日光温室土壤温度环境边际效应

第 25 卷 第 5 期 农 业 工 程 学 报 Vol.25 No.5150 2009 年 5 月 Transactions of the CSAE May 2009日光温室 土壤 温度 环境边际 效应孙治强1，孙丽2，王谦3，李胜利1（ 1 河南农业大学 园艺学院 ， 郑州 450002； 2 河南科技学院 园林学院 ， 新乡 450002； 3 河南农业大学林学院 ， 郑州 450002）摘 要 ： 为探索 日光温室 边际区域的界限和边际环境 特点 ， 在暖温带的河南省郑州市冬春季 ， 选择当地有代表性的全钢架无支柱日光温室 ， 实测 了 边 际 土壤温度 ， 测 试 确定日光温室边际区域的界限点 。 结果表明 ： 土温界点在不同时期是不同的 。 11 月下旬土温界点距离南底脚 105 cm。 在最冷的 1 月 ， 土温界点距南底 脚 270 cm。 3 月下旬 ， 此界点距南 底 脚 仅为 45 cm。 土温界点在一天中也是不同的 。 代表最冷季节的 1 月中旬最远界点出现在 6 00 8 00， 距南底 脚 285 cm，最近界点出现在 15 00 17 00， 距南底 脚 150 cm。 边际区域的界点可作 为日光温室优化设计 的指标 ， 并指导 设施保护区域自然资源的充分利用 。关键词 ： 日光温室 ， 土温 ， 设计 ， 边际效应 ， 界点doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2009.05.029中图分类号 ： S625 文献标识码 ： A 文 章编号 ： 1002-6819(2009)-5-0150-06孙治强 ， 孙 丽 ， 王 谦 ， 等 . 日光温室土壤温度环境边际效应 J. 农业工程学报 ， 2009， 25(5)： 150 155.Sun Zhiqiang, Sun Li, Wang Qian, et al. Marginal effect of the soil temperature environment in greenhouseJ. Transactions of theCSAE, 2009,25(5)： 150 155.(in Chinese with English abstract)0 引 言日光温室保护环境中 ， 边 际 区域的温度环境与其内部有着很明显的不同 ， 这是人们都注意到的现象 。 而日光温室保护区域内空间的充分利用 ， 最大程度 地 提高设施的保护效能是日光温室设计追求的目标 。 然而 ， 日光温室边际区域的界限研究 较少 。 这 在 一定程度 上 影响了日光温室边缘区域保护地资源的合理利用 。 日光温室边际区域的环境特征 ， 以及这个区域内种植的作物的生态环境特征 ， 与植物生态学中的边际效应有着一定的关联 。植物生态学中 ， 两 个或多个不同生物地理群落交界处 ，往往结构 复杂 ， 出现了不同生境的种类共生 ， 种群密度变化较大 ， 某些物种特别活跃 ， 生产力也较高 ， 这种现象称为边际效应 1。 即在两个或多个不同性质的生态系统交互作用处 ， 由于某些生态因子如物质 、 能量 、 信息 、时机或地域等系统属性的差异和协合作用而引起系统某些组分及行为如种群密度 、 生产力和生物多样性等的较大变化 ， 称为边际效应 2。 这种边际效应的概念与日光温室的边际环境是有差异的 ， 因为日光温室边缘区域是种植的作物与保护设施的界面 ， 没有作物的交叉 。 但边际效应还有另 外的解释 。 有人认为 ， 边际效应是两个相邻的生态系统相互作用的结果 , 这种相互作用是生物的和非生物的综合作用过程 3。 将边际区域的组成由群落与群落交错扩展到了生物的和非生物环境 。 这就涵盖了日光温室边际的情形 。 更为广义的概念 ， 将边际效应定义为 ：两种不同相物质或社会现象交融的界面可称为过渡带或收稿日期 ： 2008-09-30 修订日期 ： 2009-04-09基金项目 ： “ 十一五 ” 国家科技支撑计划 园艺作物安全高效生产关键技术研究与示范 （ 2006BAD07B04 8）； 河南省基础与前沿技术研究计划（ 082300430060） 资助作者简介 ： 孙治强 （ 1957）， 教授 ， 博士生导师 ， 研究 方向设施园艺 。 