摘 要： 转光膜是一种可以转换光质,并且把吸收的太阳光转换成植物光合作用所需光的功能性农膜。以意大利生菜为试验材料,在日光温室条件下进行了转光膜和普通膜对照试验,研究转光膜对温室环境、土壤环境以及生菜生长发育的影响,以期为转光膜在农业发展上提供参考依据。结果表明:转光膜有效提升了温室环境参数,在整个生育期内,转光膜温室的平均空气温度、平均光照强度、平均CO2浓度以及土壤温度较普通膜温室分别提高了2.10%、3.79%、31.73%和3.32%。对于作物生长来说,转光膜温室下生菜的株高、叶长和SPAD较普通膜温室分别提高了3.55%、2.55%和2.42%,生菜平均公顷增产8.54%。整体来看,在转光膜的使用下,温室的空气、光照及土壤环境参数有所提升,进一步促进了生菜生长形态和产量形成。
关键词： 转光膜; 温室环境; 土壤温度; 作物生长形态;
Abstract： Light conversion film is a kind of functional agricultural film which can convert light quality and absorbed sunlight into light needed by plant photosynthesis.In this study,Italian lettuce was used as the experimental variety to study the effect of light conversion film on greenhouse environment,soil environment and lettuce growth and development,in order to provide a theoretical basis for the development of light conversion film in agriculture.The results showed that the environmental parameters of the greenhouse were effectively improved by the light conversion film.During the whole growth period,the average air temperature,average light intensity,average CO2 concentration and soil temperature of the greenhouse were 2.10%,3.79%,31.73% and 3.32% higher than those of the common greenhouse.For crop growth,the plant height,leaf length and SPAD of lettuce in the light conversion film greenhouse increased by 3.55%,2.55%and 2.42%respectively,and the average yield of lettuce per hectare increased by 8.54%.As a whole,the air,light and soil environmental parameters of greenhouse were improved under the use of light conversion film,which further promoted the growth and yield formation of lettuce.
Keyword： light conversion film; greenhouse environmental; soil temperature; crop growth morphology;
我国是世界人口大国,棚膜温室是农业发展的主要生产模式之一。我国农用薄膜使用量位居世界前列,但是年产量与国外发达国家相比仍存在差距。与此同时使用转光膜提高温室产量,改善作物品质是现代新型农业发展的重要举措之一。转光膜是一类可转换光波波长的功能膜,它可将某些对植物有害以及不能引发植物光合作用的光转化为可引发植物光合作用的光[1]。有研究表明,转光膜能把阳光从高能短波转化为低能长波和介质波来提高温室的温度,提高光合效率,缩短生长周期,提高农作物的质量[2,3,4,5]。目前,通过熔融插层法制备了具有光转换功能的纳米聚乙烯薄膜,用XRD、UV-Vis、FL、TGA等方法对转光膜的性能进行了分析研究,结果表明新型纳米转光膜能有效地吸收对植物有害、对温室棚膜有破坏作用的206～360 nm的紫外光,发射360～500 nm的蓝紫光,且其具有良好的抗荧光衰减性能[6]。但是李红玫等[7]研究表明,转光膜对甘蓝霜霉病和蚜虫的发生未表现出明显的控制作用。刘双清等[8]研究也表明,转光膜对莴苣霜霉病的防治作用不明显。近年来蔬菜种植面积逐年增加,种植种类越来越多,但由于不同的蔬菜对温光的要求存在较大的差异,因此,为了进一步研究转光膜的特性和效果,该研究以意大利生菜为试验对象,对转光膜和普通膜进行对比试验,系统研究转光膜对生菜生长的环境、土壤和生长形态等因素的影响,以期为进一步研究转光膜对作物的生长提供参考依据。
1、 材料与方法
1.1 、试验材料
试验于2019年9—11月在北京市昌平区国家精准农业示范基地日光温室内进行。温室规格为长度40.0 m、跨度6.5 m、高度3.0 m。2个温室棚膜分别使用转光膜(图1)与普通棚膜(图2)。试验所用的转光膜是稀土转光材料薄膜,该薄膜是以PVC为载体,加入一定比例的稀土转光农膜荧光粉制成薄膜,当阳光照射时,阳光中的紫外线(会损伤植物组织)和绿光(会被植物反射而损失)被稀土转光材料吸收转换,释放出对植物生长有利的蓝光和红光,使棚内的蓝色和红色光谱成分增加,提高了光能利用率。供试对象为意大利生菜(Lactuca sativa L.),使用地下水进行灌溉。2个温室内土壤的基本理化性质见表1。
表1 土壤基本物理性质
图1 转光膜
