日光溫室番茄東西壟向模式下群體光環(huán)境及產量分布特征*

楊冬艷，王丹，桑婷，趙云霞，宋衛(wèi)堂

(1. 寧夏農林科學院園藝研究所,銀川市,750002; 2. 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院,北京市,100083)

0 引言

日光溫室是以太陽光為主要能量來源的設施,依靠溫室北墻白天蓄積太陽光能、夜間再將其釋放出來來維持室內溫度[1],日光溫室建造時坐北朝南,跨度一般在7～12 m。棚內番茄、黃瓜等果菜生產通常采用南北壟向雙行定植模式,由于溫室內南北距離短,壟間間距窄,農機裝備需要頻繁進行轉壟,無法順暢、高效地完成生產作業(yè),使得很多作業(yè)環(huán)節(jié)嚴重依賴人工[2]。目前蔬菜生產勞動力成本以每年17%的速度上漲,占生產總成本的一半以上,嚴重制約設施園藝的健康可持續(xù)生產[3]。

在設施蔬菜機械化水平提高的技術途徑探索中,中國農業(yè)大學設施園藝工程團隊[3]提出了基于“農藝—農機—設施”深度融合的生產模式,采用宜機化栽培模式、應用設施專用機械、升級宜機化設施相結合,能夠使機械設備在日光溫室中高效率、高質量地完成作業(yè)。日光溫室蔬菜種植模式從南北方向短壟改變?yōu)闁|西方向長壟,利用起壟、移栽等耕作機械,顯著提高工作效率,有效減輕勞動強度,降低人工成本[4]。沈陽農業(yè)大學研究團隊[5]在日光溫室秋冬茬番茄東西壟向基質袋培中發(fā)現,東西壟的產量高于南北壟,1.5 m壟距、2.6株/m2的栽培密度可得到高產;在日光溫室越冬茬番茄東西壟向栽培中,提出壟距1.1 m、3.3株/m2條件下,單行種植產量較高[6]。崔東禹等[7]在北京市房山區(qū)春夏茬日光溫室番茄東西壟向研究中,發(fā)現1.4 m壟距條件下,矮化密植模式有利于光合作用,且能實現豐產。

從不同地區(qū)日光溫室番茄宜機化農藝參數研究中發(fā)現,評價標準均以維持較高的番茄產量和品質為準,壟距、株距隨意性較強,參數變化較大,對耕作機械的適應性要求較高。較窄(1.4 m以下)的壟間距使得起壟數量增加,植株相互遮光加重,果實成熟轉色推遲[8],番茄生長后期管理行間作業(yè)難度加大。因此在日光溫室番茄宜機化栽培技術研究中,需在機械作業(yè)條件下,探索壟距、株距等栽培參數。本文基于前期探明的寬行距(1.8 m壟距)栽培模式下適宜株距參數條件[9],研究8.5 m跨度日光溫室中,在起壟、移栽機械作業(yè)下不同栽培壟番茄群體光環(huán)境、產量、品質分布特征,為完善番茄東西壟向栽培參數、制定宜機化標準栽培模式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于寧夏銀川市興慶區(qū)掌政鎮(zhèn)五渡橋村(東經106°17′,北緯38°28′),全年光照時間3 000 h,全年太陽輻射700 kJ/m2,年平均氣溫8.8 ℃。試驗溫室凈跨8.5 m、脊高4 m、長80 m,后墻為夯實土墻,采光面鋼架結構。

1.2 試驗設計

試驗于2019年7—12月在銀川市興慶區(qū)無渡橋村日光溫室蔬菜生產基地實施。試驗之前撒施底肥,使用量為腐熟羊糞22.5 t/hm2,磷酸二銨450 kg/hm2。利用黃海金馬604D拖拉機懸掛1GQN-160型旋耕機進行旋耕,隨后采用YT10-A100自走式起壟覆膜機進行起壟覆膜鋪滴管一體化作業(yè)。起壟機東西方向起壟,設置壟底寬70 cm、壟面寬50 cm參數進行作業(yè),壟距1.8 m,試驗日光溫室由南向北共起4條栽培壟。利用2ZB-2自走式移栽機進行番茄幼苗移栽,移栽機設置株距27 cm,壟面小行距30 cm,定植密度為3.3株/m2。雙行定植參數進行作業(yè)。番茄品種為“粉太郎6號”,苗齡35 d,5葉1心,株高15～20 cm,7月15日定植。番茄生長過程中,采用水肥一體化裝備進行水肥管理。單桿整枝,留5穗果摘心,12月初拉秧。

