張 櫟　馮曉龍　趙淑梅　王慶榮　任曉萌

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

擾流風(fēng)機對日光溫室環(huán)境及番茄生長的影響

張 櫟馮曉龍趙淑梅*王慶榮任曉萌

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

∶針對日光溫室冬季生產(chǎn)環(huán)境密閉、缺少氣流擾動的現(xiàn)狀，開展了擾流風(fēng)機日光溫室應(yīng)用效果研究。在測試擾流風(fēng)機所形成的氣流特性的基礎(chǔ)上，進一步對連續(xù)擾流區(qū)域、間歇擾流區(qū)域與非擾流區(qū)域的溫濕度環(huán)境以及番茄生長指標進行對比分析。結(jié)果表明，擾流風(fēng)機能夠?qū)厥覂?nèi)空氣產(chǎn)生有效擾動，風(fēng)機下1.5 m處0.15～0.50 m·s-1風(fēng)速的覆蓋范圍可達73%；在正午高溫時段（11∶30～13∶30），連續(xù)擾流能夠使植株冠層空氣溫度降低3～4 ℃、相對濕度增加8%左右；在連續(xù)擾流作用下，番茄葉片凈光合速率（Pn）提高31%、氣孔導(dǎo)度（Gs）提高57%，有效促進了番茄生長。

∶日光溫室；擾流風(fēng)機；環(huán)境；番茄；生長

日光溫室是我國自主研發(fā)的設(shè)施形式，隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，在最低氣溫-20 ℃的條件下基本可以不加溫生產(chǎn)喜溫果菜，開創(chuàng)了世界高寒地區(qū)不加溫生產(chǎn)喜溫果菜的先例（李天來，2005）。由于其卓越的生產(chǎn)性能和相對低廉的投資成本，日光溫室在我國北方地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，目前已占全國設(shè)施總面積的25%（魏曉明 等，2012）。

溫度、光照、濕度、CO2濃度及氣流速度等是影響作物生長的重要環(huán)境因子，其中溫度、光照等在溫室環(huán)境調(diào)控研究中最受關(guān)注，但對氣流調(diào)控的關(guān)注相對較少。氣流不僅會影響作物冠層空間的環(huán)境，還會直接影響作物的光合作用和蒸騰作用。日光溫室目前主要依靠自然通風(fēng)來實現(xiàn)溫室智能調(diào)控、微生態(tài)環(huán)境調(diào)控（Wang et al.，2002）以及氣流組織。由于其通風(fēng)口設(shè)置有限且冬季有很強的保溫需求，很多時候無法進行通風(fēng)（段明輝 等，2014），因此冬季日光溫室內(nèi)的氣流調(diào)控基本無法實現(xiàn)。在通常無加熱及不通風(fēng)的情況下，日光溫室內(nèi)空氣能否流動主要取決于溫室內(nèi)各位置的溫差；但因溫室內(nèi)空間有限，溫差所形成的氣流極其微弱（張起勛，2007）。停滯的空氣會導(dǎo)致作物葉面氣孔阻力加大、葉面結(jié)露以及冠層空間CO2濃度不足等問題，不利于植物生長（楊振超 等，2007）。因此，通過人為擾動空氣來組織適當?shù)臍饬鳎瑫r調(diào)節(jié)其他環(huán)境因子，提高環(huán)境的均勻性，是改善日光溫室環(huán)境的重要途徑（Kuroyanagi，2013）。

目前，在連棟溫室及塑料大棚中使用較多的空氣擾動方式是安裝擾流風(fēng)機（Kuroyanagi，2016）。研究表明，使用擾流風(fēng)機可以獲得良好的氣流組織，為作物生長提供適宜的氣流速度；可以為作物生長提供相對均一的溫濕度環(huán)境，降低葉面結(jié)露、減少病蟲害的發(fā)生；可以提高作物生長區(qū)CO2濃度的均勻性，促進溫室內(nèi)CO2的有效利用（Matsuura et al.，2003；Yu et al.，2007；Ishii et al.，2012）。關(guān)于氣流對作物生理和生長的影響，古在豐樹等（2007）研究表明，在0～0.5 m·s-1風(fēng)速范圍內(nèi)作物光合速率隨氣流速度增加而增長，其原因是氣流打破了氣孔限制進而提升了作物的蒸騰速率與光合速率（楊振超，2006）；現(xiàn)已證實氣流可以提高番茄（Shibuya et al.，2006；Thongbai et al.，2010）、甜瓜（楊振超 等，2007）、甘薯（Kitaya et al.，2004）、葉用萵苣（Jee et al.，2008）等作物的光合速率、產(chǎn)量及品質(zhì)，減少病害的發(fā)生。綜上所述，日光溫室內(nèi)使用擾流風(fēng)機對改善溫室環(huán)境及提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)有積極意義。

