馬宇婧，王 任，溫祥珍，李亞靈（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷 030801）

溫度是重要的環(huán)境因子，目前蔬菜設(shè)施栽培中存在兩大問(wèn)題：一是夏季異常高溫，溫室內(nèi)氣溫迅速升高，導(dǎo)致根際溫度過(guò)高，但熱量又無(wú)法揮散，過(guò)高的溫度直接影響植株根系正常生長(zhǎng)和根系功能的正常發(fā)揮，最后導(dǎo)致其品質(zhì)和產(chǎn)量的下降[1]。二是冬季溫室根際溫度低，且土壤溫度較難提高。根系長(zhǎng)期生長(zhǎng)在溫度變幅較小的土壤環(huán)境中，習(xí)慣了這種穩(wěn)定的環(huán)境，通常植物根系要求的溫度略低于植物的地上部分，比較適宜的溫度范圍為15～25℃[2]。根際溫度對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育來(lái)說(shuō)比氣溫更重要，一旦根際溫度過(guò)高或過(guò)低，植株根系生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制，進(jìn)而影響整個(gè)植株的生長(zhǎng)[3]。

在無(wú)土栽培中，營(yíng)養(yǎng)液溫度即為植物的根際溫度，對(duì)于作物的生長(zhǎng)至關(guān)重要。不同作物對(duì)根溫的要求不同。對(duì)于喜溫性蔬菜（黃瓜、番茄等），根溫大于30℃會(huì)加速根的老化過(guò)程，使根的木質(zhì)化部位幾乎達(dá)到根尖[4]，低于12℃以下則吸水困難，導(dǎo)致生長(zhǎng)停滯。對(duì)于耐寒類蔬菜，一般最低液溫8℃左右，最高不超過(guò)35℃，蔥最適根溫為20～26℃，生菜為15～28℃[5]。一般植物生長(zhǎng)要求液溫范圍在13～25℃，最適液溫為18～20℃[3]。對(duì)大多數(shù)作物來(lái)講，夏季液溫控制在28℃以下，以20～24℃為宜，冬季不低于12～15℃均適宜[6]。

無(wú)土栽培中液溫和氣溫的配合很重要。液溫高氣溫低，根生長(zhǎng)和呼吸消耗較多的同化產(chǎn)物，地上部生長(zhǎng)慢；液溫低氣溫高，地上部生長(zhǎng)快，長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致根系發(fā)育差，也會(huì)影響到地上部的生長(zhǎng)[5]。所以氣溫高時(shí)液溫也應(yīng)高些，或略低于平均氣溫；冬季氣溫較低時(shí)，提高液溫更有利于作物生長(zhǎng)。

土壤栽培條件下緩沖性較好，但夏冬實(shí)施根溫控制較為困難或成本較高，無(wú)土栽培中緩沖性相對(duì)較差，不注意根際環(huán)境控制容易導(dǎo)致生產(chǎn)失敗，所以無(wú)土栽培中根溫的控制技術(shù)尤為重要。

無(wú)土栽培中根溫控制技術(shù)

無(wú)土栽培中影響根溫穩(wěn)定的因素有很多，如池溫、輸液管道、栽培設(shè)施、供液量、植被狀態(tài)等。為了保證穩(wěn)定的生產(chǎn)和品質(zhì)，針對(duì)影響因子制定有效的根溫控制技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。

貯液池溫度控制技術(shù)

貯液池用于存放供植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)液，提供基礎(chǔ)溫度（熱量）。貯存設(shè)施有些是獨(dú)立的營(yíng)養(yǎng)液罐，有些是池；有些放置在室外，有些建造在地下，有些放置在專用房間內(nèi)，有些放置在溫室內(nèi)，見(jiàn)圖1。設(shè)置位置不同，營(yíng)養(yǎng)液溫度受環(huán)境溫度的影響不同。營(yíng)養(yǎng)液池設(shè)計(jì)在地下，能利用地溫的穩(wěn)定性，且占地少，建造成本低，是常見(jiàn)的選擇，但清淤和消毒不徹底，而且開放式的貯液池見(jiàn)光容易滋生綠藻（圖1a）；在環(huán)境穩(wěn)定的現(xiàn)代化溫室或?qū)ｉT房間內(nèi)放置貯液罐，營(yíng)養(yǎng)液溫度比較穩(wěn)定，容易維護(hù)和檢查，是大型現(xiàn)代化溫室常見(jiàn)的（圖1b、1c）；在外界環(huán)境變化不大的地區(qū)（如荷蘭），貯液池也可放置在室外（圖1d），不占用溫室用地。

