日光温室番茄东西垄向模式下群体光环境及产量分布特征*

杨冬艳，王丹，桑婷，赵云霞，宋卫堂

(1. 宁夏农林科学院园艺研究所,银川市,750002; 2. 中国农业大学水利与土木工程学院,北京市,100083)

0 引言

日光温室是以太阳光为主要能量来源的设施,依靠温室北墙白天蓄积太阳光能、夜间再将其释放出来来维持室内温度[1],日光温室建造时坐北朝南,跨度一般在7～12 m。棚内番茄、黄瓜等果菜生产通常采用南北垄向双行定植模式,由于温室内南北距离短,垄间间距窄,农机装备需要频繁进行转垄,无法顺畅、高效地完成生产作业,使得很多作业环节严重依赖人工[2]。目前蔬菜生产劳动力成本以每年17%的速度上涨,占生产总成本的一半以上,严重制约设施园艺的健康可持续生产[3]。

在设施蔬菜机械化水平提高的技术途径探索中,中国农业大学设施园艺工程团队[3]提出了基于“农艺—农机—设施”深度融合的生产模式,采用宜机化栽培模式、应用设施专用机械、升级宜机化设施相结合,能够使机械设备在日光温室中高效率、高质量地完成作业。日光温室蔬菜种植模式从南北方向短垄改变为东西方向长垄,利用起垄、移栽等耕作机械,显著提高工作效率,有效减轻劳动强度,降低人工成本[4]。沈阳农业大学研究团队[5]在日光温室秋冬茬番茄东西垄向基质袋培中发现,东西垄的产量高于南北垄,1.5 m垄距、2.6株/m2的栽培密度可得到高产;在日光温室越冬茬番茄东西垄向栽培中,提出垄距1.1 m、3.3株/m2条件下,单行种植产量较高[6]。崔东禹等[7]在北京市房山区春夏茬日光温室番茄东西垄向研究中,发现1.4 m垄距条件下,矮化密植模式有利于光合作用,且能实现丰产。

从不同地区日光温室番茄宜机化农艺参数研究中发现,评价标准均以维持较高的番茄产量和品质为准,垄距、株距随意性较强,参数变化较大,对耕作机械的适应性要求较高。较窄(1.4 m以下)的垄间距使得起垄数量增加,植株相互遮光加重,果实成熟转色推迟[8],番茄生长后期管理行间作业难度加大。因此在日光温室番茄宜机化栽培技术研究中,需在机械作业条件下,探索垄距、株距等栽培参数。本文基于前期探明的宽行距(1.8 m垄距)栽培模式下适宜株距参数条件[9],研究8.5 m跨度日光温室中,在起垄、移栽机械作业下不同栽培垄番茄群体光环境、产量、品质分布特征,为完善番茄东西垄向栽培参数、制定宜机化标准栽培模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于宁夏银川市兴庆区掌政镇五渡桥村(东经106°17′,北纬38°28′),全年光照时间3 000 h,全年太阳辐射700 kJ/m2,年平均气温8.8 ℃。试验温室净跨8.5 m、脊高4 m、长80 m,后墙为夯实土墙,采光面钢架结构。

1.2 试验设计

试验于2019年7—12月在银川市兴庆区无渡桥村日光温室蔬菜生产基地实施。试验之前撒施底肥,使用量为腐熟羊粪22.5 t/hm2,磷酸二铵450 kg/hm2。利用黄海金马604D拖拉机悬挂1GQN-160型旋耕机进行旋耕,随后采用YT10-A100自走式起垄覆膜机进行起垄覆膜铺滴管一体化作业。起垄机东西方向起垄,设置垄底宽70 cm、垄面宽50 cm参数进行作业,垄距1.8 m,试验日光温室由南向北共起4条栽培垄。利用2ZB-2自走式移栽机进行番茄幼苗移栽,移栽机设置株距27 cm,垄面小行距30 cm,定植密度为3.3株/m2。双行定植参数进行作业。番茄品种为“粉太郎6号”,苗龄35 d,5叶1心,株高15～20 cm,7月15日定植。番茄生长过程中,采用水肥一体化装备进行水肥管理。单杆整枝,留5穗果摘心,12月初拉秧。

1.3 测试指标及方法

1.3.1 番茄群体光环境测量

栽培垄由北向南依次标记为第1～4垄,第1垄的南北两行分别记为1-S、1-N,第2～4垄以此类推。在温室中由东向西的20 m、40 m、60 m处,每垄两行均选择连续20株番茄进行产量和坐果数调查。

