定西地处甘肃中部, 由于海拔较高, 全年平均气温偏低, 春、夏、秋季节的平均气温分别为7.8 ℃, 17.6 ℃, 6.9 ℃, 冬季平均气温仅为-5.6 ℃。基本上不适宜喜温蔬菜的露地栽培, 除少数喜凉蔬菜外, 其他蔬菜也很难在露地生长。因此, 在定西市郊蔬菜周年生产中, 露地蔬菜生产时间和产量十分有限, 绝大部分蔬菜要依靠日光温室等保护地才能够正常生长, 通过其增温、保温效果, 可实现蔬菜等的周年生产^[1]。日光温室反季节生产的影响因素除了取决于温室本身的结构和建造标准外^[2], 还主要决定于当地的大气环境和人为控制等方面^[3]。目前, 国外就温室内环境及其调控、温室气象条件以及蔬菜病虫害综合防治等方面的研究已有报道^[4-5], 国内许多学者和技术人员对温室内小气候环境^[6-8]、温度变化规律^[9-11]、室外气候及其变化(如极端最低气温、日平均气温、大雾、连阴天的变化)对冬季设施农业生产的影响^[12-14]以及室内光温湿条件的改善^[15-16]等问题进行了研究, 认为温室内有很好的增温效应, 同时通过结构改进、调控措施等使得日光温室蔬菜、果树等生产具有良好的经济效益和推广价值。但大多数试验主要是针对日光温室冬季生产期间某一阶段或某一天的室内气象要素的分析, 不够全面系统, 整个温室生产期内小气候的连续监测分析报道较少。鉴于此, 本文利用小气候观测系统对地处黄土高原半干旱雨养农业区的日光温室内各部位温湿度分布特点及其变化规律进行系统、全面、连续的监测分析, 旨在充分利用当地的气候资源, 对开展半干旱区温室作物不同生育期最优生长的小气候生态效应研究, 为精确调控温室内小气候环境提供准确的定量化的理论依据。

观测试验设在EM210高性能现代化温室内进行, 温室小气候由安装在温室内的小气候观测(TH)系统完成, TH系统包括数据采集器、温湿度和铂电阻温度传感器等, 可进行3层空气温度、湿度测量及土壤温度测量。温湿度测量安装在温室两对角线上, 相距约18 m, 同时在其地面以下安装地温测量传感器。温湿度传感器是由芬兰VAISALA公司生产的型号为HMP45D传感器, 测量精度为温度±0.2 ℃, 湿度±4%~±8%。地温测量传感器(天津气象仪器厂生产)测量精度为±0.5 ℃。观测系统由数据采集器自动控制, 可以人为设定采集的时次, 采集资料自动存储在数据采集器中, 采集器与微机相连传输数据。采样速率10 s, 每分钟对采集到的6组数据平均, 作为该时刻的温湿度及地温观测值。存储资料包括每小时正点的温湿度、地温及该小时内温湿度和地温的最大、最小值及出现时间等要素。温室内温湿度传感器分别设0.5, 1.0, 1.5 m 3个不同高度, 地温传感器设10, 30, 50 cm 3个不同深度。

在秋栽黄瓜整个生长期内每天对温室内不同高度(垂直方向)、不同水平位置(南北方向)的气温、地温、相对湿度进行连续、实时监测(北京时, 下同)。文中选取苗期(11月13日)、结瓜前期(11月21日)、盛瓜期(12月10日)的数据进行分析, 均为晴天, 且日照均为8个多小时。

试验于2003年进行, 采用秋冬茬种植黄瓜, 9月18日播种, 12月8日开始采收。播前浸种催芽, 种子发芽后播种, 2~3片真叶时定植, 定植前灌足底水, 每亩施腐熟的农家肥6000 kg、三元复合肥60 kg, 施肥后整地、起垄、闷棚消毒、覆膜, 定植选择晴天上午按行距70 cm, 株距35 cm进行。进入结瓜期后每隔3~5 d浇1次水, 每次浇水后追1次肥, 根据土壤、室内小气候和植株长势灵活掌握, 若外界气温很低时, 可适当加大浇水间隔期。结瓜期每7~9 d叶面喷施1次0.3%的磷酸二氢钾溶液, 进入采收期后, 随浇水亩施20~30 kg三元复合肥、20 kg尿素。黄瓜生长过程中及时绑蔓、整枝、落蔓, 视情况喷施800~1000倍液霜立克防治霜霉病, 并及时清除老叶、黄叶和病叶。

