大跨度外保温型塑料大棚内番茄栽培温度适宜度评价和游程分析

董晓星，余路明，牛旭旭，张增光，李胜利

（1. 河南农业大学 园艺学院，河南 郑州 450002；2. 涡阳县农业综合行政执法大队，安徽 涡阳 233600）

大跨度外保温型塑料大棚（WSTP）是一种将日光温室和塑料大棚两者相结合的新型园艺设施，具有温度缓冲能力强、土地利用率高、装配化程度高的特点，适合机械化作业[1-2]。河南农业大学工厂化育苗研究团队已对其小气候特点进行了监测和分析[3]，大棚可进行一年两茬生产（早春茬和秋冬茬）或一年一大茬（越冬茬）生产。但上述茬口主要经验性依靠该大棚内日平均温度和气候学的季节划分进行安排，生产过程中的环境调控主要依靠环境温度和作物三基点温度进行人为判断比较，无法进行环境对作物影响的定量分析。

气候适宜度是利用模糊数学的方法，对农作物生长发育、产量形成与气候要素之间关系进行的一种定量、动态的研究[4]。最初主要应用于描述气候对小麦、玉米、水稻等大田作物生长的适宜程度上[5-8]，后逐渐应用于产量预报、气候风险、发育期预报和作物年景评估等多个方面[9-12]。近年来，气候适宜度定量评价方法也逐渐被应用到设施农业中，对设施内的小气候进行评价。张明洁等[13]以冬季总辐射、年极端最低气温、冬季平均气温、日光温室生产季阴天日数、生产季月最大风速平均值、年最大积雪深度平均值6 个因子作为气候适宜性区划指标，建立了综合气候适宜性区划指标模型，得到了北方地区日光温室的适宜性区划图。魏瑞江等[14]建立了日光温室内气温、空气相对湿度、太阳辐射及其综合小气候对黄瓜的适宜度模型，并通过产量和适宜度的关系对该模型有效性进行了验证，发现黄瓜产量随综合小气候适宜度的增加而增加，两者显著相关。李胜利等[15]利用温度适宜度模型定量评价了夏季高山和平原塑料大棚内不同温度环境对番茄幼苗生长的影响，进行了温度适宜度与番茄幼苗形态指标之间的相关性分析，温度适宜度与幼苗干物质积累量和壮苗指数相关性均达极显著水平。利用气候适宜度模型对设施小气候环境评价的可靠性得到验证。本研究利用团队前期已获得的WSTP大棚内的小气候数据，通过温度适宜度模型，对该大棚内3个茬口的番茄栽培温度适宜度分别进行了评价，并对其中的不适宜时段进行了游程分析，筛选出了大棚内部作物温度环境的限制因子，并提出了相应的环境调控措施，以期为科学利用WSTP 大棚进行生产栽培和有效环境调控提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地点与材料

温度数据资料来自河南省平舆县鑫芳农业有限公司农业园区的WSTP 大棚内（32.95°N，114.50°E）。观测时间从2018 年8 月3 日至2019 年8 月1 日。大棚长度100 m，跨度20 m，高度5.6 m，透明覆盖材料为乙烯-醋酸乙烯（EVA）长寿无滴膜，保温被采用黑色复合轻质毛毡保温被。WSTP 大棚结构如图1所示。棚内种植番茄，品种为罗拉，常规管理。

图1 WSTP大棚3D结构Fig.1 3D structure of WSTP plastic greenhouse

1.2 数据收集

大棚内部环境测试时间为2018 年8 月至2019年6 月，番茄栽培茬口安排见表1。内部环境监测指标包括气温和地温，测试方法参见文献[3]。

表1 WSTP大棚内番茄各茬口栽培日期 年-月-日Tab.1 Schedule of each tomato stubble in WSTP greenhouse Year-month-day

1.3 数据分析

1.3.1 适宜度分析 为了定量评价WSTP大棚内不同茬口番茄栽培的温度适宜程度，参照前人研究方法[16-18]，通过式（1）建立棚内的温度适宜度模型。

其中，Ft为WSTP 大棚内某一时刻作物的温度适宜度，是温度t的分段函数，在0 到1 之间变化。tl、t0、t2、th分别表示所研究作物生长的最低温度、适宜温度下限、适宜温度上限、最高温度。为方便对适宜度分析，按周利杰[16]的方法将适宜度Ft进行分割，以0.3 和0.7 为节点，[0，0.3）为不适宜，[0.3，0.7）为次适宜，[0.7，1.0]为适宜。

