育苗是設施蔬菜生產的一個重要環節,幼苗的優劣直接影響著定植后蔬菜生長發育、產品產量和品質[1]。冬春季節日光溫室蔬菜育苗面臨低溫冷害的風險,而研究發現,我國北方地區日光溫室和塑料大棚冬春季節溫度一般較低,為15~18 ℃/10~12℃[2],明 顯 低 于 黃 瓜 的 生 長 最 適 溫 度 \\(25~30℃\\)。因此,加溫成為冬春季節日光溫室黃瓜育苗的必要措施之一。

冬春季節蔬菜育苗一般采用燃煤或者石油加溫,成本較低,需要耗費大量的不可再生的化石燃料,同時產生的大量的CO、CO2、SO2和NOx等有害氣體,嚴重污染環境,同時存在熱量浪費嚴重、自動化程度低、加熱不均勻等問題[3-4];太陽能加熱系統設備初期投資較多,占地面積較大,并且由于放置在室外,易受風沙灰塵等影響降低集熱效率[5];電采暖設備能量轉化效率、可調控性和自動化程度高、運行安全可靠,占地少,但一般的電采暖設備其運行費用較大,其加溫過程中的熱量過度損失問題也未得到根本解決[6-7]。冬春季節蔬菜育苗生產中急需一種安全、高效、低成本的加溫系統。

碳晶電熱板,全稱為“碳纖維層壓復合導電發熱板”,是在高強度絕緣材料\\(一般為聚氨酯\\)內部植入碳纖維,通電后,微觀粒子在不規則的導體面上的布朗運動,不斷撞擊、摩擦,將電能轉化為熱能,熱能以遠紅外輻射的形式穿透介質釋放到環境中,是一種在暖通行業應用于地面或墻面加溫的面狀低溫電發熱材料,其具有熱效率高、面狀發熱、耐腐蝕、便于自動化控制等優點[8-11]。根據碳纖維、聚氨酯質量和裁切面積不同,成本一般30~100元/m2。研究表明,冬春季蔬菜栽培中使用碳晶電熱板加溫地溫的經濟效益優于傳統的發熱電纜[12]。但在設施蔬菜育苗中的應用尚未見報道。隔熱層是溫室育苗溫床的重要保溫設備。聚苯乙烯板和無紡布是設施園藝中常用的隔熱材料。聚苯乙烯板具有良好的隔熱效能,常作為隔溫夾層建造溫室的后墻和后屋面,對減少溫室后墻及后屋面的貫流放熱及縫隙放熱有重要作用;無紡布,俗稱大棚布,是設施蔬菜生產中用于制作保溫被、保溫幕的常用材料,質地疏松柔軟,隔熱效果良好。

以日光溫室正常培養\\(不加溫\\)和發熱電纜加溫為對照,研究不同敷設功率的碳晶電熱板加溫對黃瓜幼苗生長和生理的影響;以聚苯乙烯板和無紡布置于碳晶電熱溫床的底層作為隔熱層,研究隔熱層在碳晶電熱溫床育苗中的節能效果差異,旨在為碳晶電熱板加溫在設施黃瓜育苗中的應用提供理論和數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗于2013年1—3月在中國農業科學院蔬菜花卉研究所日光溫室進行。溫室內白天最高溫度為\\(28±2\\)℃,夜間最低溫度為\\(8±2\\)℃,日平均溫度為 \\(20±2\\)℃,白 天 最 高 光 照 強 度 為 \\(750±50\\)μmol/\\(m2·s\\)。