番茄植株在5穗果开花坐果时摘心,限制株高后进行光照分布测量。选择无云的晴天(2019年9月28日),利用手持照度计(TES-1332型)不同栽培垄同时测量,在上午10:00—11:00之间尽快完成测量。如图1所示,每条垄以垄面中心为原点,随机选择5个边长为1 m的正方形网格观测区域,网格测量在温室东西方向均匀分布5个重复。以10 cm为间距划分四方格进行光照强度测量,分别在冠层底部(距离地面0.5 m高,第1穗果坐果区域)、冠层中部(距离地面1.2 m高,第4穗果坐果区域)和冠层顶部测量光照强度。利用每个1 m2的网格测量区域南北最边行数据进行群体行间光照强度分析,并计算透光率。利用Origin2021软件以每个网格点位数据作图,分析群体行内光照强度分布特征。

图1 光照强度网格观测点田间布置图Fig. 1 Layout of light intensity grid observation point

番茄冠层透光率[5]

R=Qh/Q0

式中:R——测量高度番茄冠层光照强度透光率,%;

Qh——从地面算起,h高度处的光照强度,Lux;

Q0——群体顶端的光照强度,Lux。

1.3.2 叶片叶绿素荧光参数测量

分别在每垄两侧选取番茄单株功能叶(生长点下第4～5片),用连续激发式荧光仪Handy PEA测定叶绿素荧光参数。测定前叶片需暗适应15 min,5次重复。测定光源为630 nm红光,光强为3 000 μmol/(m2·s-1),测定时长为1 s。利用Handy PEA配套PEA Plus软件解析叶绿素荧光动力学曲线及相关参数。基本叶绿素荧光参数由仪器直接导出,包括最小荧光强度(Fo)、可变荧光强度(Fv)及各测定时间点荧光强度等;软件计算参数包括PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、热耗散量子比率(Fo/Fm)、在J期的相对可变荧光强度(Vj)、在I期的相对可变荧光强度(Vi)、用于电子传递量子比率(φEo)、原初光化学产额(ψo)、单位激发面积反应中心密度(RC/CSm)、单位反应中心吸收光能(ABS/RC)、单位反映中心用于电子传递能量(ETo/RC)、单位反应中心用于热耗散能量(DIo/RC)、单位反应中心用于还原QA能量(TRo/RC)、结构性能指标(PIabs)等,其余参数具体运算过程及含义见文献[10-11]。

1.3.3 番茄果实品质测量

选择第3穗果成熟度一致的番茄进行品质分析。果实采用四分法取样测定,维生素C含量采用2, 6—二氯靛酚法测定;可溶性糖含量采用蒽酮法测定;可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定;总酸采用滴定法[12]测定。

1.4 数据分析

数据采用DPS软件进行随机区组双因素Duncan’s多重比较,利用SPSS软件做Persion双变量相关分析。

2 结果与分析

2.1 东西垄向栽培对番茄群体光环境的影响

2.1.1 番茄行间群体冠层光照强度

为便于机械化耕作,日光温室番茄栽培由南北方向起垄变为东西方向起垄,不同垄番茄行间光照环境差异显著。由图2(a)可见,番茄冠层顶部测量光照强度时,试验温室上风口位置正对第2垄,导致第2垄番茄冠层顶部光照强度高于其他3垄,其他3垄冠层顶部光照强度没有显著差异。番茄行间冠层底部和中部光照强度在温室由北向南的栽培垄中为逐渐增加的趋势,每垄番茄行间冠层底部和中部的光照强度均为南侧行高于北侧。第1垄番茄冠层底部北侧、南侧行透光率分别为5.25%、9.92%,冠层中部两侧均为19%;第2垄冠层底部透光率为10.57%、31.62%,冠层中部为27.96%、58.98%;第3垄冠层底部透光率为7.54%、47.09%,冠层中部为23.85%、61.9%;第4垄冠层底部透光率为14.71%、42.9%,冠层中部为29.66%、69.11%(图2(b));可见日光温室采用东西垄向栽培双行种植模式时,不同垄间番茄行间透光率由北向南逐渐升高,同垄南侧行番茄植株对北侧行番茄光照有遮挡,且冠层底部南侧行透光率越高,与北侧行番茄透光率相差倍数越高,冠层中部透光率不同垄南北两行相差均在2倍左右,这对垄两侧番茄果实膨大、转色和成熟产生显著的影响。

(a) 光照强度

(b) 透光率图2 东西垄向栽培番茄群体冠层光照强度和透光率Fig. 2 Canopy light intensity and transmittance of tomato population in east-west ridge