以番茄为研究对象，根据前人的研究成果，番茄各生育时期内的最低、最高和适宜上下限温度区间如表2所示。按照番茄不同生育时期对环境温度的要求，分别计算WSTP大棚内气温和地温的适宜度。

表2 番茄各生育时期所需的最高、最低、最适温度Tab.2 The highest，the lowest and the suitable temperature for each growth stage of tomato ℃

1.3.2 游程分析 根据游程分析理论[17-18]，对温度不适宜区段，分别计算游程历时Lˉ、游程烈度Dˉ和游程强度Hˉ，对不适宜时长和程度进行进一步的定量分析。游程分析方法如下：对给定温度序列Ati（i=0，1，2，…，n），将植株生长适宜度Ft＜0.3 时对应的上限和下限温度作为给定水平T01和T02截取上述序列。给定温度序列大于T01部分，记为正游程，对应的时间段即为高温历时时长；给定温度序列大于T02部分，记为负游程，对应的时间段即为低温历时时长。两者均可记为游程历时Lˉ。正游程序列样本和负游程序列样本分别与给定水平T0i的差值之和，记为游程烈度Dˉ，游程烈度/游程历时为游程强度Hˉ。根据适宜度的计算公式，以0.3 为临界值，计算出给定截取温度（表3）。

表3 番茄各生育时期的给定截取温度Tab.3 Given interception temperature of tomato at each growth stage ℃

1.4 数据处理

使用Excel 2016进行数据整理分析和作图。冬季白天是指8：30 至16：30，夜间是指16：30 至次日8：30；夏季白天是指7：00 至19：00，夜间是指19：00至次日7：00[19]。

2 结果与分析

2.1 WSTP大棚内不同茬口番茄栽培的温度适宜度分析

2.1.1 秋冬茬 图2 和表4 显示了WSTP 大棚内秋冬茬番茄栽培白天气温、夜间气温、白天地温和夜间地温适宜度的变化规律。可以看出，秋冬茬整个栽培期138 d 中，棚内白天气温平均适宜度为0.69，适宜的天数共85 d，占比61.6%，次适宜的天数共33 d，占比23.9%，不适宜的天数共20 d，占比14.5%，其中苗期出现4 d，结果期16 d；夜间气温平均适宜度为0.58，适宜的天数共73 d，占比52.9%，次适宜的天数共25 d，占比18.1%，不适宜天数40 d，占比29.0%，其中苗期出现4 d，结果期36 d；白天地温的平均适宜度为0.73，适宜的天数共87 d，占比63.0%，次适宜的天数共35 d，占比25.4%，不适宜天数16 d，占比11.6%，其中苗期出现10 d，结果期6 d；夜间地温的平均适宜度为0.77，适宜的天数共95 d，占比68.8%，次适宜的天数共30 d，占比21.7%，不适宜天数13 d，占比9.5%，其中苗期出现7 d，结果期6 d。棚内不适宜温度环境主要出现在8月31 日至9 月9 日、12 月5 日至次年1 月15 日，集中在苗期前期和结果后期。此段时间棚内夜间气温出现不适宜情况的天数最多，是主要的不利环境因子，不适宜情况出现比例达87.5%，白天气温的不适宜度次之，不适宜情况占比35.0%，地温的适宜度较高，不适宜出现率为17.5%。

表4 秋冬茬番茄栽培各温度适宜度等级出现的天数Tab.4 Days of each temperature suitability grade for tomato cultivation during autumn-winter stubble d

图2 WSTP大棚内秋冬茬番茄栽培温度的适宜度分析Fig.2 Temperature suitability for tomato cultivation during autumn-winter stubble in WSTP greenhouse

2.1.2 早春茬 图3 和表5 显示了WSTP 大棚内早春茬番茄栽培白天气温、夜间气温、白天地温和夜间地温适宜度的变化规律和各等级天数统计。可以看出，早春茬栽培期共125 d，白天气温、白天地温和夜间地温均无不适宜情况出现。白天气温平均适宜度为0.82，其中适宜天数99 d，占比79.2%，次适宜天数26 d，占比20.8%；夜间气温平均适宜度为0.80，其中适宜天数90 d，适宜情况比例占比72.8%，次适宜天数33 d，占比26.4%，仅2 d 出现不适宜情况；白天地温和夜间地温平均适宜度为0.93和0.95，其中适宜情况分别占比95.2%和96.0%，仅在苗期分别出现6 d 和5 d 的次适宜情况。可以看出，早春茬棚内温度环境整体适宜度高。

表5 早春茬番茄栽培各温度适宜度等级出现的天数Tab.5 Days of each temperature suitability grade for tomato cultivation during winter-spring stubble d

