散射膜日光温室中种植垄向对番茄生长和产量的影响

宋卫堂，李晨曦，孙旭光，王平智，赵淑梅



散射膜日光温室中种植垄向对番茄生长和产量的影响

宋卫堂1,2，李晨曦1，孙旭光1，王平智1,2，赵淑梅1,2

（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083； 2. 农业部设施农业工程重点实验室，北京 100083）

在普通薄膜覆盖下的中国日光温室中，普遍采用南北垄向的种植方式，但较短的南北种植距离限制了农机具的使用和作业效率的提高。该研究在散射光日光温室中（散射膜的雾度55%，透光率85%），对南北、东西2种垄向种植的番茄的光环境、生理和产量指标进行了测试分析，以探讨在散射光日光温室中采用东西种植垄向的可行性。结果表明：东西与南北垄向番茄冠层的光照累积量无显著性差异；东西和南北方向种植的番茄的叶面积指数（LAI）分别为4.34和4.29，SPAD值分别为（42.7±1.0）和（43.1±0.6），叶片净光合速率分别为12.8和12.4mol/m2·s，差异均不显著；2016年12月至2017年4月番茄的实测总产量，东西和南北垄向分为2 537.6和2 421.1 kg，也没有明显差异。因此，在散射光日光温室中种植垄向对番茄的生长和产量没有产生影响，可以采用东西垄向的种植方式来替代南北垄向进行番茄生产。

温室；叶绿素；光照；散射光；种植垄向；番茄；产量

0 引 言

在植物生长发育过程中，光照作为重要的环境因子之一，不仅是植物光合作用的能源，还以环境信号的形式作用于植物并调节其生长发育的过程[1-2]。温室内的散射光是由外界光线通过温室散射覆盖材料时，其中部分光线偏离主要的传播方向形成的[3-4]。目前，温室中散射光的应用在赤道附近国家已经非常普遍，而且有研究表明，散射光对植物的生长具有一定的促进作用[5-7]。Alton等发现植物能够更有效地利用散射光[8]。Li等[9-10]等对温室覆盖材料的散射性能进行了评价，认为散射光通过提高作物的光合作用使产量提高；在0、45%、71% 3种不同雾度散射玻璃覆盖下，番茄生长加快，总体产量和个体果实质量均增加。孙士景等[11]的研究结果表明：相对于普通薄膜覆盖的日光温室，生长在散射光薄膜覆盖的日光温室中的番茄，果实品质得到一定的提高。范冰琳等[12]研究发现，无论是表观性状指标还是内在物质积累，散射光对黄瓜生长均表现出了良好的促进作用。

栽培垄向可以通过改变作物冠层的光辐射截获量和光线在冠层内的透射率，影响作物的光合效率[13]。但垄向的这种影响可能因播期和品种的不同而有所差异，因为不同株高和不同叶面积品种的营养生长可能随着播种时期的改变而变化。魏湜[14]的研究表明，双向播种（正常播量的1/2采用东西垄向播种，另外的1/2采用南北垄向播种）的小麦比只采用东西垄向或南北垄向播种的产量都高。李炜等[15]研究发现，作物营养生长时期，东西垄向种植的作物的净光合速率高于南北垄向的，而生殖生长时期南北垄向种植的作物的净光合速率高于东西垄向的，最终，南北垄向种植的作物产量高于东西垄向的。石绍河等[16]研究表明，玉米在各个时期，南北垄向的各层土壤温度、叶面积系数等构成产量因子均高于其他处理。

