基质加温系统对设施架式草莓生长结果的影响

魏 斌,毕研飞,唐政辉，孙 昊,钱旻晗，王 健，孟 颖，赵金元

(1江苏常熟国家农业科技园区管理委员会，常熟215500；2南京农业大学园艺学院，南京210095；3南农大(常熟)新农村发展研究院有限公司，常熟215500；4常熟市农业科技发展有限公司，常熟215500)

草莓色泽鲜艳、外形美观，果实柔软多汁、甜酸适口、营养丰富，深受大众喜爱[1]。草莓属浅根性植物，在营养生长期80%的根系分布在0—15cm土层内。草莓根际温度对于草莓植株生长、开花及果实发育存在重要的影响[2]。

草莓架式栽培中，因栽培槽架于空中缺乏地温支持，且栽培槽内基质体积小、质量轻、基质温度易受环境影响。实际草莓生产中，为防止室内夜间气温过低，通常采用燃油、燃气、地源热泵电加热等系统[3-6]对室内架式栽培槽内的基质进行加热，但加温效果有限且成本往往较高。前人研究认为，根区局部加热利于实现节能生产[7]，地热线、管道热交换系统等设备的使用可显著提高架式栽培草莓夜间根际温度，进而促进草莓生长发育、提升果实品质，缩短生育周期，提高产量[8-9]。空气源热泵是一种利用空气作为热源(冷源)，既能供热又能制冷的高效节能环保型热泵系统。空气源热泵通过输入少量的高品位能源，可将能量从低温热源向高温热源的转移。空气源热泵可实现在冬季外温度较低情况下为温室内供暖，为作物生长创造合适的温度环境[10-11]。

基于前人已有研究基础，结合空气源热泵及热水管道加热技术设计一种适用于设施草莓架式栽培的基质温度加温系统，开展根区基质加温技术研究，以期为实现设施草莓架式栽培中根际温度的有效控制，生产优质草莓果品提供指导。

1 基质加温系统结构设计与功能

1.1 结构设计

系统加热采用空气源热泵系统控温技术，利用逆卡诺循环原理(图1)，通过消耗少量的电能得到机械功，将空气中难以利用的低品位热能转化为高品位热能，实现低温热能向高温热能的转移，随后将高品位热能释放到水中制取热水。通过在植株根部基质铺设热水管，借助循环水泵将热泵系统加热后的热水传送到热水管路中，对周边空气及基质热传导，以实现栽培基质加温，提升草莓根际温度。

1.2 系统功能

整套系统由热泵机组加温系统、循环水泵、储水箱(300 L)和热水管道热交换系统等部分组成(图2)。其中热泵机组为1.0 PH直流变频机组，制热输入功率为500—1 400 W，制热功率为1 400—5 400 W，制热室外温度为-25—33℃，出水温度为7—52℃。在实际生产中可依据加热面积的需要将多台机组进行并联。循环水泵额定功率为95 W，扬程为6 m，流量为3.6 th。热水管道热交换系统与加温系统相连，其中每条栽培槽为一组，每组管道呈U型均匀排布于槽宽为30cm的H型草莓栽培架上，每条栽培槽上加热管道水路流程相等，流量分配均衡。加热管道(直径25 mm×3.5 mm)为导热性较好的PPR材质，在草莓栽培前预埋于栽培槽基质表层，管道距离栽培槽边缘3cm，深度3cm。

系统启动后，可通过室内机控制面板对循环出水温度进行设置，通过循环水泵，将系统产生的热水输送到草莓根区铺设的热水管道中加热基质。完成热交换后，低温水通过回水管回流至空气源热泵模块机组，再次循环供热；当水路出现缺水情况时，可通过补水箱为热水输送水路补水。室内控制系统根据机组的回水温度控制主机系统启停：当回水温度超过设定温度时，系统停止运行；回水温度低于设定温度时，系统开启。此外，还可通过调节水泵档位，控制循环管道中的水流量来调节基质温度。

2 材料与方法

2.1 栽培材料及系统运行试验

2.1.1 材料

试验于2017年9月—2018年3月在江苏常熟国家农业科技园区的草莓温室内进行(图3)，温室为文洛型玻璃温室(40m×60m)。室内有H型草莓立体栽培架共计45条，其中10条布设了基质加热系统管道。以不采取供热为对照组，每条栽培架槽宽30cm，长度36m。供试品种为“红颜”双行定植，于9月9日完成定植，行株距为 20 cm×20 cm。

试验期间，温室环境采取统一管理：定植及生长初期室温过高时，开启遮阳及湿帘风机进行降温；冬季室温过低时，夜间使用保温幕保温，此外，室内配备的天然气暖风加温机(倍利COMBITERM 140E，意大利)可对室内空气进行自动加温，设定室内空气温度不低于5℃。

2.1.2 系统运行方案

基质加温系统于2017年12月11日—2018年2月15日期间开启，运行方案为：1)冬季，晴朗白天，太阳辐射较高，室内气温高于20℃以上时，关闭系统；2)冬季，夜晚或者连续阴雨天。室内气温较低于10℃以下时，开启系统，进行加热。

系统循环水设定温度初始值为35℃，以15—18℃为适宜温度。当室内外气温较高时，适当降低设定值；当气温较低时，提高设定值。系统采取自动控制模式，当循环水温接近设定值时，压缩机转速变慢，输入和输出功率变小。当水温达到设定温度，系统停止运行；当水温低于设定温度时，机组开始运行。

