扰流风机对日光温室环境及番茄生长的影响

扰流风机对日光温室环境及番茄生长的影响张 栎 冯晓龙 赵淑梅*王庆荣 任晓萌（中国农业大学水利与土木工程学院，农业部设施农业工程重点实验室，北京100083）摘 要：针对日光温室冬季生产环境密闭、缺少气流扰动的现状，开展了扰流风机日光温室应用效果研究。在测试扰流风机所形成的气流特性的基础上，进一步对连续扰流区域、间歇扰流区域与非扰流区域的温湿度环境以及番茄生长指标进行对比分析。结果表明，扰流风机能够对温室内空气产生有效扰动，风机下 1.5 m 处 0.150.50 m·s-1风速的覆盖范围可达 73%；在正午高温时段（11：3013：30），连续扰流能够使植株冠层空气温度降低 34 、相对湿度增加 8% 左右；在连续扰流作用下，番茄叶片净光合速率（Pn）提高 31%、气孔导度（Gs）提高 57%，有效促进了番茄生长。关键词：日光温室；扰流风机；环境；番茄；生长日光温室是我国自主研发的设施形式，随着生产技术不断提高，在最低气温 -20 的条件下基本可以不加温生产喜温果菜，开创了世界高寒地区不加温生产喜温果菜的先例（李天来，2005）。由于其卓越的生产性能和相对低廉的投资成本，日光温室在我国北方地区得到了广泛应用，目前已占全国设施总面积的 25%（魏晓明等，2012）。温度、光照、湿度、CO2浓度及气流速度等是影响作物生长的重要环境因子，其中温度、光照等在温室环境调控研究中最受关注，但对气流调控的关注相对较少。气流不仅会影响作物冠层空间的环境，还会直接影响作物的光合作用和蒸腾作用。日光温室目前主要依靠自然通风来实现温室智能调控、微生态环境调控（Wang etal.，2002）以及气流组织。由于其通风口设置有限且冬季有很强的保温需求，很多时候无法进行通风（段明辉 等，2014），因此冬季日光温室内的气流调控基本无法实现。在通常无加热及不通风的情况下，日光温室内空气能否流动主要取决于温室内各位置的温差；张栎，硕士研究生，专业方向：设施园艺环境工程，E-mail：zhy-zbqq.com* 通讯作者（Correspondingauthor）：赵淑梅，女，副教授，硕士生导师，专业方向：农业生物环境工程，E-mail：zhaoshumcau.edu.cn收稿日期：2016-06-30；接受日期：2016-07-20基金项目： 公益性行业（农业）科研专项（201203002），现代农业产业技术体系建设专项（CARS-25-D-04），“十二五”农村领域国家科技计划项目（2013AA102407）但因温室内空间有限，温差所形成的气流极其微弱（张起勋，2007）。停滞的空气会导致作物叶面气孔阻力加大、叶面结露以及冠层空间 CO2浓度不足等问题，不利于植物生长（杨振超 等，2007）。因 此，通过人为扰动空气来组织适当的气流，同时调节其他环境因子，提高环境的均匀性，是改善日光温室环境的重要途径（Kuroyanagi，2013）。目前，在连栋温室及塑料大棚中使用较多的空气扰动方式是安装扰流风机（Kuroyanagi，2016）。研究表明，使用扰流风机可以获得良好的气流组织，为作物生长提供适宜的气流速度；可以为作物生长提供相对均一的温湿度环境，降低叶面结露、减少病虫害的发生；可以提高作物生长区 CO2浓度的均匀性，促进温室内 CO2的有效利用（Matsuuraetal.，2003；Yu etal.，2007；Ishii etal.，2012）。关于气流对作物生理和生长的影响，古在丰树等（2007）研究表明，在 00.5 m·s-1风速范围内作物光合速率随气流速度增加而增长，其原因是气流打破了气孔限制进而提升了作物的蒸腾速率与光合速率（杨振超，2006）；现已证实气流可以提高番茄（Shibuya etal.，2006；Thongbai etal.，2010）、甜 瓜（ 杨 振 超 等，2007）、 甘 薯（Kitaya etal.，2004）、叶用莴苣（Jee etal.，2008）等作物的光合速率、产量及品质，减少病害的发生。综上所述，日光温室内使用扰流风机对改善温室环境及提高作物产量、品质有积极意义。52新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 2016（9）：52-57关于日光温室内使用扰流风机的报道相对较少，仅有少数研究者开展了测试与模拟研究，认为使用扰流风机可以改善日光温室冬季室内气流组织与温度分布（段明辉 等，2014；王润涛 等，2014），但对扰流风机自身的影响范围及其在日光温室中的应用方法鲜有报道。