日光温室位于中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地(35°35′N, 104°37′E), 海拔1896.7 m, 该区地处欧亚大陆腹地, 属半干旱区, 大陆性季风气候明显。其特点是光能较多, 热量资源不足, 雨热同季, 降水少且变率大, 气候干燥, 气象灾害频繁。年日照时间为2433 h, 其中日照时数在200 h以上的月份有4, 5, 6, 7, 8月和12月, 其余月份日照时间在172~193 h之间; 年平均气温6.7 ℃, 平均气温≥0 ℃的积温为2998.3 ℃·d, 平均气温≥10 ℃的积温为2360.5 ℃·d; 1971—1990年平均降水量386.0 m m, 降水主要集中在5—10月, 占年降水量的86.9%;平均无霜期140 d, 为典型雨养农业区。

秋栽黄瓜整个生育期室内日平均气温维持在12~23.5 ℃之间, 呈波动式降低(图 1a), 非常符合黄瓜生长发育对温度条件前期高, 后期低的要求^[17]。同时, 温度在垂直方向(0.5, 1.0, 1.5 m)由下到上逐渐增加, 存在明显的逆温。

图 1

图 1. 温室内气温的垂直分布及其变化 (a)整个生育期,(b)不同生育期,(c)日变化 Fig 1. The perpendicular distribution and variation of air temperature inside greenhouse (a)whole growing period of cucumber, (b)different growing period of cucumber, (c)daily variation

不同生育期内气温日变化的波动和趋势相似, 但变幅明显不同且最高温出现的时间略有差异(图 1b)。幼苗期和结瓜前期一天中的最高温出现在14:00, 而盛瓜期出现在15:00, 3个时期次高温和最低温出现的时间相同, 分别在21:00和05:00左右。从变化幅度来看, 结瓜前期日温度变幅最小, 最高温为28.2 ℃, 最低温为12.4 ℃, 日较差为15.8 ℃; 盛瓜期次之, 日较差为23.2 ℃; 幼苗期日温度变幅最大, 最高温为38.6 ℃, 最低温为13.2 ℃, 日较差为25.4 ℃。日平均温度由高到低的顺序为幼苗期、结瓜前期、盛瓜期, 日最高温度由高到低的顺序为幼苗期、盛瓜期、结瓜前期, 日最低温度由高到低的顺序为幼苗期、结瓜前期、盛瓜期。

晴天时室内不同高度气温的日变化(结瓜前期为例)相对比较剧烈(图 1c), 0.5 m高度处气温日均值为19.5 ℃, 日较差为14.0 ℃; 1.0 m高度处日均值为20.1 ℃, 日较差为14.7 ℃; 1.5 m高度处日均值为20.7 ℃, 日较差为15.8 ℃, 可见随着高度的增加, 温度变化的幅度增大。从日变化来看, 06:00开始室内气温逐渐升高, 随太阳辐射的增加, 14:00左右升到最高, 但正午时出现小幅下降, 这一方面是由于放风(开窗时间11:30)排湿, 用以降低室内湿度, 同时也可减轻一些细菌类病害及虫害的发生和危害, 另一方面是由于在当天12:10—13:40进行喷灌, 以满足黄瓜生长需水, 可见, 是放风和灌水导致了气温在正午时的小幅下降。14:00以后随着室外太阳辐射的减弱室内气温开始下降, 17:00基本日落, 并在此时关窗, 室内气温随室外温度下降还要持续一段时间, 19:00降到最低值, 以后由于室内密闭并采取加温措施, 使气温有所回升, 21:00达到次高峰, 这是由于此时要控制黄瓜地上部生长, 促进根系发育, 同时为了加大昼夜温差, 实行变温管理, 所以21:00以后减弱加温, 使气温呈下降趋势并持续到第2天06:00(由17.9 ℃下降到12.4 ℃)。一天中, 10:00—16:00气温维持在一个较高的水平(平均25.0~28.2 ℃), 满足黄瓜生长期内白天对温度的要求, 且上、中、下3层温度明显不同, 1.5 m处气度远远高于0.5 m处, 高出3.3 ℃左右, 这可能是由于中午前后, 太阳辐射直接使棚室内温度升高, 上层黄瓜叶片稀少, 气温升高快, 而下层群体较大, 叶片稠密, 有遮挡, 致使温度升高慢, 且温度较低; 夜间室内气温较低, 且温度垂直变化曲线几乎是重叠的, 即各层温度基本相同, 表明从23:00—次日06:00室内各个垂直高度的温度几乎没有什么变化。

