随着农村剩余劳动力不断向非农产业的转移及人口老龄化问题的加剧,我国农业从业人口数量不断减少,导致农业产业的劳动力成本不断攀升
[1]。2015年起,北京地区设施农业生产中劳动力成本已经超过总成本的50%
[2],不断攀升的人工成本已经严重制约了设施园艺等劳动密集产业的健康发展。提升机械化水平,有效降低劳动力成本,是设施园艺产业的重要发展方向。目前,限制日光温室机械化水平提升的主要因素是现有的农艺措施无法满足农机作业的需求,机械作业条件差,“门难进、边难耕、头难调、效难高”问题突出
[3]。
将日光温室内传统的南北垄向种植模式,改为东西垄向是提高农机工作效率的有效方法。现有研究表明,东西垄向种植番茄、黄瓜、辣椒与茄子等主要设施作物,单产均高于南北向种植
[4-6],但东西垄向种植更凸显了温室内南北光照分布不均的问题。为提升光照均匀水平,部分试验采用东西向宽沟窄畦双行栽培模式,并证实了该栽培模式能够显著改善宽行的光环境,有利于冠层外部叶片光合作用
[7-8]。此外,增大垄间行距也可有效避免冠层南侧对北侧的遮挡,增大冠层的透光率,改善冠层中下部与北侧光环境,有利于早期产量的形成,但更宽的垄距也会导致冠层光截获量降低
[9-11]。
宽沟窄畦的栽培模式垄上局部种植密度增大,会凸显温室内温度分布不均的问题。日间作物冠层通过蒸腾作用等生理活动将吸收的光能转化为潜热,可使冠层内部升温更加缓慢,夜间作物呼吸作用释放出的热量多,且局部叶面积指数的增大不利于行内通风,导致夜间冠层内部维持在更高水平;而较宽的行间由于相对通透,日间升温与夜间降温均较冠层内部快,冠层内部整体温度振幅较行间小
[12-13]。
因此,本研究在东西垄向双行种植番茄的日光温室内引入行距调整机构
[14],依据农机作业使用需求调整冠层结构,以期提高日光温室内光能利用效率,改善温室内光温环境,为相关农业机械研发提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验日光温室位于北京市房山区弘科农场(115.97° E,39.62° N),温室坐北朝南,东西长75 m,南北跨度7.5 m,前屋面投影宽度6.1 m,后墙高2.9 m,脊高4.1 m,室内北侧硬化道路宽0.8 m;温室后墙采用空心砖和聚苯板双层材料,表面覆盖水泥砂浆层,前屋面为轻钢衍架结构,透明覆盖材料为散射光薄膜(雾度=58.3%,透光率=88.5%)。
温室种植试验在2022年越冬茬口进行(试验期:2022年11月—2023年2月),供试作物为番茄(品种为‘金冠58号’),定植时间为2022年9月13日。温室内采用东西垄向种植,本温室共种植3垄,栽培垄从南到北依次编号为第一至第三垄,中心垄距为180 cm,垄底宽80 cm,垄沟宽100 cm,垄上行距为40 cm,垄间行距为140 cm,株距为35 cm,垄高10 cm(
图1)。温室内东西两侧各预留3 m宽的工作缓冲区。番茄日光管理采用单干整枝,吊蔓栽培,坐果期通过落蔓将植株高度控制在2 m;冬季日常管理期间8:30打开保温被,16:00放下保温被。
1.2 试验设计
日光温室分为2个区,分别为可变行距试验区和固定行距对照区,试验区(可变行距栽培模式)为温室种植区西侧起30 m,对照区(固定行距栽培模式)为温室种植区东侧起30 m,其间设有缓冲区。试验区安装行距调整机构(
图2),该机构通过电动机构调整活动吊蔓杆的位置,实现垄上双栽培行行距的调整;在无需机具进入垄间作业时,同一垄上南侧的活动吊蔓杆向南横向移动设定距离,使得同一垄的相邻两行番茄冠层距离增大,行距扩大至80 cm,枝蔓倾斜角度约为11.3°,该电动推杆的移动速度为7 mm/s,移动40 cm需1 min。在生产过程中,打杈、采摘和植保等环节,调节机构将活动吊蔓杆缓慢复位至垄上行距为40 cm,方便操作人员或机具进入垄间作业。试验期间其他生产管理措施相同。
1.3 吊蔓果菜行距调整机构
