散射膜日光溫室中種植壟向對番茄生長和產(chǎn)量的影響

宋衛(wèi)堂，李晨曦，孫旭光，王平智，趙淑梅

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散射膜日光溫室中種植壟向對番茄生長和產(chǎn)量的影響

宋衛(wèi)堂1,2，李晨曦1，孫旭光1，王平智1,2，趙淑梅1,2

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083； 2. 農(nóng)業(yè)部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

在普通薄膜覆蓋下的中國日光溫室中，普遍采用南北壟向的種植方式，但較短的南北種植距離限制了農(nóng)機具的使用和作業(yè)效率的提高。該研究在散射光日光溫室中（散射膜的霧度55%，透光率85%），對南北、東西2種壟向種植的番茄的光環(huán)境、生理和產(chǎn)量指標進行了測試分析，以探討在散射光日光溫室中采用東西種植壟向的可行性。結果表明：東西與南北壟向番茄冠層的光照累積量無顯著性差異；東西和南北方向種植的番茄的葉面積指數(shù)（LAI）分別為4.34和4.29，SPAD值分別為（42.7±1.0）和（43.1±0.6），葉片凈光合速率分別為12.8和12.4mol/m2·s，差異均不顯著；2016年12月至2017年4月番茄的實測總產(chǎn)量，東西和南北壟向分為2 537.6和2 421.1 kg，也沒有明顯差異。因此，在散射光日光溫室中種植壟向對番茄的生長和產(chǎn)量沒有產(chǎn)生影響，可以采用東西壟向的種植方式來替代南北壟向進行番茄生產(chǎn)。

溫室；葉綠素；光照；散射光；種植壟向；番茄；產(chǎn)量

0 引 言

在植物生長發(fā)育過程中，光照作為重要的環(huán)境因子之一，不僅是植物光合作用的能源，還以環(huán)境信號的形式作用于植物并調(diào)節(jié)其生長發(fā)育的過程[1-2]。溫室內(nèi)的散射光是由外界光線通過溫室散射覆蓋材料時，其中部分光線偏離主要的傳播方向形成的[3-4]。目前，溫室中散射光的應用在赤道附近國家已經(jīng)非常普遍，而且有研究表明，散射光對植物的生長具有一定的促進作用[5-7]。Alton等發(fā)現(xiàn)植物能夠更有效地利用散射光[8]。Li等[9-10]等對溫室覆蓋材料的散射性能進行了評價，認為散射光通過提高作物的光合作用使產(chǎn)量提高；在0、45%、71% 3種不同霧度散射玻璃覆蓋下，番茄生長加快，總體產(chǎn)量和個體果實質量均增加。孫士景等[11]的研究結果表明：相對于普通薄膜覆蓋的日光溫室，生長在散射光薄膜覆蓋的日光溫室中的番茄，果實品質得到一定的提高。范冰琳等[12]研究發(fā)現(xiàn)，無論是表觀性狀指標還是內(nèi)在物質積累，散射光對黃瓜生長均表現(xiàn)出了良好的促進作用。

栽培壟向可以通過改變作物冠層的光輻射截獲量和光線在冠層內(nèi)的透射率，影響作物的光合效率[13]。但壟向的這種影響可能因播期和品種的不同而有所差異，因為不同株高和不同葉面積品種的營養(yǎng)生長可能隨著播種時期的改變而變化。魏湜[14]的研究表明，雙向播種（正常播量的1/2采用東西壟向播種，另外的1/2采用南北壟向播種）的小麥比只采用東西壟向或南北壟向播種的產(chǎn)量都高。李煒等[15]研究發(fā)現(xiàn)，作物營養(yǎng)生長時期，東西壟向種植的作物的凈光合速率高于南北壟向的，而生殖生長時期南北壟向種植的作物的凈光合速率高于東西壟向的，最終，南北壟向種植的作物產(chǎn)量高于東西壟向的。石紹河等[16]研究表明，玉米在各個時期，南北壟向的各層土壤溫度、葉面積系數(shù)等構成產(chǎn)量因子均高于其他處理。

