溫室環(huán)境因子對番茄葉溫的影響

趙建貴，高安琪，韋玉翡，白云飛，李晉蒲，曹瑞紅，李志偉

（山西農(nóng)業(yè)大學工學院，山西太谷030801）

葉片是植物能量代謝重要的器官，它的生理特性是溫、光、水、肥和其他生態(tài)因素綜合適應的結果。葉片溫度是植物生長發(fā)育的重要參數(shù)，其生理生態(tài)結構和環(huán)境因素是研究植物光合、蒸騰作用的重要指標[1-4]。溫室環(huán)境影響著作物生長發(fā)育，而通過系統(tǒng)探究環(huán)境因子對植物葉溫的影響可有助于掌握植物微氣候[5-7]。之前由于對植物葉溫測試復雜和困難，常采用室溫代表植物葉溫進行探索，導致試驗研究出現(xiàn)錯誤。隨著科技的發(fā)展，在溫室環(huán)境對植物葉溫影響的研究過程中，要求人們準確地測量葉溫[8-12]，探究影響溫室作物生長發(fā)育的主要環(huán)境因子。番茄作為華北地區(qū)常見日光溫室主要的反季節(jié)經(jīng)濟作物，研究其葉溫與環(huán)境因子間的變化規(guī)律有非常重要的意義。

在日光溫室內(nèi)對葉溫采集有苛刻要求。首先，葉溫隨時隨刻都在發(fā)生變化，需要對葉溫進行實時采集。其次，采集葉溫設備需要適應溫室高濕環(huán)境，要盡量消除外界因素對葉溫的影響，保證其穩(wěn)定性與精確度，而采用接觸式測量方式費時費力，不適合實時測量；另外，長時間與葉片接觸可能會對作物的正常生長產(chǎn)生影響，容易對葉片組織表層光合作用和呼吸作用產(chǎn)生影響。本研究采用非接觸紅外測量方式通過接收葉片所發(fā)射的光波，進而反映葉片表面溫度[13-15]，其優(yōu)點是對作物無損害、測量速度快、精度較高。

本研究通過自研制非接觸葉溫與環(huán)境采集系統(tǒng)對溫室內(nèi)光照強度、溫濕度、CO2濃度、土壤濕度、土壤10 cm 溫度及葉溫進行實時監(jiān)測，分析葉溫與環(huán)境因子之間的變化規(guī)律，研究日光溫室大棚生產(chǎn)模式下番茄的生理適應性機制問題，從而獲得影響葉溫的主要環(huán)境因子，旨在用于指導溫室番茄合理栽培，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018 年12 月至2019 年4 月在晉中市太谷縣冀村番茄日光溫室中進行。日光溫室為東西走向，溫室面積為800 m2，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(nèi)土墻，灌溉方式為溝灌，壟寬為62 cm；溫室內(nèi)除通風口和保溫被外無其他調(diào)控裝備；透光覆蓋材料為聚氯乙烯膜，保溫被材料為外皮防雨綢內(nèi)芯纖維棉材質(zhì)的棉簾，承重為雙骨架斜拉花鋼骨架。晴天9：00 左右溫室內(nèi)溫度在10 ℃左右開啟棉被，植物進行光合作用，11：00 左右開啟通風口降低室內(nèi)溫濕度，增加CO2濃度，16：00 左右關閉通風口增加室溫，17：00 左右關閉棉被蓄溫；陰天溫室不進行任何設施操作。