黃瓜品種為中國農業科學院蔬菜花卉研究所選育的 “中 農106”。挑 選 顆 粒 飽 滿 的 黃 瓜 種 子 于30℃水中浸泡4h,26 ℃催芽。

2013年1月1日播種于50孔塑料穴盤,育苗密度為400株/m2。育苗基質為V\\(草炭\\)∶V\\(蛭石\\)=2∶1。穴盤放置于碳晶電熱育苗溫床上。

碳晶電熱育苗溫床由育苗架、隔熱層、碳晶電熱板、小拱棚和控制電路等組成\\(圖1\\)。其中碳晶電熱板呈長方形,板狀,長2m,寬1m,厚2mm,有韌性,雙面發熱。碳晶電熱板下面放置聚苯乙烯板或無紡布隔熱材料,厚度1cm。苗床上面罩塑料薄膜保溫。碳晶電熱 板 與 溫 度 控 制 器 由 導 線 串聯,接口做防水處理,接入普通照明電路。溫度控制器\\(DN2008F,濟南沃爾菲斯科技有限公司\\)由地溫傳感器和控制面板組成,控制育苗基質溫度為\\(22/18±0.5\\)℃\\(晝/夜\\)。覆蓋層為普通透明塑料薄膜,視空氣溫度情況人工控制通風散熱使白天溫度維持\\(22±1\\)℃。為使苗床溫度易于控制,設定9:00—17:00\\(白天溫室揭開保溫被時間\\)為白天?！?】

1\\)試驗一。不同敷設功率的碳晶電熱板加溫對基質溫度、耗電量、黃瓜幼苗生長和生理特性影響。

設以下5處理:處理1為日光溫室正常培養,不加溫\\(CK1\\);處理2為敷設功率為100 W/m2的發熱電纜\\(C100\\)加溫;處理3為敷設功率為60 W/m2的碳晶電熱板 \\(P60\\)加溫;處理4為敷設功率為80W/m2的碳晶電熱板\\(P80\\)加溫;處理5為敷設功率為100W/m2的碳晶電熱板\\(P100\\)加溫。

均為育苗床架育苗。除熱源外,5個處理其他條件一致,育苗溫床無隔熱層。

2\\)試驗二。不同隔熱層的碳晶電熱板加溫對基質溫度、耗電量、黃瓜幼苗生長和生理特性影響。碳晶電熱育苗溫床的制作方法同上。根據試驗一的結果,選擇碳晶電熱板的敷設功率為80W/m2。

設以下4個處理:處理1為對照,無隔熱層,不加溫\\(CK2\\);處理2為無隔熱層,碳晶電熱溫床\\(B\\)加溫;處 理3為 以 厚 度 為1 cm的 聚 苯 乙 烯\\(Polystyrene\\)板為隔熱層,碳晶電熱溫床\\(BP\\)加溫;處理4為以厚度為1cm的無紡布\\(Non-Wovenfabrics\\)為隔熱層,碳晶電熱溫床\\(BN\\)加溫。

按苗床大小,處理3和4的隔熱層平展的鋪在床架和電熱板之間。除隔熱層外,此4個處理的其他條件一致。

試驗一和二所用碳晶電熱板、發熱電纜、聚苯乙烯板和無紡布等均購自北京家暖新能源科技有限公司,每處理設3個重復,隨機區組排列。其他為常規管理。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 黃瓜生長和生理指標記錄各處理黃瓜從播種到出苗\\(子葉展平\\)率達到80%的時間,記為出苗時間。以直尺測量從黃瓜莖基部到莖生長點的距離,記為株高,精度0.1cm。

游標卡尺測量子葉與第一片真葉中間處莖粗,精度0.01mm。

將幼苗從根結部位分地上部、地下部,蒸餾水洗凈,105℃殺青15min,然后70℃烘干至恒重,稱量根干重\\(DW\\)、地上部干重,精度0.001g。

采用楊軍等[13]方法計算壯苗指數:壯苗指數=\\(根干重/地上部干重+莖粗/株高\\)×全株干重。

使 用 葉 面 積 儀 \\(AM300,ADC BioscientificLtd,美國\\)測定黃瓜總葉面積。以TTC法測定根系活力;丙酮法提取并測量黃瓜幼苗葉片總葉綠素含量;考馬斯亮藍G-520法測定測黃瓜第一片真葉的可溶性蛋白含量;蒽酮比色法測黃瓜第一片真葉可溶性糖含量[14]。

1.2.2 基質溫度日變化與耗電量育苗期間以環境監測儀\\(N-BAC20,旗碩基業科技有限公司,北京\\)測量并記錄典型晴天的基質溫度,精確度為0.1 ℃,1h記錄1次,并計算日平均溫度。

用電能表\\(DDS1666,合肥儀表廠\\)記錄每個處理的耗電量。耗電率\\(kW·h\\)/\\(m2·d\\)=\\(電表終止示數\\(kW·h\\)-電表起始示數\\(kW·h\\)\\)/苗床面積\\(m2\\)/育苗時間\\(d\\)。