目前，占中國設施面積1/4的日光溫室內(nèi)，大部分作業(yè)環(huán)節(jié)基本是手工操作，機械利用率低，人工勞動強度大且工作效率低，經(jīng)濟效益仍處于低水平狀態(tài)；而且，從業(yè)勞動力緊缺等問題越來越嚴重[17-18]。這些現(xiàn)狀的出現(xiàn)，迫切需要小型農(nóng)業(yè)機械進入日光溫室。雖然國內(nèi)對小型機械已經(jīng)有些研究和應用[19-23]，但目前日光溫室的主栽壟向為南北向，非常不利于農(nóng)業(yè)機械在日光溫室中的應用，因為較短的南北種植壟向限制了農(nóng)機具的使用和作業(yè)效率的提高[24]。如果能將日光溫室中的種植壟向改變?yōu)闁|西向，便可使農(nóng)業(yè)機械在溫室中的作用充分發(fā)揮出來，溫室的生產(chǎn)就能向集約化、規(guī)?；l(fā)展。在普通薄膜材料覆蓋的日光溫室中，由于東西向種植會產(chǎn)生南側栽培行對北側栽培行的光照遮擋，引起作物受光不均勻、生長和產(chǎn)量受影響的問題；而散射光薄膜覆蓋的溫室內(nèi)的光照更加均勻，植株的中、底部葉片也可以獲得更多的光照。本研究主要針對散射光日光溫室中，東西壟向和南北壟向番茄種植之間的差異，判斷能否采用東西壟向種植，便于農(nóng)業(yè)機械進行作業(yè)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016年9月－2017年3月在河北省唐山市豐南區(qū)鑫湖生態(tài)園的日光溫室中進行。溫室東西長60 m，南北寬8 m，覆蓋北京三力創(chuàng)公司提供的散射光薄膜：透光率85%，霧度55%。番茄（）品種為山東澤誠農(nóng)業(yè)公司的“寶石1號”，9月20日定植。將日光溫室沿東西長度方向的中線劃分為2部分，如圖1a所示：東側（29 m×7 m=203 m2）采用南北壟向種植，大小行栽培，大行距（壟間）為80 cm，小行距（壟上）為40 cm，株距為40 cm，共26壟52行，密度為4.2株/m2；西側（29 m×7 m=203 m2）采用東西壟向種植，同樣采用大小行栽培，大行距為80 cm，小行距為40 cm，株距為40 cm，共5壟10行，密度亦為4.2株/m2。

在南北壟向和東西壟向栽培區(qū)，分別選擇1個4 m×4 m的區(qū)域作為試驗小區(qū)；每個試驗小區(qū)中心點位于距離溫室北墻4 m處的東西水平線上。

1.2 指標測試方法

1.2.1 番茄群體冠層光環(huán)境指標

對南北和東西壟向番茄冠層不同高度光照分布的測試，采用HOBO公司的S-LIA-M003光照傳感器，以測量冠層的光合有效光量子流密度（photosynthetic photon flux density，PPFD）。如圖1b、1c所示，在測試的小區(qū)內(nèi)距離地面20 cm高度處分別放置3個傳感器，來測量番茄冠層底部光照強度的變化；以番茄高度為，在距離地面/3處和2/3處分別放置3個傳感器，用來測量番茄冠層中部、上部的光照強度變化。在冠層頂部，各放置1個PPFD光照傳感器，用來測量無植株遮擋情況下的室內(nèi)光照強度。實際測試中，當植株高度達到1.5m以后開始進行數(shù)據(jù)記錄。

注：圖1b、1c中的H表示番茄植株的高度。

1.2.2 番茄群體生理與形態(tài)指標

1）葉面積指數(shù)LAI

分別從南北和東西壟向栽培的番茄中，各取200片完整的功能葉，利用杭州托普公司生產(chǎn)的YMJ-B型葉面積測量儀進行葉面積測量，由圖2得到南北和東西壟向番茄葉面積的經(jīng)驗公式

