甜椒根区基质与土垄交界处热通量变化特征*

李宗耕，傅国海，刘文科**



甜椒根区基质与土垄交界处热通量变化特征

李宗耕，傅国海，刘文科

（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室, 北京100081）

在日光温室中采用新型土垄内嵌式基质栽培（SSC）方法栽培甜椒。运用土壤热通量板探究土垄(SR)、标准垄（NR）、窄标准垄（NRn）、矮标准垄（NRs）和种植密度加倍标准垄（NRd）5种不同规格栽培垄东西侧水平方向以及根区垂直方向上热通量昼夜变化特征，探究适合冬季日光温室蔬菜生产的栽培垄。结果表明：各处理热通量均呈相同的昼夜单峰曲线变化特征，但不同处理吸放热的时间有所差异。栽培垄东侧水平方向上，晴天时SR、NR、NRn、NRd4个处理根区吸热的时间为9：00-14：00，阴天时吸热时间延后2h；晴天NRs在23：00-14：00吸热，阴天一直处于吸热状态。栽培垄西侧水平方向上，NRs处理一直为吸热状态，其余4个处理在9：00-17：00吸热。根区垂直方向上热通量变化表明，SR、NR、NRn、NRd4个处理吸热时间晴天为11：00-18：00，阴天为12：00-17：00；NRs放热的时间比其它处理晚2～3h。5个处理在东侧、西侧水平方向上和根区垂直方向上吸放热差值因位置不同有较大差异，在东侧水平方向和根区垂直方向上各处理以放热为主，而在西侧水平方向上吸热较多。东西侧水平方向和根区基质垂直方向上NRs处理基质吸热多放热少，NRd处理基质吸热少放热多，故NRd处理在冬季能更好地维持根区温度，在日光温室冬季和早春季蔬菜生产中具有更好的应用前景。

日光温室；起垄内嵌式基质栽培；甜椒；热通量

土壤热通量是地球表面能量平衡的重要分量之一。对于郁闭冠层，日净土壤热通量不超过净辐射的10%～15%；对稀疏植被或裸地而言，土壤热通量可高达净辐射的50%。土壤热通量是主要的土壤物理参量之一，是日光温室生态系统能量平衡方程中的重要组成部分，对系统的能量比和程度有一定的影响。目前，很多学者致力于研究不同植被环境中土壤热通量的主要机制，并取得了卓著的成果。李韧等指出，土壤热通量与土壤温度梯度变化非常一致。张淼结合不同土壤温度和水分条件，分析了土壤表面热通量的变化规律。张利平等分析了会同杉木人工林土壤热通量特征，周邦社等研究了植被和坡向对土壤热通量变化的影响，但以往的研究主要集中在农田、裸地和森林，对设施温室土壤的热通量研究较少，且缺乏系统、完整的观测结果。

起垄覆膜栽培是日光温室生产中一种常见的栽培方法。起垄覆膜栽培有保水保墒，节水增产等优点。研究表明，起垄后增加了田间通风透光率，改善了田间小气候，有利于提高光合速率，还能有效提高作物根区温度，有利于根系抵御低温危害。而覆盖地膜则能够显著提升土壤温度，提高作物长势，对作物增产的作用明显。徐彦军等研究表明，起垄覆盖膜栽培可以提早马铃薯的出苗期以及成熟收获期，并能增产10%以上。日光温室土壤是重要的蓄热介质，白天吸收太阳能，晚上缓慢释放所储热量对维持日光温室温度有重大作用。日光温室蔬菜多为垄栽生产，垄的蓄热保温能力直接关系到根区温度高低。监测垄热通量昼夜变化是揭示日光温室垄的蓄放热特性的重要手段。