Fig.1 Light conversion film
图2 普通膜
Fig.2 Common film
1.2 、试验方法
试验设置2个处理,一个温室使用转光膜,另一个温室使用普通膜,2个温室种植、田间管理、水肥模式均一致。每个温室种植24垄生菜,每垄种植2行,采用滴灌灌溉,每行生菜布设一条滴灌带。滴灌系统首部由封闭水桶、逆止阀、闸阀等控制设备和水表、压力表等计量设备组成,整个滴灌系统设置2级过滤,分别为网式过滤器和叠片式过滤器,滴灌系统运行压力为0.1 MPa。2019年9月18日定植,生菜定植第55天时收获,收获后测定生菜产量。
1.3 、项目测定
1.3.1 、温室环境参数的测定
由自动气象站观测空气温度、光照强度、空气湿度等环境因子的变化。
1.3.2 、土壤参数的测定
基于埋设的土壤传感器(美国Decagon,EC-5土壤水分传感器),实时监测土壤温度变化情况。
1.3.3 、作物生长参数的测定
定株测量生菜生长指标,每个处理选取6株,每7 d用直尺测量生菜株高(茎基部到最高点距离)、叶长、叶宽,叶长和叶宽所测叶片为植株最大叶片。生菜收获后,每个温室测定2垄生菜的地上部鲜质量及株数,得到平均单株质量,计量每个温室的生菜总株数,得出总产量。
1.4 、数据分析
采用Microsoft Excel 2010软件处理数据,采用Origin 2017软件绘制图表,采用SPSS 23软件统计分析。
2 、结果与分析
2.1 、转光膜对温室环境的影响
2.1.1、 转光膜对空气温度的影响
整个生育期内,转光膜温室和普通膜温室的温度随着月增长逐渐降低,在1 d的变化内,最高温度出现在13:00—15:00,最低温度出现在05:00—07:00。
由表2可知,转光膜温室和普通膜温室的平均空气温度存在显着性差异,温室利用转光膜后平均温度在9—11月分别提高了1.63%、2.16%和2.68%。此外,生育期内转光膜温室的空气最高温度和最低温度较普通膜温室也存在极显着差异,最高温度分别提高了2.99%、0.30%和1.83%,最低温度分别提高了3.38%、0.61%和1.58%,表明转光膜可有效提高温室温度。
表2 生育期内空气温度分析
注:表中P表示同列数据显着性差异(P<0.05),“*”表示因素影响显着(0.01≤P<0.05),“**”表示因素影响差异极显着(0.001≤P<0.01),“ns”表示因素影响不显着,下同。
Note:P represents the significant difference in the same column (P<0.05),‘*’ represents the significant influence of factors (0.01≤P<0.05),‘**’ represents the extremely significant influence of factors (0.001≤P<0.01),‘ns’ represents the insignificant influence of factors,the same below.
2.1.2 、转光膜对温室空气湿度的影响
生育期内日光温室空气湿度随着月数增加逐渐增加,在1 d中呈剧烈变化过程,最高湿度出现在06:00—08:00,最低湿度出现在13:00—15:00。
由表3可知,在9—11月中,转光膜温室的平均湿度与普通膜温室相比,分别降低了5.25%、2.69%和0.67%,9月和10月的平均空气湿度差异极显着,11月差异不显着。9月和10月的转光膜温室最高空气湿度较普通膜温室降低了2.09%和0.82%,11月转光膜温室较普通膜温室提高了2.09%。9月和10月中,转光膜温室最低空气湿度较普通膜温室提高了2.09%和0.52%,在11月转光膜温室较普通膜温室降低了0.74%。生菜结球后期要求较低的空气湿度,若空气湿度较高,则极易引起软腐病、菌核病等病害发生。转光膜温室和普通膜温室的空气湿度差异极显着,有效的减少了病虫害的产生。
2.1.3、 转光膜对温室CO2浓度的影响
在整个生育期内,温室CO2浓度全天变化较大,最高CO2浓度出现在11月。由表4可知,与普通膜相比,转光膜温室中平均CO2浓度分别显着提高了26.40%、33.14%和33.38%,2种膜下温室CO2浓度差异极显着。在1 d之内,CO2最高浓度出现在06:00—08:00,CO2最低浓度出现在13:00—17:00,其中转光膜温室的最高CO2浓度较普通膜温室分别极显着或显着提高了4.61%、19.92%和24.61%,最低CO2浓度分别提高了89.41%、71.72%和59.77%。
表3 生育期内空气湿度分析
表4 生育期内CO2浓度分析
2.1.4、 转光膜对光照强度的影响
日光温室平均光照强度均呈“单峰型”变化规律,最高光照强度出现在9月。揭开遮阳帘后,1 d之内最高光照强度出现在11:00—13:00,最低光照强度出现在17:00—18:00。
由表5可知,转光膜温室和普通膜温室的全天光照强度变化比较大。转光膜温室和普通膜温室对平均光照强度影响差异极显着。9—11月中,转光膜温室的平均光照强度较普通膜温室分别提高了3.13%、4.48%和2.55%。最高光照强度中,转光膜温室较普通膜温室差异极显着(9—10月)或显着(11月),分别提高了2.44%、1.48%和18.68%。最低光照强度中,转光膜温室较普通膜温室分别显着提高了20.45%、16.99%和4.00%(最低光照分析中去掉了夜晚及因棚面覆帘造成的0值光照强度)。
表5 生育期内光照强度分析
2.2 、转光膜对土壤温度的影响
转光膜对土壤温度的影响较显着。整个生育期内,转光膜日光温室和普通膜日光温室的土壤温度全天变化较大,转光膜温室最高土壤温度和最低土壤温度较普通膜温度差异极显着。其中,9月棚膜温室间平均土壤温度差异极显着,10月和11月差异均不显着。
图3 生育期内土壤温度变化
Fig.3 Changes of soil temperature in growth period
注:不同小写字母表示差异极显着。
Note:Different lowercase letters show extremely significant difference.
