甜樱桃需冷量的自动监测及在设施栽培中的应用

张道辉　赵红军　高贺春　谭钺　王甲威　陈新　魏海蓉　刘庆忠

摘要：甜樱桃设施栽培的经济效益远高于露地栽培，但若对需冷量掌控不准，容易造成萌芽不齐、花器官畸形或败育、坐果不良和成熟期推迟等问题。为此，本课题组研制了一种甜樱桃设施栽培需冷量自动检测、选择、记录显示系统，包括现场温度检测、有效低温选择、控制信号转换与输出、需冷量积累显示等装置，连续3年用于甜樱桃设施栽培试验，取得良好效果。由于应用该系统精确监测了需冷量，使设施栽培扣棚控温时机的掌控更科学合理，成功避免了萌芽不齐、坐果不良和延迟成熟等问题，在此基础上，与温、湿度自动监测和联控报警等现代测控技术配合运行，高精度调控大棚内栽培环境，使果实大小均匀，产量、质量及采收期均达到预期效果。

关键词：需冷量；甜樱桃；设施栽培；自动监测；优质高产

中图分类号：S662.5-33

文献标识号：A

文章编号：1001-4942（2015）10-0119-06

甜樱桃需冷量（或称需冷积温）是甜樱桃树体对生理休眠有效低温量的要求，以栽培环境中有效低温持续的时数为计量单位，只有满足了需冷量，甜樱桃才能完成自然休眠，进行正常的生长发育。因此，需冷量也是设施栽培时确定扣棚控温时机的关键依据。对甜樱桃设施栽培需冷量的测定，国内一直沿用传统的估算方法，即由人工根据“犹他模型”和0～7.2℃选择模式，监测不同甜樱桃品种所需的有效低温，并随时记录有效低温存在的时间，以此为基础估算出对应品种的需冷量。由于有效低温出现时间不规律，而且经常出现在夜间和阴冷天气，完全靠人工现场检测并记录，操作难度非常大，特别是对夜间短暂出现的有效低温，很难准确记录其存在时间，因此，估算出的需冷量存在显著误差，造成以需冷量为主要依据的扣棚控温时机掌控不准。如果扣棚控温时间提前，树体会因需冷量不足导致发育障碍，出现萌发不齐，花器官畸形或败育，坐果不良，果实产量下降或绝产。如果扣棚控温时间滞后，又会导致成熟期延迟，影响经济效益。为此，在进行了针对性研究后，本课题组研制了一种甜樱桃设施栽培需冷量自动检测、选择、记录显示系统，通过连续3年的甜樱桃保护地栽培应用试验，并结合温、湿度自动检测和联控报警等现代测控技术，高精度调控大棚内栽培环境，使甜樱桃扣棚控温时间控制、产量、质量及采收期控制均达到预期效果。

1系统组成与工作原理

该系统组成与工作原理如图1所示，包括现场温度检测、信号转换、线性化处理、信号放大、数字显示、比较器、功率放大器、有效低温选择设定值信号发生器、控制信号转换与输出、电网电源、电源输出控制、手动显示控制、需冷量记录显示器13个单元电路。温度检测单元将设施栽培现场的环境温度信号，通过传感器、信号传输电缆等输送到信号转换单元，由信号转换单元转换成电信号输送到线性化处理单元，经线性化处理后输送给信号放大单元，经放大处理后分成两路，一路输入到数字显示单元，推动该单元显示栽培现场的温度值，另一路进入比较器单元，与设定值信号进行比较，经比较处理后输出控制信号进入功率放大器单元，经功率放大后进人控制信号转换与输出单元，该单元将其转换成可控制电源输出的控制信号，并输送到电源输出控制单元，电源输出控制单元根据与栽培现场温度具有线性关系的输入信号，停止或输送电网电源，当停止电网电源时表明栽培现场无有效低温存在，需冷量记录显示单元不积累也不显示记录的需冷量，当输送电网电源时表明栽培现场有效低温存在，需冷量记录显示单元动态显示积累的需冷量。

现场温度检测单元中的温度传感器，选用AD590M半导体集成温度传感器，具有灵敏度高、反应快、带线传输距离远的特点，最适宜在大樱桃设施栽培中应用。比较器单元由UTC358型双运算放大器、工作点定位电阻、防噪声电容等组成，可以实现用选择好的设定值信号与能代表栽培现场温度的电信号进行比较，并根据需要放大两种信号差的大小和方向，从而通过设定值选择出适宜的有效低温记录范围。有效低温选择设定值信号发生器单元，主要由工作点定位电阻、设定值信号调节电位器等组成，工作点定位电阻选用温度系数为±0.0005%/℃的RX710-A型精密线绕电阻，设定值信号调节电位器选用温度系数为±0.002%/℃的HP-16型精密线绕电位器。手动显示控制单元，由AS1601-DR型按钮开关、防抖动电容等组成，其功能是当栽培现场无有效低温时，通过手动按钮随时观看已积累的需冷量。

