冬季设施番茄生产石墨烯电热膜基质加温效果研究

李刚，刘超，刘叶琼，赵冬，陈曦*

（1.江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400；2.港华紫荆农庄（句容）有限公司，江苏 句容 212400）

番茄是喜温作物，温度是影响番茄冬季栽培生产的关键因素之一，因此冬季加温是我国番茄设施生产的必备措施之一。温室加温的方式按热传导介质可分为温室空气加温和栽培基质加温两种方式，周金平等认为番茄设施生产中加温方式的选择至关重要，应该以最节约的成本，最有效的方式给植物提供最适宜的温度［1］。与传统温室空气加热相比，对植物根区进行加热更有利于温室内植株生长。植物对根际温度比地上部温度更加敏感［2］，并且基质部分体积远小于空气部分体积，可以大大节约能源［3］，因此调节基质温度比调节空气温度更加有优势。

目前，温室加温按加温设备可分为传统的热水、热风［4］和电加温［5］方式，以及地源热泵［6］、水源热泵［7］、地下蓄热加温［8］、太阳能地热加温［9］、太阳能辅助加温［10］等新型加温方式。然而各种研究表明，上述方式存在设施成本较高、初期投资过大、运行成本高、受自然资源限制、能源不可再生、环境污染大、能源利用效率较低等各种不足［11-12］。其中的电能作为一种无污染、加温快的二次能源，具有设备投资低、供热分配均匀，便于自动化控制等优点，在温室加热领域得到广泛应用，但从运行成本角度出发，优化温室电加热技术，提高能源利用效率，是亟待解决的技术问题［13］。

石墨烯电热膜具有智能控温、发热效率高、安装灵活、启动迅速、发热均匀、操作维护方便、降噪环保等优点，电热膜通电后会辐射大量波长为8～14 µm的远红外线，能够被生物体快速有效吸收，是一种新型的环保型加温采暖材料。当前，国内外对石墨烯电热膜在设施农业上的研发与应用研究时间短、内容少、研究单位也较少。安徽省宿州市农业科学院王建军等开展了石墨烯电热膜在西瓜温室育苗中的初步应用探讨，结果表明石墨烯电热膜加温可以降低成本、减少人工、缩短种苗培育时间［14］，然而此项研究中将石墨烯电热膜直接大面积铺装到育苗床下，相当于给温室空气加温，并没有实现对作物的精准加温，使得能量利用效率不高，安装成本也较高，有待改进。针对上述问题，江苏农林职业技术学院联合江苏中农创石墨烯研究院研发了专利产品“一种具有石墨烯电热膜的栽培装置”，该装置体积小，安装简便，石墨烯电热膜占栽培槽内很少空间，启动加热速度快，基质受热均匀，可自动调温，从而为番茄生长创造适宜的根际温度环境。本研究采用该装置对冬季设施番茄栽培进行基质加温，评估该装置对番茄根际基质温度的调控效果及其对番茄生长和品质的影响，以期为探索设施温室冬季加温提供新的思路方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以番茄品种黄金美人为试验材料，于9月中旬完成定植，行株距为7 cm × 7 cm。试验于2021年9月至2022年3月，在江苏省句容市紫荆农庄番茄温室内进行，温室类型为文洛型玻璃温室，室内有番茄种植槽共计20条，栽培槽槽口宽35 cm，底宽25 cm，深20 cm，总长30 m（图1）。

图1 种植槽剖面示意图Fig.1 Sketch map of planting trough section

1.2 试验设计

温室中间部位布设了2条石墨烯电热膜加热系统，以临近的空气源热泵加温系统为对照。石墨烯电热膜的栽培装置包括一槽体，槽体包括底板，底板的两侧各设有一侧板，槽体上方设有一石墨烯电热膜用于加热栽培基质上方空气，侧板靠近栽培基质的表面上依次叠加铺设有保温板和用于加热栽培基质的石墨烯电热膜，栽培槽内的侧板和底板最上层铺设有一防水膜层，防水膜层用于防止栽培基质的水外渗。试验期间，温室环境和番茄栽培采取统一管理。试验处理与对照设置如下，每个处理与对照各设 3 次重复（图2 试验设计示意图）。

实验处理1（T1）：种植槽两侧铺设10 cm石墨烯膜加温，不启动原有管道加热。

实验处理2（T2）：种植槽两侧铺设15 cm石墨烯膜加温，不启动原有管道加热。

实验对照（CK）：种植槽没有铺石墨烯膜加温，启动原有管道加热。

1.3 测定项目及方法

石墨烯加温系统于2021年11月6日至2022年3月2日期间启动。运行期间石墨烯电热膜加温基质温度控制在为22 ± 2℃。

基质温度测定：在温室内安装温度记录仪测量空气温度。室外温度测定点位于温室门框外侧，距离地面1.5 m。基质温度测定点位于栽培槽沿长度方向的1/4、1/2和3/4处。一个测定深度位于番茄根系中心分布区域深度为5 cm的基质中，另一个测定深度在基质的底部。温度计安置在各个测定点的相应深度。每2～3天记录一次数据。

产量测定：分批次收获后统计单株番茄产量和单果重。

营养生长和果实品质指标测定：每个处理检测6棵植株。采用SPAD-502Plus型叶绿素测量仪（日本柯尼卡美能达），分别对植株下部衰老叶片、中部成熟叶片和上部幼嫩叶片的叶绿素含量进行测定，每个叶片读取2次数据，取平均值。每隔3天检测一次。自有番茄果实开始转色15 d后，从每棵植株上采收10颗完全成熟的番茄果实，用于果实维生素、总酸、可溶性糖、β-胡萝卜素和可溶性蛋白等指标的品质测定。

