起垄内嵌基质栽培对日光温室夏季黄瓜根区温度、生长和产量的影响

李宝石，刘文科，王奇，邵明杰

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

日光温室作为北方特有的温室类型，在国内蔬菜反季节栽培中占有重要地位［1-2］。然而，由于日光温室密闭性较好，导致室内外空气流通较差，加之夏季光照充足，易造成室内高温，形成高温胁迫，不利于蔬菜生长［3-5］。因此，发展日光温室低碳节能的降温措施对保证蔬菜安全越夏、实现周年生产具有重要意义。

土壤起垄栽培是传统的生产模式［6-7］，然而由于温室内长期土壤栽培极易造成连作障碍、次生盐渍化和地下水污染等问题［8-10］，成为制约温室蔬菜生产的主要瓶颈。基质栽培作为解决土壤连作障碍、次生盐渍化等问题的一种栽培方式，逐渐得到推广和应用［11］。但是，基质结构性质导致其稳定性较差［12-13］，在夏季高温阶段对植株生长非常不利［5］。因此，针对温室蔬菜栽培过程中的问题，结合土壤栽培和基质栽培各自的优势，傅国海等［13］提出了一种新的无土栽培方法——起垄内嵌基质栽培（soil-ridgesubstrate-embedded cultivation，SSC）。前期研究表明，该方法充分利用了土壤的根区缓冲能力，且发挥了基质栽培高产高效的优势［14］。此外，相对基质栽培，起垄内嵌基质栽培能够使根区温度降低1.5℃，说明其具有一定的降温效果［15］。

李宗耕等［16］和胡广荣等［17］研究指出，不同栽培垄的高度和宽度对作物根区温度的响应不同，进而影响作物生长。然而前人并未探究栽培垄规格对夏季蔬菜栽培根区温度和生产性能的影响。因此，本文在前期研究的基础上，通过覆盖银色地膜及对SSC的垄设置不同规格，研究适宜夏季栽培的SSC垄规格，从而为起垄内嵌基质栽培方式的推广和应用提供科学的参数支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

选取黄瓜品种“中农19号”为试验材料，采取穴盘育苗，育至两叶一心时，于2019年4月29日定植于中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所试验基地（北京市顺义区大孙各庄镇，E 116.91°，N 40.08°）的日光温室中。温室0—20 cm土层土壤的养分含量为：有机质14.31 g·kg-1、全氮1.17 g·kg-1、氨态氮3.15 mg·kg-1、硝态氮147.47 mg·kg-1、速效钾 128.08 mg·kg-1、速效磷1.22 mg·kg-1，pH 7.19。

1.2 试验设计

试验共设置4个处理，分别为：上底宽20 cm、下底宽40 cm、高10 cm的传统土壤垄栽培（SR处理，对照）；上底宽20 cm、下底宽40 cm、高15 cm的起垄内嵌式基质栽培（SSC处理）；上底宽20 cm、下底宽40 cm、高10 cm的起垄内嵌式基质栽培（SSCs处理）；上底宽30 cm、下底宽40 cm、高10 cm的起垄内嵌式基质栽培（SSB处理）。起垄内嵌式基质栽培即将特别定制的基质栽培槽嵌在土垄中，槽内放置塑料薄膜后装入按体积比混合均匀的基质（草炭∶蛭石∶珍珠岩=2∶1∶1，体积比）。SSC栽培结构参照傅国海等［14］方法。各处理均采用全营养液滴灌（Hoagland营养液，pH 6.5）。植株生长前30 d，每天11：00滴灌1 min；植株生长30 d后，每天11：00滴灌 2 min，13：00滴灌2 min。为进一步降低根区温度，在各处理垄表面均覆盖1层银色反光地膜，薄膜厚度为0.02 mm。各处理垄长均为3 m，每垄种植10株黄瓜，株距30 cm，行距20 cm，每个处理重复3次。

1.3 测定指标与方法

在黄瓜整个生长季，采用美国生产的CR1000数据采集器和T型热电偶线测定根区土壤或基质的温度及室内外空气温度，每10 min采集一次数据。其中，根区测点位于垄中心5 cm深处；室内、外温度测点位于小区上方2 m高处，并将测点置于防辐射罩内，避免太阳直射。选取黄瓜采收期（6月4日—8日、7月4日—8日）连续5 d的数据进行分析，取连续5 d的平均值作为测定温度，以减小天气突变造成的误差。并根据日出时间将5：00—20：00 定为白天，20：00—5：00（次日）定为夜间。