图3 WSTP大棚内早春茬番茄栽培的温度适宜度分析Fig.3 Temperature suitability for tomato cultivation during winter-spring stubble in WSTP greenhouse

2.1.3 越冬茬 图4 和表6 显示了WSTP 大棚内越冬茬番茄栽培白天气温、夜间气温和地温适宜度的变化规律和各等级天数统计。可以看出，越冬茬整个栽培期共237 d，棚内白天气温平均适宜度为0.66，适宜的天数共137 d，占比57.8%，次适宜的天数共54 d，占比22.8%，不适宜的天数共46 d，占比19.4%，其中开花期出现16 d，结果期30 d；夜间气温平均适宜度为0.60，适宜的天数共126 d，占比53.2%，次适宜的天数共42 d，占比17.7%，不适宜天数69 d，占比29.1%，其中开花期出现25 d，结果期44 d；白天地温的平均适宜度为0.79，适宜的天数共165 d，占比69.6%，次适宜的天数共57 d，占比24.1%，不适宜情况全部在结果期，共计15 d，占比6.3%；夜间地温的平均适宜度为0.79，适宜的天数共163 d，占比68.8%，次适宜的天数共59 d，占比24.9%，不适宜天数15 d，占比6.3%，同样全部出现在结果期。

表6 越冬茬番茄栽培各温度适宜度等级出现的天数Tab.6 Days of each temperature suitability grade for tomato cultivation during over-winter stubble d

图4 WSTP大棚内越冬茬番茄栽培温度适宜度变化Fig.4 Temperature suitability for tomato cultivation during over-winter stubble in WSTP greenhouse

棚内不适宜温度环境主要出现在12 月5 日至次年2 月23 日，此段时间棚内白天气温和夜间气温分别仅有3 d 和1 d 达到适宜的程度，不适宜情况的出现比例分别为56.8%和84.0%，是主要的不利环境因子。

2.1.4 WSTP 大棚内秋冬茬、早春茬和越冬茬温度平均适宜度 从表7 可以看出，3 个茬口中早春茬适宜度最高，温度平均适宜度均大于0.8，累计适宜度（白天气温+夜间气温+白天地温+夜间地温）为3.50，整个栽培期仅夜间气温出现2 d 不适宜的情况。越冬茬适宜度次之，累计适宜度为2.84，其中夜间气温的适宜度仅0.60。秋冬茬最低，平均适宜度在0.58～0.77，累计适宜度为2.77。但越冬茬和秋冬茬累计适宜度差异不大，且越冬茬栽培期长，不适宜的天数为69 d，较秋冬茬长28 d。

表7 番茄栽培3个茬口各温度平均适宜度Tab.7 Statistics of average suitability of temperature in three stubbles of tomato

2.2 WSTP大棚内番茄栽培温度不适宜阶段的游程分析

2.2.1 秋冬茬 在2.1.1秋冬茬的适宜度分析中，秋冬 茬 中8 月31 日 至9 月9 日、12 月5 日 至 次 年1 月15日棚内温度环境表现为不适宜，按前述游程分析的方法对该段时间进行了游程分析，定量说明其不适宜程度，如图5 所示，可以看出，8 月31 日至9 月9日棚内温度环境的游程烈度均为正值，此段时间棚内的环境限制因子为高温。棚内白天气温和地温游程烈度和历时均较大，平均游程烈度Dˉ分别为8.22 ℃和10.85 ℃，平均游程历时分别为5 h 和10 h。可以看出，棚内地温相较于气温更为不利。12 月5 日至次年1 月15 日，棚内白天和夜间地温的各项游程值为0，棚内白天和夜间气温环境的游程烈度均为负值，此段时间棚内的不利环境因子主要是棚内白天和夜间气温过低。棚内夜间气温的低温历时长，游程烈度大，变化幅度大= 12 h，=-15.08 ℃，=-1.18 ℃/h；白天气温的低温历时和游程烈度次之，= 5 h，Dˉ=-6.69 ℃，=-1.43 ℃/h。

图5 WSTP大棚内秋冬茬番茄栽培温度不适宜阶段的游程分析Fig.5 Run analysis of unsuitable temperature stage during autumn-winter stubble in WSTP greenhouse

