H型栽培架组合方式对光照及草莓生长和产量的影响-农业工程学报2017.2

第 33 卷    第 2 期                         农  业  工  程  学  报                                Vol.33  No.2 234    2017 年      1月           Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering         Jan. 2017        H 型栽培架组合方式对光照及草莓生长和产量的影响王春玲1,2，宋卫堂1,3，赵淑梅1,3，曲明山4（ 1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京  100083；   2. 塔里木大学水利与建筑工程学院，阿拉尔  843300；  3. 农业部设施农业工程重点实验室，北京  100083； 4. 北京市农业局土肥工作站，北京  100029）  摘   要： H 型立体栽培架是目前在生产中应用较广的一种草莓立体栽培装置。针对草莓立体栽培过程中产生的遮光和植株生长不良等问题，该研究提出将两层和三层的 H 型栽培架进行不同组合，通过在日光温室中设置两层 +两层（ T1） 、两层 +三层交替（ T2） 、三层 +三层（ T3）的 H 型栽培架的 3 种布置组合方式，比较不同组合处理下草莓的光照环境、生长及产量的差异。结果表明： T1 上、下层草莓的光照条件最佳， T2 次之， T3 最差；试验期内， T1 上层的草莓达到光饱和点（ light saturation point， LSP）的时间比 T2 增加了 40.0%，并 且 T1 上、下层草莓达到光补偿点（ light compensation point，LCP）的时间分别比 T2 中两层栽培架的上、下层增加了 9.3%和 21.3%； T1 处理草莓的生长状况最佳。 T1 的单元产量最高，为 50.8 kg，分别比 T2 与 T3 的单元产量提高了 2.8%和 33.7%。因此，日光温室内 H 型栽培架以两层与两层相邻的布置方式较适合用于草莓的立体栽培，可在生产中推广应用。  关键词：日光温室；栽培；光照；H型栽培架；草莓；产量 doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.032 中图分类号： S625.3; S628           文献标志码： A           文章编号： 1002-6819(2017)-02-0234-06 王春玲， 宋卫堂， 赵淑梅， 曲明山. H 型栽培架组合方式对光照及草莓生长和产量的影响J. 农业工程学报， 2017， 33(2)：234239.    doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.032    http:/www.tcsae.org Wang Chungling, Song Weitang, Zhao Shumei, Qu Mingshan. Effect of different combinations of two H-type cultivation frames on light and strawberry growth and yieldJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 234 239. (in Chinese with English abstract)    doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.032    http:/www.tcsae.org 0  引  言草莓立体栽培首先于 20 世纪 80 年代在日本出现1，因其产量高、效益好、节省土地、劳动强度低等特点深受广大生产者的喜爱2。随着草莓反季节栽培规模的扩大，中国草莓立体栽培的研究速度也逐步加快。近年来的研究表明： 草莓立体栽培可以提高土地利用率 3 5 倍、提高单位面积产量 2 3 倍3。国内外对草莓立体栽培的模式进行了很多研究，如国内常用的传统 A 字型、改良架式4-5、后墙式6，吊柱式等，国外的如上下摆动式、悬挂式、可拆卸式、可移动式等7-10。  在立体栽培模式的开发和使用过程中，人们对各种模式的环境特点、草莓生长状况进行了研究，同时也进行了相应地改进和调整11-14。宗静等15通过对草莓双层高架栽培模式的气象条件进行测试，发现下层的温、光条件都较上层差，上层草莓可提前 13 d 进行采收。张豫收稿日期： 2016-07-11    修订日期： 2016-11-30 基金项目： “十二五”农村领域国家科技计划课题 植物工厂立体多层栽培系统及其关键技术与装备研究（ 2013AA103002） ；现代农业产业技术体系建设专项（ CARS-25-06B）  作者简介：王春玲，河北承德人。