傅國海，劉文科（中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農業(yè)部設施農業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

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土壟內嵌基質栽培方式對日光溫室春甜椒的降溫增產效應*

傅國海，劉文科**
（中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農業(yè)部設施農業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

摘要：本文提出土壟內嵌基質的栽培方式以緩解日光溫室春甜椒生長季遭受的高溫影響。通過設置土壟栽培（S處理）、土壟嵌PE槽基質栽培（P處理）、土壟嵌鐵絲網槽基質栽培（W處理）3種處理，以單純PE槽基質栽培（CK）為對照，在春甜椒果實成熟采摘期（5-6月）每日氣溫較高時段（12：00-16：00）觀測各處理根區(qū)環(huán)境溫度，在甜椒不同生育時期觀測各處理植株的生長指標及產量并進行比較。結果表明：S、P和W處理的根區(qū)溫度分別比CK低1.50、2.17和1.47℃，說明P和W處理能夠有效緩沖高溫時甜椒根區(qū)環(huán)境溫度的升高，且P處理的溫度緩沖效果略優(yōu)于W處理。S、P和W處理甜椒的株高、莖粗、葉綠素含量和地上干鮮重均顯著高于CK，能顯著促進甜椒生長發(fā)育，其中W處理對甜椒生長的促進作用最明顯?；|栽培根系鮮重較大，但CK根區(qū)高溫減少了甜椒地上部和根系干物質積累。此外，第一次采摘時土壟栽培的結實數(shù)顯著低于其它3個處理，說明基質栽培相對土壤栽培能促進甜椒開花坐果，縮短生育期。W處理結實數(shù)、單果重、單株產量、果實大小及單產均顯著高于其它處理，其產量為3.78kg·m?2，分別比S、P和CK處理提高80.9%、31.3%和51.8%?？傊翂徘惰F絲網槽基質栽培能夠在有效增強根區(qū)溫度緩沖能力的前提下，明顯提高甜椒產量，在日光溫室高溫環(huán)境生產中具有重要的應用價值。

關鍵詞：日光溫室；土壟內嵌基質栽培方式；甜椒；根區(qū)溫度；溫度緩沖能力

傅國海,劉文科.土壟內嵌基質栽培方式對日光溫室春甜椒的降溫增產效應[J].中國農業(yè)氣象,2016,37(2):199-205

日光溫室是中國獨有的設施類型，由于其具有良好的節(jié)能高效和蓄熱保溫性能[1]，能夠在降低生產成本的同時維持冬季蔬菜生長所需的環(huán)境溫度，在北方具有較大規(guī)模[2]。截至2014年，栽培面積已超過1×106hm2，約占設施園藝栽培面積的25%，已成為北方設施蔬菜生產中最為重要的形式之一[3]。

日光溫室生產多以土壤栽培為主，這種方式不僅產量低而且由于長期覆蓋栽培和設施環(huán)境內水、熱失衡，過量水肥和農藥投入等原因[4-5]，易導致資源浪費和生態(tài)環(huán)境污染[6-8]。另外，溫度是影響作物生長的最重要的環(huán)境因素之一[9-10]，日光溫室內一般無溫度調控設備，室內溫度易受自然環(huán)境影響，容易出現(xiàn)由季節(jié)變化和外界環(huán)境溫度變化造成的冬春季節(jié)低溫和夏季高溫脅迫問題[11-12]。

一般來說，溫室內環(huán)境空間相對較大，如果進行溫度調節(jié)需要較大的投入，而且能耗較高；而根區(qū)環(huán)境空間相對較小，僅對根區(qū)溫度進行調節(jié)消耗的資源和能源相對較少，根區(qū)的局部調控會更節(jié)能高效。并且，有研究表明，設施作物的生長發(fā)育對根區(qū)溫度比空氣溫度更為敏感[13]，當空氣溫度適合作物生長時，根區(qū)溫度脅迫成為抑制根區(qū)生理活動和植物生長發(fā)育的主要因素[14-15]，溫度脅迫使其茬口安排受到限制，不能實現(xiàn)全年生產，造成產量降低[16-18]。