郑州 河南农业大学 ， 450002， Email: sunzqpublic.zz.ha.cn过渡界面 ， 过渡带或过渡界面中物质动态交融过程所体现出来的物理 、 化学 、 生物等特性 ， 可称为边际效应 4。这里提出了过渡带和过渡界面的概念 ， 日光温室的边际温度环境也存在着这样的过渡界面 ， 本文试图确定这个界面的位置 。 农业生态学认为 ， 边际效应是 由于土壤 、气象 、 生物等因素不同 ， 造成农田边际与中心植株 产量有明显的差异 5。 从这个意义上讲 ， 日光温室温度环境的边际效应是十分明显的 。 日光温室边际区域温度环境在许多研究者的文献中有论述 6-9， 陈端生还对中国节能型日光温室建筑与环境研究进展情况进行了综述 ， 分析了日光温室内土壤温度和空气温度分布 10。本文用 实测日光温室边缘 土壤 温度环境 ， 确定日光温室边际区域的界限 ， 丰富 温室环境研究 的内涵 ， 并为日光温室优化设计和设施保护区域自然资源的充分利用奠定理论基础 。1 材料和方法1.1 温室与仪器本试验在河南省郑州市 （ 34.5°N， 113.5°S） 西北郊绿金 园 农业科技有限公司基地 内进行 ， 温室长 70 m， 跨度 10 m， 前屋面为钢架结构 ， 无滴膜覆盖 ， 并覆盖有10 cm 草苫 ， 草苫上覆有防雨膜 ， 采用卷帘机机械卷苫 。北墙厚度为 60 cm， 内部为 24 cm 红砖墙 ， 外部为 12 cm红砖墙 ， 中间为土壤填充 。 试验温室种植茄子 （ Solanummelongena L.） 品种为特早油茄王 ， 早熟品种 ， 株高 7590 cm， 育苗时间是 2007 年 7 月 15 日 、 定植时间是 2007年 9 月 5 日 。 种植密度为每畦栽两行 ， 行距 50 cm， 株距40 cm。 每行铺设一条滴灌管 ， 滴头间距与株距相同 ， 亦为 40 cm， 整枝方式为双杆整枝 。温室管理 ： 气温达到 30 以上时放风 ， 先打开前屋面顶窗通风设施 ， 温度继续增高时 ， 打开后墙通风口 。第 5 期 孙治强等 ： 日光温室土壤温度环境边际效应 151温度若再升高 ， 打开前屋面腰窗的棚膜 。 下午温度降至18 左右 时 关闭风口 ， 先关闭后墙通风口 ， 温度再下降则关闭前屋面顶窗通风设施 。 室外气温稳定在 12 13以上时 ， 不关闭风口 。 夜间温室盖草苫保温 。 一般在上午 7 00 8 00 时 揭苫 ， 下午 17 30 18 30 盖苫 。阴天揭苫推迟 ， 盖苫提前 。测温仪器为 CID（ 北京 ） 生态科学仪器有限公司生产的 CB-0221 多点测温仪 ， 测温范围 -40.0 60.0 ， 测温精度为 0.2 。 该仪器 为自动记录的仪器 ， 相邻两次采集的时间间隔不小于 12 min， 且 存储的温度值为采集时间点前后 5 min 的平均值 。1.2 监测方法为测得土温由温室边缘向内部过渡的情况 ， 同时为避免东西两侧的影响 ， 将测点选在温室东西方向的中部 ，并在温室南底脚向温室内部依次顺序布点 ， 第一个测点设在距南底 脚 15 cm 处 ， 以后 每 15 cm 设一个测点 ， 共设18 个测点 ， 并且 ， 在温室南北方向的中部再设一个对照测点 。 每个测点均测定 10 cm 土温 。 在日光温室越冬茬茄子的主要生育期内 （ 2007 年 11 月下 旬 2008 年 3 月下旬 ）， 每 10 d 对日光温室内的南边际的土壤温度进行一次观测 ， 并同步观测边际作物和中部作物的生育状况 ，以得出秋冬季日光温室边际环境因子的变化特性及对温室作物的影响 。测定具体时间 的 天气 状况为 晴或多云 。1.3 数据处理方法将观测 原始数据输入 Microsoft Excel 电子表格 ， 以测点编号 为 横 坐标 （ 每两个测点编号间代表 15 cm） ， 以测得的土壤温度 为 纵 坐标 ， 生成散点图 ， 对分散数据点进行回归 分析 ， 并计算回归方程与 决定 系数 R2， 通过 R2检验回归的显著性 ， 如果显著则可用所得的回归方程模拟边际 土温的变化 ， 并确定边际的界点 。边际土温界点的 确定 ： 用所得回归方程计算的土壤温度 模拟值进行方差分析和多重比较 ， 即 从最边缘测点向温室内部各测点的模拟值均与温室中部测点的土温进行方差分析和多重比较 。 