李勝利，牛旭旭，孫治強(qiáng)

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，鄭州 450002）

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不同類型水冷苗床的根際降溫效果及其對番茄穴盤苗生長的影響*

李勝利，牛旭旭，孫治強(qiáng)

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，鄭州 450002）

摘要：為了降低夏季蔬菜集約化育苗時(shí)幼苗的根區(qū)高溫環(huán)境，利用地下水作為循環(huán)媒介，設(shè)計(jì)了用于根區(qū)降溫的水冷苗床。試驗(yàn)分別采用金屬梯形管（M）和塑料圓管（P）作為冷水管，以未采用根區(qū)降溫的苗床為對照，研究兩種水冷苗床的根區(qū)降溫效果及其對番茄幼苗生長的影響。結(jié)果表明，兩種水冷苗床番茄幼苗根區(qū)日均溫、白天均溫和最高溫度均顯著低于對照苗床（P＜0.05）。M式和P式苗床番茄幼苗根區(qū)日均溫分別為23.2℃和26.0℃，全天根區(qū)溫度高于25℃的歷時(shí)為8.3h和11.6h，分別比對照苗床減少7.5h和4.2h。水冷苗床顯著促進(jìn)了番茄幼苗生長和干物質(zhì)積累，提高了番茄幼苗莖流速率、根系呼吸速率和光合能力，M式和P式水冷苗床番茄幼苗單株干質(zhì)量依次為4.52和3.90mg，分別比對照（2.85mg）增加58.6%和36.8%（P＜0.01）。兩種水冷苗床番茄幼苗的壯苗指數(shù)和根冠比均顯著高于對照。綜合根區(qū)降溫效果和番茄幼苗生長來看，M式水冷苗床更有利于番茄幼苗的生長。

關(guān)鍵詞：番茄；根區(qū)降溫；穴盤苗；高溫歷時(shí)；壯苗指數(shù)

李勝利，牛旭旭，孫治強(qiáng).不同類型水冷苗床的根際降溫效果及其對番茄穴盤苗生長的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2016，37（1）:19-25

夏季（6-9月）是蔬菜越冬茬栽培和秋延后栽培的育苗期，設(shè)施內(nèi)高溫或亞高溫是影響蔬菜幼苗健壯生長的關(guān)鍵因素之一[1-3]。穴盤育苗方式下幼苗的根區(qū)溫度受氣溫的影響很大，設(shè)施內(nèi)高溫將導(dǎo)致幼苗根區(qū)溫度過高[4]。根區(qū)高溫嚴(yán)重影響根系對水分和養(yǎng)分的吸收[5-6]，導(dǎo)致幼苗質(zhì)量下降，進(jìn)而影響幼苗的生長和花芽分化，最終影響產(chǎn)量和品質(zhì)[7-8]。Xu等[9]研究認(rèn)為，過高的根區(qū)溫度比高氣溫對植株的影響更大，適宜、穩(wěn)定的根區(qū)溫度是植物根系生長和代謝的重要保證。蔬菜集約化育苗普遍采用穴盤育苗，由于根系生長空間的限制，幼苗更容易遭受逆境脅迫[10-11]。番茄（Solanum lycopersicum）是全球范圍內(nèi)設(shè)施栽培面積最大的蔬菜作物之一，幼苗最適的根區(qū)溫度為20～25℃[12]。李勝利等[13]研究表明，夏季集約化育苗下，穴盤苗根區(qū)最高溫度可達(dá)35.6℃。夏季設(shè)施常用的降溫方法主要以降低氣溫為主[14-16]，近年，根區(qū)降溫技術(shù)開始受到關(guān)注，Kenichiro等[17]通過在土壤中埋設(shè)多孔管道，以冷空氣作為降溫介質(zhì)，使根區(qū)平均溫度降低了2.8℃。Moon等[18]在15cm土壤深處埋設(shè)管道，以冷水作為循環(huán)媒介，這種方法可使10cm地溫平均降低6℃。Huang等[19-21]采用冷水灌溉的方法一定程度上降低了幼苗根區(qū)溫度，提高了壯苗指數(shù)，Beyza等[22]通過相變物質(zhì)來控制根區(qū)溫度獲得了良好的效果。本文在前期設(shè)計(jì)的水冷式苗床的基礎(chǔ)上[13]，以番茄為對象，分別采用金屬梯形管和塑料圓管作為冷卻管道，研究兩種水冷式苗床的根區(qū)降溫效果以及對番茄幼苗生長的影響，以期為水冷苗床的優(yōu)化設(shè)計(jì)及科學(xué)應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)分別于2013、2014年6-8月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭州毛莊科教園區(qū)（鄭州市，112°42' E，34°16' N）育苗溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)期間僅進(jìn)行自然通風(fēng)。育苗試驗(yàn)在溫室內(nèi)3個(gè)鋼架育苗床上進(jìn)行，分別布置2種水冷苗床和對照苗床（沒有根區(qū)降溫），苗床長、寬、高分別為30m、1.6m和1m。沿苗床長度方向每10m作為一個(gè)小區(qū)，共設(shè)置9個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積16m2，3次重復(fù)隨機(jī)排列。供試番茄品種為粉都77（河南），采用72孔穴盤，穴孔深5cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水冷式苗床直接在鋼架苗床上鋪設(shè)，由進(jìn)水管、冷水管、回水管、單向閥控制閥門等組成[13]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩種水冷式苗床結(jié)構(gòu)相同，采用不同的冷水管道，分別用M和P表示。M式苗床冷水管的橫截面為梯形（9.0mm上底×25.0mm下底×35.0mm高），管材采用1mm不銹鋼板，P式苗床冷水管為PE材質(zhì)的塑料圓管，直徑為12mm，管壁厚1mm（圖1）。每個(gè)穴盤采用3根冷水管，以地下約50m深的井水作為冷源，井水經(jīng)過降溫苗床經(jīng)出水管道流回井中，水流速率為2.0m3·h?1，育苗期間不斷循環(huán)。對照CK穴盤直接擺放在苗床上，底部無降溫裝置。其它管理措施3個(gè)處理相一致。

