Design and experiment of root heating system for greenhouse potted crops
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摘要:目的
为解决长江三角洲地区冬季没有加温设备的温室或大棚中盆栽作物易受低温冷害的问题，设计一种适用于矮株作物的根区加热系统。
方法研制了一种嵌套式双层栽培盆，夹层采用绝缘脂发泡剂填充，栽培盆基质内分别放置2块80 W/m2、15 cm×12 cm的硅橡胶加热板，加热板由STM32单片机输出信号到固态继电器进行加热功率控制，使用模糊PID控制算法，实时控制作物根区温度到设定值。
结果根区温度控制相对误差不超过5%。在连续低温条件下(连续一周平均气温低于5 ℃)，当根区温度分别设定为15、20和25 ℃时，相比于对照组，高度为25~35 cm的作物地上部分日间平均温度分别提高1.4、2.6和3.7 ℃，夜间平均温度分别提高2.1、2.9和4.0 ℃；且与普通栽培盆相比，本文设计的保温栽培盆在3种不同根区温度下分别节省电能24.2%、25.3%和23.8%。
结论设计的作物根区加热系统，在连续低温条件下，不仅能有效提高作物根区温度，同时对作物地上部分也具有升温效果，一定条件下可缓解低温胁迫对冬季作物生长的影响。
Abstract:ObjectiveTo design a root heating system suitable for dwarf crops, so as to solve the problem that potted crops in greenhouse without heating equipment in the Yangtze river delta region are vulnerable to low temperature and cold damage in winter.
MethodA nested double-layer cultivation pot was designed. The interlayer was filled with insulating fat foaming agent. Two silicone rubber heating plates of 80 W/m2 and 15 cm ×12 cm were placed in the substrate of the cultivation pot. The heating plate was controlled by STM32 MCU, which output signals to the solid state relay for heating power control. Fuzzy PID control algorithm was used to control the temperature of the crop root area to the set value in real time.
ResultThe relative error of root zone temperature control did not exceed 5%. Under the condition of continuous low temperature (average temperature below 5 ℃ for a week), when the root zone set temperature was 15, 20 and 25 ℃, the average daytime temperature of the aboveground parts with 30-35 cm height of crops increased by 1.4, 2.6 and 3.7 ℃ respectively compared with the control group, while their average night temperature increased by 2.1, 2.9 and 4.0 ℃ respectively. Compared with the common pot, the pots with root zone temperature of 15, 20, 25 ℃ saved electric energy by 24.2%, 25.3% and 23.8% respectively.
ConclusionUnder the condition of continuous low temperature, our system can not only effectively increase the temperature of crop root zone, but also can heat up the aboveground part of crop. Under certain conditions, our system can alleviate the effects of cold stress on winter crop growth.