最南缘的测点 1 与温室中部相差较大 ， 差异显著 ， 而向温室内部过渡 ， 这种差异的显著性减少 ， 直 到与中部对照值差异显著的最后 一 个 测点 ，这一 测点 的 序号 ， 即变温区与恒温区在观测时间的土温界点 。 方差分析及多重比较 的方法 采用 DPS 数据处理系统 中随机区组设计单因素方差分析邓肯新复级差法 。2 结果 与 分析2.1 土壤温度边际界点的确 定以 2008 年 1 月 23 日南侧土温边际界点的确定为例 ，描述土温数据处理过程 。 南侧边际土温共设 18 个测点 ，测点 1 从 南底 脚 开始 。 将观测南侧土温数据按土温上升 、土温下降 、 土温出现极大值 、 土温出现极小值 4 种情况分成 4 时段 ， 分别为 00 00 06 00、 07 00 12 00、13 00 18 00、 19 00 24 00， 然后分别对各时段各观测点的值求平均 ， 再以测点序号为横坐标 ， 温度为纵坐标做图并添加趋势线 ， 如图 1。 得出各时段趋势线公式和 决定系数 R2 值 ， 由决定系数计算相关系数 R， 可知相关系数 均大于 0.9， 说明 模拟效 果很好 。图 1 南侧 10 cm 土温 由南底脚向温室中部 的变化 （ 2008.01.23， 晴 ）Fig.1 Changes of the soil temperature at a depth of 10 cm from the south to the middle of the greenhouse152 农业工程学报 2009 年根据所得 4 个时段的 回归模式 ， 计算 不同时段 与南底脚不同距离 上 的土壤温度值 ， 直至 接近中部 土壤温度对照值为止 ， 1 月下旬南侧 10 cm 土温中部对照值为8.62 ， 故 用回归模式计算至接近并略大于此值 （ 本次 试验数据计算至 第 20 点 ）。将求得的 4 组 土壤温度 值 用 DPS 软件中随机区组设计单因素方差分析 中的 邓肯新复级差法 ， 进行方差分析及多重比较 ， 结果 5%显著水平下和 1%显著水平下均是从第 18 个测点开始与中部对照值具有显著差异 ， 即 从第18 个测点开始向中部 ， 土壤温度 与中部接近 ， 而从第 18点向南底 脚 测点温度是不断降低的 ， 也就是说第 18 个测点正是南侧土温 边际区域 的一个界点 ， 此点距离南底脚270 cm。 根据所得回归模式可以看出 ， 边际区域越靠近南底脚 ， 土温的变化差异越大 ， 这个结果同时也印证了前人的研究 9,11。2.2 边 际土温界点 在冬季内的 变化按上述方法 ， 对 2007 年 11 月下旬 至 2008 年 3 月下旬全部数据 进行处理 ， 得各观测时间对应的 1%显著水平下的界点 位置 图 ， 如图 2。 由图 2 可知 ， 土温界点在不同时期是不同的 ， 观测初期 ， 南土温界点距南底 脚 105 cm，温室南部种植作物的区域距离南底 脚 80 cm， 这说明作物已在低温区内 ， 边际效应已经存在 。 在最冷的 1 月 ， 土温界点距南底 脚 270 cm， 对跨度为 10 m 的温室而言 ， 边际区域 延伸达 2.7m 之多 ， 这就说明边际效应的存在是不容忽视的 。 到 3 月下旬 ， 此界点距南底 脚 仅为 45 cm， 远小于南部作物 距南底 脚 的距离 ， 可以认为 土壤温度边际区域 对作物的影响已经不存在了 。图 2 南侧边际土温界点的季节变化Fig.2 Seasonal changes of south marginal soiltemperature boundary point2.3 南侧边际土温界点的日变化选择 2008 年 1 月中旬的土温观测数据 ， 每 3 h 一组 ，共分 8 组 ， 按上述土温界线确定方法进行处理 ， 结果 土温界点的日变化情况 如 图 3。 由图可知 ， 土温界点在一天中不同时段是不同的 。 最远界点出现在 6 00 8 00，距南底 脚 285 cm， 最近界点出现在 15 00 17 00， 距南底 脚 150 cm。 在最冷的 1 月 ， 一天中最远最近界点相差 135 cm， 说明南侧土壤温度的昼夜温差很大 ， 这就要求重视南部边际土温在夜间对温室环境及作物的影响 。