圖1 不同水冷式降溫苗床剖面示意圖Fig. 1 Profile of different root-zone cooling bed

1.3 項(xiàng)目測定

1.3.1 根區(qū)溫度

根據(jù)每個(gè)處理苗床長度和寬度均勻布設(shè)9個(gè)溫度測點(diǎn)，苗床長度方向距進(jìn)水口2.5、5.0、7.5m處分別設(shè)置3排溫度測點(diǎn)，每排設(shè)置3個(gè)等距間隔溫度測點(diǎn)，測點(diǎn)距苗床一側(cè)分別為0.4、0.8和1.2m。溫度探頭放置在穴孔3cm深處。采用TRM-120溫度自動(dòng)記錄儀測定，數(shù)據(jù)記錄間隔時(shí)間為1h，9個(gè)點(diǎn)的平均值為該小區(qū)的根區(qū)溫度。

計(jì)算育苗期間根區(qū)日平均溫度和晝、夜平均溫度。日平均溫度為每日0：00-24：00各整點(diǎn)溫度的平均值，晝均溫為每天7：00-19：00整點(diǎn)根區(qū)溫度的平均值，夜均溫為19：00-次日7：00整點(diǎn)根區(qū)溫度的平均值。

按照游程理論[23-24]，設(shè)定每天測試的24個(gè)根際溫度值為1個(gè)溫度序列tk（k＝1，2，…，24），這個(gè)序列被一給定水平t0截取，當(dāng)tk在1個(gè)或多個(gè)時(shí)段內(nèi)依次大于t0時(shí)出現(xiàn)正游程，高于設(shè)定溫度的時(shí)間為正游程長，游程值越大表明根系受高溫的影響越大。t0對應(yīng)的正游程為高溫歷時(shí)。在育苗時(shí)間j（j＝1，2，…，34，育苗期共34d）內(nèi)，給定一個(gè)截取水平t0即可得到34個(gè)正游程序列，每個(gè)正游程內(nèi)的每個(gè)樣本均與截取水平有個(gè)差值，這些差值之和即為這個(gè)正游程對應(yīng)的正游程和。正游程長與正游程和一一對應(yīng)，正游程長即為高溫歷時(shí)，正游程和即為高溫烈度。高溫烈度與高溫歷時(shí)之比即為高溫強(qiáng)度。用Lj（j＝1，2，…，34）表示根際高溫歷時(shí)，Dj（j＝1，2，…，34）表示根際高溫烈度，Hj（j＝1，2，…，34）表示根際高溫強(qiáng)度，其對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征值分別為