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Keywords:
- greenhouse /
- temperature control /
- crop root zone /
- cultivation pot /
- silicone rubber heating plate /
- STM32
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磷(Phosphorus，P)既是核酸、蛋白质、脂质等生物大分子的重要组成成分，同时，还参与光合作用、能量代谢、各种生化反应的调节和细胞信号传导等多种代谢过程[1]，因此，磷是植物生长不可缺少的营养元素。玉米Zea mays L.是世界上三大粮食作物之一，在我国农业生产中占据重要的地位[2]。近年来，磷素营养在玉米生长发育中的作用越来越受到重视，合理施磷不仅能够增加玉米的产量[3]，促进玉米根系生长(总根长、根体积和根表面积增加)[4]，还能够提高玉米叶绿素含量和可溶性蛋白含量[5]。
土壤是农业生产的基础，植物所需的磷素营养主要来自土壤。土壤酸碱性是土壤的基本属性之一，影响着土壤的肥力和植物的生长，我国土壤pH大多在4.5~8.5范围内[6]。在酸性和石灰性土壤中磷素都是容易缺乏的必需营养元素。酸性土壤中含有活性高的铝、铁、锰等有害元素，具有较强的固磷能力；而在石灰性土壤中磷素容易被含量丰富的钙、镁等离子固定，导致磷在土壤中的有效性大大降低。由于植物在土壤中只能吸收离子态的磷，因此，生长过程中植物经常遭受低磷胁迫的危害[7]。根系是植物吸收养分的主要器官，在缺磷条件下，植物可以通过改变根形态构型、根系生理性状以及与有益微生物共生来缓解低磷胁迫。例如，在低磷条件下，植物可以增加总根长、侧根数量、根毛长度，使根系直径变小等增加根系与土体的接触面积，从而获取更多的磷素；植物也可以通过分泌质子、磷酸酶、羧酸盐等将土壤中难溶态磷活化为有效态磷，促进根系磷吸收[8-9]。与丛枝菌根真菌共生，通过根外菌丝扩大根系磷素吸收面积，也是植物缓解低磷胁迫的重要途径[10]。与此同时，施用磷肥是缓解酸性或石灰性土壤中植物缺磷的有效方法。石灰性土壤施用磷肥能够使土壤有效磷含量显著增加[11]、提高小麦的磷含量以及产量[12]、缓解玉米的盐胁迫并提高玉米生物量以及产量[13]。在酸性土壤上，施用磷肥同样能够较好改善紫花苜蓿的生长状况[14]。玉米是磷素敏感的作物，玉米在不同类型土壤上对低磷及施磷响应的对比研究报道较少。为了探究玉米在不同类型土壤上对高、低磷的响应，本研究分别在2种不同来源的酸性土壤(NX和WY)与2种不同来源的石灰性土壤(SP和CP)上进行了不同磷处理的盆栽试验，旨在了解玉米在不同类型土壤上对低磷及施磷的响应，为不同类型土壤上制定合理的玉米施磷方案、提高玉米产量提供参考。
1. 材料与方法
1.1 材料
供试玉米品种是‘正甜 68’。供试土壤分别来自于中国南方(NX和WY)和北方(SP和CP)，土壤pH和有效磷含量差异较大。NX：酸性土壤，采自华南农业大学宁西试验基地(23°13′N，13°81′E)，pH 4.5，有效磷0.97 mg∙kg−1；WY：采自翁源广东省生物工程研究所试验基地(24°28′N，113°94′E)，pH 4.9，有效磷0.04 mg∙kg−1；SP：采自新疆农业大学三坪教学试验基地(43°56′N，87°21′E)，pH 8.6，有效磷4.82 mg∙kg−1；CP：采自中国农业大学昌平试验基地(40°08′N，116°10′E)，pH 7.9，有效磷0.50 mg∙kg−1。土壤其他理化性状见文献[15]。
1.2 试验设计
试验采用两因素试验设计，A因素为不同类型的土壤，即酸性土壤和石灰性土壤；B因素为2种磷水平，即不施磷处理(低磷，LP)和施过磷酸钙[w (P)=50 mg∙kg−1，高磷，HP]。钾肥施用氯化钾[w (K)=70 mg∙kg−1]；氮肥施用尿素[w (N)=70 mg∙kg−1]。每个处理设4个重复。
每种土壤称取3.3 kg，在播种前与肥料混匀后倒入矩形花盆(29 cm×13 cm×11 cm)中，并浇500 mL去离子水，2 d后，每盆播种6粒玉米种子，盖土后浇200 mL去离子水，播种7 d后，间苗使每盆2棵苗。试验采用完全随机设计，种植期间进行常规管理，适时补充水分保持土壤湿润。
1.3 样品的收获与测定
在播种50 d后收获，收样时，将地上部和根部分开，地上部用信封装好后放入烘箱105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒质量进行称样。地下部根系去除松散的大块土，收集紧附在根上的根际土用于测定碱性磷酸酶活性；之后将根系浸入塑料瓶(装有100 mL 0.2 mmol/L CaCl2溶液)中轻轻摇晃，收集涮根溶液用于测定根际酸性磷酸酶活性、羧酸盐含量和pH。
1.3.1 根际酸性磷酸酶活性测定
