日光温室主动采光对不同种植密度番茄光合特性的影响

阿拉帕提·塔依尔江,贾 凯,刘迁杰,张 妮,刘 玉,高 杰

(1. 新疆农业大学林学与园艺学院/新疆特色园艺作物种质资源与高效生产实验室，乌鲁木齐 830052；2. 乌鲁木齐市米东区农业技术推广中心，乌鲁木齐 831400)

0 引 言

【研究意义】日光温室的采光屋面是太阳辐射进入温室内的唯一通道，而进入室内太阳辐射关系到日光温室的蓄热和保温性能以及室内作物的正常生长发育。需要改良前屋面的形状和采光角度以增加日光温室的透光量[1,2]。研究改良、改善、改进的日光温室环境以及在其内种植作物的光合特性，对日光温室种植农作物具有重要的意义。【前人研究进展】张真和等[3]通过综合分析农业气象学，确定了冬至日正午时太阳光线投射角度为50 °时的采光屋面角度是合理的采光屋面角度。陈端生等[4]利用数学方法模拟温室的采光屋面，得出了温室的采光屋面最佳的坡度并不是一个定值，而随太阳高度角的变化而需进行调整，并对比研究北京地区在理想晴天条件下4种弧型采光屋面的温室得出前屋面为圆面—抛物面组合型温室的太阳辐射日总量最佳的结论。张勇[5-12]等设计并发明了可变采光倾角日光温室，高文波[13]等对此类日光温室性能进行了研究，研究表明将温室采光面的倾角从25°提高到35°时，温室内光照透光率提高了20.7%～22.8%。【本研究切入点】新疆光热资源丰富，全年日照时间在2 550～3 500 h[14]，主动采光日光温室可更加充分利用新疆丰富的光热资源。新疆乌鲁木齐地区普通日光温室采光前屋面固定不变，尤其是在寒冬季节，太阳高度角低，白天时间短，日光温室内可吸收的光照辐射量少。研究新疆乌鲁木齐地区日光温室主动采光与普通采光的环境下,种植的番茄光合特性的差异性。【拟解决的关键问题】设计2种不同的日光温室采光处理以及3种不同的番茄种植密度处理，分析日光温室主动采光对不同种植密度番茄光合特性的影响。测得日光温室环境与番茄叶片光合作用的相关数据,为在日光温室内种植的作物提供适宜的生长环境。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验在米东区蔬菜科技示范园进行，具体位置为乌鲁木齐市米东区羊毛工镇红雁湖村(44.10 ° N，87.57 ° E)。园区内有2栋主动采光蓄热型日光温室，日光温室长50 m，净跨度9 m，后墙高3 m，采光前屋面可根据种植时采光的需要进行升降，后墙体为空气循环式主动蓄热型墙体。绘出主动采光蓄热日光温室[5-7]结构简图。图1

番茄(LycopersiconesculentumMill.)，茄科(Solanaceae)番茄属(Lycopersicon)1年生或多年生草本植物，原产南美洲，我国南北广泛栽培[15]。以桃星为番茄供试品种。桃星(泷井种苗株式会社)粉果杂交一代，无限生长类型，具有对多种病害的复合抗性。

注：1.主动采光屋面；2.固定屋架；3.主动蓄热墙体；4.电机转动轴

Note: 1. Active daylighting roof; 2. Fixed roof truss; 3. Active heat-storage wall; 4. Motor rotating shaft

图1 主动采光蓄热日光温室结构简图
Fig.1 Structure Diagram of Active Daylighting and Heat-storage Solar Greenhouse

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

(1)日光温室主动采光

按照园区内日光温室坐落顺序，将2栋供试验用日光温室命名为日光温室Ⅱ与日光温室Ⅲ。将日光温室Ⅱ的采光前屋面升起，提高其采光面的倾角，称之为主动采光日光温室(G2)；日光温室Ⅲ不做处理，作为对照，称之为普通采光日光温室(G3)。

