甜椒根區基質與土壟交界處熱通量變化特征*

李宗耕，傅國海，劉文科**

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甜椒根區基質與土壟交界處熱通量變化特征

李宗耕，傅國海，劉文科

（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室, 北京100081）

在日光溫室中采用新型土壟內嵌式基質栽培（SSC）方法栽培甜椒。運用土壤熱通量板探究土壟(SR)、標準壟（NR）、窄標準壟（NRn）、矮標準壟（NRs）和種植密度加倍標準壟（NRd）5種不同規格栽培壟東西側水平方向以及根區垂直方向上熱通量晝夜變化特征，探究適合冬季日光溫室蔬菜生產的栽培壟。結果表明：各處理熱通量均呈相同的晝夜單峰曲線變化特征，但不同處理吸放熱的時間有所差異。栽培壟東側水平方向上，晴天時SR、NR、NRn、NRd4個處理根區吸熱的時間為9：00-14：00，陰天時吸熱時間延后2h；晴天NRs在23：00-14：00吸熱，陰天一直處于吸熱狀態。栽培壟西側水平方向上，NRs處理一直為吸熱狀態，其余4個處理在9：00-17：00吸熱。根區垂直方向上熱通量變化表明，SR、NR、NRn、NRd4個處理吸熱時間晴天為11：00-18：00，陰天為12：00-17：00；NRs放熱的時間比其它處理晚2～3h。5個處理在東側、西側水平方向上和根區垂直方向上吸放熱差值因位置不同有較大差異，在東側水平方向和根區垂直方向上各處理以放熱為主，而在西側水平方向上吸熱較多。東西側水平方向和根區基質垂直方向上NRs處理基質吸熱多放熱少，NRd處理基質吸熱少放熱多，故NRd處理在冬季能更好地維持根區溫度，在日光溫室冬季和早春季蔬菜生產中具有更好的應用前景。

日光溫室；起壟內嵌式基質栽培；甜椒；熱通量

土壤熱通量是地球表面能量平衡的重要分量之一。對于郁閉冠層，日凈土壤熱通量不超過凈輻射的10%～15%；對稀疏植被或裸地而言，土壤熱通量可高達凈輻射的50%。土壤熱通量是主要的土壤物理參量之一，是日光溫室生態系統能量平衡方程中的重要組成部分，對系統的能量比和程度有一定的影響。目前，很多學者致力于研究不同植被環境中土壤熱通量的主要機制，并取得了卓著的成果。李韌等指出，土壤熱通量與土壤溫度梯度變化非常一致。張淼結合不同土壤溫度和水分條件，分析了土壤表面熱通量的變化規律。張利平等分析了會同杉木人工林土壤熱通量特征，周邦社等研究了植被和坡向對土壤熱通量變化的影響，但以往的研究主要集中在農田、裸地和森林，對設施溫室土壤的熱通量研究較少，且缺乏系統、完整的觀測結果。

起壟覆膜栽培是日光溫室生產中一種常見的栽培方法。起壟覆膜栽培有保水保墑，節水增產等優點。研究表明，起壟后增加了田間通風透光率，改善了田間小氣候，有利于提高光合速率，還能有效提高作物根區溫度，有利于根系抵御低溫危害。而覆蓋地膜則能夠顯著提升土壤溫度，提高作物長勢，對作物增產的作用明顯。徐彥軍等研究表明，起壟覆蓋膜栽培可以提早馬鈴薯的出苗期以及成熟收獲期，并能增產10%以上。日光溫室土壤是重要的蓄熱介質，白天吸收太陽能，晚上緩慢釋放所儲熱量對維持日光溫室溫度有重大作用。日光溫室蔬菜多為壟栽生產，壟的蓄熱保溫能力直接關系到根區溫度高低。監測壟熱通量晝夜變化是揭示日光溫室壟的蓄放熱特性的重要手段。