针对这一问题，本试验在日光温室冬季栽培条件下，着重测试分析了扰流风机所形成的有效气流范围、对温室环境以及番茄生长的影响，以期为扰流风机的应用推广提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验材料供试日光温室位于北京市通州区潞城镇中农富通园艺有限公司通州基地（39.8° N，116.7° E），长 80 m，跨度 8 m；平常采用自然通风，试验期间无通风、加温措施。供试扰流风机（上海韩庆机电有限公司）风量2 000m3·h-1，直径 30 cm。供试番茄（ Lycopersicon esculentumMill.）品种为诺亚，由中农富通园艺有限公司提供，2015年12月30日定植，株距35 cm，行距90 cm；采用控根基质槽栽培，基质成分为草炭蛭石珍珠岩鸡粪 = 2V1 V1 V1 V；营养液由中农富通园艺有限公司配置，每 7 d 浇灌 1 次；单干整枝，其他栽培管理措施同常规。1.2 试验方法使用 2 台型号相同的扰流风机（SFG3-4 型），分别编号为风机A和风机B，运行时间为2016年2 月 125 日。2 台风机悬挂高度均距地面 2.2 m，南北方向位于温室跨度中部，东西方向分别位于距温室西端20、40 m处，保证风机之间无相互影响 （图 1）。为进一步探讨不同调控方式可能产生的影响，设置了 2 种调控模式，即风机 A 为连续运行模式，运行时间为 10：3014：30；风机 B 为间歇运行模式，运行时间为 9：3011：30 和 13：3015：30；风机 B 的运行模式考虑了温室中午可能进行通风换气，但 2 台风机每天的总运行时间均为 4 h；选取温室东部无风机安装区域为对照区。北8m80m40m测点 3测点 3测点 3风机 A 风机 B20m20m图 1 日光温室内扰流风机及测点分布1.2.1 气流测定 2015 年 12 月 25 日、定植前，于空旷温室内，在距风机高度 0、0.5、1.0、1.5 m处设置4个平面，分别编号为平面1、平面2、平面 3、平面 4；每个平面内设置 1 个 8 m×4 m 的测量区，测量其风速分布；测量区内各方向每隔 1 m设置 1 个测量点，共 45 个测点（图 2）。风速测定采用智能风速风量计（MODEL-6035，风速测量范围：0.0130m·s-1，精度：测量值的 ±3%，日本Kanomax 株式会社），2 次重复，每次每点连续测量10 次，取平均值。受限于温室空间，本试验无法进行更大范围的风速测量，故在古在丰树等（2007）的研究基础之上（在 00.5m·s-1范围内随着风速的增加都会促进作物的光合作用），综合考虑测试仪器的精度和测试现场的影响，将 0.150.50 m·s-1风速作为有效扰流效果，并以此为目标风速，采用 DeltaGraph软件对不同的测试高度分别绘制风速分布图。1.2.2 温湿度测定 各小区分别在距离风机1.5 m的冠层处布置温湿度测点，分别标记为测点1、 测 点 2、 测 点 3（ 图 1）。2016 年 2 月 5 日8：0018：00，每整点测定 1 次，测量仪器为温湿度自动记录仪（Testo-175，温度测量范围：-2055，精度：±0.4；湿度测量范围：0100%，精度：±2%，德国德图集团）。1.2.3 番茄生长指标与光合指标测定 每小区随机选取10株番茄幼苗，2016年2月1日测定株高、茎粗，作为基础数据；2月25日再次测定株高、茎粗及光合指标。株高，采用钢卷尺测量从茎基部到植株生长点的长度；茎粗，采用游标卡尺测量距地面 2 cm 处的直径；叶片净光合速率（Pn）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）等光合指标于上午 11：0012：00 进行53新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES测定，每小区选取10片叶龄一致的叶片，采用便携式光合仪（CIRAS-2，CO2测量范围：02 000mmol·mol-1，精度：0.2 mmol·mol-1；H2O测量范围：075 mb，精度 0.03 mb，美国 PP Systems 公司）进行测定。1.3 数据处理采用 Excel、DeltaGraph 软件进行数据处理、制图及方差分析。2 结果与分析2.1 扰流风机对日光温室内气流环境的影响由图 3 可知，平面 1、平面 2、平面 3、平面 4内达到目标风速（0.150.50 m·s-1）的面积分别占测试区域总面积的 64%、53%、64%、73%，说明使用扰流风机在一定范围内获得了较好的空气扰动效果，其中距离风机 1.5 m 处的扰动效果最佳。