因此，本文從調節(jié)根區(qū)環(huán)境溫度的角度出發(fā)，提出一種新型的日光溫室栽培方法即土壟內嵌基質栽培方式（Soil ridge substrate-embedded cultivation, SRSC），通過調控根區(qū)溫度，促進日光溫室作物生產。SRSC結合了無土栽培與土壤栽培各自的優(yōu)勢，一方面基質栽培能夠有效解決土壤栽培過程中存在的問題[19]，發(fā)揮其高產的優(yōu)勢；另一方面通過土壤包被基質，增強了基質環(huán)境的穩(wěn)定性。此外，SRSC還限制根系空間，有效吸收利用水肥；防止水肥滲漏，提高水肥利用率；側面開孔，增加根區(qū)通氣性；結合滴灌系統(tǒng)使用，減少水肥資源投入，最終解決日光溫室突出的資源環(huán)境和產量低等問題。本試驗以春甜椒為材料，探究SRSC新型栽培方法對其生長季溫度較高階段根區(qū)溫度、生長和產量的影響，以期為實際生產應用提供理論支持和技術支撐。

1　材料與方法

1.1試驗設置

試驗在北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)的日光溫室中進行，溫室長60m，跨度8m，脊高3.8m。小區(qū)長10m，寬3m，小區(qū)距溫室最南端1.5m，距西側山墻4m。供試作物為甜椒（Capsicum annuum L.），品種為海豐16號，穴盤育苗，三葉一心時定植，株距30cm，行距67cm，定植時間為2015年3月20日。

試驗采取起壟覆膜方式，即土壟內嵌基質栽培（Soil ridge substrate-embedded cultivation, SRSC，如圖1所示），即將特別設計的基質栽培槽嵌在一定規(guī)格的土壟中，槽內裝入按體積比例混合均勻的栽培基質（草炭:蛭石:珍珠巖=1:1:1），培壟完成后，壟表覆蓋地膜（厚度為0.06mm）。壟的上底寬22cm，下底寬42cm，高15cm。試驗設計了兩種栽培槽即PE栽培槽和鐵絲網槽加鋪塑膜栽培槽。PE栽培槽壁厚為2mm；鐵絲網槽孔徑2.5cm，槽內鋪設塑料薄膜，厚度為0.12mm。栽培槽的規(guī)格均為120cm（長）×12cm（寬）×16cm（高），并于兩種栽培槽側面（四周）距底部5cm處打兩行孔，孔徑1cm，左右孔距5cm，上下孔距2.5cm，交叉排布，其中嵌膜栽培槽在塑料膜上打孔，打孔位置與PE栽培槽相同。試驗采用全營養(yǎng)液滴灌的方法栽培甜椒。

圖1　土壟內嵌基質栽培方式結構示意圖Fig. 1　The sketch map of soil ridge substrate-embedded cultivation method

試驗共設置4個處理，其中3個處理為起壟加地表覆膜種植，但各處理壟內情況略有不同。處理1為均質土壟（S），處理2為土壟內嵌入PE栽培槽，槽內放置栽培基質（P），處理3為土壟內嵌入鐵絲網栽培槽，槽內覆膜并放置栽培基質（W）；處理4為對照（CK），為日光溫室常用無土栽培模式即PE栽培槽（規(guī)格同處理2），直接放置于土壤表面并覆膜。每個處理設置3個重復栽培行，每行栽種8株甜椒，各處理行自東向西依次排列，栽培過程中各處理水肥管理一致。

1.2項目觀測

在甜椒整個生長季，試驗采用國產YM-CJ型智能土壤溫度記錄儀（記錄儀精度±0.05℃）采集根區(qū)土壤或基質的溫度及室內外空氣溫度，根區(qū)測點位于壟中心位置10cm深處，室內溫度測點位于試驗小區(qū)上方2m高處，測點避光；室外溫度測點位于室外通風避光處，數(shù)據(jù)采集時間間隔為20min。在結果-采收期（5月10日-6月14日）每日高溫階段即12：00-16：00采集日光溫室內外氣溫及栽培壟作物根區(qū)的溫度。取連續(xù)5d平均值作為測定溫度，以減小天氣突變造成的誤差。

對甜椒不同生育期各生長發(fā)育指標進行測定。利用直尺測定株高，即甜椒基部至生長點的距離，測定時間分別為定植后25、50和80d；用游標卡尺測定甜椒成熟果實大?。ㄖ睆胶烷L度，直徑為甜椒中間部位的直徑），測定時間為定植后80d（采收期）；采用SPAD葉綠素儀測定葉片的葉綠素含量，測定時間分別為定植后25、50和80d；計數(shù)法分別計數(shù)總果實數(shù)和成熟果實數(shù)，測定時期為6月10日（第一次采收期）；采用稱量法測定果實重量（分兩次間隔7d采收，累加產量）及植株干鮮重（臺秤精度±1g，天平精度±0.01g），單位面積產量=處理小區(qū)總產量/處理小區(qū)面積。采用Excel2003 和SAS9.0進行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2　結果與分析

