覆膜类型对日光温室SRSC栽培番茄幼苗根区温热效应的影响*

傅国海，刘文科



覆膜类型对日光温室SRSC栽培番茄幼苗根区温热效应的影响*

傅国海，刘文科**

（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京 100081）

试验以土垄内嵌基质栽培方法（soil ridged substrate-embedded cultivation, SRSC）为基础，通过优化地膜覆盖类型，以期进一步缓解日光温室基质栽培过程中的高温胁迫，并促进番茄幼苗抗高温生长。以传统的土壤栽培垄+透明地膜为对照（CK），设置SRSC+透明地膜（TM），SRSC+黑色地膜（HM），SRSC+普通反光地膜（PF）和SRSC+强反光地膜（QF）共4个处理，在夏季日光温室中研究不同覆膜类型的SRSC栽培垄的根区温热效应及番茄幼苗生长情况。结果表明，在定植前覆盖不同类型地膜的SRSC垄其膜下和根区平均最高温度和昼间平均温度均低于CK，其中QF处理的膜下和根区温度最低，膜下和根区平均最高温度分别比CK低12.78和9.73℃，昼间平均温度分别比CK低7.88和6.16℃，隔热降温效果最优。定植后，环境温度升高，但各处理膜下和根区温度的变化规律与定植前基本一致，此阶段，QF处理依然表现出最优的隔热降温效果，其膜下和根区平均最高温度分别比CK低8.96和8.97℃，而膜下和根区的昼间平均温度分别比CK低6.02和5.47℃，降温效果明显，但比前期环境温度较低时有所下降。就根区降温效果看，降温能力表现为QF>PF>HM>TM>CK。夜间，各处理的膜下和根区温度均降至较为一致的适宜水平。根区温度与土壤吸放热多少无直接关系，HM、PF和QF三种不同覆膜类型处理中，QF处理根区的热量传递最为缓慢，根区温度最低。PF和QF处理的番茄幼苗株高和茎粗显著高于CK，且QF对增加株高和茎粗效果最显著。随着HM、PF和QF处理隔热降温效果的增强，番茄幼苗生物量逐渐增加，其中以QF的地上地下干鲜重最优，番茄幼苗生长最好。综上所述，通过SRSC方法，结合不同类型地膜覆盖，以覆盖强反光地膜的SRSC垄在夏季日光温室生产中能够改善栽培垄根区温热效应，同时有利于番茄苗期的生长。

隔热；根区高温；地膜；温热变化；番茄

日光温室是中国独有的园艺设施类型，截至2015年底，全国日光温室栽培面积已超过1×106hm2，在蔬菜生产中占有重要地位[1]。无土栽培技术作为一种高产高效的栽培方法[2]，在解决设施土壤连作障碍、土壤盐渍化、水肥资源浪费、土壤栽培产量低等资源环境问题方面具有巨大优势，逐渐得到推广和应用。但是，其基质结构性质造成了其稳定性较差，日光温室夏季高温胁迫也影响其生产性能的发挥。此外，日光温室番茄幼苗生长过程中，幼苗较小，无法形成遮阴，易造成幼苗根区温度过高。研究表明，根区温度的上限约为35℃[3]，夏季根区温度很容易达到或超过温度上限，根区高温对幼苗的光合作用等生理过程产生不利影响[4]，进而影响幼苗生长[5]。

目前，夏季日光温室普遍采取自然通风的方法降低室内温度[6]。但是，在夏季炎热、平均风速较低的华北地区，单独依靠热压和风压进行温室自然通风降温，难以达到大幅降温的目的[7]。而主动的温室降温方式，如湿帘风机[8]和喷雾降温[9]方法，将使生产成本大幅升高。

前人研究表明，设施栽培过程中，作物对根区温度的响应比对空气温度更为敏感[10]。此外，根区温度调控作为一种局部温度调控措施，相比冠层温度调控更加节能高效[11]。傅国海等[12-13]研究发现，利用土壤内嵌基质栽培的方法能够充分发挥土壤的温度缓冲作用，同时又能充分发挥基质栽培高产高效的优点；土垄内嵌基质栽培方法相对基质栽培能够降低根区温度1.5℃左右，与土垄处理的根区温度相近，说明其具有一定的降温效果。

