王春玲，宋衛(wèi)堂，趙淑梅，曲明山

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，阿拉爾 843300；3. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4. 北京市農(nóng)業(yè)局土肥工作站，北京 100029）

追日式草莓立體栽培架改善光溫環(huán)境提高草莓產(chǎn)量

王春玲1,2，宋衛(wèi)堂1,3※，趙淑梅1,3，曲明山4

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，阿拉爾 843300；3. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4. 北京市農(nóng)業(yè)局土肥工作站，北京 100029）

為解決草莓多層立體栽培中同一栽培架上位層對(duì)下位層的遮光問(wèn)題，將固定式A字型栽培架在添加轉(zhuǎn)動(dòng)和控制部件后，使其以“追日”的方式運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)栽培架行向與太陽(yáng)光照射方向平行，最大限度地利用直射光。試驗(yàn)測(cè)試并比較了3層追日式與固定式栽培架上草莓冠層光環(huán)境、根際以及冠層溫度環(huán)境、草莓產(chǎn)量。結(jié)果表明：冬季3個(gè)月內(nèi)（2015年11月8日立冬至2016年2月4日立春），追日式栽培架上、中、下層與固定式相應(yīng)位置光合有效光量子流密度（photosynthetic photon flux density，PPFD）日累積量平均值相比，東側(cè)分別高28.0%、79.3%、38.6%，西側(cè)分別高30.1%、41.0%、18.2%。追日式栽培架西側(cè)上、中、下層根際達(dá)到根系最適生長(zhǎng)溫度15 ～20 ℃的時(shí)間分別比固定式相應(yīng)位置長(zhǎng)60、40、120 min；相應(yīng)地，前者冠層溫度2016年1月19日晴天低于5 ℃的時(shí)間分別比后者短130、170、230 min。追日式栽培架東側(cè)和西側(cè)上、中、下草莓單株產(chǎn)量分別高于固定式栽培架相應(yīng)位置，在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)追日式栽培架的總產(chǎn)量比固定式栽培架高214.8 kg/667 m2。因此，追日式栽培系統(tǒng)可有效地改善冠層光溫環(huán)境，提高作物產(chǎn)量和效益。

溫室；太陽(yáng)輻射；光；溫；草莓；立體栽培；追日式；產(chǎn)量

0 引 言

立體栽培是通過(guò)栽培架或栽培管道、吊掛等形式按垂直梯度的分層栽培，以充分利用溫室空間和太陽(yáng)能。立體栽培比較適用于種植低矮作物，如生菜、草莓等[1]。而草莓的立體栽培近兩年被種植者廣泛使用。研究表明，立體栽培與常規(guī)地面栽培相比，栽培密度可提高25%以上[2]，土地利用率提高3～5倍，單位面積產(chǎn)量提高2～3倍[3]。此外，立體無(wú)土栽培模式可以避免地面土壤栽培帶來(lái)的一些不利影響，如連作障礙、土傳病害導(dǎo)致的產(chǎn)量下降等。立體栽培還便于溫度、濕度、水肥等的精準(zhǔn)統(tǒng)一化管理，產(chǎn)品不受泥土等污染，清潔衛(wèi)生，觀賞性好，因此經(jīng)濟(jì)效益可觀[4-5]。

關(guān)于草莓立體栽培的研究在國(guó)外已有很多報(bào)道，栽培模式多種多樣[6-10]。而中國(guó)的草莓立體栽培種類(lèi)也很多，如吊柱式、高低架式、A字形或X形架式、后墻式栽培[11]等，與草莓立體栽培相關(guān)的研究也很多[12-15]。但現(xiàn)有立體栽培多為固定式的栽培架或栽培槽模式，此種方式存在的主要問(wèn)題是同一栽培架上位層對(duì)下位層產(chǎn)生遮光，會(huì)導(dǎo)致不同層的草莓光照環(huán)境不一致，影響其產(chǎn)量及品質(zhì)[16]。此外，草莓在不同的發(fā)育階段對(duì)溫度的要求較為嚴(yán)格[17]，其生物學(xué)零度為5 ℃，根系最適生長(zhǎng)溫度為15 ～20 ℃，光合作用最適溫度為15～25 ℃[18]。有研究表明，立體栽培中不同形式栽培架如支架型、A字形等的根際平均溫度為10～15 ℃，略低于草莓根系生長(zhǎng)最適溫度[19]，還有研究表明，在垂直塔架的底部草莓冠層受到的光密度僅為頂層的10%，塔架中下層光照、溫度條件差導(dǎo)致了植物生長(zhǎng)延遲[20]。

