劉新紅,嚴(yán)少華,羅 佳,馬 艷

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 資源與環(huán)境研究所,江蘇 南京 210014)

0 引言

蔬菜是人類重要的食物,隨著人們生活水平的提高,蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)在我國(guó)均呈增加趨勢(shì)[1]。近年來(lái),傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)不僅面臨著土壤退化[2]、連作障礙[3]以及地下水污染[4]等資源和環(huán)境問題,同時(shí)也面臨勞動(dòng)力短缺和成本上漲的問題[5]。與傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)方式不同,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)采用農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)的栽培基質(zhì)作為蔬菜栽培介質(zhì)[6,7],在設(shè)施溫室大棚內(nèi),實(shí)現(xiàn)了蔬菜的周年連續(xù)生產(chǎn),并引進(jìn)了機(jī)械化育苗[8,9]、自動(dòng)化移栽、栽培架人工智能化移動(dòng)定位等智能控制技術(shù),將傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)化為工廠化生產(chǎn)線生產(chǎn)[10,11]；同時(shí)借助基質(zhì)再生利用技術(shù)[12],大大節(jié)約了人力，減少了農(nóng)業(yè)廢棄物排放,并將農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行高效利用,最終保護(hù)了環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)雙重目標(biāo)。

與傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)不同,蔬菜規(guī)模化生產(chǎn)通常采用立體栽培方式,并采用人工光源進(jìn)行補(bǔ)光[13,14],使得照明用電成為設(shè)施蔬菜集約化生產(chǎn)的主要能耗來(lái)源[15]。為了降低能耗以及充分利用太陽(yáng)能進(jìn)行植物生產(chǎn),各種立體栽培架均被不同學(xué)者應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)[16],其中A型栽培架因遮光較小而應(yīng)用較多,例如：李燕等對(duì)比了高畦平鋪和架式A型栽培架的栽培效果,結(jié)果表明A型架的效果最好[17],單位面積產(chǎn)量及土地利用效率最高[18]；張?jiān)コ妊芯勘砻饔盟膶与A梯型的A型架進(jìn)行草莓種植能夠獲得更好的結(jié)果[19]；王春玲等將A字型栽培架改良為“逐日”式栽培架,實(shí)現(xiàn)栽培架行向與太陽(yáng)光照射方向平行,以此最大限度地利用了太陽(yáng)直射光[16]。然而,這些研究通常擺放密度低,不同栽培架之間相距較遠(yuǎn)(50～80 cm)。在密集擺放(10 cm)情況下立體栽培架的光照、溫濕度情況以及對(duì)蔬菜生產(chǎn)的影響的相關(guān)研究較少,這在一定程度上限制了低能耗配置下的規(guī)?；卟松a(chǎn)的進(jìn)程。

立體栽培架密集擺放既能夠提高工作效率，也能夠提高空間利用效率。為了適應(yīng)智能化、自動(dòng)化和規(guī)?；卟嗽耘嗟男枰?采取立體栽培架密度擺放具有重要意義。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在密度立體栽培生產(chǎn)研究中發(fā)現(xiàn),這種栽培方式相對(duì)于平面栽培來(lái)說(shuō)產(chǎn)能更高,但由于僅利用太陽(yáng)能作為光源，勢(shì)必也存在遮光問題。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)能,需要對(duì)遮光區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)光?；诖丝紤],本研究采用密植立體栽培方式和基質(zhì)栽培材料,采用常見葉菜品種小白菜為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)蔬菜生產(chǎn)過程中立體栽培架密植群體的不同位置以及栽培架不同層次的光照進(jìn)行了測(cè)定和分析,旨在弄清密植立體栽培下光照在不同位置、不同層次的分布情況以及對(duì)蔬菜產(chǎn)量的影響,為提高補(bǔ)光經(jīng)濟(jì)效率提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018年4月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院智能溫室內(nèi)進(jìn)行,溫室東西長(zhǎng)度為100 m,南北寬度為40 m,頂高為8 m,配置有水簾風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)網(wǎng)等智能設(shè)施。

1.2 立體栽培架

A型栽培架示意圖如圖1a所示,是由左右兩面梯形種植撐桿組成,兩面在頂部由固定軸連接,設(shè)置開口角為45°。在每面梯形撐桿上等間距(每層高度27.7 cm)水平放置5層長(zhǎng)方形栽培槽(長(zhǎng)×寬×高=80 cm×12 cm×8 cm),由上至下依次標(biāo)識(shí)為頂層、中1層、中2層、中3層和底層。槽內(nèi)放置栽培基質(zhì),進(jìn)行蔬菜種植。