式中為番茄葉片外接矩形的面積，cm2；1、2分別為南北、東西壟向的實測葉面積，cm2。

圖2 2種壟向番茄葉面積擬合曲線

通過測量番茄植株的葉長與葉寬，結合公式（1）、（2）計算番茄平均單株葉面積，再由式（3）計算番茄群體內(nèi)不同高度葉面積指數(shù)[25]，

2）葉綠素（SPAD值）

在番茄冠層上部、中部及底部分別取20片健康葉片，用日本柯尼卡美能達公司生產(chǎn)的SPAD-502plus葉綠素儀，測量SPAD值。每20 d測量1次，記錄并計算平均值。

3）葉片傾角

采用軌跡法進行測量[26]。在半圓量角器的底部懸掛一條鉛垂線，測量時將量角器底端輕靠在葉片主葉脈所在直線，以鉛垂線與量角器的夾角記為該葉片的傾角。此傾角可反映葉片截獲光照的能力。

1.2.3 番茄葉片光合速率和產(chǎn)量

1）番茄葉片光合速率

用世亞科技公司SY-1020型光合作用測試儀，對測試區(qū)內(nèi)番茄植株上部、中部以及底部葉片進行光合指標的檢測[27]。光合儀使用透明葉室，在番茄植株上、中、底部各取10片葉進行巡回測量，并對測量葉室的光合有效光量子流密度進行平均，記為，以降低誤差，=566.3mol/(m2·s)，以降低誤差，記錄番茄葉片凈光合速率、胞間CO2濃度以及氣孔導度。

2）產(chǎn)量

定期稱量、統(tǒng)計試驗溫室中2種種植壟向下番茄的階段性產(chǎn)量，并最后匯總為試驗溫室的總產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

使用Excel進行數(shù)據(jù)記錄與處理。成對數(shù)據(jù)顯著性分析采用T檢驗方法，統(tǒng)計分析過程使用SPSS 20.0完成。

2 結果與分析

2.1 兩種栽培壟向番茄冠層的光環(huán)境特點

選擇冬季晴朗天氣、直射光較強的光照數(shù)據(jù)進行分析，以使數(shù)據(jù)具有典型性、代表性。圖3、圖4分別是2016年12月15日（近冬至日）、2017年01月30日（大寒后）2個晴天，南北壟向和東西壟向番茄冠層頂部、上部、中部以及底部的PPFD數(shù)據(jù)。

由圖3a、圖4a可以看出，冠層頂部由于無番茄葉片遮擋，東西壟向PPFD較于南北壟向在趨勢上無明顯的變化，8:00－16:00時段EW、SN的平均PPFD分別為447.7 和450.3mol/(m2·s)，經(jīng)檢驗二者無顯著性差異（>0.05）；圖3b中，SN和EW種植壟向PPFD最大數(shù)值分別為723.7 和583.7mol/(m2·s)，測試時段內(nèi)二者變化趨勢相似，PPFD平均值分別為364.7和357.0mol/(m2·s)，二者差異不顯著（>0.05）；而從圖 4b中看出，SN和EW種植壟向的PPFD值變化趨勢基本一致，平均值二者分別為456.1 和457.7mol/(m2·s)，差異不顯著（>0.05）；圖3c中，在11:00－14:00時段內(nèi)，SN由于葉片遮擋出現(xiàn)PPFD數(shù)值降低現(xiàn)象，2種壟向的PPFD數(shù)值之間差異不顯著（>0.05），圖4c中冠層中部SN與EW的PPFD平均值為185.1和186.4mol/(m2·s)，二者無顯著性差異（>0.05）。從圖3d和圖4d中可以看出，EW的PPFD最大值出現(xiàn)的時刻均晚于SN的，經(jīng)檢驗EW和SN的PPFD數(shù)值之間無顯著性差異（>0.05），說明冠層底部兩種壟向光照環(huán)境相同。

注：SN表示南北壟向，EW表示東西壟向，下同。

Note: SN represents the south-north ridge，EW represents east-west ridge, the same as below.

