不同規(guī)格組裝式日光溫室溫度環(huán)境及生產(chǎn)性能分析

宋明軍張學(xué)斌趙 鵬趙樹春張斌祥張旭林張建金

（1甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，甘肅蘭州 730070；2甘肅省經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站，甘肅蘭州 730000；3甘肅省靖遠(yuǎn)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅靖遠(yuǎn) 730600）

日光溫室是我國(guó)北方冬季作物最主要的反季節(jié)栽培設(shè)施，為解決北方冬季蔬菜供應(yīng)、改善人民生活發(fā)揮了巨大作用（李天來(lái)，2005）。隨著日光溫室建造技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)村剩余勞動(dòng)力的減少，日光溫室建造和生產(chǎn)的輕簡(jiǎn)化技術(shù)需求日益迫切（郭世榮 等，2012）。傳統(tǒng)日光溫室建造方式普遍存在土地利用率低、建造費(fèi)時(shí)費(fèi)力及標(biāo)準(zhǔn)化程度差等諸多問題，近年來(lái)為了解決以上問題，科研單位和生產(chǎn)單位從提高土地利用率和建造標(biāo)準(zhǔn)化角度出發(fā)，進(jìn)行組裝式日光溫室的研究與設(shè)計(jì)（蔣錦標(biāo)等，2011；嚴(yán)德懷和陳志宏，2014），組裝式日光溫室具有投資成本低、土地利用率高、安裝便捷可移動(dòng)等特點(diǎn)（魏德軍 等，2017）。但是從目前對(duì)組裝式日光溫室環(huán)境條件的研究結(jié)果來(lái)看，組裝式日光溫室普遍存在墻體蓄熱能力差、溫室環(huán)境性能下降的情況（黃紅英 等，2014）。在不增加輔助調(diào)控設(shè)備的情況下，需根據(jù)溫室環(huán)境條件，合理安排種植茬口和作物種類，使組裝式日光溫室性能和配套的種植制度相結(jié)合，才能充分發(fā)揮其生產(chǎn)能力。

靖遠(yuǎn)縣是甘肅省最早進(jìn)行日光溫室蔬菜生產(chǎn)的地區(qū)之一，近年來(lái)引進(jìn)建造了多種規(guī)格的組裝式日光溫室。為充分發(fā)揮設(shè)施生產(chǎn)潛力，提高設(shè)施利用效率，甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所2016年對(duì)這些組裝式日光溫室進(jìn)行了觀測(cè)試驗(yàn)。從組裝式日光溫室溫度環(huán)境特點(diǎn)和變化規(guī)律入手，對(duì)其生產(chǎn)性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，提出適宜的種植茬口和種類，以期對(duì)這些設(shè)施的合理使用提出有益的建議和幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)溫室位于甘肅靖遠(yuǎn)大壩和三合農(nóng)業(yè)高科技示范園區(qū)（N36.63°，E104.71°），海撥 1 312 m，屬典型的溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候，年降水量240 mm，年平均氣溫8.9 ℃，無(wú)霜期165 d，年日照時(shí)數(shù)2 700 h左右，極端最高氣溫為39.5 ℃，極端最低氣溫-24.3 ℃。

1.2 試驗(yàn)溫室

本試驗(yàn)選擇4座不同規(guī)格的組裝式日光溫室（表1），以當(dāng)?shù)仄毡閼?yīng)用的土墻結(jié)構(gòu)日光溫室為對(duì)照進(jìn)行觀測(cè)，組裝式日光溫室前后屋面骨架采用70×30橢圓型鋼骨架，骨架間距均為90 cm。其中8 m跨度的2座試驗(yàn)溫室通風(fēng)方式采用頂部卷膜通風(fēng)，通風(fēng)口寬度1.2 m，9 m和10 m跨度的2座試驗(yàn)溫室增加了底通風(fēng)，通風(fēng)口寬度0.8 m。覆蓋保溫被芯層為針刺毛氈，外層包裹防水布，總厚度2.5 cm。對(duì)照溫室選用當(dāng)?shù)仄胀ㄈ展鉁厥遥瑝w為干打壘土墻體，墻體下部厚2.0 m，上部厚1.2 m。骨架材料和覆蓋材料與試驗(yàn)組裝式日光溫室相同。后屋面結(jié)構(gòu)為：竹膠板+5 cm草簾+10 cm麥草+15 cm草泥，上薄下厚，平均厚度30 cm，后屋面長(zhǎng)度2.4 m，溫室采用頂部通風(fēng)，通風(fēng)口寬度1.0 m。

