不同类型日光温室环境性能及越冬茬黄瓜栽培效果比较研究

刘长梅，赵欣茹，汪晓宇，李 莹，李海俊，安 磊，张海军，张达林，叶 林

(1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750000；2.宁夏职业技术学院，宁夏银川 750000；3.宁夏建成农林开发有限公司，宁夏银川 750000；4.宁夏农垦集团有限公司，宁夏银川 750000)

日光温室作为一种普遍应用的农业设施，在我国占据非常重要的地位，尤其是寒冷的西北地区[1]。随着日光温室反季栽培行业的不断发展和农业科技水平的提高，为了达到产量增收的目的，提高农业设施设备的使用效率，人们将温室性能[2]与植物栽培效果相结合进行研究[3]。张继波等发现，在阳顶日光温室内种植喜温类蔬菜的效果优于其他温室，这类温室的保温蓄热性能尤为突出[4]。阿拉帕提·塔依尔江等在测定番茄光合的3 d内发现，主动采光型日光温室的光照条件更优越，且番茄产量远高于普通型温室[5]。

日光温室环境性能受多方面因素的影响，如不同的覆盖材料、方位大小、结构以及类型等。米兴旺等的研究表明，与室外温度相比，混凝土墙、法兰墙、石垒墙、全钢架安装型和砖结构等5种不同墙体材料的日光温室，其室内温度显著高于室外，且混凝土墙和石垒墙温室保温蓄热效果显著优于其他3种温室[6]。申婷婷等规划3种新型墙体结构的日光温室：相变固化土自动蓄热温室、模块化素土自动蓄热温室、现浇混凝土被迫蓄热日光温室，结果表明，模块化素土自动蓄热温室具有良好的保温性能，能确保作物良好生长，且建造便利，值得农户去推广[7]。因为各地温室建造水平参差不齐，对日光温室结构与类型的认识与选择不够全面，在种植方案进行前，对温室进行勘测、对比、改造，能够筛选出更适合园艺作物生长的日光温室类型，达到增收提质的目的[8]。本研究通过对宁夏吴忠地区冬季3种后墙添加相变材料日光温室内环境特点和黄瓜栽培效果比较，研究3种日光温室的环境变化规律及对温室内蔬菜生长发育和产量的影响，旨在为宁夏地区日光温室越冬茬瓜菜高效生产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

宁夏回族自治区吴忠市孙家滩地处中温带干旱气候区，雨期短，水分蒸发较强；光照时间长，无霜期短，春季风多沙多[9]。

1.2 试验设计

试验在宁夏回族自治区吴忠市利通区孙家滩农业园区进行。选取了3种不同类型的温室，分别为T1：传统温室，是传统干打土垒式日光温室，未经任何加工与改造；T2：相变温室，采用新型集热设备，轻质复合型墙体，由传统的宽厚土质墙体升级为异质复合主动保温蓄热窄墙体，是传统墙体厚度的0.09～0.12倍，墙体内外采用喷涂工艺；T3：改造温室，即在传统温室的基础上加以改造而成，是将传统温室后墙砖砌体拆除、改造后屋面、上半截平土下半截抹相变材料砂浆，其厚度约1 cm。具体参数见图1、表1。

表1 不同日光温室结构主要参数

试验从2020年11月15日开始定植，栽培蔬菜作物为黄瓜，品种为津冬626，行距为1.4 m，株距为0.2 m，单垄单行种植。定植前施入有机肥，缓苗后采用水肥一体化设备，管理同常规黄瓜栽培。每个温室固定测样50株。日光温室的环境因子用紫藤连线仪器采集，每个温室装有3个紫藤仪器，各传感器分别安装于日光温室东部、中部、西部距后墙4 m处，其中土壤温度探点位于地表以下 15 cm 处，每0.5 h记录1个数据。按常规方法记录每个温室的空气温度、光照度、空气湿度、土壤温度、二氧化碳浓度、土壤水分；用卷尺测定黄瓜株高、叶面积，用游标卡尺测定茎粗，用便携式叶绿素仪测定叶绿素含量；使用台秤测定每个温室内每次采收的黄瓜质量；维生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定[10]，可溶性糖含量采用蒽酮法测定[11]，可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝染色法测定[12]。