關(guān)于日光溫室內(nèi)使用擾流風(fēng)機的報道相對較少，僅有少數(shù)研究者開展了測試與模擬研究，認為使用擾流風(fēng)機可以改善日光溫室冬季室內(nèi)氣流組織與溫度分布（段明輝 等，2014；王潤濤 等，2014），但對擾流風(fēng)機自身的影響范圍及其在日光溫室中的應(yīng)用方法鮮有報道。針對這一問題，本試驗在日光溫室冬季栽培條件下，著重測試分析了擾流風(fēng)機所形成的有效氣流范圍、對溫室環(huán)境以及番茄生長的影響，以期為擾流風(fēng)機的應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗材料

供試日光溫室位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)中農(nóng)富通園藝有限公司通州基地（39.8°N，116.7°E），長80 m，跨度8 m；平常采用自然通風(fēng)，試驗期間無通風(fēng)、加溫措施。供試擾流風(fēng)機（上海韓慶機電有限公司）風(fēng)量2 000 m3·h-1，直徑30 cm。供試番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）品種為諾亞，由中農(nóng)富通園藝有限公司提供，2015年12月30日定植，株距35 cm，行距90 cm；采用控根基質(zhì)槽栽培，基質(zhì)成分為草炭∶蛭石∶珍珠巖∶雞糞= 2 V∶1 V∶1 V∶1 V；營養(yǎng)液由中農(nóng)富通園藝有限公司配置，每7 d澆灌1次；單干整枝，其他栽培管理措施同常規(guī)。

1.2試驗方法

使用2臺型號相同的擾流風(fēng)機（SFG3-4型），分別編號為風(fēng)機A和風(fēng)機B，運行時間為2016年2月1～25日。2臺風(fēng)機懸掛高度均距地面2.2 m，南北方向位于溫室跨度中部，東西方向分別位于距溫室西端20、40 m處，保證風(fēng)機之間無相互影響（圖1）。為進一步探討不同調(diào)控方式可能產(chǎn)生的影響，設(shè)置了2種調(diào)控模式，即風(fēng)機A為連續(xù)運行模式，運行時間為10∶30～14∶30；風(fēng)機B為間歇運行模式，運行時間為9∶30～11∶30和13∶30～15∶30；風(fēng)機B的運行模式考慮了溫室中午可能進行通風(fēng)換氣，但2臺風(fēng)機每天的總運行時間均為4 h；選取溫室東部無風(fēng)機安裝區(qū)域為對照區(qū)。

圖1　日光溫室內(nèi)擾流風(fēng)機及測點分布

1.2.1氣流測定 2015年12月25日、定植前，于空曠溫室內(nèi)，在距風(fēng)機高度0、0.5、1.0、1.5 m處設(shè)置4個平面，分別編號為平面1、平面2、平面3、平面4；每個平面內(nèi)設(shè)置1個8 m×4 m的測量區(qū)，測量其風(fēng)速分布；測量區(qū)內(nèi)各方向每隔1 m設(shè)置1個測量點，共45個測點（圖2）。風(fēng)速測定采用智能風(fēng)速風(fēng)量計（MODEL-6035，風(fēng)速測量范圍∶0.01～30 m·s-1，精度∶測量值的±3%，日本Kanomax株式會社），2次重復(fù)，每次每點連續(xù)測量10次，取平均值。

受限于溫室空間，本試驗無法進行更大范圍的風(fēng)速測量，故在古在豐樹等（2007）的研究基礎(chǔ)之上（在0～0.5 m·s-1范圍內(nèi)隨著風(fēng)速的增加都會促進作物的光合作用），綜合考慮測試儀器的精度和測試現(xiàn)場的影響，將0.15～0.50 m·s-1風(fēng)速作為有效擾流效果，并以此為目標風(fēng)速，采用DeltaGraph軟件對不同的測試高度分別繪制風(fēng)速分布圖。