2.1土壟內嵌基質栽培方式對甜椒根區(qū)基質溫度的影響

由圖2可見，甜椒結果期（5-6月）溫室內外的5d高溫時段的平均溫度均較高，且室內溫度達30℃以上，始終高于室外。在整個觀測期內，各處理以高溫時段常用無土栽培模式即PE栽培槽內（CK處理）植株根區(qū)的基質溫度最高，說明無土栽培甜椒根區(qū)在外界高溫環(huán)境下溫度較高，對生產不利。相對的，兩種土壟內嵌基質栽培方式中，高溫時段P處理根區(qū)基質平均溫度則相對較低，比CK平均低2.17℃，而W處理比CK平均低1.47℃，因此可以看出，高溫時段，PE栽培槽的高溫緩沖效果比鐵絲網內鋪置塑料膜的方式效果稍好，可能是由于PE槽較厚槽壁影響熱量傳導造成的；而不用基質直接用土壤栽培即S處理其根區(qū)溫度比CK平均低1.5℃。說明兩種土壟內嵌基質栽培方法高溫緩沖能力優(yōu)于或接近土壤的高溫緩沖能力，明顯強于常用無土栽培模式即PE栽培槽（CK處理），可以實現(xiàn)夏季溫度較高環(huán)境下基質栽培替代土壤栽培的目的。

圖2　甜椒結果期溫室內外(a)以及不同處理根區(qū)(b)每5d平均溫度變化過程Fig. 2　Change process of average temperature each 5 days inside and outside greenhouse(a) and root zone under different treatments(b) during sweet pepper ripening stage

2.2土壟內嵌基質栽培方式對甜椒植株生長的影響

由表1、圖3可知，4種處理對甜椒生長發(fā)育的影響存在差異。由表1可知，S、P和W處理甜椒植株莖粗、株高、葉綠素含量和地上干鮮重均顯著高于CK，說明CK顯著抑制了甜椒的生長，減少了地上部干物質積累，這可能是由于根區(qū)溫度過高影響了甜椒的生長發(fā)育；S處理根系鮮重顯著低于其它3個處理，而CK根系干重顯著低于其它3個處理，說明基質栽培相較土壤栽培促進了甜椒根系生長，根系含水分較多，而根系高溫減少了根系干物質的積累，從而導致CK根系干物質量較低。由圖3可知，定植后的前50d，P、CK和W處理甜椒長勢基本一致，生長快于S，說明基質栽培對甜椒生長具有促進作用；定植50d后，S栽培甜椒生長加快，株高迅速增加，而CK栽培甜椒生長速率滯后于其它3個處理。定植后S、P和W處理的葉綠素含量變化趨勢基本一致，且P和W的葉綠素含量及變化趨勢基本相同，顯著高于CK栽培甜椒葉綠素含量，且苗期至采收期CK變化不明顯，表明CK對甜椒生長的抑制作用明顯。

表1　各處理甜椒收獲后生長發(fā)育指標觀測結果比較（平均值±標準差）Table 1　Compare of observation results of sweet pepper plants under different treatments after harvest (mean±SD)

圖3　各處理甜椒株高(a)和葉綠素含量(b)的動態(tài)變化過程Fig. 3　Change processes of plant height(a) and chlorophyll content(b) of sweet pepper under different treatments