主要从事草莓立体栽培技术方面研究。阿拉尔  塔里木大学水利与建筑工程学院， 843300。 Email： chunlingw130163.com 通信作者：宋卫堂，博士，教授，主要从事设施园艺栽培技术与设备研究。北京  中国农业大学水利与土木工程学院， 100083。 Email： songchalicau.edu.cn 中国农业工程学会会员：宋卫堂（ E040100004M）  超等16对 3 种草莓立体栽培架的生产性能进行了比较研究，明确了单层双列架型操作最便捷，双层品字形架型投入产出比最优，四层阶梯形架型适合草莓立体观光采摘。杨振华17认为 A 型槽架式与立柱式栽培模式经济效益高于高畦栽培。陈一飞等18研发了一种日光温室草莓立体栽培的智能控制系统，该系统可以使草莓的挂果期比传统种植方式平均提前 40 d，产量平均提高 33%。  Li 等19在比较了 A 字型、 H 型、品字型 3 种立体栽培架草莓的生长状况后认为， H 型栽培架的通风和光照更好，同时其种植密度也较另外两种大，获得的产量最高。目前， H 型栽培架因其构造简单、管理方便、使用年限长等优点，在草莓立体栽培中应用较为广泛。本文对 2 种 H 型栽培架的 3 种不同布置方式：两层与两层相邻布置、两层与三层交替布置、三层与三层相邻布置，进行草莓的光照环境特点测试和研究，并对其生长及产量进行测量分析。比较并确定一种布置方式，能够使草莓的光环境较优、生长和产量较佳，以期为生产应用提供指导和建议。  1  H 型栽培架 1.1  栽培架结构 如图 1， H 型栽培架由栽培支架、栽培槽、进水管、回水管等组成。栽培架长 6 m，宽 0.4 m，南北向放置于日光温室内，其中栽培支架是由直径 20 mm 的镀锌钢管焊接而成，为整个栽培架的骨架结构，侧面呈 H 型；栽第 2 期  王春玲等： H 型栽培架组合方式对光照及草莓生长和产量的影响  235 培槽由卡子固定于栽培骨架各层上，其结构从外向内依次由黑白膜 （正、 反面分别为黑、 白两色的聚乙烯薄膜） 、无纺布、防虫网、基质组成；进水管安装在栽培架北部，回水管在南部，栽培架由北向南有 5 10的倾角，以利于多余的水和营养液流出。图 1a、 1b 分别为三层和两层的 H 型栽培架。三层栽培架仅比两层栽培架多一层栽培槽，其他结构相同，具体尺寸如图 2。  a. 三层  a. Three layers b. 两层  b. Two layers 1.栽培支架   2.栽培槽   3.进水管   4.回水管   5.草莓植株  1.Cultivation structure support  2.Cultivation trough  3.Water inlet pipe  4.Water return pipe  5.Strawberry 图1  不同层数H型栽培架示意图 Fig.1  Sketch map of different H-cultivation layers 注： T1 表示两层栽培架与两层栽培架相邻布置； T2 表示两层栽培架与三层栽培架交替布置； T3 表示三层栽培架与三层栽培架相邻布置；下同。图中数值单位： cm。  Note: T1 represents two-layer frames arranged adjacently;  T2 represents two-layer frame and three-layer frame are alternately arranged;  T3 represents three-layer frames are arranged adjacently; the same as below. Numerical unit: cm. 图2  两种栽培架的三种组合及栽培架尺寸 Fig.2 Three combinations of two kinds of cultivation frames and their dimensions 1.2  两种栽培架的三种布置组合 2 种栽培架的组合分为两层与两层相邻布置（ T1）、两层与三层交替布置（ T2）、三层与三层相邻布置（ T3）三种，如图 2。两层栽培架的总高度为 95 cm，三层栽培架的总高度为 160 cm； 栽培槽厚度为 20 cm， 相邻两层的间距为 65 cm，最下层距地面 30 cm；相邻两栽培架的间距为 60 cm20。  2  试验材料与设计 2.1  试验条件  本试验于 2015 年 8 月至 2016 年 4 月在北京市昌平区兴寿镇的一个日光温室内进行，温室东西长度为100 m，南北跨度为 8 m。草莓品种为“红颜”，定植日期为 2015 年 8 月 29 日，株距为 20 cm，行距为 30 cm。每个栽培槽定植两列，共 60 株草莓。  2.2  试验设计 供试栽培架均放置在温室中部，所处环境基本一致，每个处理栽培架 20 个，选择中间位置的 6 个栽培架为试验区，重复 3 次。栽培架和栽培槽的编号见表 1。  