1.3 試驗(yàn)方法

在溫室中間選取無(wú)設(shè)施遮擋部位進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)開始前,將供試栽培架按照行間距和列間距均為10 cm的間距進(jìn)行密度擺放,設(shè)置行數(shù)和列數(shù)均為6排。為了扣除邊際效應(yīng),監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)在中心4行列,監(jiān)測(cè)區(qū)域行列編號(hào)如圖1b所示。

試驗(yàn)所采用的栽培基質(zhì)是自主研發(fā)的基質(zhì)產(chǎn)品(CN201410410898.X),由六合基地有機(jī)肥廠提供。試驗(yàn)所用的栽培槽長(zhǎng)×寬×高為80 cm×15 cm×12 cm,內(nèi)部實(shí)際使用容量為8 L。試驗(yàn)澆水是采用自動(dòng)噴淋裝置進(jìn)行均勻噴淋澆水,噴水量50 L/(m2·h)。試驗(yàn)所用的光照自動(dòng)檢測(cè)儀(杭州路格科技有限公司, L99-LX)能夠?qū)崿F(xiàn)光照強(qiáng)度參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)位置位于圖1b中a、b和c三點(diǎn),其中b點(diǎn)放置在栽培架最頂端,a點(diǎn)和c點(diǎn)放置在東西栽培架的中1層、中2層、中3層和底層，均放置在指定栽培槽內(nèi)小白菜冠層5 cm處。試驗(yàn)所用幼苗為6葉1心的臺(tái)灣火箭小黃白幼苗,試驗(yàn)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的小白菜幼苗進(jìn)行移栽。試驗(yàn)于2018年3月29日開始,4月26日結(jié)束,共計(jì)28 d。試驗(yàn)于幼苗移栽后的第4天,在光照監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的栽培槽內(nèi),選取3株長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行標(biāo)記,作為功能葉生長(zhǎng)狀況的調(diào)查對(duì)象。分別于移栽后第4、11、16、21、28天對(duì)標(biāo)記植株的功能葉進(jìn)行葉面積、SPAD(Soil and Plant Analyzer Development)值和葉片數(shù)的調(diào)查。葉面積采用葉片最大長(zhǎng)×最大寬根據(jù)修正系數(shù)換算獲得,修正系數(shù)選擇2/3。葉片SPAD值采用SPAD-502便攜式葉綠素測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)定,選取功能葉的中間偏上部位,進(jìn)行三點(diǎn)測(cè)定，取平均值。記錄葉片數(shù)時(shí)忽略底部枯黃葉和未展開的心葉。在收獲期對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的各栽培架以及各自栽培槽內(nèi)蔬菜地上部進(jìn)行單獨(dú)稱重，計(jì)算產(chǎn)量。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2007進(jìn)行處理,采用最小顯著性差異法(LSD)對(duì)不同行和列的光照強(qiáng)度、溫度、濕度以及小白菜產(chǎn)量進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

A圖為A型栽培架示意圖;B圖為栽培架的密集擺放方式方位及行列編號(hào),圖中三角符號(hào)表示栽培架,a、b、c三點(diǎn)表示監(jiān)測(cè)位置。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方位栽培架和不同層次栽培槽小白菜的產(chǎn)量特征

在密集擺放情況下不同位置栽培架小白菜產(chǎn)量介于4007.73～5593.18 g/架之間,東西方向不同列之間沒有顯著性差異;南北方向的第1至3行之間產(chǎn)量沒有顯著性差異,至第4行顯著低于其它行(如圖2A所示),平均降幅13.93%。此外,從栽培架的不同層次來(lái)看,各層次東西方向產(chǎn)量差異不顯著;南北方向僅底層差異不顯著,其它各層次產(chǎn)量差異均表現(xiàn)出第4行不同程度低于其它各行(如圖2B所示),降幅從11.67%(頂層)到21.85%(中3層)。立體栽培密集擺放時(shí)各栽培架不同層次栽培槽內(nèi)小白菜產(chǎn)量呈現(xiàn)自上而下梯度降低的趨勢(shì)(如圖2B所示),這種現(xiàn)象常發(fā)生在常規(guī)密度擺放的A型栽培架中[16,19,20]。

