着作物光合作用的消耗而逐渐减小；通风口开启后，通风口下4，7，10 号区域CO2浓度低于其他区域，在11：00左右达到最低值，11：00—12：00 迅速上升；通风口与保温被关闭后，植株的呼吸作用使室内CO2浓度迅速增加，且中部区域高于其他区域。

2.1.5 土壤湿度分析 温室内各区域土壤湿度全天变化不明显，均保持在65%左右。与空气湿度相比较，土壤湿度比较稳定，变化幅度较小。土壤湿度受温室温度、作物生长情况、作物种植密度、空气湿度等的影响较大。

2.1.6 土壤温度分析 由图8 可知，室内北部土壤温度变化不太明显，均保持在13.6 ℃左右，变化最明显的是南部和中部区域，土壤温度最高可以达到14.5 ℃。最高地温一般比最高室温晚出现3 h 左右，最低地温比最低室温晚出现2 h 左右。地温的变化幅度比较小，特别是夜间的地温下降幅度不明显。温室内土壤温度呈北高南低。

2.2 垂直方向数据分析结果

温室垂直方向环境影响着作物层次生长，试验在室内布置9 个区域分别对0.2，1.0，1.5，2.0，2.5 m高处的温湿度和10，20，30 cm 土层的土壤温度进行测试与分析，随机选取温室中部3 号区域数据进行分析。

2.2.1 温度分析 由图9 可知，保温被关闭后，由于土壤和保温墙的散热，0.2 m 高处的温度均高于其他高度的温度，其他高处的温度保持一致变化，但是1 m 处温度略低于其他高度。保温被开启后，由于太阳的辐射，温度呈现单峰变化，13：00 左右温度达到最大值，且温度随高度的增加而增大，白天高处温度高于低处，高度增大5 cm，温度增加2～5 ℃，0.2 m 高处最大温度为22 ℃左右，而2.5 m 高处最大温度可达到35 ℃。

2.2.2 湿度分析 由图10 可知，温室内0.2 m 高处相对湿度全天为99.9%。保温被关闭后，温室内相对湿度均为99.9%。保温被开启后，2.0，2.5 m 处相对湿度开始下降，而1.0，1.5 m 高处的相对湿度在通风口打开后才开始下降，1 m 高处最低值为90%左右，2.5 m 高处最小值为63.5%，相对湿度随高度的增加而递减。

2.2.3 土壤温度分析结果 从图11 可以看出，不同土层地温的变化趋势差异比较大，白天室温高于地温，夜间地温高于室温。30 cm 土层温度变化较小，保持在13.9 ℃左右，13：00 时下降到最低值13.5 ℃；20 cm 土层温度比30 cm 土层温度变化差异大，12：00 时下降到最低值13 ℃；10 cm 土层温度变化差异最大，9：00 时下降到最低值11.9 ℃，16：00 时上升到最大值14.4 ℃。

3 结论与讨论

番茄的光补偿点为7 000 lx，适宜光照强度为30 000～40 000 lx，冬季日光温室内光照时间不足，水平方向呈现出南强北弱、午前西强东弱、午后东强西弱、中部全天光照最好的特点；垂直方向上光照强弱与室内植株种植密度密切相关。因此，番茄生长发育期应增加补救措施，在建造温室时应在合适范围内增加温室的长度，种植时应增大陇宽。

番茄是喜温作物，最适温度白天为25～28 ℃，夜间为16～18 ℃。本研究表明，室内白天通风口打开后部分区域温度可能达到35 ℃以上，夜间最高温度12.7 ℃。温度水平方向呈现白天高夜间、中部区域高于四周的特点；垂直方向夜间0.2 m 高处温度高于其他高处，白天温度随高度增大而增加，高度增加5 cm，温度增加2～5 ℃。因此，白天应采取降温措施，夜间增加升温措施。

本研究表明，番茄最适相对湿度为45%～65%。室内夜间相对湿度始终为99.9%，白天只有短暂的最适湿度环境；水平方向呈现出午前北高南低、午后北低南高的特点；垂直方向0.2 m 高处湿度全天均为99.9%，其他高处随高度增加相对湿度降低。因此，需要对番茄温室采取降湿措施。

番茄最适地温为20～25 ℃。水平方向呈现北高南低的特点；垂直方向10 cm 土层温度变化明显，最小值为12.3 ℃，最大值为14.4 ℃，地温随深度增加而增大，30 cm 土层温度保持在14 ℃左右。因此，需要对温室采取提升地温措施。