宽沟窄畦种植模式影响浙南大棚番茄产量的环境因素

Environmental factors influencing tomato yield under the wide-trench narrow-bed planting mode in plastic greenhouses in southern Zhejiang

摘要

探究宽沟窄畦种植模式对设施番茄微环境及产量品质的影响。以浙江温州2座结构相同、统一管理的塑料大棚为试验对象，试验棚采用宽沟窄畦种植模式，对照棚采用传统种植模式。对2座大棚中冠层光合有效辐射、空气温度、土壤温度和CO₂浓度进行监测，分析其对番茄产量和品质的影响。结果表明：宽沟窄畦种植模式作物西侧土壤日均温度较传统种植模式显著高0.9 ℃，晴天和阴天条件下始终高0.3~0.6 ℃；宽沟窄畦种植模式作物冠层50 cm高度光合有效辐射峰值晴天和阴天分别比传统种植模式高37.1%和35.4%，光合有效辐射累积量平均高13.7%，光照分布更均匀稳定；宽沟窄畦种植模式番茄平均单株产量和平均单果重较传统种植模式分别提高20.7%和31.8%。宽沟窄畦种植模式通过增强地表辐射吸收、优化冠层光照分布，实现了根区热环境与冠层光环境的协同改善，显著提高番茄单株生产力。综上，宽沟窄畦种植模式可为浙南地区设施番茄的高效栽培与宜机化种植提供理论依据和实践参考。

Abstract

This study investigated the effects of the wide-ridge narrow-bed planting mode on the microclimate， yield， and quality of greenhouse tomatoes. Two structurally identical and uniformly managed plastic greenhouses in Wenzhou， and Zhejiang Province was selected as experimental objects. The experimental greenhouse adopted the wide-ridge narrow-bed planting mode， while the control greenhouse adopted the traditional planting mode. The photosynthetically active radiation （PAR） within the crop canopy， air temperature， soil temperature， and carbon dioxide concentration were continuously monitored in both greenhouses to analyze their effects on tomato yield and quality. The results showed that the daily average soil temperature on the west side of the wide-ridge narrow-bed greenhouse was 0.9 °C higher than that of the traditional mode and remained 0.3‑0.6 °C higher under both sunny and cloudy conditions. At 50 cm above the canopy， the PAR peak values under the wide-ridge narrow-bed mode were 37.1% and 35.4% higher than those under the traditional mode on sunny and cloudy days， respectively， and the cumulative PAR increased by 13.7%， indicating a more uniform and stable light distribution. Compared with the traditional planting mode， the average yield and single-fruit weight per plant increased by 20.7% and 31.8%， respectively. The wide-ridge narrow-bed mode enhanced surface radiation absorption and optimized canopy light distribution， and achieved the coordinated improvement of the root-zone thermal and canopy light environments and significantly increased tomato productivity. Overall， this planting mode effectively improved the greenhouse thermal‑light environment and yield performance， and provided a theoretical base and practical references for efficient and mechanized tomato cultivation in southern Zhejiang.

Graphical abstract

关键词

番茄 / 宽沟窄畦 / 塑料大棚 / 环境因素

Key words

tomatoes / Wide trench and narrow bed / plastic greenhouse / environmental factor

浙南地区是我国生产越冬番茄的主要产区，其中苍南县的设施番茄栽培面积达到2 626 hm²，为当地农民增收提供了重要途径^［1］。然而，当地传统种植模式因种植密度高，冠层遮荫严重，导致光能利用率低，土壤增温缓慢，制约了产量提升。近年来，随着设施栽培技术的发展，设施番茄的农艺技术创新已成为研究热点^［2-5］，研究表明，不同种植模式对番茄产量与品质存在显著影响^［6-9］，其中，种植密度的合理配置是决定产量和资源利用效率的关键因素，而密度的形成主要受株距和行距的共同影响，关于株距配置对产量的影响已有较多研究^［10-11］，而行距配置，特别是宽沟窄畦等特定行距模式对产量形成的影响机制，尤其是其环境调控作用，仍需深入探究。一方面，宽沟窄畦种植模式下作物行距更宽、单位面积株数更少，可能造成总产量下降；另一方面，有研究认为宽沟窄畦种植模式通过改善冠层光分布和土壤热环境可显著提高单株生产力^［12-14］。为探明宽沟窄畦种植模式对浙南大棚番茄产量变化的环境因素影响机制，本研究拟以浙南地区塑料大棚番茄生产为研究对象，通过对比试验与系统分析，旨在明确宽沟窄畦种植模式的微环境调控机制，为浙南及类似气候区设施番茄高产高效栽培提供理论依据与技术参考。

