魏 斌,畢研飛,唐政輝，孫 昊,錢旻晗，王 健，孟 穎，趙金元

(1江蘇常熟國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會，常熟215500；2南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，南京210095；3南農(nóng)大(常熟)新農(nóng)村發(fā)展研究院有限公司，常熟215500；4常熟市農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，常熟215500)

草莓色澤鮮艷、外形美觀，果實(shí)柔軟多汁、甜酸適口、營養(yǎng)豐富，深受大眾喜愛[1]。草莓屬淺根性植物，在營養(yǎng)生長期80%的根系分布在0—15cm土層內(nèi)。草莓根際溫度對于草莓植株生長、開花及果實(shí)發(fā)育存在重要的影響[2]。

草莓架式栽培中，因栽培槽架于空中缺乏地溫支持，且栽培槽內(nèi)基質(zhì)體積小、質(zhì)量輕、基質(zhì)溫度易受環(huán)境影響。實(shí)際草莓生產(chǎn)中，為防止室內(nèi)夜間氣溫過低，通常采用燃油、燃?xì)狻⒌卦礋岜秒娂訜岬认到y(tǒng)[3-6]對室內(nèi)架式栽培槽內(nèi)的基質(zhì)進(jìn)行加熱，但加溫效果有限且成本往往較高。前人研究認(rèn)為，根區(qū)局部加熱利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)[7]，地?zé)峋€、管道熱交換系統(tǒng)等設(shè)備的使用可顯著提高架式栽培草莓夜間根際溫度，進(jìn)而促進(jìn)草莓生長發(fā)育、提升果實(shí)品質(zhì)，縮短生育周期，提高產(chǎn)量[8-9]。空氣源熱泵是一種利用空氣作為熱源(冷源)，既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型熱泵系統(tǒng)?？諝庠礋岜猛ㄟ^輸入少量的高品位能源，可將能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移?？諝庠礋岜每蓪?shí)現(xiàn)在冬季外溫度較低情況下為溫室內(nèi)供暖，為作物生長創(chuàng)造合適的溫度環(huán)境[10-11]。

基于前人已有研究基礎(chǔ)，結(jié)合空氣源熱泵及熱水管道加熱技術(shù)設(shè)計一種適用于設(shè)施草莓架式栽培的基質(zhì)溫度加溫系統(tǒng)，開展根區(qū)基質(zhì)加溫技術(shù)研究，以期為實(shí)現(xiàn)設(shè)施草莓架式栽培中根際溫度的有效控制，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)草莓果品提供指導(dǎo)。

1 基質(zhì)加溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)加熱采用空氣源熱泵系統(tǒng)控溫技術(shù)，利用逆卡諾循環(huán)原理(圖1)，通過消耗少量的電能得到機(jī)械功，將空氣中難以利用的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)崮芟蚋邷責(zé)崮艿霓D(zhuǎn)移，隨后將高品位熱能釋放到水中制取熱水。通過在植株根部基質(zhì)鋪設(shè)熱水管，借助循環(huán)水泵將熱泵系統(tǒng)加熱后的熱水傳送到熱水管路中，對周邊空氣及基質(zhì)熱傳導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)栽培基質(zhì)加溫，提升草莓根際溫度。

1.2 系統(tǒng)功能

整套系統(tǒng)由熱泵機(jī)組加溫系統(tǒng)、循環(huán)水泵、儲水箱(300 L)和熱水管道熱交換系統(tǒng)等部分組成(圖2)。其中熱泵機(jī)組為1.0 PH直流變頻機(jī)組，制熱輸入功率為500—1 400 W，制熱功率為1 400—5 400 W，制熱室外溫度為-25—33℃，出水溫度為7—52℃。在實(shí)際生產(chǎn)中可依據(jù)加熱面積的需要將多臺機(jī)組進(jìn)行并聯(lián)。循環(huán)水泵額定功率為95 W，揚(yáng)程為6 m，流量為3.6 th。熱水管道熱交換系統(tǒng)與加溫系統(tǒng)相連，其中每條栽培槽為一組，每組管道呈U型均勻排布于槽寬為30cm的H型草莓栽培架上，每條栽培槽上加熱管道水路流程相等，流量分配均衡。加熱管道(直徑25 mm×3.5 mm)為導(dǎo)熱性較好的PPR材質(zhì)，在草莓栽培前預(yù)埋于栽培槽基質(zhì)表層，管道距離栽培槽邊緣3cm，深度3cm。

系統(tǒng)啟動后，可通過室內(nèi)機(jī)控制面板對循環(huán)出水溫度進(jìn)行設(shè)置，通過循環(huán)水泵，將系統(tǒng)產(chǎn)生的熱水輸送到草莓根區(qū)鋪設(shè)的熱水管道中加熱基質(zhì)。完成熱交換后，低溫水通過回水管回流至空氣源熱泵模塊機(jī)組，再次循環(huán)供熱；當(dāng)水路出現(xiàn)缺水情況時，可通過補(bǔ)水箱為熱水輸送水路補(bǔ)水。室內(nèi)控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組的回水溫度控制主機(jī)系統(tǒng)啟停：當(dāng)回水溫度超過設(shè)定溫度時，系統(tǒng)停止運(yùn)行；回水溫度低于設(shè)定溫度時，系統(tǒng)開啟。此外，還可通過調(diào)節(jié)水泵檔位，控制循環(huán)管道中的水流量來調(diào)節(jié)基質(zhì)溫度。