1.3 数据处理

采用SPSS 20.0进行试验数据分析，采用Excel 2016处理数据，用Origin 2019b作图。

2 结果与分析

2.1 不同温室环境因子实测分析

2.1.1 冬季典型天气日光温室内气温的变化 气温与温室环境性能的优劣联系最为密切，尤其是夜间低温时表现更为明显，温度的下限对作物生长效果有着重要的影响[13]。从图2可见，各温室室内气温变化趋势基本一致。晴天白天，T1、T2、T3温室增温迅速，T3温室的最高气温比T1、T2温室分别高出5.6、2.4 ℃。阴天白天，T1、T2、T3温室增温比晴天较缓，T3温室的最高气温分别比T1、T2温室高1.9、1.2 ℃。从图2-c可以看出，雪天各温室室内气温变化较晴天和阴天气温波动较大，这是由于室外气温较低的缘故。雪天保温被不揭起，不受外界低温影响，室内气温变化幅度较小。雪天白天，T1、T2、T3温室增温较缓，T3温室的最高气温分别比T1、T2温室高2.5、0.8 ℃。由于T2、T3温室采用了相变材料，能够白天放热晚上吸热，所以T2、T3温室在3种典型天气条件下的夜间气温都高于T1温室，其中T3温室在晴天条件下的蓄热能力最好，在雪天的保温能力最好，T2温室在晴天的温度平衡能力最好，这是因为黄瓜在白天生育适温为25～32 ℃，温度过高或过低都不利于黄瓜正常生长发育。

2.1.2 冬季典型天气日光温室内地温的变化 对比图3-a与图3-b可知，典型晴天和阴天的3种温室地温变化趋势基本一致，而典型雪天在 09：00—16：00地温上升幅度较小，这可能是因为外界气温过低，使得温室内温度受影响较大。由图 3-a 可知，T1、T2、T3温室的日平均地温分别为15.7、17.4、18.9 ℃，T3温室分别比T1、T2温室高3.2、1.5 ℃；3种温室夜间的平均地温分别为15.6、17.3、18.9 ℃，T3温室分别比T1、T2温室高3.3、1.6 ℃。由图3-b可知，T1、T2、T3温室的日平均地温分别为17.1、18.7、19.1 ℃，T3温室分别比T1、T2温室高2.0、0.4 ℃；3种温室夜间的平均地温分别为16.6、17.2、19.2 ℃，T3温室分别比T1、T2温室高2.6、2.0 ℃。由图3-c可知，T1、T2、T3温室的日平均地温分别为14.9、16.5、17.8 ℃，T3温室分别比T1、T2温室高2.9、1.3 ℃；3种温室夜间的平均地温分别为12.0、13.9、15.0 ℃，T3温室分别比T1、T2温室高3.0、1.1 ℃。黄瓜最适宜地温为20～25 ℃，最低为15 ℃左右，只有T3温室在典型晴天和阴天白天都达到了最适地温，说明T3温室能够给黄瓜提供良好的地温条件。

2.1.3 冬季典型天气日光温室内光照度的变化 植物生长过程中的生命活动离不开光照，光合作用的正常进行才能让植物生产更多自身所需要的生存物质，高效发挥光照对植物的作用是促进温室作物良好发展的关键点[14]。在典型晴天条件下，T1、T2、T3温室白天平均光照度分别为18.52、22.94、32.43 klx，T3温室分别比T1、T2温室高13.92、9.49 klx。在典型阴天条件下，T1、T2、T3温室白天平均光照度分别为13.9、21.56、29.45 klx，T3温室分别比T1、T2温室高15.55、7.89 klx。在典型雪天条件下，T1、T2、T3温室白天平均光照度分别为0.90、2.77、5.66 klx，T3温室分别比T1、T2温室高4.76、2.89 klx。黄瓜喜光，也有一定的耐弱光能力，黄瓜的最适光照度为20～60 klx，而在生长期内，最适光照度为40～60 klx，20 klx以下植株生育迟缓。由图4-a、图4-b可知，3个温室的光照度都在20 klx以上，但是只有T3温室能够达到最适光照度，所以T3温室能够满足黄瓜正常生长所需的光照条件。

