甜椒根區(qū)基質(zhì)與土壟交界處熱通量變化特征*

李宗耕，傅國海，劉文科**

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甜椒根區(qū)基質(zhì)與土壟交界處熱通量變化特征

李宗耕，傅國海，劉文科

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室, 北京100081）

在日光溫室中采用新型土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（SSC）方法栽培甜椒。運用土壤熱通量板探究土壟(SR)、標準壟（NR）、窄標準壟（NRn）、矮標準壟（NRs）和種植密度加倍標準壟（NRd）5種不同規(guī)格栽培壟東西側(cè)水平方向以及根區(qū)垂直方向上熱通量晝夜變化特征，探究適合冬季日光溫室蔬菜生產(chǎn)的栽培壟。結(jié)果表明：各處理熱通量均呈相同的晝夜單峰曲線變化特征，但不同處理吸放熱的時間有所差異。栽培壟東側(cè)水平方向上，晴天時SR、NR、NRn、NRd4個處理根區(qū)吸熱的時間為9：00-14：00，陰天時吸熱時間延后2h；晴天NRs在23：00-14：00吸熱，陰天一直處于吸熱狀態(tài)。栽培壟西側(cè)水平方向上，NRs處理一直為吸熱狀態(tài)，其余4個處理在9：00-17：00吸熱。根區(qū)垂直方向上熱通量變化表明，SR、NR、NRn、NRd4個處理吸熱時間晴天為11：00-18：00，陰天為12：00-17：00；NRs放熱的時間比其它處理晚2～3h。5個處理在東側(cè)、西側(cè)水平方向上和根區(qū)垂直方向上吸放熱差值因位置不同有較大差異，在東側(cè)水平方向和根區(qū)垂直方向上各處理以放熱為主，而在西側(cè)水平方向上吸熱較多。東西側(cè)水平方向和根區(qū)基質(zhì)垂直方向上NRs處理基質(zhì)吸熱多放熱少，NRd處理基質(zhì)吸熱少放熱多，故NRd處理在冬季能更好地維持根區(qū)溫度，在日光溫室冬季和早春季蔬菜生產(chǎn)中具有更好的應用前景。

日光溫室；起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培；甜椒；熱通量

土壤熱通量是地球表面能量平衡的重要分量之一。對于郁閉冠層，日凈土壤熱通量不超過凈輻射的10%～15%；對稀疏植被或裸地而言，土壤熱通量可高達凈輻射的50%。土壤熱通量是主要的土壤物理參量之一，是日光溫室生態(tài)系統(tǒng)能量平衡方程中的重要組成部分，對系統(tǒng)的能量比和程度有一定的影響。目前，很多學者致力于研究不同植被環(huán)境中土壤熱通量的主要機制，并取得了卓著的成果。李韌等指出，土壤熱通量與土壤溫度梯度變化非常一致。張淼結(jié)合不同土壤溫度和水分條件，分析了土壤表面熱通量的變化規(guī)律。張利平等分析了會同杉木人工林土壤熱通量特征，周邦社等研究了植被和坡向?qū)ν寥罒嵬孔兓挠绊?，但以往的研究主要集中在農(nóng)田、裸地和森林，對設施溫室土壤的熱通量研究較少，且缺乏系統(tǒng)、完整的觀測結(jié)果。

起壟覆膜栽培是日光溫室生產(chǎn)中一種常見的栽培方法。起壟覆膜栽培有保水保墑，節(jié)水增產(chǎn)等優(yōu)點。研究表明，起壟后增加了田間通風透光率，改善了田間小氣候，有利于提高光合速率，還能有效提高作物根區(qū)溫度，有利于根系抵御低溫危害。而覆蓋地膜則能夠顯著提升土壤溫度，提高作物長勢，對作物增產(chǎn)的作用明顯。徐彥軍等研究表明，起壟覆蓋膜栽培可以提早馬鈴薯的出苗期以及成熟收獲期，并能增產(chǎn)10%以上。日光溫室土壤是重要的蓄熱介質(zhì)，白天吸收太陽能，晚上緩慢釋放所儲熱量對維持日光溫室溫度有重大作用。日光溫室蔬菜多為壟栽生產(chǎn)，壟的蓄熱保溫能力直接關系到根區(qū)溫度高低。監(jiān)測壟熱通量晝夜變化是揭示日光溫室壟的蓄放熱特性的重要手段。