进一步观察测试区域南北方向的气流分布情况，可以看出平面 4 和平面 3 的扰动效果好于其他 2 个平面，其中平面 4 在南北方向 4 m 的测试范围内都得到了一定的气流。由此推测，在平面 4 的高度处，南北方向实际获得气流的范围应大于 4 m。本试验中的日光温室跨度为 8 m，除去北侧走道和南侧低矮空间不太适合栽培的区域，南北方向最佳栽培区域6 m左右，将扰流风机悬挂于植株冠层以上1.5 m 高度处，可以为南北方向大部分主要栽培区域提供较为适宜的气流。图 2 日光温室内风速测点分布为进一步分析风机对其下方不同高度处的扰流效果，对不同高度平面、不同范围风速的覆盖区域进行统计分析（表 1）。风速在 0.150.25 m·s-1范围内，平面1、平面2、平面3之间差别不大，气流覆盖区域占总测试区域的33%36%，但平面 4 的气流覆盖区域占总测试区域的 44%；风速在0.250.35 m·s-1范围内，平面2和平面3的气流覆盖区域所占比例均在20%以下，平面1略高，为 22%，平面 4 最高，为 24%；风速在 0.35 m·s-1以上，平面1、平面2、平面3、平面4的气流覆温湿度测点风速测点平面 1平面 2平面 3平面 4风机0.2m0.5m2.5m0.0003.5m0.5m0.5m0.7m4m 4m8m图 3 日光温室内风速分布平面 1南北距离 /m东西距离/m风速/m·s-12 1 0 1 2平面 2南北距离 /m2 1 0 1 2平面 3南北距离 /m2 1 0 1 2平面 4南北距离 /m2 1 0 1 20123456780.500.450.400.350.300.250.200.150.100.050风机54新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES盖区域分别占 22%、4%、20% 和 9%。由于平面 1为风机安装高度平面，生产中不可能将其作为工作面，因此仅将其作为参考；平面2、平面3、平面4 距离风机的高度分别为 0.5、1.0、1.5 m，是可以作为工作面的位置，其中平面 2（距离风机 0.5m）无论从总气流覆盖面积还是各个范围气流分布面积，都不如平面 3 和平面 4；平面 3（距离风机 1.0 m）的不同范围气流分布的均匀性最好，而平面 4（距离风机 1.5 m）在风速 0.150.35 m·s-1范围内的低风速气流所占比例最高。所以，从应用的角度而言，将扰流风机安装在距离植株冠层顶部 1.01.5 m的高度，可以在冠层空间得到比较好的扰流效果。2.2 扰流风机对日光温室内冠层温湿度的影响由图 4 可知，扰流风机的运行在一定程度上改变了日光温室内植株冠层温度的变化规律。与对照（测点 3，无扰流区域）相比，风机连续运行的测点 1 从早上风机启动开始冠层温度就呈现低于测点3 的趋势，这种趋势持续整个风机运行期间；综合整个试验期间的数据，在午后（13：0014：00）温室内温度达到最高值时，测点 1 和测点 3 的温差可达34 。采用间歇运行模式的测点2，在风机运行时段冠层温度亦低于对照。说明，无论采用哪种方式，扰动空气都有一定的降温作用。由图 5 可知，无论是风机连续运行（测点 1）、还是间歇运行（测点2），只要风机运行就会使植株冠层空气相对湿度上升。综合整个试验期间的数据，在温室处于 30 以上高温时，无扰流作用的测点3冠层空气相对湿度最低可降到50%左右；而扰流作用会使冠层空气相对湿度提升 8% 左右，其中正午高温时刻（12：00 前后）提升幅度最大。表 1 日光温室内不同高度处风速覆盖区域风速/m·s-1覆盖范围/%平面 1 平面 2 平面 3 平面 40.150.25 36 33 36 440.250.35 22 18 16 240.350.45 4 2 13 7 0.45 18 2 7 2图 4 日光温室内番茄植株冠层处温度的变化趋势（ 2016 年 2 月 5 日，晴）图 5 日光温室内番茄植株冠层处相对湿度的变化趋势（ 2016 年 2 月 5 日，晴）“K #UÒU U U U U U U U UU U“w%å “w%å “w%å“K ,$%#«Ò“w%å “w%å “w%åU U U U U U U U UU U2.2 扰流作用对番茄生长及光合作用的影响从表 2 可以看出，无论哪种运行模式，风机的扰流作用均对番茄株高有促进作用，其中连续扰流处理的株高显著高于对照；同样，风机所带来的气流对番茄茎粗也有一定促进作用，但各处理间差异未达显著水平。