圖3不同冠層高度番茄群體內(nèi)光合有效光量子流密度變化曲線（2016-12-15）

Fig.3 Curves of photosynthetic photon flux density(PPFD) in different height tomatoes canopy (2016-12-15)

圖4 不同冠層高度番茄群體內(nèi)光合有效光量子流密度變化曲線（2017-01-30）

綜上，在散射光溫室中，東西壟向和南北壟向的冠層不同位置的PPFD數(shù)值間無顯著性差異，冠層內(nèi)的光照環(huán)境基本相同。

為了對比南北壟向和東西壟向種植的番茄所獲得的光照累積情況，對2016年12月15日和2017年01月30日2 d的光照按照式（4）對PPFD進行了日積累量的計算，并將冠層不同位置的日積累量與冠層頂部值（溫室內(nèi)部光強）相比，結果如表1所示。

式中表示PPFD的日積累量，mol/m2；P為10 min采集PPFD的平均值，mol/m2·s；為采集時間間隔，這里取600 s。

表1 2種壟向蕃茄冠層的光照日積累量（2016-12-15，2017-01-30）

注：CT表示冠層頂部，CU表示冠層上部，CM為冠層中部，CB為冠層底部；12分別為2016-12-15和2017-01-30的PPFD日累計量；1,2分別為2016-12-15和2017-01-30冠層不同位置光照積累量與頂部光照積累量的比值，ω為1和2的平均值。累計采集時間為每日的8:00－16:30。相同的小寫字母表示差異不顯著，下同。

Note: CT represents top of the canopy, CU is upper part of the canopy, CM is middle of the canopy, CB is bottom of the canopy;12are cumulative daily PPFD on 2016-12-15 and 2017-01-30;1,ω2are ratio of light accumulation at different positions of canopy to top light accumulation on 2016-12-15 and 2017-01-30;ωis average of1and2. Cumulative acquisition time is 8:00-16:30 each day. The same lowercase letters indicate that the difference is not significant, the same below.

從表1可以看出，2016-12-15南北壟向1為312.8 mol/m2，東西壟向1為315.3 mol/m2，二者無顯著性差異；同樣地，2017-01-30南北壟向2為332.7 mol/m2，東西壟向2為342.8 mol/m2，也無顯著性差異，說明東西壟向與南北獲得的光照總量無顯著差異。在番茄冠層的上部，東西壟向的ω值比南北壟向的低2.9%；冠層中部，東西壟向與南北壟向相同，ω值為46.8%；而在冠層底部，東西壟向比南北壟向高出4.5%。說明在典型天氣下，東西壟向冠層底部的光強略高于南北壟向的，而冠層上部的光強南北壟向較高。

表2顯示的是2種壟向、冠層不同位置從2016年12月1日到2017年1月31日共計62 d的光照累積。

表2 兩種壟向之間蕃茄冠層不同位置光照累積（2016-12-01—2017-01-31）

由表2可以看出，散射光環(huán)境下，冠層不同高度所獲得的光照總量，隨著高度的升高而增加；冠層的同一高度，東西壟向與南北壟向之間的光照累積，差異不顯著。因此可認為，東西壟向與南北壟向的光照環(huán)境是相同的。

2.2 兩種壟向番茄群體生理與形態(tài)指標對比

1）葉面積指數(shù)（LAI）

從表3可以看出，冠層底部、中部南北壟向種植番茄的LAI在數(shù)值上雖略高于東西方向的，但差異不顯著；而上部則是東西壟向的顯著高于南北壟向的。但由于上部葉面積指數(shù)較小，因此，總體上二者的LAI并無顯著性差異。葉面積指數(shù)能夠反映出作物冠層截獲光照能力的大小[28]，因此對于番茄群體來說，東西壟向的植株與南北方向的相比，它們獲得光照量的能力無明顯差異。

表3 2種壟向番茄冠層不同高度的葉面積指數(shù)