(2)番茄不同种植密度

试验使用土壤接力栽培装置进行番茄栽培，其规格为35 cm×22.5 cm×30 cm(上底面直径×下底面直径×高)；每一栽培装置定植2株番茄。使用草炭∶蛭石∶珍珠岩(V∶V∶V)=4∶1∶1的复合基质进行番茄栽培种植，草炭—丹麦品氏托普集团。试验设计4 株/m2(T1)、6 株/m2(T2)、8 株/m2(T3)3种不同的种植密度处理，每一种密度处理重复3次，每1重复种植区域占地6 m2。表1

1.2.2 测定指标

使用LI-6400XT OPEN 6.1便携式光合作用测量系统(北京力高泰科技有限公司)测量番茄叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)及蒸腾速率(Tr)。同1 d测量2栋日光温室同一密度处理6个重复的番茄叶片光合，每一重复选取长势、伸展方向一致，无病虫害现象的10片叶测量10:00～11:00、12:00～13:00、15:00～16:00、17:00～18:00；4个时间段番茄叶片的光合，2栋日光温室、3种密度处理需测量3 d(晴天)。

表1 试验处理组合
Table 1 Combination of Experimental Treatments

处理组合Treatments Combination日光温室处理Solar Greenhouse Treatments种植密度处理(株/m2)Planting Density Treatments(plants/m2)密度处理重复次数Repetition Times of Density TreatmentsG2T1G2T2G2T3G2 主动采光T14 3T26 3T38 3G3T1G3T2G3T3G3普通采光T143T26 3T383

1.3 数据处理

使用Microsoft Excel 2010 整理测量所得数据，使用IBM SPSS Statistics 19 分析数据，显著差异水平为95%，使用Origin Pro 2017 绘制图表。

2 结果与分析

2.1 主动采光对日光温室环境的影响

研究表明,10月25～27日，G2与G3光照辐射之间均无显著差异(P>0.05)，但G2光照辐射的均值、中位数均高于G3。G2的光照辐射均值较G3 3 d内分别高出了4.39%、5.85%、5.67%。虽然差异不显著，但G2的光照辐射有所提高。G2与G3温度之间差异显著(P<0.05)，G2的温度均值较G3分别提高了11.84%、8.18%、2.53%。2栋日光温室湿度均很高，但G2与G3湿度之间差异显著(P<0.05)，G2的湿度均值较G3分别提高了5.32%、5.16%、4.16%。图2

注：从左至右、从上至下依次为a.光照辐射、b.温度、c.湿度

Note: From left to right, from top to bottom, a. Daylight Radiation, b. Temperature, c. Humidity

图2 日光温室主动采光下其环境变化
Fig. 2 The effect of active daylighting in solar greenhouse on its environment

2.2 主动采光日光温室对番茄叶片净光合速率的影响

研究表明,G3的3种密度处理番茄叶片的净光合速率在第1时间段优于G2，G3相对应各处理番茄叶片净光合速率较G2在第1时间段分别高出了72.96%、30.59%、33.17%；是因为第1时间段G3的光照辐射高于G2的光照辐射。剩余3个时间段里，G2T2与G2T3番茄叶片净光合速率优于G3T2与G3T3，尤其是G2T3，其净光合速率显著高于G3T3(P<0.05)，G2T3净光合速率对应G3T3在剩余3个时间段里分别高出了23.14%、26.60%、41.39%。G2与G3番茄叶片净光合速率总体呈现先升后降的趋势，其中第2时间段番茄叶片净光合速率达到最大值。图3

注：从左至右、从上至下依次为a.净光合速率(Pn)、b.气孔导度(Gs)、c.胞间CO2浓度(Ci)、d.蒸腾速率(Tr)

Note: From left to right, from top to bottom, a. Net Photosynthetic Rate (Pn), b. Stomatal Conductance (Gs), c. Intercellular CO2Concentration (Ci), d. Transpiration Rate (Tr)

图3 日光温室主动采光下不同种植密度番茄叶片光合特性日变化
Fig. 3 The effect of diurnal variation of photosynthetic characteristics of tomato leaves with different planting densities under the condition of active daylighting in solar greenhouse