采用对硝基苯磷酸盐反应比色法[16]。将0.5 mL土壤悬浊液加入2 mL的离心管中，加入0.4 mL 200 mmol/L醋酸钠缓冲液和0.1 mL 150 mmol/L对硝基苯磷酸二钠底物溶液。放入25~30 ℃的恒温箱内培养1 h。反应结束时用0.5 mL 0.5 mol/L NaOH溶液终止反应。同时设置空白对照：重复上述土壤悬浊液、缓冲液和底物的加入步骤，但在加入底物后立即加入NaOH溶液终止反应，然后放入恒温箱内培养1 h。培养结束后于12 000 r/min离心10 min，取上清液在405 nm的波长下比色读取吸光度。此外，为了获得土壤基础数据，将底部土层在90 ℃条件下烘干，并测定烘干土样的干质量。
1.3.2 根际碱性磷酸酶活性和pH测定
取0.5 g根际土加入2 mL的离心管中，将醋酸钠缓冲液改为200 mmol/L 碳酸氢钠缓冲液，其余步骤与“1.3.1”步骤一致。根际土壤用pH计测定pH后，再烘干并称质量，矫正水土比为2.5∶1.0的pH[17]。
1.3.3 根际羧酸盐含量的测定
将涮根溶液用0.22 µm水系滤膜过滤至进样器中，采用高效液相色谱仪(HPLC)测定，测试条件为：Agilent 1200 HPLC system (Agilent Technologies, Waldbronn, Germany)，色谱柱(Thermo C18 5 µm Micron, Length 250 mm, I.D. 4.6 mm)，流动相0.2%(φ)偏磷酸溶液，流速1 mL/min，柱温35 ℃，DAD检测器，检测波长210 nm，进样体积20 µL。根据标准品的出峰时间，对应找出样品出峰时间，通过标准曲线计算出涮根溶液中羧酸盐的浓度，按照下式计算根际羧酸盐含量[18]：
$$ b=cV/m， $$ 式中，b为根际羧酸盐质量摩尔浓度，μmol/g；c为涮根溶液中羧酸盐的浓度，μmol/L；V为涮根溶液总体积，L；m为土壤干质量，g。
1.3.4 根系性状和菌根侵染率的测定
根系利用扫描仪扫描后使用根系分析软件WinRHIZO (Regent Instruments Inc., 加拿大)分析测定单株玉米总根长、根表面积、根体积和平均根直径等根系性状。扫描后的根系取部分样品，先用10%(w)KOH溶液进行透明处理，再使用5%(φ)醋酸墨水染液进行染色，采用网格交叉法[19]进行菌根侵染率的测定。之后，将根部样品105 ℃杀青后75 ℃烘干至恒质量。烘干的地上部和根部样品粉碎后用H2SO4−H2O2法消煮，流动分析仪(Skalar, 荷兰)测定磷质量。
1.4 数据处理
使用Excel软件(Microsoft 2019)进行数据处理，采用IBM SPSS Statistics 26统计软件进行双因素方差分析和多重比较(Duncan’s法)，使用Origin 2021b作图软件对植株功能性状进行主成分分析。
2. 结果与分析
2.1 土壤类型和磷处理对玉米植株干质量和磷质量的影响
不同的土壤类型和磷处理均显著影响植株干质量，且土壤类型和磷处理的影响存在显著的交互作用(P<0.001，表1)。图1A可以看出，SP石灰性土壤的植株干质量在低磷和高磷条件下都是最高的；在低磷条件下，SP石灰性土壤的植株干质量比NX酸性土壤的增加了9.4倍，比WY酸性土壤的增加了23.9倍；在高磷条件下，SP石灰性土壤的植株干质量比NX酸性土壤的增加了0.8倍，比WY酸性土壤的增加了0.7倍；在施磷(HP)或不施磷(LP)条件下，CP石灰性土壤的植株干质量与2种酸性土壤之间差异均不显著。在酸性和石灰性土壤中施用磷肥均能显著增加植株的干质量，与不施磷相比，酸性土壤NX和WY施磷后植株干质量分别增加了6.5和18.0倍，石灰性土壤SP和CP施磷后植株干质量分别增加了0.3和5.8倍。
表 1 土壤类型(S)和磷处理(P)对玉米植株生长以及根际指标影响的方差分析1)Table 1. Analysis of variance of effects of soil types (S) and phosphorus treatments (P) on plant growth and rhizosphere indexes in maize性状(指标) Trait (Indicator) S P S×P 植株干质量 Plant dry weight 261.50*** 632.72*** 16.00*** 植株磷质量 Plant phosphorus weight 16.79*** 632.72*** 1.36*** 总根长 Total root length 2.23ns 145.28*** 9.46*** 根表面积 Root surface area 10.94*** 73.06*** 10.21*** 根体积 Root volume 16.58*** 51.40*** 9.90*** 平均根直径 Average root diameter 64.82*** 59.14*** 16.92*** 菌根侵染率 Mycorrhizal colonization rate 8.25** 181.10*** 23.27*** 根际 pH Rhizosphere pH 1553.68*** 7.54* 5.91** 根际羧酸盐含量 Carboxylate content in rhizosphere 12.57*** 35.30*** 6.56** 根际酸性磷酸酶活性 Acid phosphatase activity in rhizosphere 12.45*** 2.93ns 3.53* 根际碱性磷酸酶活性 Alkaline phosphatase activity in rhizosphere 8.48** 1.01ns 1.25ns 1)“*”：0.01≤P<0.05；“**”：0.001≤P<0.01； “***”：P<0.001； “ns”：不显著