前期研究提出了土垄内嵌基质栽培方法，为进一步提升基质栽培的生产性能，故设想通过改变覆膜类型来进一步降低栽培垄根区温度。本研究选取透明地膜、黑色地膜、普通反光地膜和强反光地膜，探究不同类型地膜的绝热效果，进而选取最佳的地膜类型，以期进一步降低栽培垄根区温度，推进基质栽培在日光温室生产中的推广应用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在北京市顺义区大孙各庄镇的节能型日光温室中进行，温室东西走向，长60m，跨度8m，脊高3.8m。试验区位于温室内西侧，长10m，宽3m，试验区最南端距温室南底脚1.5m。试验作物为丰收（74-560）RZ F1杂交种番茄，穴盘育苗，三叶一心时定植，株距30cm，定植时间为2016年5月25日。

土垄内嵌基质栽培方式与前期研究[13]相同。本试验利用铁丝网槽内铺设塑料薄膜装载基质，薄膜厚度0.12mm，塑料薄膜上打孔，位置如图1所示，起到通气防涝的作用。栽培槽规格为180cm（长）×10cm（宽）×16cm（高），铁丝网格为正方形，边长2.5cm。基质构成为草炭:珍珠岩:蛭石=1:1:1。基质填充完毕后于栽培槽外部按照标准覆土，使栽培垄横切面呈上底20cm、下底40cm、高度15cm的梯形（图1）。为进一步降低根区温度，在栽培垄表面覆盖一层不同类型的塑料地膜（厚度为0.02mm），之后布置滴灌系统。

1.2 试验设计

根据颜色和反光程度，地膜共分4种，分别是白色透明地膜、黑色地膜、普通反光地膜和强反光地膜，薄膜厚度均为0.02mm。

试验设置5个处理，土垄内嵌基质栽培方式（SRSC）上覆盖透明地膜为TM处理，覆盖黑色地膜为HM处理，覆盖普通反光地膜为PF处理，覆盖强反光地膜为QF处理，以同规格纯土壤栽培垄上覆盖透明地膜为对照（CK）。每个处理两个重复，各栽培垄的中心间距为60cm。

1.3 观测项目

采用国产YM-CJ型智能土壤温度记录仪（精度为±0.05℃）采集栽培垄温度及室内、外空气温度。每个栽培垄设两个温度测点，一个位于整垄中间部位的侧面膜下，监测不同类型膜下温度，另一个位于整垄中间部位垂直往下10cm深处，监测栽培垄中心基质温度（图1）；在日光温室内部和外部设置空气温度测点，记录室内外气温，测点位于通风避光处。温度数据采集时间间隔为10min。试验测定了2016-05-01—06-30的温度数据，并选取番茄定植前（2016-05-06—10）和定植后（2016-06-16—20）这两个温度较高时段的温度进行分析，对比定植前后栽培垄温度的差异。

采用国产YM-RT型土壤热通量采集仪采集栽培垄侧面（土壤-基质界面）及根区中心10cm深处垂直方向的热通量变化，采集仪精度为±0.1W·m-2，热通量测点见图1，选取番茄定植后2016-06-16—20栽培垄根区侧面及垂直方向的热通量数据，以对栽培番茄后根区热量变化规律进行分析。

各项生长指标测定于番茄定植30d后（6月25日）进行，每个处理随机选取5株，用直尺测定株高，游标卡尺测定植株茎粗，采用SPAD叶绿素仪测定植株叶片叶绿素含量，用天平测定番茄幼苗地上及地下部位的生物量（干鲜重）。