2.3土壟內嵌基質栽培方式對甜椒產量的影響

圖4顯示的是第一次采摘時計數(shù)的果實數(shù)量，從圖可以看出，S處理的總結實數(shù)量和成熟果實數(shù)均顯著低于其它3個處理，基質栽培相對土壤栽培顯示出優(yōu)勢。由表2可知，4種栽培方式對甜椒產量的影響不同。W處理甜椒單株果數(shù)、單果重和單株產量均顯著高于其它3個處理。S處理甜椒結實數(shù)最少，無土栽培的甜椒結實數(shù)均多于S，P處理由于根區(qū)高溫使其生長受到明顯抑制，并最終影響了結實數(shù)量，所以甜椒結實數(shù)較少；W處理甜椒單果重分別比S、P和CK提高63.5%、31.1%和61.5%，且CK與S差異不明顯，即由于基質根區(qū)高溫，CK沒有發(fā)揮出基質栽培促進生長和高產的優(yōu)勢；W處理單株產量最高，增產效果顯著。W處理甜椒果實直徑顯著大于其它處理，果實長度也較其它處理更大，說明其對果實生長的促進作用顯著，可使甜椒具有更高的產量。4個處理甜椒單位面積產量表現(xiàn)為W>P>CK>S，說明基質栽培產量高于土壤栽培，但傳統(tǒng)無土栽培（CK）由于根區(qū)高溫，其產量明顯低于土壟內嵌基質栽培方式栽培下的甜椒產量。P和W處理的產量分別為2.88和3.78kg·m?2，分別比S提高37.8%和80.9%，分別比CK提高15.7%和51.8%，即W栽培方法的增產效果明顯。

圖4　第一次采摘時各處理植株總結實數(shù)和成熟果實數(shù)比較Fig. 4　Compare of total fruit number and mellow fruit when picking at first time

表2　各處理甜椒收獲后產量指標的比較（平均值±標準差）Table 2　Compare of yield indices after harvest (mean±SD)

3　討論與結論

通過不同起壟覆膜方式改善作物根區(qū)環(huán)境，之前已經有了較多研究。薛俊武等[20]研究認為，在黃土高原旱地采用覆膜壟作方式種植馬鈴薯可顯著增加產量并提高水分利用效率；孫玉蓮等[21]研究認為，全膜雙壟溝播對旱區(qū)玉米田土壤水分和溫度有著良好的調節(jié)作用。針對日光溫室生產過程中出現(xiàn)的高溫及低產等問題，本文在前期低溫環(huán)境對甜椒幼苗生長的影響研究基礎上[22]，提出了一種新的起壟覆膜方式，即土壟內嵌基質栽培方式（SRSC），研究其對日光溫室春茬甜椒根區(qū)溫度、生長和產量的影響，并探究其影響機理。

試驗結果表明，土壟內嵌基質栽培方式能夠有效緩沖根區(qū)溫度的升高。在全天溫度較高階段（12：00-16：00），當外界環(huán)境溫度較高時，P和W處理根區(qū)溫度分別比傳統(tǒng)無土栽培（CK）低2.17和1.47℃，純土壟栽培（S）根區(qū)溫度比CK低1.50℃，即三者都可以有效緩沖根區(qū)高溫。但是，純土壟栽培存在土壤連作障礙、水肥利用率低等缺點，不利于日光溫室作物生產，而P和W處理的溫度緩沖效果接近或優(yōu)于土壤，土壟內嵌基質栽培完全可以作為一種新型的無土栽培方法取代傳統(tǒng)的土壤栽培和無土栽培，同時發(fā)揮兩種栽培方法的優(yōu)勢。關于新型栽培方法，鄭奕等[23]提出了一種新型的桶式無土栽培裝置，能夠有效緩沖根區(qū)溫度變化，但是其設計較為復雜，不利于生產推廣，而本文提出的土壟內嵌基質栽培方式操作簡單，充分利用了基質外側土壤對根區(qū)高溫的緩沖作用。有研究表明，溫度變化與其介質成分和狀態(tài)有關[24-25]，基質多為草炭、蛭石、珍珠巖和腐熟有機質等的混合物，組成結構穩(wěn)定性差[26]，溫度變化受外界環(huán)境影響較大。相對的，良好的結構特性使土壤對溫度變化具有良好的緩沖性能，使土壤溫度變化滯后于外界環(huán)境溫度變化[27-28]，能夠為植物根系提供更為穩(wěn)定的根區(qū)環(huán)境溫度。值得注意的是，本研究P處理溫度緩沖效果最好，優(yōu)于S和W處理，可能是由于一定厚度的PE栽培槽阻礙了熱量向內部傳導造成的。