1) “*”: 0.01≤P<0.05; “**”: 0.001≤P<0.01; “***”: P<0.001; “ns”: No significance![]()
图 1 不同土壤类型和磷处理对玉米植株干质量和磷质量的影响LP：不施磷；HP：施磷；NX：宁西酸性土壤；WY：翁源酸性土壤；SP：三坪石灰性土壤；CP：昌平石灰性土壤；各图中柱上不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 1. Effects of different soil types and phosphorus treatments on plant dry weight and P weight in maizeLP: No P added; HP: P fertilizer added; NX: Acid soil of Ningxi; WY: Acid soil of Wengyuan; SP: Calcareous soil of Sanping; CP: Calcareous soil of Changping; In each figure, different lowercase letters on the column represent significant differences among different treatments (P< 0.05, Duncan’s method)不同的土壤类型和磷处理均显著影响植株磷质量，且土壤类型和磷处理的影响存在显著的交互作用(P<0.001，表1)。图1B可以看出，SP石灰性土壤的植株磷质量在低磷和高磷条件下都是最高的，在低磷条件下，SP石灰性土壤的植株磷质量比NX酸性土壤的增加了8.7倍，比WY酸性土壤的增加了40.2倍；CP石灰性土壤的植株磷质量与酸性土壤无显著差异；在高磷条件下，SP石灰性土壤的植株磷质量比NX酸性土壤的增加了0.8倍，比WY酸性土壤的增加了1.7倍；CP石灰性土壤的植株磷质量与NX酸性土壤无差异，但显著高于WY酸性土壤。从磷处理来看，施磷显著增加了植株磷质量，与不施磷相比，酸性土壤NX和WY施磷后植株磷质量分别增加了9.7和28.6倍，石灰性土壤SP与CP施磷后植株磷质量分别增加了0.9与7.2倍。
2.2 土壤类型和磷处理对玉米根系性状的影响
2.2.1 总根长与根表面积
不同磷处理显著影响玉米总根长，且土壤类型和磷处理的影响存在显著的交互作用(P<0.001，表1)。图2A可以看出，在低磷条件下，SP石灰性土壤的总根长比NX酸性土壤增加了0.9倍，比WY酸性土壤增加了2.0倍；CP石灰性土壤的总根长与NX无显著差异，但显著高于WY；在高磷条件下，SP土壤的总根长与NX无显著差异，但显著低于WY。施磷显著增加了玉米总根长，与不施磷相比，酸性土壤NX和WY施磷后的玉米总根长分别增加了1.6和3.8倍，石灰性土壤SP和CP施磷后的玉米总根长分别增加了0.3与1.2倍。
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图 2 不同土壤类型和磷处理对玉米总根长和根表面积的影响LP：不施磷；HP：施磷；NX：宁西酸性土壤；WY：翁源酸性土壤；SP：三坪石灰性土壤；CP：昌平石灰性土壤；各图中柱上不同小写字母代表不同处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 2. Effects of different soil types and phosphorus treatments on total root length and root surface area in maizeLP: No P added; HP: P fertilizer added; NX: Acid soil of Ningxi; WY: Acid soil of Wengyuan; SP: Calcareous soil of Sanping; CP: Calcareous soil of Changping; In each figure, different lowercase letters on the column represent significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)不同土壤类型和磷处理均显著影响玉米根表面积，且土壤类型和磷处理的影响存在极显著的交互作用(P<0.001，表1)。图2B可以看出，在低磷条件下，SP石灰性土壤的根表面积比NX酸性土壤增加了3.1倍，比WY酸性土壤增加了4.7倍；CP石灰性土壤的根表面积与2种酸性土壤无显著差异；在高磷条件下，2种石灰性土壤的根表面积和2种酸性土壤之间均无显著差异。施磷显著增加了酸性土壤上玉米的根表面积，与不施磷相比，NX和WY施磷后根表面积分别增加了2.2和5.1倍；在石灰性土壤中，SP土壤施磷后根表面积与不施磷的差异不显著，而CP土壤施磷后根表面积比不施磷的增加了2.0倍。