2.1.2 番茄行内群体冠层光照水平分布

株行内部(即行内)光照状况比较复杂,它既受相邻株行的影响,也受本株行的影响。由于株行存在一定的宽度,因此株行内光照状况对群体物质生产的影响不容忽视[13]。试验进一步分析了东西垄向栽培模式下,番茄群体行内部不同高度单位面积光照强度分布特征,如图3所示。图3中不同颜色深度表示不同光照强度。在冠层底部,每垄番茄均为两侧光照强度高,垄中心部位光照强度低,第1～4垄所有观测点平均光照强度依次为2 082 Lux、3 757 Lux、3 262 Lux、3 553 Lux。由北向南4个栽培畦行内平均透光率依次为6.74%、9.91%、10.19%和10.01%,可见除第一垄透光率较低以外,第2～4垄行内冠层底部平均光照强度和透光率没有显著差异。

(a) 第1垄

(b) 第2垄

(c) 第3垄

(d) 第4垄图3 东西垄向栽培番茄群体行内冠层底部光照水平分布特征Fig. 3 Horizontal light distribution at the bottom of canopy of tomato population in east-west ridge

在番茄冠层中部,由北向南第1～4垄所有观测点平均光照强度依次为4 927 Lux、9 429 Lux、8 365 Lux、8 920 Lux,如图4所示。4个栽培垄平均透光率依次为15.96%、24.87%、26.15%和25.13%,与冠层底部平均透光率趋势一致,除第1垄较低外,其他3垄平均透光率较为接近。

(a) 第1垄

(b) 第2垄

(c) 第3垄

(d) 第4垄图4 东西垄向栽培番茄群体行内冠层中部光照水平分布特征Fig. 4 Horizontal light distribution in the middle canopy of east-west ridge tomato population

2.2 东西垄向栽培对番茄叶片荧光特性的影响

2.2.1 番茄叶绿素a快相荧光动力曲线

植物快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP)可以反映PSII的原初光化学反应及光合机构电子传递状态等过程的变化,反映样品光合作用PSII的实际生理状态[14],从而分析叶片光合速率受影响的情况。由图5可见,处于不同栽培垄位置的番茄的OJIP测定曲线形状变化不大,说明改变栽培垄向,没有明显抑制番茄叶片的光合活性。Fo是PSII反应中心处于完全开放时的最小荧光强度,当PSII反应中心被破坏或可逆失活时则可导致Fo的增加[13]。

图5 东西垄向栽培对番茄叶绿素a快相荧光动力曲线的影响Fig. 5 Effect of east-west ridge cultivation on chlorophyll-a fast phase fluorescence dynamic curve of tomato

试验发现1-N、3-N、3-S、4-S番茄叶片的Fo显著高于1-S、2-N、2-S、4-N,说明第1垄北侧、第2垄两边及第4垄的南边番茄叶片叶绿素浓度较低。荧光在O点到J点时不同垄之间差异不显著,4个栽培垄的北侧行番茄叶片荧光强度整体高于南侧,其中第1垄北边(1-N)番茄叶片荧光信号最强,第4垄南边(4-S)的叶片荧光最低,达到P相最早,说明温室最南边的番茄叶片PSII中电子传递受到相对较强的抑制。

2.2.2 东西垄向栽培对番茄叶绿素a荧光参数的影响

叶绿素荧光与光合作用中很多反应过程密切相关,能够反映叶片光合机构在不同光强下的内在变化情况[15],由表1可见,除了4-S的番茄叶片Fv/Fm显著降低外,其他栽培垄两侧番茄叶片Fv/Fm没有显著差异,说明东西垄向栽培对不同栽培垄番茄叶片光化学反应效率和量子比率影响较小,4-S的Fv/Fm较低,可能是靠近温室采光面南边下风口低温造成;除1-N的番茄叶片用于电子传递的量子比率φEo、单位激发面积反应中心密度(RC/CSm)较低外,其他栽培垄没有显著差异;1-S、3-S的原初光化学产额ψo最高,1-N的φEo、ABS/RC、ETo/RC、TRo/RC值最低,其结构性能指标(PIabs)也最低,其他垄之间没有显著差异。

表1 东西垄向栽培对番茄叶绿素a荧光参数的影响Tab. 1 Effects of east-west ridge cultivation on chlorophyll a fluorescence parameters of tomato