图 3 南侧边际土温界点的日变化 （ 2008.01.25， 晴 ）Fig.3 Daily changes of south marginal soil temperatureboundary point2.4 边际作物的生长状况2.4.1 边际植株状况边际区域与温室中部植株长势观测结果 如表 1， 可见 ， 中部茄子的株高 、 茎粗明显大于南侧边际区域 。 南侧株高的生长量是中部的 82.3%。 南侧茎粗生长量是中部的 90.4%。表 1 边际作物与中部作物的生长状况Table 1 Stem diameter and plant height of marginaland middle crops株高 /cm 茎粗 /cm观测 时间/年 -月 -日 南侧 中部 南侧 中部2007-11-26 43.50 56.50 0.73 0.852007-12-05 46.50 60.25 0.80 0.902007-12-12 47.75 61.50 0.83 0.952007-12-30 53.50 65.50 1.00 1.062008-01-07 62.63 72.50 1.04 1.152008-01-15 64.13 74.00 1.07 1.182008-01-23 64.63 75.00 1.08 1.22平均值 54.66 66.46 0.94 1.042.4.2 边际作物的光合特性典型天气 ， 上午 9 00 11 00， LI-6400 测定系统测定茄子植株的净光合速率 （ Pn）、 气孔导度 （ Gs）、蒸腾速率 （ Tr） 和叶温 （ Tleaf）， 见表 2。 同一天气条件下 ， 南侧边际区测定值均低于中部 。Tr、 Gs 随光合有效辐射 PAR（ 0 1400 mol/(m· s)增加而增加 ， 见图 4。 总的来看 ， 南部边际区域蒸腾速率 Tr 低于中部 。 辐 照 度 0 1000 mol/(m· s)时 ， 南侧边际区域的 Tr 低于中部 ， 1000 1500 mol/(m· s)时 ， 二者第 5 期 孙治强等 ： 日光温室土壤温度环境边际效应 153相近 ， 高于 1500 mol/(m· s)时 ， 南部又低于中部 。 气孔导度 Gs 是南部高于中部 ， 尤其是在 PAR 为 10001500 mol/(m· s)时 ， 南侧边际区域气孔导度明显比中部高 。表 2 不同天气条件下不同部位作物的光合特性指标Table 2 Photosynthetic characteristic indices of crops at different parts under different weather conditions天气 作物 净光合速率 Pn/mol· (m2· s)-1 气孔导度 Gs/mol· (m2· s)-1 蒸腾速率 Tr/mol· (m2· s)-1 气温 / 叶温 /南侧 10.30 0.175 2.870 23.2 21.6晴天中部 10.65 0.184 2.965 23.6 21.8南侧 8.15 0.140 1.83 16.7 15.4阴天中部 8.85 0.169 1.945 16.6 15.1图 4 不同部位作物蒸腾速率和气孔导度对光合有效辐射的响应 （ 2008.01.01,晴 ）Fig.4 Response of transpiration rate and stomatal conductance to phosynthetically active radiation of crops at different parts图 5 为 南侧边际区域与中部净光合速率 Pn 与 PAR的 关系测定结果和回归 趋势线 。 根据回归趋势线 ， 可以计算出光饱和点 （ LSP） 为 1470 1600 mol/(m· s)， 与文献 12 14报道数值相当 。 南侧 边际区域 光饱和点值 大于中部区域 。图 5 温室内不同部位作物净光合速率对光合有效辐射的响应(2008.01.01， 晴 )Fig.5 Response of net photosynthesis rate to photosyntheticallyactive radiation of crops at different parts in greenhouse为求光补偿点 ， 分析光合有效辐射 0 200 mol/(m· s)的净光合速率 ， 如图 6。 