1.3 測試指標及方法

1.3.1 番茄群體光環(huán)境測量

栽培壟由北向南依次標記為第1～4壟,第1壟的南北兩行分別記為1-S、1-N,第2～4壟以此類推。在溫室中由東向西的20 m、40 m、60 m處,每壟兩行均選擇連續(xù)20株番茄進行產量和坐果數調查。

番茄植株在5穗果開花坐果時摘心,限制株高后進行光照分布測量。選擇無云的晴天(2019年9月28日),利用手持照度計(TES-1332型)不同栽培壟同時測量,在上午10:00—11:00之間盡快完成測量。如圖1所示,每條壟以壟面中心為原點,隨機選擇5個邊長為1 m的正方形網格觀測區(qū)域,網格測量在溫室東西方向均勻分布5個重復。以10 cm為間距劃分四方格進行光照強度測量,分別在冠層底部(距離地面0.5 m高,第1穗果坐果區(qū)域)、冠層中部(距離地面1.2 m高,第4穗果坐果區(qū)域)和冠層頂部測量光照強度。利用每個1 m2的網格測量區(qū)域南北最邊行數據進行群體行間光照強度分析,并計算透光率。利用Origin2021軟件以每個網格點位數據作圖,分析群體行內光照強度分布特征。

圖1 光照強度網格觀測點田間布置圖Fig. 1 Layout of light intensity grid observation point

番茄冠層透光率[5]

R=Qh/Q0

式中:R——測量高度番茄冠層光照強度透光率,%;

Qh——從地面算起,h高度處的光照強度,Lux;

Q0——群體頂端的光照強度,Lux。

1.3.2 葉片葉綠素熒光參數測量

分別在每壟兩側選取番茄單株功能葉(生長點下第4～5片),用連續(xù)激發(fā)式熒光儀Handy PEA測定葉綠素熒光參數。測定前葉片需暗適應15 min,5次重復。測定光源為630 nm紅光,光強為3 000 μmol/(m2·s-1),測定時長為1 s。利用Handy PEA配套PEA Plus軟件解析葉綠素熒光動力學曲線及相關參數。基本葉綠素熒光參數由儀器直接導出,包括最小熒光強度(Fo)、可變熒光強度(Fv)及各測定時間點熒光強度等;軟件計算參數包括PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、熱耗散量子比率(Fo/Fm)、在J期的相對可變熒光強度(Vj)、在I期的相對可變熒光強度(Vi)、用于電子傳遞量子比率(φEo)、原初光化學產額(ψo)、單位激發(fā)面積反應中心密度(RC/CSm)、單位反應中心吸收光能(ABS/RC)、單位反映中心用于電子傳遞能量(ETo/RC)、單位反應中心用于熱耗散能量(DIo/RC)、單位反應中心用于還原QA能量(TRo/RC)、結構性能指標(PIabs)等,其余參數具體運算過程及含義見文獻[10-11]。

1.3.3 番茄果實品質測量

選擇第3穗果成熟度一致的番茄進行品質分析。果實采用四分法取樣測定,維生素C含量采用2, 6—二氯靛酚法測定;可溶性糖含量采用蒽酮法測定;可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍法測定;總酸采用滴定法[12]測定。