2.2.2 根体积与平均根直径
不同土壤类型和磷处理显著影响玉米根体积，且土壤类型和磷处理的影响存在显著的交互作用(P<0.001，表1)。图3A可以看出，在低磷条件下，SP石灰性土壤的根体积比NX酸性土壤高6.0倍，比WY酸性土壤高7.8倍，而CP石灰性土壤的根体积与2种酸性土壤之间均无显著差异；在高磷条件下，SP土壤的根体积比NX增加了0.6倍，但与WY无显著差异；CP土壤的根体积比NX增加了0.7倍，但与WY无显著差异。在酸性土壤中，施磷显著增加了玉米的根体积，NX和WY施磷后的玉米根体积比不施磷的分别增加了3.0和6.6倍；在石灰性土壤中，SP施磷后玉米根体积与不施磷相比无明显变化，CP施磷后玉米根体积比不施磷的增加了3.1倍。
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图 3 不同土壤类型和磷处理对玉米单株根体积和平均根直径的影响LP：不施磷；HP：施磷；NX：宁西酸性土壤；WY：翁源酸性土壤；SP：三坪石灰性土壤；CP：昌平石灰性土壤；各图中柱上不同小写字母代表不同处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 3. Effects of different soil types and phosphorus treatments on root volume and average root diameter in maizeLP: No P added; HP: P fertilizer added; NX: Acid soil of Ningxi; WY: Acid soil of Wengyuan; SP: Calcareous soil of Sanping; CP: Calcareous soil of Changping; In each figure, different lowercase letters on the column represent significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)不同的土壤类型和磷处理显著影响玉米平均根直径，且不同土壤类型和磷处理的影响存在显著的交互作用(P<0.001，表1)。图3B可以看出，低磷条件下，SP石灰性土壤的平均根直径比NX酸性土壤增加了0.7倍，比WY酸性土壤增加了0.5倍；CP石灰性土壤的玉米平均根直径比NX增加了0.1倍，与WY无显著差异。施磷显著增加了酸性土壤中玉米的平均根直径，NX与WY施磷后玉米平均根直径均比不施磷的增加了0.2倍；在石灰性土壤中，SP施磷后玉米平均根直径与不施磷的无明显变化，CP施磷后玉米平均根直径比不施磷的增加0.4倍。
2.3 土壤类型和磷处理对玉米菌根侵染率的影响
不同的土壤类型和磷处理显著影响玉米的菌根侵染率，且土壤类型和磷处理的影响存在显著的交互作用(0.001≤P<0.01或P<0.001，表1)。图4可以看出，在酸性土壤中，NX和WY不施磷处理的菌根侵染率分别比施磷的高1.4和0.9倍；在石灰性土壤中，与施磷处理相比，SP不施磷的玉米菌根侵染率无显著变化，CP不施磷的玉米菌根侵染率高1.2倍。在低磷条件下，2种石灰性土壤菌根侵染率均显著低于2种酸性土壤；在高磷条件下，SP石灰性土壤的菌根侵染率显著高于2种酸性土壤；CP石灰性土壤的菌根侵染率与NX酸性土壤无显著差异，但显著低于WY酸性土壤。
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图 4 不同土壤类型和磷处理对玉米菌根侵染率的影响LP：不施磷；HP：施磷；NX：宁西酸性土壤；WY：翁源酸性土壤；SP：三坪石灰性土壤；CP：昌平石灰性土壤；柱上不同小写字母代表不同处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 4. Effects of different soil types and phosphorus treatments on mycorrhizal colonization rate in maizeLP: No P added; HP: P fertilizer added; NX: Acid soil of Ningxi; WY: Acid soil of Wengyuan; SP: Calcareous soil of Sanping; CP: Calcareous soil of Changping; Different lowercase letters on the column represent significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)2.4 土壤类型和磷处理对玉米根际指标的影响
2.4.1 根际pH和羧酸盐含量
