李勝利，牛旭旭，孫治強

（河南農業(yè)大學園藝學院，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

（河南農業(yè)大學園藝學院，鄭州 450002）

摘要：為了降低夏季蔬菜集約化育苗時幼苗的根區(qū)高溫環(huán)境，利用地下水作為循環(huán)媒介，設計了用于根區(qū)降溫的水冷苗床。試驗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。水冷苗床顯著促進了番茄幼苗生長和干物質積累，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。

關鍵詞：番茄；根區(qū)降溫；穴盤苗；高溫歷時；壯苗指數

李勝利，牛旭旭，孫治強.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，設施內高溫或亞高溫是影響蔬菜幼苗健壯生長的關鍵因素之一[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，設施內高溫將導致幼苗根區(qū)溫度過高[4]。根區(qū)高溫嚴重影響根系對水分和養(yǎng)分的吸收[5-6]，導致幼苗質量下降，進而影響幼苗的生長和花芽分化，最終影響產量和品質[7-8]。Xu等[9]研究認為，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）是全球范圍內設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35.6℃。夏季設施常用的降溫方法主要以降低氣溫為主[14-16]，近年，根區(qū)降溫技術開始受到關注，Kenichiro等[17]通過在土壤中埋設多孔管道，以冷空氣作為降溫介質，使根區(qū)平均溫度降低了2.8℃。Moon等[18]在15cm土壤深處埋設管道，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，Beyza等[22]通過相變物質來控制根區(qū)溫度獲得了良好的效果。本文在前期設計的水冷式苗床的基礎上[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)化設計及科學應用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗分別于2013、2014年6-8月在河南農業(yè)大學鄭州毛莊科教園區(qū)（鄭州市，112°42' E，34°16' N）育苗溫室內進行，試驗期間僅進行自然通風。育苗試驗在溫室內3個鋼架育苗床上進行，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作為一個小區(qū)，共設置9個小區(qū)，每個小區(qū)面積16m2，3次重復隨機排列。供試番茄品種為粉都77（河南），采用72孔穴盤，穴孔深5cm。

1.2 試驗設計

水冷式苗床直接在鋼架苗床上鋪設，由進水管、冷水管、回水管、單向閥控制閥門等組成[13]。試驗設計的兩種水冷式苗床結構相同，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材質的塑料圓管，直徑為12mm，管壁厚1mm（圖1）。每個穴盤采用3根冷水管，以地下約50m深的井水作為冷源，井水經過降溫苗床經出水管道流回井中，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 項目測定

1.3.1 根區(qū)溫度

根據每個處理苗床長度和寬度均勻布設9個溫度測點，苗床長度方向距進水口2.5、5.0、7.5m處分別設置3排溫度測點，每排設置3個等距間隔溫度測點，測點距苗床一側分別為0.4、0.8和1.2m。溫度探頭放置在穴孔3cm深處。采用TRM-120溫度自動記錄儀測定，數據記錄間隔時間為1h，9個點的平均值為該小區(qū)的根區(qū)溫度。

計算育苗期間根區(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各整點溫度的平均值，晝均溫為每天7：00-19：00整點根區(qū)溫度的平均值，夜均溫為19：00-次日7：00整點根區(qū)溫度的平均值。

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

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；為平均高溫烈度，DM為極限高溫烈度；表示平均高溫強度，HM為最大高溫強度，m為統(tǒng)計時間，即育苗期（34d）。

1.3.2 番茄幼苗形態(tài)指標

番茄幼苗4葉1心時，每個處理隨機取5株測定株高、下胚軸長、莖粗和幼苗干質量。株高和下胚軸長度采用直尺測量，莖粗采用游標卡尺測量，幼苗干質量采用烘干稱質量法測量，壯苗指數按照張振賢等[25]的方法計算；每個處理另選取5株，用蒸餾水洗凈根系表面基質，然后用Epson perfection 4990 PHOTO根系掃描儀（日本）進行掃描，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

番茄幼苗4葉1心時選擇晴天（2014-07-02），每個處理選取10株進行葉片生理指標測定。光合速率、蒸騰速率和氣孔導度用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]的方法進行測試。

1.4 數據處理與分析

采用DPS7.05進行數據處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

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，溫室內日平均氣溫高達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年育苗期內不同處理番茄幼苗根區(qū)溫度進行游程分析，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。高溫歷時表明一天內番茄幼苗根系遭受高溫脅迫持續(xù)的時間，M式和P式水冷苗床番茄幼苗平均根區(qū)溫度高于25℃的時間為8.3h和11.6h，比對照減少7.5h和4.2h，高于28℃的歷時為2.9h和4.3h，比對照苗床減少7.6h和6.2h。根區(qū)高溫歷時的降低表明幼苗根系一天中遭受高溫脅迫時間減少，幼苗可以較長時間生長在適宜的根溫范圍之內，從而保證根系正常的生理活動。

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)降溫措施促進了番茄幼苗生長和干物質積累。其中水冷苗床番茄幼苗的株高、葉面積、單株干質量和根冠比與對照的差異達到了極顯著水平（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、干質量、根冠比和壯苗指數顯著高于后者（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)育的一個指標，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，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 結論與討論

3.1 結論

夏季集約化育苗中，利用地下冷水為介質設計的兩種材質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℃歷時減少7.5h和4.2h，高于28℃歷時減少7.6h和6.2h，降低了幼苗遭受高溫脅迫的強度，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)的接觸面積和導熱系數有關，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一步研究。

Fujishige等[26]研究認為，當氣溫超過30℃時番茄幼苗光合作用和相對生長速率顯著降低。試驗溫室育苗期間平均氣溫為30.2℃，試驗期間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，根區(qū)降溫促進幼苗根系生長的同時，提高了幼苗的干物質積累，促進了幼苗健壯生長，提高了幼苗壯苗指數，驗證了Yamaguchi等[27]的根區(qū)適溫可以補償高氣溫危害的結論。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作用更大，這與Moon等[18]的研究結論相一致。說明在氣溫30℃時，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[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，提高了疏導組織的導水力和氣孔導度，顯著增強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

基金項目：河南省大宗蔬菜產業(yè)技術體系專項（S2010-03-03）；國家大宗蔬菜產業(yè)技術體系專項（CARS-25-C06）

* 收稿日期：2015-05-24

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.0032