1.4 數據分析

數據采用DPS軟件進行隨機區(qū)組雙因素Duncan’s多重比較,利用SPSS軟件做Persion雙變量相關分析。

2 結果與分析

2.1 東西壟向栽培對番茄群體光環(huán)境的影響

2.1.1 番茄行間群體冠層光照強度

為便于機械化耕作,日光溫室番茄栽培由南北方向起壟變?yōu)闁|西方向起壟,不同壟番茄行間光照環(huán)境差異顯著。由圖2(a)可見,番茄冠層頂部測量光照強度時,試驗溫室上風口位置正對第2壟,導致第2壟番茄冠層頂部光照強度高于其他3壟,其他3壟冠層頂部光照強度沒有顯著差異。番茄行間冠層底部和中部光照強度在溫室由北向南的栽培壟中為逐漸增加的趨勢,每壟番茄行間冠層底部和中部的光照強度均為南側行高于北側。第1壟番茄冠層底部北側、南側行透光率分別為5.25%、9.92%,冠層中部兩側均為19%;第2壟冠層底部透光率為10.57%、31.62%,冠層中部為27.96%、58.98%;第3壟冠層底部透光率為7.54%、47.09%,冠層中部為23.85%、61.9%;第4壟冠層底部透光率為14.71%、42.9%,冠層中部為29.66%、69.11%(圖2(b));可見日光溫室采用東西壟向栽培雙行種植模式時,不同壟間番茄行間透光率由北向南逐漸升高,同壟南側行番茄植株對北側行番茄光照有遮擋,且冠層底部南側行透光率越高,與北側行番茄透光率相差倍數越高,冠層中部透光率不同壟南北兩行相差均在2倍左右,這對壟兩側番茄果實膨大、轉色和成熟產生顯著的影響。

(a) 光照強度

(b) 透光率圖2 東西壟向栽培番茄群體冠層光照強度和透光率Fig. 2 Canopy light intensity and transmittance of tomato population in east-west ridge

2.1.2 番茄行內群體冠層光照水平分布

株行內部(即行內)光照狀況比較復雜,它既受相鄰株行的影響,也受本株行的影響。由于株行存在一定的寬度,因此株行內光照狀況對群體物質生產的影響不容忽視[13]。試驗進一步分析了東西壟向栽培模式下,番茄群體行內部不同高度單位面積光照強度分布特征,如圖3所示。圖3中不同顏色深度表示不同光照強度。在冠層底部,每壟番茄均為兩側光照強度高,壟中心部位光照強度低,第1～4壟所有觀測點平均光照強度依次為2 082 Lux、3 757 Lux、3 262 Lux、3 553 Lux。由北向南4個栽培畦行內平均透光率依次為6.74%、9.91%、10.19%和10.01%,可見除第一壟透光率較低以外,第2～4壟行內冠層底部平均光照強度和透光率沒有顯著差異。

(a) 第1壟

(b) 第2壟

(c) 第3壟

(d) 第4壟圖3 東西壟向栽培番茄群體行內冠層底部光照水平分布特征Fig. 3 Horizontal light distribution at the bottom of canopy of tomato population in east-west ridge

在番茄冠層中部,由北向南第1～4壟所有觀測點平均光照強度依次為4 927 Lux、9 429 Lux、8 365 Lux、8 920 Lux,如圖4所示。4個栽培壟平均透光率依次為15.96%、24.87%、26.15%和25.13%,與冠層底部平均透光率趨勢一致,除第1壟較低外,其他3壟平均透光率較為接近。

(a) 第1壟

(b) 第2壟

(c) 第3壟

(d) 第4壟圖4 東西壟向栽培番茄群體行內冠層中部光照水平分布特征Fig. 4 Horizontal light distribution in the middle canopy of east-west ridge tomato population

2.2 東西壟向栽培對番茄葉片熒光特性的影響

2.2.1 番茄葉綠素a快相熒光動力曲線

植物快速葉綠素熒光誘導動力學曲線(OJIP)可以反映PSII的原初光化學反應及光合機構電子傳遞狀態(tài)等過程的變化,反映樣品光合作用PSII的實際生理狀態(tài)[14],從而分析葉片光合速率受影響的情況。由圖5可見,處于不同栽培壟位置的番茄的OJIP測定曲線形狀變化不大,說明改變栽培壟向,沒有明顯抑制番茄葉片的光合活性。Fo是PSII反應中心處于完全開放時的最小熒光強度,當PSII反應中心被破壞或可逆失活時則可導致Fo的增加[13]。

