基于物联网的设施番茄温差调控模型研究

黄媛，杨英茹*，高欣娜，陈诚，杜亚茹，李海杰，武猛，李瑜玲*

（1.石家庄市农林科学研究院/石家庄市农业信息化工程技术研究中心，河北 石家庄050041；2.国家农业信息技术研究中心，北京100000）

番茄原产于南美洲，明万历年间传入我国用于观赏，在我国种植栽培时间尚不足百年[1]，但随着消费者的喜爱以及种植技术的提高和普及，其种植面积迅速扩大，现已成为我国栽培面积较为广泛的作物之一[2]。番茄在我国南方地区多为露地种植，在北方地区多为保护地种植，设施农业满足了番茄反季生产的种植需求[3]。农业设施的温度变化与露地环境明显不同，总体来说，设施内温室效应显著，保温效果好[4]。北方秋茬番茄主要在8月中下旬至9月初定植，翌年拉秧[5]，该茬番茄苗期至一穗花期间正值北方的盛夏季节，此时白天气温高、夜间保温性好，因此设施内温度呈现白天气温高、昼夜温差小的特点。

众多学者对设施环境的热因素变化规律进行了研究。李小芳[6]利用VB6.0编程求解，将温室地理参数、结构参数、围护结构物性参数和气象初始条件作为模型参数，对室内空气温湿度和各内表面的温度进行了预测；杨振超等[7]对冬季不同结构类型节能日光温室内气温和湿度的差异进行了比较，发现8：00拱圆型温室内的气温较琴弦式温室平均高14.1℃；孟翠丽等[8]对湖北省火龙果种植大棚冬季最低气温与当天棚外气温、前一天棚内外气温各要素的相关性进行分析，并构建了低温预报模型。但是，针对北方设施番茄苗期温室内气温变化特征的研究尚未见报道。

番茄幼苗对气温敏感，北方秋茬番茄定植后至一穗花现蕾阶段常出现由于温度管理不到位而造成幼苗徒长，影响一穗果的生长发育。因此，以北方地区秋茬番茄种植实际出发，以当地栽培设施的实际温度为基础，开展温室内昼夜温差变化规律的研究，以期指导当地秋茬番茄高效生产。

1 材料与方法

2018年和2019年在石家庄市农林科学研究院赵县农业科技园区（东经114°49′12″，北纬37°47′48″），连续2 a选择种植番茄的的1号、3号和5号温室作为研究对象。温室东西走向80 m、跨度8 m，番茄种植面积489 m2，棚膜上下风口可开合，并装有风机可进行通风换气、排湿降温。

温度数据为2008年和2009年秋茬设施栽培番茄定植后21 d内的室温。秋冬茬番茄的定植时间为当年的8月17～24日，定植后即开始进行温度数据采集。使用国家农业信息工程技术研究中心研制的温室微型气象站进行温度采集，气象站空气温度传感器测量范围为-20～70℃，测量精度为±0.1℃。气象站分别悬挂于温室中部，每30 min自动采集1次空气温度数据并存储和上传，通过石家庄市农林科学研究院（赵县）农业科技协同创新平台（http：//123.127.160.69：10006/iot_sjz/sjz/sjzHome）“实时数据”或“历史数据”栏目进行数据查看和下载。将当日8：00至19：30的24个温度数据取平均值，得到昼均温度；将当日20：00至次日7：30的24个温度数据取平均值，得到夜均温度。根据公式，计算昼夜温差：

昼夜温差=昼均温度-夜均温度

利用IBM SPSS Statistics 23软件进行数据的回归分析，其中显著性水平设置为α=0.05；利用Microsoft Excel软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 温室内昼夜温度及温差的统计分析

2018年和2019年试验温室的秋冬茬番茄缓苗期累计105 d。2 a调查结果（表1）显示，温室内昼均温度为25.31～37.76℃，夜均温度为17.79～28.42℃；昼夜温差为0.42～15.62℃，昼夜温差≤3℃、3～6℃（含）、6～9℃（含）、＞9℃的天数分别为14、24、29和38 d，占统计总天数的比例依次为13%、23%、28%和36%。可以看出，设施番茄苗期温室内昼夜气温波动较大，温差≤6℃的天数占统计总天数的36%。

