日光溫室主動采光對不同種植密度番茄光合特性的影響

阿拉帕提·塔依爾江,賈 凱,劉遷杰,張 妮,劉 玉,高 杰

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院/新疆特色園藝作物種質(zhì)資源與高效生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052；2. 烏魯木齊市米東區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，烏魯木齊 831400)

0 引 言

【研究意義】日光溫室的采光屋面是太陽輻射進(jìn)入溫室內(nèi)的唯一通道，而進(jìn)入室內(nèi)太陽輻射關(guān)系到日光溫室的蓄熱和保溫性能以及室內(nèi)作物的正常生長發(fā)育。需要改良前屋面的形狀和采光角度以增加日光溫室的透光量[1,2]。研究改良、改善、改進(jìn)的日光溫室環(huán)境以及在其內(nèi)種植作物的光合特性，對日光溫室種植農(nóng)作物具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】張真和等[3]通過綜合分析農(nóng)業(yè)氣象學(xué)，確定了冬至日正午時太陽光線投射角度為50 °時的采光屋面角度是合理的采光屋面角度。陳端生等[4]利用數(shù)學(xué)方法模擬溫室的采光屋面，得出了溫室的采光屋面最佳的坡度并不是一個定值，而隨太陽高度角的變化而需進(jìn)行調(diào)整，并對比研究北京地區(qū)在理想晴天條件下4種弧型采光屋面的溫室得出前屋面為圓面—拋物面組合型溫室的太陽輻射日總量最佳的結(jié)論。張勇[5-12]等設(shè)計(jì)并發(fā)明了可變采光傾角日光溫室，高文波[13]等對此類日光溫室性能進(jìn)行了研究，研究表明將溫室采光面的傾角從25°提高到35°時，溫室內(nèi)光照透光率提高了20.7%～22.8%?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆光熱資源豐富，全年日照時間在2 550～3 500 h[14]，主動采光日光溫室可更加充分利用新疆豐富的光熱資源。新疆烏魯木齊地區(qū)普通日光溫室采光前屋面固定不變，尤其是在寒冬季節(jié)，太陽高度角低，白天時間短，日光溫室內(nèi)可吸收的光照輻射量少。研究新疆烏魯木齊地區(qū)日光溫室主動采光與普通采光的環(huán)境下,種植的番茄光合特性的差異性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】設(shè)計(jì)2種不同的日光溫室采光處理以及3種不同的番茄種植密度處理，分析日光溫室主動采光對不同種植密度番茄光合特性的影響。測得日光溫室環(huán)境與番茄葉片光合作用的相關(guān)數(shù)據(jù),為在日光溫室內(nèi)種植的作物提供適宜的生長環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)在米東區(qū)蔬菜科技示范園進(jìn)行，具體位置為烏魯木齊市米東區(qū)羊毛工鎮(zhèn)紅雁湖村(44.10 ° N，87.57 ° E)。園區(qū)內(nèi)有2棟主動采光蓄熱型日光溫室，日光溫室長50 m，凈跨度9 m，后墻高3 m，采光前屋面可根據(jù)種植時采光的需要進(jìn)行升降，后墻體為空氣循環(huán)式主動蓄熱型墻體。繪出主動采光蓄熱日光溫室[5-7]結(jié)構(gòu)簡圖。圖1

番茄(LycopersiconesculentumMill.)，茄科(Solanaceae)番茄屬(Lycopersicon)1年生或多年生草本植物，原產(chǎn)南美洲，我國南北廣泛栽培[15]。以桃星為番茄供試品種。桃星(瀧井種苗株式會社)粉果雜交一代，無限生長類型，具有對多種病害的復(fù)合抗性。

注：1.主動采光屋面；2.固定屋架；3.主動蓄熱墻體；4.電機(jī)轉(zhuǎn)動軸

Note: 1. Active daylighting roof; 2. Fixed roof truss; 3. Active heat-storage wall; 4. Motor rotating shaft

圖1 主動采光蓄熱日光溫室結(jié)構(gòu)簡圖
Fig.1 Structure Diagram of Active Daylighting and Heat-storage Solar Greenhouse

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)日光溫室主動采光

按照園區(qū)內(nèi)日光溫室坐落順序，將2棟供試驗(yàn)用日光溫室命名為日光溫室Ⅱ與日光溫室Ⅲ。將日光溫室Ⅱ的采光前屋面升起，提高其采光面的傾角，稱之為主動采光日光溫室(G2)；日光溫室Ⅲ不做處理，作為對照，稱之為普通采光日光溫室(G3)。

