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后墙立体栽培草莓提高冬季日光温室内温度
宋卫堂1,2，栗亚飞1，曲明山3，何华名1，郑亮 1，邢文鑫1
（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083； 2. 农业部设施农业工程重点（综合）实验室，北京 100083；3. 北京市农业局土肥工作站，北京 100029）
0 引 言
日光温室是中国北方地区独有的一种温室类型，冬季室内不加热，仅靠太阳能来维持室内一定的温度水平，以满足蔬菜的生长需要。日光温室具有造价低、节能、结构优化、性能良好等特点。采光和保温性能的优劣是日光温室进行实际生产的基础。墙体作为温室的围护结构之一，对温室内的热环境有直接影响，在北方冬季温室生产中，墙体的蓄热、保温性尤其重要。
立体栽培是在尽量不影响地面栽培的前提下，通过竖立起来的栽培柱、栽培管道等作为植物生长的载体，充分利用温室空间和太阳能的一种栽培方式。主要种植一些矮秧类作物如叶菜、草莓等，土地利用率可以提高3～5 倍，单位面积产量提高2～3 倍。20世纪60 年代，立体无土栽培在发达国家首先发展起来。中国在日光温室内采用立体栽培模式进行草莓种植，最近几年刚刚开始推广实施。后墙立体栽培是利用特定的栽培设备附着在建筑物的墙体表面进行植物栽培，可以有效地利用空间，节约土地，实现单位面积上更大的产出比。蔬菜栽培在墙上，菜农可以站立进行管理和收获，劳动强度大大降低，特别适合发展采摘和观光农业。在日光温室后墙上，固定一定间隔距离的通长栽培管道，可以进行后墙管道栽培，是立体栽培的一种形式。后墙处的光照、温度条件都较好，有利于作物的生长和果实品质的提高。但温室后墙管道栽培在增大空间利用率的同时，由于管道和栽培植物的存在，也会对后墙产生部分遮挡，减小了后墙对太阳光的吸收面积，有可能会影响到温室后墙白天的蓄热量，从而降低冬季温室的夜间温度。
立体栽培是在尽量不影响地面栽培的前提下，通过竖立起来的栽培柱、栽培管道等作为植物生长的载体，充分利用温室空间和太阳能的一种栽培方式。主要种植一些矮秧类作物如叶菜、草莓等，土地利用率可以提高3～5 倍，单位面积产量提高2～3 倍。20世纪60 年代，立体无土栽培在发达国家首先发展起来。中国在日光温室内采用立体栽培模式进行草莓种植，最近几年刚刚开始推广实施。后墙立体栽培是利用特定的栽培设备附着在建筑物的墙体表面进行植物栽培，可以有效地利用空间，节约土地，实现单位面积上更大的产出比。蔬菜栽培在墙上，菜农可以站立进行管理和收获，劳动强度大大降低，特别适合发展采摘和观光农业。在日光温室后墙上，固定一定间隔距离的通长栽培管道，可以进行后墙管道栽培，是立体栽培的一种形式。后墙处的光照、温度条件都较好，有利于作物的生长和果实品质的提高。但温室后墙管道栽培在增大空间利用率的同时，由于管道和栽培植物的存在，也会对后墙产生部分遮挡，减小了后墙对太阳光的吸收面积，有可能会影响到温室后墙白天的蓄热量，从而降低冬季温室的夜间温度。
为此，在冬季3 种典型气象（晴天、阴天、雪天）条件下，通过连续31 d 的监测，对比分析了有后墙立体基质栽培的日光温室（ESG）和无后墙立体栽培的日光温室（NSG）温度环境的变化，研
究后墙立体栽培对日光温室内的温度环境有何影响，并评估后墙立体栽培应用于日光温室栽培的可行性。
1 试验条件与方法
1.1 试验对象