2.2 不同方位栽培架和不同層次栽培槽小白菜植株生長(zhǎng)情況

葉面積、葉片數(shù)和SPAD值均是反映植物生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)[21-23]。對(duì)頂層、中2層和底層小白菜葉面積、功能葉片數(shù)和SPAD值作進(jìn)一步考察,按照第3、4行各層次均值(北側(cè))和第1、2行(南側(cè))各層次均值分別進(jìn)行比較,結(jié)果如圖2C所示,可見隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng),小白菜葉面積呈顯著增加的趨勢(shì)(圖2C)。各栽培架的不同層次在移栽后至第4天葉面積均等,之后各層間差異逐漸出現(xiàn)并不斷拉大,自第16天開始頂層葉面積顯著高于中層并顯著高于下層。從不同擺放方位來(lái)看,東西方向各列之間功能葉的葉面積仍無(wú)顯著性差異;而從南北方向來(lái)看,葉面積呈現(xiàn)南高北低的特征,從第16天開始,除第16天的底層以外,中底層次南側(cè)功能葉的葉面積均顯著高于北側(cè)的,但在頂層沒有出現(xiàn)顯著性南北側(cè)差異。

與葉面積相似,葉片數(shù)隨著生育期的延長(zhǎng)呈顯著增加趨勢(shì)(圖2D),僅第21天與第16天無(wú)顯著性差異,這是由于中后期第一片功能葉處于枯黃凋落期,因此不計(jì)入在內(nèi)。葉片數(shù)從第11天開始同樣表現(xiàn)出自上而下的層間差異,即頂層顯著高于底層,而與中層差異不顯著,但這種遞減趨勢(shì)明顯小于葉面積指標(biāo)的變異趨勢(shì)(圖D)。從不同擺放方位來(lái)看,東西方向不同列之間葉片數(shù)無(wú)顯著差異,南北方向僅在第11天和第16天的中層表現(xiàn)出顯著的南北差異。

在整個(gè)生育期內(nèi)功能葉的SPAD值介于(25.68±1.13)～(31.72±1.84),隨著生育期的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),但差異均不顯著。不同層次自第11天開始自上而下SPAD有降低趨勢(shì),但差異不顯著。同樣地,從密集擺放的不同擺放方位來(lái)看,東西方向不同列之間和南北方向不同行之間差異不顯著。

2.3 不同方位栽培架和不同層次栽培槽植物冠層光照強(qiáng)度、溫度和濕度的分布特征

一般葉菜生長(zhǎng)對(duì)光照強(qiáng)度具有較大的耐受性[24]。我們采用密集擺放的立體栽培方式進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同方位及層次的小白菜均能正常生長(zhǎng)，但是位于底層的小白菜生長(zhǎng)最易受阻,這與有關(guān)學(xué)者的調(diào)研結(jié)果[16,25]相似。進(jìn)一步對(duì)南北兩向栽培架底部光照強(qiáng)度及高光強(qiáng)停留時(shí)間進(jìn)行考察,結(jié)果表明,底層植株冠層光照強(qiáng)度及其停留時(shí)間視生育期的不同而不同,前期南面累積光強(qiáng)高于北面,大于30 klx光強(qiáng)的光照停留時(shí)間明顯長(zhǎng)于北面;而在生育后期則相反,南面累積光強(qiáng)和大于30 klx光強(qiáng)的光照停留時(shí)間均低于北面(圖3A)。溫度和濕度同樣是影響蔬菜生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子。本實(shí)驗(yàn)同步對(duì)密集擺放情況下不同方位栽培架底層進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖3所示,在生育前期植物冠層南北兩側(cè)溫度差異不顯著(圖3B),同時(shí)濕度差異也不顯著(圖3C),這可能是由于植物生育前期葉面積和生物量較小,沒有形成局部的差異。但在生育后期，溫度和濕度均表現(xiàn)出了顯著的南北側(cè)差異,這種差異在9:00后顯現(xiàn)并逐漸增加,即南側(cè)底層溫度低于北側(cè),降幅最高為2.50 ℃(相對(duì)偏差8.50%)；而濕度則表現(xiàn)為南側(cè)高于北側(cè),增幅最高達(dá)到11.50%(相對(duì)偏差32.90%),這可能是由于后期植株葉面積和生物量增大(圖2C、圖2D)，在底層形成遮蔭，造成了局部差異。

