無土栽培條件下的根溫控制技術*

馬宇婧，王 任，溫祥珍，李亞靈（山西農(nóng)業(yè)大學園藝學院，山西太谷 030801）

溫度是重要的環(huán)境因子，目前蔬菜設施栽培中存在兩大問題：一是夏季異常高溫，溫室內(nèi)氣溫迅速升高，導致根際溫度過高，但熱量又無法揮散，過高的溫度直接影響植株根系正常生長和根系功能的正常發(fā)揮，最后導致其品質(zhì)和產(chǎn)量的下降[1]。二是冬季溫室根際溫度低，且土壤溫度較難提高。根系長期生長在溫度變幅較小的土壤環(huán)境中，習慣了這種穩(wěn)定的環(huán)境，通常植物根系要求的溫度略低于植物的地上部分，比較適宜的溫度范圍為15～25℃[2]。根際溫度對于植物生長發(fā)育來說比氣溫更重要，一旦根際溫度過高或過低，植株根系生長就會受到抑制，進而影響整個植株的生長[3]。

在無土栽培中，營養(yǎng)液溫度即為植物的根際溫度，對于作物的生長至關重要。不同作物對根溫的要求不同。對于喜溫性蔬菜（黃瓜、番茄等），根溫大于30℃會加速根的老化過程，使根的木質(zhì)化部位幾乎達到根尖[4]，低于12℃以下則吸水困難，導致生長停滯。對于耐寒類蔬菜，一般最低液溫8℃左右，最高不超過35℃，蔥最適根溫為20～26℃，生菜為15～28℃[5]。一般植物生長要求液溫范圍在13～25℃，最適液溫為18～20℃[3]。對大多數(shù)作物來講，夏季液溫控制在28℃以下，以20～24℃為宜，冬季不低于12～15℃均適宜[6]。

無土栽培中液溫和氣溫的配合很重要。液溫高氣溫低，根生長和呼吸消耗較多的同化產(chǎn)物，地上部生長慢；液溫低氣溫高，地上部生長快，長期會導致根系發(fā)育差，也會影響到地上部的生長[5]。所以氣溫高時液溫也應高些，或略低于平均氣溫；冬季氣溫較低時，提高液溫更有利于作物生長。

土壤栽培條件下緩沖性較好，但夏冬實施根溫控制較為困難或成本較高，無土栽培中緩沖性相對較差，不注意根際環(huán)境控制容易導致生產(chǎn)失敗，所以無土栽培中根溫的控制技術尤為重要。

無土栽培中根溫控制技術

無土栽培中影響根溫穩(wěn)定的因素有很多，如池溫、輸液管道、栽培設施、供液量、植被狀態(tài)等。為了保證穩(wěn)定的生產(chǎn)和品質(zhì)，針對影響因子制定有效的根溫控制技術是一項系統(tǒng)工程。

貯液池溫度控制技術

貯液池用于存放供植物生長的營養(yǎng)液，提供基礎溫度（熱量）。貯存設施有些是獨立的營養(yǎng)液罐，有些是池；有些放置在室外，有些建造在地下，有些放置在專用房間內(nèi)，有些放置在溫室內(nèi)，見圖1。設置位置不同，營養(yǎng)液溫度受環(huán)境溫度的影響不同。營養(yǎng)液池設計在地下，能利用地溫的穩(wěn)定性，且占地少，建造成本低，是常見的選擇，但清淤和消毒不徹底，而且開放式的貯液池見光容易滋生綠藻（圖1a）；在環(huán)境穩(wěn)定的現(xiàn)代化溫室或?qū)ｉT房間內(nèi)放置貯液罐，營養(yǎng)液溫度比較穩(wěn)定，容易維護和檢查，是大型現(xiàn)代化溫室常見的（圖1b、1c）；在外界環(huán)境變化不大的地區(qū)（如荷蘭），貯液池也可放置在室外（圖1d），不占用溫室用地。

貯液池（罐）的建造和材料選擇對營養(yǎng)液溫度也會產(chǎn)生影響。地下建造時要注意填注隔熱材料或加填聚苯板隔熱；大型貯液池需選擇隔熱材料和鋁材，不僅耐銹蝕且起反光作用。

貯液池（罐）的加溫與降溫通常采用管道來實現(xiàn)，即在貯液池設置管道，夏季通入冷水循環(huán)來降溫，冬季通入熱水來提溫，荷蘭溫室熱水主要來自聯(lián)合熱電系統(tǒng)，部分來自溫室降溫時的熱空氣；液溫加熱也可使用加熱棒、電熱線等。溫度的控制可以采用控溫儀，或利用熱敏電阻與控制計算機箱來實現(xiàn)智能控制。宋敏麗等[7]在試驗研究中采用隔離冰降溫和電熱線加溫的處理保持營養(yǎng)液的恒溫狀態(tài)取得了很好的控制效果。