供试日光温室位于北京市昌平区小汤山天润园草莓专业合作社。选取其他条件一致的有后墙立体栽培的温室（solar greenhouse with equipment，ESG）和无后墙立体栽培的温室（solar greenhouse with noequipment，NSG）各1 座，温室长50 m，跨度8 m，北墙高2.3 m，脊高3.5 m；东、西山墙和北墙均为500 mm 厚砖墙；屋面覆盖材料为0.12 mm 厚的EVA无滴膜；夜间保温覆盖物为30 mm 厚的保温被。保温被每天上午08:00 开启，下午16:30 关闭。ESG 的后墙管道栽培设备如图1 所示。北方地区草莓的冠层高度一般在15～25 mm，结合日光温室后墙的高度以及草莓植株对后墙的遮光影响，设计4 排水平管道栽培，各排管道间的中心距为40 cm，管道距后墙6 cm。考虑到无土栽培草莓的根系生长需要适宜的环境空间和根容量，以及充足的氧气和营养物质，栽培管道选用直径为D=160 mm 的输水PVC 管，管道上部开宽为90 mm的槽口，栽培基质深度100 mm，采用滴灌方式进行灌溉。基质栽培可以为草莓生长提供矿质元素和疏松的根系生长环境。营养液通过输水管输送到各栽培管道，再通过滴灌带滴灌到植株根部，提供植株生长的水分和养分。在栽培管道的底部布置直径为D=25 mm 的PVC 管，管上每隔10 cm 打1 小孔，用于收集基质中营养液的渗出液，并回流至营养液池，实现营养液的循环利用。营养液渗出液的回收利用可以避免植株的根系长时间浸泡在水中，出现烂根现象。在渗出液收集管的周围用无纺布包裹，避免基质堵塞小孔，便于营养液的回收。后墙立体栽培草莓采用封闭式无土栽培模式，间歇性向草莓根系浇灌营养液，灌溉时间为上午09:00～09:30，下午14:30～15:00。
1.2 试验方法
本试验主要测试2 种温室内空气温度变化状况。为使试验数据更加可靠，每个温室布置5 个测点。每个测点高度分别为草莓生长冠层和距离地面1.5 m 处，如图2 所示。
测试时间为 2013 年1 月20 日－2013 年2 月20 日。测试时温室内种植的草莓品种是红颜。地面草莓采用高畦土壤栽培，株距为15 cm。
测试仪器采用日本 Esupekkumikku 有限公司的RT-13 温度记录仪，自动采集记录温度数据，数据采集记录间隔10 min，测量精度为±0.3℃。
采用 Excel 2003 软件进行数据整理和作图，采用SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析，显著性由Duncan 新复极差法检验，其中显著性水平p≤0.05。
2 试验结果与分析
2 试验结果与分析
2.1 室外气温
图3 所示是测试期间北京市昌平区室外最高气温、最低气温、日平均气温的变化曲线。由图3 可知，测试期间，室外空气温度范围是-13～7℃，平均气温为2.89℃。
2.2 温室内的气温状况
温室的环境温度，受温室周围墙体和土壤表面辐射温度及空气温度的共同作用。通过对各测点同一时刻的温度数据进行算术平均，得出2013 年1月20 日—2 月20 日的2 个温室的日平均气温，如图4 所示。
从图 4 可以看出，ESG 和NSG 的日平均气温变化趋势基本一致，均随外界气温的变化而变化。测定期间，ESG 的气温波动范围是4.78～13.72℃，NSG的气温波动范围是4.45～12.15℃；ESG和NSG的月平均气温分别是10.94 和10.10℃，ESG 的月平均气温较NSG 高0.84℃，其中最大日温差出现在2月8 日，为2.22℃；最小日温差出现在2 月7 日，为0.14℃。ESG 的月最高气温出现在2 月8 日，为13.72℃；NSG 的月最高气温出现在2 月12 日，为12.15℃；由于受到外界雨雪天气的影响，ESG 和NSG 的月最低气温均出现在1 月31 日，分别为4.78和4.45℃。因此可以看出，有后墙管道栽培的温室的气温要略高于无后墙管道栽培的温室。
2.3 典型气候条件下的温度状况
2.3 典型气候条件下的温度状况
为了进行针对性分析，特选取3 种典型天气（晴天、阴天以及阴雨雪天）条件下的测试结果进行对比。根据试验期间的气象资料记载，晴、阴、雪天分别选取在2013 年2 月15 日、1 月31 日和2 月11 日。植物冠层是植物叶片进行光合作用和蒸腾作用的重要空间。冠层温度是快速、非破坏性检测整株植物是否受到水分胁迫的有效参数，反映出植物体内的水分状况。下面主要分析草莓冠层和距地面1.5 m 高度处的气温变化情况。