2.3 主动采光日光温室对番茄叶片气孔导度的影响

研究表明,G2的3种密度处理番茄叶片气孔导度均高于对应G3的番茄叶片气孔导度。G2T1与G3T1之间无显著差异(P>0.05)；但G2T2、G2T3与对应G3T2、G3T3之间差异显著(P<0.05)。G2T2气孔导度对应G3T2在4个时间段里分别高出了79.78%、50.71%、43.56%、8.84%；G2T3对应G3T3则高出了83.38%、75.29%、29.66%、73.32%。G2与G3番茄叶片气孔导度总体呈现先升后降的趋势，不同处理番茄叶片气孔导度在第2或第3时间段达到了最大值。图3

2.4 主动采光日光温室对番茄叶片胞间CO2浓度的影响

研究表明,G2的3种密度处理第1与第2时间段番茄叶片胞间CO2浓度与G3之间差异显著(P<0.05)，第1时间段G2的3种密度处理对应G3分别高出了41.29%、62.08%、54.54%，第2时间段则高出了18.68%、42.11%、25.69%；第3与第4时间段则无显著差异(P>0.05)。G2、G3番茄叶片胞间CO2浓度曲线多数呈现出先降后升趋势，G2的番茄叶片胞间CO2浓度在第1时间段达到了最大值，G3的则在第4时间段达到了最大值，但仍小于G2。图3

2.5 主动采光日光温室对番茄叶片蒸腾速率的影响

研究表明,G2T1与G3T1之间番茄叶片蒸腾速率之间存在显著差异(P<0.05)，尤其是在第1、2、3时间段，G3T1番茄叶片蒸腾速率对应G2T1分别高出了83.84%、28.24%、27.37%。G2T2与G3T2之间番茄叶片蒸腾速率之间无显著差异(P>0.05)，但G3的蒸腾速率仍高于G2。G2T3与G3T3之间番茄叶片蒸腾速率之间存在显著差异(P<0.05)，尤其是在第2、3、4时间段，G2T3番茄叶片蒸腾速率对应G3T3分别高出了21.27%、20.23%、66.29%。G2与G3番茄叶片蒸腾速率总体呈现先升后降的趋势，其中第3时间段番茄叶片蒸腾速率达到最大值。图3

3 讨 论

3.1 日光温室主动采光对其环境的影响

研究表明,日光温室主动采光对其温度、湿度有显著提高作用，光照辐射虽无显著差异，但主动采光日光温室采光效率略高于普通采光日光温室，这可能与季节、气候、地理、透光材料等因素有关。但总体与王晨晨等[16]和鲍恩财等[17]的研究结果一致，主动采光日光温室透光率有不同程度的提高。

3.2 日光温室主动采光对不同种植密度光合特性的影响

研究表明,在主动采光日光温室内高密度栽培的番茄叶片的净光合速率及气孔导度均显著优于普通采光日光温室，尤其是在正午时分及之后。这与日光温室内环境的差异有一定的关系，薛义霞等[18]研究得出高温高湿可促进番茄叶片净光合速率的结论；查向阳等[19]研究得出行距越小即种植密度越大，番茄叶片气孔导度越小的结论，种植密度越大气孔导度越低。对于番茄叶片胞间CO2浓度，G2与G3番茄叶片胞间CO2浓度变化无规律可言，但G2的显著高于G3的，陈根云等[20]得出气孔导度增大可导致胞间CO2浓度的增大，但也与其周围空气CO2浓度、叶肉厚度等因素有关。在G3T1栽培条件下番茄叶片的蒸腾速率最高，且种植密度越大番茄叶片蒸腾速率越低，这与武兰芳等[21]研究得出的随着种植密度的增大，蒸腾总量减小的结果一致；但G2T3的番茄叶片蒸腾速率却高于G3T3。

4 结 论

主动采光日光温室可有效提高其温度、湿度及光照辐射，为作物提供更好的生长环境。在2栋日光温室内，番茄种植密度越大，其净光合速率、气孔导度、蒸腾速率越弱，蒸腾速率理论上是越弱越好；胞间CO2浓度则是随着密度的增加而增强。就2栋不同采光日光温室而言，日光温室主动采光有效促进了番茄的光合特性。日光温室主动采光在环境以及番茄光合特性方面均优越于普通采光日光温室