日光溫室番茄種植環境參數時空分布測試與分析

趙建貴，李志偉，王文俊，李晉蒲，曹瑞紅

（山西農業大學工學院，山西太谷030801）

日光溫室作為我國北方地區農業生產的重要設施，其獨特的構造可以保證在較寒冷的季節果菜產品終年出產，設施蔬菜種植是農戶重要的收入來源之一[1-4]。隨著果菜產品的大量需求和日光溫室面積的不斷擴大，番茄種植在溫室栽培中占有重要地位。但是目前溫室種植番茄存在很多問題[5-8]，如對溫室內環境變化的未知與缺乏科學性管理造成番茄病害頻發。目前，溫室環境測量常以某一位置的參數值代表整體溫室真實值，或只是對溫室水平空間進行多點參數測量，很少有學者對溫室縱向空間環境情況給予關注。探究并掌握溫室內部環境的時空分布差異性，將為優化溫室結構、制訂監測環境方案、確定作物種植密度和改善調控策略等提供理論依據，對改善作物的生長環境和預防病蟲害具有重要意義[9-10]。

本試驗針對番茄日光溫室特征環境開展研究，利用自研發的無線多傳感網絡監測系統對日光溫室內番茄的冠層光照強度、溫濕度、二氧化碳濃度、土壤水分含量和土壤溫度等環境參數進行長期連續測試，采用濾波法對大量數據進行處理，獲得高精確度且完整的環境數據，進而研究溫室環境參數的時空分布狀況及變化規律，旨在為日光溫室設計建造提供參考，為農戶設施果蔬的種植與管理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018 年11 月至2019 年4 月在晉中市太谷縣冀村農戶溫室進行。該地位于東經112′74″、北緯37′49″。選取的日光溫室為東西走向，長100 m，寬8 m，后保溫墻為高3.5 m、厚1.4 m 的土墻，東西墻為0.5 m 厚外磚內土墻，灌溉方式為溝灌，隴寬為62 cm；溫室內除通風口和保溫被外無其他調控裝備；透光覆蓋材料為聚氯乙烯膜[11]，保溫被材料為外皮防雨綢內芯纖維棉材質的棉簾[12]，承重為雙骨架斜拉花鋼骨架[13]。試驗初期，番茄處于開花期，株高1 m 左右。

1.2 無線多傳感網絡監測系統

無線多傳感網絡監測系統是結合4G 和LORA開發的溫室環境實時監測系統，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強等優點。該系統由父節點、子節點、云平臺、服務器構成（圖1），其中，父節點一方面負責向子節點發送指令并接收子節點采集的數據，另一方面負責將數據透傳至遠程服務器；子節點負責采集溫室內外光照強度、溫濕度、二氧化碳濃度、土壤濕度和土壤溫度等環境參數,系統采集頻率設置為6 min；遠程服務器負責對數據拆包、處理、存儲和顯示等，供用戶查看實時和歷史數據。其實現了對日光溫室環境的實時監測，提高了數據的連續性、科學性和可靠性，為分析溫室環境時空分布差異提供了有效、可靠的研究平臺和重要的數據支持。

1.3 試驗方法

1.3.1 水平方向布局方案 為研究日光溫室內外部環境參數時空分布在水平方向上的區域分布狀況，將溫室長和寬均等分為4 份，室內每個交叉點布置一子節點（2～10 號），均采集光照強度、溫濕度、二氧化碳濃度、土壤水分含量、土壤溫度環境參數；室外布置一個子節點（1 號），采集室外光照強度、溫濕度、土壤溫度環境參數，溫室子節點位置布局如圖2 所示。

1.3.2 垂直方向環境監測方案 由于番茄植株生長高度在2 m 左右（通過打頂抑制其向上生長），因此，在研究日光溫室內部環境參數時空分布在垂直方向上的分布狀況時，采集數據高度至2.5 m。介于溫室前沿最高2 m，因此前沿一排子節點（2，5，8 號）采集數據高度為2 m。據此，除前一排和室外采集點外，其余子節點均采集光照強度、5 個層次溫濕度（0.2，1.0，1.5，2.0，2.5 m）、二氧化碳濃度（1.5 m）、土壤水分含量、3 個層次（10，20，30 cm）土壤溫度，試驗垂直方向傳感器布局如圖3 所示。

1.4 數據處理

在日光溫室內進行數據采集時，可能會由于傳感器故障、數據傳送過程丟失和外界環境干擾等造成異常數據[14-16]。數據濾波技術作為數據處理技術的重要組成部分，消除附加在數據中不確定因素的干擾，使采集的數據能夠真實地反映番茄溫室環境狀況。本試驗通過Pycharm 軟件平臺對隨機連續7 d的數據采用限幅濾波法、中位值濾波法和算術平均值濾波法相結合來提升數據的精準度，保證研究數據的真實性和可靠性。