目前，占中国设施面积1/4的日光温室内，大部分作业环节基本是手工操作，机械利用率低，人工劳动强度大且工作效率低，经济效益仍处于低水平状态；而且，从业劳动力紧缺等问题越来越严重[17-18]。这些现状的出现，迫切需要小型农业机械进入日光温室。虽然国内对小型机械已经有些研究和应用[19-23]，但目前日光温室的主栽垄向为南北向，非常不利于农业机械在日光温室中的应用，因为较短的南北种植垄向限制了农机具的使用和作业效率的提高[24]。如果能将日光温室中的种植垄向改变为东西向，便可使农业机械在温室中的作用充分发挥出来，温室的生产就能向集约化、规模化发展。在普通薄膜材料覆盖的日光温室中，由于东西向种植会产生南侧栽培行对北侧栽培行的光照遮挡，引起作物受光不均匀、生长和产量受影响的问题；而散射光薄膜覆盖的温室内的光照更加均匀，植株的中、底部叶片也可以获得更多的光照。本研究主要针对散射光日光温室中，东西垄向和南北垄向番茄种植之间的差异，判断能否采用东西垄向种植，便于农业机械进行作业。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016年9月－2017年3月在河北省唐山市丰南区鑫湖生态园的日光温室中进行。温室东西长60 m，南北宽8 m，覆盖北京三力创公司提供的散射光薄膜：透光率85%，雾度55%。番茄（）品种为山东泽诚农业公司的“宝石1号”，9月20日定植。将日光温室沿东西长度方向的中线划分为2部分，如图1a所示：东侧（29 m×7 m=203 m2）采用南北垄向种植，大小行栽培，大行距（垄间）为80 cm，小行距（垄上）为40 cm，株距为40 cm，共26垄52行，密度为4.2株/m2；西侧（29 m×7 m=203 m2）采用东西垄向种植，同样采用大小行栽培，大行距为80 cm，小行距为40 cm，株距为40 cm，共5垄10行，密度亦为4.2株/m2。

在南北垄向和东西垄向栽培区，分别选择1个4 m×4 m的区域作为试验小区；每个试验小区中心点位于距离温室北墙4 m处的东西水平线上。

1.2 指标测试方法

1.2.1 番茄群体冠层光环境指标

对南北和东西垄向番茄冠层不同高度光照分布的测试，采用HOBO公司的S-LIA-M003光照传感器，以测量冠层的光合有效光量子流密度（photosynthetic photon flux density，PPFD）。如图1b、1c所示，在测试的小区内距离地面20 cm高度处分别放置3个传感器，来测量番茄冠层底部光照强度的变化；以番茄高度为，在距离地面/3处和2/3处分别放置3个传感器，用来测量番茄冠层中部、上部的光照强度变化。在冠层顶部，各放置1个PPFD光照传感器，用来测量无植株遮挡情况下的室内光照强度。实际测试中，当植株高度达到1.5m以后开始进行数据记录。

注：图1b、1c中的H表示番茄植株的高度。

1.2.2 番茄群体生理与形态指标

1）叶面积指数LAI

分别从南北和东西垄向栽培的番茄中，各取200片完整的功能叶，利用杭州托普公司生产的YMJ-B型叶面积测量仪进行叶面积测量，由图2得到南北和东西垄向番茄叶面积的经验公式

式中为番茄叶片外接矩形的面积，cm2；1、2分别为南北、东西垄向的实测叶面积，cm2。

图2 2种垄向番茄叶面积拟合曲线

通过测量番茄植株的叶长与叶宽，结合公式（1）、（2）计算番茄平均单株叶面积，再由式（3）计算番茄群体内不同高度叶面积指数[25]，

2）叶绿素（SPAD值）

在番茄冠层上部、中部及底部分别取20片健康叶片，用日本柯尼卡美能达公司生产的SPAD-502plus叶绿素仪，测量SPAD值。每20 d测量1次，记录并计算平均值。

3）叶片倾角

采用轨迹法进行测量[26]。在半圆量角器的底部悬挂一条铅垂线，测量时将量角器底端轻靠在叶片主叶脉所在直线，以铅垂线与量角器的夹角记为该叶片的倾角。此倾角可反映叶片截获光照的能力。

1.2.3 番茄叶片光合速率和产量

1）番茄叶片光合速率

用世亚科技公司SY-1020型光合作用测试仪，对测试区内番茄植株上部、中部以及底部叶片进行光合指标的检测[27]。光合仪使用透明叶室，在番茄植株上、中、底部各取10片叶进行巡回测量，并对测量叶室的光合有效光量子流密度进行平均，记为，以降低误差，=566.3mol/(m2·s)，以降低误差，记录番茄叶片净光合速率、胞间CO2浓度以及气孔导度。

2）产量

定期称量、统计试验温室中2种种植垄向下番茄的阶段性产量，并最后汇总为试验温室的总产量。

1.3 数据处理与分析方法

使用Excel进行数据记录与处理。成对数据显著性分析采用T检验方法，统计分析过程使用SPSS 20.0完成。

2 结果与分析

2.1 两种栽培垄向番茄冠层的光环境特点

选择冬季晴朗天气、直射光较强的光照数据进行分析，以使数据具有典型性、代表性。图3、图4分别是2016年12月15日（近冬至日）、2017年01月30日（大寒后）2个晴天，南北垄向和东西垄向番茄冠层顶部、上部、中部以及底部的PPFD数据。

