日光溫室土壤溫度環(huán)境邊際效應

第 25 卷 第 5 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 Vol.25 No.5150 2009 年 5 月 Transactions of the CSAE May 2009日光溫室 土壤 溫度 環(huán)境邊際 效應孫治強1，孫麗2，王謙3，李勝利1（ 1 河南農(nóng)業(yè)大學 園藝學院 ， 鄭州 450002； 2 河南科技學院 園林學院 ， 新鄉(xiāng) 450002； 3 河南農(nóng)業(yè)大學林學院 ， 鄭州 450002）摘 要 ： 為探索 日光溫室 邊際區(qū)域的界限和邊際環(huán)境 特點 ， 在暖溫帶的河南省鄭州市冬春季 ， 選擇當?shù)赜写硇缘娜摷軣o支柱日光溫室 ， 實測 了 邊 際 土壤溫度 ， 測 試 確定日光溫室邊際區(qū)域的界限點 。 結果表明 ： 土溫界點在不同時期是不同的 。 11 月下旬土溫界點距離南底腳 105 cm。 在最冷的 1 月 ， 土溫界點距南底 腳 270 cm。 3 月下旬 ， 此界點距南 底 腳 僅為 45 cm。 土溫界點在一天中也是不同的 。 代表最冷季節(jié)的 1 月中旬最遠界點出現(xiàn)在 6 00 8 00， 距南底 腳 285 cm，最近界點出現(xiàn)在 15 00 17 00， 距南底 腳 150 cm。 邊際區(qū)域的界點可作 為日光溫室優(yōu)化設計 的指標 ， 并指導 設施保護區(qū)域自然資源的充分利用 。關鍵詞 ： 日光溫室 ， 土溫 ， 設計 ， 邊際效應 ， 界點doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2009.05.029中圖分類號 ： S625 文獻標識碼 ： A 文 章編號 ： 1002-6819(2009)-5-0150-06孫治強 ， 孫 麗 ， 王 謙 ， 等 . 日光溫室土壤溫度環(huán)境邊際效應 J. 農(nóng)業(yè)工程學報 ， 2009， 25(5)： 150 155.Sun Zhiqiang, Sun Li, Wang Qian, et al. Marginal effect of the soil temperature environment in greenhouseJ. Transactions of theCSAE, 2009,25(5)： 150 155.(in Chinese with English abstract)0 引 言日光溫室保護環(huán)境中 ， 邊 際 區(qū)域的溫度環(huán)境與其內(nèi)部有著很明顯的不同 ， 這是人們都注意到的現(xiàn)象 。 而日光溫室保護區(qū)域內(nèi)空間的充分利用 ， 最大程度 地 提高設施的保護效能是日光溫室設計追求的目標 。 然而 ， 日光溫室邊際區(qū)域的界限研究 較少 。 這 在 一定程度 上 影響了日光溫室邊緣區(qū)域保護地資源的合理利用 。 日光溫室邊際區(qū)域的環(huán)境特征 ， 以及這個區(qū)域內(nèi)種植的作物的生態(tài)環(huán)境特征 ， 與植物生態(tài)學中的邊際效應有著一定的關聯(lián) 。植物生態(tài)學中 ， 兩 個或多個不同生物地理群落交界處 ，往往結構 復雜 ， 出現(xiàn)了不同生境的種類共生 ， 種群密度變化較大 ， 某些物種特別活躍 ， 生產(chǎn)力也較高 ， 這種現(xiàn)象稱為邊際效應 1。 即在兩個或多個不同性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)交互作用處 ， 由于某些生態(tài)因子如物質(zhì) 、 能量 、 信息 、時機或地域等系統(tǒng)屬性的差異和協(xié)合作用而引起系統(tǒng)某些組分及行為如種群密度 、 生產(chǎn)力和生物多樣性等的較大變化 ， 稱為邊際效應 2。 這種邊際效應的概念與日光溫室的邊際環(huán)境是有差異的 ， 因為日光溫室邊緣區(qū)域是種植的作物與保護設施的界面 ， 沒有作物的交叉 。 但邊際效應還有另 外的解釋 。 有人認為 ， 邊際效應是兩個相鄰的生態(tài)系統(tǒng)相互作用的結果 , 這種相互作用是生物的和非生物的綜合作用過程 3。 將邊際區(qū)域的組成由群落與群落交錯擴展到了生物的和非生物環(huán)境 。 這就涵蓋了日光溫室邊際的情形 。 