冬季設施番茄生產(chǎn)石墨烯電熱膜基質(zhì)加溫效果研究

李剛，劉超，劉葉瓊，趙冬，陳曦*

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院，江蘇 句容 212400；2.港華紫荊農(nóng)莊（句容）有限公司，江蘇 句容 212400）

番茄是喜溫作物，溫度是影響番茄冬季栽培生產(chǎn)的關鍵因素之一，因此冬季加溫是我國番茄設施生產(chǎn)的必備措施之一。溫室加溫的方式按熱傳導介質(zhì)可分為溫室空氣加溫和栽培基質(zhì)加溫兩種方式，周金平等認為番茄設施生產(chǎn)中加溫方式的選擇至關重要，應該以最節(jié)約的成本，最有效的方式給植物提供最適宜的溫度［1］。與傳統(tǒng)溫室空氣加熱相比，對植物根區(qū)進行加熱更有利于溫室內(nèi)植株生長。植物對根際溫度比地上部溫度更加敏感［2］，并且基質(zhì)部分體積遠小于空氣部分體積，可以大大節(jié)約能源［3］，因此調(diào)節(jié)基質(zhì)溫度比調(diào)節(jié)空氣溫度更加有優(yōu)勢。

目前，溫室加溫按加溫設備可分為傳統(tǒng)的熱水、熱風［4］和電加溫［5］方式，以及地源熱泵［6］、水源熱泵［7］、地下蓄熱加溫［8］、太陽能地熱加溫［9］、太陽能輔助加溫［10］等新型加溫方式。然而各種研究表明，上述方式存在設施成本較高、初期投資過大、運行成本高、受自然資源限制、能源不可再生、環(huán)境污染大、能源利用效率較低等各種不足［11-12］。其中的電能作為一種無污染、加溫快的二次能源，具有設備投資低、供熱分配均勻，便于自動化控制等優(yōu)點，在溫室加熱領域得到廣泛應用，但從運行成本角度出發(fā)，優(yōu)化溫室電加熱技術，提高能源利用效率，是亟待解決的技術問題［13］。

石墨烯電熱膜具有智能控溫、發(fā)熱效率高、安裝靈活、啟動迅速、發(fā)熱均勻、操作維護方便、降噪環(huán)保等優(yōu)點，電熱膜通電后會輻射大量波長為8～14 μm的遠紅外線，能夠被生物體快速有效吸收，是一種新型的環(huán)保型加溫采暖材料。當前，國內(nèi)外對石墨烯電熱膜在設施農(nóng)業(yè)上的研發(fā)與應用研究時間短、內(nèi)容少、研究單位也較少。安徽省宿州市農(nóng)業(yè)科學院王建軍等開展了石墨烯電熱膜在西瓜溫室育苗中的初步應用探討，結(jié)果表明石墨烯電熱膜加溫可以降低成本、減少人工、縮短種苗培育時間［14］，然而此項研究中將石墨烯電熱膜直接大面積鋪裝到育苗床下，相當于給溫室空氣加溫，并沒有實現(xiàn)對作物的精準加溫，使得能量利用效率不高，安裝成本也較高，有待改進。針對上述問題，江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院聯(lián)合江蘇中農(nóng)創(chuàng)石墨烯研究院研發(fā)了專利產(chǎn)品“一種具有石墨烯電熱膜的栽培裝置”，該裝置體積小，安裝簡便，石墨烯電熱膜占栽培槽內(nèi)很少空間，啟動加熱速度快，基質(zhì)受熱均勻，可自動調(diào)溫，從而為番茄生長創(chuàng)造適宜的根際溫度環(huán)境。本研究采用該裝置對冬季設施番茄栽培進行基質(zhì)加溫，評估該裝置對番茄根際基質(zhì)溫度的調(diào)控效果及其對番茄生長和品質(zhì)的影響，以期為探索設施溫室冬季加溫提供新的思路方案。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以番茄品種黃金美人為試驗材料，于9月中旬完成定植，行株距為7 cm × 7 cm。試驗于2021年9月至2022年3月，在江蘇省句容市紫荊農(nóng)莊番茄溫室內(nèi)進行，溫室類型為文洛型玻璃溫室，室內(nèi)有番茄種植槽共計20條，栽培槽槽口寬35 cm，底寬25 cm，深20 cm，總長30 m（圖1）。