為了改善草莓多層立體栽培的光溫環(huán)境，本文將常用的A字形栽培架由固定模式設(shè)計(jì)成以“追日”為運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)且可以繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式，以期使栽培架各層都能夠接受盡量多且均勻的太陽(yáng)光，使草莓均能正常生長(zhǎng)，從而獲得較高產(chǎn)量和較好品質(zhì)。

1 追日式草莓多層立體栽培系統(tǒng)

1.1 栽培系統(tǒng)的組成

1.1.1 栽培架

追日式草莓多層立體栽培系統(tǒng)如圖1：栽培架底部4腳中的3個(gè)采用萬(wàn)向輪，另一個(gè)安裝帶滾輪的智能遙控開(kāi)門(mén)機(jī)，中間采用壓力軸承進(jìn)行支撐，以便整個(gè)系統(tǒng)可以繞其中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 追日式多層草莓立體栽培系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch map of sun-tracking three-dimensional multi-layer strawberry cultivation system

栽培架骨架為等邊三角形，邊長(zhǎng)1.4 m，由方鋼焊接而成。與萬(wàn)向地輪總高度合計(jì)為1.5 m，栽培架兩側(cè)各布3組栽培管道，同側(cè)相鄰兩栽培管道之間的間距0.6 m。栽培架行向長(zhǎng)6 m。栽培管道直徑16 cm，內(nèi)填充基質(zhì)，基質(zhì)上鋪設(shè)滴灌帶，栽培架中部設(shè)置進(jìn)水管、營(yíng)養(yǎng)液回收管與滴管帶組成整個(gè)系統(tǒng)的灌溉部件。

1.1.2 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)由CANUOL智能遙控開(kāi)門(mén)機(jī)和2線(xiàn)多功能智慧型控制器（歐碼克智能科技有限公司）組成，通過(guò)時(shí)控開(kāi)關(guān)的時(shí)間設(shè)置來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

開(kāi)門(mén)機(jī)由限位組件、離合器鎖孔、鎖鉤、滾輪等組成，通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和停止。

控制器具有軟啟、軟停、慢速的功能?？刂破靼惭b在溫室北墻，由變壓器將交流電壓220 V轉(zhuǎn)換成直流電壓24 V供控制器使用，通過(guò)設(shè)定的程序來(lái)控制開(kāi)門(mén)機(jī)的運(yùn)行，最終驅(qū)動(dòng)栽培架運(yùn)動(dòng)。

時(shí)控開(kāi)關(guān)，可以控制栽培架運(yùn)行的總時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間間隔、每次運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行次數(shù)以及栽培架歸位時(shí)運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)度。

1.2 栽培系統(tǒng)的運(yùn)行

1.2.1 栽培系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)

本栽培系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式是根據(jù)太陽(yáng)方位角的變化來(lái)確定的，隨著太陽(yáng)方位角的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)。表1是北京地區(qū)冬季典型節(jié)氣溫室內(nèi)主要采光時(shí)段（9:00～16:00）太陽(yáng)方位角的變化，其中：太陽(yáng)方位角以正南方向?yàn)榱?，逆時(shí)針由南向東向北為負(fù)，由南向西向北為正[21-23]。

由表1可知，冬至日（12月22日）的太陽(yáng)方位角變化最小，自立冬至立春，太陽(yáng)方位角呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。因此，栽培系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)模式隨著時(shí)間的變化要靈活地調(diào)整，根據(jù)表1初步設(shè)定追日式栽培系統(tǒng)在冬季各個(gè)月份隨著太陽(yáng)方位角的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)行模式如表2。

表1 北京地區(qū)冬季典型節(jié)氣主要采光時(shí)段太陽(yáng)方位角變化Table 1 Changes of solar azimuth during lighting period at typical solar terms in winter in Beijing

表2 北京地區(qū)冬季典型節(jié)氣主要采光時(shí)段栽培架運(yùn)行模式Table 2 Running mode of cultivation in main lighted period at typical solar term in winter in Beijing