表 1  不同栽培架组合中栽培槽的位置编号 Table 1  Position numbers of cultivating troughs in different combine frame combinations 处理  Treatment栽培槽位置  Cultivation trough site 位置  编号  Site number 处理  Treatment 栽培槽位置  Cultivation trough site 位置编号Site number上层  1U 两层中的上层  2U T1 下层  1L 两层中的下层  2L 上层  3S 三层中的上层  2S 中层  3Z 三层中的中层  2Z T3 下层  3X T2 三层中的下层  2X 采用顺序排列的试验设计方法。根据试验设计，将S-LIA-M003 型光照传感器布置于试验区每个栽培架各层的中部、基质上方约 25 cm 的位置，进行草莓冠层光合有效光量子流密度（ photosynthetic photon flux density, PPFD）的测量。  待草莓缓苗后，在每个处理试验区栽培架的每层上，选择植株健壮、长势一致的草莓 24 株进行标记。 2015 年10 月 5 日开始对标记的草莓的株高和叶片叶绿素相对含量（ soil and plant analyzer development， SPAD） 值进行测量。叶绿素相对含量测量方法： 采用 SPAD-502 便携式叶绿素测量仪21，选择草莓新叶外第 3 片叶进行测量，测量时应避开叶脉，每个叶片测量 3 次取平均值。草莓成熟后测量草莓的单株果实个数、平均单果质量、单株产量，测试时间为： 2016 年 1 月 15 日 2016 年 4 月 15 日。  采用 SPSS20.0 软件对数据进行单因素方差分析，显著性由 Duncan 新复极差法检测，采用 Excel 2010 进行数据处理。  3  试验结果与分析 3.1  不同处理栽培架上的光环境特点 为使数据具有代表性，选择典型天气的光照数据进行分析。图 3 是 2016-03-02 2016-03-05（ 4 d）中 T2 和T3 中的三层栽培架上、中、下各层的光照数据，其中 3月 4 日为阴天。由图 3 可以看出， 2 个处理中的栽培架中各层草莓冠层的 PPFD 曲线走势基本一致，但在 4 d 内的相同时刻中 2S、 2Z、 2X 的草莓冠层 PPFD 值均高于 3S、3Z、 3X。 以 3 月 2 日为例， 2S 达到草莓光饱和点22（ light saturation point， LSP） 377.4 566.0 mol/(m2s)的时长比3S 长约 250 min； 2Z 达到 LSP 的时长约为 240 min，而 3Z的全天光照都在 LSP 以下；此外， 2X 达到草莓光补偿点22（ light compensation point， LCP） 94.3 188.7 mol/(m2s)的时长约为 230 min，但 3X 的光照全天都在 LCP 以下。以上结果说明， T3 与 T2 相比，栽培架增加一层会使其中、下层的光照受到了较大程度的遮挡，不利于草莓的生长。  农业工程学报（ http:/www.tcsae.org）                                 2017 年    236 a. T2 三层处理中上、中、下各层的 PPFD 曲线图  a. PPFD curves of each layer of treatment T2 b. T3 上、中、下各层的 PPFD 曲线图  b. PPFD curves of each layer of treatment T3 图3  T2和T3处理栽培架各层的光合有效光量子流密度（2016-03-02 03-05） Fig.3  Photosynthetic photon flux density (PPFD) in each layer of T2 and T3 cultivation frames (2016-03-0203-05) 表 2 是 3 月 12 13 日 2 d 内 T1 和 T2 中的两层栽培架上、下层的光照情况。可以看出 T1 上、下两层 2 d 内达到 LSP 和 LCP 的时长均大于 T2 上、 下层。 累积计算 2 d的 LSP， 结果显示： 1U 的草莓冠层达到 LSP 的时长比 2U增加了 40%； 1L、 2L 达到 LSP 的时长分别为 100、 0 min。1U、 1L 草莓冠层达到 LCP 的时长分别比 2U、 2L 增加了9.3%、 21.4%。因 此 ， T1 处理比 T2 处理的光照环境更佳。  表 2  T1 与 T2 中两层不同布置方式的各层光照环境（ 2016-03-02 03-13） Table 2  Light in different arrangement of two cultural layers (2016-03-02 03-13) 位置  Site 两日内达到 LSP 的时长  Duration of two days reached LSP/min 两日内达到 LCP 的时长  Duration of two days reached LCP/min 1U 770 1 180 1L 100 512U 550 1 080 2L 0 42注： LSP 表示光饱和点， LCP 表示光补偿点；累计采集测量时间为每日7:00-19:00。  