1.4.1 限幅濾波法 限幅濾波法對外界因素引起的脈沖波干擾很有效，但存在不能夠抑制周期性的干擾和平滑度差問題[17-18]，因此該方法可以有效處理因傳感器出現故障而導致誤差較大的數據。依據經驗理論對系統采集溫室數據進行判斷，設置最小限值為M、最大限值為N、待檢數據為X 時，將待檢數據與極限范圍進行判斷：若M≤X≤N，則數據有效；若X＜M或X＞N，則數據無效，應予以丟棄。番茄生長發育的環境參數幅值列于表1。

表1 番茄生長發育的幅值環境

1.4.2 中位值濾波法 中位值濾波法對變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果[19-20]。采集系統中傳感器連續采集k 次原始試驗數據樣本，然后將其進行順序排列，若k 為奇數，則中間值樣本為有效值；若k 為偶數，則有效值為（n（k＋1）/2＋nk/2）/2。

1.4.3 算術平均值濾波法 算數平均值濾波法適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波[21-22]，采集的原始數據得到n 個樣本數值X（i）（i＝1，2，3，…，n），根據平均值公式計算獲得U，且均值U 與樣本數據的偏差平方和最小，用經驗理論與均值U 結合填補剔除的數據，保證數據的連續與完整。當n 值較大時，信號平滑度較高，但靈敏度較低；當n 值較小時，信號平滑度較低，但靈敏度較高。本試驗采集頻率為6 min，n 選定為10，每次計算1 h 的均值，以達到更好的濾波效果。

2 結果與分析

2.1 水平方向數據分析結果

2.1.1 光照強度分析 從圖4 可以看出，冬季溫室內全天光照時間約8 h，9：00 左右開啟保溫被，植株開始進行光合作用，冠層處光照強度在9：00—11：00呈線性增長，11：00—12：00 因CO2濃度減少增長速率降低，13：00 達到最大值，室內光照強度是室外的82.6%，14：00—17：00 呈線性下降，17：00 左右關閉保溫被。由于太陽輻射的角度與距離，在南北方向上，室內光照強度呈現南強北弱特點；由于太陽輻射的方位和墻的遮檔，在東西方向上，午前東弱西強，午后東強西弱，溫室中部是全天光照最好的區域。

2.1.2 溫度分析 由圖5 可知，由于有保溫墻體、土壤和保溫被的作用，晚上室內各區域溫度呈平緩下降趨勢，且均保持一致，靠出口的8，9，10 號區域溫度略低于其余區域，可能是由于出口的密閉性存在問題；由于太陽輻射的作用，8：00—9：00 室外溫度上升，室內溫度相應上升，但溫度增值較小；9：00左右保溫棉開啟，太陽的輻射和植株光合作用引起溫度迅速升高；11：30 左右通風口開啟，溫室內外溫度進行熱交換，室內北部區域和中部區域的溫度呈短暫下降，通風口下4，7，10 號區域溫度明顯低于其他區域；12：00—13：00 溫度上升，在13：00 左右達到最大值，南部區域能達到35 ℃；13：00—17：00溫度呈下降趨勢，16：00 左右關閉通風口，16：00 前溫度下降的幅度低于16：00—17：00；17：30 左右關閉保溫被，17：00—18：00 溫度呈短暫回升，之后呈平緩下降。日光溫室內溫度呈白天遠高于晚上、中部高于四周，溫度變化與光照強度變化規律基本保持一致，在南北方向上，室內溫度呈現南強北弱特點；受墻體和太陽輻射角度的影響,在東西方向上，午前東弱西強，午后東強西弱。

2.1.3 濕度分析 由圖6 可知，溫室內植物生長過程中80%的時間處于高濕狀態，不通風時室內相對濕度通常在95%以上，白天保溫被開啟后，隨著溫度的升高相對濕度減小，當11：30 通風口開啟后，室內濕度迅速下降，通風口下區域濕度下降速度比其他區域快，南部2，4，8 號區域在12：00 左右達到最小值，中部3，6，9 號區域在13：00 左右達到最小值，北部4，7，10 號區域在14：00 左右達到最小值；夜間室內相對濕度則由于溫度的下降而增大，均保持在99.9%高濕狀態。室內濕度總體上呈午前北高南低、午后北低南高的特點。