由图3可知,转光膜温室的平均土壤温度、最高土壤温度和最低土壤温度均明显高于普通膜温室,而且最高土壤温度出现在9月。在1 d之内,最高温度出现在15:00—18:00,最低温度出现在05:00—08:00。在9—11月中,转光膜温室的平均土壤温度较普通膜温室分别提高了7.48%、1.78%和1.58%。转光膜温室的最高土壤温度较普通膜温室分别提高了9.31%、2.19%和1.70%,最低土壤温度分别提高了3.60%、3.08%和6.66%。
2.3 、转光膜对作物生长的影响
由表6可知,转光膜和普通膜对生菜的株高、叶长、叶宽的影响差异不显着,转光膜温室的株高、叶长和SPAD较普通膜温室分别提高了3.55%、2.55%和2.42%。转光膜温室的叶宽较普通膜温室降低了1.21%。与普通膜温室相比,转光膜温室的平均单株质量极显着提高了8.54%,平均公顷产量也极显着提高了8.54%,表明转光膜促进生菜的生长发育,增加生菜的产量。
3 、讨论
转光膜具有对温室环境参数的调控效果。该研究发现,转光膜温室的空气温度、光照强度较普通膜温室有很大的提高。唐颢等[9]研究结果表明,转光膜的保温效果稍优于普通膜。王玉霞等[10]研究结果表明,转光膜的透光率较高,增温效果较好,同时具有调节棚内温度的作用,这与该研究结果类似。这是因为转光膜能够吸收高能量的紫外光和绿黄光,发射低能量的蓝紫光和红橙光,将太阳光中能量相对较大的紫外线转换成能量较小的光,能量差以热的形式释放出来,提高了塑棚温室的升温速度、升降温速比和积温,形成有利于植物光合作用的可见光,改善了低温寡照天气对光合作用的影响[11]。此外,该研究发现转光膜温室可以显着提高温室内的CO2浓度。这是由于转光膜能在保留普通农膜基本性能的基础上,按照植物生长需要将太阳光中对植物光合作用有害或无用的紫外光、绿光转化为光合作用所需的红光或蓝光,增加了棚内红光和蓝光的比例,叶绿体色素对红光和蓝光都有很好的吸收,增加了呼吸速率,提高了CO2浓度[12,13]。
表6 转光膜对作物生长形态分析
土壤温度对根系的影响很大,其影响根系的生长、呼吸和吸收能力。李文秀等[14]研究结果表明转光膜可改善温室大棚内光照条件,有效提高空气温度和土壤温度。这与该研究结果类似。对大多数植物来说,随着土壤温度增高,生长也加快,根系吸收作用和呼吸作用加强,物质运输加快,因而细胞分裂和伸长的速度也随之而增,间接影响植物的生长。转光膜可将太阳光中的高能短波转换成低能量级长波和中长波,调整太阳光谱,将对作物光合作用不利的紫外光等转换成作物需要的蓝紫光和红橙光。地面只能以红外波段向外释放热量,转光膜可以有效反射这部分红外波段的能量,提高土壤的温度。
转光膜具有提高作物生长形态发育的效果。该研究发现转光膜温室的株高、叶长、SPAD均比普通膜温室的高,并且对作物产量有了显着提高。前人研究发现,转光膜可以增大株高、最大叶长、最大叶宽和株幅[15],这也与该研究结果类似。一是因为试验分别提高了空气温度、土壤温度2.1%和3.32%,促进了作物生长;二是因为试验得到CO2浓度增加了31.73%,CO2是植物进行光合作用的必需养料,主要从大气中取得,而大气中的CO2浓度基本上是恒定的,温室中由于与外界相对隔绝,CO2被消耗后,不能很快补充,但是转光膜温室可以提高其浓度,促使CO2固定,增强植物的光合能力,而且植物的光合速率会随着CO2浓度增加而提高,促进作物生长;三是因为转光膜棚内的紫外线透过率减少,减少植株病虫害[16]。
4、 结论
温室内湿度、温度、光照强度、CO2浓度等各种要素共同作用影响生菜的生长发育。转光膜温室空气温度、光照强度、CO2浓度和土壤温度对生菜影响较普通膜均有显着提高,与普通膜相比,应用转光膜温室的株高、叶长、SPAD和平均单株质量分别提高了3.55%、2.55%、2.42%和8.54%,促进了作物的生长,最终提高了生菜的产量,较普通膜增产8.54%。转光膜作为一种改性材料在温室生菜的栽培上应有具有提高光能利用效率促进作物生产的有益作用。
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