土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（SSC）是一種新型日光溫室無土栽培方法，具有提高根區(qū)溫度，增加產(chǎn)量的效果。SSC新型栽培方法將土壤栽培與無土栽培結(jié)合，且不同于傳統(tǒng)的地上筑槽基質(zhì)栽培，不但可充分發(fā)揮無土栽培的高產(chǎn)高效優(yōu)勢，還充分利用了土壟的蓄熱保溫性能，且大大節(jié)省了建筑材料的使用成本，方便操作。傅國海等在前期研究中表明，SSC栽培相比于純土壟栽培具有更高的根區(qū)溫度和較好的溫度緩沖能力，本研究利用土壤熱通量板，監(jiān)測土壟和4種不同壟規(guī)格的SSC壟東西水平方向上土壤以及根區(qū)基質(zhì)垂直方向上的熱通量晝夜變化特征，從熱量傳遞的角度解釋SSC的緩沖能力，其結(jié)果對日光溫室土壤的熱交換和傳遞及系統(tǒng)的能量流動平衡具有重要意義，并可為SSC新型栽培方法的實際應用提供理論支持和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)的日光溫室中進行，溫室東西向長60m，跨度8m，脊高3.8m。每個小區(qū)東西向長16m，寬3m，小區(qū)距溫室最南端2m，距西側(cè)山墻4m。供試作物為甜椒（L.），品種為“海豐16號”（北京某公司），穴盤育苗，兩葉一心時移栽定植。處理內(nèi)行距為20cm，處理間行距為40cm，每個處理長3m。定植時間為2016年10月28日。

甜椒栽培采用土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培(SSC)方式，全營養(yǎng)液滴灌方法。SSC栽培方式為：在4種不同規(guī)格的鐵絲網(wǎng)槽內(nèi)鋪上相同的塑料薄膜，膜的側(cè)面下方打孔便于水熱交換，沿南北方向擺放整齊，裝入按比例均勻混合的栽培基質(zhì)(草炭︰蛭石︰珍珠巖=1︰1︰1)；然后在栽培槽四周按照一定的標準培土起壟，將栽培槽嵌在土壟中，外側(cè)培土后覆蓋地膜，形成土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培(SSC)模式，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 試驗設計

鐵絲網(wǎng)槽有3種規(guī)格，窄槽（長×寬×高=300cm×6cm×15cm）、矮槽（長×寬×高=300cm×10cm×10cm）和標準槽（長×寬×高=300cm×10cm×15cm），塑料膜的厚度為0.12mm，塑料薄膜側(cè)面通氣孔距離底部5cm，孔徑1cm，孔距10cm。土壟的規(guī)格有5種，依次為土壟（soil ridge，SR）、標準壟（normal ridge，NR）、窄標準壟（narrow normal ridge，NRn）、矮標準壟（short normal ridge，NRs）、加倍密度標準壟（double plant density of normal ridge，NRd），每條壟長3m。不同規(guī)格鐵絲網(wǎng)槽與土壟搭配形成5個處理（表1），每個處理重復兩次。

表1 試驗處理壟規(guī)格

1.3 測定方法

試驗采用國產(chǎn)YM-RT型土壤熱通量（河北某公司）采集器，采集栽培壟東西側(cè)面即土壤-基質(zhì)界面及根區(qū)中心（5cm深）垂直方向的熱通量晝夜變化。每個處理各選取1壟安放1塊熱通量板，熱通量板布置在每個處理中偏向最東側(cè)的栽培壟上，測點設在距壟最南端0.95m處，熱通量板最初設置在土壤與基質(zhì)的東側(cè)交界處，壓實其周圍的土壤使其與土壤和基質(zhì)緊密接觸，土壤向根區(qū)基質(zhì)傳熱時數(shù)據(jù)為正，反之為負，數(shù)據(jù)采集頻率為每10min1次。每隔3周移動熱通量板的位置，移動順序為：根區(qū)東側(cè)土壤與基質(zhì)交界處—根區(qū)西側(cè)土壤與基質(zhì)交界處—根區(qū)中心垂直方向，測定不同時段栽培壟不同部位的熱通量晝夜變化。

