日光温室嵌膜式基质栽培对根区温度及番茄生长和产量的影响

李宝石，王奇，刘文科，邵明杰

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

日光温室是中国特有的温室类型，不仅成功解决了北方地区冬春季蔬菜短缺和周年均衡供应问题，同时也为农业增效、农民增收做出了积极贡献[1]。目前，日光温室多以传统的土壤栽培为主，但由于过量水肥和农药投入导致资源浪费和生态环境污染[2-4]。而且温室反季节蔬菜栽培过程中，低温胁迫是影响作物生长的重要环境因素[5,6]。Tahir等[7]研究表明，作物对根区温度的反应机制比对空气温度更加灵敏。Lee等[8]研究表明，当根系处在低根温环境时，水分传导率和养分主动运输显著减小。Awal等[9]研究表明根区温度从25℃降至12℃，根系供应水分和养分的功能受阻。因此，根区温度调控在设施园艺作物生产中具有重要意义[10]。

针对日光温室蔬菜栽培过程中出现的冬季低温胁迫和土壤栽培等一系列环境带来的生产问题，傅国海等[11]基于土壤栽培根区环境稳定和基质栽培高效清洁生产的优点提出了一种新型栽培方式——起垄内嵌基质栽培，即将土壤栽培与无土栽培相结合，利用土垄包被基质，采用滴灌进行蔬菜栽培。前期研究表明，相对土垄栽培，采用起垄内嵌基质栽培甜椒，能够提高夜间平均温度1.34℃[12]；促进甜椒幼苗生长，提高果实产量50%以上[13]。

有研究表明，起垄高度会影响根区温度，进而改变根区热效应，影响作物生长[14]。而地膜覆盖则能够显著提高根区温度，对促进作物苗期生长具有积极影响[15]。而前人试验并未研究新型栽培方式垄高以及有无地膜对其生产性能的影响。为了进一步探究新型栽培方式的生产性能，本试验研究垄嵌与沟嵌基质栽培以及有无地膜共4种栽培方式对番茄生长及根区温度的影响，比较它们的实际生产效果，以期为新型栽培方式的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在河北省衡水市饶阳县良品果蔬种植合作社产业示范区的一个简易土墙日光温室中进行。温室顶部和底部均设通风口。番茄采用基质或土壤栽培。供试基质由河北丰源生物科技有限公司生产。土壤有效磷含量为321 mg/kg，硝态氮含量为178 mg/kg；基质有效磷含量为166 mg/kg，硝态氮含量为969 mg/kg。供试番茄品种为“罗拉”。

1.2 试验设计与方法

试验设置4个处理，其中， SR处理(对照)：梯形土垄栽培；SSC处理：起垄内嵌式基质栽培(soil-ridged substrate-embedded cultivation，SSC)；SE处理：内嵌槽全嵌入(20 cm)水平地面的土壤沟嵌栽培(soil embedment，SE)；SE+FM处理：土壤沟嵌上覆盖地膜栽培。随机区组排列，重复6次。小区面积120 m2。

起垄内嵌基质栽培，即将塑料薄膜嵌在一定规格的土垄中，装入混合基质。塑料薄膜厚度为0.12 mm，侧面打孔。通气孔距离底部2 cm，孔径1 cm，孔距15 cm。每条垄长7.5 m、垄高10 cm，基质槽下嵌地面10 cm，垄上底宽20 cm、下底宽40 cm。

土壤沟嵌：即在水平地面上开沟，将塑料薄膜嵌在沟中。塑料膜厚度和通气孔与起垄内嵌基质栽培一致。每条沟长7.5 m，沟深20 cm。

土垄栽培规格与起垄内嵌基质栽培一致。

所有处理完成后，进行滴灌带铺设。番茄苗于2020年8月12日定植，株距0.45 m、行距0.6 m。小区两侧设置保护行。施肥量依据当地农户常规用量，水肥管理采用滴灌进行。温室日常管理依照当地常规进行，于7—9月在温室顶部加装遮阳网，10月之后在顶部加装棉被。

1.3 测定项目及方法

采用YM-CJ型智能土壤温度记录仪(国产，精度为±0.05℃)测定土壤温度。共设置11个测点，分别布置在每个处理垄根区基质内，埋深10 cm。日光温室内设置2个测点，测室温，悬挂高度1.5 m；室外设置1个测点测室外温度变化，悬挂高度1.5 m；室内外气温测点置于辐射罩内，避免太阳直射。温度采集时间间隔为10 min。根据日光温室保温被开闭时间，本试验将白天定义为8∶30—16∶30，夜间为16∶30—次日8∶30。温度数据采集时间分别为2020年8月29日—9月1日和10月25—28日两个阶段。

8月29日每处理选5株番茄进行生长指标的测定。采用游标卡尺测定茎粗；直尺测定株高。10月31日选定5株番茄分别使用SPAD叶绿素仪测定老叶和新叶叶绿素含量。每处理随机选定4株用天平称量累加产量，即为番茄的单株产量，并根据行株距计算每平方米产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 25.0软件进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 日光温室不同时段内外气温变化

由图1可知，两个时段的室内外温度峰值变化相同，最高气温出现在13∶00左右，最低气温出现在6∶00左右，而且室内气温随室外气温的变化而变化。8月29日—9月1日出现的极端高温(>40℃)天数较多，这对于番茄苗期生长极为不利。8月29日—9月1日4个昼夜中温室内白天气温平均值为33.31℃，夜间为24.68℃；室内最高气温在32.30～47.35℃，最低气温在20.88～24.30℃。4个昼夜中白天室外气温平均值为29.24℃，夜间为22.77℃；室外最高气温在29.05～35.95℃，最低气温在18.45～22.65℃。