不同的土壤类型和磷处理均显著影响玉米根际pH，且不同土壤类型和磷处理的影响存在显著的交互作用(P<0.001、0.01≤P<0.05或0.001≤P<0.01，表1)。图5A可以看出，石灰性土壤的玉米根际pH显著高于酸性土壤；施磷降低了CP石灰性土壤的玉米根际pH，但对其他3种土壤的玉米根际pH无显著影响。
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图 5 不同土壤类型和磷处理对玉米根际pH和根际羧酸盐含量的影响LP：不施磷；HP：施磷；NX：宁西酸性土壤；WY：翁源酸性土壤；SP：三坪石灰性土壤；CP：昌平石灰性土壤；各图中柱上不同小写字母代表不同处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 5. Effects of different soil types and phosphorus treatments on rhizosphere pH and carboxylate content in maizeLP: No P added; HP: P fertilizer added; NX: Acid soil of Ningxi; WY: Acid soil of Wengyuan; SP: Calcareous soil of Sanping; CP: Calcareous soil of Changping; In each figure, different lowercase letters on the column represent significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)不同的土壤类型和磷处理均显著影响玉米根际羧酸盐含量，且不同土壤类型和磷处理的影响存在显著的交互作用(P<0.001或0.001≤P<0.01，表1)。图5B可以看出，在低磷条件下，NX酸性土壤的根际羧酸盐含量比SP石灰性土壤高42.8倍，但显著低于CP石灰性土壤；WY酸性土壤的根际羧酸盐含量显著高于其他土壤；在高磷条件下，不同类型土壤的根际羧酸盐含量差异不显著。除SP外，低磷提高了玉米根际羧酸盐含量；在酸性土壤中，NX不施磷的根际羧酸盐含量比施磷高3.9倍，WY不施磷的根际羧酸盐含量比施磷高5.0倍；在石灰性土壤中，SP施磷与不施磷的玉米根际羧酸盐含量差异不显著，CP不施磷的玉米根际羧酸盐含量比施磷的高4.2倍。
2.4.2 根际磷酸酶活性
不同的土壤类型显著影响玉米根际酸性磷酸酶活性，土壤类型和磷处理的影响存在显著的交互作用(0.01≤P<0.05，表1)。图6A可以看出，NX酸性土壤的玉米根际酸性磷酸酶活性最高的，在低磷条件下，NX的玉米根际酸性磷酸酶活性比SP石灰性土壤高4.3倍，比CP石灰性土壤高14.8倍；在高磷条件下，NX的玉米根际酸性磷酸酶活性比SP高1.5倍，比CP高4.4倍。施磷降低了NX的根际酸性磷酸酶活性，但对另外3种土壤无显著影响。
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图 6 不同土壤类型和磷处理对玉米根际磷酸酶活性的影响LP：不施磷；HP：施磷；NX：宁西酸性土壤；WY：翁源酸性土壤；SP：三坪石灰性土壤；CP：昌平石灰性土壤；各图中柱上不同小写字母代表不同处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 6. Effects of different soil types and phosphorus treatments on rhizosphere phosphatase activities in maizeLP: No P added; HP: P fertilizer added; NX: Acid soil of Ningxi; WY: Acid soil of Wengyuan; SP: Calcareous soil of Sanping; CP: Calcareous soil of Changping; In each figure, different lowercase letters on the column represent significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)不同的土壤类型显著影响玉米根际碱性磷酸酶活性(0.001≤P<0.01，表1)。图6B可以看出，在低磷条件下，SP石灰性土壤的根际碱性磷酸酶活性与2种酸性土壤无显著差异；CP石灰性土壤的根际碱性磷酸酶活性显著低于NX酸性土壤，与WY酸性土壤无显著差异；在高磷条件下，SP石灰性土壤的根际碱性磷酸酶活性与NX酸性土壤无显著差异，但显著高于WY酸性土壤；CP石灰性土壤的根际碱性磷酸酶活性与2种酸性土壤无显著差异。在酸性土壤和石灰性土壤中，施磷对玉米的碱性磷酸酶活性均无显著影响。
2.5 基于不同土壤类型和磷处理的主成分分析