1.4 数据处理

数据统计分析用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0软件完成。利用单因素方差分析法（ANOVA）进行方差分析，用Duncan法检验处理间差异的显著性水平（P＜ 0.05）。

2 结果与分析

2.1 试验期间温度变化

由图3看出，整个试验期间早晨温室外部温度较低，在0 ～ 5℃之间变化，室内温度较高，在10 ～15℃之间；三种加温方式都显著提高了番茄基质的温度，且加温后期T2处理的基质温度高于T1处理和空气源热泵加温处理。午间温室外部温度变化较大，在5 ～ 15℃之间变化，室内温度变化较大，在10 ～ 30℃之间变化；三种加温方式对番茄基质的保温效果相对稳定，且加温后期T2处理的基质温度高于T1处理和空气源热泵加温处理。晚间温室外部温度变化较大，在5 ～ 15℃之间变化，室内温度变化较大，在10 ～ 20℃之间变化；三种加温方式都显著提高了番茄基质的温度，且总体而言，T2处理对番茄基质的加温效果好于T1处理和空气源热泵加温处理。全天对照组管道基质温度和石墨烯电热膜加热基质温度相当，维持在20℃。

图3 冬季温室基质及室内外温度变化Fig.3 Temperature changes of substrate and indoor and outdoor in greenhouse in winter

2.2 石墨烯电热膜加热系统对番茄产量的影响

不同加温方式对番茄产量的影响由图4可知，在T1处理中10 cm石墨烯双侧膜加热条件下生长的番茄单株产量达到了856 g，高于T2处理15 cm石墨烯双侧膜加热条件（842.1 g）和空气源热泵的对照处理（787 g）。此外，石墨烯电热膜还提高了番茄单果重量，其中10 cm石墨烯双侧膜加热条件下番茄单果重量为14.2 g，15 cm石墨烯加热条件下番茄单果重量为13.6 g，数值均高于空气源热泵对照中番茄的单果重量12.5 g。

图4 石墨烯电热膜加热对番茄产量影响Fig.4 Effect of graphene electrothermal film heating on tomato yield

2.3 石墨烯电热膜加热系统对番茄叶片叶绿素的影响

由图5看出，与空气源加热对照相比，T1处理和T2处理双侧膜加热降低了植株顶端的幼嫩组织叶片的叶绿素含量，但就中下部叶片而言，T2处理15 cm双侧膜加热提高了中下部叶片的叶绿素含量。

2.4 石墨烯电热膜加热对番茄品质的影响

由表1看出，番茄的维生素、总酸和可溶性糖这3个指标在石墨烯加热膜处理和空气源加热泵对照组之间没有显著差异。T2处理石墨烯双侧膜加热条件下生长的番茄中β-胡萝卜素的含量达到了0.32 µg/100 mg，显著高于T1处理和空气源热泵的对照处理。此外，石墨烯电热膜还提高番茄果实中可溶性蛋白含量，其中T2条件下番茄果实的可溶性蛋白含量为1290.92 mg/kg，T1条件下番茄果实的可溶性蛋白含量略低，为1107.02 mg/kg，均显著高于空气源热泵对照中果实的可溶性蛋白含量910.44mg/kg。

3 讨论

本研究通过检测晨间、午间和傍晚的温度，比较石墨烯膜加热方式对基质温度不全面的影响。如图所示室内的空气温度随着室外的气温大幅波动，而基质中因加热设备的存在，其温度明显提升且呈现出良好的稳定性。对三种类型的加热方式进行比较，T1处理10 cm宽石墨烯膜两侧加热，T2处理15 cm宽石墨烯膜两侧加热和空气源热泵的加热方式之间，在基质的中部和底部均没有表现出显著差异。

长期夜间低温会导致根系温度条件不能满足植株正常生理活动所需的环境，不利于植株的正常生长发育和光合作用，同时过低的温度不利于基质中微生物的活动，进而阻碍了基质中无机和有机物质的分解，导致作物的干物质质量降低，果实发育速度减慢，平均单株产量降低，番茄、草莓等喜温蔬果作物成活率低［15］。

研究表明，低温季节夜间增加地温促进了番茄幼苗株高、叶面积和干质量的增加；增加果穗部位的温度使得番茄地上部分的生长势增强，从而提高产量［16］。在设施无土栽培中调控根际温度是确保作物高产和优质的一个重要措施，基质加温可使冬春茬栽培番茄增产43%［17］。

温室因其结构和材料特性，空间较大且与外界交流面积大的特点，室内气温随气候变化迅速，调节温室内气温并保持均衡难度较大且成本高；而根际因空间较小，调控温度需要的能耗要低很多。本研究结果表明石墨烯加热膜能够有效维持基质温度，提升番茄果实的产量和品质，从而为解决冬季设施番茄种植过程中基质的加热问题提供新的方案。

综上所述，石墨烯电热膜加温装置具有良好的保温性能，可有效缓解基质温度受外界条件的变化，局部加温显著改善根际基质温度，显著促进冬季种植番茄生长和增产，同时该系统较传统燃煤锅炉具有节能率高、运行费用低等特点，能有效解决现代温室栽培加温成本偏高的问题，是一种节能高效的栽培系统。

当前，将石墨烯红外电热膜应用到农业大棚中的生产实践还比较少，还需要更多的实践数据作为制定石墨烯红外电热膜产品标准和安装、操作技术规程的依据。建立石墨烯电热膜利用最佳匹配技术，确立最佳采暖效能技术模式，要重点建立适用不同设施园艺作物栽培模式和作物不同生长阶段温度需求的石墨烯电热膜精准智能控温产品工艺技术，确定石墨烯电热膜产品与作物生长温度需求之间的最佳匹配方式，建立最佳采暖效能技术模式，彻底破解当前温室大棚冬季加温面临的高能耗、高污染、高成本、稳定性差困境。