1　材料与方法

1.1　试验材料

试验于2024年1月—2024年3月在浙江省温州市龙港市直勇蔬菜专业合作社进行。试验番茄品种为‘沃粉2号’，于2023年11月1日统一定植。2—3月份外界气候相对平稳，能较好反映越冬番茄生产期的典型环境特征，因此本研究主要选取该阶段的观测数据进行分析。试验棚与对照棚为相邻2座大棚，采用双层PE膜覆盖，大棚为南北走向。试验棚跨度8 m，长66 m，脊高5 m；对照棚跨度8 m，长50 m，脊高5 m（图1）。试验棚采用宽沟窄畦模式、对照棚为传统种植模式，均为宜机化连栋大棚；除种植模式不同，其他所有管理一致。

1.2　栽培管理

试验棚采用宽沟窄畦种植模式，畦底宽70~80 cm，畦顶宽40~50 cm，畦高15~20 cm，棚内共4垄，5条沟，每条垄上种1行作物，两侧吊蔓，种植密度为1418株/667 m²，株距23.5 cm。对照棚采用宽畦窄沟种植模式即传统种植模式，畦底宽为100~110 cm，畦顶宽50~60 cm，畦高15~20 cm，棚内共5垄，6条沟，每条垄上种2行作物，两侧吊蔓，种植密度为2 078株/667 m²，株距40.1 cm。

1.3　测量内容及方法

1.3.1　光照强度

监测植株冠层附近的光合有效辐射值，测量光合有效辐射可以反映种植模式对温室内光环境的影响，评估光照条件对植物生长的实际影响。采用山东仁科公司的RS-GH-N01-AL光合有效辐射传感器，测量范围0~2 500 μmol /（m²·s），精确度为±5.0%。测量点位设置在试验棚第三垄与对照棚第四垄作物东西侧距离地面50和100 cm的番茄植株冠层，每个大棚设置4个测量点位（图2）。数据采样间隔为10 min，记录瞬时值。光合有效辐射以光合有效光量子通量密度（Photosynthetic photon flux density）表示，测量高度为传感器距地面的垂直距离。

1.3.2　温度

空气温度和土壤温度采用江苏省精创电气股份有限公司的RC-4HC温湿度记录仪进行监测。空气测温范围为-30~+60 ℃，精度±0.6 ℃；土壤测温选配外置探头，测量范围为-40~+85 ℃。测量点位安置在试验棚第三垄与对照棚第四垄作物东西两侧位置，每个大棚设置6个温度测量点位；空气温度传感器设置在距地面50 和100 cm处（图2），分别测定近地层和冠层空气温度，其中，100 cm高度处的温度定义为冠层空气温度；土壤温度传感器设置在垄肩位置，埋深15 cm。数据采样间隔为10 min，记录瞬时值。

1.3.3　二氧化碳

二氧化碳浓度采用山东仁科公司的RS-BYH-CO2-M-4G气象多要素百叶箱进行监测，测量范围为0~2 000 μmol/mol，精度±50 μmol/mol，测量点位安置在两座大棚的第三垄与第四垄作物中间，每个大棚设置1个测量点位，距离地面高度150 cm，数据采样间隔10 min，记录瞬时值。

1.3.4　产量和品质

番茄产量测定采用商用台秤进行，对同一茬番茄进行2次分批称重，台秤测量范围为0~200 kg，精度±0.1 kg。所有样本采集均在成熟期内进行。在测产期间，分别在2个棚内随机选取10枚番茄果实，使用相同型号的电子秤进行称重，并计算其平均单果重。采收工人根据果实的大小、色差和果型来区分优果与差果。采收标准参照当地番茄市场的变化，以有效反映实际的商品率。

1.4　数据处理

采用 PyCharm Community Edition 2024对试验数据进行初步整合与描述性统计分析，环境因子数据按小时或日均值进行统计分析。使用 SPSS 20统计软件进行t检验，比较宽沟窄畦模式与传统模式在各环境因子上的差异，显著性水平α＝0.05。图表由Excel 2021绘制。

2　结果与分析

2.1　不同种植模式作物间的温度

2024年3月2日—3月22日试验棚和对照棚不同测量位置空气温度平均值见图3。试验棚和对照棚作物冠层空气温度的日变化趋势基本一致，于6：00开始升高，13：00达到峰值，随后下降持续到次日6：00，全天温度变化呈现抛物线型走势。在50 cm高度，试验棚温度整体略高于对照棚，11：00差值最大，为1.5 ℃；在100 cm高度，试验棚与对照棚温度曲线几乎重合。2种模式下冠层空气温度差异不显著。