2.2 参数测定

2.2.1 温度测定

2.2.2 用电量测定

采用电量测量仪对加温系统开启后的耗电量进行记录与测量。

2.2.3 营养生长指标测定

参照《草莓种质资源描述规范和数据标准》[12]分别于加温处理前后，测定草莓植株株高、冠径、叶片大小、叶柄长、花芽(抽生花序)数等生理生长指标；同时，采用 SPDA-520型叶绿素测量仪，对草莓植株基部第2、第3片功能叶进行测定，每隔10 d测量1次。

2.2.4 产量和品质测定

自果实着色面积在80%左右开始，每隔3—4 d采摘1次，统计每株的果个数、单果重、单株产量；同时，采用WYT-32手持折光仪对果实的可溶性固形物含量进行测定[2,13]。系统开启后，选取位于栽培架中部，位置一致、长势相近的草莓植株，每处理选取20株草莓，3次重复，挂牌标记。

2.3 系统性能评价

性能系数(Coefficient of performance，COP)是评价热泵系统节能性的最重要指标之一。它表示了热泵收益(制热量)与付出代价(本系统为消耗电能)的比值。系统热泵机组的运行效率计算公式为[10]：

COP=QhW=CρLΔTtW(1)

其中，Qh为系统供热量，kJ；W为系统耗电量，kJ；C为水的热容，kJ(kg·℃)；ρ为水的密度，kgm3；L为水流量，m3h；ΔT为系统供回水温差，℃；t为系统运行时间，h。通过测试水箱进出口水温可计算出供热量Qh，通过电表可读出系统开启时间段内耗电量W。

2.4 数据处理

数据采用Excel 2016软件进行处理，数据曲线采用 Origin 9.4 软件绘制。

3 结果与分析

3.1 系统加温效果分析

图4与图5分别反映了试验组和对照组根区周围基质日平均温度及日最低温度的变化情况。系统在12月11日开启，如图所示，系统开启前，两组之间日平均温度及最低温度不存在显著差异；而系统开启后，试验组日平均温度及日最低温度均明显上升并且显著高于对照。统计结果显示，与对照组相比，试验组根际日平均温度可提高3.4℃以上；日最低温度可提高3.2℃以上，增温效果明显。

图6显示了典型天气条件下草莓根区基质温度的日变化情况，基质温度在一天内的变化相对于室内空气具有滞后性。晴天，随着室温的升高，基质吸热升温，在15：00左右达到最大值；到了夜间，室温及基质温度开始下降，并在凌晨6：00左右降到最低。整个夜间，基质温度始终高于室内空气温度，说明基质处于不断放热状态。阴雨天，由于太阳辐射较低，室温及基质温度全天处于较低的水平，且试验组显著高于对照组。结果表明，实验组晴天根区日平均温度可提高4.5℃，阴天可提高5.3℃。

相关研究表明[14-19]，根区温度改变对于作物的生长发育、生理特性以及果实产量等指标作用显著。对草莓而言，根系生长适宜温度为15—18℃[20]，如果地温降至10℃以下，生长发育就会缓慢，甚至停止生长。试验数据显示，测试期间，部分晴天的凌晨及阴雨天全天，当室内外空气温度较低时，未加热基质温度会降低至10℃以下，最低值仅为8.6℃，而经过系统加温的试验组全程始终保持在14℃以上，可提供比较稳定的根区温度，满足草莓根系的生长需求。

3.2 系统性能分析

图7显示了不同天气(1月6日、7日阴雨天，1月8日多云，1月9日、10日晴天)室外温度条件下系统运行情况，这段时间内，系统整体供热总量为为2.2×105kJ，合计61.02 kWh，共耗电22.6 kWh，节能效果较好。从图中可以看出，在室外温度波动较大时，系统运行依然较为稳定，系统日平均COP变化较小。当室外平均气温在0℃以下，系统COP基本保持在2.5 以上。结果显示，测试期间，系统COP基本保持在2.5—3.3。

3.3 系统对草莓生长及产量的影响

表1显示了2017年12月6日(加温前)和2018年1月15日(加温后)分别对不同处理草莓植株生长结果的影响情况。加温前，试验组与对照组各项生长指标无显著差异；加温后，试验组草莓植株的叶片数、株高、冠径以及花芽数均高于对照，其中花芽数提高了15.6%，说明系统对根区的加温处理可以有效促进草莓植株的生长和花芽分化。

表1 根际加温处理对草莓生长情况的影响

表2为低温季节应用本系统对草莓产量的影响结果。与对照相比，除加温前的11月差异不明显之外，加温组12月、1月和2月份草莓单株产量分别比对照提高 30.4%、34.6%和6.5%，四个月单株平均产量提高了17.8%，优质果率提高了28.6%。

表2 根际加温处理对草莓果实产量的影响

以上结果表明，该系统对于提高草莓前期产量效果明显，这与徐川等[2]的研究结果一致。另外，试验组优质果率明显提高，但草莓的果实可溶性固形物含量与对照相比差异不显著。试验后期，由于外界及室内气温的回升，系统对果实发育的影响逐渐减少，与对照相比，果实产量与品质均无明显差异。

4 讨论

针对设施草莓架式栽培条件下，冬季栽培基质夜间温度较低，易造成草莓生长发育受限、早期产量较低、果实品质较差等问题，基于空气源热泵控温技术设计开发了一种栽培基质加温系统。通过系统在冬季低温条件开展的系统加热试验及应用效果分析研究，该系统可提供比较稳定的基质温度，满足草莓根系的生长需求。对于解决冬季设施草莓架式栽培早期基质低温问题提供了一种解决方案，具有一定的研究意义和推广价值。实际生产中，应根据使用地域、天气状况及加温面积的不同选择配备合适功率的热泵机组及加热管网，并探索合适的运行策略。