1.2.2 栽培系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)方式

根據(jù)表2并結(jié)合管理的要求，本立體栽培系統(tǒng)將調(diào)控的目標(biāo)時(shí)間設(shè)定為11月1日～翌年3月17日的每天9:00－16:20，每天轉(zhuǎn)9次，每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間間隔為55 min；其中：11月、翌年2、3月轉(zhuǎn)4 s/次，12月、翌年1月轉(zhuǎn)3.6 s/次；當(dāng)栽培架16:20轉(zhuǎn)完最后一次時(shí)，在16:30栽培架回歸轉(zhuǎn)動(dòng)起始位置。栽培系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)關(guān)注運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際需要及時(shí)調(diào)整。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)于2015年11月至2016年3月在北京市昌平區(qū)興壽鎮(zhèn)的一個(gè)日光溫室內(nèi)進(jìn)行。溫室長(zhǎng)74 m，跨度8 m，脊高3.5 m；墻體為磚墻，東、西山墻厚度0.61 m，北墻厚度0.8 m；屋面覆蓋材料為聚烯烴（Polyolefin，PO）膜，透光率為73.8%；保溫被由防水材料、棉氈、黑色無(wú)紡布等復(fù)合材料組成，厚度約為2.1 cm，作為夜間的保溫覆蓋物。保溫被的收、放根據(jù)白天光照時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行調(diào)整，通常在每天8:00收起，16:30放下，溫室內(nèi)的光照時(shí)數(shù)為8.5 h左右。

栽培管道選用長(zhǎng)6 m、直徑160 mm的聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）管。管道上部開(kāi)寬90 mm的槽口，基質(zhì)體積為栽培管道容積的2/3，采用水肥一體化滴灌，肥料為“圣誕樹(shù)”草莓專(zhuān)用肥。草莓定植時(shí)間為2015年9月8日，品種為“紅顏”，株距約20 cm，每個(gè)栽培管道上種植27株草莓。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用栽培架安裝在同一個(gè)溫室內(nèi)，距離東、西山墻較遠(yuǎn)，周?chē)鸁o(wú)遮擋物，栽培架所處的環(huán)境基本一致，同時(shí)為便于管理，將追日式栽培架和固定式栽培架分開(kāi)放置。試驗(yàn)采用2組立體栽培架進(jìn)行試驗(yàn)，每組5個(gè)，一組追日式多層立體栽培架為試驗(yàn)組，另一組固定式立體栽培架為對(duì)照組，其中每組栽培架最外側(cè)2個(gè)作為保護(hù)行，中間3個(gè)作為試驗(yàn)區(qū)。兩組栽培架在溫室中的位置如圖2a所示，每個(gè)栽培架之間的間距為0.8 m，栽培架距溫室后墻1.3 m，距溫室南端0.7 m，兩組栽培架的間距是6.8 m，對(duì)照組距溫室東山墻6.2 m。經(jīng)過(guò)計(jì)算，東山墻在試驗(yàn)期間的8:00～10:00在地面東西方向上的陰影長(zhǎng)度為5.66～2.34 m之間，對(duì)照組保護(hù)行位于山墻最大陰影之外，并未受到東山墻的影響。不存在遮擋對(duì)照組光線(xiàn)的問(wèn)題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)照組接受太陽(yáng)光照射的情況，與試驗(yàn)組沒(méi)有差異，東側(cè)門(mén)在試驗(yàn)之前就進(jìn)行了封閉，并做了相應(yīng)保溫措施；并且在冬季生產(chǎn)過(guò)程中，東門(mén)不開(kāi)，對(duì)溫室內(nèi)的溫度基本不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖2 溫室內(nèi)栽培架及光照、溫度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Arrangement of cultivation frames , light and temperature measuring points in greenhouse

2.2.1 測(cè)試位點(diǎn)布置

傳感器分別布置于試驗(yàn)組和對(duì)照組中間的栽培架上，其中光照傳感器置于每個(gè)栽培管道中部草莓的冠層（距離基質(zhì)上約15 cm），溫度傳感器置于栽培管道南、北部草莓的冠層（基質(zhì)上約15 cm）和根際（基質(zhì)表面下約12 cm），南、北兩測(cè)點(diǎn)將栽培管道三等分。分別測(cè)量草莓冠層的光照、冠層和根際基質(zhì)的溫度。