根據(jù)日光溫室保溫被開閉時間，將白天定義為9：00-16：00，夜間為16：00-次日9：00，選定2016年11月6日00：00-10日24：00（東側(cè)）、2106年12月1日00：00-5日24：00（西側(cè)）和2017年1月2日00：00-6日24：00（根區(qū)）3個時段連續(xù)5d熱通量數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同規(guī)格栽培方式根區(qū)東側(cè)基質(zhì)與土壟交界處水平方向熱通量變化

由圖2可見，2016年11月6日00：00-10日24：00不同規(guī)格土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（SSC）方式中，根區(qū)東側(cè)基質(zhì)與土壟交界處土壤熱通量變化過程基本相同，表現(xiàn)為明顯的日變化特點，晴天（11月6-8日）9：00-14：00熱通量多為正值，說明此時段熱量由土壤向基質(zhì)傳遞，14：00-次日9：00熱通量多為負值，說明此時段熱量由基質(zhì)向土壤傳遞，5個處理的熱通量均在11：30時達到當日最大，在17：00時達到最??；陰天（11月9-10日）11：00- 16：30熱通量多為正值，16：30-次日11：00多為負值，5個處理熱通量的數(shù)值在13：30達到最大值，在19：30達到最小值。但從圖中也可看出，不同規(guī)格栽培模式下的曲線并不完全重合，說明各處理根區(qū)東側(cè)基質(zhì)與土壟交界處土壤熱通量變化過程并不完全相同。具體表現(xiàn)為，不嵌鐵絲網(wǎng)槽即純土壟栽培（SR處理）晴天時，吸熱時長要延后1.5h左右，即在9：00-15：30熱通量為正值；窄標準栽培壟（NRs處理）晴天時，吸熱時間較長，23：00-14：00一直處于吸熱狀態(tài)，NRs在陰天時全天處于吸熱狀態(tài)，即根區(qū)東側(cè)土壤一直在向根區(qū)基質(zhì)傳熱。連續(xù)5個晝夜內(nèi)SR、NR、NRn、NRs和NRd根區(qū)基質(zhì)吸收的總熱量與放出總熱量的差值依次為929、-10063、-5063、20960和-13392W·m即NRs＞SR＞NRn＞NR＞NRd。

2.2 不同規(guī)格栽培方式根區(qū)西側(cè)基質(zhì)與土壟交界處水平方向熱通量變化

由圖3可見，2016年12月1日00：00-5日24：00不同規(guī)格土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（SSC）方式中，根區(qū)西側(cè)基質(zhì)與土壟交界處土壤熱通量變化為同升同降的過程，表現(xiàn)為明顯的日變化特點，晴天（12月1、2和5日）9：30-16：30熱通量多為正值，說明此時段熱量由土壤向基質(zhì)傳遞，16：30-次日9：30熱通量多為負值，說明此時段熱量由基質(zhì)向土壤傳遞，5個處理的熱通量均在14：30達到最大值，在19：30達到最小值；陰天（12月3-4日）10：00-16：00熱通量多為正值，16：00-次日10：00多為負值，5個處理熱通量的數(shù)值在15：00達到最大值，在19：30達到最小值。但從圖中也可以看出，不同規(guī)格栽培模式下根區(qū)西側(cè)基質(zhì)與土壟交界處土壤熱通量變化過程并不完全相同。表現(xiàn)為，嵌入矮鐵絲網(wǎng)槽即矮標準壟栽培（NRs處理）其5d內(nèi)吸熱最劇烈且一直處于吸熱狀態(tài)；加倍密度標準壟（NRd處理）的放熱過程最劇烈。連續(xù)5d內(nèi)SR、NR、NRn、NRs和NRd共5個處理其根區(qū)基質(zhì)吸收的總熱量與放出的總熱量的差值為1452、733、5867、44124和-9385W·m，即NRs＞NRn＞SR＞NR＞NRd。