式中，L為平均正游程長，LM為最大正游程長，表示極限高溫歷時(shí)；為平均高溫烈度，DM為極限高溫烈度；表示平均高溫強(qiáng)度，HM為最大高溫強(qiáng)度，m為統(tǒng)計(jì)時(shí)間，即育苗期（34d）。

1.3.2 番茄幼苗形態(tài)指標(biāo)

番茄幼苗4葉1心時(shí)，每個(gè)處理隨機(jī)取5株測定株高、下胚軸長、莖粗和幼苗干質(zhì)量。株高和下胚軸長度采用直尺測量，莖粗采用游標(biāo)卡尺測量，幼苗干質(zhì)量采用烘干稱質(zhì)量法測量，壯苗指數(shù)按照張振賢等[25]的方法計(jì)算；每個(gè)處理另選取5株，用蒸餾水洗凈根系表面基質(zhì)，然后用Epson perfection 4990 PHOTO根系掃描儀（日本）進(jìn)行掃描，采用WINRHIZO 2012b軟件分析根系總長度、表面積、根系直徑和根系體積。

1.3.3 番茄幼苗生理指標(biāo)

番茄幼苗4葉1心時(shí)選擇晴天（2014-07-02），每個(gè)處理選取10株進(jìn)行葉片生理指標(biāo)測定。光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度用CIRAS-1型光合儀測定，測試部位為幼苗第4片真葉，8：00-16：00每隔2h測試一次，取平均值；葉片葉綠素含量用80%丙酮[25]提取測定；根系活力用TTC法測定；根系呼吸速率（nmol·g?1·h?1）參照Kawasaki等[12]的方法進(jìn)行測試。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用DPS7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型水冷苗床根區(qū)降溫效果比較

2.1.1 根區(qū)溫度

表1為2014年育苗期間不同處理根區(qū)溫度特征值，由表可以看出，測試期間，溫室內(nèi)日平均氣溫高達(dá)30.2℃，日最高氣溫平均值為39.6℃，無降溫的CK處理番茄幼苗根區(qū)溫度的日平均值高達(dá)28.2℃，日最高溫度平均值為34.6℃，均超出番茄幼苗適宜的根區(qū)溫度[6]。增加水冷苗床后，M式和P式兩個(gè)處理中番茄幼苗根區(qū)的日平均溫度分別為23.2℃和26.0℃，比對照苗床分別降低5.0℃和1.8℃（P＜0.05）。且M式水冷苗床番茄幼苗根區(qū)平均溫度比P式水冷苗床低2.8℃，說明前者降溫效果顯著優(yōu)于后者（P＜0.05）。M式和P式水冷苗床番茄幼苗根區(qū)平均溫度日較差分別為2.2℃和3.2℃，表明前者根區(qū)溫度變幅較小。

表1 不同類型苗床番茄幼苗根區(qū)溫度比較（平均值±均方差，℃）Table 1 Comparison of root-zone temperature of tomato seedling among treatments（Mean±SD，℃）

2.1.2 根區(qū)溫度游程特征

參照Sen[23]的方法對2014年育苗期內(nèi)不同處理番茄幼苗根區(qū)溫度進(jìn)行游程分析，分別給定截取水平25℃（番茄幼苗根系適宜生長溫度）和28℃（番茄幼苗根系適宜生長溫度上限），得到不同水冷苗床番茄幼苗根區(qū)溫度游程特征值（表2）。由表2可以看出，兩種水冷苗床在2個(gè)截取溫度下番茄幼苗根區(qū)溫度游程特征值均小于對照。高溫歷時(shí)表明一天內(nèi)番茄幼苗根系遭受高溫脅迫持續(xù)的時(shí)間，M式和P式水冷苗床番茄幼苗平均根區(qū)溫度高于25℃的時(shí)間為8.3h和11.6h，比對照減少7.5h和4.2h，高于28℃的歷時(shí)為2.9h和4.3h，比對照苗床減少7.6h和6.2h。根區(qū)高溫歷時(shí)的降低表明幼苗根系一天中遭受高溫脅迫時(shí)間減少，幼苗可以較長時(shí)間生長在適宜的根溫范圍之內(nèi)，從而保證根系正常的生理活動(dòng)。

