摘 要： 轉光膜是一種可以轉換光質,并且把吸收的太陽光轉換成植物光合作用所需光的功能性農膜。以意大利生菜為試驗材料,在日光溫室條件下進行了轉光膜和普通膜對照試驗,研究轉光膜對溫室環境、土壤環境以及生菜生長發育的影響,以期為轉光膜在農業發展上提供參考依據。結果表明:轉光膜有效提升了溫室環境參數,在整個生育期內,轉光膜溫室的平均空氣溫度、平均光照強度、平均CO2濃度以及土壤溫度較普通膜溫室分別提高了2.10%、3.79%、31.73%和3.32%。對于作物生長來說,轉光膜溫室下生菜的株高、葉長和SPAD較普通膜溫室分別提高了3.55%、2.55%和2.42%,生菜平均公頃增產8.54%。整體來看,在轉光膜的使用下,溫室的空氣、光照及土壤環境參數有所提升,進一步促進了生菜生長形態和產量形成。
關鍵詞： 轉光膜; 溫室環境; 土壤溫度; 作物生長形態;
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;
我國是世界人口大國,棚膜溫室是農業發展的主要生產模式之一。我國農用薄膜使用量位居世界前列,但是年產量與國外發達國家相比仍存在差距。與此同時使用轉光膜提高溫室產量,改善作物品質是現代新型農業發展的重要舉措之一。轉光膜是一類可轉換光波波長的功能膜,它可將某些對植物有害以及不能引發植物光合作用的光轉化為可引發植物光合作用的光[1]。有研究表明,轉光膜能把陽光從高能短波轉化為低能長波和介質波來提高溫室的溫度,提高光合效率,縮短生長周期,提高農作物的質量[2,3,4,5]。目前,通過熔融插層法制備了具有光轉換功能的納米聚乙烯薄膜,用XRD、UV-Vis、FL、TGA等方法對轉光膜的性能進行了分析研究,結果表明新型納米轉光膜能有效地吸收對植物有害、對溫室棚膜有破壞作用的206～360 nm的紫外光,發射360～500 nm的藍紫光,且其具有良好的抗熒光衰減性能[6]。但是李紅玫等[7]研究表明,轉光膜對甘藍霜霉病和蚜蟲的發生未表現出明顯的控制作用。劉雙清等[8]研究也表明,轉光膜對萵苣霜霉病的防治作用不明顯。近年來蔬菜種植面積逐年增加,種植種類越來越多,但由于不同的蔬菜對溫光的要求存在較大的差異,因此,為了進一步研究轉光膜的特性和效果,該研究以意大利生菜為試驗對象,對轉光膜和普通膜進行對比試驗,系統研究轉光膜對生菜生長的環境、土壤和生長形態等因素的影響,以期為進一步研究轉光膜對作物的生長提供參考依據。
1、 材料與方法
1.1 、試驗材料
試驗于2019年9—11月在北京市昌平區國家精準農業示范基地日光溫室內進行。溫室規格為長度40.0 m、跨度6.5 m、高度3.0 m。2個溫室棚膜分別使用轉光膜(圖1)與普通棚膜(圖2)。試驗所用的轉光膜是稀土轉光材料薄膜,該薄膜是以PVC為載體,加入一定比例的稀土轉光農膜熒光粉制成薄膜,當陽光照射時,陽光中的紫外線(會損傷植物組織)和綠光(會被植物反射而損失)被稀土轉光材料吸收轉換,釋放出對植物生長有利的藍光和紅光,使棚內的藍色和紅色光譜成分增加,提高了光能利用率。供試對象為意大利生菜(Lactuca sativa L.),使用地下水進行灌溉。2個溫室內土壤的基本理化性質見表1。
表1 土壤基本物理性質
圖1 轉光膜
Fig.1 Light conversion film
圖2 普通膜
Fig.2 Common film
1.2 、試驗方法
試驗設置2個處理,一個溫室使用轉光膜,另一個溫室使用普通膜,2個溫室種植、田間管理、水肥模式均一致。每個溫室種植24壟生菜,每壟種植2行,采用滴灌灌溉,每行生菜布設一條滴灌帶。滴灌系統首部由封閉水桶、逆止閥、閘閥等控制設備和水表、壓力表等計量設備組成,整個滴灌系統設置2級過濾,分別為網式過濾器和疊片式過濾器,滴灌系統運行壓力為0.1 MPa。2019年9月18日定植,生菜定植第55天時收獲,收獲后測定生菜產量。
1.3 、項目測定
1.3.1 、溫室環境參數的測定
由自動氣象站觀測空氣溫度、光照強度、空氣濕度等環境因子的變化。
1.3.2 、土壤參數的測定
基于埋設的土壤傳感器(美國Decagon,EC-5土壤水分傳感器),實時監測土壤溫度變化情況。
1.3.3 、作物生長參數的測定
定株測量生菜生長指標,每個處理選取6株,每7 d用直尺測量生菜株高(莖基部到最高點距離)、葉長、葉寬,葉長和葉寬所測葉片為植株最大葉片。生菜收獲后,每個溫室測定2壟生菜的地上部鮮質量及株數,得到平均單株質量,計量每個溫室的生菜總株數,得出總產量。