2.1.4 冬季典型天气日光温室内二氧化碳浓度的变化 由图5-a可以看出，晴天T2、T3温室室内CO2浓度变化趋势基本一致，T1温室室内CO2浓度变化不明显。T2、T3温室夜间室内CO2浓度缓慢升高﹐T2、T3温室于10：00达最高浓度，T2温室为915 mg/L，T3温室达954 mg/L，之后迅速下降，T2温室于15：00左右达到最低浓度，为419 mg/L，T3温室于16：00左右达到最低浓度，为469 mg/L，之后开始上升。由图5-b可以看出，阴天T2、T3温室室内CO2浓度变化趋势基本一致，T1温室室内CO2浓度变化不明显。T2、T3温室夜间室内CO2浓度缓慢升高﹐T2温室于 08：00 达到最高浓度，为 1 218 mg/L，T3温室于09：00达到最高浓度，为 949 mg/L，之后迅速下降，T2、T3温室于16：00左右达到最低浓度，为444 mg/L，之后开始上升。由图 5-c 可以看出，雪天T2、T3温室室内CO2浓度变化趋势基本一致，T1温室室内CO2浓度变化不明显。T2、T3温室夜间室内CO2浓度缓慢升高，T2温室于05：00达到最高浓度，为588 mg/L，T3温室于06：00达到最高浓度，为622 mg/L，之后缓慢下降，T2温室于13：00左右达到最低浓度，为407 mg/L，T3温室于15：00左右达到最低浓度，为406 mg/L，之后开始上升。由图5可知，3种温室在典型天气条件下夜间CO2浓度高于白天，这是由于植物白天进行光合作用，室内CO2浓度迅速降低，其次，只有T2温室在典型阴天时达到1 000 mg/L的CO2浓度，而其他天气时段内，3个温室内的CO2浓度都没有达到黄瓜高产的浓度范围。

2.1.5 冬季典型天气日光温室内空气湿度的变化 水分作为植物本体重要的组成部分之一，一般能达到80%～95%，影响着园艺作物的生长过程，因此温室内的湿度环境对作物的生长尤为重要[15]。由图6-a可以看出，T1、T2、T3温室内空气湿度变化趋势基本一致，晴天白天，T1、T2、T3温室的日平均空气湿度分别为43.4%、50.4%、53.3%，T3温室分别比T1、T2温室高9.9%、2.9%。由图6-b可以看出，T1、T2、T3温室内空气湿度变化趋势基本一致，阴天白天，T1、T2、T3温室的日平均空气湿度分别为44.2%、56.7%、64.0%，T3温室分别比T1、T2温室高19.8%、7.3%。由图6-c可以看出，T1、T2、T3温室内空气湿度变化趋势基本一致，雪天白天，T1、T2、T3温室的日平均空气湿度分别为64.6%、74.4%、80.9%，T3温室分别比T1、T2温室高16.3%、6.5%。高湿是温室内环境的突出特点，黄瓜喜欢湿润的天气，由图6可知，在典型晴天、阴天、雪天条件下，T2、T3温室在夜间都能达到黄瓜良好生长的湿度条件。

2.1.6 冬季典型天气日光温室内土壤水分的变化 由图7-a可以看出，晴天T2温室的土壤水分含量从0：00到白天处于缓慢下降的趋势，T1、T3温室的土壤水分含量从0：00—17：00呈上升趋势，在17：00左右达到峰值，推测是灌水引起的，之后缓慢下降。由图 7-b 可以看出，阴天T2温室的土壤水分含量一直处于平缓状态，T1、T3温室分别在12：00、11：00出现一个小高峰，其他时段处于平缓状态。由图7-c可以看出，雪天T1、T2、T3温室的土壤水分含量变化趋势大致相同，夜间处于平缓状态，在白天10：00—17：00出现一个小高峰，然后缓慢下降。在典型雪天条件下，T1、T2、T3温室平均土壤水分含量分别为24.5%、25.3%、25.0%。