貯液池（罐）的建造和材料選擇對(duì)營(yíng)養(yǎng)液溫度也會(huì)產(chǎn)生影響。地下建造時(shí)要注意填注隔熱材料或加填聚苯板隔熱；大型貯液池需選擇隔熱材料和鋁材，不僅耐銹蝕且起反光作用。

貯液池（罐）的加溫與降溫通常采用管道來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在貯液池設(shè)置管道，夏季通入冷水循環(huán)來(lái)降溫，冬季通入熱水來(lái)提溫，荷蘭溫室熱水主要來(lái)自聯(lián)合熱電系統(tǒng)，部分來(lái)自溫室降溫時(shí)的熱空氣；液溫加熱也可使用加熱棒、電熱線等。溫度的控制可以采用控溫儀，或利用熱敏電阻與控制計(jì)算機(jī)箱來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制。宋敏麗等[7]在試驗(yàn)研究中采用隔離冰降溫和電熱線加溫的處理保持營(yíng)養(yǎng)液的恒溫狀態(tài)取得了很好的控制效果。

貯液池的建造位置對(duì)液溫也有影響，在氣候溫和的荷蘭，溫室多建于地上，而對(duì)于氣候變化劇烈，一天中日較差大的中國(guó)，溫室應(yīng)建在地下，可借助周圍土溫穩(wěn)定營(yíng)養(yǎng)液溫度，為作物更好的生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境。夏季當(dāng)貯液池分別位于地平面、地上10 cm、地下10 cm時(shí)，營(yíng)養(yǎng)液平均溫度分別是 18.9、29.4、17.6℃，地上貯液池液溫高于作物生長(zhǎng)適溫，作物生長(zhǎng)出現(xiàn)萎蔫死亡癥狀，地下貯液池相對(duì)地平面營(yíng)養(yǎng)液平均溫度低1.3℃，更適于作物生長(zhǎng)。

還可通過(guò)一些保溫措施如周邊保溫和頂部保溫等來(lái)調(diào)節(jié)貯液池溫度。冬季當(dāng)在營(yíng)養(yǎng)液池周邊或底部鋪設(shè)聚苯板，與不附加聚苯板相比，營(yíng)養(yǎng)液平均溫度可分別升高0.5、1.5℃，可見(jiàn)底部附加聚苯板保溫隔熱效果更好，可增強(qiáng)穩(wěn)溫性能；當(dāng)在葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)頂部夜間覆蓋保溫材料時(shí)，營(yíng)養(yǎng)液溫度增加0.6℃，內(nèi)部氣溫增加5.1℃。

貯液池的大小也影響貯液池溫度，相同水位下，貯液池越大，熱緩沖能力越強(qiáng)。

圖1 貯液池的設(shè)計(jì)與放置位置

營(yíng)養(yǎng) 液輸送系統(tǒng)

營(yíng)養(yǎng)液的輸送主要是管道，多為無(wú)毒塑料管，相比金屬或合金管道隔熱性較好，但細(xì)長(zhǎng)且距離遠(yuǎn)，容易受外界溫度及陽(yáng)光暴曬的影響，從而影響到根溫。采取必要的隔熱保溫措施是好的選擇，一般外部用航空棉、PVC泡沫軟材、鋁箔等包裹，進(jìn)行供液管道隔熱供應(yīng)[5]。

若管道系統(tǒng)復(fù)雜可將其埋在地下，利于溫度的穩(wěn)定，這是較傳統(tǒng)的做法。在室內(nèi)溫度能夠穩(wěn)定控制的溫室中也可架設(shè)在空中，便于機(jī)械作業(yè)和維護(hù)（圖2）。

圖2 營(yíng)養(yǎng)液輸液系統(tǒng)的隔熱處理

圖3 不同栽培方式

栽培 方式

深 液 流（Deep Flow Technique，DFT）[6]營(yíng)養(yǎng)液栽培系統(tǒng)所用營(yíng)養(yǎng)液液層較深，一般深度為5～15 cm，營(yíng)養(yǎng)液濃度、溫度、pH等相對(duì)穩(wěn)定，根際環(huán)境緩沖力大，受外界環(huán)境影響小。但不同季節(jié)，仍然受到一定的影響。在炎熱夏季會(huì)由于氣溫升高引起液溫升高，可高達(dá)30℃以上。