1.4 、數據分析
采用Microsoft Excel 2010軟件處理數據,采用Origin 2017軟件繪制圖表,采用SPSS 23軟件統計分析。
2 、結果與分析
2.1 、轉光膜對溫室環境的影響
2.1.1、 轉光膜對空氣溫度的影響
整個生育期內,轉光膜溫室和普通膜溫室的溫度隨著月增長逐漸降低,在1 d的變化內,最高溫度出現在13:00—15:00,最低溫度出現在05:00—07:00。
由表2可知,轉光膜溫室和普通膜溫室的平均空氣溫度存在顯著性差異,溫室利用轉光膜后平均溫度在9—11月分別提高了1.63%、2.16%和2.68%。此外,生育期內轉光膜溫室的空氣最高溫度和最低溫度較普通膜溫室也存在極顯著差異,最高溫度分別提高了2.99%、0.30%和1.83%,最低溫度分別提高了3.38%、0.61%和1.58%,表明轉光膜可有效提高溫室溫度。
表2 生育期內空氣溫度分析
注:表中P表示同列數據顯著性差異(P<0.05),“*”表示因素影響顯著(0.01≤P<0.05),“**”表示因素影響差異極顯著(0.001≤P<0.01),“ns”表示因素影響不顯著,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 、轉光膜對溫室空氣濕度的影響
生育期內日光溫室空氣濕度隨著月數增加逐漸增加,在1 d中呈劇烈變化過程,最高濕度出現在06:00—08:00,最低濕度出現在13:00—15:00。
由表3可知,在9—11月中,轉光膜溫室的平均濕度與普通膜溫室相比,分別降低了5.25%、2.69%和0.67%,9月和10月的平均空氣濕度差異極顯著,11月差異不顯著。9月和10月的轉光膜溫室最高空氣濕度較普通膜溫室降低了2.09%和0.82%,11月轉光膜溫室較普通膜溫室提高了2.09%。9月和10月中,轉光膜溫室最低空氣濕度較普通膜溫室提高了2.09%和0.52%,在11月轉光膜溫室較普通膜溫室降低了0.74%。生菜結球后期要求較低的空氣濕度,若空氣濕度較高,則極易引起軟腐病、菌核病等病害發生。轉光膜溫室和普通膜溫室的空氣濕度差異極顯著,有效的減少了病蟲害的產生。
2.1.3、 轉光膜對溫室CO2濃度的影響
在整個生育期內,溫室CO2濃度全天變化較大,最高CO2濃度出現在11月。由表4可知,與普通膜相比,轉光膜溫室中平均CO2濃度分別顯著提高了26.40%、33.14%和33.38%,2種膜下溫室CO2濃度差異極顯著。在1 d之內,CO2最高濃度出現在06:00—08:00,CO2最低濃度出現在13:00—17:00,其中轉光膜溫室的最高CO2濃度較普通膜溫室分別極顯著或顯著提高了4.61%、19.92%和24.61%,最低CO2濃度分別提高了89.41%、71.72%和59.77%。
表3 生育期內空氣濕度分析
表4 生育期內CO2濃度分析
2.1.4、 轉光膜對光照強度的影響
日光溫室平均光照強度均呈“單峰型”變化規律,最高光照強度出現在9月。揭開遮陽簾后,1 d之內最高光照強度出現在11:00—13:00,最低光照強度出現在17:00—18:00。
由表5可知,轉光膜溫室和普通膜溫室的全天光照強度變化比較大。轉光膜溫室和普通膜溫室對平均光照強度影響差異極顯著。9—11月中,轉光膜溫室的平均光照強度較普通膜溫室分別提高了3.13%、4.48%和2.55%。最高光照強度中,轉光膜溫室較普通膜溫室差異極顯著(9—10月)或顯著(11月),分別提高了2.44%、1.48%和18.68%。最低光照強度中,轉光膜溫室較普通膜溫室分別顯著提高了20.45%、16.99%和4.00%(最低光照分析中去掉了夜晚及因棚面覆簾造成的0值光照強度)。
表5 生育期內光照強度分析
2.2 、轉光膜對土壤溫度的影響
轉光膜對土壤溫度的影響較顯著。整個生育期內,轉光膜日光溫室和普通膜日光溫室的土壤溫度全天變化較大,轉光膜溫室最高土壤溫度和最低土壤溫度較普通膜溫度差異極顯著。其中,9月棚膜溫室間平均土壤溫度差異極顯著,10月和11月差異均不顯著。
圖3 生育期內土壤溫度變化
Fig.3 Changes of soil temperature in growth period
注:不同小寫字母表示差異極顯著。
Note:Different lowercase letters show extremely significant difference.