2024年3月2日—3月22日，试验棚与对照棚不同测量位置土壤温度监测结果见表1。在日间与夜间，试验棚作物西侧的土壤温度均较对照棚高约0.9 ℃，差异性检验P值分别为0.04和0.03，而作物东侧的土壤温度全天皆无显著性差异。为精确探讨土壤温度差异的时间特征，选取该时段逐小时平均数据进行t检验分析，结果表明，13：00—24：00，作物东侧试验棚与对照棚土壤温度差异最大为1 ℃，作物西侧试验棚土壤温度整体显著高于对照棚0.9 ℃，且在13：00—16：00时段的温度差异极显著。宽沟窄畦模式在光照强时段显著提升了土壤热积累能力。

典型晴天（2月3日）与典型阴天（2月4日）条件下，试验棚和对照棚平均土壤温度的变化见图4。2月3日，土壤温度自11：00开始升高，于19：00达到峰值，试验棚土壤温度峰值较对照棚提高了3.1%；2月4日土壤温度呈下降后趋于平缓的趋势，试验棚土壤温度较对照棚最大提高了4.0%。观测期间，试验棚土壤温度始终高于对照棚0.3~0.6 ℃，全天温度曲线差异稳定，其中14：00—20：00的温差最为突出。以上结果表明，试验棚土壤热积累能力显著增强，且此优势在不同天气条件下均表现稳定。

2.2　不同种植模式作物间光照差异

在典型晴天（2月5日）与典型阴天（2月8日）条件下，选取试验棚与对照棚内4个测量位置的光合有效辐射（I）进行比较分析，结果见图5。试验棚和对照棚I值均呈现先升高后降低的趋势，晴天与阴天的峰值分别出现在10：00和13：00。100 cm高度处，无论晴天还是阴天，试验棚与对照棚的I曲线基本重合，差异较小。而在50 cm高度处，试验棚的I峰值均明显高于对照棚，晴天条件下增幅达37.1%，阴天下仍有35.4%的提升。尽管统计检验结果显示试验棚与对照棚的I值差异未达到显著水平，但该趋势在不同天气条件下表现一致，表明宽沟窄畦种植模式可以改善冠层光照环境。

为精确评估不同种植模式下的光照效果，对光合有效辐射的累积量进行计算，公式^［15］为：

Q={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}}{P}_{i}t（1）

式中：Q为光合有效辐射的积累量，mol/m²；P为每10 min采集的光合有效辐射（I）的平均值，μmol/（m²∙s）；i为采集时段，i=1，2，…，n；t为采集时间，s。选取2024年2月11日—3月11日的数据进行分析，结果见表2。除试验棚作物西侧100 cm和对照棚作物西侧100 cm测量位置因局部遮阴导致数据异常外，其余测量位置试验棚Q值均高于对照棚，试验棚Q平均值较对照棚高13.7%，表明试验棚的光照条件优于对照棚。此外，试验棚和对照棚的光合有效辐射积累量变异系数（CV）分别为0.21和0.44，表明试验棚的光照分布更均匀稳定。

2.3　不同种植模式作物间二氧化碳浓度

2024年2月18日—22日，对试验棚与对照棚番茄作物间的 CO₂ 浓度进行监测，比较不同种植模式下作物间二氧化碳浓度的变化特征，结果见图6。试验棚CO₂浓度较对照棚普遍高30 μmol/mol，但试验棚和对照棚中CO₂浓度在统计学上无显著性差异，且其日变化趋势基本一致。宽沟窄畦模式行距扩大，可能增加冠层湍流，促进CO₂扩散与再分布。此结果表明，CO₂并非常规主控环境因子，但宽沟窄畦模式优化了冠层气体交换效率，空气更为流通。

2.4　不同种植模式番茄产量与品质参数

表3示出2个采收期（03-16—03-18和04-01—04-03）试验棚与对照棚番茄分批采收的产量及品质参数。单株果数和平均单果质量是影响产量和品质的重要指标^［16］，在宽沟窄畦模式下表现更佳。第一次采收，试验棚番茄单株产量和单果重分别较对照棚最高提升了20.7%和31.8%。第二次采收，试验棚番茄单株产量、单果重较对照棚提升了7.0%、12.5%。尽管试验棚种植密度较对照棚降低了31.8%（1 418株/667 m²，传统种植模式为2 078株/667 m²），但其单位面积产量与对照棚无显著差异。表明单株生产力的提升补偿了密度降低带来的影响。