表1 供試溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目及方法

觀測(cè)試驗(yàn)于2016年1月7日至4月28日進(jìn)行，選取1月9日至3月31日的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。主要觀測(cè)各試驗(yàn)溫室及對(duì)照溫室的室內(nèi)外空氣溫度變化，室內(nèi)空氣溫度觀測(cè)點(diǎn)高度1.5 m，位于溫室前后正中間偏右5 m的位置，主要避開中部卷簾機(jī)的影響。室外溫度觀測(cè)點(diǎn)位于室外空曠處，高度1.5 m，為避免陽(yáng)光直接輻射造成的影響，觀測(cè)時(shí)溫度傳感器上方加一硬紙板遮擋，組裝式日光溫室剖面結(jié)構(gòu)和觀測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。溫度觀測(cè)采用HOBO Pro v2 U23-001型溫濕度自動(dòng)記錄儀，精度±0.2 ℃（0～50 ℃），每30 min記錄1次。

圖1 組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)示意圖及測(cè)點(diǎn)布置

1.4 數(shù)據(jù)分析和評(píng)價(jià)方法

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得組裝式日光溫室室內(nèi)外溫度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，通過觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果分析組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)變化對(duì)保溫性能的影響，依據(jù)蔬菜作物生長(zhǎng)三基點(diǎn)溫度，對(duì)組裝式日光溫室的生產(chǎn)性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)組裝式日光溫室保溫性能分析

2.1.1 最低溫度變化 日光溫室最低溫度是評(píng)判溫室保溫性能的重要指標(biāo)。根據(jù)番茄、辣椒等果菜最低生長(zhǎng)溫度（10 ℃）和葉菜最低生長(zhǎng)溫度（2 ℃）（郜慶爐，2002；馬承偉和苗香雯，2005）進(jìn)行溫室性能分析。如表2所示，各試驗(yàn)溫室的最低溫度均高于2 ℃，冬季（1～2月）組裝式日光溫室保溫性能低于土墻溫室（CK），1月各組裝式日光溫室平均最低溫度均低于10 ℃，WSⅠ、WSⅡ、WSⅢ、WSⅣ分別較CK低3.5、1.2、2.5、5.3 ℃，低于10 ℃的天數(shù)占本月觀測(cè)天數(shù)的56.5%～100.0%，而土墻溫室（CK）月平均最低溫度為11.0 ℃。2月WSⅡ和WSⅢ的平均最低溫度上升到11.0 ℃以上，而WSⅠ和WSⅣ的平均最低溫度分別為8.3、8.8 ℃，低于10 ℃的天數(shù)占本月觀測(cè)天數(shù)的82.8%和72.4%。3月所有溫室的平均最低溫度均高于10℃，其中WSⅡ、WSⅢ、WSⅣ的最低溫度超過了土墻溫室（CK），但WSⅠ仍有9 d低于10 ℃。通過以上對(duì)各試驗(yàn)溫室逐月最低溫度分析，各組裝式日光溫室由于建筑參數(shù)不同，保溫性能差別很大，1月最低溫度基本低于10 ℃，2月以后，相對(duì)性能較好的WSⅡ、WSⅢ平均最低溫度高于10 ℃，而WSⅠ和WSⅣ3月平均最低溫度高于10 ℃。

