成都平原地区梯棱羊肚菌人工栽培生态环境参数范围及变化规律

谭 昊，苗人云，刘天海，唐 杰，杜大兵，韩海涛，杨海军，林 松，黄忠乾，彭卫红

(1.四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066；2.农业部西南区域农业微生物资源利用科学观测实验站，四川 成都 610000；3.江南大学生物工程学院，江苏 无锡 214062；4.成都鑫芯电子科技有限公司，四川 成都 610000)

【研究意义】羊肚菌(Morchellaspp.)是与松露、牛肝菌齐名的珍馐食用菌，近几年国内人工栽培面积增长迅速[1-2]。当前大面积的羊肚菌栽培面临出菇产量不稳定的问题[3-4]。在实地调查中300～500 kg/667m2鲜子实体的高产范例并不少见，但低于100 kg的低产也时有发生，不仅挫伤菇农信心，还在宏观上拉低了整个羊肚菌栽培行业产量的平均值，形成较大的产量方差，带来较大风险。除因菌种退化、病害和自然灾害等造成的减产，部分菇农对羊肚菌栽培的经验不足，田间管理未能形成最有利于羊肚菌生长出菇的温、光、气、水等环境条件，也是导致羊肚菌产量表现不稳定的重要因素，因此有“三分种、七分管”之说。为帮助菇农进行科学的田间管理，广大羊肚菌从业者编写了多部著作、技术规程和论文等，对栽培和出菇各阶段的田间管理方法进行了详细介绍[5-9]。下一步发展需向定量化、精准化、智能化迈进，用更详细精确的定量化语言表述羊肚菌栽培所需的各种环境条件参数，实现更好的田间管理效果。例如，对羊肚菌人工栽培环境各阶段氧气、二氧化碳水平进行详细的记录和分析，有助于为“保持湿度”、“通气良好”、“通气不良”等表述提供可量化的判定依据。【前人研究进展】物联网技术和农业大数据是实现作物栽培定量化、精准化、智能化的强大工具，在集约化程度较高的设施园艺中已表现出巨大优势，帮助国内外多种蔬菜、瓜果、花卉完成了栽培条件的分析和优化[10-11]，实现高效优质栽培。中国食用菌行业的生产环节中，已利用物联网实现了双孢蘑菇工厂化栽培和玉木耳温室大棚栽培的智能化调控[12-13]，用基于物联网的大数据分析法优化了金针菇工厂化栽培的条件[14]。羊肚菌栽培起步较晚，技术经验的积累程度远不及双孢蘑菇和金针菇等已有长期栽培历史的种类，对实现稳产高产所需的温、光、气、水等条件的筛选和优化尚未完全进入定量时代。【本研究切入点】本研究对梯棱羊肚菌人工栽培大棚中的光、温、气、水等生态环境参数进行长期实时监测和记录，通过大数据分析揭示上述生态环境参数的范围和变化规律。【拟解决的关键问题】可为西南地区平原地形的羊肚菌栽培田间管理期望达到的生态环境效果提供定量化的参考范围，并对工厂化栽培模式设计思路的探索提供了启示。

1 材料与方法

1.1 羊肚菌栽培

试验地点为四川省简阳市养马镇田家坝村晓梅家庭农场(30.5°N, 104.5°E)，当地土壤为砂壤土，气候为典型的成都平原气候。使用黑色三针遮阳网搭建大棚，每层遮阳网的遮光效果约等于75 %遮光率。分别搭建无遮阳网覆盖的大棚骨架和1、2、3层遮阳网的大棚。每个大棚长10 m宽8 m，棚内划为面积相等的3个重复区域。大棚之间有1 m走廊间隔。试验用羊肚菌菌种与营养袋制备步骤参照作者前期研究所述方法[15]。品种为梯棱羊肚菌“川羊肚菌1号”，栽培种由四川金地田岭涧生物科技有限公司生产与提供。营养袋配方为干重比例85∶15的小麦粒与谷壳。按照唐利民等[9]所述方法进行栽培，2018年11月24日播种，属于当地较为典型的播种时机。12月6日摆放营养袋，用量为每平方米6个，保持至出菇结束撤除。播种后根据土壤干湿度酌情喷水，使栽培厢耕作层20～30 cm的土壤保持湿润。子实体形成和生长期需保持土壤湿润和增加空气湿度，视情况少量多次喷水，避免水分过多，并保持通风良好。当梯棱羊肚菌子实体菌盖长至5～8 cm左右，棱纹与凹坑明显可见时采收。2019年2月19日第一次采收，至3月22日全部结束。采收时按小区用美工刀齐土面割下成熟子实体，清除基部泥土后称重。不同遮阳棚中随机取20个子实体，记录子实体颜色、单朵重、菌盖长度、菌盖直径、菌柄长度和菌柄直径的农艺数据，以便进行农艺性状分析。对于采到的子实体样品，按照作者前期研究所述测定方法[15]对子实体总碳水化合物、总蛋白、游离氨基酸、粗脂肪、总磷、总钾等营养成分进行测定。