貯液池的建造位置對液溫也有影響，在氣候溫和的荷蘭，溫室多建于地上，而對于氣候變化劇烈，一天中日較差大的中國，溫室應建在地下，可借助周圍土溫穩(wěn)定營養(yǎng)液溫度，為作物更好的生長提供良好的環(huán)境。夏季當貯液池分別位于地平面、地上10 cm、地下10 cm時，營養(yǎng)液平均溫度分別是 18.9、29.4、17.6℃，地上貯液池液溫高于作物生長適溫，作物生長出現(xiàn)萎蔫死亡癥狀，地下貯液池相對地平面營養(yǎng)液平均溫度低1.3℃，更適于作物生長。

還可通過一些保溫措施如周邊保溫和頂部保溫等來調(diào)節(jié)貯液池溫度。冬季當在營養(yǎng)液池周邊或底部鋪設聚苯板，與不附加聚苯板相比，營養(yǎng)液平均溫度可分別升高0.5、1.5℃，可見底部附加聚苯板保溫隔熱效果更好，可增強穩(wěn)溫性能；當在葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)頂部夜間覆蓋保溫材料時，營養(yǎng)液溫度增加0.6℃，內(nèi)部氣溫增加5.1℃。

貯液池的大小也影響貯液池溫度，相同水位下，貯液池越大，熱緩沖能力越強。

圖1 貯液池的設計與放置位置

營養(yǎng) 液輸送系統(tǒng)

營養(yǎng)液的輸送主要是管道，多為無毒塑料管，相比金屬或合金管道隔熱性較好，但細長且距離遠，容易受外界溫度及陽光暴曬的影響，從而影響到根溫。采取必要的隔熱保溫措施是好的選擇，一般外部用航空棉、PVC泡沫軟材、鋁箔等包裹，進行供液管道隔熱供應[5]。

若管道系統(tǒng)復雜可將其埋在地下，利于溫度的穩(wěn)定，這是較傳統(tǒng)的做法。在室內(nèi)溫度能夠穩(wěn)定控制的溫室中也可架設在空中，便于機械作業(yè)和維護（圖2）。

圖2 營養(yǎng)液輸液系統(tǒng)的隔熱處理

圖3 不同栽培方式

栽培 方式

深 液 流（Deep Flow Technique，DFT）[6]營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)所用營養(yǎng)液液層較深，一般深度為5～15 cm，營養(yǎng)液濃度、溫度、pH等相對穩(wěn)定，根際環(huán)境緩沖力大，受外界環(huán)境影響小。但不同季節(jié)，仍然受到一定的影響。在炎熱夏季會由于氣溫升高引起液溫升高，可高達30℃以上。

營養(yǎng)液膜技術（Nutrient Film Technique，NFT）[6]中營養(yǎng)液總量少，種植槽內(nèi)液層淺，僅1～2 cm，物理化學性質(zhì)變化快，液溫變化快，易受環(huán)境溫度的影響，尤其是暴露于空氣中的根系部分易受氣溫的影響，根際緩沖能力差，在夏季高溫期，根系易老化。

陳海生等[8]比較分析了DFT和NFT條件下水培系統(tǒng)中營養(yǎng)液液溫的日變化。結果表明，NFT水培槽中營養(yǎng)液液溫日變化相對較大，是隨光照度和氣溫的趨勢變化；DFT條件下日變化平緩。在早春氣候條件下，DFT系統(tǒng)中營養(yǎng)液液溫晝夜大部分時間高于NFT系統(tǒng)，對環(huán)境中氣象因子變化的響應程度較弱。因此，在栽培櫻桃番茄時，DFT水培方式要優(yōu)于NFT。

另外，巖棉、椰糠等基質(zhì)培環(huán)境溫度較水培穩(wěn)定，圖3所示為生產(chǎn)中不同的栽培方式，其中圖3a、3b為基質(zhì)培，圖3c為水培。

供液量

盡管營養(yǎng)液或者水的比熱容大，但是營養(yǎng)液的供應量能顯著影響根際溫度的變化。

在NFT栽培中，液面淺，根溫很容易受到氣溫的影響而產(chǎn)生較大變化，可以通過加大栽培槽的坡度，提高供液速度，來保障根溫的相對穩(wěn)定，尤其在我國夏季氣溫高的狀態(tài)下能保障速生葉菜的正常生長。

在DFT（積液式）栽培條件下，營養(yǎng)液量較大，對穩(wěn)定根溫有很好的效果。我們研究認為營養(yǎng)液量（液面高低）對根溫會產(chǎn)生一定影響，當葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)[9-10]營養(yǎng)液深度為25 cm時，液溫較20 cm低2℃，15 cm時液溫較20 cm高約1℃，可見積液越多，升溫越慢，緩熱效果越好，池溫與根溫越接近；積液少則受環(huán)境變化影響大。另一方面，積液一致情況下（營養(yǎng)液深度20 cm），不同深度、不同季節(jié)，液溫也不相同（表1）。分析一年四季中營養(yǎng)液表面即0 cm、液面以下5、10、15 cm的溫度變化，各液層和內(nèi)外氣溫的平均溫、最高溫、最低溫及日較差，四季均表現(xiàn)出表層溫度高，越往深處溫度越低，變化越平緩，日較差越小。四季平均溫分別是 18.4、28.8、20.8、6.8℃，春秋季液溫均在適宜作物生長的范圍內(nèi)；由于夏季所選溫度為未采取遮陽等降溫措施的部分，表現(xiàn)出溫度過高，表層日較差最大達7.9℃，深層日較差浮動小至1～2℃，液溫基本在27℃以上，最高達到34℃，顯著高于作物生長適溫；冬季所選溫度為未采取保溫措施的部分，表現(xiàn)出溫度過低，各層次日較差在0.5～2.2℃浮動，即使是深層液度也只有6～7℃，低于作物正常生長的溫度。