土垄内嵌式基质栽培（SSC）是一种新型日光温室无土栽培方法，具有提高根区温度，增加产量的效果。SSC新型栽培方法将土壤栽培与无土栽培结合，且不同于传统的地上筑槽基质栽培，不但可充分发挥无土栽培的高产高效优势，还充分利用了土垄的蓄热保温性能，且大大节省了建筑材料的使用成本，方便操作。傅国海等在前期研究中表明，SSC栽培相比于纯土垄栽培具有更高的根区温度和较好的温度缓冲能力，本研究利用土壤热通量板，监测土垄和4种不同垄规格的SSC垄东西水平方向上土壤以及根区基质垂直方向上的热通量昼夜变化特征，从热量传递的角度解释SSC的缓冲能力，其结果对日光温室土壤的热交换和传递及系统的能量流动平衡具有重要意义，并可为SSC新型栽培方法的实际应用提供理论支持和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在北京市顺义区大孙各庄镇的日光温室中进行，温室东西向长60m，跨度8m，脊高3.8m。每个小区东西向长16m，宽3m，小区距温室最南端2m，距西侧山墙4m。供试作物为甜椒（L.），品种为“海丰16号”（北京某公司），穴盘育苗，两叶一心时移栽定植。处理内行距为20cm，处理间行距为40cm，每个处理长3m。定植时间为2016年10月28日。

甜椒栽培采用土垄内嵌式基质栽培(SSC)方式，全营养液滴灌方法。SSC栽培方式为：在4种不同规格的铁丝网槽内铺上相同的塑料薄膜，膜的侧面下方打孔便于水热交换，沿南北方向摆放整齐，装入按比例均匀混合的栽培基质(草炭︰蛭石︰珍珠岩=1︰1︰1)；然后在栽培槽四周按照一定的标准培土起垄，将栽培槽嵌在土垄中，外侧培土后覆盖地膜，形成土垄内嵌式基质栽培(SSC)模式，具体结构见图1。

1.2 试验设计

铁丝网槽有3种规格，窄槽（长×宽×高=300cm×6cm×15cm）、矮槽（长×宽×高=300cm×10cm×10cm）和标准槽（长×宽×高=300cm×10cm×15cm），塑料膜的厚度为0.12mm，塑料薄膜侧面通气孔距离底部5cm，孔径1cm，孔距10cm。土垄的规格有5种，依次为土垄（soil ridge，SR）、标准垄（normal ridge，NR）、窄标准垄（narrow normal ridge，NRn）、矮标准垄（short normal ridge，NRs）、加倍密度标准垄（double plant density of normal ridge，NRd），每条垄长3m。不同规格铁丝网槽与土垄搭配形成5个处理（表1），每个处理重复两次。

表1 试验处理垄规格

1.3 测定方法

试验采用国产YM-RT型土壤热通量（河北某公司）采集器，采集栽培垄东西侧面即土壤-基质界面及根区中心（5cm深）垂直方向的热通量昼夜变化。每个处理各选取1垄安放1块热通量板，热通量板布置在每个处理中偏向最东侧的栽培垄上，测点设在距垄最南端0.95m处，热通量板最初设置在土壤与基质的东侧交界处，压实其周围的土壤使其与土壤和基质紧密接触，土壤向根区基质传热时数据为正，反之为负，数据采集频率为每10min1次。每隔3周移动热通量板的位置，移动顺序为：根区东侧土壤与基质交界处—根区西侧土壤与基质交界处—根区中心垂直方向，测定不同时段栽培垄不同部位的热通量昼夜变化。

根据日光温室保温被开闭时间，将白天定义为9：00-16：00，夜间为16：00-次日9：00，选定2016年11月6日00：00-10日24：00（东侧）、2106年12月1日00：00-5日24：00（西侧）和2017年1月2日00：00-6日24：00（根区）3个时段连续5d热通量数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同规格栽培方式根区东侧基质与土垄交界处水平方向热通量变化

由图2可见，2016年11月6日00：00-10日24：00不同规格土垄内嵌式基质栽培（SSC）方式中，根区东侧基质与土垄交界处土壤热通量变化过程基本相同，表现为明显的日变化特点，晴天（11月6-8日）9：00-14：00热通量多为正值，说明此时段热量由土壤向基质传递，14：00-次日9：00热通量多为负值，说明此时段热量由基质向土壤传递，5个处理的热通量均在11：30时达到当日最大，在17：00时达到最小；阴天（11月9-10日）11：00- 16：30热通量多为正值，16：30-次日11：00多为负值，5个处理热通量的数值在13：30达到最大值，在19：30达到最小值。但从图中也可看出，不同规格栽培模式下的曲线并不完全重合，说明各处理根区东侧基质与土垄交界处土壤热通量变化过程并不完全相同。具体表现为，不嵌铁丝网槽即纯土垄栽培（SR处理）晴天时，吸热时长要延后1.5h左右，即在9：00-15：30热通量为正值；窄标准栽培垄（NRs处理）晴天时，吸热时间较长，23：00-14：00一直处于吸热状态，NRs在阴天时全天处于吸热状态，即根区东侧土壤一直在向根区基质传热。连续5个昼夜内SR、NR、NRn、NRs和NRd根区基质吸收的总热量与放出总热量的差值依次为929、-10063、-5063、20960和-13392W·m即NRs＞SR＞NRn＞NR＞NRd。