1.2 环境参数监测

基于物联网技术的环境参数监测设备共12套，由成都鑫芯电子科技有限公司研发制造。每套设备具有光照强度、气温、空气相对湿度、空气中的氧浓度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤含水率共7种实时监测传感器(表1)，在使用前经过精确校正，使测量读数一致且准确。对于每个大棚中的3个重复区域，在每个区域接近中间位置的厢面上安装一套上述设备，24 h不间断环境数据监测，通过中国移动GPRS通讯网络将数据实时上传到云平台，每10 min记录1次数据。由2019年1月4日0:00时开始记录，至3月22日中午12:00时结束，涵盖了营养生长后期至催菇前、催菇期、原基形成、出菇和采收的过程。为评估遮阳网层数、天气等因素对大棚内光线光谱组成的影响，分别在晴天和阴雨天的上午(9:00)、中午(12:00)、下午(15:00)用MK350N Plus型手持光谱计(群燿科技公司)测量裸地和1、2、3层遮阳网的大棚中光线的光谱组成。

表1 被监测环境参数的传感器和探测位置Table 1 Sensors for the environmental factors monitored and their detecting positions

1.3 数据分析

1.3.1 建立波动模型 对于每一项环境参数，将不同日期同一时刻采集到的所有数据求平均值，得到该环境参数在这个时刻的期望值。按照10 min的间隔记录数据，一天24 h有144个数据点。将数据点用平滑曲线连接，得到这个大棚中的这项环境参数在一天24 h中的波动模型。以农历节气作为划分时间段的分界点，将记录环境参数的时间段从1月5日(小寒)至3月21日(春分)划分为5段，每段15 d。分别建立以农历节气作为划分的5个时间段的波动模型，以及1月4日至3月22日整个阶段的波动模型。

1.3.2 数据分布特征分析 对于每一项环境参数，对其数据分布特征绘制箱线图(Box-plot)，箱线图中矩形上边缘为上四分位数，下边缘为下四分位数，矩形内部的横线为中位数，X符号为平均值，竖线的上下端点分别为Whisker上限和Whisker下限[16]，超出Whisker上下限的数值被认为是极少出现的异常值[17]。其中，光照强度的箱线图分析只包含白天有光照时的数据，不包含夜间光照强度为0的数据。

1.3.3 积累效应分析 温度、光照等环境因素可通过积温、累计日照小时数等积累效应的方式影响作物的生长发育。以某项环境参数在某个时段内平均到每24 h周期的积累值，即该参数24 h波动曲线的曲线下面积的微积分结果，作为度量和评估该环境参数积累效应高低的依据。

1.3.4 数据分析软件 用微软Office2016套件中Excel软件的相关计算函数进行数据的求和、平均值、标准差、曲线下面积运算。用Excel软件的箱线图功能计算数据分布的平均值、中位数、Whisker上下限，绘制出箱线图。统计检验的单因素方差分析使用IBM公司的统计软件PASW Statisitics version 18。