圖5 東西壟向栽培對番茄葉綠素a快相熒光動力曲線的影響Fig. 5 Effect of east-west ridge cultivation on chlorophyll-a fast phase fluorescence dynamic curve of tomato

試驗發(fā)現1-N、3-N、3-S、4-S番茄葉片的Fo顯著高于1-S、2-N、2-S、4-N,說明第1壟北側、第2壟兩邊及第4壟的南邊番茄葉片葉綠素濃度較低。熒光在O點到J點時不同壟之間差異不顯著,4個栽培壟的北側行番茄葉片熒光強度整體高于南側,其中第1壟北邊(1-N)番茄葉片熒光信號最強,第4壟南邊(4-S)的葉片熒光最低,達到P相最早,說明溫室最南邊的番茄葉片PSII中電子傳遞受到相對較強的抑制。

2.2.2 東西壟向栽培對番茄葉綠素a熒光參數的影響

葉綠素熒光與光合作用中很多反應過程密切相關,能夠反映葉片光合機構在不同光強下的內在變化情況[15],由表1可見,除了4-S的番茄葉片Fv/Fm顯著降低外,其他栽培壟兩側番茄葉片Fv/Fm沒有顯著差異,說明東西壟向栽培對不同栽培壟番茄葉片光化學反應效率和量子比率影響較小,4-S的Fv/Fm較低,可能是靠近溫室采光面南邊下風口低溫造成;除1-N的番茄葉片用于電子傳遞的量子比率φEo、單位激發(fā)面積反應中心密度(RC/CSm)較低外,其他栽培壟沒有顯著差異;1-S、3-S的原初光化學產額ψo最高,1-N的φEo、ABS/RC、ETo/RC、TRo/RC值最低,其結構性能指標(PIabs)也最低,其他壟之間沒有顯著差異。

表1 東西壟向栽培對番茄葉綠素a熒光參數的影響Tab. 1 Effects of east-west ridge cultivation on chlorophyll a fluorescence parameters of tomato

試驗發(fā)現每個栽培壟南側行番茄葉片的單位反映中心吸收光能(ABS/RC)、用于還原QA能量(TRo/RC)、單位反映中心用于電子傳遞能量(ETo/RC)均顯著高于北側行,且壟間TRo/RC、ETo/RC均呈由北向南遞增趨勢。

同時通過J相相對可變熒光(Vj)和I相相對可變熒光(Vi),計算得到PSⅡ捕獲光能從QA傳遞到QB的效率ψET和從QB傳遞到PSI的效率ψRE表現為同壟南側行高于北側行,不同壟由北向南逐步升高的趨勢,可見同壟北側番茄葉片PSII系統(tǒng)電子傳遞能力低于南側行番茄,不同栽培壟中靠近溫室采光面的栽培壟番茄葉綠素a的PSⅡ捕獲能量從QA傳遞到QB的效率較高,能量從QB傳遞到PSI的效率受栽培壟南北兩邊的光照環(huán)境影響較大,光照條件較好的南側行其PS條反應中心受體側QA活性較高,獲得能量后可迅速傳遞給下游受體QB回到原初狀態(tài),使PSⅡ原初反應中心處于活躍狀態(tài),保證光合作用原初反應順利進行。

2.3 東西壟向栽培對番茄產量空間分布的影響

從每1壟南北兩側行番茄產量構成差異來看:第1～2壟,南側行番茄單果重與北側行番茄沒有顯著差異,第3～4壟,南側行番茄單果重顯著高于北側行番茄;第1～4壟向陽南側行番茄單株產量和產量均顯著高于北側行番茄20%左右,如圖6所示。

(a) 單果重

(b) 單株產量

(c) 產量圖6 東西壟向栽培對番茄產量構成分布的影響Fig. 6 Effects of east west ridge cultivation on tomato fruit quality