將追日式栽培架編為T(mén)，固定式栽培架為F，統(tǒng)一將東側(cè)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為E，西側(cè)為W，栽培管道南部為S，北部為N，上、中、下層分別編號(hào)為1、2、3，根際為R，冠層為C。具體標(biāo)記如圖2b和表3，其中表3以固定式栽培架為例，追日式將F換成T即可。

表3 固定式栽培架光照和溫度測(cè)點(diǎn)的標(biāo)記Table 3 Tag of light and temperature measuring point of fixed cultivation frame

2.2.2 光溫?cái)?shù)據(jù)采集

光照測(cè)量使用S-LIA-M003光照傳感器和H21-002數(shù)據(jù)采集器（Onest公司，美國(guó)）可測(cè)定400～700 nm波段的光合有效光量子流密度（PPFD），其測(cè)定范圍為0～2 500 μmol/(m2·s)，精密度為±5 μmol/(m2·s)；溫度測(cè)量使用T型熱電偶，可以測(cè)量的溫度范圍是?200 ～350 ℃，精度為±0.5 ℃，數(shù)據(jù)采集器為Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器。本試驗(yàn)將數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)定為10 min，測(cè)試時(shí)間：2015年11月－2016年3月，共5個(gè)月。其中PPFD累積量的計(jì)算公式為

式中Q表示PPFD累積量，mol/m2；P為每10 min采集的PPFD平均值，μmol/(m2·s)；i=1,2,…,n；t為采集時(shí)間，s。

2.2.3 草莓產(chǎn)量測(cè)定

栽培架東、西兩側(cè)以及同側(cè)各層所處的環(huán)境均不同，每個(gè)栽培管道作為一個(gè)處理，因此兩種栽培架共12個(gè)處理，重復(fù)3次，各處理編碼如表3所示。草莓定植一個(gè)月后，在試驗(yàn)組和對(duì)照組中間3個(gè)栽培架的東、西兩側(cè)每個(gè)栽培管道上選擇24株植株健壯、長(zhǎng)勢(shì)一致的草莓進(jìn)行標(biāo)記。待果實(shí)成熟后進(jìn)行草莓平均單株產(chǎn)量的測(cè)量，測(cè)產(chǎn)時(shí)間段為2016年1月13日－2016年3月17日。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS20.0及Excel 2007及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 2種栽培架東、西側(cè)不同層的光照分布日變化

3.1.1 固定式栽培架東、西兩側(cè)的光照分布日變化

選擇典型晴朗天氣，對(duì)固定式栽培架東、西兩側(cè)各層的光環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖3可知，在12月18日（近冬至日），最大PPFD值為741.8 μmol/(m2·s)，出現(xiàn)在12:32。與中、下兩層比F-E1與F-W1除受部分溫室骨架遮擋外，全天光照環(huán)境最佳，但是中層和下層的PPFD明顯低于上層。從圖中可以看出，F(xiàn)-E2在13:30-15:00有遮光現(xiàn)象，F(xiàn)-W2、F-W3在9:30-12:30有遮光現(xiàn)象，且西側(cè)上午的遮光程度較東側(cè)下午嚴(yán)重。由于栽培架是固定的，上午照射在栽培架東側(cè)的陽(yáng)光較為充分，下午時(shí)西側(cè)的光照情況好于東側(cè)；此外由于太陽(yáng)高度角較小，光照較弱，上午時(shí)刻栽培架西側(cè)的光照比下午時(shí)刻?hào)|側(cè)的更差。

圖3 晴天固定式及追日式栽培架各測(cè)點(diǎn)光合有效光量子流密度(PPFD)日變化（2015-12-18）Fig.3 Diurnal changes of photosynthetic photon flux density (PPFD)on measuring points of fixed and sun-tracking cultivation systems in sunny day (2015-12-18)

3.1.2 追日式栽培架東、西兩側(cè)的光照分布日變化

下面對(duì)同一天中追日式栽培架的光照環(huán)境進(jìn)行分析，以明確兩種栽培架的光環(huán)境是否存在差異。

當(dāng)栽培架進(jìn)行追日式轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其光照環(huán)境完全不同于固定式栽培架。由圖3可知，追日式栽培架最大PPFD值為755.6 μmol/(m2·s)，出現(xiàn)在11:47，比固定式栽培架光照最強(qiáng)時(shí)間提前45 min。追日式栽培架上午時(shí)段T-W2、T-W3與下午時(shí)段T-E2、T-E3光照，較固定式栽培架有明顯地改善。