由图7可知，在低磷条件下，PC1和PC2累计贡献度达84.4%；在高磷条件下，PC1和PC2累计贡献度达71.4%。在高、低磷中，PC1非常明显地将2种酸性土壤与SP石灰性土壤区分开，而与CP石灰性土壤没有明显的区分，表明在高、低磷条件下，2种酸性土壤均与SP差异明显。在低磷条件下，根系性状与植株干质量和磷质量呈正相关关系；根际羧酸盐含量、菌根侵染率与植株干质量和磷质量呈负相关关系，表明在低磷条件下，玉米主要通过改变根系性状促进磷吸收；在高磷条件下，菌根侵染率、碱性磷酸酶活性、根际pH及平均根直径均与植株干质量和磷质量呈正相关关系，表明在高磷条件下，玉米可以通过同时调整根系(根际)性状和菌根侵染率来促进磷吸收。
3. 讨论与结论
3.1 土壤因素影响玉米生长和磷吸收
土壤pH和本底养分状况均能影响玉米的生长与施磷的效果。植物根系从土壤中获取养分促进自身的生长发育，不同的土壤性质会影响植物对养分的吸收[20]。本研究利用不同来源的2种酸性土壤和2种石灰性土壤进行玉米盆栽试验，结果表明，4种土壤对玉米生长的影响存在显著差异，尽管被测试的4种土壤在多个土壤理化性状上有差异，但主要差异是土壤pH的不同。pH会直接影响土壤中养分的溶解性和有效性，进而影响玉米生长[21]。有研究发现，酸性土壤中玉米的产量低于非酸性土壤[22]。在本研究中，2种酸性土壤的玉米植株干质量和磷质量在高、低磷条件下均与CP石灰性土壤无显著差异，但与SP石灰性土壤差异显著，这可能是由于SP土壤的本底有效磷含量较高。土壤pH和有效磷含量会直接限制植株对磷酸盐的吸收，进而影响玉米的生长[23]。与SP土壤相比，CP土壤全氮以及有效钾含量也较低，这可能也是影响玉米生长的因素。缺氮会抑制玉米光合作用和植物体内有机碳的积累，而缺钾会降低玉米的结实率，而且会影响其他营养元素的吸收和利用[24-25]。
3.2 植株根系和根际指标影响玉米对磷的活化吸收
根系性状对于提高植物的养分吸收起重要作用。较发达的根系能够更好地探索土壤空间，增加与土壤颗粒的接触面积，从而提高磷素的吸收能力[26]。低磷会刺激植株根系的生长进而增加养分吸收[27]；而施磷肥同样能够促进根系生长[28]。本研究发现，施磷显著增加了2种酸性土壤和CP石灰性土壤上玉米的总根长、根表面积、根体积和平均根直径，从而显著提高了玉米植株磷质量，表明施磷促进了根系生长，进而促进养分吸收。在不施磷条件下，SP石灰性土壤的玉米总根长、根表面积、根体积和平均根直径均显著高于其他土壤；施磷后SP土壤的总根长也显著增加。因此，在高、低磷条件下，SP土壤的玉米植株干质量和磷质量都是最高的。
菌根共生能够帮助植物获取更多的养分，尤其是磷[29]。通常低磷会增加菌根侵染率[30-32]，从而促进植物磷含量的增加。本研究中，低磷条件下，2种酸性土壤的玉米菌根侵染率均高于2种石灰性土壤，但是植株磷质量却没有显著提升，表明菌根侵染率的高低有时只是植株对低磷的响应，且受土壤本身酸碱性的影响。低磷条件下，2种酸性土壤以及CP石灰性土壤菌根侵染率显著高于施磷后；SP土壤由于本底有效磷含量较高，施磷前后菌根侵染率没有显著变化；所有土壤的植株磷质量在施磷后均显著增加，表明施用磷肥能更好地改善植株磷营养状况。
在缺磷条件下，植物会改变根际过程，提高对土壤中磷的高效利用[33]。本研究中，低磷条件下，2种酸性土壤以及CP石灰性土壤的玉米根际羧酸盐含量都显著高于施磷处理，NX酸性土壤的玉米根际酸性磷酸酶活性显著高于施磷处理，表明在低磷条件下，玉米可以通过促进根际羧酸盐分泌，增强酸性磷酸酶活性以活化土壤磷促进玉米生长。另外，主成分分析发现，在低磷条件下，总根长、根表面积、根体积、平均根直径与植株干质量和磷质量呈正相关关系，而根际羧酸盐含量、菌根侵染率与植株干质量和磷质量呈负相关关系，表明低磷条件下，玉米主要通过调整根系性状促进磷吸收。
3.3 结论
缺磷严重影响植株生长，施用磷肥可以促进不同类型土壤上玉米生长和植株的磷吸收。玉米对施磷的响应很大程度上受到土壤本底养分含量的影响，有效磷含量低的土壤对施用磷肥的响应更加明显；低磷条件下，玉米主要通过改变根系性状促进磷吸收。
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图 4 栽培盆导热示意图
λ1：栽培基质的导热系数；λ2：绝缘脂发泡剂的导热系数；θ1：栽培基质层的温度；θ2：绝缘脂发泡剂层的温度；θf：温室的温度；δ1：基质层的厚度；δ2：绝缘脂发泡剂的厚度
Figure 4. Schematic diagram of heat conduction in pot
λ1: Thermal conductivitiy of cultivated substrate; λ2: Thermal conductivitiy of insulating grease foaming agent; θ1: Temperature of cultivated substrate; θ2: Temperature of insulating grease foaming agent; θf: Greenhouse temperature; δ1: Substrate thickness; δ2: Thickness of insulating grease foaming agent
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图 6 模糊PID控制结构图