更為廣義的概念 ， 將邊際效應定義為 ：兩種不同相物質(zhì)或社會現(xiàn)象交融的界面可稱為過渡帶或收稿日期 ： 2008-09-30 修訂日期 ： 2009-04-09基金項目 ： “ 十一五 ” 國家科技支撐計劃 園藝作物安全高效生產(chǎn)關鍵技術研究與示范 （ 2006BAD07B04 8）； 河南省基礎與前沿技術研究計劃（ 082300430060） 資助作者簡介 ： 孫治強 （ 1957）， 教授 ， 博士生導師 ， 研究 方向設施園藝 。 鄭州 河南農(nóng)業(yè)大學 ， 450002， Email: sunzqpublic.zz.ha.cn過渡界面 ， 過渡帶或過渡界面中物質(zhì)動態(tài)交融過程所體現(xiàn)出來的物理 、 化學 、 生物等特性 ， 可稱為邊際效應 4。這里提出了過渡帶和過渡界面的概念 ， 日光溫室的邊際溫度環(huán)境也存在著這樣的過渡界面 ， 本文試圖確定這個界面的位置 。 農(nóng)業(yè)生態(tài)學認為 ， 邊際效應是 由于土壤 、氣象 、 生物等因素不同 ， 造成農(nóng)田邊際與中心植株 產(chǎn)量有明顯的差異 5。 從這個意義上講 ， 日光溫室溫度環(huán)境的邊際效應是十分明顯的 。 日光溫室邊際區(qū)域溫度環(huán)境在許多研究者的文獻中有論述 6-9， 陳端生還對中國節(jié)能型日光溫室建筑與環(huán)境研究進展情況進行了綜述 ， 分析了日光溫室內(nèi)土壤溫度和空氣溫度分布 10。本文用 實測日光溫室邊緣 土壤 溫度環(huán)境 ， 確定日光溫室邊際區(qū)域的界限 ， 豐富 溫室環(huán)境研究 的內(nèi)涵 ， 并為日光溫室優(yōu)化設計和設施保護區(qū)域自然資源的充分利用奠定理論基礎 。1 材料和方法1.1 溫室與儀器本試驗在河南省鄭州市 （ 34.5N， 113.5S） 西北郊綠金 園 農(nóng)業(yè)科技有限公司基地 內(nèi)進行 ， 溫室長 70 m， 跨度 10 m， 前屋面為鋼架結構 ， 無滴膜覆蓋 ， 并覆蓋有10 cm 草苫 ， 草苫上覆有防雨膜 ， 采用卷簾機機械卷苫 。北墻厚度為 60 cm， 內(nèi)部為 24 cm 紅磚墻 ， 外部為 12 cm紅磚墻 ， 中間為土壤填充 。 試驗溫室種植茄子 （ Solanummelongena L.） 品種為特早油茄王 ， 早熟品種 ， 株高 7590 cm， 育苗時間是 2007 年 7 月 15 日 、 定植時間是 2007年 9 月 5 日 。 種植密度為每畦栽兩行 ， 行距 50 cm， 株距40 cm。 每行鋪設一條滴灌管 ， 滴頭間距與株距相同 ， 亦為 40 cm， 整枝方式為雙桿整枝 。溫室管理 ： 氣溫達到 30 以上時放風 ， 先打開前屋面頂窗通風設施 ， 溫度繼續(xù)增高時 ， 打開后墻通風口 。第 5 期 孫治強等 ： 日光溫室土壤溫度環(huán)境邊際效應 151溫度若再升高 ， 打開前屋面腰窗的棚膜 。 下午溫度降至18 左右 時 關閉風口 ， 先關閉后墻通風口 ， 溫度再下降則關閉前屋面頂窗通風設施 。 室外氣溫穩(wěn)定在 12 13以上時 ， 不關閉風口 。 夜間溫室蓋草苫保溫 。 一般在上午 7 00 8 00 時 揭苫 ， 下午 17 30 18 30 蓋苫 。陰天揭苫推遲 ， 蓋苫提前 。測溫儀器為 CID（ 北京 ） 生態(tài)科學儀器有限公司生產(chǎn)的 CB-0221 多點測溫儀 ， 測溫范圍 -40.0 60.0 ， 測溫精度為 0.2 。 該儀器 為自動記錄的儀器 ， 相鄰兩次采集的時間間隔不小于 12 min， 且 存儲的溫度值為采集時間點前后 5 min 的平均值 。1.2 監(jiān)測方法為測得土溫由溫室邊緣向內(nèi)部過渡的情況 ， 同時為避免東西兩側(cè)的影響 ， 將測點選在溫室東西方向的中部 ，并在溫室南底腳向溫室內(nèi)部依次順序布點 ， 第一個測點設在距南底 腳 15 cm 處 ， 以后 每 15 cm 設一個測點 ， 共設18 個測點 ， 并且 ， 在溫室南北方向的中部再設一個對照測點 。 每個測點均測定 10 cm 土溫 。 在日光溫室越冬茬茄子的主要生育期內(nèi) （ 2007 年 11 月下 旬 2008 年 3 月下旬 ）， 每 10 d 對日光溫室內(nèi)的南邊際的土壤溫度進行一次觀測 ， 并同步觀測邊際作物和中部作物的生育狀況 ，以得出秋冬季日光溫室邊際環(huán)境因子的變化特性及對溫室作物的影響 。