由圖3可知,轉光膜溫室的平均土壤溫度、最高土壤溫度和最低土壤溫度均明顯高于普通膜溫室,而且最高土壤溫度出現在9月。在1 d之內,最高溫度出現在15:00—18:00,最低溫度出現在05:00—08:00。在9—11月中,轉光膜溫室的平均土壤溫度較普通膜溫室分別提高了7.48%、1.78%和1.58%。轉光膜溫室的最高土壤溫度較普通膜溫室分別提高了9.31%、2.19%和1.70%,最低土壤溫度分別提高了3.60%、3.08%和6.66%。
2.3 、轉光膜對作物生長的影響
由表6可知,轉光膜和普通膜對生菜的株高、葉長、葉寬的影響差異不顯著,轉光膜溫室的株高、葉長和SPAD較普通膜溫室分別提高了3.55%、2.55%和2.42%。轉光膜溫室的葉寬較普通膜溫室降低了1.21%。與普通膜溫室相比,轉光膜溫室的平均單株質量極顯著提高了8.54%,平均公頃產量也極顯著提高了8.54%,表明轉光膜促進生菜的生長發育,增加生菜的產量。
3 、討論
轉光膜具有對溫室環境參數的調控效果。該研究發現,轉光膜溫室的空氣溫度、光照強度較普通膜溫室有很大的提高。唐顥等[9]研究結果表明,轉光膜的保溫效果稍優于普通膜。王玉霞等[10]研究結果表明,轉光膜的透光率較高,增溫效果較好,同時具有調節棚內溫度的作用,這與該研究結果類似。這是因為轉光膜能夠吸收高能量的紫外光和綠黃光,發射低能量的藍紫光和紅橙光,將太陽光中能量相對較大的紫外線轉換成能量較小的光,能量差以熱的形式釋放出來,提高了塑棚溫室的升溫速度、升降溫速比和積溫,形成有利于植物光合作用的可見光,改善了低溫寡照天氣對光合作用的影響[11]。此外,該研究發現轉光膜溫室可以顯著提高溫室內的CO2濃度。這是由于轉光膜能在保留普通農膜基本性能的基礎上,按照植物生長需要將太陽光中對植物光合作用有害或無用的紫外光、綠光轉化為光合作用所需的紅光或藍光,增加了棚內紅光和藍光的比例,葉綠體色素對紅光和藍光都有很好的吸收,增加了呼吸速率,提高了CO2濃度[12,13]。
表6 轉光膜對作物生長形態分析
土壤溫度對根系的影響很大,其影響根系的生長、呼吸和吸收能力。李文秀等[14]研究結果表明轉光膜可改善溫室大棚內光照條件,有效提高空氣溫度和土壤溫度。這與該研究結果類似。對大多數植物來說,隨著土壤溫度增高,生長也加快,根系吸收作用和呼吸作用加強,物質運輸加快,因而細胞分裂和伸長的速度也隨之而增,間接影響植物的生長。轉光膜可將太陽光中的高能短波轉換成低能量級長波和中長波,調整太陽光譜,將對作物光合作用不利的紫外光等轉換成作物需要的藍紫光和紅橙光。地面只能以紅外波段向外釋放熱量,轉光膜可以有效反射這部分紅外波段的能量,提高土壤的溫度。
轉光膜具有提高作物生長形態發育的效果。該研究發現轉光膜溫室的株高、葉長、SPAD均比普通膜溫室的高,并且對作物產量有了顯著提高。前人研究發現,轉光膜可以增大株高、最大葉長、最大葉寬和株幅[15],這也與該研究結果類似。一是因為試驗分別提高了空氣溫度、土壤溫度2.1%和3.32%,促進了作物生長;二是因為試驗得到CO2濃度增加了31.73%,CO2是植物進行光合作用的必需養料,主要從大氣中取得,而大氣中的CO2濃度基本上是恒定的,溫室中由于與外界相對隔絕,CO2被消耗后,不能很快補充,但是轉光膜溫室可以提高其濃度,促使CO2固定,增強植物的光合能力,而且植物的光合速率會隨著CO2濃度增加而提高,促進作物生長;三是因為轉光膜棚內的紫外線透過率減少,減少植株病蟲害[16]。
4、 結論
溫室內濕度、溫度、光照強度、CO2濃度等各種要素共同作用影響生菜的生長發育。轉光膜溫室空氣溫度、光照強度、CO2濃度和土壤溫度對生菜影響較普通膜均有顯著提高,與普通膜相比,應用轉光膜溫室的株高、葉長、SPAD和平均單株質量分別提高了3.55%、2.55%、2.42%和8.54%,促進了作物的生長,最終提高了生菜的產量,較普通膜增產8.54%。轉光膜作為一種改性材料在溫室生菜的栽培上應有具有提高光能利用效率促進作物生產的有益作用。