因此，追日式栽培架改變了固定式栽培架明顯遮光的情況，提高了中下層的光照度，且使光照分布更加均勻。

3.2 一段時(shí)間內(nèi)2種栽培架各層光照環(huán)境特性的比較

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，追日式栽培架一定程度上改善了固定式栽培架不同層之間的遮光問(wèn)題。為進(jìn)一步明確追日式栽培架的優(yōu)勢(shì)，下面分別對(duì)固定式與追日式栽培架的東、西側(cè)各層進(jìn)行對(duì)應(yīng)比較。表4是2015年11月8日（立冬）至2016年2月4日（立春）2種栽培架的光照情況對(duì)比，其中Q值計(jì)算時(shí)間段為每天8:00～17:00。

從表4可以看出，追日式栽培架的東、西兩側(cè)各層在冬季3個(gè)月內(nèi)的PPFD累積量（Q）均高于固定式栽培架相應(yīng)位置上的值，同時(shí)有兩栽培架的東側(cè)光照情況好于西側(cè)。其中，T-E1、T-E2、T-E3的Q分別比F-E1、F-E2、F-E3增加28.0%、79.3%、38.6%，T-W1、T-W2、T-W3上的Q分別比F-W1、F-W2、F-W3增加30.1%、41.0%、18.2%，一段時(shí)間內(nèi)追日式栽培架東、西兩側(cè)上層的PPFD累積量增加幅度相近，中、下層增加量東側(cè)幾乎為西側(cè)的2倍。此結(jié)果表明，追日式栽培架在截獲陽(yáng)光的能力上優(yōu)于固定式栽培架，也表明追日式栽培架的東側(cè)改善光照條件的優(yōu)勢(shì)比西側(cè)明顯。

表4 2種栽培架東、西側(cè)的光照情況對(duì)比Table 4 Light conditions of two kinds of cultivation frame at east and west(2015-11-08－2016-02-04)

3.3 3種栽培架東側(cè)不同層的溫度分布日變化

在2015年11月8日至2016年2月4日期間內(nèi)，選擇部分時(shí)間，對(duì)兩種栽培架東側(cè)各層草莓的冠層和根際基質(zhì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖4為12月18日（近冬至日），典型晴朗天氣的溫度變化情況。

圖4 晴天追日式和固定式栽培架東側(cè)各測(cè)點(diǎn)溫度日變化（2015-12-18）Fig.4 Diurnal changes of temperature on east measuring points of the sun-tracking and fixed cultivation system on sunny day (2015-12-18)

由圖4a、b、c可知，追日式和固定式栽培架東側(cè)南部上、中、下層草莓的冠層和根際基質(zhì)溫度變化趨勢(shì)基本一致。其中，約在00:00-9:00、15:00-24:00時(shí)段TE1-CS、TE2-CS、TE3-CS溫度略高于FE1-CS、FE2-CS、FE3-CS，而09:00-15:00時(shí)段內(nèi)大部分時(shí)間是固定式栽培架草莓冠層溫度高于追日式栽培架，最高溫度是FE2-CS為30.0 ℃，但此溫度已超過(guò)草莓生長(zhǎng)的最適溫度范圍；固定式栽培架各層草莓根際基質(zhì)溫度的最小值均低于追日式栽培架各層，在08:40時(shí)根際基質(zhì)溫度達(dá)到最低，F(xiàn)E2-RS為8.4 ℃，TE2-RS為9.4 ℃，相差1 ℃。

由圖4d可知，追日式和固定式栽培架東側(cè)北部草莓的冠層和根際溫度變化趨勢(shì)與南部基本一致，所以只對(duì)栽培架東側(cè)北部第二層進(jìn)行分析。在9:10時(shí)FE2-RN和TE2-RN的最低溫度分別是8.5和9.2 ℃，相差0.7 ℃。

3.4 2種栽培架西側(cè)不同層的溫度分布

3.4.1 2種栽培架西側(cè)北部的溫度變化

固定式和追日式栽培架西側(cè)北部各層草莓的冠層和根際基質(zhì)溫度變化如表5。表中數(shù)據(jù)是對(duì)2016年1月19日（近大寒日）00:00－24:00時(shí)段相應(yīng)的溫度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算得到。由表可知，固定式和追日式栽培架西側(cè)北部3層的草莓冠層平均溫度與根際基質(zhì)溫度無(wú)顯著差異，同時(shí)追日式栽培架的冠層下層溫度和根際上層及下層溫度都高于固定式栽培架相應(yīng)位置的溫度。追日式栽培架上、中、下層冠層溫度低于5 ℃的時(shí)間比固定式栽培架相應(yīng)位置短130、170、230 min。