2.2.2 越冬茬 同样将2.1.3 越冬茬中12 月5 日至次年2 月23 日不适宜时期进行了游程分析，如图6所示，可以看出，棚内温度环境的游程烈度均为负值，此段时间棚内的环境限制因子为低温。棚内夜间气温的低温历时最长，游程烈度最大，= 11h，= -30.45 ℃，= -2.48 ℃/h；白天气温的低温历时和 游 程 烈 度 次 之，变 化 幅 度 大，= 5 h，=-14.08 ℃，= -2.88 ℃/h。白天和夜间地温的低温历时较短，不足1 h，游程烈度较小。12 月5 日至次年1 月9 日，棚内白天和夜间地温的各项游程值为0，地温适宜作物的生长发育；白天气温的低温历时= 4 h，游程烈度= -10.35 ℃；夜间气温的低温历时= 11h，游程烈度= -27.85 ℃。1 月10 日至2月23日，棚内地温也开始出现低温问题，但程度较低，低温历时Lˉ= 8 h，游程烈度= -6.01℃，地温低温历时分布不均匀，存在阶段性的长时间低温问题；白天气温的低温历时= 5 h，游程烈度=-17.07 ℃；夜间气温的低温历时= 12 h，游程烈度= -32.53 ℃。

图6 WSTP大棚内越冬茬番茄栽培温度不适宜阶段的游程分析Fig.6 Run analysis of unsuitable temperature stage during over-winter stubble in WSTP greenhouse

3 结论与讨论

本研究利用测试的温度数据，通过温度适宜度模型，以番茄为研究对象，按照生产中常用的生产计划一年两茬（秋冬茬和早春茬）和一年一大茬（越冬茬），分析评价了WSTP 大棚内3 个茬口的番茄栽培温度适宜度，其中早春茬适宜度最高，越冬茬适宜度次之，秋冬茬最低，但越冬茬和秋冬茬累计适宜度差异不大。可以看出，早春茬是WSTP 大棚内的优势茬口，这与日光温室内的栽培规律一致[20]。因此，在河南省WSTP 大棚内种植番茄采用一年两茬安排生产计划，更有利于栽培生产。在茬口安排时，应在保证早春茬优势茬口的基础上，合理安排其他时期的生产，探索适宜的应用茬口，实现高效利用，例如，可安排早春茬番茄+夏秋茬甜瓜+冬茬芹菜进行生产[21-22]。

棚内主要的不适宜时期集中在8月31日至9月9 日、12 月5 日至 次年2 月23 日。8 月31 日至9 月9日棚内存在短暂的高温不利环境。对于低温时期，一年两茬的生产计划在1 月15 日结束秋冬茬的生产，2 月23 日开始早春茬的生产，避开1 月17 日至2月22 日部分的不利时段，提高栽培茬口的适宜度。在越冬茬中，该时段正是棚内的开花期和结果前期，且主要的不利环境因子是白天气温和夜间气温，游程烈度大，低温历时长，其中夜间气温更为不利，= 11h，= -30.45 ℃，这样的温度环境会造成番茄开花坐果期延后、落花落果和畸形果，严重影响番茄的坐果率和产量[23-24]，应在加强温度调控的情况下，加强保花保果。

在棚内温度环境中，夜间气温是首要的不利环境因子，其次是白天气温、白天地温和夜间地温环境。棚内气温和地温均有不适宜的情况，地温环境的适宜度始终大于室内气温，根据游程分析，棚内地温的游程烈度和历时均小于气温。棚内主要的环境限制因子是气温，低温游程烈度大，历时长。

为改善棚内温度环境，可利用WSTP 大棚的结构特点，精细化管理保温被，针对8 月31 日至9 月9日棚内高温时段，可将保温被放下覆盖50%棚面，调节棚内光照，降低棚内温度，促进定植作物缓苗。12 月5 日至2 月23 日棚内主要是低温不利环境，可早晨将西侧保温被晚揭开1 h，下午将东侧保温被早放下1 h，降低棚面的散热面积，提高棚内温度。若进行加温可使用空气加热器，能够快速响应气温环境变化，尤其针对室内气温适宜度低的情况可获得较快的调控效果。但相关具体措施的环境调控效果仍需要进一步探索。

在河南地区WSTP 大棚内番茄3 个栽培茬口中，早春茬适宜度最高，累计适宜度（白天气温+夜间气温+白天地温+夜间地温）为3.50，越冬茬次之，秋冬茬适宜度最低，但后两者累计适宜度差异不大。WSTP 大棚内种植番茄应采用一年两茬安排生产计划，更有利于栽培生产。在目前的栽培茬口中，棚内主要的不适宜时期集中在8 月31 日至9 月9日和12月5日至次年2月23日。棚内夜间气温是首要的不利环境因子，适宜度低，游程烈度大，游程历时长，其后依次是白天气温、白天地温和夜间地温。