2 结果与分析

2.1 地膜类型对SRSC栽培垄温度的影响

2.1.1 番茄幼苗定植前、后SRSC栽培垄膜下温度

在番茄幼苗定植前（2016-05-06—10），选取晴天、温室内温度最高的典型日分析各处理栽培垄根区温度变化的差异，结果见图2a。此阶段内，土垄内嵌基质栽培垄（SRSC）上覆盖透明地膜（TM）、黑色地膜（HM）、普通反光地膜（PF）和强反光地膜（QF）处理中，膜下5日平均最高温度分别为43.28、42.08、39.03和32.84℃，均比同规格纯土壤栽培垄上覆盖透明地膜（CK）处理中相同位置根区平均最高温度（为45.62℃）低，其中QF的隔热效果最优，比CK低12.78℃；TM、HM、PF和QF处理的5日平均最低温度分别为21.35、21.94、21.88和20.92℃，CK为21.88℃，可见，各处理膜下温度较为一致。昼间吸热阶段，TM、HM、PF和QF处理的膜下5日昼间平均温度分别为35.03、34.65、32.82和28.48℃，皆低于CK的昼间膜下温度（36.36℃），其中PF和QF隔热效果较好，QF效果最好，比CK低7.88℃；夜间平均温度分别为24.38、24.79、24.60和23.27℃，CK为24.84℃，各处理夜间膜下温度较为一致且适宜幼苗生长。

在番茄定植后（2016-06-16—20），选取晴天、温室内温度最高的典型日分析各处理膜下温度变化的差异，结果见图2b。此阶段内，TM、HM、PF和QF处理的膜下5日平均最高温度分别为46.21、44.68、41.43和36.1℃，而同规格CK的平均最高温度为45.06℃，可见，在后期高温环境下，传统的TM处理相比CK不能起到有效的降温效果，这一点与前期不同，而反光膜和黑膜等隔热地膜能够降低膜下温度，其中QF的降温效果最好，膜下温度比CK低8.96℃；TM、HM、PF和QF处理的膜下平均最低温度分别为25.78、26.09、25.68和25.04℃，而CK为26.90℃，各处理膜下温度均降至较为一致的水平。TM、HM、PF和QF处理的膜下昼间平均温度分别为38.63、37.89、35.75和32.03℃，CK为38.05℃，而膜下夜间平均温度分别为29.35、29.64、29.03和27.91℃，CK为30.59℃。各处理昼夜平均温度变化与平均最高温度和最低温度变化规律一致，即QF具有较优的隔热降温效果，QF处理白天蓄热阶段的昼间平均温度比CK低6.02℃，同时，夜间各处理温度降至较为适宜的范围。

注：TM为透明地膜，HM为黑色地膜，PF为普通反光地膜，QF为强反光地膜，CK为土垄+透明地膜。下同 Note: There are five treatments according to plastic film kinds covering on the ridge (i.e. 5 in the fig.1). TM means transparent plastic film, HM means black plastic film, PF means ordinary reflective plastic film, QF means highly reflective plastic film, and CK means transparent plastic film. The same as below

2.1.2 番茄定植前、后SRSC栽培垄根区温度

在番茄幼苗定植前（2016-05-06—10），选取晴天、温室内温度最高的典型日分析各处理根区温度变化的差异，结果见图3a。此阶段内，TM、HM、PF和QF的根区5日平均最高温度分别为37.98、35.85、35.31和29.72℃，均比CK处理中相同位置根区平均最高温度（为39.45℃）低；TM、HM、PF和QF处理的平均最低温度分别为24.34、24.54、23.87、22.85℃，而CK为23.35℃。TM、HM、PF和QF的根区昼间平均温度分别为31.49、30.51、29.95和26.22℃，均比CK（32.38℃）低；TM、HM、PF和QF的根区夜间平均温度分别为28.98、28.55、27.73和25.69℃，而CK为27.29℃。可见，几种类型地膜中降温效果表现为QF>PF>HM>TM，PF和QF处理的降温幅度最大，其中QF最高温度比CK降低9.73℃，昼间平均温度降低6.16℃。可见，SRSC垄上覆盖隔热或反光地膜在温室内温度较高时有助于降低根区温度，而夜间温度较低时，各处理根区温度均降至较为一致的水平。

