不同類型日光溫室環境性能及越冬茬黃瓜栽培效果比較研究

劉長梅，趙欣茹，汪曉宇，李 瑩，李海俊，安 磊，張海軍，張達林，葉 林

(1.寧夏大學農學院，寧夏銀川 750000；2.寧夏職業技術學院，寧夏銀川 750000；3.寧夏建成農林開發有限公司，寧夏銀川 750000；4.寧夏農墾集團有限公司，寧夏銀川 750000)

日光溫室作為一種普遍應用的農業設施，在我國占據非常重要的地位，尤其是寒冷的西北地區[1]。隨著日光溫室反季栽培行業的不斷發展和農業科技水平的提高，為了達到產量增收的目的，提高農業設施設備的使用效率，人們將溫室性能[2]與植物栽培效果相結合進行研究[3]。張繼波等發現，在陽頂日光溫室內種植喜溫類蔬菜的效果優于其他溫室，這類溫室的保溫蓄熱性能尤為突出[4]。阿拉帕提·塔依爾江等在測定番茄光合的3 d內發現，主動采光型日光溫室的光照條件更優越，且番茄產量遠高于普通型溫室[5]。

日光溫室環境性能受多方面因素的影響，如不同的覆蓋材料、方位大小、結構以及類型等。米興旺等的研究表明，與室外溫度相比，混凝土墻、法蘭墻、石壘墻、全鋼架安裝型和磚結構等5種不同墻體材料的日光溫室，其室內溫度顯著高于室外，且混凝土墻和石壘墻溫室保溫蓄熱效果顯著優于其他3種溫室[6]。申婷婷等規劃3種新型墻體結構的日光溫室：相變固化土自動蓄熱溫室、模塊化素土自動蓄熱溫室、現澆混凝土被迫蓄熱日光溫室，結果表明，模塊化素土自動蓄熱溫室具有良好的保溫性能，能確保作物良好生長，且建造便利，值得農戶去推廣[7]。因為各地溫室建造水平參差不齊，對日光溫室結構與類型的認識與選擇不夠全面，在種植方案進行前，對溫室進行勘測、對比、改造，能夠篩選出更適合園藝作物生長的日光溫室類型，達到增收提質的目的[8]。本研究通過對寧夏吳忠地區冬季3種后墻添加相變材料日光溫室內環境特點和黃瓜栽培效果比較，研究3種日光溫室的環境變化規律及對溫室內蔬菜生長發育和產量的影響，旨在為寧夏地區日光溫室越冬茬瓜菜高效生產提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

寧夏回族自治區吳忠市孫家灘地處中溫帶干旱氣候區，雨期短，水分蒸發較強；光照時間長，無霜期短，春季風多沙多[9]。

1.2 試驗設計

試驗在寧夏回族自治區吳忠市利通區孫家灘農業園區進行。選取了3種不同類型的溫室，分別為T1：傳統溫室，是傳統干打土壘式日光溫室，未經任何加工與改造；T2：相變溫室，采用新型集熱設備，輕質復合型墻體，由傳統的寬厚土質墻體升級為異質復合主動保溫蓄熱窄墻體，是傳統墻體厚度的0.09～0.12倍，墻體內外采用噴涂工藝；T3：改造溫室，即在傳統溫室的基礎上加以改造而成，是將傳統溫室后墻磚砌體拆除、改造后屋面、上半截平土下半截抹相變材料砂漿，其厚度約1 cm。具體參數見圖1、表1。

表1 不同日光溫室結構主要參數

試驗從2020年11月15日開始定植，栽培蔬菜作物為黃瓜，品種為津冬626，行距為1.4 m，株距為0.2 m，單壟單行種植。定植前施入有機肥，緩苗后采用水肥一體化設備，管理同常規黃瓜栽培。每個溫室固定測樣50株。日光溫室的環境因子用紫藤連線儀器采集，每個溫室裝有3個紫藤儀器，各傳感器分別安裝于日光溫室東部、中部、西部距后墻4 m處，其中土壤溫度探點位于地表以下 15 cm 處，每0.5 h記錄1個數據。按常規方法記錄每個溫室的空氣溫度、光照度、空氣濕度、土壤溫度、二氧化碳濃度、土壤水分；用卷尺測定黃瓜株高、葉面積，用游標卡尺測定莖粗，用便攜式葉綠素儀測定葉綠素含量；使用臺秤測定每個溫室內每次采收的黃瓜質量；維生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法測定[10]，可溶性糖含量采用蒽酮法測定[11]，可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍染色法測定[12]。