1.3 數據處理采用Microsoft Excel 2003軟件處理數據和作圖,使用軟件DPS 7.05版對數據進行單因素方差分析,并運用Duncan檢驗法對其差異顯著性進行檢驗,不 同 小 寫 字 母 表 示 處 理 間 顯 著 差 異 \\(P<0.05\\)。 2結果與分析2.1碳晶電熱育苗溫床的基質溫度與耗電率對照基質溫度早上8:00最低,僅為5.9 ℃左右。上午8:00溫度揭開保溫被后室內溫度急劇升高,對照基質溫度也急劇升高并能維持在目標溫度22℃,17:00溫室放下保溫被后,室內溫度持續降低,翌日8:00最低。加溫顯著提高了基質的溫度。

因白天室內溫度較高,C100、P60、P80和P100處理的基質溫度均能達到22℃,而僅P80和P100處理夜間\\(17:00—翌日8:00\\)基質溫度能穩定在目標溫度18℃,C100和P60處理的夜間基質溫度均不能達到目標溫度,但也明顯高于對照。

8:00揭開保溫被前,C100、P60、P80和P100處理基質溫度分別為11.0、13.0、18.0和18.5℃,分別比CK1提高5.1、7.1、12.1和12.6℃\\(圖2\\(a\\)\\)。

夜間溫度的升高使得基質日平均溫度也明顯升高。對照基質的日平均溫度為13.53 ℃,加溫后C100、P60、P80和P100處理的基質日平均溫度分別為16.55、17.27、19.60和19.81 ℃,分別比CK1提高3.02、3.74、6.07和6.28℃\\(圖2\\(b\\)\\)。

C100處理的耗電率最高,為1.97\\(kW·h\\)/\\(m2·d\\),P60、P80和P100的耗電率分別為1.16、1.29和1.60\\(kW·h\\)/\\(m2·d\\),處理間達顯著差異\\(圖2\\(c\\)\\)。

2.2 碳晶電熱育苗溫床加溫對黃瓜幼苗生長的影響

冬春季節日光溫室內溫度較低,對照處理下黃瓜出苗時間較長,80%出苗時間為5.3d。加溫顯著縮短了黃瓜的出苗時間,C100、P60、P80和P100處理的出苗時間分別為3.3、1.6、1.3和1.3d,分別比對照減少了2.0、3.7、4.0和4.0d,達顯著差異水平\\(表1\\)。

壯苗指數的計算結果發現,對照處理的壯苗指數僅為0.09,C100、P60、P80和P100處理的壯苗指數分別為0.15、0.17、0.22和0.16,均與對照達顯著差異水平,其中P80的壯苗指數最高\\(表1\\)。

加溫也促進了黃瓜葉面積的增加。對照處理的黃瓜葉面積最小,僅為12.3cm2,C100、P60、P80和P100處理的葉面積分別為57.8、77.1、90.9和113cm2,分別為對照處理的4.69、6.27、7.39和9.19倍,其中P100的葉面積最大,根系體積的變化趨勢與葉面積基本一致\\(表1\\)?！?】

2.3 碳晶電熱育苗溫床的加溫對黃瓜幼苗生理指標的影響

加溫處理增加了黃瓜幼苗的根系活力。對照處理CK1的 黃 瓜 幼 苗 根 系 活 力 為 \\(FW\\)59.2μg/\\(g·h\\),C100、P60、P80和P100處理的黃瓜幼苗根系活力分別為\\(FW\\)209.8、217.8、228.5和220.4μg/\\(g·h\\),顯著高于對照\\(表2\\)。加溫處理顯著增加了黃瓜幼苗的葉綠素含量,但各加溫處理間的黃瓜葉綠素含量無顯著性差異\\(表2\\)?！?】

P80和P100處理的黃瓜幼苗可溶性蛋白含量\\(FW\\)較低,分別為11.8和9.6mg/g,而CK、C100和P60處理的黃瓜幼苗可溶性蛋白含量顯著增加,且三者之間無差異\\(表2\\)。與可溶性蛋白含量的變化趨勢一致,P80處理的可溶性糖含量\\(DW\\)最低,為14.8mg/g,P100、P60和C100處理的稍有增加,CK的可溶性糖 含量 \\(DW\\)最高,為24.3 mg/g\\(表2\\)。 【4】