从图中可以看出 ， 光补偿点在75.9 93.6 mol/(m· s)， 与文献 15报道数值相当 。 南侧边际区域大于中部 。图 6 不同部位作物光补偿点趋势线 （ 2008.01.01， 晴 ）Fig.6 Trend line of light compensation points of cropsat different parts3 结论和讨论1） 本试验条件下 ， 在一天中的土温上升 、 土温下降 、土温出现极大值 、 极小值阶段 日光温室 10 cm 土温从南底脚向温室中部 均上升 。 土壤温度存在着与日光温室中部边际区域不同的边际区域 。2） 土温界点在不同时期是不同的 。 本试验条件下 11月下旬土温界点距离南底脚 105 cm。 在最冷的 1 月 ， 土温界点距南底 脚 270 cm。 到 3 月下旬 ， 此界点距南底 脚仅为 45 cm。3） 土温界点在一天中也是不同的 。 本 试验条件下代表最冷季节的 1 月中旬最远界点出现在 6 00 8 00，154 农业工程学报 2009 年距南底 脚 285 cm， 最近界点出现在 15 00 17 00， 距南底 脚 150 cm。4） 南侧边际区域蒸腾速率 Tr 低于中部 ， 气孔导度明显比中部高 。 光饱和点值大于中部区域 ， 光补偿点南侧边际区域大于中部 。5） 边际区域的界点及其日变化 、 季节变化显然与日光温室设施的保护性能密切相关 ， 因此边际区域的界点可作为衡量日光温室优化设计的指标 ， 并指导设施保护地自然资源的合理利用 。参 考 文 献 1 Chen J Q, Franklin F J, Spies T A. 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College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)Abstract: The soil temperature of the marginal area in the greenhouse of steel frame with no pillar was measured and theboundary points were determined in Spring and Winter in Zhengzhou, Henan Province at warm temperate zone. Theresults showed that the boundary point was different from each other in different days. The boundary point in the last tendays of November was 105 cm apart from the south edge of the greenhouse, whereas in January it was 270 cm, and inthe last ten days of March it was only 45 cm. The boundary point was also different from each other in the different time.In January, the boundary point of 6:00 8:00 was the farthest, that was 285 cm, whereas during 15:00 17:00 it was thenearest, that was 150 cm. The boundary point of marginal area can be used as an index of the optimized design of agreenhouse, and it is helpful for the full utilization of the natural rescources protected by the greenhouse.Key words: solar greenhouses, soil temperature, design, marginal effect, boundary point