行距调整机构由承重部分、吊蔓杆部分与动力部分3部分组成,具体设置如下:
承重部分,包括承重油丝绳与垂吊油丝绳。承重油丝绳南北向固定于温室骨架结构之上,其南侧固定于前屋面骨架,北侧固定于后墙立柱,相邻承重油丝绳的间距为1.5 m;垂吊油丝绳垂直于地面方向设置,下端固定于承重油丝绳中部,上端固定于上方温室前屋面骨架上,以保证承重油丝绳在支撑吊蔓杆的情况下保持水平。
吊蔓杆部分,共设有3组,每垄对应一组,每组由固定吊蔓杆和活动吊蔓杆两部分组成,吊蔓杆方向与栽培垄方向相同,垂直于承重油丝绳。固定吊蔓杆位于北侧,活动吊蔓杆位于南侧,固定吊蔓杆与承重油丝绳固定,活动吊蔓杆放置于承重油丝绳上,可在动力部分的牵引作用下横向南北滑动。
动力部分,由电动推杆、活动推杆与连接件组成,活动吊蔓杆通过连接件与活动推杆连接,活动推杆北端与电动推杆连接,电动推杆固定于后墙。行距调整机构工作时由电机带动电动推杆运动,电动推杆通过活动推杆,驱动活动吊蔓杆进行南北往复运动,从而带动固定于活动吊蔓杆上的植株冠层移动。电动推杆带有限位装置和控制手柄,可通过手柄控制推杆往复运动,以控制行距的增大减小;可通过限位装置限制推杆的行程,以控制行距调整的范围。
1.4 光温环境测定
1.4.1 冠层光照测量
本试验所有环境数据均在番茄坐果期测量。作物冠层各测点光照强度于典型晴天天气条件下的上午(8:30)、中午(12:00)与下午(15:30)利用手持光照度计tes-1339(泰仕电子工业有限公司,中国)测定,各测点重复10次;为保证数据可比性,试验区与对照区由2人同步测量,每轮数据测量时间控制在30 min内。测点布置如
图2所示,测量高度分别为冠层垂直三分之一高度(垄上65 cm)和冠层三分之二高度(垄上130 cm),分别测量每垄冠层南侧、冠层北侧与冠层中间位置的光照强度。冠层两侧的测点均为番茄冠层边缘,冠层中间的测量点位于垄面中心位置的正上方。
1.4.2 温度测量
温度测量采用Pt100铂电阻(北京昆仑中大传感器技术有限公司,中国),温度数据每10 min自动记录一次。番茄冠层测点位置为第三垄冠层中心位置的正上方和冠层南侧,高度为番茄冠层二分之一高度(垄上100 cm),测点位置如
图2所示,设置3个传感器重复;后墙温度测点高度为135 cm,设置3个传感器重复;土壤温度测点为第二垄垄面中心位置(200 mm土壤深度)。
1.5 数据处理
使用Origin 9.1软件对数据进行方差分析与显著性检验,其中同一垄不同测量点光照强度差异分析采用单因素方差分析Fisher检验,对照区与试验区测点光照强度使用配对样本t检验进行两两比较(P=0.05),使用Excel 2017制作图表。
2 结果与分析
2.1 应用行距调整机构对番茄冠层光分布的影响
2.1.1 行距调整对番茄冠层上午光分布的影响
通过测量温室内不同位置的光照强度,得到
时温室内光分布情况(
图3)。可知温室内光照强度整体呈现从南向北、由上到下降低的趋势,第一垄番茄冠层的南侧由于无遮挡,光照强度远高于其他位置,且试验区与对照区无显著差异。与此同时,由于行距调整机构的使用,番茄冠层三分之一高度与三分之二高度所有测点光照强度的平均值均有一定程度的提升(
P值分别为0.06与0.13),变异系数分别降低24.7%与15.9%。表明行距调整机构的使用可有效提高番茄冠层的光截获量,提升温室内光环境的均匀性,对中下部光环境改善尤其明显。
在冠层三分之一高度处(
图3(a)),对照区与试验区所有测点光照强度的平均值分别为35.0和43.5 μmol/(m
2·s)(
P=0.06);对照区与试验区光照强度的变异系数分别为108.3%与83.6%。表明垄上行距的增大可有效提升试验区番茄冠层光截获量,同时提升光环境的均匀性。由于垄上行距增大(每垄南侧行作物向其南侧倾斜),第二垄与第三垄试验区冠层南侧的光照强度相较于对照区均呈现显著降低趋势(
P0.05),但第一垄与第三垄南侧光照强度仍然显著高于冠层中间与冠层北侧,第二垄南侧光照强度仍然显著高于北侧(