由图3a、图4a可以看出，冠层顶部由于无番茄叶片遮挡，东西垄向PPFD较于南北垄向在趋势上无明显的变化，8:00－16:00时段EW、SN的平均PPFD分别为447.7 和450.3mol/(m2·s)，经检验二者无显著性差异（>0.05）；图3b中，SN和EW种植垄向PPFD最大数值分别为723.7 和583.7mol/(m2·s)，测试时段内二者变化趋势相似，PPFD平均值分别为364.7和357.0mol/(m2·s)，二者差异不显著（>0.05）；而从图 4b中看出，SN和EW种植垄向的PPFD值变化趋势基本一致，平均值二者分别为456.1 和457.7mol/(m2·s)，差异不显著（>0.05）；图3c中，在11:00－14:00时段内，SN由于叶片遮挡出现PPFD数值降低现象，2种垄向的PPFD数值之间差异不显著（>0.05），图4c中冠层中部SN与EW的PPFD平均值为185.1和186.4mol/(m2·s)，二者无显著性差异（>0.05）。从图3d和图4d中可以看出，EW的PPFD最大值出现的时刻均晚于SN的，经检验EW和SN的PPFD数值之间无显著性差异（>0.05），说明冠层底部两种垄向光照环境相同。

注：SN表示南北垄向，EW表示东西垄向，下同。

Note: SN represents the south-north ridge，EW represents east-west ridge, the same as below.

图3不同冠层高度番茄群体内光合有效光量子流密度变化曲线（2016-12-15）

Fig.3 Curves of photosynthetic photon flux density(PPFD) in different height tomatoes canopy (2016-12-15)

图4 不同冠层高度番茄群体内光合有效光量子流密度变化曲线（2017-01-30）

综上，在散射光温室中，东西垄向和南北垄向的冠层不同位置的PPFD数值间无显著性差异，冠层内的光照环境基本相同。

为了对比南北垄向和东西垄向种植的番茄所获得的光照累积情况，对2016年12月15日和2017年01月30日2 d的光照按照式（4）对PPFD进行了日积累量的计算，并将冠层不同位置的日积累量与冠层顶部值（温室内部光强）相比，结果如表1所示。

式中表示PPFD的日积累量，mol/m2；P为10 min采集PPFD的平均值，mol/m2·s；为采集时间间隔，这里取600 s。

表1 2种垄向蕃茄冠层的光照日积累量（2016-12-15，2017-01-30）

注：CT表示冠层顶部，CU表示冠层上部，CM为冠层中部，CB为冠层底部；12分别为2016-12-15和2017-01-30的PPFD日累计量；1,2分别为2016-12-15和2017-01-30冠层不同位置光照积累量与顶部光照积累量的比值，ω为1和2的平均值。累计采集时间为每日的8:00－16:30。相同的小写字母表示差异不显著，下同。

Note: CT represents top of the canopy, CU is upper part of the canopy, CM is middle of the canopy, CB is bottom of the canopy;12are cumulative daily PPFD on 2016-12-15 and 2017-01-30;1,ω2are ratio of light accumulation at different positions of canopy to top light accumulation on 2016-12-15 and 2017-01-30;ωis average of1and2. Cumulative acquisition time is 8:00-16:30 each day. The same lowercase letters indicate that the difference is not significant, the same below.

从表1可以看出，2016-12-15南北垄向1为312.8 mol/m2，东西垄向1为315.3 mol/m2，二者无显著性差异；同样地，2017-01-30南北垄向2为332.7 mol/m2，东西垄向2为342.8 mol/m2，也无显著性差异，说明东西垄向与南北获得的光照总量无显著差异。在番茄冠层的上部，东西垄向的ω值比南北垄向的低2.9%；冠层中部，东西垄向与南北垄向相同，ω值为46.8%；而在冠层底部，东西垄向比南北垄向高出4.5%。说明在典型天气下，东西垄向冠层底部的光强略高于南北垄向的，而冠层上部的光强南北垄向较高。