2.3.1 典型晴天条件下的温度状况
图5a 为晴天（2013 年2 月15 日）条件下温室内草莓冠层处00:00～24:00 的温度变化曲线，图5b为温室内距地面1.5 m 高度处的温度变化曲线。
由图 5a 可知，晴天条件下草莓生长冠层ESG和NSG 的气温日变化趋势基本一致，均昼高夜低。ESG 的日平均冠层温度是12.72℃，NSG 的日平均冠层温度是10.67℃，存在显著性差异。ESG 的草莓冠层温度在08:00 达到最低值4.68℃，NSG 在08:10 达到最低值4.10℃，这是由于温室揭开保温被后，室内外之间的热阻减少，室内向室外散热量增加，而短时间内太阳辐射还较弱，从而导致室内气温下降，但ESG 和NSG 草莓冠层温度最低值之间的差异不明显。ESG 内草莓冠层温度在14:20达到最高值24.70℃，NSG 在13:40 达到最大值20.70℃，前者冠层温度显著高于后者。草莓生长最适温度是18～25℃，ESG 冠层温度在18～25℃范围内的时间约为6.5 h（10:40～17:10），NSG 为4.1 h（10:50～15:00），夜间ESG 的温度略高于NSG。因此，晴天条件下，ESG 较NSG 更适宜草莓生长。
由图 5b 可知，距地面1.5 m 高度处ESG 内的日平均气温为13.04℃，NSG 的日平均气温是11.04℃，存在显著性差异。 ESG 在08:10 达到最低气温为4.65℃，NSG 在08:20 达到最低值为4.13℃，ESG 和NSG 的气温最低值存在显著性差异；ESG 的最高气温为26.95℃，NSG 的最高气温为22.73℃，ESG 的最高气温也显著高于NSG；ESG的室内气温在18～25℃范围内的时间为6.67 h（10:30～17:10），ESG 为3.5 h（10:40～15:10），夜间ESG 的温度略高于NSG。因此，晴天条件下，ESG 较NSG 维持草莓适宜生长温度的时间较长。
2.3.2 典型阴天条件下的温度状况
图6a 为阴天（2013 年1 月31 日）条件下温室内草莓生长冠层处00:00～24:00 的温度变化曲线，图6b 为温室内距地面1.5 m 高度处的温度变化曲线。其中室外最高气温为0℃，最低气温是-4℃，温差较小。
阴天条件下，草莓生长冠层的温度变化趋势与晴天条件下基本一致，如图6a 所示，同样是昼高夜低。ESG 的日平均冠层温度4.77℃，NSG 的日平均温度是4.40℃，温差为0.3℃，但差异不显著；ESG 和NSG 冠层温度均在10:50 达到最低值为4.28和3.60℃，温差为0.68℃，存在显著性差异；同时，ESG 和NSG 冠层温度均在12:40 达到最高值为7.40和6.60℃，两者之间无显著性差异。与晴天相比，阴天室内温度变化幅度较小。在此温度范围内，ESG和NSG 的温度均不利于草莓的生长。
阴天条件下，草莓生长冠层的温度变化趋势与晴天条件下基本一致，如图6a 所示，同样是昼高夜低。ESG 的日平均冠层温度4.77℃，NSG 的日平均温度是4.40℃，温差为0.3℃，但差异不显著；ESG 和NSG 冠层温度均在10:50 达到最低值为4.28和3.60℃，温差为0.68℃，存在显著性差异；同时，ESG 和NSG 冠层温度均在12:40 达到最高值为7.40和6.60℃，两者之间无显著性差异。与晴天相比，阴天室内温度变化幅度较小。在此温度范围内，ESG和NSG 的温度均不利于草莓的生长。
由图 6b 可知，距地面1.5 m 高度处ESG 的日平均气温为4.76℃，NSG 的日平均气温是4.40℃，与草莓冠层温度基本一致，且两温室的室内气温相差较小，为0.36℃，差异不显著；ESG 和NSG 室内气温均在10:50 达到最低值为4.28 和3.60℃，温差为0.68℃，存在显著性差异；同时，ESG 和NSG室内气温均在12:40 达到最高值为7.28 和6.73℃，但两者之间无显著性差异，夜间ESG 的温度略高于NSG。室内气温变化幅度较小，这与陈端生的研究结果相符，即光环境是影响温室气候环境的第一因素。