1.3 數據處理

采用SPSS 20.0進行試驗數據分析，采用Excel 2016處理數據，用Origin 2019b作圖。

2 結果與分析

2.1 不同溫室環境因子實測分析

2.1.1 冬季典型天氣日光溫室內氣溫的變化 氣溫與溫室環境性能的優劣聯系最為密切，尤其是夜間低溫時表現更為明顯，溫度的下限對作物生長效果有著重要的影響[13]。從圖2可見，各溫室室內氣溫變化趨勢基本一致。晴天白天，T1、T2、T3溫室增溫迅速，T3溫室的最高氣溫比T1、T2溫室分別高出5.6、2.4 ℃。陰天白天，T1、T2、T3溫室增溫比晴天較緩，T3溫室的最高氣溫分別比T1、T2溫室高1.9、1.2 ℃。從圖2-c可以看出，雪天各溫室室內氣溫變化較晴天和陰天氣溫波動較大，這是由于室外氣溫較低的緣故。雪天保溫被不揭起，不受外界低溫影響，室內氣溫變化幅度較小。雪天白天，T1、T2、T3溫室增溫較緩，T3溫室的最高氣溫分別比T1、T2溫室高2.5、0.8 ℃。由于T2、T3溫室采用了相變材料，能夠白天放熱晚上吸熱，所以T2、T3溫室在3種典型天氣條件下的夜間氣溫都高于T1溫室，其中T3溫室在晴天條件下的蓄熱能力最好，在雪天的保溫能力最好，T2溫室在晴天的溫度平衡能力最好，這是因為黃瓜在白天生育適溫為25～32 ℃，溫度過高或過低都不利于黃瓜正常生長發育。

2.1.2 冬季典型天氣日光溫室內地溫的變化 對比圖3-a與圖3-b可知，典型晴天和陰天的3種溫室地溫變化趨勢基本一致，而典型雪天在 09：00—16：00地溫上升幅度較小，這可能是因為外界氣溫過低，使得溫室內溫度受影響較大。由圖 3-a 可知，T1、T2、T3溫室的日平均地溫分別為15.7、17.4、18.9 ℃，T3溫室分別比T1、T2溫室高3.2、1.5 ℃；3種溫室夜間的平均地溫分別為15.6、17.3、18.9 ℃，T3溫室分別比T1、T2溫室高3.3、1.6 ℃。由圖3-b可知，T1、T2、T3溫室的日平均地溫分別為17.1、18.7、19.1 ℃，T3溫室分別比T1、T2溫室高2.0、0.4 ℃；3種溫室夜間的平均地溫分別為16.6、17.2、19.2 ℃，T3溫室分別比T1、T2溫室高2.6、2.0 ℃。由圖3-c可知，T1、T2、T3溫室的日平均地溫分別為14.9、16.5、17.8 ℃，T3溫室分別比T1、T2溫室高2.9、1.3 ℃；3種溫室夜間的平均地溫分別為12.0、13.9、15.0 ℃，T3溫室分別比T1、T2溫室高3.0、1.1 ℃。黃瓜最適宜地溫為20～25 ℃，最低為15 ℃左右，只有T3溫室在典型晴天和陰天白天都達到了最適地溫，說明T3溫室能夠給黃瓜提供良好的地溫條件。

2.1.3 冬季典型天氣日光溫室內光照度的變化 植物生長過程中的生命活動離不開光照，光合作用的正常進行才能讓植物生產更多自身所需要的生存物質，高效發揮光照對植物的作用是促進溫室作物良好發展的關鍵點[14]。在典型晴天條件下，T1、T2、T3溫室白天平均光照度分別為18.52、22.94、32.43 klx，T3溫室分別比T1、T2溫室高13.92、9.49 klx。在典型陰天條件下，T1、T2、T3溫室白天平均光照度分別為13.9、21.56、29.45 klx，T3溫室分別比T1、T2溫室高15.55、7.89 klx。在典型雪天條件下，T1、T2、T3溫室白天平均光照度分別為0.90、2.77、5.66 klx，T3溫室分別比T1、T2溫室高4.76、2.89 klx。黃瓜喜光，也有一定的耐弱光能力，黃瓜的最適光照度為20～60 klx，而在生長期內，最適光照度為40～60 klx，20 klx以下植株生育遲緩。由圖4-a、圖4-b可知，3個溫室的光照度都在20 klx以上，但是只有T3溫室能夠達到最適光照度，所以T3溫室能夠滿足黃瓜正常生長所需的光照條件。