3　讨 论

3.1　宽沟窄畦模式对土壤热环境的优化作用

本研究中，宽沟窄畦种植模式（试验棚）作物西侧土壤日均温度较传统种植模式（对照棚）显著提升0.9 ℃，13：00—16：00温差极显著，增强了土壤的热积累。晴天和阴天条件下始终高0.3~0.6 ℃（图4），利于根系持续吸热，热稳定性提高。宽沟窄畦种植模式通过扩大垄间裸露土壤面积，增大地表太阳辐射吸收，叠加黑色地膜的短波辐射吸收作用，显著提升辐射能转化为热能的效率。这一机制与Kaspar等^［17］提出的“光-热耦合效应”一致。

3.2　宽沟窄畦模式对作物冠层光照环境的优化作用

种植密度、垄型结构等是影响冠层内光合有效辐射分布的重要参数^［18］。本研究结果表明，晴天条件下，宽沟窄畦模式作物冠层50 cm高度光合有效辐射峰值较传统种植模式提高37.1%，在阴天条件下峰值仍增加35.4%，光合有效辐射累积量平均增加13.7%。变异系数为0.21，低于传统种植模式变异系数0.44，光照均匀性改善。低密度种植减少了冠层遮阴效应，使中下层叶片获得更大受光面积，提高了群体光能利用效率。已有研究^［19-20］同样证明，垄间距增加和高光照强度均能提高光合作用效率，有助于作物生长。宽沟窄畦模式优化光照分布，促进光合产物积累，增强光合产物向果实分配，提高单株生产力和商品果率。这与Fischer等^［21］提出的“产量-密度权衡效应”一致，即低密度下单株竞争减少、生产力增强。

3.3　环境协同优化下产量和品质的提升机制

宽沟窄畦种植模式通过优化冠层光照分布、提升土壤温度，在整体上实现了作物光、热生长环境的协同改善。本研究中，宽沟窄畦种植模式下作物西侧土壤日均温度较传统种植模式增加0.9 ℃，促进根系活力和养分吸收；作物冠层50 cm高度光合有效辐射峰值在晴天和阴天分别比传统种植模式高37.1%和35.4%，扩展有效光合面积，增加同化物积累，最终，平均单株产量和平均单果重分别提高了20.7%和31.8%。宽沟窄畦种植模式的种植密度为1 418株/667 m²，较传统种植模式（2 078株/667 m²）降低31.8%，但其平均单株产量和单果质量的提升有效弥补了密度降低带来的产量损失。验证了在低密度种植条件下，通过改善微环境可实现“以质补量”的补偿效应^［22］。

产量和品质的提高主要归因于种植模式对根区热环境与冠层光照结构的双重优化。一方面，宽沟窄畦结构扩大了垄沟面积，沟面裸露土壤直接接受日照，有助于提升整体地表热积累；同时，垄面覆盖黑色地膜，增强了太阳短波辐射的吸收效率，显著提高了根际温度，促进了根系活性与养分吸收；另一方面，更大的冠层受光面积优化了光照分布，提升了光合作用效率，增强了光合产物的生成与果实分配。尽管总产量增幅未达显著水平（表3），但光热协同效应保障了产量的稳定性，提高了果实的品质。宽沟窄畦种植模式通过光热资源利用的协同效应提高作物产量和品质，与以往关于种植模式优化促进作物综合生产力的研究结果相一致^［23-25］。

4　结 论

本研究通过对宽沟窄畦（试验棚）与传统五垄（对照棚）2种种植模式下塑料大棚的微环境进行对比分析，探讨了种植模式对环境因素的影响。主要结论如下：

1）宽沟窄畦种植模式作物西侧土壤日均温度较传统种植模式高0.9 ℃，晴天和阴天条件下始终高0.3~0.6 ℃。

2）宽沟窄畦种植模式作物冠层50 cm高度光合有效辐射峰值在晴天和阴天分别比传统种植模式高37.1%和35.4%，光合有效辐射日累积量平均高13.7%，光照分布更均匀稳定。

3）宽沟窄畦种植模式番茄平均单株产量和平均单果重较传统种植模式分别提高20.7%和31.8%。

4）土壤温度与作物冠层光照协同优化是产量和品质提高的主要驱动因素。

综上，宽沟窄畦种植模式显著改善了塑料大棚番茄的光热环境，提高了产量和品质，为浙南地区设施番茄宜机化高效栽培提供了理论依据。

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基金资助

现代农业产业技术体系建设专项资金项目(CARS-23-D02)

苍南县现代农业产业提升项目(2023CNYJY05)