2.2 不同规格栽培方式根区西侧基质与土垄交界处水平方向热通量变化

由图3可见，2016年12月1日00：00-5日24：00不同规格土垄内嵌式基质栽培（SSC）方式中，根区西侧基质与土垄交界处土壤热通量变化为同升同降的过程，表现为明显的日变化特点，晴天（12月1、2和5日）9：30-16：30热通量多为正值，说明此时段热量由土壤向基质传递，16：30-次日9：30热通量多为负值，说明此时段热量由基质向土壤传递，5个处理的热通量均在14：30达到最大值，在19：30达到最小值；阴天（12月3-4日）10：00-16：00热通量多为正值，16：00-次日10：00多为负值，5个处理热通量的数值在15：00达到最大值，在19：30达到最小值。但从图中也可以看出，不同规格栽培模式下根区西侧基质与土垄交界处土壤热通量变化过程并不完全相同。表现为，嵌入矮铁丝网槽即矮标准垄栽培（NRs处理）其5d内吸热最剧烈且一直处于吸热状态；加倍密度标准垄（NRd处理）的放热过程最剧烈。连续5d内SR、NR、NRn、NRs和NRd共5个处理其根区基质吸收的总热量与放出的总热量的差值为1452、733、5867、44124和-9385W·m，即NRs＞NRn＞SR＞NR＞NRd。

2.3 不同规格栽培方式根区中心基质垂直方向热通量变化

由图4可见，2017年1月2日00：00-6日24：00不同规格土垄内嵌式基质栽培（SSC）方式中，根区中心基质垂直方向热通量变化过程基本相同，表现为明显的日变化特点，5d中各处理均在早晨7：00左右出现最小值，在13：00出现热通量的最大值；晴天（1月2-4日）11：00-18：00热通量多为正值，说明此时段热量由表层基质向下层基质传递，18：00-次日11：00热通量多为负值，说明此时段热量由下层基质向表层基质传递；阴天（1月5-6日）12：00-17：00热通量多为正值，17：00-次日12：00多为负值。从图中也可以看出，不同规格栽培模式下的曲线并不完全重合，说明各种条件下根区中心基质垂直方向上热通量的变化存在差异。具体表现为，不嵌铁丝网槽即纯土垄栽培时（SR处理）无论晴天还是阴天吸放热均在5个处理中最剧烈；嵌入矮铁丝网槽即矮标准垄栽培时（NRs处理）下层基质从上层基质吸热的时间长，即下层基质吸放热转化的时刻相比其它4个处理要晚2～3h，且NRs处理比其它4个处理下层基质吸热多放热少。SR、NR、NRn、NRs和NRd共5个处理在完整5d天内上层基质向下传递的总热量与下层基质向上传递的总热量的差值为1638、-2427、-7174、19036和-18804W·m，即NRs＞SR＞NR＞NRn＞NRd。

3 结论与讨论

不同规格栽培垄东西侧土壤与基质交界处和根区中心基质垂直方向热通量有明显的日变化规律，且在不同天气时均呈现同升同降的单峰曲线日变化，变化规律较一致，这与崔海等研究结果一致，但不同规格栽培模式下热通量变化特征具有一定的差异。栽培垄东西侧交界处和根区中心3个方向上热通量出现峰值时间不同，根区基质垂直方向上最早达到热通量的最大值，其次为东侧土壤与根区基质交界处和西侧土壤与根区基质交界处，根区垂直方向和东侧土壤与基质交界处热通量出现最大值的时间比西侧交界处提前了2h；一日内，根区垂直方向热通量最早出现最小值，东、西侧土壤与基质交界处热通量最小值出现的时间相同，均为19：30。栽培垄东西侧交界处和根区中心3个方向上吸热时长存在差别，东侧土壤与基质交界处吸热时间最短，比西侧交界处和根区中心基质垂直方向上吸热时间短2h。