秋栽黄瓜整个生育期, 温室内地温的变化总体呈下降趋势(图 2a), 不同生育期同一深度(10 cm)地温日变化的波动和趋势相似, 但变幅明显不同且最高温出现的时间略有差异(图 2b)。幼苗期一天中最高温出现在20:00, 结瓜前期和盛瓜期峰值出现在19:00—20:00。从变化幅度来看, 结瓜前期地温变幅最小, 最高温为20.8 ℃, 最低温为19.0 ℃, 日较差为1.8 ℃; 盛瓜期次之, 为2.7 ℃; 幼苗期变幅最大, 最高温为24.0 ℃, 最低温为20.1 ℃, 日较差为3.9 ℃; 日平均、日最高、最低地温由高到低的顺序均为幼苗期、结瓜前期、盛瓜期。

图 2

图 2. 温室内地温垂直分布及其变化 其他说明同图 1 Fig 2. The perpendicular distribution and variation of ground temperature inside greenhouse others same as in Fig.1

一天中, 不同层次地温及其变幅明显不同(图 2c)。以结瓜前期为例, 浅层(10 cm)地温在一天中变化最敏感且变幅最大, 从12:00开始由于受太阳光直接照射, 热量积聚、温度上升, 19:00前后温度最高, 以后缓慢下降, 到次日09:00降到最低19 ℃左右, 并持续一段时间; 30 cm地温变化趋势与它相似, 只是变化幅度较小, 且最高温出现在21:00, 比10 cm土层晚2 h, 最高温之后温度开始下降, 次日12:00降到最低点。浅层地温从12:00至次日04:00比下层土壤明显高, 17:00测定的温差最大, 为1.0 ℃, 从07:00开始, 10 cm地温比30 cm地温低; 深层(50 cm)地温在一天当中几乎没有什么变化, 与上层土壤比较, 始终处在低温水平。说明浅层土壤有一定的蓄积热量作用, 而深层土壤一直在消耗热量。不同土层温度日较差有明显差别, 浅层土温日较差最大, 可达1.8 ℃, 30 cm土层日较差为1.1 ℃, 深层土温日较差最小, 只有0.1 ℃。可见地温是受室外气候和室内气温共同影响的。

比较分析同时期室内气温和地温的日变化(图 1c和图 2c)发现, 地温相对于气温存在明显的滞后现象, 10 cm地温峰值比气温峰值滞后约5 h, 滞后程度远远大于露地温度和气象站观测值, 表明此时黄瓜生长旺盛, 枝叶繁茂, 对地面的遮蔽程度较高, 并且室内风速极小, 使得热量由空气向土壤传递的速度很慢, 这就需要及时摘除植株最下层叶片以减轻对地面的遮蔽和加快热量传递速度。与10 cm土层相比, 30 cm地温的滞后时间更长, 达7 h之多。

整个生育期室内相对湿度在52.4%~93.4%之间, 采收初期(12月23日)以前呈波动式增加, 但在普遍采收期1月15日以后出现波动下降(图 3a), 这可能是因为进入采收期以后, 植株下部叶片开始干枯衰老, 蒸腾和呼吸作用逐渐减弱, 蒸腾和呼吸产生的水分也相应减少, 同时植株和叶片密度减小, 逐渐形成疏叶疏果的生长环境, 从而造成湿度呈波动式下降。温室内相对湿度随高度的变化而变化, 越低处相对湿度越高。在坐果期以前, 上、中、下3层的相对湿度差异不太大, 但在坐果期以后, 不同高度相对湿度差异逐渐增大。这可能是植株在生长过程中, 群体逐渐增大使得下层变稠密, 植物蒸腾、土壤蒸发等产生的水分不易散失而造成下层湿度高于上层。

黄瓜不同生长发育期室内相对湿度及其日变化的波动和趋势相似, 但变幅明显不同且湿度极值出现的时间有差异(图 3b)。结瓜前期和盛瓜期一天中的最大湿度出现在06:00, 而苗期峰值出现在07:00左右, 3个时期次高峰出现的时间相同, 苗期和盛瓜期最小湿度都出现在14:00, 而结瓜前期最小湿度出现在15:00。从变化幅度来看, 苗期室内相对湿度变幅最大, 最大湿度为90.5%, 最小为28.7%, 这可能是因为苗期黄瓜植株稀疏、叶片较小, 白天湿度对太阳辐射等引起的室内温度变化较敏感, 盛瓜期次之, 结瓜前期变幅最小, 最大湿度为90.1%, 最小为47.9%。分析3个时期前半夜的湿度分别为64.2%, 68.3%, 70.9%, 后半夜的湿度分别为85.2%, 86.9%, 87.2%, 且随着发育期的推进而增大, 满足黄瓜生长期内夜间对湿度前半夜低而后半夜高的要求。