试验发现每个栽培垄南侧行番茄叶片的单位反映中心吸收光能(ABS/RC)、用于还原QA能量(TRo/RC)、单位反映中心用于电子传递能量(ETo/RC)均显著高于北侧行,且垄间TRo/RC、ETo/RC均呈由北向南递增趋势。

同时通过J相相对可变荧光(Vj)和I相相对可变荧光(Vi),计算得到PSⅡ捕获光能从QA传递到QB的效率ψET和从QB传递到PSI的效率ψRE表现为同垄南侧行高于北侧行,不同垄由北向南逐步升高的趋势,可见同垄北侧番茄叶片PSII系统电子传递能力低于南侧行番茄,不同栽培垄中靠近温室采光面的栽培垄番茄叶绿素a的PSⅡ捕获能量从QA传递到QB的效率较高,能量从QB传递到PSI的效率受栽培垄南北两边的光照环境影响较大,光照条件较好的南侧行其PS条反应中心受体侧QA活性较高,获得能量后可迅速传递给下游受体QB回到原初状态,使PSⅡ原初反应中心处于活跃状态,保证光合作用原初反应顺利进行。

2.3 东西垄向栽培对番茄产量空间分布的影响

从每1垄南北两侧行番茄产量构成差异来看:第1～2垄,南侧行番茄单果重与北侧行番茄没有显著差异,第3～4垄,南侧行番茄单果重显著高于北侧行番茄;第1～4垄向阳南侧行番茄单株产量和产量均显著高于北侧行番茄20%左右,如图6所示。

(a) 单果重

(b) 单株产量

(c) 产量图6 东西垄向栽培对番茄产量构成分布的影响Fig. 6 Effects of east west ridge cultivation on tomato fruit quality

从4个栽培垄的产量分布来看,单垄总产量由高到低依次为第4垄(20 823 kg/hm2)>第3垄(18 065 kg/hm2)>第1、2垄(15 701、17 277 kg/hm2),差异显著(P<0.05),产量分布总体趋势是在温室空间由北向南逐渐升高,第4垄番茄的产量占总产量28.97%,其次为第3垄占25.14%,再次为第2垄24.04%和第1垄21.85%,总产量为71 866 kg/hm2。

通过两因素随机区组统计分析发现,因素1栽培垄和因素2南北两侧对番茄单果重、单株产量、总产量均有显著影响(P<0.05),2因素互作对番茄产量构成没有显著影响。

2.4 东西向栽培番茄群体光环境与品质产量指标相关关系

由表2可见,番茄果实品质指标中,可溶性蛋白质、可溶性糖、可溶性固形物、总酸、糖酸比与番茄冠层底部和中部光照强度均没有显著相关关系,只有Vc含量与冠层光照强度呈显著正相关关系,可见除Vc含量指标,果实中糖、酸、蛋白含量受长垄宽行栽培模式下的光环境影响较小。在番茄产量指标中,单果重和单行产量均与冠层不同高度的光照强度均为极显著正相关关系,而单株产量与冠层光照强度没有显著相关关系。

表2 番茄品质和产量指标与冠层照度相关系数Tab. 2 Correlation coefficient between tomato quality and yield and light transmittance

2.5 东西垄向栽培对番茄果实品质的影响

由图7可见,番茄果实中可溶性蛋白含量在第1～2垄之间没有显著差异;在第3～4垄中,北侧行显著高于南侧行。

(a) 可溶性蛋白质

(b) Vc含量

(c) 可溶性糖

(d) 总酸

(e) 糖酸比

(f) 可溶性固形物图7 东西垄向栽培对番茄果实品质指标的影响Fig. 7 Effects of east west ridge cultivation on tomato fruit quality

Vc含量在第1垄中北侧高于南侧行,第2～4垄均为南侧行显著高于北侧行,越靠近温室南边的栽培垄,南侧的Vc含量越高。从番茄果实中可溶性糖含量变化来看,第1垄南北两侧没有显著差异,第2～4垄均为南侧行显著高于北侧行,不同垄之间没有显著差异。总酸含量在第1垄和第2垄均为南侧显著高于北侧行,第3～4垄中南北两侧没有显著差异,但第4垄显著高于第3垄。试验番茄果实糖酸比在5.77～8.4之间变化,第2～4垄的果实糖酸比南侧行显著高于北侧,第4垄果实糖酸比值显著低于第1～3垄。可溶性固形物第2垄两侧没有显著差异,第1垄为北侧高于南侧,第3和第4垄为南侧高于北侧。