从表 3 可以看出，与对照相比，连续扰流处理的番茄叶片净光合速率（Pn）提高了 31%、胞间二55新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES氧化碳浓度（Ci）提高了 16%、气孔导度（Gs）提高了 57%、蒸腾速率（Tr）提高了 33%，差异均达显著水平；间歇扰流处理除净光合速率显著高于对照外，其他各光合指标与对照差异不显著，但是所有参数均高于对照。表 3 扰流作用对番茄叶片光合指标的影响处理 Pn/mol·m-2·s-1Ci/mol·mol-1Gs/mmol·m-2·s-1Tr/mmol·m-2·s-1非扰流（CK） 17.9c 257.1b 566.4b 6.7b间歇扰流 21.4b 265.2b 584.7b 7.1b连续扰流 23.4a 298.4a 887.7a 8.9a表 2 扰流作用对番茄植株生长指标的影响处理株高/cm 茎粗/mm02-01 02-25 02-01 02-25非扰流（CK） 32.7a 66.5b 6.3a 9.0a间歇扰流 33.0a 68.6b 6.2a 9.3a连续扰流 32.6a 72.7a 6.1a 9.4a注：表中同列数据后不同小写字母表示差异显著（=0.05），下表同。3 结论与讨论本试验结果表明，扰流风机能够对日光温室内空气产生有效扰动。本试验中风机按东西方向安装于作物冠层上方，在其下方 1.5 m 高度位置的东西8m、南北 4 m 的范围内，0.150.50 m·s-1风速的覆盖范围可达 73%，且大部分集中在 0.35 m·s-1以下的低风速区域，扰流效果良好。冬季因保温需求而减少通风或者通风不畅的情况下，晴天中午日光温室内很容易出现高温现象，无气流情况下植株叶面很难散热，最终可能会导致叶面温度高于空气温度（de Gelderetal.，2012）。本试验中，无扰流区域（测点 3）10：0015：00 的温室温度基本都在 30 以上，甚至最高可达 40 ，推测叶面温度应该会更高。有研究表明，过高的温度会对作物产生高温胁迫（李天来和李淼，2009；朱静 等，2012），亦会导致光合午休现象的出现（耿显胜 等，2010）。扰流风机的使用可有效抑制中午高温现象，在中午高温时段 （11：3013：30）可使冠层温度下降 34，对减少高温胁迫具有重要作用；同时增加空气相对湿度 8% 左右，有利于保持光合作用和蒸腾作用。有研究表明，在高温（40 左右）、亚高温（33 左 右）条件下，相对湿度 30%80% 范围内，增加空气湿度可以提高作物光合作用与果实品质（薛义霞 等，2010；张宇 等，2012）。由此可见，扰流风机在正午时刻（12：00前后）的降温提湿作用，及其所形成的气流对叶面的影响，都对作物的生长具有积极意义。本试验结果表明，扰流作用可以提高番茄叶片的净光合速率（Pn）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）等光合指标，其中表现最为突出的是气孔导度，提高了 57%，这说明气流降低了叶面气孔的阻力，打破了气孔限制，进而提升了胞间二氧化碳浓度，同时提高了净光合速率和蒸腾速率，最终表现为番茄株高和茎粗等生长指标的增加，这与杨振超（2006）的研究结果 一致。本试验中，连续扰流运行模式的效果明显好于间歇扰流运行模式。分析其原因主要有两个方面：一是正午高温时段（11：3013：30）的扰流作用因促进了温室内空气的对流，有效降低了冠层温度，减轻了高温胁迫对植物的伤害；二是扰流风机所产生的气流及降温提湿作用能够有效打破气孔限制、缓解作物光合午休现象，有利于提高作物的光合效率，促进物质生产。因此，扰流风机的合理使用时间应该是在中午到午后的高温时段 （10：0015：00）；当然，也要根据实际生产环境进行适当调整。综上，本试验中所用的扰流风机于日光温室中的最佳安装高度为作物冠层以上 1.5 m 左右，控制方式建议采用连续运行模式；尤其是中午温室通风不畅的情况下，扰流风机的使用更为重要。