圖1 種植槽剖面示意圖Fig.1 Sketch map of planting trough section

1.2 試驗設計

溫室中間部位布設了2條石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)，以臨近的空氣源熱泵加溫系統(tǒng)為對照。石墨烯電熱膜的栽培裝置包括一槽體，槽體包括底板，底板的兩側(cè)各設有一側(cè)板，槽體上方設有一石墨烯電熱膜用于加熱栽培基質(zhì)上方空氣，側(cè)板靠近栽培基質(zhì)的表面上依次疊加鋪設有保溫板和用于加熱栽培基質(zhì)的石墨烯電熱膜，栽培槽內(nèi)的側(cè)板和底板最上層鋪設有一防水膜層，防水膜層用于防止栽培基質(zhì)的水外滲。試驗期間，溫室環(huán)境和番茄栽培采取統(tǒng)一管理。試驗處理與對照設置如下，每個處理與對照各設 3 次重復（圖2 試驗設計示意圖）。

實驗處理1（T1）：種植槽兩側(cè)鋪設10 cm石墨烯膜加溫，不啟動原有管道加熱。

實驗處理2（T2）：種植槽兩側(cè)鋪設15 cm石墨烯膜加溫，不啟動原有管道加熱。

實驗對照（CK）：種植槽沒有鋪石墨烯膜加溫，啟動原有管道加熱。

1.3 測定項目及方法

石墨烯加溫系統(tǒng)于2021年11月6日至2022年3月2日期間啟動。運行期間石墨烯電熱膜加溫基質(zhì)溫度控制在為22 ± 2℃。

基質(zhì)溫度測定：在溫室內(nèi)安裝溫度記錄儀測量空氣溫度。室外溫度測定點位于溫室門框外側(cè)，距離地面1.5 m。基質(zhì)溫度測定點位于栽培槽沿長度方向的1/4、1/2和3/4處。一個測定深度位于番茄根系中心分布區(qū)域深度為5 cm的基質(zhì)中，另一個測定深度在基質(zhì)的底部。溫度計安置在各個測定點的相應深度。每2～3天記錄一次數(shù)據(jù)。

產(chǎn)量測定：分批次收獲后統(tǒng)計單株番茄產(chǎn)量和單果重。

營養(yǎng)生長和果實品質(zhì)指標測定：每個處理檢測6棵植株。采用SPAD-502Plus型葉綠素測量儀（日本柯尼卡美能達），分別對植株下部衰老葉片、中部成熟葉片和上部幼嫩葉片的葉綠素含量進行測定，每個葉片讀取2次數(shù)據(jù)，取平均值。每隔3天檢測一次。自有番茄果實開始轉(zhuǎn)色15 d后，從每棵植株上采收10顆完全成熟的番茄果實，用于果實維生素、總酸、可溶性糖、β-胡蘿卜素和可溶性蛋白等指標的品質(zhì)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0軟件完成。利用單因素方差分析法（ANOVA）進行方差分析，用Duncan法檢驗處理間差異的顯著性水平（P＜ 0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗期間溫度變化

由圖3看出，整個試驗期間早晨溫室外部溫度較低，在0 ～ 5℃之間變化，室內(nèi)溫度較高，在10 ～15℃之間；三種加溫方式都顯著提高了番茄基質(zhì)的溫度，且加溫后期T2處理的基質(zhì)溫度高于T1處理和空氣源熱泵加溫處理。午間溫室外部溫度變化較大，在5 ～ 15℃之間變化，室內(nèi)溫度變化較大，在10 ～ 30℃之間變化；三種加溫方式對番茄基質(zhì)的保溫效果相對穩(wěn)定，且加溫后期T2處理的基質(zhì)溫度高于T1處理和空氣源熱泵加溫處理。晚間溫室外部溫度變化較大，在5 ～ 15℃之間變化，室內(nèi)溫度變化較大，在10 ～ 20℃之間變化；三種加溫方式都顯著提高了番茄基質(zhì)的溫度，且總體而言，T2處理對番茄基質(zhì)的加溫效果好于T1處理和空氣源熱泵加溫處理。全天對照組管道基質(zhì)溫度和石墨烯電熱膜加熱基質(zhì)溫度相當，維持在20℃。

圖3 冬季溫室基質(zhì)及室內(nèi)外溫度變化Fig.3 Temperature changes of substrate and indoor and outdoor in greenhouse in winter

2.2 石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)對番茄產(chǎn)量的影響

不同加溫方式對番茄產(chǎn)量的影響由圖4可知，在T1處理中10 cm石墨烯雙側(cè)膜加熱條件下生長的番茄單株產(chǎn)量達到了856 g，高于T2處理15 cm石墨烯雙側(cè)膜加熱條件（842.1 g）和空氣源熱泵的對照處理（787 g）。此外，石墨烯電熱膜還提高了番茄單果重量，其中10 cm石墨烯雙側(cè)膜加熱條件下番茄單果重量為14.2 g，15 cm石墨烯加熱條件下番茄單果重量為13.6 g，數(shù)值均高于空氣源熱泵對照中番茄的單果重量12.5 g。