2.4 隔熱層對碳晶電熱溫床日平均溫度及耗電量的影響

無隔熱層不加溫\\(CK2\\)處理的日平均溫度為15.2℃,加溫但無隔熱層\\(B\\)處理的日平均溫度為18.2 ℃,碳晶電熱溫床加聚苯乙烯板\\(BP\\)和無紡布\\(BN\\)等有隔熱層處理的日平均溫度分別為20.5和20.1℃,分別比CK2高5.3和4.9℃,比處理B高2.3和1.9℃,但二者之間無差異,說明聚苯乙烯板和無紡布2種隔熱層的隔熱保溫效果明顯,均能顯著提高碳晶電熱溫床的日平均溫度\\(表3\\)。

BP和BN處 理 的 耗 電 率 分 別 為 處 理B的77.4%和78.8%,即聚苯乙烯板和無紡布2種隔熱層處理能節約電能消耗22.6%和21.2%,但二者之間的節能效果差異不顯著\\(表3\\)?！?】

2.5 不同材料隔熱層的碳晶電熱溫床對黃瓜幼苗生長的影響

CK2處理的出苗時間最長,為5.33d,壯苗指數、葉面積和根系體積均最小,分別為0.10、14.90和1.81cm3。處理B的黃瓜出苗時間為3.33d,BP和BN處理的黃瓜幼苗出苗時間均為1.67d,分別比CK2和處理B減少3.66和1.66d\\(表4\\)。處理B的壯苗指數稍小,為0.16,BP和BN處理的黃瓜幼苗壯苗指數比處理B的黃瓜幼苗提高50.0%和43.8%。處理B、BP和BN的黃瓜葉面積分別為74.2、112.0和109.0cm2,分別為CK2的4.98、7.52和7.31倍。處理B、BP和BN的黃瓜根系體積分別為4.92、5.92和5.89cm3,分別為CK2的2.72、3.30和3.25倍\\(表4\\)。聚苯乙烯板\\(BP\\)和無紡布\\(BN\\)等作為隔熱層處理的出苗時間、壯苗指數、葉面積和根系體積等指標均優于無隔熱板的處理B,說明碳晶電熱溫床加溫時,使用隔熱層對黃瓜幼苗生長和幼苗質量具有顯著的促進作用?！?】

2.6 同材料隔熱層的碳晶電熱溫床對黃瓜幼苗生理指標的影響

CK2處 理 黃 瓜 幼 苗 根 系 活 力 為 \\(FW\\)57.3μg/\\(g·h\\),處理B、BP和BN的黃瓜幼苗根系活力分別為207.8、223.2和228.9\\(FW\\)μg/\\(g·h\\),均與對照差異顯著\\(表2\\),且BP和BN處理的黃瓜幼苗根系活力也顯著高于處理B。加溫處理顯著增加了黃瓜幼苗葉綠素含量,但有隔熱層的加溫處理\\(BP和BN\\)黃瓜葉綠素含量高于加溫但無隔熱層\\(B\\)處理,BP和BN處理間無差異\\(表5\\)。

BP和BN處理的的黃瓜幼苗可溶性蛋白含量較低,分別為\\(FW\\)9.63和10.1mg/g,而CK2和處理B的可溶性蛋白含量顯著增加。與可溶性蛋白含量的變化趨勢一致,有隔熱層的加溫處理\\(BP和BN\\)處理的可溶性糖含量最低,為\\(DW\\)13.3和13.8mg/g,加 溫但無隔 熱層 \\(B\\)處 理 稍 有 增 加,CK2的可溶性糖含量最高,為 \\(DW\\)27.3 mg/g\\(表5\\)?！?】