Note: LSP represents light saturation point, LCP represents light compensation point; cumulative acquisition time is 7:00-19:00 each day. 3.2  不同处理草莓的生长指标 苗期时，对各处理不同层草莓的株高和 SPAD 进行了测量。从图 4a、 4b 中可以看出， T1 与 T2 处理中各层草莓的株高不存在显著性差异（ P 0.05）。 T2 与 T3 中的三层栽培架上层与中层草莓的株高不存在显著性差异，但其下层草莓株高显著低于上、中层； 2S、 2Z、 2X的株高分别比 3S、 3Z、 3X 分别增加了 2.7%、 3.3%、 6.7%。说明 T2 的三层栽培架上的草莓植株生长情况优于 T3 相应的栽培架上的草莓。  草莓叶片叶绿素含量、 含氮量与 SPAD 值显著相关23，叶片含氮量会影响草莓和其他植物的生长及产量24-26，因此测量草莓叶片的 SPAD 值可以直接反应其生长状况。  由图 4c 可以看出， 1U 与 1L 的草莓 SPAD 值无显著性差异，均分别显著高于 2U 与 2L。说明在两层栽培架中，同一处理栽培架上、下层之间草莓的 SPAD 值无显著性差异；相同层之间 T1 与 T2 处理相比，能显著地提高草莓的 SPAD。图 4d 显示， T2 和 T3 处理的上、中层草莓的 SPAD 高于下层的。其中 2S、 2X 为 30.3、 25.2高于 3S、 3X 的 29.6、 24.7，且有 2Z 的 27.9 显著高于 3Z的 25.7。说明 T2 的三层栽培架与 T3 相比，各层草莓的叶绿素含量均有所提高，反映了 T2 的草莓生长状况在某种程度上优于 T3。  注： 不同的小写字母代表不同处理草莓生长指标差异显著， 显著水平为 0.05。采样时间为 2015-10-05。  Note: Different small letters indicate that there is significant difference of growth indicators between different processing strawberries， significant level is 0.05. Sampling time is 2015-10-05. 图 4  各处理草莓的生长指标  Fig.4  Strawberries growth indicators for each treatment  3.3  不同处理草莓的产量及效益 光照环境是引起草莓生长及产量品质变化的重要环境因素27-33，表 3、表 4 为各处理草莓的产量指标。  表 3  T1、 T2 处理两层栽培架上各层草莓的产量指标 Table 3  Strawberry yield index of T1and T2 on two layers 处理  Treatment位置  Site 单株产量  Yield per plant/g 单株果实个数  Fruit number per plant 平均单果质量Average weight per fruit/g 1U 263.3a 12.2a 21.7aT1 1L 159.6b 8.2b 19.6b 2U 169.0b 8.3b 20.4aT2 2L 120.7c 6.7c 18.0b 注：同一列中不同小写字母表示不同位置草莓间差异显著，显著水平为 0.05，下同。  Note: Same columns with the different small letters indicate that there is significant difference on strawberry yield index between different sites, and significant level is 0.05, the same as below. 第 2 期  王春玲等： H 型栽培架组合方式对光照及草莓生长和产量的影响  237 表 4  T2、 T3 处理三层栽培架上各层草莓的产量指标 Table 4  Strawberry yield index of T2 and T3 on three layers 处理  Treatment 位置  Site 单株产量  Yield per plant/g 单株果实个数  Fruit number per plant 平均单果质量Average weight per fruit/g 2S 192.7b 10.6a 18.3b 2Z 223.9a 10.4a 21.4a T2 2X 117.2d 5.8c 20.3ab 3S 127.6c 6.8b 18.7ab 3Z 116.0d 5.9c 19.6ab T3 3X 73.3e 3.8d 19.3ab 从表 3 可以看出， 1U、 1L 的单株产量分别显著高于2U、 2L，增加量为 94.3、 38.9 g；同时 1U、 1L 的单株果实个数也分别显著高于 2U、 2L，产生此种现象主要是由于 T2 处理中三层栽培架对光照的遮挡所造成。