P0.05),但与冠层中部差异不显著。表明垄上行距的增大,可提升冠层透光率,使冠层中部与北侧光环境得到改善,南北差异显著降低(
P0.05),有效提升温室内光环境的均匀性。东西垄向双行栽培条件下,番茄冠层行间遮挡严重,对照区第三垄中部光照强度甚至显著低于北侧。而行距的调整使冠层中部的光照均得到显著提升,且越靠近北墙效果越显著,试验区冠层中间光照均显著高于对照区(
P0.05)。番茄冠层北侧普遍光照强度较低,而行距的调整可使该位置的光照强度得到显著提升,试验区冠层北侧光照均显著高于对照区(
P0.05)。综上,行距调整机构应用可在上午显著提升番茄冠层中下部透光性与光截获量,降低其光分布不均匀程度,但整体光照强度相较于中上部仍然较弱。
行距调整机构的应用对番茄冠层三分之二高度处光环境的影响趋势与三分之一高度处基本相似(
图3(b)),但上午时应用行距调整机构对番茄冠层不同高度的透光性、光截获量与光分布均匀性提升效果存在差异,中下部强于中上部。垄上行距的增大使得温室内所有测点平均光照强度从81.8提升到95.2 μmol/(m
2·s)(
P=0.13),变异系数从75.4%降低到59.5%。此高度第二垄南侧受到的遮挡较少,对照区该测量点的光照强度与第一垄南侧并无显著差异,但第三垄南侧的光照仍然较差。对照区的冠层中间与北侧遮挡严重,光分布极其不均匀,而试验区第二垄与第三垄冠层南侧光照显著降低(
P0.05),同时冠层中间与北侧光环境得到显著提升(
P0.05)。虽然试验区光照仍然呈现由南向北、由上到下降低的趋势,但降幅显著减小,表明行距调整机构的使用可较好的改善日光温室内光分布不均匀的问题。
2.1.2 行距调整对番茄冠层中午光分布的影响
通过测量温室内不同位置的光照强度,得到12:00温室内光分布情况(
图4)。可见中午温室内光照强度呈现由南到北、由上到下降低的趋势;与上午不同的是,中午对照区冠层中间的光照强度最低,除三分之一高度处南垄差异不显著外,其他测量点冠层中间的光照强度均显著低于冠层北侧(中午北墙反射光更多)。垄上行距的增大使番茄冠层三分之一高度与三分之二高度所有测点光照强度的平均值均有一定程度的提升(
P值分别为0.17与0.13),变异系数分别降低14.4%与26.0%。表明行距调整能够在一定程度上增加试验区内中午的冠层光截获量,改善光照分布的均匀性,且对冠层三分之二高度处的作用更为显著。
在番茄冠层三分之一高度处对照区与试验区的平均光照强度分别为108.1与119.7 μmol/(m
2·s),变异系数分别为126.2%与111.8%(
图4(a))。中午光照较强,试验区与对照区第一垄冠层南侧的光照强度分别为460.2与470.6 μmol/(m
2·s),均远高于其他测量点;对照区第二垄与第三垄冠层南侧光照强度仅为第一垄冠层南侧的25%;试验区第三垄冠层南侧的光照强度显著低于对照(
P0.05),第二垄冠层南侧光照强度出现降低,但差异不显著。增大垄上行距可使冠层中部光照强度大幅提升,试验区第一垄到第三垄冠层中部光照均显著高于冠层北侧(
P0.05);但冠层北侧光照强度仅有第三垄试验区显著高于对照区(
P0.05)。
在番茄三分之二高度处增大垄上行距使冠层中部的光照强度由254.7提升到289.2 μmol/(m
2·s)(
P=0.13),变异系数从81.5%降低到55.5%(
图4(b))。由于冠层中上部的遮挡较少,第一垄到第三垄冠层南侧光照强度均处于较高水平,第一垄与第三垄对照区与试验区无显著差异,但冠层结构的改变使得第二垄冠层南侧光照强度显著降低(
P0.05)。对照区冠层中部的透光率较差,呈现由南向北递减趋势,冠层中部均显著低于冠层北侧(
P0.05);增大垄上行距可使冠层中部光照强度显著高于对应位置北侧光照强度(
P0.05)。冠层北侧遮挡也较为严重,增大垄上行距可显著提升第一垄与第二垄北侧的光照强度(
P0.05),第三垄北侧的光照强度有提升但差异不显著,提升效果由南向北逐渐减小。