土壟內嵌式基質栽培（SSC）是一種新型日光溫室無土栽培方法，具有提高根區溫度，增加產量的效果。SSC新型栽培方法將土壤栽培與無土栽培結合，且不同于傳統的地上筑槽基質栽培，不但可充分發揮無土栽培的高產高效優勢，還充分利用了土壟的蓄熱保溫性能，且大大節省了建筑材料的使用成本，方便操作。傅國海等在前期研究中表明，SSC栽培相比于純土壟栽培具有更高的根區溫度和較好的溫度緩沖能力，本研究利用土壤熱通量板，監測土壟和4種不同壟規格的SSC壟東西水平方向上土壤以及根區基質垂直方向上的熱通量晝夜變化特征，從熱量傳遞的角度解釋SSC的緩沖能力，其結果對日光溫室土壤的熱交換和傳遞及系統的能量流動平衡具有重要意義，并可為SSC新型栽培方法的實際應用提供理論支持和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在北京市順義區大孫各莊鎮的日光溫室中進行，溫室東西向長60m，跨度8m，脊高3.8m。每個小區東西向長16m，寬3m，小區距溫室最南端2m，距西側山墻4m。供試作物為甜椒（L.），品種為“海豐16號”（北京某公司），穴盤育苗，兩葉一心時移栽定植。處理內行距為20cm，處理間行距為40cm，每個處理長3m。定植時間為2016年10月28日。

甜椒栽培采用土壟內嵌式基質栽培(SSC)方式，全營養液滴灌方法。SSC栽培方式為：在4種不同規格的鐵絲網槽內鋪上相同的塑料薄膜，膜的側面下方打孔便于水熱交換，沿南北方向擺放整齊，裝入按比例均勻混合的栽培基質(草炭︰蛭石︰珍珠巖=1︰1︰1)；然后在栽培槽四周按照一定的標準培土起壟，將栽培槽嵌在土壟中，外側培土后覆蓋地膜，形成土壟內嵌式基質栽培(SSC)模式，具體結構見圖1。

1.2 試驗設計

鐵絲網槽有3種規格，窄槽（長×寬×高=300cm×6cm×15cm）、矮槽（長×寬×高=300cm×10cm×10cm）和標準槽（長×寬×高=300cm×10cm×15cm），塑料膜的厚度為0.12mm，塑料薄膜側面通氣孔距離底部5cm，孔徑1cm，孔距10cm。土壟的規格有5種，依次為土壟（soil ridge，SR）、標準壟（normal ridge，NR）、窄標準壟（narrow normal ridge，NRn）、矮標準壟（short normal ridge，NRs）、加倍密度標準壟（double plant density of normal ridge，NRd），每條壟長3m。不同規格鐵絲網槽與土壟搭配形成5個處理（表1），每個處理重復兩次。

表1 試驗處理壟規格

1.3 測定方法

試驗采用國產YM-RT型土壤熱通量（河北某公司）采集器，采集栽培壟東西側面即土壤-基質界面及根區中心（5cm深）垂直方向的熱通量晝夜變化。每個處理各選取1壟安放1塊熱通量板，熱通量板布置在每個處理中偏向最東側的栽培壟上，測點設在距壟最南端0.95m處，熱通量板最初設置在土壤與基質的東側交界處，壓實其周圍的土壤使其與土壤和基質緊密接觸，土壤向根區基質傳熱時數據為正，反之為負，數據采集頻率為每10min1次。每隔3周移動熱通量板的位置，移動順序為：根區東側土壤與基質交界處—根區西側土壤與基質交界處—根區中心垂直方向，測定不同時段栽培壟不同部位的熱通量晝夜變化。

根據日光溫室保溫被開閉時間，將白天定義為9：00-16：00，夜間為16：00-次日9：00，選定2016年11月6日00：00-10日24：00（東側）、2106年12月1日00：00-5日24：00（西側）和2017年1月2日00：00-6日24：00（根區）3個時段連續5d熱通量數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同規格栽培方式根區東側基質與土壟交界處水平方向熱通量變化

由圖2可見，2016年11月6日00：00-10日24：00不同規格土壟內嵌式基質栽培（SSC）方式中，根區東側基質與土壟交界處土壤熱通量變化過程基本相同，表現為明顯的日變化特點，晴天（11月6-8日）9：00-14：00熱通量多為正值，說明此時段熱量由土壤向基質傳遞，14：00-次日9：00熱通量多為負值，說明此時段熱量由基質向土壤傳遞，5個處理的熱通量均在11：30時達到當日最大，在17：00時達到最小；陰天（11月9-10日）11：00- 16：30熱通量多為正值，16：30-次日11：00多為負值，5個處理熱通量的數值在13：30達到最大值，在19：30達到最小值。但從圖中也可看出，不同規格栽培模式下的曲線并不完全重合，說明各處理根區東側基質與土壟交界處土壤熱通量變化過程并不完全相同。具體表現為，不嵌鐵絲網槽即純土壟栽培（SR處理）晴天時，吸熱時長要延后1.5h左右，即在9：00-15：30熱通量為正值；窄標準栽培壟（NRs處理）晴天時，吸熱時間較長，23：00-14：00一直處于吸熱狀態，NRs在陰天時全天處于吸熱狀態，即根區東側土壤一直在向根區基質傳熱。連續5個晝夜內SR、NR、NRn、NRs和NRd根區基質吸收的總熱量與放出總熱量的差值依次為929、-10063、-5063、20960和-13392W·m即NRs＞SR＞NRn＞NR＞NRd。