2 结果与分析

2.1 羊肚菌产量、农艺性状与营养成分

1层黑色三针遮阳网的大棚中最终收获鲜子实体(465.48±91.13)g/m2，达到了成都平原地区大规模栽培梯棱羊肚菌常见产量水平，2、3层遮阳网的大棚收获子实体产量显著低于1层遮阳网的大棚(表2)。1、2层遮阳网的大棚收获的子实体单朵重量、菌盖直径等农艺性状指标均显著大于3层遮阳网的大棚。1层遮阳网的大棚收获的子实体菌柄长度显著短于2、3层遮阳网的大棚，而菌柄直径在不同层数遮阳网的大棚之间无显著差异。以上结果表明，1层遮阳网大棚中的环境条件比2、3层遮阳网大棚更有利于梯棱羊肚菌生长出菇获得高产量和较优的农艺性状，收获的子实体菌盖较长、较粗，菌柄较短，符合目前市场上较受欢迎的羊肚菌子实体外观特征。1层遮阳网大棚中的子实体单朵重量较大，意味着子实体肉质较为厚实，但子实体中几种主要营养成分的含量未表现出显著差异。在子实体菌盖颜色方面，1层遮阳网大棚中的子实体菌盖呈褐色，比2、3层遮阳网大棚中的子实体菌盖颜色明显更深，而2层遮阳网大棚中的子实体菌盖颜色仅略深于3层遮阳网大棚中的子实体菌盖，说明一定强度的光照有助于羊肚菌子实体菌盖颜色形成。在以上结果的基础上，将1层遮阳网大棚中的环境参数作为相对适合梯棱羊肚菌栽培的环境参数，在后续分析中与2、3层遮阳网大棚中的光、温、气、水环境参数进行比较。

表2 不同层数遮阳网的大棚中梯棱羊肚菌的出菇产量、部分重要农艺性状与营养成分Table 2 Yield, key agronomic characteristics and nutritional composition of M. importunafruiting bodies from the greenhouses with different layers of sunshade net

2.2 光照

遮阳网层数对大棚中光照强度的影响极大。每增加一层黑色三针遮阳网，大棚中的光照强度大约下降一个数量级(图1-A)，光照强度的积累值也呈现同样趋势(表3)。光照强度在正午12:00至下午13:00左右最高，无遮阳网遮蔽的情况下光照强度可达20 000～25 000 lx左右。在较为适合羊肚菌生长出菇的1层遮阳网大棚中，正午光照强度平均值大约2000～3000 lx左右，其中晴天多在2500～3500 lx之间，阴雨天常降到1000 lx甚至500 lx以下。入春之后，光照强度在总体趋势上逐渐升高。在原基大量形成和出菇阶段，24 h平均光照强度积累值达到12 000～17 000 lx·h(表3)。靠近春分的晴天，1层遮阳网大棚中光照在少数时候可高达5000～7000 lx，超过了Whisker上限(图1-B)，为极少出现的异常值。比较各种条件下大棚中光照的光谱组成(图2-A)，结果显示：增加遮阳网层数可提升光谱中红色光的比重、减少蓝紫色光的比重。无论晴天还是阴雨天，同一大棚中正午的光谱中红色光比重均大于上午和下午。晴天相比阴雨天光谱中红色光成分更多，蓝紫色光成分更少。将自然光的光谱组成与多种人工光源做比较(图2-B)，结果显示：自然光各波长光谱组成非常齐全且均匀，尤其在蓝-绿-黄光波段较为丰富。设施培养中常用的普通直管白色日光灯和冷白色LED灯带的光谱在几个较窄的波段呈峰状分布，严重缺乏450～520 nm蓝绿光波段。而白炽灯光谱组成虽然比普通直管白色日光灯和冷白色LED灯带更均匀和齐全，但主要为红色、橙色光，蓝绿光严重不足。即使是蓝色玻璃或绿色玻璃作外壳的彩色白炽灯由于彩色玻璃的滤光作用在蓝色和绿色波段出现了小峰，但强度仍不足以与自然光的蓝绿波段相比。

图1 光照强度的24 h波动模型(A)及 光照强度数据分布的箱线图(B)Fig.1 Fluctuation models of illumination intensity in 24-hour cycle(A) or Box-plots of data distribution of illumination intensity(B)

图2 遮阳网层数的不同对棚中光线光谱构成的影响(A)及大棚中光线的光谱组成与其他光源比较(B)Fig.2 Influence of different layers of sunshade-net on the spectrum composition of light in the greenhouses(A) or The natural light in the greenhouse compared with other light sources(B)