測定具體時間 的 天氣 狀況為 晴或多云 。1.3 數(shù)據(jù)處理方法將觀測 原始數(shù)據(jù)輸入 Microsoft Excel 電子表格 ， 以測點編號 為 橫 坐標 （ 每兩個測點編號間代表 15 cm） ， 以測得的土壤溫度 為 縱 坐標 ， 生成散點圖 ， 對分散數(shù)據(jù)點進行回歸 分析 ， 并計算回歸方程與 決定 系數(shù) R2， 通過 R2檢驗回歸的顯著性 ， 如果顯著則可用所得的回歸方程模擬邊際 土溫的變化 ， 并確定邊際的界點 。邊際土溫界點的 確定 ： 用所得回歸方程計算的土壤溫度 模擬值進行方差分析和多重比較 ， 即 從最邊緣測點向溫室內(nèi)部各測點的模擬值均與溫室中部測點的土溫進行方差分析和多重比較 。 最南緣的測點 1 與溫室中部相差較大 ， 差異顯著 ， 而向溫室內(nèi)部過渡 ， 這種差異的顯著性減少 ， 直 到與中部對照值差異顯著的最后 一 個 測點 ，這一 測點 的 序號 ， 即變溫區(qū)與恒溫區(qū)在觀測時間的土溫界點 。 方差分析及多重比較 的方法 采用 DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 中隨機區(qū)組設計單因素方差分析鄧肯新復級差法 。2 結果 與 分析2.1 土壤溫度邊際界點的確 定以 2008 年 1 月 23 日南側(cè)土溫邊際界點的確定為例 ，描述土溫數(shù)據(jù)處理過程 。 南側(cè)邊際土溫共設 18 個測點 ，測點 1 從 南底 腳 開始 。 將觀測南側(cè)土溫數(shù)據(jù)按土溫上升 、土溫下降 、 土溫出現(xiàn)極大值 、 土溫出現(xiàn)極小值 4 種情況分成 4 時段 ， 分別為 00 00 06 00、 07 00 12 00、13 00 18 00、 19 00 24 00， 然后分別對各時段各觀測點的值求平均 ， 再以測點序號為橫坐標 ， 溫度為縱坐標做圖并添加趨勢線 ， 如圖 1。 得出各時段趨勢線公式和 決定系數(shù) R2 值 ， 由決定系數(shù)計算相關系數(shù) R， 可知相關系數(shù) 均大于 0.9， 說明 模擬效 果很好 。圖 1 南側(cè) 10 cm 土溫 由南底腳向溫室中部 的變化 （ 2008.01.23， 晴 ）Fig.1 Changes of the soil temperature at a depth of 10 cm from the south to the middle of the greenhouse152 農(nóng)業(yè)工程學報 2009 年根據(jù)所得 4 個時段的 回歸模式 ， 計算 不同時段 與南底腳不同距離 上 的土壤溫度值 ， 直至 接近中部 土壤溫度對照值為止 ， 1 月下旬南側(cè) 10 cm 土溫中部對照值為8.62 ， 故 用回歸模式計算至接近并略大于此值 （ 本次 試驗數(shù)據(jù)計算至 第 20 點 ）。將求得的 4 組 土壤溫度 值 用 DPS 軟件中隨機區(qū)組設計單因素方差分析 中的 鄧肯新復級差法 ， 進行方差分析及多重比較 ， 結果 5%顯著水平下和 1%顯著水平下均是從第 18 個測點開始與中部對照值具有顯著差異 ， 即 從第18 個測點開始向中部 ， 土壤溫度 與中部接近 ， 而從第 18點向南底 腳 測點溫度是不斷降低的 ， 也就是說第 18 個測點正是南側(cè)土溫 邊際區(qū)域 的一個界點 ， 此點距離南底腳270 cm。 根據(jù)所得回歸模式可以看出 ， 邊際區(qū)域越靠近南底腳 ， 土溫的變化差異越大 ， 這個結果同時也印證了前人的研究 9,11。2.2 邊 際土溫界點 在冬季內(nèi)的 變化按上述方法 ， 對 2007 年 11 月下旬 至 2008 年 3 月下旬全部數(shù)據(jù) 進行處理 ， 得各觀測時間對應的 1%顯著水平下的界點 位置 圖 ， 如圖 2。 由圖 2 可知 ， 土溫界點在不同時期是不同的 ， 觀測初期 ， 南土溫界點距南底 腳 105 cm，溫室南部種植作物的區(qū)域距離南底 腳 80 cm， 這說明作物已在低溫區(qū)內(nèi) ， 邊際效應已經(jīng)存在 。 在最冷的 1 月 ， 土溫界點距南底 腳 270 cm， 對跨度為 10 m 的溫室而言 ， 邊際區(qū)域 延伸達 2.7m 之多 ， 這就說明邊際效應的存在是不容忽視的 。 