2.3 不同規(guī)格栽培方式根區(qū)中心基質(zhì)垂直方向熱通量變化

由圖4可見，2017年1月2日00：00-6日24：00不同規(guī)格土壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培（SSC）方式中，根區(qū)中心基質(zhì)垂直方向熱通量變化過程基本相同，表現(xiàn)為明顯的日變化特點，5d中各處理均在早晨7：00左右出現(xiàn)最小值，在13：00出現(xiàn)熱通量的最大值；晴天（1月2-4日）11：00-18：00熱通量多為正值，說明此時段熱量由表層基質(zhì)向下層基質(zhì)傳遞，18：00-次日11：00熱通量多為負值，說明此時段熱量由下層基質(zhì)向表層基質(zhì)傳遞；陰天（1月5-6日）12：00-17：00熱通量多為正值，17：00-次日12：00多為負值。從圖中也可以看出，不同規(guī)格栽培模式下的曲線并不完全重合，說明各種條件下根區(qū)中心基質(zhì)垂直方向上熱通量的變化存在差異。具體表現(xiàn)為，不嵌鐵絲網(wǎng)槽即純土壟栽培時（SR處理）無論晴天還是陰天吸放熱均在5個處理中最劇烈；嵌入矮鐵絲網(wǎng)槽即矮標準壟栽培時（NRs處理）下層基質(zhì)從上層基質(zhì)吸熱的時間長，即下層基質(zhì)吸放熱轉(zhuǎn)化的時刻相比其它4個處理要晚2～3h，且NRs處理比其它4個處理下層基質(zhì)吸熱多放熱少。SR、NR、NRn、NRs和NRd共5個處理在完整5d天內(nèi)上層基質(zhì)向下傳遞的總熱量與下層基質(zhì)向上傳遞的總熱量的差值為1638、-2427、-7174、19036和-18804W·m，即NRs＞SR＞NR＞NRn＞NRd。

3 結(jié)論與討論

不同規(guī)格栽培壟東西側(cè)土壤與基質(zhì)交界處和根區(qū)中心基質(zhì)垂直方向熱通量有明顯的日變化規(guī)律，且在不同天氣時均呈現(xiàn)同升同降的單峰曲線日變化，變化規(guī)律較一致，這與崔海等研究結(jié)果一致，但不同規(guī)格栽培模式下熱通量變化特征具有一定的差異。栽培壟東西側(cè)交界處和根區(qū)中心3個方向上熱通量出現(xiàn)峰值時間不同，根區(qū)基質(zhì)垂直方向上最早達到熱通量的最大值，其次為東側(cè)土壤與根區(qū)基質(zhì)交界處和西側(cè)土壤與根區(qū)基質(zhì)交界處，根區(qū)垂直方向和東側(cè)土壤與基質(zhì)交界處熱通量出現(xiàn)最大值的時間比西側(cè)交界處提前了2h；一日內(nèi)，根區(qū)垂直方向熱通量最早出現(xiàn)最小值，東、西側(cè)土壤與基質(zhì)交界處熱通量最小值出現(xiàn)的時間相同，均為19：30。栽培壟東西側(cè)交界處和根區(qū)中心3個方向上吸熱時長存在差別，東側(cè)土壤與基質(zhì)交界處吸熱時間最短，比西側(cè)交界處和根區(qū)中心基質(zhì)垂直方向上吸熱時間短2h。