番茄幼苗定植后（2016-06-16—20），选取晴天、温室内温度最高的典型日分析各处理根区温度变化的差异，结果见图3b。定植后的根区温度与定植前除温度有所上升外，各处理根区温度的大小关系和变化趋势基本一致。此阶段内，TM、HM、PF和QF处理的根区5日平均最高温度分别为41.18、38.01、37.26和33.1℃，均比同规格CK（42.07℃）低；TM、HM、PF和QF的根区平均最低温度分别为27.92、28.21、27.25和26.3℃，而CK为26.79℃。TM、HM、PF和QF的根区昼间平均温度分别为34.59、32.84、32.16和29.35℃，均比CK（35.02℃）低；TM、HM、PF和QF的平均夜间温度分别为33.00、32.62、31.46和29.65℃，而CK为31.32℃。可见，在定植后的高温阶段，传统的TM处理相对CK的根区降温效果不明显，而黑膜和反光膜等隔热膜处理对根区温度降低较为有效，其中反光膜优于黑膜，且QF的降温效果最好，平均最高温度比CK低8.97℃，昼间平均温度比CK低5.67℃。此外，各处理的最低温度和夜间平均温度均降至较为合理的范围。

2.2 地膜类型对SRSC栽培垄根区热通量的影响

由于番茄幼苗期尚未形成遮阴，定植前后幼苗对栽培垄根区的温度影响较小，根区温度变化基本一致。在番茄定植后（2016-06-16—20），于晴天温室内温度最高的典型日选取根区降温效果较好的黑膜（HM）和2种反光膜（QF和PF）处理，分析其根区热通量变化规律，研究其根区降温机理，结果见图4。由图4a可见，HM和PF处理侧面热量传递（包括吸热和放热过程）较为剧烈，且QF滞后于HM和PF约4h。图4b中，HM和PF处理的垂直方向热量传递，无论是吸热过程还是放热过程均比QF剧烈，QF处理亦滞后于其它两个处理约4h。计算此阶段内3种覆膜类型栽培垄根区侧面和垂直方向热通量值，HM、PF和QF处理的侧面日平均吸热量分别为7466.8、4839.2和6945.6W·m-2，其放热量为2725.4、4639.6和283.2W·m-2，垂直方向日平均吸热量为12076.6、10433.8和10243.8W·m-2，放热量为2946.4、4463.6和816.8W·m-2，可见侧面或垂直方向吸热多并不一定放热多，热通量的变化取决于侧面和垂直方向两个方面。HM、PF和QF的日平均吸热量分别为19543.4、15273和17189.4W·m-2，日平均放热量分别5671.8、9103.2和1100W·m-2，可见各处理吸热量大小表现为HM>QF>PF，放热量则为PF>HM>QF。根区温度的变化与一天内的吸放热量没有必然的关系，而与热量的传递剧烈程度有关，传递剧烈导致吸热阶段或放热阶段的温度过高或过低，进而影响根区温度。QF处理的热量传递过程平缓且滞后，虽然长时间累积热量较多，但持续时间较长，其根区温度反而低于其它处理。

图4 选取根区降温效果较好的黑膜（HM）和反光膜（QF和PF）处理观测定植后连续晴天（2016-06-16—20）栽培垄根区侧面（a）及垂直（b）方向热通量的变化

2.3 地膜类型对番茄幼苗生长的影响

由图5可知，定植30d后，各处理番茄幼苗的各项指标产生差异。PF和QF处理的番茄幼苗株高分别为36.50和40.17cm，QF处理株高显著高于CK（29.33cm），而其它处理幼苗株高与CK差异不显著，但均高于CK。HM、PF和QF处理的茎粗分别为5.49、5.58和6.12mm，显著高于CK（4.86mm），其中QF处理的番茄幼苗茎粗增量最显著，此外，TM处理的番茄幼苗茎粗与CK差异不显著。各处理番茄幼苗叶绿素含量无显著差异。试验同时还发现，SRSC栽培垄番茄幼苗的各项指标普遍优于CK，且根区温度较低的处理其幼苗生长指标较高。