2.1.3 行距调整对番茄冠层下午光分布的影响
通过测量温室内不同位置的光照强度,得到15:30温室内光分布情况(
图5)。下午时温室内各垄光照强度呈现由南向北、由上到下逐渐降低的趋势;对照区每垄的冠层南侧光照最强,冠层中部光照最弱且均显著低于冠层北侧。垄上行距的增大可使番茄冠层三分之二高度的光截获量得到显著提升(
P0.05),三分之一高度处也有一定程度的提升(
P=0.07),变异系数分别降低25.1%与17.3%。表明行距调整可有效提升试验区番茄冠层光截获量,同时改善光照分布的均匀性,且在下午时段对冠层三分之一高度处的冠层北侧与中部效果相较于三分之二高度处更为显著。
在番茄三分之一高度处对照区与试验区的平均光照强度分别为48.5与57.1 μmol/(m
2·s)(
P=0.07),对照区与试验区光照强度的变异系数分别为86.0%与60.9%(
图5(a))。此时第一垄南侧光照强度最高为139.5 μmol/(m
2·s);对照区的冠层中部光照最弱,第一垄到第三垄分别为18.7、18.7与19.0 μmol/(m
2·s),均显著低于冠层北侧(
P0.05)。垄上行距的增大可使冠层中间与北侧的光照强度显著提升(
P0.05),其中第一垄与第二垄冠层中间作用效果最佳,第一垄与第二垄冠层北侧虽也有显著提升,但显著低于试验区冠层中间的光照强度(
P0.05);试验区第三垄冠层中间与北侧均有显著提升,但冠层中间光照强度仍然显著低于冠层北侧(
P0.05)。垄上行距的增大同时也使第二垄、第三垄冠层南侧的光照强度显著降低(
P0.05)。
在番茄三分之二高度处对照区与试验区的平均光照强度分别为98.2与115.4 μmol/(m
2·s)(
P=0.03),试验区光截获量显著高于对照区(
图5(b));垄上行距的增大使温室内光照强度的变异系数从50.3%降到33.0%;此时温室内光照强度整体依旧呈现由南到北降低的趋势,但降幅减小,温室内光照均匀性有所提升。行距调整机构的应用使冠层中间与北侧光照强度均得到显著提升,且冠层中间的提升效果强于北侧(
P0.05)。对照区第一垄与第二垄冠层中间光照强度显著低于北侧(
P0.05);而试验区第一垄与第二垄冠层中间光照强度显著高于北侧(
P0.05);第三垄试验区冠层中间虽然显著低于北侧(
P0.05),但是与北侧的差距相较于对照更小。
2.2 行距调整对日光温室内温度的影响
2.2.1 北墙温度对比
连续多日典型晴天时日光温室内北墙温度变化情况见
图6。试验区的北墙温度全天均高于对照区,表明行距调整机构的使用提升了冠层的透光率,使北墙接受了更多的光辐射,储存更多的热量,这与冠层北侧光照强度的结果一致。而试验区北墙保存的较多的热量在夜间释放到温室空气中,从而使试验区冠层夜间温度高于对照区。
2.2.2 土壤温度对比
连续多日典型晴天时日光温室内第二垄垄面中心位置土壤温度见
图7。在保温被升起后,对照与试验区的土壤温度均先呈现下降趋势,直至10:50左右后温度快速回升。保温被升起前,试验区温度相较于对照区高0.5 ℃左右;保温被升起后,对照区与试验区温差逐渐缩小,至10:30左右对照区温度超过试验区,且温差逐渐增大,14:30左右温差达到最大0.8 ℃左右。而后温差逐渐减小,直至保温被放下30 min左右,试验区温度再次反超对照区,且温差逐渐增大直至第二日保温被再次卷起。表明行距的调整提升冠层光截获量的同时会导致土壤蓄热减少。
2.2.3 冠层温度对比
考虑到后墙蓄热量的增加对第三垄的温度影响较大,本试验只测量第三垄中部与南侧的温度,有关冠层温度的讨论也局限于第三垄。