1.2 葉溫與環(huán)境因子采集裝置

基于4G 與LoRa 研制的葉溫與環(huán)境因子采集裝置包括發(fā)送站和采集站2 個部分（圖1）。采集站中采用非接觸式紅外溫度傳感器MLX90614 對葉溫采集，測量范圍為-70～380 ℃，視場角為3°，精度達±0.1 ℃；用GY-30 傳感器對室內(nèi)光照強度采集，測量范圍為0～65 535 lx；用DHT22 傳感器對室內(nèi)溫濕度采集，測量范圍濕度為0～100%，精度為2%～5%，溫度為-40～80 ℃，精度為±0.5 ℃；用瑞士S8 0053 傳感器對二氧化碳濃度采集，測量范圍為 0～10 000 mg/kg，精度為±40 mg/kg；用DS18B20 傳感器對土壤溫度采集，測量范圍為-55～125 ℃，精度達±0.5 ℃；用 FDS-100 傳感器對土壤濕度采集，測量范圍為0～100%，精度為±3%。采集站采集到的數(shù)據(jù)通過處理、打包后經(jīng)LoRa 傳輸至發(fā)送站，發(fā)送站對數(shù)據(jù)判斷和整理后經(jīng)4G 網(wǎng)絡發(fā)送至遠程服務器，供研究分析。

1.3 方法

采集系統(tǒng)置于溫室中心位置，系統(tǒng)設置6 min向遠程服務器傳輸一組數(shù)據(jù)。光照強度、溫濕度、二氧化碳濃度傳感器置于植株1.5 m 處，溫度傳感器置于土壤10 cm 處，非接觸溫度傳感器置于冠層處且距離葉片8～10 cm。由于溫室內(nèi)冠層濕度全天幾乎99.9%高濕狀態(tài)，土壤濕度變化微弱，不考慮室內(nèi)濕度和土壤濕度影響的情況下，用Excel 與SPSS對葉溫與室內(nèi)光照強度、溫度、CO2濃度、土壤溫度之間變化進行分析。

2 結果與分析

2.1 溫室內(nèi)番茄葉溫與光照強度的變化分析

從圖2、3 可以看出，日光溫室棉被未揭開前，光照強度一直為0 lx，葉溫平穩(wěn)下降；棉被揭開后，9：00—11：00 光照強度增加，11：00—12：00 光照強度較前時間段增長速率下降，12：00—13：00 光照強度增長速率為全天時間段最大；9：00—10：00 葉溫保持一定增長速率增加，而10：00—13：00 葉溫平緩增長，13：00 左右葉溫達到最大值；13：00—16：00葉溫與光照強度均迅速下降。葉溫與室內(nèi)光照強度分析結果顯示，棉被揭開后，葉溫變化與室內(nèi)光照強度變化趨勢接近，但二者變化存在一定差異，表明光照強度不是影響葉溫的直接因素。

2.2 溫室內(nèi)番茄葉溫與室溫的變化分析

從圖4 可以看出，葉溫與室溫變化趨勢一致，但葉溫變化滯后于室溫變化。日光溫室棉被未揭開前，葉溫與室溫接近，室溫比葉溫約高0.5 ℃；當棉被揭開后，9：00—11：00 隨著太陽輻射增強，室溫與葉溫迅速升高，二者溫差越來越大；11：00—13：00室溫與葉溫均增加，但增長幅度小于9：00—11：00，在13：00 左右二者均達到最大值，葉溫滯后于室溫15 min，此時室溫與葉溫達到最大溫差12.27 ℃；13：00—15：00 室溫與葉溫緩慢下降；15：00—16：00隨著太陽輻射減弱，室溫與葉溫迅速下降，但葉溫下降速率比室溫慢，二者溫差越來越小；16：00—17：00 室溫呈下降趨勢，但葉溫呈增加趨勢；17：00—18：00 室溫與葉溫趨于相同的下降狀態(tài)；18：00—19：00 室溫保持下降，而葉溫呈短暫的增加，在19：00左右室溫與葉溫幾乎達到相同值；19：00 后室溫與葉溫保持相同的下降趨勢。結果顯示，全天時間段葉溫變化與室溫變化一致，表明室溫是影響葉溫的直接因素。