表1 秋冬茬番茄苗期温室内昼夜气温的变化Table 1 Changes of day and night temperature in greenhouse during tomato seedling stage in autumn and winter （益）

2.1 昼均温度与昼夜温差的回归分析

利用昼夜温差和昼均温度数据绘制散点图，以昼夜温差（Y）为因变量、昼均温度（X）为自变量对二者的关系进行分析，结果（图1）显示，在95%置信区间昼夜温差与昼均温度呈线性正相关，一元回归方程为Y=0.902X-21.687，其中昼均温度的取值范围为25.3～37.8℃。显著性检验结果显示，R2=0.807，较接近于1，说明自变量—因变量形成的散点与回归曲线较为接近；方差分析结果显示，F=193.676，P=0.000（＜0.005），说明回归关系具有统计学意义。因此，可以将采集的昼温经过计算后代入回归方程，提前预判当天的昼夜温差。

图1 昼夜温差—昼均温度散点图Fig.1 Scatter diagram of temperature difference between day and night and daily average temperature

前人研究结果显示，在适宜温度下，昼夜温差为6℃左右时番茄苗生长良好[9～12]。根据回归方程得到昼夜温差为6℃时的昼均温度为30.7℃，即：昼均温度＜30.7℃时昼夜温差＜6℃，昼均温度≥30.7℃时昼夜温差≥6℃。将预估昼夜温差与当时番茄幼苗适宜生长的昼夜温差进行比对，可提前进行温差预警，并提出温差管理的指导意见。

3 结论与讨论

许多学者对设施番茄苗期的温室内昼夜温差管控进行了研究。李莉等[9]研究显示，在日均温度22℃条件下，温室内昼夜温差为6～8℃时番茄苗生育良好。朱凯[10]研究显示，日平均温度为18和25℃时，6℃昼夜温差最有利于番茄叶片进行光合作用。杨再强等[11]和张洁等[12]研究显示，在日均温度为25℃时，番茄的幼果坐果率、果实横径、果实纵径、单果重量和单株产量均以6℃昼夜温差处理最高。现有研究结果均表明，在适宜温度下，昼夜温差为6℃左右时番茄苗生长良好。

2018年和2019年连续2 a在石家庄市农林科学研究院赵县农业科技园区选择种植秋冬茬番茄的1号、3号、5号温室作为研究对象，利用温室微型气象站自动采集各温室番茄定植后21 d内的空气温度，统计结果显示，番茄苗期温室内的昼均温度为25.31～37.76℃，昼夜温差为0.42～15.62℃，昼夜温度波动较大，温差≤6℃的天数占统计总天数的36%；以昼夜温差（Y）为因变量、昼均温度（X）为自变量进行线性回归分析，结果显示，在95%置信区间二者呈线性正相关，一元回归方程为Y=0.902X-21.687（R2=0.807），据此得到昼夜温差为6℃时的昼均温度为30.7℃。在当地秋茬番茄日常管理中，可依据回归方程，利用采集的温室内昼温（昼均温度）对当天的昼夜温差进行预测预警，并提出温度调控管理的指导意见，当昼均温度≥30.7℃时昼夜温差可≥6℃，当昼均温度＜30.7℃时应及时开启通风降温设备。

由于多数学者对番茄苗不同温差下的生长评价试验均以较适宜的昼均温度为前提，欲达到番茄苗期温差精准调控，可开展以昼温和温差2个条件为影响因素的番茄苗期生长试验，发掘不同昼温下不同温差对番茄苗生长的影响，建立多昼温条件下不同温差的番茄苗生长管理方案。同时，开展不同品种的昼夜温差生长评价试验，发掘不同品种对不同温差生长表现的共性与差异性，结合设施温差调控模型和自动化温控管理设备，建立番茄苗期智能化温差管控系统，实现番茄种植的精准管理[13～16]。