需冷量记录显示器单元，可显示记录1秒到9999小时以内的需冷量，其构成与工作原理如图2所示，由触发器A、60进制秒计数器1、触发器B、60进制分计数器2、触发器C、100进制时计数器3、触发器D、1000进制时计数器4及8位LED显示共9个单元电路组成。触发器A选用74AC11074型具有可预设和复位功能的集成电路触发器，每次得电都可自动输出触发信号。触发器B、C、D均选用CD54AC74型具有复位功能的集成电路触发器。计数器1、2、3、4均由同步10进制集成计数器74LS160级联构成。8位LED显示单元由74HC595型移位寄存器、FJ5461BH型七段数码管等组成，可动态显示1秒到9999小时内的任何需冷量值。

2应用试验

2.1试材与方法

该试验在山东省泰安市夏张镇进行，以9年生红灯、美早（Tieton）、萨米特（Summit）为主栽品种，授粉树分别选用红蜜、雷尼（Rainier）、拉宾斯（Lapins）和先锋（Van）四个品种，主栽品种与授粉树比例为3：1。所栽品种全部用考特（Cob）作砧木。棚体为二联栋大棚，总面积4000m²。2011年3月下旬进棚定植，2012年大量疏花疏果，每棵树产量控制在2kg以下，以利于培养树体；2013年开始每年花期在棚内放养蜜蜂提高授粉效果，每666.7m²大约放养蜜蜂1.3万只。栽培株行距为3m×4m。每年秋末开始监测0～7.2℃气温存续时间（需冷量），当需冷量大于1200h即扣棚控温。endprint

表1是需冷量满足后棚内甜樱桃不同生育期环境因子调控指标及检测数据，表达了棚内甜樱桃定植后不同时期环境因子调控指标和连续3年的平均检测值与波动幅度，每年扣棚后栽培环境因子的调控指标均按表1所示设定。棚内温、光、湿三种环境因子的检测和记录，由安装在值班室的“甜樱桃栽培大棚环境因子测控仪”自动完成，手动设定3种环境因子的上、下限值，当超出设定范围时，仪器会发出声光报警，此时人工根据检测值，通过卷帘机、加热炉和换气调节口等装置，把3种环境因子调控在要求范围内。

图3是大棚内甜樱桃不同生育期代表性日气温曲线，显示了当日0时到次日6时的时间与温度对应关系，代表了从扣棚控温到果实采收期间栽培环境的实际气温。可以看出，各个时期每天的气温变化规律性很强，最低气温出现在当日的0～9时之间，这段时间气温最稳定，波动幅度在3.5℃以内；最高气温出现在当日的14时前后；萌芽期和开花期气温较低，在6～20℃间波动，进入幼果期后，气温上升，同时波动幅度增大，在10～27℃之间波动。

2.2棚内主要环境因子调控方法

2.2.1确定扣棚控温时间 确定扣棚控温时间的关键依据是树体完成自然休眠，而只有满足了需冷量才能完成自然休眠，进行正常的生长发育。因此，本研究在扣棚控温前，首先进行需冷量检测，并将积累显示的需冷量值作为扣棚控温时机的主要依据。在满足树体需冷量后立即扣棚控温，而且扣棚控温时间越早，采收期就越提前，效益就越好。目前国内甜樱桃主栽品种的需冷量都在500～1200h，对有效低温普遍采用的是0～7.2℃选择模式，一旦品种确定，对其需冷量的准确控制，就成为果实提早成熟并取得高效益的关键。本研究也是以0～7.2℃范围内的温度为有效低温，由自行研制的甜樱桃设施栽培需冷量自动检测、选择、记录显示系统对其进行自动监测，由该系统的8位7段数码管动态显示1秒到9999小时内的积累需冷量值，即使短暂出现的有效低温，也会被累计存储并准确显示。