2.1.7 冬季日光温室温度的比较 日光温室为解决北方冬季蔬菜供应，改善人民生活发挥了很大的作用。温室室内的温度下限是限制作物是否能正常生长的关键因素，温度过低，会导致植物生长缓慢甚至死亡，因为作物发育的一切反应都需要在一定温度下进行，作物生长的好坏决定着农民冬季能否正常收获新鲜蔬菜，因此，选取3种供试温室在生育期内外界温度最低时来分析温室的保温性能，本试验选择2021年1月。

从图8可以看出，3座温室的室内气温均高于外界气温，而在不同日期内以及不同天气条件下，3座日光温室内的气温随着外界天气条件的变化而变化，从整体来看，3座温室的气温表现为T3>T2>T1。

地温是另外一个与作物生长有密切联系的因素，若地温较低，会直接影响园艺作物根系吸收矿质营养和水分。气温和地温要同时达到要求才能保证作物的生长发育。图9为2021年1月3种日光温室室内的地温变化，可以看出，地温的变化趋势和气温相似，但地温的变化幅度小于气温，3座日光温室的地温表现为T3>T2>T1。

2021年1月3座温室气温的统计数据见表2。日光温室中气温的下限值关乎到作物生长发育的好坏，若气温过低，会引起黄瓜减产、生长速度减缓等问题[3]。T3温室最低气温较T1、T2温室分别高3.3、1.0 ℃，说明温室T3的保温蓄热性能较好，能够在极端天气下保持较高的气温，防止作物凋萎。3座日光温室气温有一定差异，平均气温最高的是T3温室，为19.0 ℃，分别比T1、T2温室高2.8、1.3 ℃。说明T3温室的保温蓄热性能较为稳定，优于T1、T2温室，更有利于作物生长。

表2 2021年1月3座日光温室气温比较

积温的大小能够反映出作物生长时热量条件的好坏，因为热量是植物生长过程中必不可少的因素之一。热量的高低以及持续时长是由积温来决定的，农户对温度的重视程度也决定了对积温这一指标的认识程度，因此人们将积温理论应用在多个方面，如引种、预防农业气象灾害等方面[16]。

从表3可以看出，温室的活动积温和有效积温大小表现为T3>T2>T1，说明T3温室的热量条件最好，能够满足植物正常生长发育。

表3 不同温室积温比较

2.2 不同温室环境对黄瓜生长发育的影响

从图10-A可知，各处理的株高变化较明显，随着时间的变化而呈上升趋势，其中T1、T2温室的株高上升缓慢，T3温室上升较快，T3温室的株高均高于对照T1温室，在处理80 d后达到128.71 cm，T3、T2温室分别比T1温室提高160%、75%。从图 10-B 可知，各处理的茎粗随着时间的变化而呈上升趋势，总体变化幅度不大，相同处理时间段内T3温室的茎粗均高于对照T1温室，在处理80 d后达到9.45 mm，T3、T2温室分别比T1温室提高22%、14%。从图10-C可知，各处理的叶绿素含量总体变化幅度不大，在处理前期可以看出，各处理的叶绿素含量随处理时间的延长而增高，处理后期叶绿素含量上升缓慢，但整体上高于前期的叶绿素含量，可能是由于进入低温极端天气后，叶绿素的合成受到影响导致的。从图10-D可知，各处理的叶面积随着时间的变化而呈上升趋势，在处理前期可以看出，各处理的叶面积上升较快，在处理后期上升速度较慢。相同处理时间段内T3温室的叶面积均高于对照T1温室，在处理80 d后达到最大值，为388.95 cm2，T3、T2温室分别比T1温室提高88%、12%；相同处理时间段内各处理均存在显著差异(P<0.05)。

2.3 不同温室环境对黄瓜光合特性、产量及品质的影响

由表4可知，3个温室的气孔限制值和气孔导度均无显著差异，T3温室的气孔限制值和气孔导度均最高，比T1温室分别高23%、12%。3个温室间蒸腾速率均存在显著差异，T3温室的净光合速率与T2温室存在显著差异，与T1温室具有一致性，无显著差异。