3 討論

溫度是設施蔬菜栽培的首要環境條件,可直接影響植株各器官的庫強,從而影響干物質的分配。

黃瓜對溫度非常敏感。黃瓜發芽期適溫白天25~30℃,夜間15~18 ℃,地溫18~20 ℃[7]。低溫抑制了黃瓜的生長發育[15-16]。低夜溫降低了番茄光合產物從葉片向其他器官的運輸,抑制生長,影響其生理特性的變化[17]。本試驗結果顯示,冬季日光溫室氣溫較低,黃瓜出苗時間較長,生長較慢,壯苗指數低。日光溫室內蔬菜育苗,苗床加蓋小拱棚薄膜覆蓋,小氣候環境效應較強[18-19],白天\\(8:00—17:00\\)溫室接受太陽光輻射,氣溫迅速升高,使得各處理的溫度均能到達并穩定在22℃。但夜晚\\(即17:00—翌日8:00\\)日光溫室覆蓋保溫被,溫室內氣溫下降,不同處理間苗床溫度差異顯著。敷設功率為80和100W/m2的碳晶電熱板加溫能達到目標溫度,夜間黃瓜苗周圍的溫度相對較高,適宜的夜溫有利于黃瓜幼苗根系的生長,提高根系活力,使得黃瓜出苗時間明顯縮短,幼苗生長相對較快,且較健壯。夜間發熱電纜\\(C100\\)和敷設功率為60 W/m2的碳晶電熱板加溫均不能達到目標溫度,與對照相比,黃瓜幼苗出苗相對較快,生長相對較好,但明顯比敷設功率為80和100 W/m2的碳晶電熱板加溫處理的出苗慢,生長差。作為黃瓜調控適應低溫、提高抗冷性的重要物質,可溶性蛋白與可溶性糖的含量與處理溫度一般負相關,與前人研究一致[15]。

碳晶電熱板與發熱電纜都是將電能轉化為熱能的電器,但相同的敷設功率下黃瓜生長狀況差異明顯,其可能原因是:發熱電纜是線型發熱,熱量分布不均導致溫控器控制不準確,影響黃瓜生長;而碳晶電熱板是面狀放熱,育苗基質受熱較均勻,黃瓜根區溫度較恒定。另外,發熱電纜加溫溫度響應速率慢,熱效率 較 低,而 碳 晶 電 熱 板 升 溫 較 快,熱 效 率 較高[9]。

與發熱電纜相同,碳晶電熱板的敷設功率是加溫育苗溫床一個重要參數,該參數的設定與育苗作物種類、外界基礎溫度及苗床散熱等條件密切相關。

敷設功率過高耗電量大,可能造成能源浪費;功率過低,則加熱體滿功率工作仍不能達到預定加溫目標,降低生產效率。因此合理的敷設功率是兼顧加溫設備高效性與經濟性的平衡點。本試驗P80\\(碳晶電熱板敷設功率80 W/m2\\)和P100\\(碳晶電熱板敷設功率100W/m2\\)在最冷月\\(1月\\)加溫,黃瓜幼苗生長狀況良好。但P80和P100的耗電量分別為36.2和44.8\\(kW·h\\)/m2。因 此,綜 合 考 慮,認 為80W/m2是適合我國華北地區冬季日光溫室黃瓜幼苗生長的碳晶電熱板敷設功率。另外,設計科學的碳晶電熱板擺放間隔,調配合理適量加溫時間,如寒流期或者凌晨溫室內溫度低于作物生長最低溫時加溫等,以降低運行成本等問題有待于進一步研究。

實際生產中,隔熱層材料的選擇應滿足以下條件:隔熱效果好、導熱系數低且吸水性差、防火系數較高、電絕緣、價格較低、簡便易得等。因此,本試驗選擇聚苯乙烯泡沫板和無紡布作為隔熱層。以聚苯乙烯板和無紡布制作的隔熱層對提高碳晶電熱溫床溫度、降低設備能耗、提高黃瓜育苗質量等具有重要作用。其主要原因在于聚苯乙烯板和無紡布均為導熱系數較低的物品,碳晶電熱板下方鋪設隔熱層能阻擋碳晶電熱板釋放的熱量向下傳播,從而使苗床形成相對密封的環境,大部分熱量向上流動并在苗床內部聚集使苗床溫度上升,提高了熱量的利用率。

2種材料對碳晶電熱溫床的耗電量及加溫效果的影響差異不顯著,說明這2種隔熱材料的保溫節能效能相當。

4 結論

1\\)80W/m2敷設功率的碳晶電熱板加溫能使基質夜溫提高并保持在18 ℃,黃瓜出苗時間短,生長較快且健壯,是適合我國華北地區冬季日光溫室黃瓜幼苗生長的碳晶電熱板敷設功率。

2\\)使用聚苯乙烯板和無紡布等作為隔熱層,碳晶電熱溫床的日平均溫度明顯提高,耗電率顯著減少,黃瓜幼苗生長相對較快且健壯。

參考文獻

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