定植30d后，对番茄幼苗的生物量进行测定。由表1可知，除QF外，各处理番茄幼苗的地上部干重均低于CK，且随着SRSC覆膜类型降温能力的提高，番茄幼苗的生物量逐渐升高。QF的地上部生物量高于CK及其它处理，其地上干鲜重分别为159.24和25.21g，而CK的地上干鲜重也较高。CK和QF的根系鲜重显著低于其它处理，几种处理的根系干重则无显著差异。

图5 定植30d后各处理栽培垄番茄幼苗的株高（a）、茎粗（b）和叶绿素含量（c）比较

注：小写字母表示处理间在0.05水平上的差异显著性。下同

Note: Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below

表1 定植30d后各处理栽培垄番茄幼苗的生物量（平均值±标准差）

3 结论与讨论

张冬梅等[14]研究表明，起垄覆膜栽培具有保水保墒、提高根区温度和改善田间小气候的作用，能够促进温室作物的生长，提高作物产量[15]。但是，夏季高温环境不仅引起日光温室内气温的升高[16]，而且还会造成根区温度的升高[13]，影响作物生长发育。此外，基质栽培也由于其结构稳定性差造成的根区温度不稳定而难以在夏季日光温室栽培中应用。SRSC作为一种新型的无土栽培模式，其外侧土壤能够起到温度缓冲和隔热降温的作用[17]，这在前期研究中已得到证实[13]，其在夏季应用具有一定优势。

研究结果表明，番茄幼苗定植前环境温度较低阶段，不同覆膜类型的SRSC栽培垄相对土垄对照均能显著降低根区温度，不同处理的降温能力表现为QF>PF>HM>TM>CK，其中QF的降温效果最优，其膜下和根区平均最高温度分别比CK低12.78和9.73℃，昼间平均温度分别比CK低7.88和6.16℃。定植后，环境温度升高，但各处理膜下和根区温度的变化规律与定植前基本一致，此阶段，QF处理表现出最优的隔热降温效果，其膜下和根区平均最高温度分别比CK低8.96和8.97℃，而膜下和根区的昼间平均温度分别比CK低6.02和5.47℃，降温效果明显，但比前期环境温度较低时有所下降。此阶段内，QF处理的根区最高温度在35℃极限值以下。夜间，各处理的膜下最低温度和夜间平均温度均降至一个相对较低且适宜的水平，差异不大且不存在高温胁迫危害。分析几种地膜的降温原理，原因是黑膜透光率低，辐射热透过少[18]，在夏季应用可以较白色地膜降低膜下温度和根区温度，这与Miles等[19]的研究结果一致。而反光膜的使用，能够将照射在反光地膜表面的光反射回去，减少辐射热向内传递，达到降低膜下温度和根区温度的目的。

根区温度的变化应该与根区热量的传递有关，根区热通量变化规律是其根区降温的机理。降温效果较为显著的HM、PF和QF处理，其日平均吸热量分别为19543.4、15273和17189.4W·m-2，日平均放热量分别5671.8、9103.2和1100W·m-2，可见吸热量大小表现为HM>QF>PF，放热量大小表现为PF>HM>QF，但根区降温效果则表现为QF>PF>HM，可见热通量大小与根区温度并无直接关系。可以注意到，与HM和PF不同的是，QF热通量变化的峰值和谷值均较低，变化较为平缓，其变化滞后PF和HM约4h。因此，QF根区降温效果好的原因可能与热量的传递剧烈程度有关，传递剧烈导致吸热阶段或放热阶段的温度过高或过低，进而影响根区温度。QF处理的热量传递过程平缓且滞后，尽管长时间累积热量较多，但持续时间较长，其根区温度反而低于其它处理。