參考文獻
[1] 胡澤善,李嵐華,邵承斌,等.轉光膜材料及研究現狀[J].材料導報,2008,22(S2):290-293.
[2] YU Y L,XU P F,JIA S L,et al.Exploring polylactide/poly(butylene adipate-co-terephthalate)/rare earth complexes biodegradable light conversion agricultural films[J].International Journal of Biological Macromolecules,2019,127:210-221.
[3] LIU D,WANG Z.Novel polyaryletherketones bearing pendant carboxyl groups and their rare earth complexes,Part I:Synthesis and characterization[J].Polymer,2008,49(23):4960-4967.
[4] MA Y,WANG Y.Recent advances in the sensitized luminescence of organic europium complexes Coord[J].Chem Rev,2010,254:972-990
[5] WANG D,WANG F,PENG W.Study of synthesis and fluorescence of europium complex/copolymer composite optical resins by in situ preparation synth[J].Met,2011,161:2295-2300.
[6] 邵毛妮,周寧琳,李文秀,等.一種新型納米轉光膜的制備及增溫效應[J].功能材料,2017,48(4):4013-4017
[7] 李紅玫,易圖永,馬駿,等.轉光農膜對甘藍生產的影響[J].湖南農業科學,2011(9):39-40,44.
[8] 劉雙清,易圖永,馬駿,等.轉光農膜對萵苣生長和霜霉病發生的影響[J].湖南農業科學,2011(7):73-75.
[9] 唐顥,劉曉瑭,陳震東,等.冬春季低溫期大棚茶園覆蓋轉光膜的綜合效應[J].廣東農業科學,2014,41(10):18-22.
[10] 王玉霞,徐坤,米慶華,等.轉光膜的溫光效應及其對春大白菜生長發育的影響[J].中國蔬菜,2006(9):12-15.
[11] 王平利,曹國榮.轉光膜性能研究相關問題的探討[J].北京印刷學院學報,2005(2):21-23.
[12] 王鵬,李瑩,王慶昭,等.轉光薄膜用轉光劑的研究進展[J].山東科技大學學報(自然科學版),2011,30(4):71-79,85.
[13] 秦立潔,田巖.高光能農膜轉光性能的研究[J].中國塑料,2002(3):55-61.
[14] 李文秀,周寧琳,陳園園,等.新型“光肥”對溫室大棚內環境因子及小青菜生長的影響[J].農業科學與技術(英文版),2014,15(12):2245-2248.
[15] WU W B,ZHANG Z B,DONG R Y,et al.Characterization and properties of a Sr_2Si_5N_8:Eu～(2+)-based light-conversion agricultural film[J].Journal of Rare Earths,2020,38(5):539-545
[16] 黃度,周樹華,劉劍,等.稀土摻雜聚氨酯光固化涂層光轉換膜的制備及性能[J].高分子材料科學與工程,2003(4):173-176.