图 3

图 3. 温室内相对湿度的垂直分布及其变化 其他说明同图 1 Fig 3. The perpendicular distribution and variation of relative humidity inside greenhouse others same as in Fig.1

在垂直方向上, 温室内0.5, 1.0 m和1.5m高度处不同时刻的相对湿度有明显的日变化(图 3c), 以结瓜前期为例, 上午随着室内气温升高, 相对湿度下降, 15:00后迅速上升, 19:00增至80%以上, 小幅波动后维持在一较高水平达7 h之多, 有时可达90%以上。所以, 整个温室都处于高湿环境, 这可能与温室的密闭程度有关, 通风可以使湿度明显下降。室内相对湿度的日变化与气温的日变化正好相反。就白天大部分时间而言, 相对湿度随高度的变化而变化, 越低处湿度越大。0.5 m高度处相对湿度日平均值为74.3%, 日极差为38.1%; 1.0 m高度处相对湿度日平均值为71.2%, 日极差为42.1%; 1.5 m高度处相对湿度日平均值为70.1%, 日极差为42.2%, 可见, 0.5~1.0 m高度处相对湿度的变化较大, 差值达4.0%, 而1.0~1.5 m高度处相对湿度的变化较小, 仅相差0.1%。夜里, 不同高度的相对湿度几乎一样, 这一方面可能是因为夜里没有日光的照射, 使室内湿度几乎达到饱和状态, 另一方面植株呼吸作用产生的水汽等不易散失而造成的。

当外界日平均气温为2.5 ℃时, 分析温室内地表面以上1.5 m水平面日气温、湿度的分布情况(图 4)。一天中, 在水平方向, 温室内各时刻南北位置绝对气温差为正值(0.2~1.0 ℃, 11:00例外), 说明温室内南面气温较高, 随着位置向北移动, 温度小幅降低, 湿度的水平变化正好相反, 二者的变化曲线呈现反位相。水平分布温度极差最高值出现在10:00, 也就是温度剧烈上升的时期, 其差值为1.0 ℃。相对湿度在07:00相差最大, 为2.2%。但同一时间内这种南北跨度之间变化不是很大, 其相对差值均很小, 表现为相对气温差0.010~0.049 ℃, 相对湿差-3.6%~3.1%, 在这种情况下可以近似地认为水平方向温湿度分布比较均匀。

图 4

图 4. 温室内水平方向气温、相对湿度、地温的相对偏差 Fig 4. The horizontal difference of air temperature, relative humidity, soil temperature inside greenhouse

在土壤物理性质基本一致的情况下, 从温室浅层(10 cm)水平温度变化可以看出, 南北地温差恒为正(1.3~1.9 ℃), 在13:00最小, 温差为1.3 ℃, 19:00—23:00最大, 温差为1.9 ℃, 说明地温倾向于南高北低的状态。但其相对地温差为0.052~0.099 ℃, 同样可以近似地认为浅层土壤的温度在水平方向分布相对较均匀, 一般情况下, 在果蔬种植期间这种微小的差异不会对其生长造成危害。

通过对黄土高原半干旱雨养农业区温室内各部位温湿度系统全面的监测分析, 可得出以下结论:

1) 秋栽黄瓜整个生育期, 温室内气温和地温呈波动式降低, 黄瓜生长后期日平均温度较前期低; 相对湿度呈波动式增加, 这3个因素都随垂直高度和水平位置的变化而变化。不同生育期室内气象要素的日变化趋势和波动基本相似, 但变幅不同, 一天中峰值出现的迟早略有差异。

2) 在垂直方向, 温室内不同高度的气温和相对湿度不同, 存在明显的逆温, 而相对湿度正好相反, 越高处湿度越低, 从而在低层形成低温高湿的小环境, 而高层形成高温低湿的小环境。气温和湿度的日变化相对较剧烈, 白天大部分时间, 随着高度的增加, 温度变幅增大, 而湿度变幅减小。夜里, 不同高度的温湿度相差不大且变幅较白天小。与气温相比, 地温存在明显的滞后现象且变化较小, 但不同层次地温变化和日较差有明显差别, 浅层地温变化敏感且日较差最大, 深层地温几乎无变化且日较差最小。