在巖棉培或椰糠培條件下，供液量對包裹著塑料的基質(zhì)溫度的變化影響也十分明顯，采用白、黑膜來反射光熱和維持根際環(huán)境溫度是重要的措施。另外在桶栽（圖3b）和袋栽中加強營養(yǎng)液循環(huán)是維持根溫穩(wěn)定的重要措施。

表1 四季各液層和內(nèi)外氣溫的平均溫度和極端溫度/℃

栽培系統(tǒng)

栽培系統(tǒng)是指栽培植株的栽培槽，常見的有PVC、聚苯板槽、鍍鋅鐵皮、鋁材、塑料等。栽培系統(tǒng)采用鍍鋅鐵皮、鋁合金等，強度高，容易加工成型，成本較低，在早期的無土栽培槽中很常見，但熱交換量大，傳熱快，容易受氣溫的影響，引起根溫的變化。所以在選擇支撐材料時不僅要考慮耐受力、承重力，還要考慮其傳熱系數(shù)，傳熱越慢，其周圍的環(huán)境溫度變化越慢，根際環(huán)境越穩(wěn)定，現(xiàn)在多采用PVC、聚苯板做成的專用型材，材料厚實、隔熱好，根際環(huán)境穩(wěn)定，但成本也會升高。簡易無土栽培采用塑料袋栽、塑料桶栽和塑料膜栽，環(huán)境容積有限，容易受外界溫度的影響。

其他

植被狀態(tài)：植株封壟狀況下光線照射到栽培槽的機會很少，根際溫度較為穩(wěn)定，主要受供液溫度的影響，當植被量低，陽光直射栽培槽，根際溫度會發(fā)生變化。

環(huán)境溫度也是影響根際溫度的重要因素，精確控制環(huán)境有助于根溫的穩(wěn)定。在生產(chǎn)上利用設施的結構材料以及增設輔助設備，在一定程度上可以控制營養(yǎng)液溫度。前人有提出利用地下水，但這需要有充足的地下水源，且易造成水資源的浪費；也有提出向營養(yǎng)液中添加冰袋降溫的方法[11]，但存在費時費力的問題；還可以采用機械壓縮式制冷的方法等；祝寶英等[12]使用一種半導體制冷系統(tǒng)用于番茄DFT栽培的營養(yǎng)液溫度控制，滿足無限生長栽培條件下番茄根際生長環(huán)境對營養(yǎng)液液溫的要求；在營養(yǎng)液槽上鋪一層反射材料，減少營養(yǎng)液和外界的傳熱也是一種方便實現(xiàn)的方法。夏季利用噴霧設備增加葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)空氣濕度，降低溫度，或用潛水泵沖擊營養(yǎng)液產(chǎn)生水花，液體流會同化周圍液體的溫度，從而起到降溫作用，并改善根際環(huán)境，為植物提供更好的生長條件。

檢測與控制設備

在無土栽培系統(tǒng)中根溫的檢測主要依靠溫度傳感器，實時監(jiān)測營養(yǎng)液中的溫度，一旦高于或低于植物正常生長溫度及時采取措施使營養(yǎng)液穩(wěn)定在適溫范圍。檢測的范圍包括多個方面，如營養(yǎng)液池、管道、栽培系統(tǒng)、環(huán)境溫度等。

綜合控制

綜上所述，無土栽培系統(tǒng)中根溫控制是一項系統(tǒng)工程，為了給作物生長創(chuàng)造更良好的環(huán)境，尤其是根際環(huán)境，需要對生產(chǎn)系統(tǒng)進行綜合控制，做好根溫控制與氣候之間的協(xié)調(diào)配合。根據(jù)不同季節(jié)不同氣候，采取適當?shù)脑鰷亟禍卮胧┻M行根際溫度的控制，同時對溫室內(nèi)部的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度和作物根際的水分、營養(yǎng)組分等環(huán)境因子進行調(diào)節(jié)，獲得作物生長的最佳條件，從而達到增加產(chǎn)量、改善品質(zhì)的目的，進一步提高經(jīng)濟效益[13]。

隨著科技水平的提高，采用無土栽培進行溫室生產(chǎn)是重要發(fā)展方向，在節(jié)約用工、克服土壤連作障礙，顯著提高作物的產(chǎn)量和保障品質(zhì)方面都具有優(yōu)勢，精準控制根際環(huán)境是傳統(tǒng)生產(chǎn)中難以實現(xiàn)的，無土栽培能成為現(xiàn)實可用的技術。