營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)（Nutrient Film Technique，NFT）[6]中營(yíng)養(yǎng)液總量少，種植槽內(nèi)液層淺，僅1～2 cm，物理化學(xué)性質(zhì)變化快，液溫變化快，易受環(huán)境溫度的影響，尤其是暴露于空氣中的根系部分易受氣溫的影響，根際緩沖能力差，在夏季高溫期，根系易老化。

陳海生等[8]比較分析了DFT和NFT條件下水培系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)液液溫的日變化。結(jié)果表明，NFT水培槽中營(yíng)養(yǎng)液液溫日變化相對(duì)較大，是隨光照度和氣溫的趨勢(shì)變化；DFT條件下日變化平緩。在早春氣候條件下，DFT系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)液液溫晝夜大部分時(shí)間高于NFT系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境中氣象因子變化的響應(yīng)程度較弱。因此，在栽培櫻桃番茄時(shí)，DFT水培方式要優(yōu)于NFT。

另外，巖棉、椰糠等基質(zhì)培環(huán)境溫度較水培穩(wěn)定，圖3所示為生產(chǎn)中不同的栽培方式，其中圖3a、3b為基質(zhì)培，圖3c為水培。

供液量

盡管營(yíng)養(yǎng)液或者水的比熱容大，但是營(yíng)養(yǎng)液的供應(yīng)量能顯著影響根際溫度的變化。

在NFT栽培中，液面淺，根溫很容易受到氣溫的影響而產(chǎn)生較大變化，可以通過(guò)加大栽培槽的坡度，提高供液速度，來(lái)保障根溫的相對(duì)穩(wěn)定，尤其在我國(guó)夏季氣溫高的狀態(tài)下能保障速生葉菜的正常生長(zhǎng)。

在DFT（積液式）栽培條件下，營(yíng)養(yǎng)液量較大，對(duì)穩(wěn)定根溫有很好的效果。我們研究認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)液量（液面高低）對(duì)根溫會(huì)產(chǎn)生一定影響，當(dāng)葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)[9-10]營(yíng)養(yǎng)液深度為25 cm時(shí)，液溫較20 cm低2℃，15 cm時(shí)液溫較20 cm高約1℃，可見(jiàn)積液越多，升溫越慢，緩熱效果越好，池溫與根溫越接近；積液少則受環(huán)境變化影響大。另一方面，積液一致情況下（營(yíng)養(yǎng)液深度20 cm），不同深度、不同季節(jié)，液溫也不相同（表1）。分析一年四季中營(yíng)養(yǎng)液表面即0 cm、液面以下5、10、15 cm的溫度變化，各液層和內(nèi)外氣溫的平均溫、最高溫、最低溫及日較差，四季均表現(xiàn)出表層溫度高，越往深處溫度越低，變化越平緩，日較差越小。四季平均溫分別是 18.4、28.8、20.8、6.8℃，春秋季液溫均在適宜作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)；由于夏季所選溫度為未采取遮陽(yáng)等降溫措施的部分，表現(xiàn)出溫度過(guò)高，表層日較差最大達(dá)7.9℃，深層日較差浮動(dòng)小至1～2℃，液溫基本在27℃以上，最高達(dá)到34℃，顯著高于作物生長(zhǎng)適溫；冬季所選溫度為未采取保溫措施的部分，表現(xiàn)出溫度過(guò)低，各層次日較差在0.5～2.2℃浮動(dòng)，即使是深層液度也只有6～7℃，低于作物正常生長(zhǎng)的溫度。

在巖棉培或椰糠培條件下，供液量對(duì)包裹著塑料的基質(zhì)溫度的變化影響也十分明顯，采用白、黑膜來(lái)反射光熱和維持根際環(huán)境溫度是重要的措施。另外在桶栽（圖3b）和袋栽中加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)是維持根溫穩(wěn)定的重要措施。

表1 四季各液層和內(nèi)外氣溫的平均溫度和極端溫度/℃

栽培系統(tǒng)