θs：温度信号的采样值；θc：温度信号的设定值；e(k)：温度信号误差；ec(k)：温度信号误差变化率；∆Kp(k)、∆Ki(k)和∆Kd(k)为PID控制器的参数调整量；θf、θh为温度控制量
Figure 6. Structural diagram of the PID control block
θs: The sampling value of temperature signal; θc: The set value of temperature signal; E(k): Error of temperature signal; EC(k): Change rate of E(k); ∆Kp(k), ∆Ki(k), ∆Kd(k) are parameter adjustment quantities of PID controller; θf, θh are control quantities of temperatare
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图 10 作物地上部测点分布示意图
Figure 10. Schematic diagram of measuring points on plant aboveground
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图 11 不同根区温度处理下作物温度日变化及温室气温变化
Figure 11. Changes in crop temperature and greenhouse temperature under different root zone temperatures
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图 12 不同根区温度处理下作物温度分布图
Figure 12. Crop temperature profiles under different root zone temperatures
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图 13 不同根区温度处理下2种栽培盆的耗电量
Figure 13. Power consumptions of two types of pots under different root zone temperatures
表 1 根区温度控制试验结果
Table 1 Experiment results of controlling root temperature
℃ 测量点
Test point15 ℃ 20 ℃ 25 ℃ CK 组1
Group 1组2
Group 2组3
Group 3组1
Group 1组2
Group 2组3
Group 3组1
Group 1组2
Group 2组3
Group 31 15.70 15.80 15.60 20.70 20.70 20.20 25.50 26.00 25.00 8.10 2 16.00 15.60 15.10 21.00 20.60 20.50 25.60 25.70 25.40 8.80 3 15.80 15.50 15.40 20.80 22.30 20.80 25.30 25.40 25.80 8.70 4 15.60 15.40 15.80 20.50 20.50 20.30 25.10 25.60 25.50 8.80 5 15.30 15.30 15.70 20.60 20.60 20.40 25.00 27.00 25.90 9.00 平均值 Average 15.68 15.52 15.52 20.72 20.90 20.44 25.30 25.54 25.52 8.68 相对误差/%
Relative error4.53 3.46 3.46 2.88 4.50 2.20 1.20 2.16 2.08 
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表 2 不同根区温度处理的作物地上部平均温度
Table 2 Average temperature of aboveground parts of crop under treatment with different root temperature
℃ θ/℃
Treatment temperature晴天 Sunny day 阴天 Cloudy day 日间 Daytime 夜间 Night 日间 Daytime 夜间 Night 15 11.0±2.08 9.4±1.46 10.2±1.60 8.8±1.58 20 12.1±1.97 10.5±1.04 11.5±1.46 9.7±0.72 25 13.2±1.66 12.0±1.20 12.5±1.93 11.4±0.77 CK 9.8±2.55 7.7±1.50 8.5±1.36 6.4±0.83
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