2.1.4 CO2濃度分析 由圖7 可知，CO2濃度日變化曲線通常呈不規則“U”型，在早晨開啟保溫被之前，由于夜間植株的呼吸作用，使得CO2濃度最高，保溫被開啟后，溫室內CO2濃度隨著作物光合作用的消耗而逐漸減小；通風口開啟后，通風口下4，7，10 號區域CO2濃度低于其他區域，在11：00左右達到最低值，11：00—12：00 迅速上升；通風口與保溫被關閉后，植株的呼吸作用使室內CO2濃度迅速增加，且中部區域高于其他區域。

2.1.5 土壤濕度分析 溫室內各區域土壤濕度全天變化不明顯，均保持在65%左右。與空氣濕度相比較，土壤濕度比較穩定，變化幅度較小。土壤濕度受溫室溫度、作物生長情況、作物種植密度、空氣濕度等的影響較大。

2.1.6 土壤溫度分析 由圖8 可知，室內北部土壤溫度變化不太明顯，均保持在13.6 ℃左右，變化最明顯的是南部和中部區域，土壤溫度最高可以達到14.5 ℃。最高地溫一般比最高室溫晚出現3 h 左右，最低地溫比最低室溫晚出現2 h 左右。地溫的變化幅度比較小，特別是夜間的地溫下降幅度不明顯。溫室內土壤溫度呈北高南低。

2.2 垂直方向數據分析結果

溫室垂直方向環境影響著作物層次生長，試驗在室內布置9 個區域分別對0.2，1.0，1.5，2.0，2.5 m高處的溫濕度和10，20，30 cm 土層的土壤溫度進行測試與分析，隨機選取溫室中部3 號區域數據進行分析。

2.2.1 溫度分析 由圖9 可知，保溫被關閉后，由于土壤和保溫墻的散熱，0.2 m 高處的溫度均高于其他高度的溫度，其他高處的溫度保持一致變化，但是1 m 處溫度略低于其他高度。保溫被開啟后，由于太陽的輻射，溫度呈現單峰變化，13：00 左右溫度達到最大值，且溫度隨高度的增加而增大，白天高處溫度高于低處，高度增大5 cm，溫度增加2～5 ℃，0.2 m 高處最大溫度為22 ℃左右，而2.5 m 高處最大溫度可達到35 ℃。

2.2.2 濕度分析 由圖10 可知，溫室內0.2 m 高處相對濕度全天為99.9%。保溫被關閉后，溫室內相對濕度均為99.9%。保溫被開啟后，2.0，2.5 m 處相對濕度開始下降，而1.0，1.5 m 高處的相對濕度在通風口打開后才開始下降，1 m 高處最低值為90%左右，2.5 m 高處最小值為63.5%，相對濕度隨高度的增加而遞減。

2.2.3 土壤溫度分析結果 從圖11 可以看出，不同土層地溫的變化趨勢差異比較大，白天室溫高于地溫，夜間地溫高于室溫。30 cm 土層溫度變化較小，保持在13.9 ℃左右，13：00 時下降到最低值13.5 ℃；20 cm 土層溫度比30 cm 土層溫度變化差異大，12：00 時下降到最低值13 ℃；10 cm 土層溫度變化差異最大，9：00 時下降到最低值11.9 ℃，16：00 時上升到最大值14.4 ℃。

3 結論與討論

番茄的光補償點為7 000 lx，適宜光照強度為30 000～40 000 lx，冬季日光溫室內光照時間不足，水平方向呈現出南強北弱、午前西強東弱、午后東強西弱、中部全天光照最好的特點；垂直方向上光照強弱與室內植株種植密度密切相關。因此，番茄生長發育期應增加補救措施，在建造溫室時應在合適范圍內增加溫室的長度，種植時應增大隴寬。

番茄是喜溫作物，最適溫度白天為25～28 ℃，夜間為16～18 ℃。本研究表明，室內白天通風口打開后部分區域溫度可能達到35 ℃以上，夜間最高溫度12.7 ℃。溫度水平方向呈現白天高夜間、中部區域高于四周的特點；垂直方向夜間0.2 m 高處溫度高于其他高處，白天溫度隨高度增大而增加，高度增加5 cm，溫度增加2～5 ℃。因此，白天應采取降溫措施，夜間增加升溫措施。

本研究表明，番茄最適相對濕度為45%～65%。室內夜間相對濕度始終為99.9%，白天只有短暫的最適濕度環境；水平方向呈現出午前北高南低、午后北低南高的特點；垂直方向0.2 m 高處濕度全天均為99.9%，其他高處隨高度增加相對濕度降低。因此，需要對番茄溫室采取降濕措施。

番茄最適地溫為20～25 ℃。水平方向呈現北高南低的特點；垂直方向10 cm 土層溫度變化明顯，最小值為12.3 ℃，最大值為14.4 ℃，地溫隨深度增加而增大，30 cm 土層溫度保持在14 ℃左右。因此，需要對溫室采取提升地溫措施。