表2 不同水冷苗床番茄幼苗根區(qū)溫度游程特征值Table 2 Comparison of run features of root-zone temperature between different water-cooled seedling beds

2.2 不同類型水冷苗床對番茄幼苗營養(yǎng)生長的影響

由表3可以看出，兩種水冷式苗床番茄幼苗營養(yǎng)生長指標(biāo)均顯著或極顯著高于對照，表明在夏季高溫下，根區(qū)降溫措施促進(jìn)了番茄幼苗生長和干物質(zhì)積累。其中水冷苗床番茄幼苗的株高、葉面積、單株干質(zhì)量和根冠比與對照的差異達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01），M式和P式水冷苗床番茄幼苗單株干重比對照分別提高58.6%和36.8%。M式與P式水冷苗床相比，前者番茄幼苗的葉面積、干質(zhì)量、根冠比和壯苗指數(shù)顯著高于后者（P＜0.05），表明M式水冷苗床幼苗生長狀況優(yōu)于P式水冷苗床。

2.3 不同水冷苗床對番茄幼苗根系生長的影響

由表4可見，高溫下根區(qū)降溫促進(jìn)了番茄幼苗根系的生長，其中M式水冷苗床番茄幼苗根系生長優(yōu)于P式水冷苗床。兩種水冷苗床番茄幼苗根系總長、根系表面積與對照的差異均達(dá)到極顯著水平（P ＜0.01），根系體積和根系平均直徑與對照相比也有顯著提高（P＜0.05）。單位根系體積的根系表面積（RSA/RV）是反映根系根毛發(fā)育的一個(gè)指標(biāo)，M式水冷苗床番茄幼苗RSA/RV值為0.093，比對照提高了24%（P＜0.05）。

2.4 不同水冷苗床對番茄幼苗生理活性的影響

由表5可見，水冷苗床降低了番茄幼苗的根區(qū)溫度，與對照相比，兩種苗床番茄幼苗的生理活性均有顯著或極顯著提高，M式水冷苗床由于根區(qū)降溫效果更顯著，其幼苗的生理活性又顯著高于P式水冷苗床。根系呼吸速率和莖流速率是反映根系活力的重要指標(biāo)，M式水冷苗床番茄幼苗根系的平均呼吸速率、莖流速率和根系活力分別比對照提高40.0%、54.2%和23.2%。與對照相比，M式水冷苗床番茄幼苗葉片蒸騰速率提高25.2%，凈光合速率提高23.9%。

表3 不同類型苗床番茄幼苗營養(yǎng)生長情況比較Table 3 Comparison of tomato seedling growth indices among treatments

表4 不同水冷苗床番茄幼苗根系形態(tài)的比較Table 4 Comparison of root morphological traits of seedling among treatments

表5 不同水冷苗床番茄幼苗生理活性的比較Table 5 Comparison of physiological characteristics of seedling among treatments

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

夏季集約化育苗中，利用地下冷水為介質(zhì)設(shè)計(jì)的兩種材質(zhì)和截面形狀水冷苗床均具有良好的根區(qū)降溫效果。與對照相比，育苗期間不銹鋼T形管（M式）和PE材質(zhì)的塑料圓管（P式）兩種水冷苗床的根區(qū)日平均溫度分別降低5.0℃和1.8℃，一天中番茄幼苗根際溫度高于25℃歷時(shí)減少7.5h和4.2h，高于28℃歷時(shí)減少7.6h和6.2h，降低了幼苗遭受高溫脅迫的強(qiáng)度，其中M式水冷苗床的根區(qū)降溫效果優(yōu)于P式水冷苗床。水冷式苗床番茄幼苗營養(yǎng)生長狀況顯著優(yōu)于對照苗床，M式水冷苗床番茄幼苗的壯苗指數(shù)比P式水冷苗床和對照苗床分別提高12.7% 和27.2%。

3.2 討論

水冷苗床的根區(qū)降溫效果與冷水管與根區(qū)的接觸面積和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，金屬梯形管苗床（M）的降溫效果顯著優(yōu)于塑料圓管苗床（P），這是由于金屬梯形管與穴盤的接觸面積較大，另外金屬的導(dǎo)熱性較大，從而可以帶走更多的熱量，降溫效果更顯著。從成本來看，塑料苗床的成本低于金屬管苗床，另外水冷式苗床降溫效果受到水溫、流量等因素的影響，塑料圓管取材廣泛，便于安裝，如何提高其降溫效果還需進(jìn)一步研究。