于定植后25 d和50 d时进行黄瓜生长及生理指标的测定。采用游标卡尺测定茎粗（cm），直尺测定株高（cm）；采用SPAD叶绿素仪测定黄瓜叶片SPAD值；计数法统计叶片数。

于定植后50 d每个处理选取5株黄瓜植株开始采收，以后每隔3～5 d采收一次，对每次采收果实的鲜重进行累加，即为该处理黄瓜的单株产量（kg·株-1），并进一步折算为产量（kg·m-2）。从6月17日采收的果实中每处理选取10根果实，测定果实的长度（cm）、直径（cm）和单果重（g）。于7月12日测产结束后进行拉秧，分别将选取5株植株的地上部和根系用电热鼓风干燥箱（DHG-9620-A）于105℃杀青2 h后，80℃烘干至恒重，测定黄瓜植株地上部和根系干重（g）。

1.5 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 25.0进行试验数据的统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 日光温室6月和7月室内、外的气温变化

从图1可知，2019年6月4—8日和7月4—8日室内外温度峰值变化相似，每日最高气温出现在13：00左右，最低气温出现在6：00左右，且室内气温随室外气温的变化而同步发生变化。7月4—8日出现的极端高温（＞40℃）天数多于6月4—8日。6月份白天室内气温的平均值为29.1℃，夜间室内气温的平均值为26.5℃；5 d中室内最高气温范围为31.9～43.4℃，最低气温范围为18.0～20.6℃。5个昼夜中室外的平均气温为23.9℃，白天室外气温的平均值为26.5℃，夜间室外气温的平均值为20.2℃；5 d中室外最高气温范围为25.9～37.0℃，最低气温范围为16.1～17.5℃。

图1 6月4—8日和7月4—8日日光温室室内外的气温变化Fig.1 Changes of air temperature in Chinese solar greenhouse during June 4—8 and July 4—8

7月份5个连续昼夜中室内气温的平均值为28.4℃，白天室内气温的平均值为31.4℃，夜间室内气温的平均值为24.1℃；5 d中室内最高气温范围为34.4～42.4℃，最低气温范围为20.0～22.9℃。5个昼夜中室外气温的平均值为26.0℃，白天室外气温的平均值为28.7℃，夜间室外气温的平均值为22.2℃；5 d中室外最高气温范围为31.0～41.0℃，最低气温范围为18.0～20.9℃。

2.2 不同栽培模式对黄瓜根区温度的影响

如表1所示，6月4—8日SSC和SSB处理白天根区的平均温度略高于SR处理，表明在白天室内气温较高时，基质对高温的缓冲能力较弱，温度随气温上升较快。在7月4—8日5个连续昼夜中，SR、SSC、SSCs和SSB处理白天根区的平均温度分别为27.8、27.5、27.5和27.8℃，4种处理间无显著差异。在6月4—8日夜间时段，SSC、SSCs和SSB处理根区的平均温度高于SR处理，其中，SSC处理显著高于SR处理，说明起垄内嵌基质栽培模式有利于维持根区温度。6月4—8日，SR、SSC、SSCs和SSB处理根区的最高温平均值分别为29.5、30.1、27.9和 31.2 ℃，即 SSB＞SSC＞SR＞SSCs说明SSB处理对较高气温的缓冲能力较差，SSCs处理的缓冲能力较强；7月4—8日也表现出类似的趋势。6月4—8日，SR、SSC、SSCs和SSB处理根区的最低温平均值分别为22.9、24.3、24.2和23.9℃，即SSC＞SSCs＞SSB＞SR，且3种起垄内嵌基质处理均显著高于SR处理；7月4—8日也表现类似的结果。对比最高温与最低温的差值表明，无论是6月还是7月，SSC和SSCs处理的温差均小于其他两种处理，但处理间差异不显著。

表1 4种栽培方式下6月4—8日和7月4—8日黄瓜根区的平均温度Table 1 Average temperature of root zone under 4 cultivated patterns during June 4—8 and July 4—8 （℃）