2.1.2 旬平均最低溫度變化 分析各旬平均最低溫度變化，可以更清楚地掌握試驗(yàn)溫室最低溫度變化范圍，為溫室作物種植茬口安排提供準(zhǔn)確的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。如圖2所示，土墻溫室（CK）除1月下旬外界極端溫度時(shí)低于10 ℃外，其余時(shí)間均高于10℃。而WSⅡ、WSⅢ在2月上旬平均最低溫度高于10 ℃，WSⅠ和WSⅣ最低溫度回升最慢，于2月下旬至3月上旬溫室內(nèi)平均最低溫度才開始高于10 ℃，此后隨外界氣溫的回升而不斷上升。WSⅢ的最低溫度回升最快，2月中旬開始在組裝式日光溫室中表現(xiàn)最好，而WSⅠ最低溫度回升最慢，除1月高于WSⅣ外，其余時(shí)間均表現(xiàn)最差。

表2 組裝式日光溫室最低溫度和低溫持續(xù)天數(shù)

圖2 組裝式日光溫室旬平均最低溫度變化趨勢(shì)

2.2 組裝式日光溫室升溫能力分析

2.2.1 最高溫度變化 溫室內(nèi)最高溫度可以判斷設(shè)施的采光和升溫能力的強(qiáng)弱，由于各試驗(yàn)溫室內(nèi)種植作物不同，通過溫室最高溫度變化，可以了解溫室白天的升溫能力和最高溫度管理方式，從而分析造成溫室保溫性能差異的原因。從各試驗(yàn)溫室的日最高溫度變化情況分析（圖3），除1月20日、22日和3月22、23日陰雪天各溫室最高溫度低于20℃外，試驗(yàn)期間，各組裝式日光溫室日最高溫度基本能達(dá)到30 ℃以上。其中WSⅢ采光升溫能力最好，1月平均最高溫度35.7 ℃，WSⅠ、WSⅡ和WSⅣ平均最高溫度分別為30.7、32.7、32.8 ℃，除WSⅠ白天最高溫度低于其他溫室外，WSⅡ和WSⅣ白天最高溫度基本相同，因此認(rèn)為組裝式日光溫室的不同結(jié)構(gòu)是造成溫室晚間保溫性能差異的主要原因。

2.2.2 最高和最低溫度差 由于日光溫室的最低溫度基本出現(xiàn)在揭簾時(shí)間，所以最高、最低溫度差可以反映溫室每日升溫幅度。從圖4可知，組裝式日光溫室的升溫能力普遍高于土墻溫室（CK），1月23日（晴天），WSⅠ、WSⅡ、WSⅢ、WSⅣ和CK日升溫分別為33.6、33.3、35.9、35.8、30.1℃，WSⅢ和WSⅣ升溫幅度超過35 ℃，外界溫度僅上升了9.9 ℃。1月20日（陰雪天），各溫室分別升溫6.2、5.5、5.5、5.5、4.8 ℃，組裝式日光溫室升溫幅度仍然高于土墻溫室（CK）。1月各溫室平均升溫幅度分別為24.3、25.7、27.5、26.9、21.9℃，組裝式日光溫室較土墻溫室升溫幅度高2.4～5.6℃。而隨著外界溫度的升高，各溫室的升溫幅度逐漸減小，3月升溫幅度基本在20 ℃左右。

圖3 組裝式日光溫室日最高溫度變化趨勢(shì)