2.2 不同規格栽培方式根區西側基質與土壟交界處水平方向熱通量變化

由圖3可見，2016年12月1日00：00-5日24：00不同規格土壟內嵌式基質栽培（SSC）方式中，根區西側基質與土壟交界處土壤熱通量變化為同升同降的過程，表現為明顯的日變化特點，晴天（12月1、2和5日）9：30-16：30熱通量多為正值，說明此時段熱量由土壤向基質傳遞，16：30-次日9：30熱通量多為負值，說明此時段熱量由基質向土壤傳遞，5個處理的熱通量均在14：30達到最大值，在19：30達到最小值；陰天（12月3-4日）10：00-16：00熱通量多為正值，16：00-次日10：00多為負值，5個處理熱通量的數值在15：00達到最大值，在19：30達到最小值。但從圖中也可以看出，不同規格栽培模式下根區西側基質與土壟交界處土壤熱通量變化過程并不完全相同。表現為，嵌入矮鐵絲網槽即矮標準壟栽培（NRs處理）其5d內吸熱最劇烈且一直處于吸熱狀態；加倍密度標準壟（NRd處理）的放熱過程最劇烈。連續5d內SR、NR、NRn、NRs和NRd共5個處理其根區基質吸收的總熱量與放出的總熱量的差值為1452、733、5867、44124和-9385W·m，即NRs＞NRn＞SR＞NR＞NRd。

2.3 不同規格栽培方式根區中心基質垂直方向熱通量變化

由圖4可見，2017年1月2日00：00-6日24：00不同規格土壟內嵌式基質栽培（SSC）方式中，根區中心基質垂直方向熱通量變化過程基本相同，表現為明顯的日變化特點，5d中各處理均在早晨7：00左右出現最小值，在13：00出現熱通量的最大值；晴天（1月2-4日）11：00-18：00熱通量多為正值，說明此時段熱量由表層基質向下層基質傳遞，18：00-次日11：00熱通量多為負值，說明此時段熱量由下層基質向表層基質傳遞；陰天（1月5-6日）12：00-17：00熱通量多為正值，17：00-次日12：00多為負值。從圖中也可以看出，不同規格栽培模式下的曲線并不完全重合，說明各種條件下根區中心基質垂直方向上熱通量的變化存在差異。具體表現為，不嵌鐵絲網槽即純土壟栽培時（SR處理）無論晴天還是陰天吸放熱均在5個處理中最劇烈；嵌入矮鐵絲網槽即矮標準壟栽培時（NRs處理）下層基質從上層基質吸熱的時間長，即下層基質吸放熱轉化的時刻相比其它4個處理要晚2～3h，且NRs處理比其它4個處理下層基質吸熱多放熱少。SR、NR、NRn、NRs和NRd共5個處理在完整5d天內上層基質向下傳遞的總熱量與下層基質向上傳遞的總熱量的差值為1638、-2427、-7174、19036和-18804W·m，即NRs＞SR＞NR＞NRn＞NRd。

3 結論與討論

不同規格栽培壟東西側土壤與基質交界處和根區中心基質垂直方向熱通量有明顯的日變化規律，且在不同天氣時均呈現同升同降的單峰曲線日變化，變化規律較一致，這與崔海等研究結果一致，但不同規格栽培模式下熱通量變化特征具有一定的差異。栽培壟東西側交界處和根區中心3個方向上熱通量出現峰值時間不同，根區基質垂直方向上最早達到熱通量的最大值，其次為東側土壤與根區基質交界處和西側土壤與根區基質交界處，根區垂直方向和東側土壤與基質交界處熱通量出現最大值的時間比西側交界處提前了2h；一日內，根區垂直方向熱通量最早出現最小值，東、西側土壤與基質交界處熱通量最小值出現的時間相同，均為19：30。栽培壟東西側交界處和根區中心3個方向上吸熱時長存在差別，東側土壤與基質交界處吸熱時間最短，比西側交界處和根區中心基質垂直方向上吸熱時間短2h。