通过两因素随机区组统计分析发现,因素1(栽培垄)对于试验番茄果实所测品质指标均没有显著影响,因素2(南北两侧)只对可溶性蛋白含量有显著效应,其他指标影响均不显著(P>0.05)。2个因素互相效应明显,除了对可溶性蛋白不显著外,对试验所测其他品质指标均为显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)影响。

3 讨论

3.1 东西垄向栽培对番茄群体光环境的影响

植株配置方式(行株距)的生态作用问题,实质上主要是群体结构对群体光能利用的影响问题[16]。在栽培措施相同的条件下,不同栽培垄向,植株所接受的光照条件就会有很大的差异,这是由于太阳的运行方向和植株生长期间的不同光照所造成的。在日光温室南北垄向栽培模式中,番茄群体内太阳总辐射量在东西方向上差异不明显,在南北方向上南部最高,北部最低[17]。日光温室黄瓜群体太阳总辐射分布与番茄类似[18]。在本试验中,温室最北边第1垄番茄冠层底部和中部行内平均光照强度和透光率最低,第2～4垄之间没有显著差异。分析叶绿素荧光参数发现番茄叶片PSII中最大光化学量子产量Fv/Fm在不同垄之间没有显著差异,说明东西垄向栽培条件下,温室的光照条件在南北的空间分布上,能够保持番茄光能转换率平稳,不同栽培垄番茄叶片的光合速率没有受到显著抑制。越靠近温室南边的栽培垄番茄叶绿素a的PS近捕获能量从QA传递到QB的效率越高,能量从QB传递到PSI的效率受温室空间分布的影响较小。由于垄面上双行栽培小行距的存在,向阳南侧行番茄对北侧行番茄光线有遮挡作用,北侧的透光率较南侧降低50%以上,这对南北两侧番茄产量产生显著的影响,光照条件较好的南侧番茄叶片PS条反应中心受体侧QA活性较高,促进光合作用原初反应的顺利进行,利于光合产物的积累。本试验中,南侧行番茄果实转色早,产量显著高于北侧行。相关分析发现番茄冠层中部和冠层底部的光照强度与番茄单果重有显著正相关关系,在农作物研究中发现优化群体冠层结构,冠层中下部获得更多的光能,提高了群体光能利用率,使高产成为可能[19-20],因此生产中可通过提高番茄群体冠层中下部的光照环境,来促进番茄果实的膨大和单果重的增加。

3.2 东西垄向栽培对番茄产量品质的影响

日光温室番茄种植由传统的南北垄向改为东西垄向,番茄群体光照分布随之发生变化,冠层中光分布造成的光合作用差异远远大于其他因素所造成的差异[21]。试验温室番茄不同栽培垄产量分布呈现由北向南逐渐增加的趋势,第1垄较第4垄占比相差7.12%,同时向阳南侧的番茄单果重、单株产量和单行产量均显著高于北侧行20%左右,北侧行的叶片有黄化早衰现象,可见东西垄向栽培同一垄双行的差异大于不同垄之间的差异,但总体产量规模与常规栽培产量相近。试验温室夏秋茬番茄5穗果产量达到71 866 kg/hm2,在番茄产量指标中,单果重和单行产量与冠层透光率均为极显著的正相关关系,试验为夏秋茬口,果实膨大期处于温室温度和光照逐渐下降阶段,就温室常规南北种植模式来看,南北光照也存在分布不均,室内作物长势不整齐的问题,北边作物由于光照弱,呈徒长态势[22]。因此在日光温室东西垄向栽培中,根据当地不同茬口温光环境条件,可进一步探索单行栽培模式、矮化密植或北侧行番茄精准补光技术,来提升番茄群体光环境条件,提高光合产物积累。采用新型棚膜材料也可减弱改变垄向对光照的影响,如利用散射膜后,日光温室种植垄向对番茄的生长和产量没有产生显著影响[23]。

4 结论

1) 在日光温室东西向栽培模式中,不同垄番茄行间透光率由北向南逐渐升高,行内平均透光率除第1垄较低外,其他3垄间较为接近,温室南北空间光照分布对不同栽培垄番茄叶片光化学性能没有显著抑制效应。同垄北侧的透光率较南侧降低50%以上,这对南北两侧番茄产量产生显著影响,南侧番茄叶片荧光光能传递效率更高,单果重、单株产量和总产量均显著高于北侧行20%左右,且果实品质优于北侧番茄。

2) 东西垄向栽培番茄产量分布呈现由北向南栽培垄逐渐增加的趋势,第1垄较第4垄占比相差7.12%,试验温室番茄5穗果产量能够达到71 866 kg/hm2,不同栽培垄对番茄果实品质没有显著影响。