2.1.4 冬季典型天氣日光溫室內二氧化碳濃度的變化 由圖5-a可以看出，晴天T2、T3溫室室內CO2濃度變化趨勢基本一致，T1溫室室內CO2濃度變化不明顯。T2、T3溫室夜間室內CO2濃度緩慢升高﹐T2、T3溫室于10：00達最高濃度，T2溫室為915 mg/L，T3溫室達954 mg/L，之后迅速下降，T2溫室于15：00左右達到最低濃度，為419 mg/L，T3溫室于16：00左右達到最低濃度，為469 mg/L，之后開始上升。由圖5-b可以看出，陰天T2、T3溫室室內CO2濃度變化趨勢基本一致，T1溫室室內CO2濃度變化不明顯。T2、T3溫室夜間室內CO2濃度緩慢升高﹐T2溫室于 08：00 達到最高濃度，為 1 218 mg/L，T3溫室于09：00達到最高濃度，為 949 mg/L，之后迅速下降，T2、T3溫室于16：00左右達到最低濃度，為444 mg/L，之后開始上升。由圖 5-c 可以看出，雪天T2、T3溫室室內CO2濃度變化趨勢基本一致，T1溫室室內CO2濃度變化不明顯。T2、T3溫室夜間室內CO2濃度緩慢升高，T2溫室于05：00達到最高濃度，為588 mg/L，T3溫室于06：00達到最高濃度，為622 mg/L，之后緩慢下降，T2溫室于13：00左右達到最低濃度，為407 mg/L，T3溫室于15：00左右達到最低濃度，為406 mg/L，之后開始上升。由圖5可知，3種溫室在典型天氣條件下夜間CO2濃度高于白天，這是由于植物白天進行光合作用，室內CO2濃度迅速降低，其次，只有T2溫室在典型陰天時達到1 000 mg/L的CO2濃度，而其他天氣時段內，3個溫室內的CO2濃度都沒有達到黃瓜高產的濃度范圍。

2.1.5 冬季典型天氣日光溫室內空氣濕度的變化 水分作為植物本體重要的組成部分之一，一般能達到80%～95%，影響著園藝作物的生長過程，因此溫室內的濕度環境對作物的生長尤為重要[15]。由圖6-a可以看出，T1、T2、T3溫室內空氣濕度變化趨勢基本一致，晴天白天，T1、T2、T3溫室的日平均空氣濕度分別為43.4%、50.4%、53.3%，T3溫室分別比T1、T2溫室高9.9%、2.9%。由圖6-b可以看出，T1、T2、T3溫室內空氣濕度變化趨勢基本一致，陰天白天，T1、T2、T3溫室的日平均空氣濕度分別為44.2%、56.7%、64.0%，T3溫室分別比T1、T2溫室高19.8%、7.3%。由圖6-c可以看出，T1、T2、T3溫室內空氣濕度變化趨勢基本一致，雪天白天，T1、T2、T3溫室的日平均空氣濕度分別為64.6%、74.4%、80.9%，T3溫室分別比T1、T2溫室高16.3%、6.5%。高濕是溫室內環境的突出特點，黃瓜喜歡濕潤的天氣，由圖6可知，在典型晴天、陰天、雪天條件下，T2、T3溫室在夜間都能達到黃瓜良好生長的濕度條件。

2.1.6 冬季典型天氣日光溫室內土壤水分的變化 由圖7-a可以看出，晴天T2溫室的土壤水分含量從0：00到白天處于緩慢下降的趨勢，T1、T3溫室的土壤水分含量從0：00—17：00呈上升趨勢，在17：00左右達到峰值，推測是灌水引起的，之后緩慢下降。由圖 7-b 可以看出，陰天T2溫室的土壤水分含量一直處于平緩狀態，T1、T3溫室分別在12：00、11：00出現一個小高峰，其他時段處于平緩狀態。由圖7-c可以看出，雪天T1、T2、T3溫室的土壤水分含量變化趨勢大致相同，夜間處于平緩狀態，在白天10：00—17：00出現一個小高峰，然后緩慢下降。在典型雪天條件下，T1、T2、T3溫室平均土壤水分含量分別為24.5%、25.3%、25.0%。