有研究表明，由于具有优良的根区特性[2]及水肥特点[20]，基质栽培相对于土壤栽培能够促进作物的生长发育。而在不同覆膜类型的SRSC栽培下，番茄幼苗的生长也出现了差异，这说明覆膜类型在起作用，这与Bu等[21]研究结果一致。在保证水肥及冠层条件一致的条件下，引起这些差异的原因只能是根区温度。结果表明，SRSC栽培番茄幼苗的株高、茎粗和叶绿素指标均优于CK，且降温效果较好的PF和QF表现较为显著。而在不同覆膜类型的SRSC栽培垄中，根区温度较低的QF处理番茄幼苗的长势较好，其次是PF、HM和TM。随着HM、PF和QF处理隔热降温效果的依次增强，番茄幼苗生物量也逐渐增加，以QF处理的地上干鲜重最优，显著高于其它处理。此时，CK的地上部生物量却优于TM、HM和PF处理，地上部生物量较高，这可能与土壤栽培温度稳定性较强以及后期受到高温胁迫有关，具体原因有待进一步探究。研究结果说明通过改变覆膜类型降低根区温度能够提高作物耐受环境高温的能力，促进作物在高温环境中生长。

综上所述，以土垄内嵌基质栽培方法为基础，在原有的抗高温胁迫性能下，通过覆盖黑色或反光隔热型地膜能够进一步降低栽培垄根区温度，为作物生长提供较为适宜的根区温度环境。在几种地膜类型中，强反光膜有着良好的根区降温效果，在日光温室夏季生产中能够将根区温度保持在胁迫温度以下。SRSC栽培方法结合反光地膜的应用可对基质栽培在日光温室夏季生产中的应用发挥重大作用。

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Root Zone Temperature and Heat Flux Changes of Tomato Cultivated on SRSCs with Different Plastic Films Covering in Chinese Solar Greenhouse

FU Guo-hai, LIU Wen-ke

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agricultural , Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

Based on soil ridged substrate-embedded cultivated method (SRSC), the authors further alleviate the problem of high temperature stress in the process of substrate cultivation and further promote the growth of tomato seedlings in summer in Chinese solar greenhouse by studying on the effect of heat insulation and cooling effect of different plastic films. A pot experiment was carried out to test changes of temperature and heat flux and record growth of tomato plants. In this study, five treatments were set, including soil ridge covered by transparent film as control (CK), SRSC ridge covered by transparent film (TM), SRSC ridge covered by black film (HM), SRSC ridge covered by ordinary reflective film (PF), SRSC ridge covered by highly reflective film (QF). Results showed that SRSC method could decrease temperatures under plastic film and in root zone compared with CK before planting, and temperatures under plastic film and in root zone of QF were the lowest. Average maximum temperatures under plastic film and in root zone of QF were 12.78 and 9.73℃ cooler than CK, and the average daytime temperatures under plastic film and in the root zone of QF were 7.88 and 6.16℃ cooler than CK, and QF had the best effects on the decrease of temperatures. After planting, changes of temperature under plastic film and in the root zone of each treatment were consistent with the former, and QF had the best effects on the decrease of temperatures in this stage, and average maximum temperatures under plastic film and in root zone of QF were 8.96 and 8.97℃ cooler than CK, and average daytime temperatures under plastic film and in root zone of QF were 6.02 and 5.47℃ cooler than CK. But the cooling effect of QF was worse than the previous period caused by high environmental temperature. On the root zone cooling effect, cooling capacity followed by QF>PF>HM>TM>CK, respectively. At night, temperatures under plastic film and in root zone decreased to a suitable level. Root zone temperature and heat number has no direct relationship, and root zone heat transfer and root zone temperature of QF were the most slow in all treatments, and that suggested that slower of heat transfer, cooler the root zone temperature. Plant height and stem diameter of tomatoes cultivated on PF and QF were both higher than that of CK, and the effect of QF was the most significant. The biomass of tomato seedlings was gradually increased with effect of heat insulation and cooling increasing, and the fresh and dry shoot and root weight of QF was the best, and the growth of tomato seedlings was the best. In a word, SRSC covered highly reflective film can improve the ridge root zone heat effect and conducive to the growth of tomato seedlings compared with SRSC with other types of plastic film covering.

Heat preservation; High root zone temperature; Film; Changes of heat and temperature; Tomato

2016-08-22

。E-mail: liuwenke@caas.cn

“十三五”国家重点研发计划项目课题（2016YFD0801001）

傅国海（1991-），硕士生，主要从事设施作物根区环境温度调控工程方面研究。E-mail: haifengzhisheng@126.com