Fujishige等[26]研究認(rèn)為，當(dāng)氣溫超過30℃時(shí)番茄幼苗光合作用和相對生長速率顯著降低。試驗(yàn)溫室育苗期間平均氣溫為30.2℃，試驗(yàn)期間M式水冷苗床番茄幼苗基本處于根系適宜生長溫度范圍內(nèi)，根區(qū)降溫促進(jìn)幼苗根系生長的同時(shí)，提高了幼苗的干物質(zhì)積累，促進(jìn)了幼苗健壯生長，提高了幼苗壯苗指數(shù)，驗(yàn)證了Yamaguchi等[27]的根區(qū)適溫可以補(bǔ)償高氣溫危害的結(jié)論。根區(qū)降溫下番茄幼苗根冠比顯著高于對照苗床，表明根區(qū)降溫對根系生長的促進(jìn)作用更大，這與Moon等[18]的研究結(jié)論相一致。說明在氣溫30℃時(shí)，只要根際溫度合適，番茄幼苗仍可正常生長。

根區(qū)降溫促進(jìn)番茄幼苗生長的原因在于提高了高氣溫下幼苗的生理活性。莖流速率和根系呼吸速率是反映根系活力的重要指標(biāo)[28-29]，與對照苗床相比，水冷苗床番茄幼苗根系活力和莖流速率顯著高于對照苗床，從而保證了根系吸水正常，提高了疏導(dǎo)組織的導(dǎo)水力和氣孔導(dǎo)度，顯著增強(qiáng)了番茄幼苗的蒸騰作用[30]，葉溫可以通過蒸騰冷卻，低于氣溫很多[17]，葉溫的降低保證了酶的活性，從而緩解了高氣溫下對番茄幼苗葉片的傷害，保證幼苗較強(qiáng)的光合作用。

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Root-zone Cooling Effect of Different Water-cooled Seedling Bed and Its Effect on the Growth of Tomato Plug Seedlings

LI Sheng-li, NIU Xu-xu, SUN Zhi-qiang
（College of Horticulture, Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China）

Abstract：In order to alleviate high root-zone temperature injury on intensive seedling production during hot summer. A water-cooled seedling bed was designed， in which underground water was used as the natural coolant. Two different water-cooled seedling beds were exploited in this experiment. Metal stainless steel tube（M-type cooled-bed）and plastic tube（P-type cooled-bed） were used as cooling tube respectively. The seedling bed without root cooling system was used as control（CK）.The cooling effect of two different water-cooled seedling bed and its effect on the growth of tomato seedling were investigated. The results showed as follows: the cumulative temperature， mean daily temperature and mean daily maximum temperature of the root-zone both in M and P-type cooled-bed were lowered significantly compared with those of non-cooled seedling bed（CK）. The mean daily temperature of M and P-type cooled-bed were 23.2℃ and 26.0℃. The mean high temperature duration of M and P-type cooled-bed above 25℃was 8.3h and 11.6h per day， which were shortened by 7.5h and 4.2h respectively compared with control’s seedling-bed. The growth rate and dry mass accumulation of tomato seedling both in M seedling-bed and P seedling-bed were enhanced significantly， and sap flow velocity， root respiration rate and net photosynthetic rate were also improved. Dry mass of per plant of tomato seedling in two cooled-bed were 4.52mg（M） and 3.90mg（P），which were increased by 58.6% and 36.8% respectively compared with control. Tomato seedling healthy index and the ratio of root to shoot both in two cooled-beds were apparently higher than control. Water-cooled seedling bedbook=20,ebook=23was an effective way to lower the root-zone temperature and it could improve tomato seedling growth during hot summer. The M-type cooled-bed was more beneficial to enhance the growth of tomato seedlings.

Key words：Tomato；Root-zone cooling；Plug seedlings；High temperature duration；Healthy index

作者簡介：李勝利（1975-），副教授，主要從事工廠化育苗方面的研究。E-mail：lslhc@yeah.net

基金項(xiàng)目：河南省大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)（S2010-03-03）；國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)（CARS-25-C06）

* 收稿日期：2015-05-24

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.0032