到 3 月下旬 ， 此界點距南底 腳 僅為 45 cm， 遠小于南部作物 距南底 腳 的距離 ， 可以認為 土壤溫度邊際區(qū)域 對作物的影響已經(jīng)不存在了 。圖 2 南側(cè)邊際土溫界點的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal changes of south marginal soiltemperature boundary point2.3 南側(cè)邊際土溫界點的日變化選擇 2008 年 1 月中旬的土溫觀測數(shù)據(jù) ， 每 3 h 一組 ，共分 8 組 ， 按上述土溫界線確定方法進行處理 ， 結果 土溫界點的日變化情況 如 圖 3。 由圖可知 ， 土溫界點在一天中不同時段是不同的 。 最遠界點出現(xiàn)在 6 00 8 00，距南底 腳 285 cm， 最近界點出現(xiàn)在 15 00 17 00， 距南底 腳 150 cm。 在最冷的 1 月 ， 一天中最遠最近界點相差 135 cm， 說明南側(cè)土壤溫度的晝夜溫差很大 ， 這就要求重視南部邊際土溫在夜間對溫室環(huán)境及作物的影響 。圖 3 南側(cè)邊際土溫界點的日變化 （ 2008.01.25， 晴 ）Fig.3 Daily changes of south marginal soil temperatureboundary point2.4 邊際作物的生長狀況2.4.1 邊際植株狀況邊際區(qū)域與溫室中部植株長勢觀測結果 如表 1， 可見 ， 中部茄子的株高 、 莖粗明顯大于南側(cè)邊際區(qū)域 。 南側(cè)株高的生長量是中部的 82.3%。 南側(cè)莖粗生長量是中部的 90.4%。表 1 邊際作物與中部作物的生長狀況Table 1 Stem diameter and plant height of marginaland middle crops株高 /cm 莖粗 /cm觀測 時間/年 -月 -日 南側(cè) 中部 南側(cè) 中部2007-11-26 43.50 56.50 0.73 0.852007-12-05 46.50 60.25 0.80 0.902007-12-12 47.75 61.50 0.83 0.952007-12-30 53.50 65.50 1.00 1.062008-01-07 62.63 72.50 1.04 1.152008-01-15 64.13 74.00 1.07 1.182008-01-23 64.63 75.00 1.08 1.22平均值 54.66 66.46 0.94 1.042.4.2 邊際作物的光合特性典型天氣 ， 上午 9 00 11 00， LI-6400 測定系統(tǒng)測定茄子植株的凈光合速率 （ Pn）、 氣孔導度 （ Gs）、蒸騰速率 （ Tr） 和葉溫 （ Tleaf）， 見表 2。 同一天氣條件下 ， 南側(cè)邊際區(qū)測定值均低于中部 。Tr、 Gs 隨光合有效輻射 PAR（ 0 1400 mol/(m s)增加而增加 ， 見圖 4。 總的來看 ， 南部邊際區(qū)域蒸騰速率 Tr 低于中部 。 輻 照 度 0 1000 mol/(m s)時 ， 南側(cè)邊際區(qū)域的 Tr 低于中部 ， 1000 1500 mol/(m s)時 ， 二者第 5 期 孫治強等 ： 日光溫室土壤溫度環(huán)境邊際效應 153相近 ， 高于 1500 mol/(m s)時 ， 南部又低于中部 。 氣孔導度 Gs 是南部高于中部 ， 尤其是在 PAR 為 10001500 mol/(m s)時 ， 南側(cè)邊際區(qū)域氣孔導度明顯比中部高 。表 2 不同天氣條件下不同部位作物的光合特性指標Table 2 Photosynthetic characteristic indices of crops at different parts under different weather conditions天氣 作物 凈光合速率 Pn/mol (m2 s)-1 氣孔導度 Gs/mol (m2 s)-1 蒸騰速率 Tr/mol (m2 s)-1 氣溫 / 葉溫 /南側(cè) 10.30 0.175 2.870 23.2 21.6晴天中部 10.65 0.184 2.965 23.6 21.8南側(cè) 8.15 0.140 1.83 16.7 15.4陰天中部 8.85 0.169 1.945 16.6 15.1圖 4 不同部位作物蒸騰速率和氣孔導度對光合有效輻射的響應 （ 2008.01.01,晴 ）Fig.4 Response of transpiration rate and stomatal conductance to phosynthetically active radiation of crops at different parts圖 5 為 南側(cè)邊際區(qū)域與中部凈光合速率 Pn 與 PAR的 關系測定結果和回歸 趨勢線 。 