10月份4个昼夜中白天室内气温平均值为22.22℃，夜间为17.64℃；室内最高气温在24.52～30.70℃，最低气温在15.55～17.55℃。4个昼夜中白天室外气温平均值为18.35℃，夜间为7.74℃；室外最高气温在19.60～23.85℃，最低气温在0～8.00℃。

图1 日光温室内外气温变化

2.2 日光温室四种栽培方式对根区平均温度的影响

由表1看出，8月29日—9月1日，SE+FM处理和SSC处理的白天平均温度高于SR处理，白天室内气温较高时对高温的缓冲能力较弱，温度随气温上升较快。而在夜间时段，SSC、SE+FM和SE处理的根区温度高于SR处理，说明夜间这三种处理能够较好地维持根区温度。其中SE+FM处理有利于提高根区最低温度。各处理最高温与最低温平均值之差为SR>SSC>SE>SE+FM，说明SE+FM处理的根区温度变化较小，SR处理的波动较大。

由表2看出，10月25—28日，SSC、SE、SE+FM处理的夜间根区平均温度均高于SR处理，其中以SE+FM处理最优，分别比SR、SSC和SE处理高1.44、0.68℃和0.71℃。4个处理根区最低温度分别为17.86、18.74、18.83、19.50℃，即SE+FM>SE>SSC>SR，说明SE+FM处理维持夜间低温的能力最强。4个处理最高温与最低温平均值之差分别为1.36、1.05、0.85、0.81℃，说明覆膜栽培具有较好维持根区温度稳定的能力，而SE与SSC处理间的根区温度差异不明显。

表1 8月29日—9月1日四种栽培方式根区平均温度 (℃)

表2 10月25—28日四种栽培方式根区平均温度 (℃)

2.3 日光温室四种栽培方式对番茄生长及产量的影响

由表3可知，SR和SE+FM处理番茄苗期株高显著高于其他两个处理。茎粗以SE+FM处理的值最高，SE处理最低，二者差异显著，但与SR、SSC处理无显著差异。从SPAD值可以看出，老叶明显高于新叶，无论老叶还是新叶均以SE+FM处理最大，说明覆膜处理能够显著促进番茄幼苗的生长。SSC和SE处理之间各指标值无显著差异，说明垄嵌和沟嵌基质栽培对番茄幼苗生长的影响不显著。各处理产量依次为：SE+FM>SSC>SR>SE，与SR相比，SE+FM处理显著提高番茄产量14.31%；SSC和SE、SR处理无显著差异。

表3 四种栽培方式对番茄生长及产量的影响

3 讨论与结论

本研究结果表明，4个处理在8月份和10月份两个时段根区最高温与最低温平均值差值均以SR处理最高。这与李宗耕等[16]的试验结果一致，说明SR处理根区温度变化剧烈。尽管土壤具有良好的蓄热保温性能，但是其热量传导速率较慢[17]，热量常常到达根区后便受到阻滞。SSC和SE处理的白天平均温度相差不大，但在夜间较冷时根区温度有所提升，说明SSC处理能较好抵御夜间的低温阶段；但是SSC处理的温度稳定性差，这与傅国海等[18]的研究结果一致，说明内嵌膜嵌入深度会影响根区温度的稳定性。与SSC相比，SE处理的平均温度较低但较为稳定，原因可能是由于其完全位于地面以下，能够有效吸收和利用来自地下土壤储存的热量[19]。本研究结果表明，地膜覆盖通过影响热平衡来提高土壤温度，SE+FM处理不仅具有较好的抵御低温的能力，同时还能够维持根区温度的稳定性。其原因可能是地膜覆盖减少了热量的散失，一方面储存在基质中；另一方面储存在内嵌膜两边的土壤中。

番茄幼苗的株高、茎粗和SPAD值等指标能够反映其生长情况。与SSC、SE处理相比，SE+FM处理提高了番茄幼苗的株高、茎粗、SPAD值。这主要因为地膜覆盖条件下，根区温度、含水量、养分的可用性等特性均得到提高，对于植物周围的小气候产生积极影响，进而促进苗期的生长。SSC和SE处理的生长指标无显著差异，但是SSC处理更有优势。与SR相比，SE+FM处理的生长指标无显著提高，这与傅国海等[18]的研究结果不一致，其原因可能是定植前在土壤中施入了有机肥，SR处理的番茄幼苗不仅能够吸收滴灌输入的营养元素还能够利用土壤中本身储存的营养，进而促进幼苗的生长。然而从产量指标来看，与SR处理相比，SSC和SE处理并未显著提高番茄产量，这与先前的试验结果不一致，原因可能是水肥投入过高，导致根温胁迫对植株产量的影响削弱。此外这三种处理均未覆膜，这与先前的试验有所差异。SE+FM处理能够显著提高番茄产量的原因是，覆膜栽培具有保水保墒、提高根区温度和改善田间小气候的作用[20]。尽管SE与SR处理的产量无显著差异，但SE+FM处理则在SE处理的基础上能够进一步提高番茄产量，这在之前已有研究[21]。

综上表明，SE+FM处理的根区温度及其生产性能较优，能够有效解决番茄苗期面临的根区低温问题，对促进冬季日光温室作物生长起着重要作用。