2 材料與方法

2.1 栽培材料及系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

2.1.1 材料

試驗(yàn)于2017年9月—2018年3月在江蘇常熟國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)的草莓溫室內(nèi)進(jìn)行(圖3)，溫室為文洛型玻璃溫室(40m×60m)。室內(nèi)有H型草莓立體栽培架共計45條，其中10條布設(shè)了基質(zhì)加熱系統(tǒng)管道。以不采取供熱為對照組，每條栽培架槽寬30cm，長度36m。供試品種為“紅顏”雙行定植，于9月9日完成定植，行株距為 20 cm×20 cm。

試驗(yàn)期間，溫室環(huán)境采取統(tǒng)一管理：定植及生長初期室溫過高時，開啟遮陽及濕簾風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫；冬季室溫過低時，夜間使用保溫幕保溫，此外，室內(nèi)配備的天然氣暖風(fēng)加溫機(jī)(倍利COMBITERM 140E，意大利)可對室內(nèi)空氣進(jìn)行自動加溫，設(shè)定室內(nèi)空氣溫度不低于5℃。

2.1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方案

基質(zhì)加溫系統(tǒng)于2017年12月11日—2018年2月15日期間開啟，運(yùn)行方案為：1)冬季，晴朗白天，太陽輻射較高，室內(nèi)氣溫高于20℃以上時，關(guān)閉系統(tǒng)；2)冬季，夜晚或者連續(xù)陰雨天。室內(nèi)氣溫較低于10℃以下時，開啟系統(tǒng)，進(jìn)行加熱。

系統(tǒng)循環(huán)水設(shè)定溫度初始值為35℃，以15—18℃為適宜溫度。當(dāng)室內(nèi)外氣溫較高時，適當(dāng)降低設(shè)定值；當(dāng)氣溫較低時，提高設(shè)定值。系統(tǒng)采取自動控制模式，當(dāng)循環(huán)水溫接近設(shè)定值時，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，輸入和輸出功率變小。當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定溫度，系統(tǒng)停止運(yùn)行；當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度時，機(jī)組開始運(yùn)行。

2.2 參數(shù)測定

2.2.1 溫度測定

2.2.2 用電量測定

采用電量測量儀對加溫系統(tǒng)開啟后的耗電量進(jìn)行記錄與測量。

2.2.3 營養(yǎng)生長指標(biāo)測定

參照《草莓種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[12]分別于加溫處理前后，測定草莓植株株高、冠徑、葉片大小、葉柄長、花芽(抽生花序)數(shù)等生理生長指標(biāo)；同時，采用 SPDA-520型葉綠素測量儀，對草莓植株基部第2、第3片功能葉進(jìn)行測定，每隔10 d測量1次。

2.2.4 產(chǎn)量和品質(zhì)測定

自果實(shí)著色面積在80%左右開始，每隔3—4 d采摘1次，統(tǒng)計每株的果個數(shù)、單果重、單株產(chǎn)量；同時，采用WYT-32手持折光儀對果實(shí)的可溶性固形物含量進(jìn)行測定[2,13]。系統(tǒng)開啟后，選取位于栽培架中部，位置一致、長勢相近的草莓植株，每處理選取20株草莓，3次重復(fù)，掛牌標(biāo)記。

2.3 系統(tǒng)性能評價

性能系數(shù)(Coefficient of performance，COP)是評價熱泵系統(tǒng)節(jié)能性的最重要指標(biāo)之一。它表示了熱泵收益(制熱量)與付出代價(本系統(tǒng)為消耗電能)的比值。系統(tǒng)熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率計算公式為[10]：

COP=QhW=CρLΔTtW(1)

其中，Qh為系統(tǒng)供熱量，kJ；W為系統(tǒng)耗電量，kJ；C為水的熱容，kJ(kg·℃)；ρ為水的密度，kgm3；L為水流量，m3h；ΔT為系統(tǒng)供回水溫差，℃；t為系統(tǒng)運(yùn)行時間，h。通過測試水箱進(jìn)出口水溫可計算出供熱量Qh，通過電表可讀出系統(tǒng)開啟時間段內(nèi)耗電量W。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)曲線采用 Origin 9.4 軟件繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)加溫效果分析

圖4與圖5分別反映了試驗(yàn)組和對照組根區(qū)周圍基質(zhì)日平均溫度及日最低溫度的變化情況。系統(tǒng)在12月11日開啟，如圖所示，系統(tǒng)開啟前，兩組之間日平均溫度及最低溫度不存在顯著差異；而系統(tǒng)開啟后，試驗(yàn)組日平均溫度及日最低溫度均明顯上升并且顯著高于對照。統(tǒng)計結(jié)果顯示，與對照組相比，試驗(yàn)組根際日平均溫度可提高3.4℃以上；日最低溫度可提高3.2℃以上，增溫效果明顯。