(2)番茄不同種植密度

試驗(yàn)使用土壤接力栽培裝置進(jìn)行番茄栽培，其規(guī)格為35 cm×22.5 cm×30 cm(上底面直徑×下底面直徑×高)；每一栽培裝置定植2株番茄。使用草炭∶蛭石∶珍珠巖(V∶V∶V)=4∶1∶1的復(fù)合基質(zhì)進(jìn)行番茄栽培種植，草炭—丹麥品氏托普集團(tuán)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)4 株/m2(T1)、6 株/m2(T2)、8 株/m2(T3)3種不同的種植密度處理，每一種密度處理重復(fù)3次，每1重復(fù)種植區(qū)域占地6 m2。表1

1.2.2 測定指標(biāo)

使用LI-6400XT OPEN 6.1便攜式光合作用測量系統(tǒng)(北京力高泰科技有限公司)測量番茄葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)及蒸騰速率(Tr)。同1 d測量2棟日光溫室同一密度處理6個重復(fù)的番茄葉片光合，每一重復(fù)選取長勢、伸展方向一致，無病蟲害現(xiàn)象的10片葉測量10:00～11:00、12:00～13:00、15:00～16:00、17:00～18:00；4個時間段番茄葉片的光合，2棟日光溫室、3種密度處理需測量3 d(晴天)。

表1 試驗(yàn)處理組合
Table 1 Combination of Experimental Treatments

處理組合Treatments Combination日光溫室處理Solar Greenhouse Treatments種植密度處理(株/m2)Planting Density Treatments(plants/m2)密度處理重復(fù)次數(shù)Repetition Times of Density TreatmentsG2T1G2T2G2T3G2 主動采光T14 3T26 3T38 3G3T1G3T2G3T3G3普通采光T143T26 3T383

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010 整理測量所得數(shù)據(jù)，使用IBM SPSS Statistics 19 分析數(shù)據(jù)，顯著差異水平為95%，使用Origin Pro 2017 繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 主動采光對日光溫室環(huán)境的影響

研究表明,10月25～27日，G2與G3光照輻射之間均無顯著差異(P>0.05)，但G2光照輻射的均值、中位數(shù)均高于G3。G2的光照輻射均值較G3 3 d內(nèi)分別高出了4.39%、5.85%、5.67%。雖然差異不顯著，但G2的光照輻射有所提高。G2與G3溫度之間差異顯著(P<0.05)，G2的溫度均值較G3分別提高了11.84%、8.18%、2.53%。2棟日光溫室濕度均很高，但G2與G3濕度之間差異顯著(P<0.05)，G2的濕度均值較G3分別提高了5.32%、5.16%、4.16%。圖2

注：從左至右、從上至下依次為a.光照輻射、b.溫度、c.濕度

Note: From left to right, from top to bottom, a. Daylight Radiation, b. Temperature, c. Humidity

圖2 日光溫室主動采光下其環(huán)境變化
Fig. 2 The effect of active daylighting in solar greenhouse on its environment

2.2 主動采光日光溫室對番茄葉片凈光合速率的影響

研究表明,G3的3種密度處理番茄葉片的凈光合速率在第1時間段優(yōu)于G2，G3相對應(yīng)各處理番茄葉片凈光合速率較G2在第1時間段分別高出了72.96%、30.59%、33.17%；是因?yàn)榈?時間段G3的光照輻射高于G2的光照輻射。剩余3個時間段里，G2T2與G2T3番茄葉片凈光合速率優(yōu)于G3T2與G3T3，尤其是G2T3，其凈光合速率顯著高于G3T3(P<0.05)，G2T3凈光合速率對應(yīng)G3T3在剩余3個時間段里分別高出了23.14%、26.60%、41.39%。G2與G3番茄葉片凈光合速率總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，其中第2時間段番茄葉片凈光合速率達(dá)到最大值。圖3

注：從左至右、從上至下依次為a.凈光合速率(Pn)、b.氣孔導(dǎo)度(Gs)、c.胞間CO2濃度(Ci)、d.蒸騰速率(Tr)

Note: From left to right, from top to bottom, a. Net Photosynthetic Rate (Pn), b. Stomatal Conductance (Gs), c. Intercellular CO2Concentration (Ci), d. Transpiration Rate (Tr)

圖3 日光溫室主動采光下不同種植密度番茄葉片光合特性日變化
Fig. 3 The effect of diurnal variation of photosynthetic characteristics of tomato leaves with different planting densities under the condition of active daylighting in solar greenhouse