表2显示的是2种垄向、冠层不同位置从2016年12月1日到2017年1月31日共计62 d的光照累积。

表2 两种垄向之间蕃茄冠层不同位置光照累积（2016-12-01—2017-01-31）

由表2可以看出，散射光环境下，冠层不同高度所获得的光照总量，随着高度的升高而增加；冠层的同一高度，东西垄向与南北垄向之间的光照累积，差异不显著。因此可认为，东西垄向与南北垄向的光照环境是相同的。

2.2 两种垄向番茄群体生理与形态指标对比

1）叶面积指数（LAI）

从表3可以看出，冠层底部、中部南北垄向种植番茄的LAI在数值上虽略高于东西方向的，但差异不显著；而上部则是东西垄向的显著高于南北垄向的。但由于上部叶面积指数较小，因此，总体上二者的LAI并无显著性差异。叶面积指数能够反映出作物冠层截获光照能力的大小[28]，因此对于番茄群体来说，东西垄向的植株与南北方向的相比，它们获得光照量的能力无明显差异。

表3 2种垄向番茄冠层不同高度的叶面积指数

2）叶绿素（SPAD值）

番茄叶片叶绿素含量的高低反映了其光合作用能力的强弱，用SPAD值表示[29]。由图5可以看出，12月至2月，EW垄向CU的番茄叶片SPAD值均低于SN垄向的，说明在冠层上部，东西垄向番茄叶片的光合能力弱于南北垄向的；3个月份中，EW和SN垄向CM的SPAD数值均无显著性差异，说明2种垄向番茄叶片在不同时期的光合能力相同；图5a、图5b中EW在CB的SPAD值分别高于SN的5%和14%，说明12月和1月东西垄向番茄的光合能力较强，而由图5c看出，2月两种种植垄向番茄叶片的SPAD值无显著差异，即东西垄向与南北垄向番茄冠层下部叶片光合能力相同。

注：不同的小写字母表示不同垄向番茄群体SPAD值差异显著，显著性水平为0.05

（2016年12月-2017年2月）

Fig.5 Changes of SPAD in canopy leaves at different period

(Dec.2016-Feb.2017)

将2016年12月－2017年2月东西垄向和南北垄向所有叶片的SPAD值求得平均值分别为（42.7±1.0）和（43.1±0.6），二者差异不明显。因此，散射光环境下东西垄向番茄群体进行光合作用的能力与南北垄向的无明显性差异。

3）叶片倾角

直射光条件下，番茄群体叶片在空间的分布呈混合状态，既有直立叶片又有水平叶片，叶片的这种分布主要是由遗传特性决定的。但不同的外界条件尤其是群体结构特性对其又有较大影响。在同一群体内，叶倾角从上至下的变化规律是：植株顶部较小，近地面处较大，即上部叶片接近直立状态，底部叶片接近水平状态[25]

由图6可以看出，EW和SN的番茄群体叶倾角在不同角度的叶片占比均无显著性差异，在60°～80°范围内的叶片占比二者均为40%以上，说明2种垄向番茄的群体结构基本相同。

图6 2种垄向番茄群体叶倾角分布

2.3 2种垄向番茄的光合作用及产量对比

番茄的净光合速率反映其有机物积累的快慢，从而影响番茄的产量[30]。由表4可以看出，东西垄向和南北垄向试验区番茄的净光合速率、胞间CO2浓度以及气孔导度之间，均不存在显著性差异。

表4 2种垄向番茄的光合作用指标

2016年12月至2017年4月，温室东西垄向种植番茄（面积29 m×7 m=203 m2）的总产量为2 537.6 kg，南北垄向种植番茄（面积29 m×7 m=203 m2）的总产量为2 421.1 kg，二者仅相差4.8%，差异不明显。

3 结 论

本研究对散射光日光温室中南北垄向和东西垄向2种方式种植的番茄，进行了冠层不同高度的光环境及生长状况的测试分析，并对二者的光合速率和产量进行了对比并得到如下结论：

1）在散射光下，东西垄向种植的番茄的光环境与南北垄向的相同；东西垄向与南北垄向番茄冠层的光照积累量，无显著性差异。

2）在散射光条件下，东西垄向种植的番茄与南北垄向的相比，没有在形态和生理指标上发生改变。东西和南北方向种植的番茄的叶面积指数（LAI）分别为4.34和4.29，叶绿素含量（SPAD）分别为（42.7±1.0）和（43.1±0.6），叶片倾角都主要集中在60°～80°，净光合速率分别为12.8和12.4mol/(m2·s)，差异均不显著。