栽培系統(tǒng)是指栽培植株的栽培槽，常見(jiàn)的有PVC、聚苯板槽、鍍鋅鐵皮、鋁材、塑料等。栽培系統(tǒng)采用鍍鋅鐵皮、鋁合金等，強(qiáng)度高，容易加工成型，成本較低，在早期的無(wú)土栽培槽中很常見(jiàn)，但熱交換量大，傳熱快，容易受氣溫的影響，引起根溫的變化。所以在選擇支撐材料時(shí)不僅要考慮耐受力、承重力，還要考慮其傳熱系數(shù)，傳熱越慢，其周圍的環(huán)境溫度變化越慢，根際環(huán)境越穩(wěn)定，現(xiàn)在多采用PVC、聚苯板做成的專用型材，材料厚實(shí)、隔熱好，根際環(huán)境穩(wěn)定，但成本也會(huì)升高。簡(jiǎn)易無(wú)土栽培采用塑料袋栽、塑料桶栽和塑料膜栽，環(huán)境容積有限，容易受外界溫度的影響。

其他

植被狀態(tài)：植株封壟狀況下光線照射到栽培槽的機(jī)會(huì)很少，根際溫度較為穩(wěn)定，主要受供液溫度的影響，當(dāng)植被量低，陽(yáng)光直射栽培槽，根際溫度會(huì)發(fā)生變化。

環(huán)境溫度也是影響根際溫度的重要因素，精確控制環(huán)境有助于根溫的穩(wěn)定。在生產(chǎn)上利用設(shè)施的結(jié)構(gòu)材料以及增設(shè)輔助設(shè)備，在一定程度上可以控制營(yíng)養(yǎng)液溫度。前人有提出利用地下水，但這需要有充足的地下水源，且易造成水資源的浪費(fèi)；也有提出向營(yíng)養(yǎng)液中添加冰袋降溫的方法[11]，但存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題；還可以采用機(jī)械壓縮式制冷的方法等；祝寶英等[12]使用一種半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)用于番茄DFT栽培的營(yíng)養(yǎng)液溫度控制，滿足無(wú)限生長(zhǎng)栽培條件下番茄根際生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)營(yíng)養(yǎng)液液溫的要求；在營(yíng)養(yǎng)液槽上鋪一層反射材料，減少營(yíng)養(yǎng)液和外界的傳熱也是一種方便實(shí)現(xiàn)的方法。夏季利用噴霧設(shè)備增加葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)空氣濕度，降低溫度，或用潛水泵沖擊營(yíng)養(yǎng)液產(chǎn)生水花，液體流會(huì)同化周圍液體的溫度，從而起到降溫作用，并改善根際環(huán)境，為植物提供更好的生長(zhǎng)條件。

檢測(cè)與控制設(shè)備

在無(wú)土栽培系統(tǒng)中根溫的檢測(cè)主要依靠溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)液中的溫度，一旦高于或低于植物正常生長(zhǎng)溫度及時(shí)采取措施使?fàn)I養(yǎng)液穩(wěn)定在適溫范圍。檢測(cè)的范圍包括多個(gè)方面，如營(yíng)養(yǎng)液池、管道、栽培系統(tǒng)、環(huán)境溫度等。

綜合控制

綜上所述，無(wú)土栽培系統(tǒng)中根溫控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，為了給作物生長(zhǎng)創(chuàng)造更良好的環(huán)境，尤其是根際環(huán)境，需要對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，做好根溫控制與氣候之間的協(xié)調(diào)配合。根據(jù)不同季節(jié)不同氣候，采取適當(dāng)?shù)脑鰷亟禍卮胧┻M(jìn)行根際溫度的控制，同時(shí)對(duì)溫室內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度和作物根際的水分、營(yíng)養(yǎng)組分等環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件，從而達(dá)到增加產(chǎn)量、改善品質(zhì)的目的，進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益[13]。

隨著科技水平的提高，采用無(wú)土栽培進(jìn)行溫室生產(chǎn)是重要發(fā)展方向，在節(jié)約用工、克服土壤連作障礙，顯著提高作物的產(chǎn)量和保障品質(zhì)方面都具有優(yōu)勢(shì)，精準(zhǔn)控制根際環(huán)境是傳統(tǒng)生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)的，無(wú)土栽培能成為現(xiàn)實(shí)可用的技術(shù)。