2.3 主動采光日光溫室對番茄葉片氣孔導(dǎo)度的影響

研究表明,G2的3種密度處理番茄葉片氣孔導(dǎo)度均高于對應(yīng)G3的番茄葉片氣孔導(dǎo)度。G2T1與G3T1之間無顯著差異(P>0.05)；但G2T2、G2T3與對應(yīng)G3T2、G3T3之間差異顯著(P<0.05)。G2T2氣孔導(dǎo)度對應(yīng)G3T2在4個時間段里分別高出了79.78%、50.71%、43.56%、8.84%；G2T3對應(yīng)G3T3則高出了83.38%、75.29%、29.66%、73.32%。G2與G3番茄葉片氣孔導(dǎo)度總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，不同處理番茄葉片氣孔導(dǎo)度在第2或第3時間段達(dá)到了最大值。圖3

2.4 主動采光日光溫室對番茄葉片胞間CO2濃度的影響

研究表明,G2的3種密度處理第1與第2時間段番茄葉片胞間CO2濃度與G3之間差異顯著(P<0.05)，第1時間段G2的3種密度處理對應(yīng)G3分別高出了41.29%、62.08%、54.54%，第2時間段則高出了18.68%、42.11%、25.69%；第3與第4時間段則無顯著差異(P>0.05)。G2、G3番茄葉片胞間CO2濃度曲線多數(shù)呈現(xiàn)出先降后升趨勢，G2的番茄葉片胞間CO2濃度在第1時間段達(dá)到了最大值，G3的則在第4時間段達(dá)到了最大值，但仍小于G2。圖3

2.5 主動采光日光溫室對番茄葉片蒸騰速率的影響

研究表明,G2T1與G3T1之間番茄葉片蒸騰速率之間存在顯著差異(P<0.05)，尤其是在第1、2、3時間段，G3T1番茄葉片蒸騰速率對應(yīng)G2T1分別高出了83.84%、28.24%、27.37%。G2T2與G3T2之間番茄葉片蒸騰速率之間無顯著差異(P>0.05)，但G3的蒸騰速率仍高于G2。G2T3與G3T3之間番茄葉片蒸騰速率之間存在顯著差異(P<0.05)，尤其是在第2、3、4時間段，G2T3番茄葉片蒸騰速率對應(yīng)G3T3分別高出了21.27%、20.23%、66.29%。G2與G3番茄葉片蒸騰速率總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，其中第3時間段番茄葉片蒸騰速率達(dá)到最大值。圖3

3 討 論

3.1 日光溫室主動采光對其環(huán)境的影響

研究表明,日光溫室主動采光對其溫度、濕度有顯著提高作用，光照輻射雖無顯著差異，但主動采光日光溫室采光效率略高于普通采光日光溫室，這可能與季節(jié)、氣候、地理、透光材料等因素有關(guān)。但總體與王晨晨等[16]和鮑恩財(cái)?shù)萚17]的研究結(jié)果一致，主動采光日光溫室透光率有不同程度的提高。

3.2 日光溫室主動采光對不同種植密度光合特性的影響

研究表明,在主動采光日光溫室內(nèi)高密度栽培的番茄葉片的凈光合速率及氣孔導(dǎo)度均顯著優(yōu)于普通采光日光溫室，尤其是在正午時分及之后。這與日光溫室內(nèi)環(huán)境的差異有一定的關(guān)系，薛義霞等[18]研究得出高溫高濕可促進(jìn)番茄葉片凈光合速率的結(jié)論；查向陽等[19]研究得出行距越小即種植密度越大，番茄葉片氣孔導(dǎo)度越小的結(jié)論，種植密度越大氣孔導(dǎo)度越低。對于番茄葉片胞間CO2濃度，G2與G3番茄葉片胞間CO2濃度變化無規(guī)律可言，但G2的顯著高于G3的，陳根云等[20]得出氣孔導(dǎo)度增大可導(dǎo)致胞間CO2濃度的增大，但也與其周圍空氣CO2濃度、葉肉厚度等因素有關(guān)。在G3T1栽培條件下番茄葉片的蒸騰速率最高，且種植密度越大番茄葉片蒸騰速率越低，這與武蘭芳等[21]研究得出的隨著種植密度的增大，蒸騰總量減小的結(jié)果一致；但G2T3的番茄葉片蒸騰速率卻高于G3T3。

4 結(jié) 論

主動采光日光溫室可有效提高其溫度、濕度及光照輻射，為作物提供更好的生長環(huán)境。在2棟日光溫室內(nèi)，番茄種植密度越大，其凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率越弱，蒸騰速率理論上是越弱越好；胞間CO2濃度則是隨著密度的增加而增強(qiáng)。就2棟不同采光日光溫室而言，日光溫室主動采光有效促進(jìn)了番茄的光合特性。日光溫室主動采光在環(huán)境以及番茄光合特性方面均優(yōu)越于普通采光日光溫室