3）试验期间，温室（面积为203 m2）东西垄向种植番茄的总产量为2 537.6 kg，南北垄向种植番茄的总产量为2 421.1 kg，二者仅相差4.8%，没有明显差异。

综上所述，在散射膜日光温室中，东西垄向种植的番茄的生长和产量，与南北垄向的相比，没有明显差异。因此，在散射光环境的日光温室中可以采用东西垄向代替南北垄向进行番茄种植。

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Effects of ridge direction on growth and yield of tomato in solar greenhouse with diffuse film

Song Weitang1,2, Li Chenxi1, Sun Xuguang1, Wang Pingzhi1,2, Zhao Shumei1,2

(1.100083,2.100083)

In the solar greenhouse, which was covered by ordinary film with small haze, the planting pattern of south-north ridge was used in common. In east-west ridge, there could be the shadow on the north side produced by south side of planting line, which caused some problems including that the distribution of light would be uneven, and the growth would be impacted. However, due to the current labor shortage and low production efficiency, there is urgent need for small agricultural machinery used in the solar greenhouse, while the shorter north-south planting ridge has limited the use of agricultural machinery and operation efficiency. Tomato (“Gem 1”) plants, were planted on September 20, 2016 in glasshouse. The length of test greenhouse was 60 m, and the span was 8 m, which was located in Fengnan District, Tangshan City, Hebei Province. The greenhouse was covered by film with 55% haze and 85% light transmittance. This study aimed to analyze the effects of 2 planting ridges on tomato growth and yield. The photoperiod, and physiological and morphological indices of different height of canopy were studied with 2 kinds of tomatoes grown in north-south and east-west ridge, respectively, and the photosynthetic rate and yield were compared. The hypothesis is there exists the feasibility of using the east-west ridge in the scattered light solar greenhouse. To test this hypothesis, a study was conducted in glasshouses covered with scattering glass, converting a portion of the direct solar light into scattered light with different degrees of scattering, without affecting light transmission. Tomato was used in this study. The results showed that in the diffuse light environment, the tomatoes grown in the east-west ridge were the same as those in the north-south ridge, and the light intensity in the canopy increased with the height. And there was no significant difference in the light accumulation between the ridges of the east-west and north-south. In addition, the leaf area index (LAI) of tomato was 4.34 and 4.29 respectively, the chlorophyll SPAD (soil plant analysis development) content was 42.7±1.0 and 43.1±0.6 respectively for the east-west and north-south planting pattern, and the difference did not reach the significant level. In the east-west ridge, the distribution of leaves inclination angle was the same as that in the south-north ridge, concentrated between 60° and 80°. And the net photosynthetic rates of the leaves were 12.8 and 12.4mol/(m2·s), and the difference was not significant; from December 2016 to February 2017, the yield of tomato of east-west ridge was 2 537.6 kg, and the other was 2 421.1 kg, and the difference was not significant. It could be seen that there was no significant difference on the growth and yield of tomatoes between the east-west and south-north ridges in the solar greenhouse covered by film with 55% haze. Therefore, the effects of 2 kinds of planting ridges on the growth and yield of tomato in diffuse light in the Chinese solar greenhouse were not significant. Thus, in the solar greenhouse with diffuse light environment, we can not only use the east-west ridge instead of the north-south ridge for tomato planting pattern, but also use the east-west farming pattern for agricultural operation.

greenhouse; Chlorophyll; lights; diffuse light; planting ridge direction; tomato; yield

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.032

S625.3; S625.5+5

A

1002-6819(2017)-24-0242-07

2017-07-07

2017-11-14

现代农业产业技术体系建设专项（CARS-23-C02）

宋卫堂，男，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：songchali@cau.edu.cn

宋卫堂，李晨曦，孙旭光，王平智，赵淑梅. 散射膜日光温室中种植垄向对番茄生长和产量的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(24)：242－248. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.032 http://www.tcsae.org

Song Weitang, Li Chenxi, Sun Xuguang, Wang Pingzhi, Zhao Shumei. Effects of ridge direction on growth and yield of tomato in solar greenhouse with diffuse film[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 242－248. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.032 http://www.tcsae.org