参照对光照参数的分析结果，对成都平原或类似气候的地区羊肚菌催菇、原基形成至出菇采收阶段田间管理需要达到的光照效果提出可供参考的定量化参数范围：晴天正午大棚中测得的光照强度需达到2500～3500 lx，且连续10 d的光照强度总积累值在120 000～170 000 lx·h之间；若因连续阴雨天气造成较长时间段的光照强度积累值严重偏低，可以采取措施增加光照。例如将遮阳网安装成可完全掀起的形式，在阴天和小雨天气掀起遮阳网，使羊肚菌直接暴露在较弱的自然光照射下，并随时关注光照强度测量仪的读数，只要测得光照强度低于4000 lx就较为安全。直到连续10 d光照强度积累值达到了120 000 lx·h以上，再将遮阳网转为正常覆盖。

2.3 温度

空气温度峰值出现在13:00-14:00，土壤温度峰值出现在15:00-16:00(图3-A)，分别比光照强度峰值延后1、3 h左右，说明阳光照射对空气和土壤的加热升温有滞后性。遮阳网对于大棚中空气温度、土壤温度呈削峰填谷效果，有效防止了夜间温度过低和午后温度过高。若无遮阳网，春季晴天正午在阳光较为强烈的情况下，地表气温在极少数时候可出现35～45 ℃的极端高温(图3-B)。土壤温度大部分时候处在6～13 ℃的区间，体现了羊肚菌作为低温菇的特点。在积温方面，在1月4日至3月22日期间，无论是否有遮阳网，也无论遮阳网层数多少，都不能显著提升空气积温和土壤积温的水平(表3)。按农历节气划分的不同时段进行比较，遮阳网表现出对土壤积温的削峰填谷效果：在小寒～大寒的寒冷时节保持相对较高的土壤积温，在农历雨水之后天气渐暖的情况下防止土壤积温过高。

图3 空气温度、土壤温度的24 h波动模型(A)及空气温度、土壤温度数据分布的箱线图(B)Fig.3 Fluctuation models of air temperature and soil temperature in 24-hour cycle (A) or Box-plots of data distribution of air temperature and soil temperature(B)

表3 不同层数遮阳网的大棚中环境参数在各阶段的24 h平均积累值Table 3 Average cumulative value of the environmental factors per 24 hours cycle in the greenhouses with different layers of sunshade net

续表3 Continued table 3

续表3 Continued table 3

参照对空气温度和土壤温度的分析结果，对成都平原或类似气候的地区羊肚菌催菇、原基形成至出菇采收阶段田间管理需要达到的温度效果提出可供参考的定量化参数范围：大棚中地表附近5～8 cm左右的空气温度在任何时候不应高于22 ℃，地表以下5 cm深度的土壤温度在任何时候不应高于16 ℃；空气温度连续10 d的总积温应达到2800～3600 ℃·h左右，土壤温度连续10 d的总积温应达到2400～2900 ℃·h左右；若因寒潮到来导致较长时间段的积温严重偏低，可在夜间额外增加1～2层覆盖的遮阳网，或草帘、棉被等保温性更强的覆盖物，有利于在夜间减少大棚中热量的散失，并在日出之后取走或掀起额外增加的遮阳网，使大棚中的空气和土壤在白天正常接受日光中的热量。

2.4 水 分

空气相对湿度在夜间较高，1～3层遮阳网的大棚中均为85 %左右，白天受较强光照和较高空气温度影响，局部生态环境中空气相对湿度短暂下降，在13:00-15:00左右呈现低谷(图4-A)，在1层遮阳网大棚中可短暂地下降到<60 %。因此，若使用微喷系统，可将微喷喷水的时机设置在下午13:00-15:00，有利于大棚中空气湿度低谷时增加湿度。在没有遮阳网覆盖的裸地上，空气相对湿度在白天下降幅度更大、时间跨度更长，在11:00-17:30低于60 %，体现了遮阳网保持空气湿度的效果。无论是空气相对湿度的平均值(图4-B)还是在各个阶段的积累值(表3)，1～3层遮阳网的大棚都显著高于无遮阳网覆盖的裸地，而1、2、3层遮阳网的大棚之间无显著差别，说明遮阳网对大棚中空气的保湿效果与遮阳网层数关系不大，只要有1层遮阳网即可达到保湿效果。与空气相对湿度在每天呈现规律性波动不同，土壤含水率较稳定。