2.3 溫室內(nèi)番茄葉溫與CO2 濃度的變化分析

從圖 2、5 可以看出，0：00—9：00 植物進行呼吸作用導致CO2濃度增加，葉溫下降；9：00 日光溫室棉被揭開后，植物進行光合作用消耗CO2，致CO2濃度迅速下降，而葉溫急速上升；11：00 左右CO2濃度下降到最低值后打開通風口，CO2濃度開始緩慢增加，而葉溫繼續(xù)增加，但增長速率較前者小；11：00—13：00 葉溫與 CO2濃度均緩慢增加，13：00時葉溫達到最大值；13：00—14：00 葉溫下降，而CO2濃度增加，與 11：00—13：00 時間段增長速率相近；14：00—16：00 光強減弱，光合速率下降，葉溫迅速下降，下降速率較13：00—14：00 時間段大，而CO2濃度仍處在增加狀態(tài)，但是增長速率較13：00—14：00 小；16：00 關閉通風口后葉溫增加，CO2濃度增加；17：00 關閉棉被后葉溫下降，而CO2濃度增加。結果顯示，葉溫變化與CO2濃度變化呈相反趨勢，表明CO2濃度不是影響葉溫的直接因素。

2.4 溫室內(nèi)番茄葉溫與地溫的變化分析

從圖6 可以看出，葉溫與地溫變化趨勢相近，但地溫變化滯后于葉溫。0：00—8：00 葉溫與地溫均處在下降狀態(tài)，二者溫差逐漸增大；8：00—9：00未揭棉被，地溫下降，而葉溫增加；當棉被揭開后，9：00—10：00 隨著太陽輻射增強，葉溫迅速升高，地溫仍下降，10：00 左右葉溫高于地溫，此時地溫開始增長，地溫增長滯后葉溫2 h；13：00 葉溫達到最大值，15：30 左右地溫高于葉溫，而地溫在 16：00 達到最大值，地溫最大值滯后于葉溫3 h；關閉棉被后地溫與葉溫均下降，且二者溫差逐漸增大。結果顯示，葉溫變化與地溫變化存在滯后性，地溫變化滯后于葉溫變化2～3 h，表明地溫不是影響葉溫的直接因素。

3 結論與討論

葉溫是植物進行各項生命活動的保障，也是植物體為了維持生命活動的一種自身保護措施。葉溫取決于植物所處的微環(huán)境，通過探索研究植物所處的微氣候?qū)χ参锶~溫的影響[16-18]，進而了解植物葉片的光合、呼吸、氣孔導度等生理信息。前人對葉溫的研究，大多針對的是葉溫對光合、呼吸、氣孔導度等生理信息的影響機制，而對影響葉溫的微氣候未進行詳盡研究。本研究在日光溫室實際生產(chǎn)中，探索了影響番茄生長發(fā)育的光照強度、溫濕度、CO2濃度、土壤溫度和土壤濕度微氣候參數(shù)對葉溫的影響機制，但未對葉片的物理性狀，如：葉片大小、形狀、物性、解剖結構以及光學特性等進行深層次研究。

本研究通過探究葉溫與環(huán)境因子之間的關系，大量試驗數(shù)據(jù)分析顯示，白天隨著光照強度增強，光合作用速率增加，室溫增加，CO2濃度減小，土壤溫度增加[19-21]，導致葉溫增加；夜晚土壤蓄熱擴散，導致室溫下降緩慢，影響葉溫下降。葉溫與光照強度、室溫、地溫有相似的變化趨勢，但地溫的變化滯后葉溫2～3 h，但室溫與葉溫變化一致性強；葉溫與CO2濃度有相反的變化趨勢；光照強度、CO2濃度、土壤溫度間接影響葉溫，室溫直接影響葉溫。溫度是指導農(nóng)民進行農(nóng)事操作直觀、便捷的信息，在日光溫室生產(chǎn)中，農(nóng)戶通過合理提高室溫增加葉溫，提高作物光合和呼吸作用，進而提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)。