根據(jù)回歸趨勢線 ， 可以計算出光飽和點 （ LSP） 為 1470 1600 mol/(m s)， 與文獻 12 14報道數(shù)值相當 。 南側(cè) 邊際區(qū)域 光飽和點值 大于中部區(qū)域 。圖 5 溫室內(nèi)不同部位作物凈光合速率對光合有效輻射的響應(2008.01.01， 晴 )Fig.5 Response of net photosynthesis rate to photosyntheticallyactive radiation of crops at different parts in greenhouse為求光補償點 ， 分析光合有效輻射 0 200 mol/(m s)的凈光合速率 ， 如圖 6。 從圖中可以看出 ， 光補償點在75.9 93.6 mol/(m s)， 與文獻 15報道數(shù)值相當 。 南側(cè)邊際區(qū)域大于中部 。圖 6 不同部位作物光補償點趨勢線 （ 2008.01.01， 晴 ）Fig.6 Trend line of light compensation points of cropsat different parts3 結論和討論1） 本試驗條件下 ， 在一天中的土溫上升 、 土溫下降 、土溫出現(xiàn)極大值 、 極小值階段 日光溫室 10 cm 土溫從南底腳向溫室中部 均上升 。 土壤溫度存在著與日光溫室中部邊際區(qū)域不同的邊際區(qū)域 。2） 土溫界點在不同時期是不同的 。 本試驗條件下 11月下旬土溫界點距離南底腳 105 cm。 在最冷的 1 月 ， 土溫界點距南底 腳 270 cm。 到 3 月下旬 ， 此界點距南底 腳僅為 45 cm。3） 土溫界點在一天中也是不同的 。 本 試驗條件下代表最冷季節(jié)的 1 月中旬最遠界點出現(xiàn)在 6 00 8 00，154 農(nóng)業(yè)工程學報 2009 年距南底 腳 285 cm， 最近界點出現(xiàn)在 15 00 17 00， 距南底 腳 150 cm。4） 南側(cè)邊際區(qū)域蒸騰速率 Tr 低于中部 ， 氣孔導度明顯比中部高 。 光飽和點值大于中部區(qū)域 ， 光補償點南側(cè)邊際區(qū)域大于中部 。5） 邊際區(qū)域的界點及其日變化 、 季節(jié)變化顯然與日光溫室設施的保護性能密切相關 ， 因此邊際區(qū)域的界點可作為衡量日光溫室優(yōu)化設計的指標 ， 并指導設施保護地自然資源的合理利用 。參 考 文 獻 1 Chen J Q, Franklin F J, Spies T A. 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Transactions of theChinese Society of Agricultural Engineering， 2003， 19(3)：186 189 (in Chinese with English abstract)12 舒英杰 ， 周玉麗 ， 郁繼華 ， 等 兩個品種圓茄嫁接苗與自根苗的某些光合特性比較 J 植物生理學通訊 ， 2006，42(1)： 15 18Shu Yingjie, Zhou YuLi, Yu Jihua, et al. Comparison onseveral photosynthetic characteristics between grafted andown-rooted seedlings of two varieties of Solanum melongenal. var. esculentum baileyJ. Plant PhysiologyCommunications， 2006， 42(1)： 15 18 (in Chinese withEnglish abstract)13 舒英杰 ， 周玉麗 茄子嫁接苗與自根苗光合特性比較J 西北植物學報 ， 2005， 25(9)： 1879 1883Shu Yingjie, Zhou Yuli. Comparation of the photosyntheticcapabilities of grafted