東側(cè)土壤與根區(qū)基質(zhì)傳熱過程中，NRd處理根區(qū)放熱最劇烈，晴天時NRd處理根區(qū)吸熱最劇烈，陰天時NRs處理吸熱最為劇烈，并且在陰天時NRs處理根區(qū)一直處于吸熱狀態(tài)，說明陰天時NRs根區(qū)溫度一直低于東側(cè)土壤溫度。在西側(cè)土壤與根區(qū)基質(zhì)傳熱的過程中，NRs處理的吸熱最為劇烈，一直處于吸熱狀態(tài)，以NRd處理的放熱過程最為激烈，說明在夜間溫度較低時根區(qū)中心基質(zhì)的溫度可以維持在一個較高水平并向側(cè)面土壤傳遞熱量。根區(qū)垂直方向上的熱通量日變化與兩個側(cè)面水平方向上的熱通量日變化不同，垂直方向上SR處理的吸放熱過程最為劇烈，NRs放熱最少，根區(qū)基質(zhì)開始吸熱的時間比東西側(cè)方向延后3h。東西側(cè)水平方向上和根區(qū)垂直方向上NRs處理根區(qū)吸放熱差值最大，并且在西側(cè)土壤與根區(qū)傳熱過程中，NRs一直處于吸熱狀態(tài)，說明NRs處理根區(qū)溫度要低于側(cè)面土壤溫度，故根區(qū)吸收的熱量要遠大于放出的熱量；東西側(cè)水平和根區(qū)垂直3個方向上NRd處理根區(qū)基質(zhì)吸收的熱量遠小于根區(qū)基質(zhì)放出的熱量，故NRd處理的根區(qū)溫度相對較高。因此，在冬季和早春季溫室蔬菜生產(chǎn)中，在夜間相同空氣溫度條件下，NRd處理根區(qū)溫度大于兩側(cè)土壤溫度，能更好地維持夜間溫度，在一定程度上抵抗低溫脅迫，利于作物生長。

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Heat Flux Changes at Junction between Root Zone Matrix and Soil Ridge of Sweet Pepper

LI Zong-geng, 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)

A novel soil-ridged substrate-embedded cultivation (SSC) method was used to cultivate sweet peppers in Chinese solar greenhouse. Five treatments, including soil ridge (SR), normal ridge (NR), narrow normal ridge (NRn), short normal ridge (NRs) and the double plant density of the normal ridge (NRd), were set to observe diurnal heat flux changes of east and west horizontal directions and the vertical direction of the root zone by using heat flux plates, and select a kind of ridge which was most suitable for vegetables winter production in Chinese solar greenhouse. The results showed that soil heat flux of each treatment presented unimodal curve diurnal changes synchronously, but the time of heat absorption and heat release were different. For east horizontal direction of ridges, the root zones of SR, NR, NRn and NRd absorbed heat at 9：00-14：00 on sunny days, and the time of heat absorbing delayed 2 hours on cloudy days. NRs absorbed heat at 23：00-14：00 on sunny days, and NRs absorbed heat all day when it was cloudy. For west horizontal direction of ridges, NRs absorbed heat all the time, and the rest four treatments absorbed heat at 9：00-17：00. In the vertical direction of root zone, heat flux changes showed that SR, NR, NRn and NRd absorbed heat at 11：00-18：00 in sunny days and 12：00-17：00 in cloudy days. Release heat time of NRs was 2-3 hours later than other treatments. Difference of heat absorption and release of five treatments changed with different locations on horizontal directions of east and west and vertical direction of root zone. Each treatment primarily absorbed heat on the horizontal direction of east side and vertical direction of root zone, but released heat on the horizontal direction of west side. In the junction between east and west lateral soil of ridge and matrix of root zone, the heat absorbed by the root zone of NRs was larger than that of the exothermic heat, while that of NRd was much less than released. So NRd treatment could maintain well root zone temperature in winter, it had a better application prospect in vegetables production in winter and early spring in Chinese solar greenhouse.

Chinese solar greenhouse; SSC; Sweet pepper; Heat flux

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.10.006

李宗耕,傅國海,劉文科.甜椒根區(qū)基質(zhì)與土壟交界處熱通量變化特征[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(10):672-678

2017-03-11

。E-mail：liuwenke@caas.cn

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目課題（2016YFD0801001）

李宗耕（1993-），碩士生，研究方向為設施作物根區(qū)環(huán)境控制。E-mail：lizonggeng93@163.com