從4個栽培壟的產量分布來看,單壟總產量由高到低依次為第4壟(20 823 kg/hm2)>第3壟(18 065 kg/hm2)>第1、2壟(15 701、17 277 kg/hm2),差異顯著(P<0.05),產量分布總體趨勢是在溫室空間由北向南逐漸升高,第4壟番茄的產量占總產量28.97%,其次為第3壟占25.14%,再次為第2壟24.04%和第1壟21.85%,總產量為71 866 kg/hm2。

通過兩因素隨機區(qū)組統(tǒng)計分析發(fā)現,因素1栽培壟和因素2南北兩側對番茄單果重、單株產量、總產量均有顯著影響(P<0.05),2因素互作對番茄產量構成沒有顯著影響。

2.4 東西向栽培番茄群體光環(huán)境與品質產量指標相關關系

由表2可見,番茄果實品質指標中,可溶性蛋白質、可溶性糖、可溶性固形物、總酸、糖酸比與番茄冠層底部和中部光照強度均沒有顯著相關關系,只有Vc含量與冠層光照強度呈顯著正相關關系,可見除Vc含量指標,果實中糖、酸、蛋白含量受長壟寬行栽培模式下的光環(huán)境影響較小。在番茄產量指標中,單果重和單行產量均與冠層不同高度的光照強度均為極顯著正相關關系,而單株產量與冠層光照強度沒有顯著相關關系。

表2 番茄品質和產量指標與冠層照度相關系數Tab. 2 Correlation coefficient between tomato quality and yield and light transmittance

2.5 東西壟向栽培對番茄果實品質的影響

由圖7可見,番茄果實中可溶性蛋白含量在第1～2壟之間沒有顯著差異;在第3～4壟中,北側行顯著高于南側行。

(a) 可溶性蛋白質

(b) Vc含量

(c) 可溶性糖

(d) 總酸

(e) 糖酸比

(f) 可溶性固形物圖7 東西壟向栽培對番茄果實品質指標的影響Fig. 7 Effects of east west ridge cultivation on tomato fruit quality

Vc含量在第1壟中北側高于南側行,第2～4壟均為南側行顯著高于北側行,越靠近溫室南邊的栽培壟,南側的Vc含量越高。從番茄果實中可溶性糖含量變化來看,第1壟南北兩側沒有顯著差異,第2～4壟均為南側行顯著高于北側行,不同壟之間沒有顯著差異?？偹岷吭诘?壟和第2壟均為南側顯著高于北側行,第3～4壟中南北兩側沒有顯著差異,但第4壟顯著高于第3壟。試驗番茄果實糖酸比在5.77～8.4之間變化,第2～4壟的果實糖酸比南側行顯著高于北側,第4壟果實糖酸比值顯著低于第1～3壟。可溶性固形物第2壟兩側沒有顯著差異,第1壟為北側高于南側,第3和第4壟為南側高于北側。

通過兩因素隨機區(qū)組統(tǒng)計分析發(fā)現,因素1(栽培壟)對于試驗番茄果實所測品質指標均沒有顯著影響,因素2(南北兩側)只對可溶性蛋白含量有顯著效應,其他指標影響均不顯著(P>0.05)。2個因素互相效應明顯,除了對可溶性蛋白不顯著外,對試驗所測其他品質指標均為顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)影響。