東側土壤與根區基質傳熱過程中，NRd處理根區放熱最劇烈，晴天時NRd處理根區吸熱最劇烈，陰天時NRs處理吸熱最為劇烈，并且在陰天時NRs處理根區一直處于吸熱狀態，說明陰天時NRs根區溫度一直低于東側土壤溫度。在西側土壤與根區基質傳熱的過程中，NRs處理的吸熱最為劇烈，一直處于吸熱狀態，以NRd處理的放熱過程最為激烈，說明在夜間溫度較低時根區中心基質的溫度可以維持在一個較高水平并向側面土壤傳遞熱量。根區垂直方向上的熱通量日變化與兩個側面水平方向上的熱通量日變化不同，垂直方向上SR處理的吸放熱過程最為劇烈，NRs放熱最少，根區基質開始吸熱的時間比東西側方向延后3h。東西側水平方向上和根區垂直方向上NRs處理根區吸放熱差值最大，并且在西側土壤與根區傳熱過程中，NRs一直處于吸熱狀態，說明NRs處理根區溫度要低于側面土壤溫度，故根區吸收的熱量要遠大于放出的熱量；東西側水平和根區垂直3個方向上NRd處理根區基質吸收的熱量遠小于根區基質放出的熱量，故NRd處理的根區溫度相對較高。因此，在冬季和早春季溫室蔬菜生產中，在夜間相同空氣溫度條件下，NRd處理根區溫度大于兩側土壤溫度，能更好地維持夜間溫度，在一定程度上抵抗低溫脅迫，利于作物生長。

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Heat Flux Changes at Junction between Root Zone Matrix and Soil Ridge of Sweet Pepper

LI Zong-geng, FU Guo-hai, LIU Wen-ke

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agricultural, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

A novel soil-ridged substrate-embedded cultivation (SSC) method was used to cultivate sweet peppers in Chinese solar greenhouse. Five treatments, including soil ridge (SR), normal ridge (NR), narrow normal ridge (NRn), short normal ridge (NRs) and the double plant density of the normal ridge (NRd), were set to observe diurnal heat flux changes of east and west horizontal directions and the vertical direction of the root zone by using heat flux plates, and select a kind of ridge which was most suitable for vegetables winter production in Chinese solar greenhouse. The results showed that soil heat flux of each treatment presented unimodal curve diurnal changes synchronously, but the time of heat absorption and heat release were different. For east horizontal direction of ridges, the root zones of SR, NR, NRn and NRd absorbed heat at 9：00-14：00 on sunny days, and the time of heat absorbing delayed 2 hours on cloudy days. NRs absorbed heat at 23：00-14：00 on sunny days, and NRs absorbed heat all day when it was cloudy. For west horizontal direction of ridges, NRs absorbed heat all the time, and the rest four treatments absorbed heat at 9：00-17：00. In the vertical direction of root zone, heat flux changes showed that SR, NR, NRn and NRd absorbed heat at 11：00-18：00 in sunny days and 12：00-17：00 in cloudy days. Release heat time of NRs was 2-3 hours later than other treatments. Difference of heat absorption and release of five treatments changed with different locations on horizontal directions of east and west and vertical direction of root zone. Each treatment primarily absorbed heat on the horizontal direction of east side and vertical direction of root zone, but released heat on the horizontal direction of west side. In the junction between east and west lateral soil of ridge and matrix of root zone, the heat absorbed by the root zone of NRs was larger than that of the exothermic heat, while that of NRd was much less than released. So NRd treatment could maintain well root zone temperature in winter, it had a better application prospect in vegetables production in winter and early spring in Chinese solar greenhouse.

Chinese solar greenhouse; SSC; Sweet pepper; Heat flux

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.10.006

李宗耕,傅國海,劉文科.甜椒根區基質與土壟交界處熱通量變化特征[J].中國農業氣象,2017,38(10):672-678

2017-03-11

。E-mail：liuwenke@caas.cn

“十三五”國家重點研發計劃項目課題（2016YFD0801001）

李宗耕（1993-），碩士生，研究方向為設施作物根區環境控制。E-mail：lizonggeng93@163.com