2）葉綠素（SPAD值）

番茄葉片葉綠素含量的高低反映了其光合作用能力的強弱，用SPAD值表示[29]。由圖5可以看出，12月至2月，EW壟向CU的番茄葉片SPAD值均低于SN壟向的，說明在冠層上部，東西壟向番茄葉片的光合能力弱于南北壟向的；3個月份中，EW和SN壟向CM的SPAD數(shù)值均無顯著性差異，說明2種壟向番茄葉片在不同時期的光合能力相同；圖5a、圖5b中EW在CB的SPAD值分別高于SN的5%和14%，說明12月和1月東西壟向番茄的光合能力較強，而由圖5c看出，2月兩種種植壟向番茄葉片的SPAD值無顯著差異，即東西壟向與南北壟向番茄冠層下部葉片光合能力相同。

注：不同的小寫字母表示不同壟向番茄群體SPAD值差異顯著，顯著性水平為0.05

（2016年12月-2017年2月）

Fig.5 Changes of SPAD in canopy leaves at different period

(Dec.2016-Feb.2017)

將2016年12月－2017年2月東西壟向和南北壟向所有葉片的SPAD值求得平均值分別為（42.7±1.0）和（43.1±0.6），二者差異不明顯。因此，散射光環(huán)境下東西壟向番茄群體進行光合作用的能力與南北壟向的無明顯性差異。

3）葉片傾角

直射光條件下，番茄群體葉片在空間的分布呈混合狀態(tài)，既有直立葉片又有水平葉片，葉片的這種分布主要是由遺傳特性決定的。但不同的外界條件尤其是群體結構特性對其又有較大影響。在同一群體內(nèi)，葉傾角從上至下的變化規(guī)律是：植株頂部較小，近地面處較大，即上部葉片接近直立狀態(tài)，底部葉片接近水平狀態(tài)[25]

由圖6可以看出，EW和SN的番茄群體葉傾角在不同角度的葉片占比均無顯著性差異，在60°～80°范圍內(nèi)的葉片占比二者均為40%以上，說明2種壟向番茄的群體結構基本相同。

圖6 2種壟向番茄群體葉傾角分布

2.3 2種壟向番茄的光合作用及產(chǎn)量對比

番茄的凈光合速率反映其有機物積累的快慢，從而影響番茄的產(chǎn)量[30]。由表4可以看出，東西壟向和南北壟向試驗區(qū)番茄的凈光合速率、胞間CO2濃度以及氣孔導度之間，均不存在顯著性差異。

表4 2種壟向番茄的光合作用指標

2016年12月至2017年4月，溫室東西壟向種植番茄（面積29 m×7 m=203 m2）的總產(chǎn)量為2 537.6 kg，南北壟向種植番茄（面積29 m×7 m=203 m2）的總產(chǎn)量為2 421.1 kg，二者僅相差4.8%，差異不明顯。

3 結 論

本研究對散射光日光溫室中南北壟向和東西壟向2種方式種植的番茄，進行了冠層不同高度的光環(huán)境及生長狀況的測試分析，并對二者的光合速率和產(chǎn)量進行了對比并得到如下結論：

1）在散射光下，東西壟向種植的番茄的光環(huán)境與南北壟向的相同；東西壟向與南北壟向番茄冠層的光照積累量，無顯著性差異。

2）在散射光條件下，東西壟向種植的番茄與南北壟向的相比，沒有在形態(tài)和生理指標上發(fā)生改變。東西和南北方向種植的番茄的葉面積指數(shù)（LAI）分別為4.34和4.29，葉綠素含量（SPAD）分別為（42.7±1.0）和（43.1±0.6），葉片傾角都主要集中在60°～80°，凈光合速率分別為12.8和12.4mol/(m2·s)，差異均不顯著。

3）試驗期間，溫室（面積為203 m2）東西壟向種植番茄的總產(chǎn)量為2 537.6 kg，南北壟向種植番茄的總產(chǎn)量為2 421.1 kg，二者僅相差4.8%，沒有明顯差異。