2.1.7 冬季日光溫室溫度的比較 日光溫室為解決北方冬季蔬菜供應，改善人民生活發揮了很大的作用。溫室室內的溫度下限是限制作物是否能正常生長的關鍵因素，溫度過低，會導致植物生長緩慢甚至死亡，因為作物發育的一切反應都需要在一定溫度下進行，作物生長的好壞決定著農民冬季能否正常收獲新鮮蔬菜，因此，選取3種供試溫室在生育期內外界溫度最低時來分析溫室的保溫性能，本試驗選擇2021年1月。

從圖8可以看出，3座溫室的室內氣溫均高于外界氣溫，而在不同日期內以及不同天氣條件下，3座日光溫室內的氣溫隨著外界天氣條件的變化而變化，從整體來看，3座溫室的氣溫表現為T3>T2>T1。

地溫是另外一個與作物生長有密切聯系的因素，若地溫較低，會直接影響園藝作物根系吸收礦質營養和水分。氣溫和地溫要同時達到要求才能保證作物的生長發育。圖9為2021年1月3種日光溫室室內的地溫變化，可以看出，地溫的變化趨勢和氣溫相似，但地溫的變化幅度小于氣溫，3座日光溫室的地溫表現為T3>T2>T1。

2021年1月3座溫室氣溫的統計數據見表2。日光溫室中氣溫的下限值關乎到作物生長發育的好壞，若氣溫過低，會引起黃瓜減產、生長速度減緩等問題[3]。T3溫室最低氣溫較T1、T2溫室分別高3.3、1.0 ℃，說明溫室T3的保溫蓄熱性能較好，能夠在極端天氣下保持較高的氣溫，防止作物凋萎。3座日光溫室氣溫有一定差異，平均氣溫最高的是T3溫室，為19.0 ℃，分別比T1、T2溫室高2.8、1.3 ℃。說明T3溫室的保溫蓄熱性能較為穩定，優于T1、T2溫室，更有利于作物生長。

表2 2021年1月3座日光溫室氣溫比較

積溫的大小能夠反映出作物生長時熱量條件的好壞，因為熱量是植物生長過程中必不可少的因素之一。熱量的高低以及持續時長是由積溫來決定的，農戶對溫度的重視程度也決定了對積溫這一指標的認識程度，因此人們將積溫理論應用在多個方面，如引種、預防農業氣象災害等方面[16]。

從表3可以看出，溫室的活動積溫和有效積溫大小表現為T3>T2>T1，說明T3溫室的熱量條件最好，能夠滿足植物正常生長發育。

表3 不同溫室積溫比較

2.2 不同溫室環境對黃瓜生長發育的影響

從圖10-A可知，各處理的株高變化較明顯，隨著時間的變化而呈上升趨勢，其中T1、T2溫室的株高上升緩慢，T3溫室上升較快，T3溫室的株高均高于對照T1溫室，在處理80 d后達到128.71 cm，T3、T2溫室分別比T1溫室提高160%、75%。從圖 10-B 可知，各處理的莖粗隨著時間的變化而呈上升趨勢，總體變化幅度不大，相同處理時間段內T3溫室的莖粗均高于對照T1溫室，在處理80 d后達到9.45 mm，T3、T2溫室分別比T1溫室提高22%、14%。從圖10-C可知，各處理的葉綠素含量總體變化幅度不大，在處理前期可以看出，各處理的葉綠素含量隨處理時間的延長而增高，處理后期葉綠素含量上升緩慢，但整體上高于前期的葉綠素含量，可能是由于進入低溫極端天氣后，葉綠素的合成受到影響導致的。從圖10-D可知，各處理的葉面積隨著時間的變化而呈上升趨勢，在處理前期可以看出，各處理的葉面積上升較快，在處理后期上升速度較慢。相同處理時間段內T3溫室的葉面積均高于對照T1溫室，在處理80 d后達到最大值，為388.95 cm2，T3、T2溫室分別比T1溫室提高88%、12%；相同處理時間段內各處理均存在顯著差異(P<0.05)。

2.3 不同溫室環境對黃瓜光合特性、產量及品質的影響

由表4可知，3個溫室的氣孔限制值和氣孔導度均無顯著差異，T3溫室的氣孔限制值和氣孔導度均最高，比T1溫室分別高23%、12%。3個溫室間蒸騰速率均存在顯著差異，T3溫室的凈光合速率與T2溫室存在顯著差異，與T1溫室具有一致性，無顯著差異。