1.2.2溫濕度測定 各小區(qū)分別在距離風(fēng)機1.5 m的冠層處布置溫濕度測點，分別標記為測點1、測點2、測點3（圖1）。2016年2月5日8∶00～18∶00，每整點測定1次，測量儀器為溫濕度自動記錄儀（Testo-175，溫度測量范圍∶-20～55 ℃，精度∶±0.4 ℃；濕度測量范圍∶0～100%，精度∶±2%，德國德圖集團）。

1.2.3番茄生長指標與光合指標測定 每小區(qū)隨機選取10株番茄幼苗，2016年2月1日測定株高、莖粗，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2月25日再次測定株高、莖粗及光合指標。株高，采用鋼卷尺測量從莖基部到植株生長點的長度；莖粗，采用游標卡尺測量距地面2 cm處的直徑；葉片凈光合速率（Pn）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）等光合指標于上午11∶00～12∶00進行測定，每小區(qū)選取10片葉齡一致的葉片，采用便攜式光合儀（CIRAS-2，CO2測量范圍∶0～2 000 mmol·mol-1，精度∶0.2 mmol·mol-1；H2O測量范圍∶0～75 mb，精度0.03 mb，美國PP Systems公司）進行測定。

圖2　日光溫室內(nèi)風(fēng)速測點分布

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel、DeltaGraph軟件進行數(shù)據(jù)處理、制圖及方差分析。

2　結(jié)果與分析

2.1擾流風(fēng)機對日光溫室內(nèi)氣流環(huán)境的影響

由圖3可知，平面1、平面2、平面3、平面4內(nèi)達到目標風(fēng)速（0.15～0.50 m·s-1）的面積分別占測試區(qū)域總面積的64%、53%、64%、73%，說明使用擾流風(fēng)機在一定范圍內(nèi)獲得了較好的空氣擾動效果，其中距離風(fēng)機1.5 m處的擾動效果最佳。進一步觀察測試區(qū)域南北方向的氣流分布情況，可以看出平面4和平面3的擾動效果好于其他2個平面，其中平面4在南北方向4 m的測試范圍內(nèi)都得到了一定的氣流。由此推測，在平面4的高度處，南北方向?qū)嶋H獲得氣流的范圍應(yīng)大于4 m。本試驗中的日光溫室跨度為8 m，除去北側(cè)走道和南側(cè)低矮空間不太適合栽培的區(qū)域，南北方向最佳栽培區(qū)域6 m左右，將擾流風(fēng)機懸掛于植株冠層以上1.5 m高度處，可以為南北方向大部分主要栽培區(qū)域提供較為適宜的氣流。

圖3　日光溫室內(nèi)風(fēng)速分布

為進一步分析風(fēng)機對其下方不同高度處的擾流效果，對不同高度平面、不同范圍風(fēng)速的覆蓋區(qū)域進行統(tǒng)計分析（表1）。風(fēng)速在0.15～0.25 m·s-1范圍內(nèi)，平面1、平面2、平面3之間差別不大，氣流覆蓋區(qū)域占總測試區(qū)域的33%～36%，但平面4的氣流覆蓋區(qū)域占總測試區(qū)域的44%；風(fēng)速在0.25～0.35 m·s-1范圍內(nèi)，平面2和平面3的氣流覆蓋區(qū)域所占比例均在20%以下，平面1略高，為22%，平面4最高，為24%；風(fēng)速在0.35 m·s-1以上，平面1、平面2、平面3、平面4的氣流覆蓋區(qū)域分別占22%、4%、20%和9%。由于平面1為風(fēng)機安裝高度平面，生產(chǎn)中不可能將其作為工作面，因此僅將其作為參考；平面2、平面3、平面4距離風(fēng)機的高度分別為0.5、1.0、1.5 m，是可以作為工作面的位置，其中平面2（距離風(fēng)機0.5 m）無論從總氣流覆蓋面積還是各個范圍氣流分布面積，都不如平面3和平面4；平面3（距離風(fēng)機1.0 m）的不同范圍氣流分布的均勻性最好，而平面4（距離風(fēng)機1.5 m）在風(fēng)速0.15～0.35 m·s-1范圍內(nèi)的低風(fēng)速氣流所占比例最高。所以，從應(yīng)用的角度而言，將擾流風(fēng)機安裝在距離植株冠層頂部1.0～1.5 m的高度，可以在冠層空間得到比較好的擾流效果。