表5 2種栽培架西側(cè)北部的溫度變化Table 5 Temperature of the west of two cultivations on north

有研究表明：根際溫度會(huì)明顯影響植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收、激素的含量和保護(hù)性酶的活性等[24]，適當(dāng)提高根際溫度可以促進(jìn)草莓的生長(zhǎng)[25-28]。表中可以看出固定式栽培架上、中層的溫度均優(yōu)于下層，而追日式栽培架上層溫度優(yōu)于中、下層。以下層為例，F(xiàn)W3-RN的最高溫度14.4 ℃，全天都低于草莓根系生長(zhǎng)最適溫度，而TW3-RN的最高溫度為15.5 ℃，顯著高于FW3-RN，全天不低于15 ℃的時(shí)間為120 min。FW3-CN的最低溫度為3.8 ℃，并且低于5 ℃的時(shí)長(zhǎng)為230 min，嚴(yán)重影響了草莓的生長(zhǎng)；TW3-CN的最低溫度為5.1 ℃，顯著高于FW3-CN，能夠維持草莓的正常生長(zhǎng)。此外，除上層外，固定式栽培架草莓冠層溫度極差均顯著高于追日式；FW1-RN溫度極差顯著大于TW1-RN，中、下層差異不顯著，綜合可以說(shuō)明追日式栽培架的溫度變化較固定式的平緩。同時(shí)追日式栽培架3層的草莓根際基質(zhì)溫度在適于草莓生長(zhǎng)的15～20℃范圍內(nèi)的時(shí)間長(zhǎng)度均比固定式栽培架的長(zhǎng)60、40、120 min，表明追日式栽培架明顯地改善了草莓根際溫度環(huán)境。

3.4.2 兩種栽培架西側(cè)南部的溫度變化

由表6可以看出，栽培架南部的平均溫度稍高于北部，但各個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)與北部基本相似，即：追日式栽培架上草莓冠層和根際溫度環(huán)境均好于固定式栽培架相應(yīng)位置。但是兩種栽培架各層草莓冠層低于5 ℃的時(shí)間均長(zhǎng)于北部，主要原因是栽培架南部靠近溫室南端的棚膜，散熱量大于栽培架北部。此外，從栽培架南部的溫度極差較大也能反應(yīng)出這一現(xiàn)象。

表6 2種栽培架西側(cè)南部的溫度變化Table 6 Temperature of west of two cultivations on south

3.5 2種栽培架上草莓產(chǎn)量及效益

3.5.1 草莓的平均單株產(chǎn)量

2015年11月的霧霾天影響了草莓的生長(zhǎng)。霧霾會(huì)使陽(yáng)光透過(guò)率降低，溫室內(nèi)氣溫較低，濕度大，草莓易感病[29]。因?yàn)樯L(zhǎng)受阻、授粉不良、果實(shí)畸型等原因，第一穗花并沒(méi)有保留。因此，第一次采果時(shí)間較往年推遲20～30 d。定植后125 d第一次采收，各處理草莓平均單株產(chǎn)量如表7。

表7 固定式與追日式栽培架草莓的產(chǎn)量對(duì)比（2016-01-13－2016-03-17）Table 7 Comparison of strawberry yield by using fixed and sun-tracking cultivation frame (2016-01-13－2016-03-17)

從表7可以看出，追日式栽培架東、西側(cè)的上、中、下各層平均單株產(chǎn)量均高于固定式栽培架對(duì)應(yīng)位置。其中平均單株產(chǎn)量最高的是T-E2為151.8 g，其次是T-E1為136.3 g，平均單株產(chǎn)量最低的是F-W3為71.0 g；除F-W1平均單株產(chǎn)量大于F-E1外，追日式和固定式栽培架東側(cè)各層草莓平均單株產(chǎn)量均大于西側(cè)對(duì)應(yīng)層，這與2種栽培架東側(cè)的光照環(huán)境優(yōu)于西側(cè)有關(guān)，有研究表明：溫室內(nèi)光照效果較好時(shí)，可以提高草莓的產(chǎn)量和品質(zhì)[30-31]；T-E1對(duì)應(yīng)F-E1的增產(chǎn)率最高為72.1%，T-W1的增產(chǎn)率最低為20.3%，可見(jiàn)追日式栽培架的增產(chǎn)效果非常好。