2.3 不同栽培模式对黄瓜生长及生理指标的影响

不同栽培模式对黄瓜生长发育具有显著影响（表2）。定植25 d，SSC、SSCs和SSB处理的株高均显著高于SR处理，SSB处理又显著高于SSC和SSCs处理；4种处理的茎粗均无显著差异；SSC和SSB处理的叶片SPAD值显著高于SR处理；SSCs和SSB处理的叶片数显著高于SR处理。定植50 d，SSC、SSCs和SSB处理的株高、茎粗、SPAD和叶片数均显著高于SR处理；SSCs和SSB处理的叶片SPAD值显著高于SR处理。由此表明，土垄内嵌基质栽培对黄瓜生长具有促进作用。

表2 不同栽培模式下黄瓜的生长和生理指标Table 2 Growth and physiological indicators of cucumber in different cultivation patterns

2.4 不同栽培模式对黄瓜生物量与果实产量的影响

不同栽培模式对黄瓜生物量具有显著影响（表3）。SSC、SSCs和SSB处理黄瓜植株的地上部干重显著高于SR处理，说明土垄内嵌基质栽培促进了黄瓜生长，增加了地上部干物质的积累。SSCs和SSB处理的根系干重显著高于SSC和SR处理，其中，SSCs处理较SR处理显著提高了66.06%，说明起垄内嵌基质栽培更利于黄瓜根系的生长。SSCs处理黄瓜的果实长度显著大于SR处理。各处理间果实直径无显著差异。SSC和SSCs处理的单果重显著高于SR和SSB处理，最终，SSC和SSCs处理的单株产量也显著高于SR和SSB处理，分别较SR处理提高了6.4%和7.0%。由此表明，土垄内嵌基质栽培更有利于黄瓜生长，提高黄瓜产量。

表3 不同栽培模式下黄瓜的生物量、果实形态和产量Table 3 Plant biomass，fruit morphology and yield of cucumber in different cultivated patterns

3 讨论

孙玉莲等［18］研究认为，采用全膜双垄沟播的栽种模式对旱区玉米田的土壤水分和温度具有调节作用。傅国海等［7］研究认为，优化土垄参数可有效改变日光温室中甜椒根区温度。Miles等［19］研究表明，在夏季应用黑色地膜较白色地膜能够降低膜下温度和根区温度。李宗耕等［20］研究指出，夏季日光温室中使用银色反光地膜相比黑色地膜不仅能够降低根区温度，还有利于维持根区温度的稳定性。此外，SSC作为一种新型的无土栽培模式，结合银色反光地膜不仅能够提高外侧土壤温度的缓冲能力，还能够起到隔热降温的作用［21］。本研究结果表明，起垄内嵌基质栽培模式能够有效缓冲黄瓜根区温度。与SR处理相比，3种起垄内嵌基质栽培模式处理的温度缓冲效果接近或优于土壤栽培，该方法可作为夏季日光温室蔬菜的新型无土栽培方式［14］。栽培垄的高度对根区温度的影响表现为：垄高15 cm的SSC处理白天的平均温度和最高温度均高于垄高10 cm的SSCs和SSB处理，可能是由于栽培垄的升高，增加了受热面积，接收到的太阳辐射也越多，从而使根区温度较高［22］。因此，适当降低垄高有利于降低根区温度。垄宽越宽，黄瓜根区温度越高，可能是由于基质的组成结构稳定性较差［23］。根区温度变化受外界环境影响较大，根区基质的受热面积增加，接受的太阳辐射越多，而基质本身对于高温的缓冲能力较差，因此内嵌基质栽培模式的垄宽对根区温度的影响较为明显［16］。

不同垄规格的起垄内嵌基质栽培对黄瓜生长指标无显著影响，但对产量有显著影响。SSC和SSCs处理的单株产量也显著高于SR和SSB处理，且以垄高10 cm的SSCs处理产量最高。与起垄内嵌基质栽培相比，土壤栽培更容易造成养分向深处淋溶，无法将养分截留在根系能够吸收的区域，导致根区养分不足，最终影响产量［11，16］。与 SSC处理相比，SSCs处理降低了垄高，有利于黄瓜根系对累积于垄底部养分的吸收和利用，从而提高黄瓜产量［16］。

综上所述，起垄内嵌基质栽培（SSC）结合银色反光地膜能有效增强土壤对气温变化的缓冲能力，显著提高黄瓜产量，其中以垄高10 cm的起垄内嵌基质栽培模式对产量的提高最为显著，同时降低生产成本。因此，以垄高10 cm的起垄内嵌基质栽培结合银色地膜在日光温室夏季生产中具有广泛的应用前景。