东侧土壤与根区基质传热过程中，NRd处理根区放热最剧烈，晴天时NRd处理根区吸热最剧烈，阴天时NRs处理吸热最为剧烈，并且在阴天时NRs处理根区一直处于吸热状态，说明阴天时NRs根区温度一直低于东侧土壤温度。在西侧土壤与根区基质传热的过程中，NRs处理的吸热最为剧烈，一直处于吸热状态，以NRd处理的放热过程最为激烈，说明在夜间温度较低时根区中心基质的温度可以维持在一个较高水平并向侧面土壤传递热量。根区垂直方向上的热通量日变化与两个侧面水平方向上的热通量日变化不同，垂直方向上SR处理的吸放热过程最为剧烈，NRs放热最少，根区基质开始吸热的时间比东西侧方向延后3h。东西侧水平方向上和根区垂直方向上NRs处理根区吸放热差值最大，并且在西侧土壤与根区传热过程中，NRs一直处于吸热状态，说明NRs处理根区温度要低于侧面土壤温度，故根区吸收的热量要远大于放出的热量；东西侧水平和根区垂直3个方向上NRd处理根区基质吸收的热量远小于根区基质放出的热量，故NRd处理的根区温度相对较高。因此，在冬季和早春季温室蔬菜生产中，在夜间相同空气温度条件下，NRd处理根区温度大于两侧土壤温度，能更好地维持夜间温度，在一定程度上抵抗低温胁迫，利于作物生长。

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Heat Flux Changes at Junction between Root Zone Matrix and Soil Ridge of Sweet Pepper

LI Zong-geng, FU Guo-hai, LIU Wen-ke

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agricultural, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)

A novel soil-ridged substrate-embedded cultivation (SSC) method was used to cultivate sweet peppers in Chinese solar greenhouse. Five treatments, including soil ridge (SR), normal ridge (NR), narrow normal ridge (NRn), short normal ridge (NRs) and the double plant density of the normal ridge (NRd), were set to observe diurnal heat flux changes of east and west horizontal directions and the vertical direction of the root zone by using heat flux plates, and select a kind of ridge which was most suitable for vegetables winter production in Chinese solar greenhouse. The results showed that soil heat flux of each treatment presented unimodal curve diurnal changes synchronously, but the time of heat absorption and heat release were different. For east horizontal direction of ridges, the root zones of SR, NR, NRn and NRd absorbed heat at 9：00-14：00 on sunny days, and the time of heat absorbing delayed 2 hours on cloudy days. NRs absorbed heat at 23：00-14：00 on sunny days, and NRs absorbed heat all day when it was cloudy. For west horizontal direction of ridges, NRs absorbed heat all the time, and the rest four treatments absorbed heat at 9：00-17：00. In the vertical direction of root zone, heat flux changes showed that SR, NR, NRn and NRd absorbed heat at 11：00-18：00 in sunny days and 12：00-17：00 in cloudy days. Release heat time of NRs was 2-3 hours later than other treatments. Difference of heat absorption and release of five treatments changed with different locations on horizontal directions of east and west and vertical direction of root zone. Each treatment primarily absorbed heat on the horizontal direction of east side and vertical direction of root zone, but released heat on the horizontal direction of west side. In the junction between east and west lateral soil of ridge and matrix of root zone, the heat absorbed by the root zone of NRs was larger than that of the exothermic heat, while that of NRd was much less than released. So NRd treatment could maintain well root zone temperature in winter, it had a better application prospect in vegetables production in winter and early spring in Chinese solar greenhouse.

Chinese solar greenhouse; SSC; Sweet pepper; Heat flux

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.10.006

李宗耕,傅国海,刘文科.甜椒根区基质与土垄交界处热通量变化特征[J].中国农业气象,2017,38(10):672-678

2017-03-11

。E-mail：liuwenke@caas.cn

“十三五”国家重点研发计划项目课题（2016YFD0801001）

李宗耕（1993-），硕士生，研究方向为设施作物根区环境控制。E-mail：lizonggeng93@163.com