表4 不同溫室環境對黃瓜光合特性的影響

不同溫室各個時期內產量的變化見表5，各溫室的黃瓜產量隨時間變化而上升，在相同時期內，T3溫室的黃瓜產量均高于T1、T2溫室，T3溫室的總產量分別比T1、T2溫室提高59%、33%。說明T3溫室的增產效果最好。

表5 不同溫室產量比較

植物含水率的高低能夠間接表現出植物生長發育的狀況；維生素C是植物進行新陳代謝不可或缺的因素之一，同時也能夠反映植物的抗逆性[17]；可溶性糖、可溶性蛋白質的作用是能夠維持植物蛋白的穩定[18]。由表6可知，黃瓜的各項品質指標均以T3溫室最優。T3溫室的黃瓜含水率、維生素C含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量分別比T1溫室提高55%、27%、24%、51%。T1溫室與T2、T3溫室的含水率存在顯著差異；T1、T2溫室與T3溫室的維生素C含量存在顯著差異；T3溫室的可溶性糖含量顯著高于T1溫室，兩者與T2溫室均差異不顯著；3個處理的可溶性蛋白含量無顯著差異。

表6 不同溫室環境對黃瓜品質的影響

2.4 不同溫室建造費用以及環境性能的綜合分析

由表7可知，傳統溫室的建造費用為6.79萬元，相變溫室的建造費用為42.7萬元，改造溫室的建造費用為10.17萬元，傳統溫室和改造溫室的造價分別比相變溫室低35.91萬、32.53萬元，從建造成本來看，傳統溫室耗材少，資金投入少，而相變溫室和改造溫室造價較高，但從設施環境的角度來看，相變溫室和改造溫室的環境性能都比較優越，其中改造溫室的造價更低，具有顯著的推廣優勢。

3 討論與結論

T2溫室從結構、設備、溫室的建造方面都采用了優質材料。但是從降低日光溫室的造價、提高溫室生產效率和經濟效益、促進本地區設施農業的快速發展、增加農民生產利潤出發，同時考慮到寧夏中部地區光熱資源豐富、經濟發展水平低等問題[19-20]，T2溫室優越的環境性能未被直接釋放出來，而T3溫室相對于T1溫室經過材料、結構的改進，經過多年設備與技術的開發與使用，不僅造價低，而且冬季保溫能力明顯優于T1、T2溫室，適宜喜溫蔬菜的種植栽培。2座相變涂層溫室綜合比較來看，T2、T3溫室的環境性能和栽培效果都優于對照，但是從現實角度來考慮，不僅要考慮產出還要考慮成本。從日光溫室的生產效率來看，對舊溫室進行改造和回收利用不僅可以實現可持續發展，而且由于其造價相對較低、保溫性能好，是農民的良好選擇，適合推廣和示范[21]。

本研究結果表明，溫室后墻添加相變材料能夠明顯提升溫室保溫蓄熱性能和改善蔬菜生長效果，這與任佳楠等的研究結果[21-22]一致。從環境性能方面，日光溫室的保溫蓄熱性能表現為改造溫室>相變溫室>傳統溫室，其中T3溫室在晴天條件下的蓄熱能力最好，日平均氣溫和地溫比對照高出3.5、3.3 ℃；在不良天氣條件下能夠保持良好的保溫效果，日平均氣溫、地溫比對照最高可高0.8、2.9 ℃；在冬季最冷月呈現出相變溫室平均氣溫總是高于對照溫室，最高可達2.8 ℃。日光溫室建造成本表現為相變溫室>改造溫室>傳統溫室；日光溫室內黃瓜生長效果和產量表現為改造溫室>相變溫室>傳統溫室，通過對黃瓜生長指標的測定發現，相變涂層溫室可明顯改善瓜菜生長的環境。其中改造溫室的黃瓜含水率、維生素C含量、可溶性糖含量、產量均高于對照，較對照分別增加55%、27%、24%、59%。綜上所述，相變涂層的改造溫室能夠提升溫室吸放熱的能力，進而提高室內溫度，促進黃瓜生長發育。

綜合比較可知，相變涂層的改造溫室更經濟節能且溫室內環境更適宜黃瓜生長，是更適合寧夏中部地區環境特點及經濟發展水平的日光溫室類型，在該地區這種類型的溫室適合進一步示范和推廣。