平均单果质量均是上层显著高于下层，并且 T1 大于 T2。由此可见 T1 处理较 T2 处理显著地增加了果实的单株产量和单株果实个数，但 2 个处理对果实的平均单果质量无显著性影响。此外，从表 4 中可以看出 2S、 2Z、 2X 的单株果实个数和单株产量分别显著高于 3S、 3Z、 3X，表现出此差异的主要原因是： T2 的两层与三层栽培架交替布置，光照条件在一定程度上优于 T3 处理的全部三层栽培架的布置方式。 T1 处理的草莓单株产量和单株果实个数高于其他处理， T3 处理草莓产量的相关指标最差，但是其单位土地面积上的种植密度最大。因此，需进一步测试和计算单元面积上各处理草莓的产量和成本，以确定较优的布置组合。  根据不同处理组合中定植的草莓株数，计算试验期间内草莓总产量、经济效益、栽培架成本。每个处理由 2个栽培架为组成单元，因此，以每个处理的 2 个栽培架为计算单位，占地面积为 8.4 m2。栽培架按照 10 a 的使用年限来计算。 3 个处理的草莓总产量及栽培架年成本如表 5。试验期内为草莓产量形成的主要时间段，其平均价格约为 60 元 / kg，由表可知 3 个月内 T1、 T2、 T3 的收益分别约为 3 048、 2 964、 2 280 元。由此可知，所获收益远大于栽培架年成本消耗，因此 3 个处理的效果可直接通过其产量进行比较分析。  表 5  T1、 T2、 T3 处理试验期间草莓的总产量及成本 Table 5  Yield and cost in a period of T1, T2 and T3  处理  Treatment 草莓株数 /株  Plant number 平均单株产量  Yield per plantg 总产量  Total yield kg 栽培架年成本Annual cost of cultivation/yuanT1 240 211.5 50.8 257.0 T2 300 164.7 49.4 321.8 T3 360 105.6 38.0 386.5 注：每个处理单元的总产量所占面积为 8.4 m2，试验测产期为 2016-01-15  2016-04-15。  Note: The total area of each treatment unit is 8.4 m2, the yield test was measured from 2016-01-15 2016-04-15. 从表 5 可以看出， T1 的栽培密度最低，但其单元产量在试验期间内最高，为 50.8 kg，同时其年消耗成本最低。 T1 虽较 T2 栽培密度减少了， 但总产量却提高了 2.8%；T3 的种植密度虽然最大，但其平均单株产量最低。 T1 平均单株产量较 T3 增加了 100.3%，试验期内 T1 的草莓总产量较 T3 增加了 33.7%。由此可知 3 个处理中 T1 是最适合于草莓栽培的布置方式。 4  结  论 本研究对 2 种 H 形栽培架的 3 种不同布置方式，进行了草莓光照环境及其生长状况的测试分析，并对产量和效益进行对比。结果如下：  1）两层与两层栽培架相邻布置的方式（ T1）草莓能够获得较佳的光照环境，三层与三层相邻布置（ T3）的最差，两层与三层交替布置（ T2）的介于前两者之间。典型晴天下，两层栽培架上： T1 上层草莓达到 LSP 的时间比 T2 增加了 40.0%，且 T1 上、下层达到 LCP 的时间分别较 T2 上、下层增加了 9.3%、 21.3%；三层栽培架中T3 的上、中、下三层的 PPFD 值均低于 T2 相应位置。  2） T1 与 T2 的两层栽培架中，上、下层之间草莓的株高和 SPAD 值无显著性差异（ P 0.05），但 T2 与 T3的下层，草莓植株显著低于上、中层，说明 T3 处理的下层草莓的生长受到了影响。  3）试验期间 T1 的单元总产量最高为 50.8 kg，分别比 T2、 T3 处理的单元总产量提高了 2.8%、 33.7%。  因此，在长度 100 m，跨度 8 m 的日光温室内， H 型栽培架以两层与两层相邻的布置方式可使草莓的光环境达到较佳，生长较适宜，同时成本也较低，并且可以获得较高的效益，适宜在实际生产中进行推广应用。  参  考  文  献 1 纪开燕，郭成宝，童晓利，等 . 设施草莓立体无土栽培的主要模式与发展对策 J. 江苏农业科学， 2013， 41(6)：136 138.  Ji Kaiyan, GuoChengbao, Tong Xiaoli, et al. 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