图4 空气相对湿度、土壤含水率的24 h波动模型(A)及空气相对湿度、土壤含水率数据分布的箱线图(B)Fig.4 Fluctuation models of air relative humidity and soil water content in 24-hour cycle (A) or Box-plots of data distribution of air relative humidity and soil water content(B)

营养生长阶段，遮阳网有利于防止降雨过多造成的土壤含水率过高。在原基形成和出菇阶段，土壤含水率在22 %～23 %左右。

2.5 氧气与二氧化碳

棚内空气氧浓度在24 h周期中呈现规律性波动，夜间不低于20.2 %，白天有光照时升高，13:00-16:00达到最高值20.6 %～20.8 %(图5-A)，可能是由于试验地周围植物光合作用产生氧气扩散到大棚中。春季随着光照增强，环境中的氧气更充足，大棚中空气氧浓度继续提高，有利于在羊肚菌原基形成和子实体发育关键阶段提供一个富氧的微环境。对比不同层数遮阳网的大棚，虽然氧气浓度的积累值无显著差异(表3)，但从24 h波动模型可以看出1层遮阳网有利于在夜间保持一个相对较高的氧气浓度(>20.2 %)，不仅高于2、3层遮阳网的大棚，也高于没有遮阳网覆盖的裸地，有利于使大棚中的羊肚菌远离低氧胁迫冲击的风险。二氧化碳浓度的波动趋势与氧气相反，夜间较高，中午13:00至傍晚17:30为低谷(图5-A)，可能是因为周围植物的光合作用消耗了二氧化碳，导致大棚中二氧化碳向棚外低二氧化碳环境流动，也可能是因为强光抑制了羊肚菌的生理代谢强度。在原基形成和出菇的关键时期，夜间二氧化碳浓度绝大部分时候低于500 μl/L，中午至傍晚时段进一步降至450 μl/L以下。以上结果皆显示了羊肚菌原基形成和出菇阶段要求菇棚空气中有充足的氧气和较低的二氧化碳水平。从箱线图显示的数据分布特征看，二氧化碳浓度高于500 μl/L的时候较少，高于600 μl/L的时候极少。因此，如果测得二氧化碳浓度高于500 μl/L则应引起警觉，需加强巡视以查看是否存在通风不良，若测得二氧化碳浓度高于600 μl/L则应立刻采取一切可能的手段迅速加强通风效果，排除过多的二氧化碳。

图5 氧气、二氧化碳浓度的24 h波动模型(A)及 氧气、二氧化碳浓度数据分布的箱线图(B)Fig.5 Fluctuation models of O2 and CO2concentrations in 24-hour cycle (A) and Box-plots of data distribution of air O2 and CO2 concentrations(B)