表1　日光溫室內(nèi)不同高度處風(fēng)速覆蓋區(qū)域

2.2擾流風(fēng)機對日光溫室內(nèi)冠層溫濕度的影響

由圖4可知，擾流風(fēng)機的運行在一定程度上改變了日光溫室內(nèi)植株冠層溫度的變化規(guī)律。與對照（測點3，無擾流區(qū)域）相比，風(fēng)機連續(xù)運行的測點1從早上風(fēng)機啟動開始冠層溫度就呈現(xiàn)低于測點3的趨勢，這種趨勢持續(xù)整個風(fēng)機運行期間；綜合整個試驗期間的數(shù)據(jù)，在午后（13∶00～14∶00）溫室內(nèi)溫度達到最高值時，測點1和測點3的溫差可達3～4 ℃。采用間歇運行模式的測點2，在風(fēng)機運行時段冠層溫度亦低于對照。說明，無論采用哪種方式，擾動空氣都有一定的降溫作用。

由圖5可知，無論是風(fēng)機連續(xù)運行（測點1）、還是間歇運行（測點2），只要風(fēng)機運行就會使植株冠層空氣相對濕度上升。綜合整個試驗期間的數(shù)據(jù)，在溫室處于30 ℃以上高溫時，無擾流作用的測點3冠層空氣相對濕度最低可降到50%左右；而擾流作用會使冠層空氣相對濕度提升8%左右，其中正午高溫時刻（12∶00前后）提升幅度最大。

圖4　日光溫室內(nèi)番茄植株冠層處溫度的變化趨勢（2016年2月5日，晴）

圖5　日光溫室內(nèi)番茄植株冠層處相對濕度的變化趨勢（2016年2月5日，晴）

2.2擾流作用對番茄生長及光合作用的影響

從表2可以看出，無論哪種運行模式，風(fēng)機的擾流作用均對番茄株高有促進作用，其中連續(xù)擾流處理的株高顯著高于對照；同樣，風(fēng)機所帶來的氣流對番茄莖粗也有一定促進作用，但各處理間差異未達顯著水平。

從表3可以看出，與對照相比，連續(xù)擾流處理的番茄葉片凈光合速率（Pn）提高了31%、胞間二氧化碳濃度（Ci）提高了16%、氣孔導(dǎo)度（Gs）提高了57%、蒸騰速率（Tr）提高了33%，差異均達顯著水平；間歇擾流處理除凈光合速率顯著高于對照外，其他各光合指標與對照差異不顯著，但是所有參數(shù)均高于對照。

表2　擾流作用對番茄植株生長指標的影響

表3　擾流作用對番茄葉片光合指標的影響

3　結(jié)論與討論

本試驗結(jié)果表明，擾流風(fēng)機能夠?qū)θ展鉁厥覂?nèi)空氣產(chǎn)生有效擾動。本試驗中風(fēng)機按東西方向安裝于作物冠層上方，在其下方1.5 m高度位置的東西8 m、南北4 m的范圍內(nèi)，0.15～0.50 m·s-1風(fēng)速的覆蓋范圍可達73%，且大部分集中在0.35 m·s-1以下的低風(fēng)速區(qū)域，擾流效果良好。