seedling and scion-root seedling ofeggplantJ. Acta Botanica Boreali-occidentalia Sinica， 2005，25(9)： 1879 1883 (in Chinese with English abstract)14 高志奎 ， 高榮孚 ， 何俊萍 ， 等 日光溫室茄子光合的光強響應特性研究 J 河北農(nóng)業(yè)大學學報 ， 2005， 28(2)： 26 30Gao Zhikui, Gao Rongfu, He Junping, et al. Studies onresponse characteristics of photosynthetic available radiationon photosynthesis in greenhouse eggplantJ. Journal ofAgricultural University of Hebei， 2005， 28(2)： 26 30 (inChinese with English abstract)15 何 明 ， 山 春 ， 張偉春 茄子耐弱光研究的進展 J 遼寧農(nóng)業(yè)科學 ， 2005， (4)： 24 27第 5 期 孫治強等 ： 日光溫室土壤溫度環(huán)境邊際效應 155Marginal effect of the soil temperature environment in greenhouseSun Zhiqiang1, Sun Li2, Wang Qian1, Li Shengli1(1. College of Horticulture, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;2. School of Horticulture Landscape Architecture, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453000, China;3. College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)Abstract: The soil temperature of the marginal area in the greenhouse of steel frame with no pillar was measured and theboundary points were determined in Spring and Winter in Zhengzhou, Henan Province at warm temperate zone. Theresults showed that the boundary point was different from each other in different days. The boundary point in the last tendays of November was 105 cm apart from the south edge of the greenhouse, whereas in January it was 270 cm, and inthe last ten days of March it was only 45 cm. The boundary point was also different from each other in the different time.In January, the boundary point of 6:00 8:00 was the farthest, that was 285 cm, whereas during 15:00 17:00 it was thenearest, that was 150 cm. The boundary point of marginal area can be used as an index of the optimized design of agreenhouse, and it is helpful for the full utilization of the natural rescources protected by the greenhouse.Key words: solar greenhouses, soil temperature, design, marginal effect, boundary point