試驗結果表明，S、P和W處理相對于CK能夠顯著促進作物生長。在日光溫室中，幾種處理的甜椒冠層溫度一致，不同的是由于CK基質槽外側沒有土壤對溫度變化的緩沖，造成根區(qū)溫度較高，未能發(fā)揮無土栽培促進生長的優(yōu)勢。在協(xié)調作物對高溫的脅迫中，根系起著關鍵作用，過高的根區(qū)溫度比高氣溫對植物的影響更大[29]。Peter等[30]研究表明，根區(qū)溫度過高會影響甜椒的生長。此外，本研究中3種基質栽培方法甜椒產量均高于土壤栽培，這與劉景霞等[31]的研究結果一致。由于基質栽培中栽培槽底部密封，避免了水肥流失，具有較高的水肥利用率，其高產高效的優(yōu)勢得以發(fā)揮。W處理的增產效果最為明顯，產量最高。P和W處理由于基質外側有土壤的緩沖，能夠有效緩解外界環(huán)境溫度較高時對甜椒根區(qū)的高溫脅迫，其產量高于CK；W產量高于P，可能是由于P處理溫度變化受到PE基質栽培槽的影響，而W處理中的根區(qū)溫度雖然較P高，但其溫度水平可能對甜椒生長有利，具體的影響機理將在后期試驗中進行研究。

總之，基于土壤栽培和基質栽培各自存在的諸多問題提出的土壟內嵌基質栽培方式（SRSC）能有效增強基質對溫度變化的緩沖能力，使基質在不采取降溫措施的條件下達到或優(yōu)于土壤緩沖溫度變化的效果，能夠有效降低外界高溫對甜椒根區(qū)的脅迫，這對高溫環(huán)境中日光溫室無土栽培具有重要意義；此外，利用基質栽培槽或塑料薄膜將基質與土壤隔離，在解決土壤栽培問題的同時實現(xiàn)了土壤栽培和基質無土栽培的結合，高產高效，生態(tài)環(huán)保。SRSC栽培方式能夠顯著促進甜椒生長并明顯提高甜椒產量，其中W處理對產量的提高最為明顯，同時相比PE基質栽培槽，W處理采用廉價的鐵絲網嵌膜，生產成本大大降低，雖然高溫緩沖效果稍差，但并不影響甜椒生長和產量形成，所以此栽培方式在實際應用中更具有優(yōu)勢。

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Effects on Cooling down and Increasing Yield of Sweet Pepper of A Novel Cultivation Method: Soil Ridge Substrate-Embedded in Chinese Solar Greenhouse

FU Guo-hai, LIU Wen-ke
(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Labatory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

Abstract：In Chinese solar greenhouse, in order to deal with the problem of high temperature stress in sweet pepper growth period in spring, a novel cultivation method named soil ridge substrate-embedded cultivation (SRSC) was designed. In this experiment, four kinds of treatments were set such as soil ridge (S treatment), soil ridge substrate-embedded of PE (P treatment), soil ridge substrate-embedded of wire (W treatment) and single PE groove (CK) which as contrast. Root zone temperatures were observed from 12：00 to 16：00 every day in sweet pepper maturation stage (May to June), and parameters of growth and yield of sweet pepper were measured and analysed at different times. Results showed that root zone temperatures of S, P and W were 1.50, 2.17 and 1.47 lower th℃an CK, respectively, and P and W could effectively buffer high root zone temperature, and the effect of P was slightly better than W. The plant height, stem diameter, chlorophyll content, dry shoot weight and fresh shoot weight of sweet pepper cultivated on S, P and W were significantly higher than that of CK, and the effect of W was the most obvious. The fresh root weight of soilless cultivation was significantly less than sweet pepper cultivated on other ridges, but dry shoot and root weight were decreased by high root zone temperature. In addition, the fruit number of S wassignificantly less than that of other three treatments when picking at first time, it suggested that soilless cultivation could accelerate the growth process of sweet pepper. The yield of W was 3.78kg·m?2, and it increased by 80.9%, 31.3%, and 51.8% respectively than S, P and CK. In short, W enhanced the root zone temperature buffer capacity, and significantly improved the yield of sweet pepper, and it had important application value in the high temperature environment production in Chinese solar greenhouse.

Key words：Chinese solar greenhouse; Soil ridge substrate-embedded cultivation method; Sweet pepper; Root zone temperature; Temperature buffer capacity

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.092

* 收稿日期：2015-07-06**通訊作者。E-mail：liuwenke@caas.cn

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）課題（2013AA103001）；國家自然科學基金項目（31201661）

作者簡介：傅國海（1991-），碩士生，主要從事設施作物根系環(huán)境研究。E-mail：haifengzhisheng@126.com