参考文献段明辉，杨方，王润涛，韩飞，刁磊，夏爽2014冬季日光温室气流组织研究农机化研究，36（10）：54-57耿显胜，肖世奇，葛晓改2010植物的光合午休生物学教学，35（12）：59-60李天来2005我国设施园艺发展的方向新农业，（5）：4-5李天来，李淼2009短期昼间亚高温胁迫对番茄光合作用的影 响农业工程学报，25（9）：220-225王润涛，段明辉，杨方，姚阳，张薇，李友泽2014冬季日光温室温度场优化研究东北农业大学学报，45（10）：101-106魏晓明，周长吉，曹楠，盛宝永，陈松云，鲁少尉2012中国日光温室结构及性能的演变江苏农业学报，28（4）： 表 3 扰流作用对番茄叶片光合指标的影响处理Pn/mol·m-2·s-1Ci/mol·mol-1Gs/mmol·m-2·s-1Tr/mmol·m-2·s-1非扰流（CK） 17.9c 257.1b 566.4b 6.7b间歇扰流 21.4b 265.2b 584.7b 7.1b连续扰流 23.4a 298.4a 887.7a 8.9a56新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES855-860薛义霞，李亚灵，温祥珍2010空气湿度对高温下番茄光合作用及坐果率的影响园艺学报，37（3）：397-404杨振超2006日光温室内最佳风速指标与CFD模拟博士论 文杨凌：西北农林科技大学杨振超，邹志荣，王军，陈双臣，李建明2007温室内气流运动速率对厚皮甜瓜生长发育的影响农业工程学报，23（3）：198-201张起勋2007日光温室内空气流动特性研究硕士论文长春：吉林农业大学张宇，宋敏丽，李利平2012亚高温下不同空气湿度对番茄光合作用和物质积累的影响生态学杂志，31（2）：342-347朱静，杨再强，李永秀，顾礼力，张波2012高温胁迫对设施番茄和黄瓜光合特性及抗氧化酶活性的影响北方园艺，（1）：63-68deGelderA，Dieleman JA，Bot GPA，Marcelis LFM2012An overviewofclimateandcropyieldinclosedgreenhousesJournal ofHorticulturalScience&Biotechnology，87（3）：193-202IshiiM，Okushima L，Moriyama H，Furihata Y2012Influence ofcirculationfansonthedistributionofairtemperatureandairvelocityinagreenhouseJournal ofScienceandHighTechnologyinAgriculture，24（3）：193-200JeeH，Hoi CD，Hee RG，Ryu JG，Yul RK2008Effect ofCOY（Cooking OilandYolkmixture）and ACF（Air-circulation Fan）oncontrolofpowderymildewandproductionoforganiclettuceResearchinPlantDisease，14（1）：51-56KitayaY，Shibuya T，Yoshida M，Kiyota M2004Effects ofairvelocityonphotosynthesisofplantcanopiesunderelevatedCO2levelsinaplantculturesystemAdvances inSpaceResearch，34（7）：1466-1469KuroyanagiT2013Evaluation indicatorforgreenhouseaircirculatorperformancesEngineering inAgriculture，Environment andFood，6（4）：197-202KuroyanagiT2016Current usageofaircirculatorsingreenhousesinJapanJarq-japan AgriculturalResearchQuarterly，50（1）： 7-12MatsuuraS，Hoshino S，Kawaguchi T2003Effect ofhorizontalairflowbycirculationfanonthediseaseincidence，growth andyieldoftomatoforcingcultureinavinylhouseBulletin oftheHiroshimaPrefecturalAgricultureResearchCenter，76：11-17ShibuyaT，Tsuruyama J，Kitaya Y，Kiyota M2006Enhancement ofphotosynthesisandgrowthoftomatoseedlingsbyforcedventilationwithinthecanopyScientiaHorticulturae，109（3）：218-222ThongbaiP，Kozai T，Ohyama