圖4 石墨烯電熱膜加熱對番茄產(chǎn)量影響Fig.4 Effect of graphene electrothermal film heating on tomato yield

2.3 石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)對番茄葉片葉綠素的影響

由圖5看出，與空氣源加熱對照相比，T1處理和T2處理雙側(cè)膜加熱降低了植株頂端的幼嫩組織葉片的葉綠素含量，但就中下部葉片而言，T2處理15 cm雙側(cè)膜加熱提高了中下部葉片的葉綠素含量。

2.4 石墨烯電熱膜加熱對番茄品質(zhì)的影響

由表1看出，番茄的維生素、總酸和可溶性糖這3個指標在石墨烯加熱膜處理和空氣源加熱泵對照組之間沒有顯著差異。T2處理石墨烯雙側(cè)膜加熱條件下生長的番茄中β-胡蘿卜素的含量達到了0.32 μg/100 mg，顯著高于T1處理和空氣源熱泵的對照處理。此外，石墨烯電熱膜還提高番茄果實中可溶性蛋白含量，其中T2條件下番茄果實的可溶性蛋白含量為1290.92 mg/kg，T1條件下番茄果實的可溶性蛋白含量略低，為1107.02 mg/kg，均顯著高于空氣源熱泵對照中果實的可溶性蛋白含量910.44mg/kg。

3 討論

本研究通過檢測晨間、午間和傍晚的溫度，比較石墨烯膜加熱方式對基質(zhì)溫度不全面的影響。如圖所示室內(nèi)的空氣溫度隨著室外的氣溫大幅波動，而基質(zhì)中因加熱設備的存在，其溫度明顯提升且呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。對三種類型的加熱方式進行比較，T1處理10 cm寬石墨烯膜兩側(cè)加熱，T2處理15 cm寬石墨烯膜兩側(cè)加熱和空氣源熱泵的加熱方式之間，在基質(zhì)的中部和底部均沒有表現(xiàn)出顯著差異。

長期夜間低溫會導致根系溫度條件不能滿足植株正常生理活動所需的環(huán)境，不利于植株的正常生長發(fā)育和光合作用，同時過低的溫度不利于基質(zhì)中微生物的活動，進而阻礙了基質(zhì)中無機和有機物質(zhì)的分解，導致作物的干物質(zhì)質(zhì)量降低，果實發(fā)育速度減慢，平均單株產(chǎn)量降低，番茄、草莓等喜溫蔬果作物成活率低［15］。

研究表明，低溫季節(jié)夜間增加地溫促進了番茄幼苗株高、葉面積和干質(zhì)量的增加；增加果穗部位的溫度使得番茄地上部分的生長勢增強，從而提高產(chǎn)量［16］。在設施無土栽培中調(diào)控根際溫度是確保作物高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的一個重要措施，基質(zhì)加溫可使冬春茬栽培番茄增產(chǎn)43%［17］。

溫室因其結(jié)構(gòu)和材料特性，空間較大且與外界交流面積大的特點，室內(nèi)氣溫隨氣候變化迅速，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)氣溫并保持均衡難度較大且成本高；而根際因空間較小，調(diào)控溫度需要的能耗要低很多。本研究結(jié)果表明石墨烯加熱膜能夠有效維持基質(zhì)溫度，提升番茄果實的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而為解決冬季設施番茄種植過程中基質(zhì)的加熱問題提供新的方案。

綜上所述，石墨烯電熱膜加溫裝置具有良好的保溫性能，可有效緩解基質(zhì)溫度受外界條件的變化，局部加溫顯著改善根際基質(zhì)溫度，顯著促進冬季種植番茄生長和增產(chǎn)，同時該系統(tǒng)較傳統(tǒng)燃煤鍋爐具有節(jié)能率高、運行費用低等特點，能有效解決現(xiàn)代溫室栽培加溫成本偏高的問題，是一種節(jié)能高效的栽培系統(tǒng)。

當前，將石墨烯紅外電熱膜應用到農(nóng)業(yè)大棚中的生產(chǎn)實踐還比較少，還需要更多的實踐數(shù)據(jù)作為制定石墨烯紅外電熱膜產(chǎn)品標準和安裝、操作技術規(guī)程的依據(jù)。建立石墨烯電熱膜利用最佳匹配技術，確立最佳采暖效能技術模式，要重點建立適用不同設施園藝作物栽培模式和作物不同生長階段溫度需求的石墨烯電熱膜精準智能控溫產(chǎn)品工藝技術，確定石墨烯電熱膜產(chǎn)品與作物生長溫度需求之間的最佳匹配方式，建立最佳采暖效能技術模式，徹底破解當前溫室大棚冬季加溫面臨的高能耗、高污染、高成本、穩(wěn)定性差困境。