表4 不同温室环境对黄瓜光合特性的影响

不同温室各个时期内产量的变化见表5，各温室的黄瓜产量随时间变化而上升，在相同时期内，T3温室的黄瓜产量均高于T1、T2温室，T3温室的总产量分别比T1、T2温室提高59%、33%。说明T3温室的增产效果最好。

表5 不同温室产量比较

植物含水率的高低能够间接表现出植物生长发育的状况；维生素C是植物进行新陈代谢不可或缺的因素之一，同时也能够反映植物的抗逆性[17]；可溶性糖、可溶性蛋白质的作用是能够维持植物蛋白的稳定[18]。由表6可知，黄瓜的各项品质指标均以T3温室最优。T3温室的黄瓜含水率、维生素C含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量分别比T1温室提高55%、27%、24%、51%。T1温室与T2、T3温室的含水率存在显著差异；T1、T2温室与T3温室的维生素C含量存在显著差异；T3温室的可溶性糖含量显著高于T1温室，两者与T2温室均差异不显著；3个处理的可溶性蛋白含量无显著差异。

表6 不同温室环境对黄瓜品质的影响

2.4 不同温室建造费用以及环境性能的综合分析

由表7可知，传统温室的建造费用为6.79万元，相变温室的建造费用为42.7万元，改造温室的建造费用为10.17万元，传统温室和改造温室的造价分别比相变温室低35.91万、32.53万元，从建造成本来看，传统温室耗材少，资金投入少，而相变温室和改造温室造价较高，但从设施环境的角度来看，相变温室和改造温室的环境性能都比较优越，其中改造温室的造价更低，具有显著的推广优势。

3 讨论与结论

T2温室从结构、设备、温室的建造方面都采用了优质材料。但是从降低日光温室的造价、提高温室生产效率和经济效益、促进本地区设施农业的快速发展、增加农民生产利润出发，同时考虑到宁夏中部地区光热资源丰富、经济发展水平低等问题[19-20]，T2温室优越的环境性能未被直接释放出来，而T3温室相对于T1温室经过材料、结构的改进，经过多年设备与技术的开发与使用，不仅造价低，而且冬季保温能力明显优于T1、T2温室，适宜喜温蔬菜的种植栽培。2座相变涂层温室综合比较来看，T2、T3温室的环境性能和栽培效果都优于对照，但是从现实角度来考虑，不仅要考虑产出还要考虑成本。从日光温室的生产效率来看，对旧温室进行改造和回收利用不仅可以实现可持续发展，而且由于其造价相对较低、保温性能好，是农民的良好选择，适合推广和示范[21]。

本研究结果表明，温室后墙添加相变材料能够明显提升温室保温蓄热性能和改善蔬菜生长效果，这与任佳楠等的研究结果[21-22]一致。从环境性能方面，日光温室的保温蓄热性能表现为改造温室>相变温室>传统温室，其中T3温室在晴天条件下的蓄热能力最好，日平均气温和地温比对照高出3.5、3.3 ℃；在不良天气条件下能够保持良好的保温效果，日平均气温、地温比对照最高可高0.8、2.9 ℃；在冬季最冷月呈现出相变温室平均气温总是高于对照温室，最高可达2.8 ℃。日光温室建造成本表现为相变温室>改造温室>传统温室；日光温室内黄瓜生长效果和产量表现为改造温室>相变温室>传统温室，通过对黄瓜生长指标的测定发现，相变涂层温室可明显改善瓜菜生长的环境。其中改造温室的黄瓜含水率、维生素C含量、可溶性糖含量、产量均高于对照，较对照分别增加55%、27%、24%、59%。综上所述，相变涂层的改造温室能够提升温室吸放热的能力，进而提高室内温度，促进黄瓜生长发育。

综合比较可知，相变涂层的改造温室更经济节能且温室内环境更适宜黄瓜生长，是更适合宁夏中部地区环境特点及经济发展水平的日光温室类型，在该地区这种类型的温室适合进一步示范和推广。