3.5.2 效益評(píng)價(jià)

追日式栽培架在提高草莓單株產(chǎn)量的同時(shí)成本也有所增加，相對(duì)于固定式栽培架，其成本包括開(kāi)門(mén)機(jī)和配套的控制部件，耗電和安裝維護(hù)等。以試驗(yàn)溫室為例（74 m長(zhǎng)、8 m寬），在試驗(yàn)期間內(nèi)（2015年9月8日～2016年3月17日）計(jì)算整個(gè)溫室內(nèi)分別合理布滿(mǎn)固定式和追日式栽培架所能產(chǎn)出的草莓產(chǎn)量，減去增加的成本，分析出追日式栽培架是否有效益的增加，在實(shí)際生產(chǎn)中是否有應(yīng)用的價(jià)值。

經(jīng)計(jì)算，每667 m2（83.4 m長(zhǎng)、8 m寬）的溫室內(nèi)可布置固定式栽培架35個(gè)，追日式栽培架33個(gè)，追日式栽培架整體增加的總成本為4 241.5元/667 m2，在試驗(yàn)草莓測(cè)產(chǎn)期間2種栽培架草莓的總產(chǎn)量及效益如表8。

表8 2種栽培架一段時(shí)間的草莓總產(chǎn)量及效益（2016-01-13－2016-03-17）Table 8 Strawberry yield and benefit by using fixed and sun-tracking cultivation frames in a certain period of time (2016-01-13－2016-03-17)

由表8可以看出，追日式栽培架在一段時(shí)間（2016年1月13日至2016年3月17日）內(nèi)與固定式栽培架相比，其產(chǎn)量增加214.8 kg/667 m2、效益增加6 498.5～12 942.5元/667 m2，因草莓單價(jià)較高的時(shí)期集中在1－3月，故1－3月的收益占收益的絕大部分，收益增加幅度較大，在生產(chǎn)中可以將其作為新的草莓立體栽培模式。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)一種追日式草莓多層立體栽培架的光環(huán)境特性分析，以及草莓產(chǎn)量計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1）追日式栽培架的光照環(huán)境優(yōu)于固定式栽培架，“追日”的運(yùn)動(dòng)方式很好地改善了栽培架西側(cè)上午、東側(cè)下午遮光較為嚴(yán)重的現(xiàn)象。冬季3個(gè)月內(nèi)，追日式栽培架東側(cè)上、中、下層草莓冠層的PPFD累積量分別比固定式東側(cè)上、中、下層高28.0%、79.3%、38.6%，西側(cè)分別高30.1%、41.0%、18.2%。

2）追日式立體栽培架三層草莓冠層的溫度環(huán)境均好于固定式立體栽培架，在溫度較高的天氣，固定式栽培架東側(cè)中層草莓冠層的最高溫度達(dá)到30.0 ℃，超過(guò)了草莓冠層葉片光合作用的最適溫度范圍。追日式立體栽培架東、西兩側(cè)各個(gè)部位草莓的根際平均溫度均高于固定式栽培架，在1月19日，追日式栽培架西側(cè)上、中、下層根際達(dá)到根系最適生長(zhǎng)溫度15～20 ℃的時(shí)間分別比固定式相應(yīng)位置長(zhǎng)60、40、120 min；相應(yīng)地，前者冠層溫度低于5 ℃的時(shí)間分別比后者短130、170、230 min。

3）追日式立體栽培架上各層的草莓單株產(chǎn)量分別高于固定式栽培架相應(yīng)位置。在試驗(yàn)期間，追日式栽培架較固定式栽培架可多產(chǎn)出草莓214.8 kg/667 m2。

因此，追日式草莓多層立體栽培系統(tǒng)可以改善整個(gè)栽培架的光溫環(huán)境，有助于提高草莓的產(chǎn)量和效益，是一種可行并值得推廣應(yīng)用的溫室草莓栽培新系統(tǒng)。

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Sun-tracking multi-layer stereo-cultivation system improving light and temperature environment and increasing yield for strawberry