圖4 組裝式日光溫室日最高、最低溫度差

2.3 組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)對(duì)保溫性能影響

4種組裝式日光溫室由于建造參數(shù)不同，表現(xiàn)出不同的溫度變化特點(diǎn)。WSⅠ、WSⅡ、WSⅢ和WSⅣ前屋面覆蓋相同的保溫材料，通過計(jì)算后墻體和后屋面保溫材料的熱阻值（劉晨霞 等，2015；GB50176—2016，2017），分析組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)變化對(duì)保溫性能的影響。4種組裝式日光溫室墻體的熱阻值分別為1.50、1.85、1.96、1.81 m2·K·W-1，WSⅡ和WSⅣ的墻體保溫材料熱阻相近，WSⅢ的熱阻稍大于其他溫室。1月，WSⅡ、WSⅢ和WSⅣ的月平均最低溫度分別為9.8、8.5、5.7 ℃，室內(nèi)最低溫度表現(xiàn)出隨跨度增加而降低的趨勢(shì)。WSⅠ和WSⅡ的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，但WSⅠ墻體較WSⅡ熱阻值低0.35 m2·K·W-1，試驗(yàn)期間WSⅠ的最低溫度始終低于WSⅡ，但1月的最低溫度高于WSⅣ。通過以上對(duì)溫室結(jié)構(gòu)和保溫材料性能的分析，認(rèn)為在前屋面覆蓋材料相同的情況下，冬季組裝式日光溫室保溫性能隨跨度增加而降低，這一點(diǎn)和劉玉鳳（2012）、唐中祺等（2014）在普通土墻溫室上的研究結(jié)果并不一致，分析原因是組裝式日光溫室墻體蓄熱性能不足，隨著跨度的增大，相應(yīng)的前屋面散熱面積增加，造成組裝式日光溫室保溫性能下降。

2.4 不同組裝式日光溫室生產(chǎn)性能分析

冬季溫室的生產(chǎn)性能，主要取決于溫度條件。由于不清楚所建組裝式日光溫室的保溫性能，當(dāng)?shù)乩眠@些組裝式日光溫室進(jìn)行越冬茬果菜生產(chǎn)，冬季保溫性能不佳，作物生長(zhǎng)緩慢，2月以后隨氣溫回暖，才逐漸正常生長(zhǎng)。所以，通過對(duì)組裝式日光溫室保溫性能的觀測(cè)分析，提出適宜的種植茬口，對(duì)組裝式日光溫室的合理利用顯得非常必要。日光溫室由于環(huán)境可控性差，在冬季往往達(dá)不到作物最適生長(zhǎng)溫度條件，只能盡量滿足達(dá)到下限生長(zhǎng)溫度，根據(jù)番茄、辣椒等果菜和葉菜的最低生長(zhǎng)溫度進(jìn)行溫室作物種植茬口的安排。當(dāng)?shù)仄毡槭褂玫耐翂厥遥–K）1月保溫性能表現(xiàn)最好，室內(nèi)平均最低溫度均達(dá)到10 ℃以上，雖遇陰雪天短暫下降，但仍保持在7 ℃以上，不會(huì)造成冷害，可以進(jìn)行茄果類蔬菜的越冬茬生產(chǎn)。2月上旬WSⅡ和WSⅢ平均最低溫度上升到10 ℃以上，可以選擇在2月上旬進(jìn)行茄果類、瓜類作物早春茬栽培，前茬進(jìn)行葉菜生產(chǎn)。WSⅢ升溫速度最快，3月以后室內(nèi)溫度條件最好，適合進(jìn)行早春茬瓜類生產(chǎn)。WSⅠ和WSⅣ1月最低溫度在3 ℃左右，到2月底至3月初，室內(nèi)平均最低溫度才能達(dá)到10 ℃以上，所以適宜進(jìn)行冬茬葉菜生產(chǎn)，3月配合春茬果菜生產(chǎn)。

3 結(jié)論與討論

組裝式日光溫室由于建造結(jié)構(gòu)的不同，溫室性能差別很大，在冬季若不進(jìn)行合理的茬口安排或增加臨時(shí)補(bǔ)溫設(shè)備，容易受到極端天氣的危害。通過對(duì)靖遠(yuǎn)縣不同規(guī)格組裝式日光溫室的保溫性能進(jìn)行研究和分析，得出以下結(jié)論：

① 組裝式日光溫室1月平均最低溫度均低于10 ℃，較土墻溫室低1.2～5.3℃，組裝式日光溫室之間相差4.1 ℃。冬季組裝式日光溫室的保溫能力隨跨度增加而下降，主要原因還是組裝式日光溫室墻體蓄熱量少，跨度增大造成溫室散熱面積增加，引起溫室保溫性能下降，而墻體保溫性能不佳的組裝式日光溫室，溫度回升較慢。隨外界氣溫的回暖，3月各組裝式日光溫室最低溫度較對(duì)照土墻溫室高-0.8～2.0 ℃，溫室之間溫度差距逐漸減小，表現(xiàn)為冬季外界環(huán)境溫度越低，傳統(tǒng)土墻溫室溫度越優(yōu)于組裝式日光溫室，春季建造規(guī)范的組裝式日光溫室性能好的特點(diǎn)。