冬季因保溫需求而減少通風(fēng)或者通風(fēng)不暢的情況下，晴天中午日光溫室內(nèi)很容易出現(xiàn)高溫現(xiàn)象，無氣流情況下植株葉面很難散熱，最終可能會導(dǎo)致葉面溫度高于空氣溫度（de Gelder et al.，2012）。本試驗中，無擾流區(qū)域（測點3）10∶00～15∶00的溫室溫度基本都在30 ℃以上，甚至最高可達40 ℃，推測葉面溫度應(yīng)該會更高。有研究表明，過高的溫度會對作物產(chǎn)生高溫脅迫（李天來和李淼，2009；朱靜 等，2012），亦會導(dǎo)致光合午休現(xiàn)象的出現(xiàn)（耿顯勝 等，2010）。擾流風(fēng)機的使用可有效抑制中午高溫現(xiàn)象，在中午高溫時段（11∶30～13∶30）可使冠層溫度下降3～4℃，對減少高溫脅迫具有重要作用；同時增加空氣相對濕度8%左右，有利于保持光合作用和蒸騰作用。有研究表明，在高溫（40 ℃左右）、亞高溫（33 ℃左右）條件下，相對濕度30%～80%范圍內(nèi)，增加空氣濕度可以提高作物光合作用與果實品質(zhì)（薛義霞等，2010；張宇 等，2012）。由此可見，擾流風(fēng)機在正午時刻（12∶00前后）的降溫提濕作用，及其所形成的氣流對葉面的影響，都對作物的生長具有積極意義。

本試驗結(jié)果表明，擾流作用可以提高番茄葉片的凈光合速率（Pn）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）等光合指標，其中表現(xiàn)最為突出的是氣孔導(dǎo)度，提高了57%，這說明氣流降低了葉面氣孔的阻力，打破了氣孔限制，進而提升了胞間二氧化碳濃度，同時提高了凈光合速率和蒸騰速率，最終表現(xiàn)為番茄株高和莖粗等生長指標的增加，這與楊振超（2006）的研究結(jié)果一致。

本試驗中，連續(xù)擾流運行模式的效果明顯好于間歇擾流運行模式。分析其原因主要有兩個方面∶一是正午高溫時段（11∶30～13∶30）的擾流作用因促進了溫室內(nèi)空氣的對流，有效降低了冠層溫度，減輕了高溫脅迫對植物的傷害；二是擾流風(fēng)機所產(chǎn)生的氣流及降溫提濕作用能夠有效打破氣孔限制、緩解作物光合午休現(xiàn)象，有利于提高作物的光合效率，促進物質(zhì)生產(chǎn)。因此，擾流風(fēng)機的合理使用時間應(yīng)該是在中午到午后的高溫時段（10∶00～15∶00）；當然，也要根據(jù)實際生產(chǎn)環(huán)境進行適當調(diào)整。

綜上，本試驗中所用的擾流風(fēng)機于日光溫室中的最佳安裝高度為作物冠層以上1.5 m左右，控制方式建議采用連續(xù)運行模式；尤其是中午溫室通風(fēng)不暢的情況下，擾流風(fēng)機的使用更為重要。

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Abstract∶Aiming at the status of air tightness and circulation insufficiency during winter season in solar greenhouse，this paper studies on the application effects of air circulator.On the bases of testing the airflow characteristics of air circulators，comparative tests were carried out on tomato（Lycopersicon esculentum Mill.）growth characteristics and environmental parameters（humidity and temperature）with 2 disturbance treatments，continuous flow disturbance and intermittent flow disturbance，and no flow disturbance served as the control. The results showed that the fans could produce effective air circulation，the coverage represented 73%，where air velocity retained 0.15-0.50 m·s-1in the position of 1.5 m below the fans.During noon time（11∶30-13∶30），when temperature was high，the continuous flow turbulence could decrease air temperature by 3-4 ℃ and increase relative humidity by about 8% in the position of plant canopy.Moreover，the continuous flow disturbance could also increase the net photosynthesis rate（Pn）of tomato leaves by 31%，stomatal conductance （Gs）by 57%，and thus effectively promoted tomato plant growth.

Key words∶Solar greenhouse；Air circulator；Environment；Tomato；Growth

Effects of Air Circulator on Environmental Parameter and Tomato Grow th in Solar Greenhouse

ZHANG Yue，F(xiàn)ENG Xiao-long，ZHAO Shu-mei*，WANG Qing-rong，REN Xiao-meng
（Key Laboratory of Agricultural Engineering in Structure and Environment，M inistry of Agriculture，College of Water Resources and Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

張櫟，碩士研究生，專業(yè)方向∶設(shè)施園藝環(huán)境工程，E-mail∶zhy-zb@ qq.com

（Corresponding author）∶趙淑梅，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，專業(yè)方向∶農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程，E-mail∶zhaoshum@cau.edu.cn

∶2016-06-30；接受日期∶2016-07-20

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201203002），現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-25-D-04），“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃項目（2013AA102407）