K2010CO2andaircirculationeffectsonphotosynthesisandtranspirationoftomatoseedlingsScientia Horticulturae，126（3）：338-344WangSX，Li ZW，Liu SZ，Zhang SJ2002Effect ofinsect-proofscreenonsolargreenhouseventilationTransactions oftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering，18（5）：123-125YuI，Cho M，Chun H，Lee I2007Effects ofcirculationfansonuniformityofmeteorologicalfactorsinwarmairheatedgreenhouseProtectedHorticultureandPlantFactory，16（4）：291-296古在丰树，后藤英司，富士原和宏2007最新设施园艺学东京：朝仓书店株式会社Effects of Air Circulator on Environmental Parameter and Tomato Growth in Solar GreenhouseZHANGYue，FENGXiao-long，ZHAOShu-mei*，WANGQing-rong，RENXiao-meng（ KeyLaboratoryofAgriculturalEngineeringinStructureandEnvironment， MinistryofAgriculture， CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering， ChinaAgriculturalUniversity， Beijing100083， China）Abstract：Aiming atthestatusofairtightnessandcirculationinsufficiencyduringwinterseasoninsolargreenhouse，this paperstudiesontheapplicationeffectsofaircirculatorOn thebasesoftestingtheairflowcharacteristicsofaircirculators，comparative testswerecarriedoutontomato（ Lycopersicon esculentum Mill.）growthcharacteristicsandenvironmentalparameters（humidity andtemperature）with 2disturbancetreatments，continuousflowdisturbanceandintermittentflowdisturbance，and noflowdisturbanceservedasthecontrolTheresultsshowedthatthefanscouldproduceeffectiveaircirculation，the coveragerepresented73%，where airvelocityretained0.15-0.50m·s-1inthepositionof1.5mbelowthefansDuring noontime（11：30- 13：30），when temperaturewashigh，the continuousflowturbulencecoulddecreaseairtemperatureby3-4 andincreaserelativehumiditybyabout8%inthepositionofplantcanopyMoreover，the continuousflowdisturbancecouldalsoincreasethenetphotosynthesisrate（Pn）of tomatoleavesby31%，stomatal conductance（Gs）by57%，andthuseffectivelypromotedtomatoplantgrowth.Key words：Solargreenhouse；Aircirculator；Environment；Tomato；Growth57新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES