李剛，劉超，劉葉瓊，趙冬，陳曦*

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400；2.港華紫荊農(nóng)莊（句容）有限公司，江蘇 句容 212400）

番茄是喜溫作物，溫度是影響番茄冬季栽培生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，因此冬季加溫是我國番茄設(shè)施生產(chǎn)的必備措施之一。溫室加溫的方式按熱傳導(dǎo)介質(zhì)可分為溫室空氣加溫和栽培基質(zhì)加溫兩種方式，周金平等認(rèn)為番茄設(shè)施生產(chǎn)中加溫方式的選擇至關(guān)重要，應(yīng)該以最節(jié)約的成本，最有效的方式給植物提供最適宜的溫度［1］。與傳統(tǒng)溫室空氣加熱相比，對(duì)植物根區(qū)進(jìn)行加熱更有利于溫室內(nèi)植株生長。植物對(duì)根際溫度比地上部溫度更加敏感［2］，并且基質(zhì)部分體積遠(yuǎn)小于空氣部分體積，可以大大節(jié)約能源［3］，因此調(diào)節(jié)基質(zhì)溫度比調(diào)節(jié)空氣溫度更加有優(yōu)勢(shì)。

目前，溫室加溫按加溫設(shè)備可分為傳統(tǒng)的熱水、熱風(fēng)［4］和電加溫［5］方式，以及地源熱泵［6］、水源熱泵［7］、地下蓄熱加溫［8］、太陽能地?zé)峒訙兀?］、太陽能輔助加溫［10］等新型加溫方式。然而各種研究表明，上述方式存在設(shè)施成本較高、初期投資過大、運(yùn)行成本高、受自然資源限制、能源不可再生、環(huán)境污染大、能源利用效率較低等各種不足［11-12］。其中的電能作為一種無污染、加溫快的二次能源，具有設(shè)備投資低、供熱分配均勻，便于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)，在溫室加熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但從運(yùn)行成本角度出發(fā)，優(yōu)化溫室電加熱技術(shù)，提高能源利用效率，是亟待解決的技術(shù)問題［13］。

石墨烯電熱膜具有智能控溫、發(fā)熱效率高、安裝靈活、啟動(dòng)迅速、發(fā)熱均勻、操作維護(hù)方便、降噪環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，電熱膜通電后會(huì)輻射大量波長為8～14 μm的遠(yuǎn)紅外線，能夠被生物體快速有效吸收，是一種新型的環(huán)保型加溫采暖材料。當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)石墨烯電熱膜在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的研發(fā)與應(yīng)用研究時(shí)間短、內(nèi)容少、研究單位也較少。安徽省宿州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院王建軍等開展了石墨烯電熱膜在西瓜溫室育苗中的初步應(yīng)用探討，結(jié)果表明石墨烯電熱膜加溫可以降低成本、減少人工、縮短種苗培育時(shí)間［14］，然而此項(xiàng)研究中將石墨烯電熱膜直接大面積鋪裝到育苗床下，相當(dāng)于給溫室空氣加溫，并沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的精準(zhǔn)加溫，使得能量利用效率不高，安裝成本也較高，有待改進(jìn)。針對(duì)上述問題，江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院聯(lián)合江蘇中農(nóng)創(chuàng)石墨烯研究院研發(fā)了專利產(chǎn)品“一種具有石墨烯電熱膜的栽培裝置”，該裝置體積小，安裝簡便，石墨烯電熱膜占栽培槽內(nèi)很少空間，啟動(dòng)加熱速度快，基質(zhì)受熱均勻，可自動(dòng)調(diào)溫，從而為番茄生長創(chuàng)造適宜的根際溫度環(huán)境。本研究采用該裝置對(duì)冬季設(shè)施番茄栽培進(jìn)行基質(zhì)加溫，評(píng)估該裝置對(duì)番茄根際基質(zhì)溫度的調(diào)控效果及其對(duì)番茄生長和品質(zhì)的影響，以期為探索設(shè)施溫室冬季加溫提供新的思路方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以番茄品種黃金美人為試驗(yàn)材料，于9月中旬完成定植，行株距為7 cm × 7 cm。試驗(yàn)于2021年9月至2022年3月，在江蘇省句容市紫荊農(nóng)莊番茄溫室內(nèi)進(jìn)行，溫室類型為文洛型玻璃溫室，室內(nèi)有番茄種植槽共計(jì)20條，栽培槽槽口寬35 cm，底寬25 cm，深20 cm，總長30 m（圖1）。

圖1 種植槽剖面示意圖Fig.1 Sketch map of planting trough section

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

溫室中間部位布設(shè)了2條石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)，以臨近的空氣源熱泵加溫系統(tǒng)為對(duì)照。石墨烯電熱膜的栽培裝置包括一槽體，槽體包括底板，底板的兩側(cè)各設(shè)有一側(cè)板，槽體上方設(shè)有一石墨烯電熱膜用于加熱栽培基質(zhì)上方空氣，側(cè)板靠近栽培基質(zhì)的表面上依次疊加鋪設(shè)有保溫板和用于加熱栽培基質(zhì)的石墨烯電熱膜，栽培槽內(nèi)的側(cè)板和底板最上層鋪設(shè)有一防水膜層，防水膜層用于防止栽培基質(zhì)的水外滲。試驗(yàn)期間，溫室環(huán)境和番茄栽培采取統(tǒng)一管理。試驗(yàn)處理與對(duì)照設(shè)置如下，每個(gè)處理與對(duì)照各設(shè) 3 次重復(fù)（圖2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖）。

實(shí)驗(yàn)處理1（T1）：種植槽兩側(cè)鋪設(shè)10 cm石墨烯膜加溫，不啟動(dòng)原有管道加熱。

實(shí)驗(yàn)處理2（T2）：種植槽兩側(cè)鋪設(shè)15 cm石墨烯膜加溫，不啟動(dòng)原有管道加熱。

實(shí)驗(yàn)對(duì)照（CK）：種植槽沒有鋪石墨烯膜加溫，啟動(dòng)原有管道加熱。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

石墨烯加溫系統(tǒng)于2021年11月6日至2022年3月2日期間啟動(dòng)。運(yùn)行期間石墨烯電熱膜加溫基質(zhì)溫度控制在為22 ± 2℃。

基質(zhì)溫度測(cè)定：在溫室內(nèi)安裝溫度記錄儀測(cè)量空氣溫度。室外溫度測(cè)定點(diǎn)位于溫室門框外側(cè)，距離地面1.5 m?；|(zhì)溫度測(cè)定點(diǎn)位于栽培槽沿長度方向的1/4、1/2和3/4處。一個(gè)測(cè)定深度位于番茄根系中心分布區(qū)域深度為5 cm的基質(zhì)中，另一個(gè)測(cè)定深度在基質(zhì)的底部。溫度計(jì)安置在各個(gè)測(cè)定點(diǎn)的相應(yīng)深度。每2～3天記錄一次數(shù)據(jù)。

產(chǎn)量測(cè)定：分批次收獲后統(tǒng)計(jì)單株番茄產(chǎn)量和單果重。

營養(yǎng)生長和果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定：每個(gè)處理檢測(cè)6棵植株。采用SPAD-502Plus型葉綠素測(cè)量儀（日本柯尼卡美能達(dá)），分別對(duì)植株下部衰老葉片、中部成熟葉片和上部幼嫩葉片的葉綠素含量進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)葉片讀取2次數(shù)據(jù)，取平均值。每隔3天檢測(cè)一次。自有番茄果實(shí)開始轉(zhuǎn)色15 d后，從每棵植株上采收10顆完全成熟的番茄果實(shí)，用于果實(shí)維生素、總酸、可溶性糖、β-胡蘿卜素和可溶性蛋白等指標(biāo)的品質(zhì)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0軟件完成。利用單因素方差分析法（ANOVA）進(jìn)行方差分析，用Duncan法檢驗(yàn)處理間差異的顯著性水平（P＜ 0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間溫度變化

由圖3看出，整個(gè)試驗(yàn)期間早晨溫室外部溫度較低，在0 ～ 5℃之間變化，室內(nèi)溫度較高，在10 ～15℃之間；三種加溫方式都顯著提高了番茄基質(zhì)的溫度，且加溫后期T2處理的基質(zhì)溫度高于T1處理和空氣源熱泵加溫處理。午間溫室外部溫度變化較大，在5 ～ 15℃之間變化，室內(nèi)溫度變化較大，在10 ～ 30℃之間變化；三種加溫方式對(duì)番茄基質(zhì)的保溫效果相對(duì)穩(wěn)定，且加溫后期T2處理的基質(zhì)溫度高于T1處理和空氣源熱泵加溫處理。晚間溫室外部溫度變化較大，在5 ～ 15℃之間變化，室內(nèi)溫度變化較大，在10 ～ 20℃之間變化；三種加溫方式都顯著提高了番茄基質(zhì)的溫度，且總體而言，T2處理對(duì)番茄基質(zhì)的加溫效果好于T1處理和空氣源熱泵加溫處理。全天對(duì)照組管道基質(zhì)溫度和石墨烯電熱膜加熱基質(zhì)溫度相當(dāng)，維持在20℃。

圖3 冬季溫室基質(zhì)及室內(nèi)外溫度變化Fig.3 Temperature changes of substrate and indoor and outdoor in greenhouse in winter

2.2 石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

不同加溫方式對(duì)番茄產(chǎn)量的影響由圖4可知，在T1處理中10 cm石墨烯雙側(cè)膜加熱條件下生長的番茄單株產(chǎn)量達(dá)到了856 g，高于T2處理15 cm石墨烯雙側(cè)膜加熱條件（842.1 g）和空氣源熱泵的對(duì)照處理（787 g）。此外，石墨烯電熱膜還提高了番茄單果重量，其中10 cm石墨烯雙側(cè)膜加熱條件下番茄單果重量為14.2 g，15 cm石墨烯加熱條件下番茄單果重量為13.6 g，數(shù)值均高于空氣源熱泵對(duì)照中番茄的單果重量12.5 g。

圖4 石墨烯電熱膜加熱對(duì)番茄產(chǎn)量影響Fig.4 Effect of graphene electrothermal film heating on tomato yield

2.3 石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)對(duì)番茄葉片葉綠素的影響

由圖5看出，與空氣源加熱對(duì)照相比，T1處理和T2處理雙側(cè)膜加熱降低了植株頂端的幼嫩組織葉片的葉綠素含量，但就中下部葉片而言，T2處理15 cm雙側(cè)膜加熱提高了中下部葉片的葉綠素含量。

2.4 石墨烯電熱膜加熱對(duì)番茄品質(zhì)的影響

由表1看出，番茄的維生素、總酸和可溶性糖這3個(gè)指標(biāo)在石墨烯加熱膜處理和空氣源加熱泵對(duì)照組之間沒有顯著差異。T2處理石墨烯雙側(cè)膜加熱條件下生長的番茄中β-胡蘿卜素的含量達(dá)到了0.32 μg/100 mg，顯著高于T1處理和空氣源熱泵的對(duì)照處理。此外，石墨烯電熱膜還提高番茄果實(shí)中可溶性蛋白含量，其中T2條件下番茄果實(shí)的可溶性蛋白含量為1290.92 mg/kg，T1條件下番茄果實(shí)的可溶性蛋白含量略低，為1107.02 mg/kg，均顯著高于空氣源熱泵對(duì)照中果實(shí)的可溶性蛋白含量910.44mg/kg。

3 討論

本研究通過檢測(cè)晨間、午間和傍晚的溫度，比較石墨烯膜加熱方式對(duì)基質(zhì)溫度不全面的影響。如圖所示室內(nèi)的空氣溫度隨著室外的氣溫大幅波動(dòng)，而基質(zhì)中因加熱設(shè)備的存在，其溫度明顯提升且呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。對(duì)三種類型的加熱方式進(jìn)行比較，T1處理10 cm寬石墨烯膜兩側(cè)加熱，T2處理15 cm寬石墨烯膜兩側(cè)加熱和空氣源熱泵的加熱方式之間，在基質(zhì)的中部和底部均沒有表現(xiàn)出顯著差異。

長期夜間低溫會(huì)導(dǎo)致根系溫度條件不能滿足植株正常生理活動(dòng)所需的環(huán)境，不利于植株的正常生長發(fā)育和光合作用，同時(shí)過低的溫度不利于基質(zhì)中微生物的活動(dòng)，進(jìn)而阻礙了基質(zhì)中無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)的分解，導(dǎo)致作物的干物質(zhì)質(zhì)量降低，果實(shí)發(fā)育速度減慢，平均單株產(chǎn)量降低，番茄、草莓等喜溫蔬果作物成活率低［15］。

研究表明，低溫季節(jié)夜間增加地溫促進(jìn)了番茄幼苗株高、葉面積和干質(zhì)量的增加；增加果穗部位的溫度使得番茄地上部分的生長勢(shì)增強(qiáng)，從而提高產(chǎn)量［16］。在設(shè)施無土栽培中調(diào)控根際溫度是確保作物高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的一個(gè)重要措施，基質(zhì)加溫可使冬春茬栽培番茄增產(chǎn)43%［17］。

溫室因其結(jié)構(gòu)和材料特性，空間較大且與外界交流面積大的特點(diǎn)，室內(nèi)氣溫隨氣候變化迅速，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)氣溫并保持均衡難度較大且成本高；而根際因空間較小，調(diào)控溫度需要的能耗要低很多。本研究結(jié)果表明石墨烯加熱膜能夠有效維持基質(zhì)溫度，提升番茄果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而為解決冬季設(shè)施番茄種植過程中基質(zhì)的加熱問題提供新的方案。

綜上所述，石墨烯電熱膜加溫裝置具有良好的保溫性能，可有效緩解基質(zhì)溫度受外界條件的變化，局部加溫顯著改善根際基質(zhì)溫度，顯著促進(jìn)冬季種植番茄生長和增產(chǎn)，同時(shí)該系統(tǒng)較傳統(tǒng)燃煤鍋爐具有節(jié)能率高、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，能有效解決現(xiàn)代溫室栽培加溫成本偏高的問題，是一種節(jié)能高效的栽培系統(tǒng)。

當(dāng)前，將石墨烯紅外電熱膜應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚中的生產(chǎn)實(shí)踐還比較少，還需要更多的實(shí)踐數(shù)據(jù)作為制定石墨烯紅外電熱膜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和安裝、操作技術(shù)規(guī)程的依據(jù)。建立石墨烯電熱膜利用最佳匹配技術(shù)，確立最佳采暖效能技術(shù)模式，要重點(diǎn)建立適用不同設(shè)施園藝作物栽培模式和作物不同生長階段溫度需求的石墨烯電熱膜精準(zhǔn)智能控溫產(chǎn)品工藝技術(shù)，確定石墨烯電熱膜產(chǎn)品與作物生長溫度需求之間的最佳匹配方式，建立最佳采暖效能技術(shù)模式，徹底破解當(dāng)前溫室大棚冬季加溫面臨的高能耗、高污染、高成本、穩(wěn)定性差困境。