2.2.2棚内气温及地温调控方法 棚内的气温调控主要由人工操控的电动卷帘机、透光塑料薄膜的顶部和底部换气调节口、保温棉被和草帘、地炕式加热炉等装置完成。棚内气温检测和报警由设置在棚外值班室的甜樱桃栽培大棚环境因子测控仪自动完成。该仪器的测温探头采用具有防水外壳的PT-100型热敏电阻，并被置于棚内具有代表性的位置。白天，当外界有阳光且棚温需提高时，电动卷帘机把保温棉被和草帘全部卷起，同时将顶部和底部换气调节口缩小或封闭，让阳光尽可能多的通过塑料薄膜进入大棚；当遇到连续雨雪、阴冷或特别低温天气时，棚温会持续下降，此时为提高或保持棚温，要将棚体全面覆盖保温棉被和草帘，封闭换气调节口，同时点燃地炕式加热炉，并开启排烟轴流风机。同理，当需降低棚内气温时，则要减少保温棉被和草帘覆盖面积，通过打开或调大顶部换气调节口，交换棚内外的空气降温；如需快速降温时，再打开或调大底部换气调节口，通过增加棚内外空气的交换速度，使棚内温度快速下降。当需要保温或夜间调节棚温时，也是通过调控上述装置完成。根据国内甜樱桃栽培区的气候条件，经过太阳能和加热炉双热源升温，可在整个冬季把棚温控制在5～27℃以内。

棚内浅层地温由气温和滴灌水温及水量控制，在设施栽培条件下，地温波动幅度远远小于气温，特别是为防止生草普遍地面覆盖黑色塑料薄膜的情况下，地温更加稳定。需增加地温时，除增加或保持棚温外，还要减少滴灌时间，使浅层土透过的水量减小，温度回升；反之，延长滴灌时间，使地温下降。如此调控，可在整个冬季把棚内地温动态控制在要求的7～17℃以内。

2.2.3棚内湿度和光照度调控方法 棚内湿度检测由设置在棚外值班室的甜樱桃栽培大棚环境因子测控仪自动完成。该仪器湿度探头采用霍尼威尔型湿度传感器，并被置于棚内具有湿度代表性的位置。棚内湿度靠控制滴灌水和在黑色地膜上喷水维持，需根据地温和空气相对湿度的相互影响规律共同调控。需增加湿度时，延长滴灌时间或多往黑色地膜上喷水；需降低湿度时，则缩短滴灌时间，少喷或不向黑色地膜上喷水。这样，可在整个冬季把棚内湿度控制在要求的40%～85%以内。

棚内的光照度检测同样由设置在棚外值班室的甜樱桃栽培大棚环境因子测控仪自动完成。测光照的探头采用光电池照度传感器，并被置于棚内具有光照度代表性的位置。由人工根据光照监测值调节保温棉被遮盖面积的大小。操作时需结合当时光温相互影响规律，与温度共同调控。需增加光照时，减小遮盖面积，反之增加遮盖面积。由表1可看出，棚内栽培的甜樱桃，不同生育期所需控制的光照度有明显差别，以着色期光照度最强，波动幅度最大，这有利于果实着色及可溶性固形物的快速积累。

3结果与分析

从2011年3月到2014年5月，连续应用甜樱桃设施栽培需冷量自动检测、选择、记录显示系统进行设施栽培试验，2012年12月23日扣棚控温，2013年4月5日开始采收，2013年12月26日扣棚控温，2014年4月8日开始采收。连续两年采用相同的管理办法和调控指标，取得基本一致的试验结果，各品种甜樱桃均以果实大小均匀、色泽鲜亮、无裂痕、无缺陷、不畸形为优质果。连续两年的产量和质量统计结果见表2。两年的扣棚控温时间、采收时间、采收期不完全相同，是由当时的气侯和市场价格所致；平均单果重的差别与每年的疏花疏果量有关；两年的优质果率和平均产量没按品种分别统计，因为不同品种间采收期和产量都存在差别，由于栽种在一起共同管理，相互之间有些影响，所以把不同品种的产量和质量共同统计。2014年的优质果率和产量均略高于2013年，这可能与管理和操作经验有关。

4结论

综上，通过2011年3月到2014年5月的甜樱桃设施栽培试验结果得出以下结论：

①应用甜樱桃设施栽培需冷量自动检测、选择、记录显示系统自动监测需冷量，测量精度高，操作简单，劳动强度低，可明显降低栽培成本。

②高精度监测甜樱桃需冷量，使确定设施栽培的扣棚控温时机有了准确依据，从而控制树体在完成生理休眠的前题下尽早萌芽，果实提前成熟，提高了经济效益，避免出现萌芽不齐、果发育不良或果实成熟期推迟现象。

③在高精度监测甜樱桃需冷量的前题下，与现代环境测控技术结合，对棚内栽培环境的温、光、湿三种因子进行半自动高精度调控，可使甜樱桃果实产量、质量及成熟期得到有效控制。endprint