Wang Chungling1,2, Song Weitang1,3※, Zhao Shumei1,3, Qu Mingshan4
(1. College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Tarim University, Alar 843300, China; 3. Key Laboratory of Agricultural Engineering in Structure and Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100083, China; 4. Beijing Soil and Fertilizer Working Station, Beijing 100029, China)

In order to efficiently solve the shading problem between the upper layer and lower layer in the same cultivation system and between adjacent cultivation systems in multi-layer stereo-cultivation of strawberry, and to improve the fixed A-shaped frame system, a novel sun-tracking cultivation system was developed, which could keep the line of cultivation frame parallel to sunray to make the best use of direct light. In this study, some instruments, including the CANUOL intelligent remote control door opener, supporting multi-function controller, and the time control switch, were installed on the fixed A-shaped frame. So the fixed frame could rotate about its central axis according to a preset procedure, and the door opener revolved through the multi-function controller operation, thus boosting the cultivation frame motion. Time controller may set the start time of cultivation shelf running, running times, running time interval and the time length of operation as cultivation shelf homing according to the different needs of different seasons. The operating parameters of the cultivation frame were determined according to the changes of solar elevation and azimuth of the sun in winter in Beijing, based on the characteristics of the light environment of Beijing. This test set the running time of the sun-tracking frame to be 9: 00-16: 00 every day from November 2015 to March 2016, rotating once every 55 min, and turning 9 times every day. In November and next February and March, the total daily movement angle was 103.5°, each rotation angle was 11.5°, and each exercise took 4 s; the total daily movement angle was 96°, each rotation angle was 10.5°, and each exercise took 3.6 s in December and January next year. Parameters could be adjusted according to the actual situation in the process of actual production and application. In this study, the strawberry planting time was September 8th, 2015, and the harvest time was from January 13thto March 17th, 2016. Experimental design was that 5 sun-tracking frames were set as the test group, and 5 fixed frames were as a control group; then the difference between the 2 light environments was compared, and the temperature of canopy and root, the yield and the profit of strawberry were used to validate whether the sun-tracking frames could improve light environment and increase the production. Results showed that integrated photosynthetic photon flux density (PPFD) of sun-tracking system was higher than that of fixed system on both middle and lower layers. Within 3 months of winter, compared with fixed system, integrated PPFD on upper, middle and lower layer of sun-tracking system increased by 28.0%, 79.3% and 38.6% respectively in the east side and 30.1%, 41.0% and 18.2% respectively in the west side. So, the sun-tracking frame could change the light-shielding. The strawberry canopy and rhizosphere temperature of the sun-tracking cultivation were better than the fixed stereo cultivation frame, and the minimum value of the cultivated strawberry rhizosphere temperature of fixed frame at each layer was lower than the sun-tracking cultivation frame. Meeting the most suitable rhizosphere temperature of 15-20 ℃ for upper, middle and lower layer of west side, the time of the sun-tracking cultivation frame was 60, 40 and 120 min longer than the corresponding position of the fixed cultivation frame, respectively. Accordingly, the time of the former canopy temperature below 5 ℃ was 130, 170, 230 min shorter than the latter, respectively. The strawberry yield per plant on sun-tracking frame was higher than the corresponding position on fixed frame. During the trial, compared with the fixed system, the strawberry output of the sun-tracking system was increased by 214.8 kg/667 m2. Benefits were increased by 6 498.5-12 942.5 yuan. So, the sun-tracking system can improve the light and temperature environment condition, which promotes the output of strawberry and benefit. Therefore, it is valuable cultivation technology and should be widely applied.

greenhouse; solar radiation; light; temperature; strawberry; stereo-cultivation; sun-tracking; yield

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.024

S625.3; S627

A

1002-6819(2017)-11-0187-08

王春玲，宋衛(wèi)堂，趙淑梅，曲明山. 追日式草莓立體栽培架改善光溫環(huán)境提高草莓產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(11)：187－194.

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2016-03-16

2017-03-06

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題——植物工廠立體多層栽培系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究（2013AA103002）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)（CARS-25-06B）

王春玲，女，河北承德人，主要從事草莓立體栽培技術(shù)方面研究。阿拉爾 塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，843300。

Email：chunlingw130@163.com

※通信作者：宋衛(wèi)堂，男，博士，教授，主要從事設(shè)施園藝栽培技術(shù)與設(shè)備研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，100083。Email：songchali@cau.edu.cn中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：宋衛(wèi)堂（E040100004M）