3 討論

3.1 東西壟向栽培對番茄群體光環(huán)境的影響

植株配置方式(行株距)的生態(tài)作用問題,實質上主要是群體結構對群體光能利用的影響問題[16]。在栽培措施相同的條件下,不同栽培壟向,植株所接受的光照條件就會有很大的差異,這是由于太陽的運行方向和植株生長期間的不同光照所造成的。在日光溫室南北壟向栽培模式中,番茄群體內太陽總輻射量在東西方向上差異不明顯,在南北方向上南部最高,北部最低[17]。日光溫室黃瓜群體太陽總輻射分布與番茄類似[18]。在本試驗中,溫室最北邊第1壟番茄冠層底部和中部行內平均光照強度和透光率最低,第2～4壟之間沒有顯著差異。分析葉綠素熒光參數發(fā)現番茄葉片PSII中最大光化學量子產量Fv/Fm在不同壟之間沒有顯著差異,說明東西壟向栽培條件下,溫室的光照條件在南北的空間分布上,能夠保持番茄光能轉換率平穩(wěn),不同栽培壟番茄葉片的光合速率沒有受到顯著抑制。越靠近溫室南邊的栽培壟番茄葉綠素a的PS近捕獲能量從QA傳遞到QB的效率越高,能量從QB傳遞到PSI的效率受溫室空間分布的影響較小。由于壟面上雙行栽培小行距的存在,向陽南側行番茄對北側行番茄光線有遮擋作用,北側的透光率較南側降低50%以上,這對南北兩側番茄產量產生顯著的影響,光照條件較好的南側番茄葉片PS條反應中心受體側QA活性較高,促進光合作用原初反應的順利進行,利于光合產物的積累。本試驗中,南側行番茄果實轉色早,產量顯著高于北側行。相關分析發(fā)現番茄冠層中部和冠層底部的光照強度與番茄單果重有顯著正相關關系,在農作物研究中發(fā)現優(yōu)化群體冠層結構,冠層中下部獲得更多的光能,提高了群體光能利用率,使高產成為可能[19-20],因此生產中可通過提高番茄群體冠層中下部的光照環(huán)境,來促進番茄果實的膨大和單果重的增加。

3.2 東西壟向栽培對番茄產量品質的影響

日光溫室番茄種植由傳統(tǒng)的南北壟向改為東西壟向,番茄群體光照分布隨之發(fā)生變化,冠層中光分布造成的光合作用差異遠遠大于其他因素所造成的差異[21]。試驗溫室番茄不同栽培壟產量分布呈現由北向南逐漸增加的趨勢,第1壟較第4壟占比相差7.12%,同時向陽南側的番茄單果重、單株產量和單行產量均顯著高于北側行20%左右,北側行的葉片有黃化早衰現象,可見東西壟向栽培同一壟雙行的差異大于不同壟之間的差異,但總體產量規(guī)模與常規(guī)栽培產量相近。試驗溫室夏秋茬番茄5穗果產量達到71 866 kg/hm2,在番茄產量指標中,單果重和單行產量與冠層透光率均為極顯著的正相關關系,試驗為夏秋茬口,果實膨大期處于溫室溫度和光照逐漸下降階段,就溫室常規(guī)南北種植模式來看,南北光照也存在分布不均,室內作物長勢不整齊的問題,北邊作物由于光照弱,呈徒長態(tài)勢[22]。因此在日光溫室東西壟向栽培中,根據當地不同茬口溫光環(huán)境條件,可進一步探索單行栽培模式、矮化密植或北側行番茄精準補光技術,來提升番茄群體光環(huán)境條件,提高光合產物積累。采用新型棚膜材料也可減弱改變壟向對光照的影響,如利用散射膜后,日光溫室種植壟向對番茄的生長和產量沒有產生顯著影響[23]。

4 結論

1) 在日光溫室東西向栽培模式中,不同壟番茄行間透光率由北向南逐漸升高,行內平均透光率除第1壟較低外,其他3壟間較為接近,溫室南北空間光照分布對不同栽培壟番茄葉片光化學性能沒有顯著抑制效應。同壟北側的透光率較南側降低50%以上,這對南北兩側番茄產量產生顯著影響,南側番茄葉片熒光光能傳遞效率更高,單果重、單株產量和總產量均顯著高于北側行20%左右,且果實品質優(yōu)于北側番茄。

2) 東西壟向栽培番茄產量分布呈現由北向南栽培壟逐漸增加的趨勢,第1壟較第4壟占比相差7.12%,試驗溫室番茄5穗果產量能夠達到71 866 kg/hm2,不同栽培壟對番茄果實品質沒有顯著影響。