3 讨 论

羊肚菌室外大田栽培模式现已推广到全国范围甚至海外。中国幅员辽阔，西南、西北、华北、东北等地区的光照、气候条件各不相同，低海拔地区与高海拔地区之间也存在差异。栽培管理措施的经验化表述，例如“用两层遮阳网搭建大棚”、“每天喷水一次使土壤湿透”等在不同地区产生的栽培环境效果可能相差甚远。例如，高纬度地区的光照强度弱于低纬度地区，且在9月至次年3月的每日日照时间短于低纬度地区，因此同样使用“95 %透光率的遮阳网覆盖”[9]，高纬度地区照进大棚的光照强度弱于低纬度地区。此外，日照充足地区与阴雨较多的地区产生的日照效果有差异，海拔高度、大棚形状与朝向、处于坡地向阳或背阴面等因素也会对大棚中最终获得的光照效果产生影响。若能定量表述为透过遮阳网后的阳光在晴天正午需要达到的光照强度值，以及平均每天获得的光照强度积累值，有助于不同纬度、不同气候条件的地区各自通过合理手段达到较理想的光照效果。在温度控制、湿度控制中采用定量化的表述，也有助于在相对湿润和相对干旱的地区均获得较为准确的温湿度控制效果，推动精准栽培的早日实现。在羊肚菌栽培生态环境研究方面，陈锡桓等通过收集当地气象站以天为记录间隔的温度数据统计了羊肚菌完成发育和出菇所需的积温[18]。在前人基础上，本研究使用物联网技术真实反映了羊肚菌栽培出菇所处的生态环境的参数范围和规律，数据记录间隔达到每10 min 1次，更细致地反映了各项生态环境参数在24 h周期的动态变化规律，利用大数据分析揭示了这些环境参数的数值分布特征。温度方面，揭示了土壤温度大部分时候处于6～13 ℃的低温范围，与作者前期工作中测量的营养袋所处的温度范围一致[15]。高于16 ℃的土壤温度和高于22 ℃的空气温度均属于极少出现的异常值，可作为田间管理参考的高温警戒线。湿度方面，无遮阳网的裸地上空气相对湿度在极少数情况下会下降到15 %～30 %，即使在有遮阳网的情况下也会偶尔出现20 %～50 %的数值，虽不多见却值得警惕，以免造成幼嫩的羊肚菌原基受干燥逆境冲击而枯萎，或使已长成的子实体干燥脱水影响其商品性。在同一个遮阳网层数的处理中，基于同样的水分管理措施，土壤含水率的数据分布特征在3个测量之间的差异性比其他参数更明显，说明土壤含水率是一个较难控制的变量，易受到大棚中喷头位置、地势起伏、土壤质地松紧程度在不同位置的差异性等因素综合影响，导致菇棚不同位置土壤含水率差异较大，可能是促成羊肚菌出菇分布不均匀的重要诱因之一。与土壤含水率数据分布特征类似，二氧化碳浓度在同一处理的不同测量点之间的差异性也比其他参数更明显。菇棚中二氧化碳浓度在不同位置微环境中的局部涨落可能是促使羊肚菌出菇分布不均匀、性状表现不一致的另一重要诱因。

研究结果对羊肚菌工厂化栽培设施设计也有所启发。目前国内羊肚菌工厂化栽培技术尚在摸索中，原因包括相关技术参数尚未完全阐明、不能很好地模拟羊肚菌在室外出菇的环境条件，也包括实现所需条件参数的成本过高。在通风换气和温度控制方面，本研究揭示了羊肚菌需要空气中氧充足、二氧化碳浓度低，同时也需要较低的气温和栽培基质温度。若优先满足氧气充足、二氧化碳浓度低的需求，则制冷系统必须采取外循环模式并长时间大功率运转，能耗极高，且在外界气温较高时的控温效果难以保证。根据本研究揭示的规律，羊肚菌栽培环境中空气温度在绝大多数时候大于等于土壤温度，土壤温度最高不超过16 ℃，而空气温度只需不超过22 ℃。因此，羊肚菌工厂化栽培的设计思路应该彻底打破以往食用菌工厂化栽培采用冷风机制冷的模式，改用主要降低基质温度、少降或不降空气温度的思路。光照方面，可暂时放弃使用人工光源，转为利用自然光源为主。例如在出菇车间房顶设置带有金属纱窗网或百叶窗的玻璃天窗，使阳光自然照进出菇车间，以晴天正午出菇车间内光照强度达到2500～3500 lx左右为参考标准。

4 结 论

揭示了成都平原或类似气候地区梯棱羊肚菌人工栽培生态环境参数的范围和变化规律，为正常的田间管理期望达到的效果提供了定量化的生态环境参数参考范围：晴天正午大棚内光照强度2500～3500 lx；土壤温度一般不超过13 ℃，空气温度一般不超过22 ℃，且绝大多数时候空气温度大于等于土壤温度；空气湿度在夜间为85 %左右，下午会出现空气湿度低谷，需格外注意维持湿度；空气中氧浓度高于20.2 %，二氧化碳浓度大多数时候低于500 μl/L。获得的栽培生态环境参数范围和变化规律对羊肚菌工厂化栽培模式的设计思路有所启示。