A：不同擺放方位單個(gè)栽培架小白菜產(chǎn)量,不同小寫字母表示南北方位不同行間產(chǎn)量差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),不同大寫字母表示東西方位不同列間產(chǎn)量差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。B：不同擺放方位和層次栽培槽的小白菜產(chǎn)量,不同小寫字母表示南北不同行各層次間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。C:不同擺放方位和層次栽培槽內(nèi)小白菜功能葉面積的時(shí)間變異,“*”表示同一層次南北側(cè)間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。D：不同擺放方位和層次栽培槽內(nèi)小白菜功能葉葉片數(shù)的時(shí)間變異,“*”表示同層次南北側(cè)間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖2 不同方位栽培架和不同層次栽培槽小白菜的生長(zhǎng)指標(biāo)表現(xiàn)

考慮到生育中后期植株葉面積和葉片數(shù)快速增加(圖2C、圖2D),選擇試驗(yàn)后期(第17～28天)連續(xù)3個(gè)晴天,按照不同光照強(qiáng)度持續(xù)時(shí)間在全天光照時(shí)間內(nèi)所占比例對(duì)全天光照強(qiáng)度進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示?？偟膩?lái)看,光照強(qiáng)度在全天的分布呈“倒V”型,較低光強(qiáng)(<2.5 klx)及較高光強(qiáng)(>50 klx)所占比例較低,而處于中間的10～30 klx光強(qiáng)區(qū)間所占比例較高。從不同層次來(lái)看,頂層光強(qiáng)在30～50 klx區(qū)間占比最高,占全天時(shí)間的32.08%；中1和中2層次的10～30 klx光強(qiáng)區(qū)間持續(xù)時(shí)間占比最高,分別占全天時(shí)間的43.39%和46.23%；中3層光強(qiáng)在2.5～10 klx和10～30 klx的分布時(shí)間接近,分別為35.85%和37.74%；而底層光強(qiáng)在2.5～10 klx區(qū)間的分布時(shí)間最多,占全天的42.45%。上述結(jié)果表明，隨著栽培槽所處層次由高到低,高光強(qiáng)分布減小而低光強(qiáng)分布增加。

此外,栽培架不同層次在南北方向上光照強(qiáng)度也存在差異。弱光強(qiáng)即低于2.5 klx光強(qiáng)區(qū)時(shí)間占比僅在底層表現(xiàn)出南高北低的特征;低光強(qiáng)即2.5～10 klx區(qū)時(shí)間分布僅在底層表現(xiàn)為南低北高(P<0.01);中光強(qiáng)即10～30 klx區(qū)時(shí)間占比在中間3層和底層均表現(xiàn)為南高北低(P<0.01),但中3層南北側(cè)差異并不顯著;高光強(qiáng)30～50 klx區(qū)時(shí)間占比在各層次均呈現(xiàn)出南低北高(P<0.01)的特征,但在中3層兩側(cè)差異不顯著。這說(shuō)明,在生育后期,南北側(cè)差異在不同光強(qiáng)區(qū)間的表現(xiàn)具有波動(dòng)性,這可能與光照影響因素的變動(dòng)有關(guān)。

南側(cè)與北側(cè)光照強(qiáng)度的差異主要與日照角度、遮擋物的分布有關(guān)。以底層植物的受光來(lái)看,弱光區(qū)分布時(shí)間處于7:30～9:30以及14:00～16:30,這兩個(gè)時(shí)間段是日出和日落時(shí)間,光線自南向北照向栽培區(qū)域,此時(shí)存在上層對(duì)下層的遮擋，也存在南側(cè)對(duì)北側(cè)的遮擋,由于太陽(yáng)高度角偏低,底層光照主要依賴外圍散射光。植物生育前期南側(cè)對(duì)北側(cè)的光照遮擋(圖3),可能導(dǎo)致了南側(cè)植株生長(zhǎng)較北側(cè)旺盛,這增加了生育后期的南側(cè)栽培架上下層的遮擋,因此南側(cè)弱光區(qū)占比高于北側(cè),而低光強(qiáng)區(qū)占比反而低于北側(cè)。同樣,由于高光強(qiáng)區(qū)時(shí)間處于11:00～12:30,此時(shí)太陽(yáng)高度最高,入射角最大,主要遮光因素是上層對(duì)下層的遮擋,由于南側(cè)植株生長(zhǎng)旺盛，導(dǎo)致南側(cè)高光強(qiáng)區(qū)分布仍然顯著高于北側(cè)(P<0.05)。