3) 在水平方向, 气温和地温都表现为南高北低, 湿度和温度的变化情况相反, 但这种差异很小, 可以近似认为水平方向温湿度和地温分布比较均匀, 适于种植。这与天津地区节能日光温室内温度在水平方向上呈南低北高的分布特点^[11]相反, 初步分析认为是黄土高原半干旱雨养农业区日光温室所特有的, 但还有待进一步通过多年多点多温室小气候观测研究来证实。

因此, 根据该地区日光温室小气候的基本特点, 结合黄瓜生物学特性, 有针对性地安排蔬菜生产茬口, 对环境条件进行适当调节, 取得蔬菜提早延后的生产成效。在环境调控上, 紧紧围绕光照、温度、湿度、水分管理、通风等方面进行, 使室内达到光照充足、温度适宜、空气干燥、土壤潮湿、通风合理, 为作物生长创造良好的环境。

据有关研究结果表明黄瓜生长的最适温度20~25 ℃, 光合作用的最适温度25~32 ℃, 生长期间白天最适25~30 ℃, 夜间15~18 ℃, 昼夜温差在10~17 ℃为宜。当温度在10~12 ℃以下时, 黄瓜生理活动失调, 生长缓慢或停止生育, 所以把10 ℃称作“黄瓜经济的最低温度”。35 ℃左右时同化产量和呼吸消耗处于平衡状态, 35 ℃以上呼吸作用的消耗高于光合产量, 气温在40 ℃以上光合作用急剧衰退, 代谢机能受阻, 生长停止^[17]。分析幼苗期室内日最低气温为13.2 ℃, 处于经济最低温度以上, 较适宜黄瓜生长, 但日最高温度为38.6 ℃, 12:00—15:00的气温分别为33.2, 37.4, 38.6, 30.6 ℃, 高于35 ℃的时间超过1 h, 所以, 为了减少消耗, 当棚内温度超过35 ℃时要及时通风降温。初花期以促根控秧为主, 尽量控制地上部生长, 促进根系发育。结瓜前期白天大部分时间室内温度保持在25.0~28.2 ℃, 非常满足黄瓜生长期内白天对温度的要求, 而夜间温度只在12.4~17.9 ℃, 稍低于黄瓜夜间对温度的要求, 这就需要在前半夜加温, 后半夜减弱加温, 使前半夜温度保持在20~15 ℃, 后半夜13~15 ℃ ^[9], 这样可加大昼夜温差, 实行变温管理。盛瓜期白天气温为24.6 ℃, 稍低于白天对气温的要求, 这可能是受冬季室外低温的影响, 所以在管理上应根据天气状况及时揭放和适时早揭草帘, 并经常擦拭棚膜等, 使室内尽可能多地接受太阳辐射量, 增加室内气温。夜间最低气温为8.1 ℃, 03:00—05:00的温度分别为9.5, 8.7, 8.1 ℃, 低于黄瓜经济的最低温度达3个多小时, 会使黄瓜生理活动受阻, 非常不利于其生长, 所以此时需要及时加温, 有条件的可在土中铺设地热管, 使之在夜间发挥增温效能, 提高夜温, 同时控制昼夜温差。

黄瓜生长后期, 考虑到垂直方向温湿度的空间分布差异, 应及时摘除植株下部的老、病、残叶, 达到透光透气。另外, 土壤白天接受太阳辐射能向地下传导热量, 夜间反向室内空气散热, 这对进一步提高寒冷季节室内增温技术等, 具有一定的指导意义。同时, 冬季温室处于封闭状态, 室内蒸散的水汽不易外逸, 造成空气相当潮湿, 这种长期高湿的状况虽然不直接影响作物的生长发育, 但高湿有利于大多数细菌类病害及某些虫害的发生, 造成一定的经济损失, 所以, 生长期间, 每天10:00—16: 00进行通风排湿以改善室内的湿度条件, 具体根据外界天气条件和室内温湿度决定开关窗的时间和次数。另外, 在降湿的同时, 应尽可能做到降湿不降温或少降温, 这就需要在通风的时候, 密切关注气温变化, 气温下降到25 ℃或以下时立即关窗, 经如此调控后, 可使棚内小气候适宜黄瓜生长的天数延长, 达到增产增收的效果。