綜上所述，在散射膜日光溫室中，東西壟向種植的番茄的生長和產(chǎn)量，與南北壟向的相比，沒有明顯差異。因此，在散射光環(huán)境的日光溫室中可以采用東西壟向代替南北壟向進行番茄種植。

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Effects of ridge direction on growth and yield of tomato in solar greenhouse with diffuse film

Song Weitang1,2, Li Chenxi1, Sun Xuguang1, Wang Pingzhi1,2, Zhao Shumei1,2

(1.100083,2.100083)

In the solar greenhouse, which was covered by ordinary film with small haze, the planting pattern of south-north ridge was used in common. In east-west ridge, there could be the shadow on the north side produced by south side of planting line, which caused some problems including that the distribution of light would be uneven, and the growth would be impacted. However, due to the current labor shortage and low production efficiency, there is urgent need for small agricultural machinery used in the solar greenhouse, while the shorter north-south planting ridge has limited the use of agricultural machinery and operation efficiency. Tomato (“Gem 1”) plants, were planted on September 20, 2016 in glasshouse. The length of test greenhouse was 60 m, and the span was 8 m, which was located in Fengnan District, Tangshan City, Hebei Province. The greenhouse was covered by film with 55% haze and 85% light transmittance. This study aimed to analyze the effects of 2 planting ridges on tomato growth and yield. The photoperiod, and physiological and morphological indices of different height of canopy were studied with 2 kinds of tomatoes grown in north-south and east-west ridge, respectively, and the photosynthetic rate and yield were compared. The hypothesis is there exists the feasibility of using the east-west ridge in the scattered light solar greenhouse. To test this hypothesis, a study was conducted in glasshouses covered with scattering glass, converting a portion of the direct solar light into scattered light with different degrees of scattering, without affecting light transmission. Tomato was used in this study. The results showed that in the diffuse light environment, the tomatoes grown in the east-west ridge were the same as those in the north-south ridge, and the light intensity in the canopy increased with the height. And there was no significant difference in the light accumulation between the ridges of the east-west and north-south. In addition, the leaf area index (LAI) of tomato was 4.34 and 4.29 respectively, the chlorophyll SPAD (soil plant analysis development) content was 42.7±1.0 and 43.1±0.6 respectively for the east-west and north-south planting pattern, and the difference did not reach the significant level. In the east-west ridge, the distribution of leaves inclination angle was the same as that in the south-north ridge, concentrated between 60° and 80°. And the net photosynthetic rates of the leaves were 12.8 and 12.4mol/(m2·s), and the difference was not significant; from December 2016 to February 2017, the yield of tomato of east-west ridge was 2 537.6 kg, and the other was 2 421.1 kg, and the difference was not significant. It could be seen that there was no significant difference on the growth and yield of tomatoes between the east-west and south-north ridges in the solar greenhouse covered by film with 55% haze. Therefore, the effects of 2 kinds of planting ridges on the growth and yield of tomato in diffuse light in the Chinese solar greenhouse were not significant. Thus, in the solar greenhouse with diffuse light environment, we can not only use the east-west ridge instead of the north-south ridge for tomato planting pattern, but also use the east-west farming pattern for agricultural operation.

greenhouse; Chlorophyll; lights; diffuse light; planting ridge direction; tomato; yield

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.032

S625.3; S625.5+5

A

1002-6819(2017)-24-0242-07

2017-07-07

2017-11-14

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項（CARS-23-C02）

宋衛(wèi)堂，男，博士，教授，主要從事設施園藝栽培技術與設備研究。北京中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，100083。 Email：songchali@cau.edu.cn

宋衛(wèi)堂，李晨曦，孫旭光，王平智，趙淑梅. 散射膜日光溫室中種植壟向對番茄生長和產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(24)：242－248. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.032 http://www.tcsae.org

Song Weitang, Li Chenxi, Sun Xuguang, Wang Pingzhi, Zhao Shumei. Effects of ridge direction on growth and yield of tomato in solar greenhouse with diffuse film[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 242－248. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.032 http://www.tcsae.org