中等光強(qiáng)區(qū)對(duì)應(yīng)時(shí)間是9:30～11:00和12:30～14:00時(shí)間段,此時(shí)太陽(yáng)高度上升,入射角低于正午并且高于日出/日落時(shí)間[26],這有利于A型架兩側(cè)植物接受直射光照,此時(shí)上下層遮擋最小,南側(cè)對(duì)北側(cè)的遮擋成為主要的光照影響因素,因此南側(cè)中等光強(qiáng)分布顯著高于北側(cè)(P<0.05)。

綜上所述,立體栽培架密集擺放造成南側(cè)對(duì)北側(cè)的遮擋,這首先在生育前期造成了植株生物量差異逐漸增加,并在生育后期加重了南側(cè)上層對(duì)下層的遮擋,這種上層對(duì)下層的遮擋程度影響了散射光分布,是南側(cè)底層弱光占比高于北側(cè)的重要原因。另外,生育后期植株生物量的差異增加了南側(cè)對(duì)北側(cè)的遮擋,造成了南北側(cè)植株在中等光強(qiáng)區(qū)受光程度的差異。采用經(jīng)濟(jì)高效的LED光源進(jìn)行有選擇有重點(diǎn)的補(bǔ)光成為最大限度提高植物工廠蔬菜生產(chǎn)效率的重要途徑[27-29]。

2.4 相關(guān)性分析

光強(qiáng)是植物產(chǎn)量的重要影響因子[20,24]。本研究結(jié)果同樣顯示弱光區(qū)占比與產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān),而高光強(qiáng)占比與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表1)。另外,中等光強(qiáng)占比與產(chǎn)量的相關(guān)性未達(dá)到顯著性,這說(shuō)明此次立體栽培密集擺放方式中等光強(qiáng)不是植物產(chǎn)量差異的主要影響因素,也就是說(shuō)植株在強(qiáng)光和弱光兩大區(qū)間的受光差異是產(chǎn)量差異的主要影響因素。

表1 不同光照強(qiáng)度區(qū)間與小白菜產(chǎn)量間的相關(guān)系數(shù)

另外,小白菜產(chǎn)量與葉面積和葉片數(shù)呈極顯著正相關(guān)(r=0.85,P<0.01),這說(shuō)明對(duì)葉菜來(lái)說(shuō),葉面積和葉片數(shù)是產(chǎn)量的重要組成因子。本研究發(fā)現(xiàn)SPAD值與其它參數(shù)如不同階段光強(qiáng)、小白菜產(chǎn)量和栽培基質(zhì)性質(zhì)特征的相關(guān)性均未達(dá)到顯著性水平，這一方面說(shuō)明栽培基質(zhì)中養(yǎng)分尤其是氮含量充足,另一方面說(shuō)明小白菜的SPAD值對(duì)于受光程度不敏感。

3 結(jié)論

采用密集擺放的A型立體栽培架栽培小白菜時(shí),會(huì)引起南側(cè)栽培架對(duì)北側(cè)栽培架的遮光,對(duì)東西方向的光照無(wú)顯著影響。相應(yīng)地,對(duì)小白菜產(chǎn)量的影響主要體現(xiàn)在對(duì)南北方向各行之間的影響,自南向北第4行的產(chǎn)量顯著降低;東西方向各列間產(chǎn)量無(wú)顯著性差異。

采用密集擺放的A型立體栽培架栽培方式,會(huì)引起生育前期南側(cè)立體架對(duì)北側(cè)立體架的光照遮擋,進(jìn)而造成植株葉面積差異逐漸增加,并在生育后期分別加重南側(cè)對(duì)北側(cè)的光照遮擋和南側(cè)上層對(duì)下層的光照遮擋，從而拉大立體架上下層之間的產(chǎn)量差異。因此,在立體栽培架密集擺放方式下,需要在生育中期開始對(duì)位于中下層的植物進(jìn)行強(qiáng)光(>30 klx)補(bǔ)光。

圖3 小白菜生育前期和后期冠層在晴天時(shí)白天的光照強(qiáng)度、溫度和濕度

在相鄰兩個(gè)柱形圖頂端的“*”表示在兩者間差異達(dá)到顯著性水平(P<0.05)。