2.3.3 典型雪天条件下的温度状况
在温室的使用过程中，低温冻害经常在连续阴雨雪天气时发生，因此，对温室内温度在雨雪天气时的变化进行分析极其重要。图 7a 为雪天（2013 年2 月11 日）条件下温室内草莓生长冠层处00:00～24:00 的温度变化曲线，图7b 为温室内距地面1.5 m 高度处的温度变化曲线。其中，室外最高气温是-1℃，最低气温是-6℃。
由图 7a 可知，雪天气候条件下，温室内草莓生长冠层温度与晴天的变化一致。ESG 的日平均冠层温度9.58℃，NSG 的日平均冠层温度是9.01℃，温差为0.57℃，ESG 的冠层平均温度较显著高于NSG；ESG 冠层温度在08:30 达到最低值为5.75℃，NSG 在08:20 达到最低值为5.10℃，两者存在显著性差异；同时，ESG 和NSG 冠层温度分别在13:30和13:40 达到最高值为20.1 和20.37℃，NSG 略高于ESG，但两者差异不显著。两个温室自10:00 至16:00 冠层温度和变化趋势基本一致。雪天条件下，白天两温室的冠层温度基本一致，而夜间，NSG 的温度略低于ESG。
由图 7b 可知，距地面1.5 m 高度处ESG 和NSG的日平均气温分别是9.64 和9.17℃，温差为0.48℃，ESG 与NSG 存在显著性差异；ESG 内气温在08:30达到最低值5.70℃，NSG 在08:20 达到最低值5.10℃，与冠层温度基本一致，两者之间存在显著性差异；ESG 气温在13:30 达到最高值20.60℃，NSG在13:40 达到最高值21.43℃，NSG 略高于ESG，但两者差异不显著。2 个温室自11:00 至16:00 的气温值和变化趋势基本一致。雪天条件下，2 个温室的温度变化无明显差异。温度都较低，均低于草莓生长的适宜温度范围。在此期间应注意适时加温，避免冻害出现，影响草莓的生长，产量和品质。
3 讨 论
作为一种新型的日光温室栽培技术，在温室的后墙上采用管道无土栽培的方式进行蔬菜和草莓的生产，是一种高效的、可以提高温室空间利用率、进而提高温室内作物产量的栽培方式[10]。在本试验中，温室长度为50 m，跨度为8 m，温室内地面草莓采取土壤高畦栽培，共50 垄，每畦2 排，栽培畦长7 m，因而温室地面土壤栽培长度为700 m；后墙立体栽培管道长49 m，共4 排，所以后墙无土栽培长度是196 m。通过日光温室后墙的立体栽培，栽培长度增加了28%。草莓的株距为15 cm，可增加草莓栽培1300 多株，大大提高了草莓的种植面积。在温室后墙上通过安装管道，在管道内进行无土栽培草莓，试验结果显示：温室内的温度并没有下降，反而略有升高，分析原因：1）可能是太阳光照射到管道表面，管道传热给内部基质，基质有一定的蓄热能力，热量蓄积在基质中；另外，管道不与后墙墙体接触，夜间热量不会通过管道、墙体的热传导向室外散失，基质中白天蓄积的热量主要向温室内部散热，从而使温室内的温度提高；2）可能是因为基质的比热较墙体大，蓄热能力强，从而能够在白天蓄积更多的热量；3）可能是因为基质中蓄积的水分的比热较墙体大，水的蓄热能力强，从而能够在白天蓄积更多的热量。有关产生这种现象的原因，有待继续进行研究，可以通过对后墙管道水培或者基质栽培2 种方式对冬季日光温室内温度环境的影响状况的分析，寻找影响其温度环境的原因。
4 结 论
本研究是就后墙立体栽培对后墙挡光从而可能影响温室蓄热、降低温室夜间温度的问题开展研究。连续监测冬季温室内的温度变化的结果表明，利用后墙空间进行立体栽培，并没有降低冬季温室内温度；晴天时，有后墙无土栽培的温室，其内部的冠层温度和气温均高于无后墙管道的温室，其中平均温差为2.05℃，最大温差为4℃；阴天和雪天时，2 种类型的温室内的温度变化无明显差别，温度都较低，均低于草莓生长的适宜温度范围。因此，后墙立体栽培不但提高了草莓的种植面积和温室空间的利用率，且没有降低温室内的温度，是一种可行、值得推广应用的温室高效栽培技术。