图8为连续多日典型晴天时第三垄番茄冠层的温度变化图,夜间至保温被卷起前所有测点温度均缓慢下降,且试验区冠层中部与冠层南侧温度均高于对照区,试验区冠层南侧与对照区保持有0.5 ℃的温差,中部保持有0.6~0.7 ℃的温差。卷起保温被后,试验区与对照区温度均呈现快速上升趋势,在12:40左右达到最高峰,但对照区上升速度较试验区快。在上午9:30之后,对照区冠层中部的温度反超试验区,且12:10到14:00之间,温差维持在3 ℃以上;随后试验区与对照区温差逐渐减小,试验区下降速度较对照区慢,试验区冠层中间的温度再次高于对照区,温差逐渐增大后趋于稳定,稳定在0.5~0.6 ℃。而对照区冠层南侧的温度在上午10:40左右也反超试验区,一直到下午16:00,但温差较冠层中部小,维持在1~2 ℃。在14:10后温差逐渐减小,在16:00左右试验区冠层南侧的温度再次高于对照区,温差逐渐增大后稳定于0.6 ℃左右。综上,行距调整机构的使用可提升植物冠层夜间温度,同时使日间冠层温度变化减缓且低于对照区。
3 讨论与结论
行距配置是影响作物冠层结构的重要因素,构建合理的冠层结构是改善温室内光温环境
[15-17]、调控作物产量与品质的重要手段
[18-20]。本研究结果表明,增大垄上行距,可有效提升番茄冠层的光截获量,这可能与冠层结构变化导致番茄冠层密度减小、植物受光面积增大有关。常佳悦等
[21]研究表明,冠层光截获量提高的因素主要包括叶面积增大与叶片间遮荫减小两方面,且叶片间遮挡的减小主要表现在冠层中下部,叶片间遮荫减小可能是本试验冠层光截获量提升的主要原因。值得注意的是,本试验中在光照较弱的上午与下午,光截获量的提升体现在冠层中下部,这与前人研究一致
[21-22];但在光照较强的中午,冠层中上部的光截获量提升效果优于冠层中下部。
本试验中光照强度的提升主要体现在冠层中部与北侧的光照强度,试验区冠层中部光照强度由于垄上行距的增大,均显著高于对照区,第二垄与第三垄的南侧光照强度由于宽行距的减小均出现一定程度的降低,这与前人研究结果一致
[9,11]。行距的增大或减小,会导致行内透光率也随之增大或减小。伏文卓等
[23]探究了不同株行距配置对塑料大棚番茄冠层特性的影响,结果表明叶面积指数与光透过率呈极显著的负相关,这与本试验结果一致。杨冬艳等
[24]开展了关于番茄东西垄向模式下群体光环境及产量分布特征的试验,结果表明东西垄向栽培双行种植模式时,同垄南侧行番茄植株对北侧行有遮挡,且冠层底部南侧行透光率越高,与北侧行番茄透光率相差倍数越高。但本研究结果在下午光照较弱时,北侧行冠层下部与南侧行冠层下部透光率相差倍数与光照较强的中午差异不大,这可能与种植密度相关,仍待进一步试验验证。
本研究发现,行距调整机构的使用可使各时段同一高度光照强度平均值的变异系数降低,番茄冠层南侧与冠层中间和北侧的差距减小,表明温室内光水平分布均匀性得到了有效的提升。同时,行距的调整也显著提升了冠层中下部的光照强度,缩小了冠层中下部与中上部透光率相差倍数,使冠层光垂直分布不均的问题得到显著改善,对宜机化日光温室内番茄生产果实品质形成以及早期产量形成等生理过程均具有积极意义
[25-27]。
植物冠层结构的改变也导致了温室内温度的改变。在日光温室中,主要由后墙与土壤在日间蓄集热量并在夜间向温室内释放。结合本研究中光照的结果,垄上行距提升可使番茄冠层的透光率增加,从而使后墙白天可以接收更多的太阳辐射,蓄积较多的热量;夜间释放回温室内,间接导致夜间试验区第三垄冠层的温度高于对照区。但行距调整会导致试验区地面白天接收到的太阳辐射减少
[7],在中午时段对照区土壤温度高于试验区。现有研究表明,随着种植密度增大,温室内夜间气温下降的越慢
[13],可能由于对照区行间较试验区更裸露,热量散失较快,在14:00后,试验区与对照区的温差开始逐渐减小,直至保温被放下30 min左右,试验区温度再次反超对照区。这表明行距调整并不会对土壤蓄热造成较大负面影响,且试验区夜间土壤温度较对照区高,有利于番茄冠层夜间温度维持在更高水平。
综上所述,应用行距调整机构可有效改善温室内光、温环境,行距调整机构可以在东西向栽培宜机化日光温室生产中进行推广。
宁夏回族自治区重点研发项目(2021WZYQ0005)
山东省自然科学基金项目(ZR2021QC099)