② 通過分析組裝式日光溫室的最高和最低溫度變化，可以判斷溫室的升溫性能，還可以分析溫室保溫性能差異造成的原因。組裝式日光溫室在晴天和陰雪天的升溫能力均高于對(duì)照土墻溫室，1月平均升溫幅度較土墻溫室高2.4～5.6 ℃，而平均最低溫度為5.7～9.8 ℃，又低于土墻溫室，組裝式日光溫室表現(xiàn)出升溫速度快，降溫速度也快的特點(diǎn)，這與聶戰(zhàn)聲等（2015）的研究結(jié)果相一致。試驗(yàn)期間，各試驗(yàn)溫室多數(shù)天氣日最高溫度能達(dá)到30 ℃以上，其中WSⅢ平均最高溫度為35.7 ℃，日最大升溫幅度可達(dá)35.8 ℃，除WSⅠ的最高溫度低于其他溫室外，WSⅡ和WSⅣ的最高溫度基本相同，但最低溫度差別較大。所以組裝式日光溫室主要還是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同造成保溫性能的差異。

③ 從以上試驗(yàn)結(jié)果分析，在甘肅省中部的靖遠(yuǎn)縣，1月本試驗(yàn)選擇的組裝式日光溫室保溫性能不能滿足茄果類、瓜類蔬菜生產(chǎn)，冬茬最好安排耐寒葉菜生產(chǎn)，2月以后，隨天氣回暖和各組裝式日光溫室條件的改善，再進(jìn)行早春茬果菜的生產(chǎn)。通過合理安排種植茬口，充分發(fā)揮所建溫室的生產(chǎn)性能。

郜慶爐.2002.設(shè)施型農(nóng)作制度研究〔博士論文〕.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué).

郭世榮，孫錦，束勝，陸曉民，田婧，王軍偉.2012.我國(guó)設(shè)施園藝概況及發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)蔬菜，（18）：1-14.

黃紅英，武國(guó)峰，孫恩惠，陳福恒，楊旭，常志州.2014.秸稈塊墻體日光溫室在蘇北地區(qū)應(yīng)用效果試驗(yàn).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，30（14）：170-178.

蔣錦標(biāo)，姜興勝，喬軍，滿朝紅，吳國(guó)興.2011.對(duì)我國(guó)蔬菜溫室的評(píng)價(jià)及新型日光溫室的研發(fā).中國(guó)蔬菜，（11）：8-10.

李天來(lái).2005.中國(guó)日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，36（2）：131-138.

劉晨霞，馬承偉，王平智，趙淑梅，程杰宇，王明磊.2015.日光溫室保溫被傳熱的理論解析及驗(yàn)證.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，31（2）：170-176.

劉玉鳳.2012.不同跨度日光溫室性能的研究〔碩士論文〕.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué).

馬承偉，苗香雯.2005.農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社：166-167.

聶戰(zhàn)聲，董立盛，竇尚，馬其彪，雷成軍.2015.新型鋼架結(jié)構(gòu)日光溫室在高寒地區(qū)的性能觀測(cè).甘肅農(nóng)業(yè)科技，（1）：39-41.

唐中祺，頡建明，郁繼華，馮致，呂劍.2014.不同跨度日光溫室升溫保溫性能研究.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，49（6）：60-63.

魏德軍，李芹，劉立峰，王繼堂，劉善勇.2017.新型可移動(dòng)式日光溫室的構(gòu)造及特點(diǎn).中國(guó)蔬菜，（4）：83-84.

嚴(yán)德懷，陳志宏.2014.全鋼架裝配式新型日光溫室及應(yīng)用前景.中國(guó)農(nóng)技推廣，30（6）：28-29.

GB50176—2016，2017.民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部：12-13，77-83.