圖6顯示了典型天氣條件下草莓根區(qū)基質(zhì)溫度的日變化情況，基質(zhì)溫度在一天內(nèi)的變化相對于室內(nèi)空氣具有滯后性。晴天，隨著室溫的升高，基質(zhì)吸熱升溫，在15：00左右達(dá)到最大值；到了夜間，室溫及基質(zhì)溫度開始下降，并在凌晨6：00左右降到最低。整個夜間，基質(zhì)溫度始終高于室內(nèi)空氣溫度，說明基質(zhì)處于不斷放熱狀態(tài)。陰雨天，由于太陽輻射較低，室溫及基質(zhì)溫度全天處于較低的水平，且試驗(yàn)組顯著高于對照組。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組晴天根區(qū)日平均溫度可提高4.5℃，陰天可提高5.3℃。

相關(guān)研究表明[14-19]，根區(qū)溫度改變對于作物的生長發(fā)育、生理特性以及果實(shí)產(chǎn)量等指標(biāo)作用顯著。對草莓而言，根系生長適宜溫度為15—18℃[20]，如果地溫降至10℃以下，生長發(fā)育就會緩慢，甚至停止生長。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，測試期間，部分晴天的凌晨及陰雨天全天，當(dāng)室內(nèi)外空氣溫度較低時，未加熱基質(zhì)溫度會降低至10℃以下，最低值僅為8.6℃，而經(jīng)過系統(tǒng)加溫的試驗(yàn)組全程始終保持在14℃以上，可提供比較穩(wěn)定的根區(qū)溫度，滿足草莓根系的生長需求。

3.2 系統(tǒng)性能分析

圖7顯示了不同天氣(1月6日、7日陰雨天，1月8日多云，1月9日、10日晴天)室外溫度條件下系統(tǒng)運(yùn)行情況，這段時間內(nèi)，系統(tǒng)整體供熱總量為為2.2×105kJ，合計61.02 kWh，共耗電22.6 kWh，節(jié)能效果較好。從圖中可以看出，在室外溫度波動較大時，系統(tǒng)運(yùn)行依然較為穩(wěn)定，系統(tǒng)日平均COP變化較小。當(dāng)室外平均氣溫在0℃以下，系統(tǒng)COP基本保持在2.5 以上。結(jié)果顯示，測試期間，系統(tǒng)COP基本保持在2.5—3.3。

3.3 系統(tǒng)對草莓生長及產(chǎn)量的影響

表1顯示了2017年12月6日(加溫前)和2018年1月15日(加溫后)分別對不同處理草莓植株生長結(jié)果的影響情況。加溫前，試驗(yàn)組與對照組各項生長指標(biāo)無顯著差異；加溫后，試驗(yàn)組草莓植株的葉片數(shù)、株高、冠徑以及花芽數(shù)均高于對照，其中花芽數(shù)提高了15.6%，說明系統(tǒng)對根區(qū)的加溫處理可以有效促進(jìn)草莓植株的生長和花芽分化。

表1 根際加溫處理對草莓生長情況的影響

表2為低溫季節(jié)應(yīng)用本系統(tǒng)對草莓產(chǎn)量的影響結(jié)果。與對照相比，除加溫前的11月差異不明顯之外，加溫組12月、1月和2月份草莓單株產(chǎn)量分別比對照提高 30.4%、34.6%和6.5%，四個月單株平均產(chǎn)量提高了17.8%，優(yōu)質(zhì)果率提高了28.6%。

表2 根際加溫處理對草莓果實(shí)產(chǎn)量的影響

以上結(jié)果表明，該系統(tǒng)對于提高草莓前期產(chǎn)量效果明顯，這與徐川等[2]的研究結(jié)果一致。另外，試驗(yàn)組優(yōu)質(zhì)果率明顯提高，但草莓的果實(shí)可溶性固形物含量與對照相比差異不顯著。試驗(yàn)后期，由于外界及室內(nèi)氣溫的回升，系統(tǒng)對果實(shí)發(fā)育的影響逐漸減少，與對照相比，果實(shí)產(chǎn)量與品質(zhì)均無明顯差異。

4 討論

針對設(shè)施草莓架式栽培條件下，冬季栽培基質(zhì)夜間溫度較低，易造成草莓生長發(fā)育受限、早期產(chǎn)量較低、果實(shí)品質(zhì)較差等問題，基于空氣源熱泵控溫技術(shù)設(shè)計開發(fā)了一種栽培基質(zhì)加溫系統(tǒng)。通過系統(tǒng)在冬季低溫條件開展的系統(tǒng)加熱試驗(yàn)及應(yīng)用效果分析研究，該系統(tǒng)可提供比較穩(wěn)定的基質(zhì)溫度，滿足草莓根系的生長需求。對于解決冬季設(shè)施草莓架式栽培早期基質(zhì)低溫問題提供了一種解決方案，具有一定的研究意義和推廣價值。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)使用地域、天氣狀況及加溫面積的不同選擇配備合適功率的熱泵機(jī)組及加熱管網(wǎng)，并探索合適的運(yùn)行策略。