不同自然通風(fēng)方式對(duì)日光溫室性能的影響

嚴(yán)露露 荊海薇 鮑恩財(cái) 曹晏飛 潘銅華 申婷婷 王昊天 鄒志榮,*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014)

日光溫室在我國(guó)是一種重要的溫室形式，因其良好的保溫節(jié)能特性而得到廣泛應(yīng)用，為調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供了重要途徑。截至2016年底，全國(guó)日光溫室總面積為6.6×105hm2，約占設(shè)施總面積的31.8%[1-3]。

在日光溫室生產(chǎn)中，自然通風(fēng)是調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的重要技術(shù)手段。自然通風(fēng)是由風(fēng)壓和熱壓的作用引起的室內(nèi)外空氣通過(guò)溫室窗口的流動(dòng)，可以降溫除濕，補(bǔ)充CO2，為溫室內(nèi)植物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境[4-6]。溫室自然通風(fēng)效果的影響因素眾多。已有研究認(rèn)為，由于氣流會(huì)在Venlo溫室風(fēng)口附近形成紊流，室外風(fēng)向?qū)ψ匀煌L(fēng)的影響較小[7]。也有研究表明室外風(fēng)速對(duì)自然通風(fēng)影響顯著，而且當(dāng)外界風(fēng)速<0.5 m/s時(shí)，熱壓通風(fēng)起主導(dǎo)作用，當(dāng)外界風(fēng)速>2 m/s 時(shí)，可不考慮熱壓作用[8-9]。進(jìn)一步研究風(fēng)速對(duì)Venlo溫室內(nèi)氣流分布的影響發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速低時(shí)，室內(nèi)氣流分布受其影響較小且分布比較均勻一致；隨著風(fēng)速的增大，室內(nèi)氣流流速增大并伴有渦流出現(xiàn)，溫室高度方向梯度明顯[10]。不同窗口寬度對(duì)室內(nèi)風(fēng)速的影響不同，楊振超[11]認(rèn)為日光溫室較好的通風(fēng)面積比例為18%～25%。國(guó)內(nèi)還有針對(duì)日光溫室不同窗口位置的通風(fēng)效果研究：Wei B等[12]將日光溫室的黃麻纖維后墻分別半拆、全拆卸，形成的后墻窗口的通風(fēng)降溫效果均優(yōu)于傳統(tǒng)單跨溫室，謝迪等[13]研究了頂部通風(fēng)對(duì)日光溫室內(nèi)溫濕度的影響，發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)溫濕度降低幅度隨外界風(fēng)速增大而增大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以窗口位置分類(lèi)，日光溫室的自然通風(fēng)形式主要有后墻通風(fēng)口、前屋面底通風(fēng)口、前屋面頂通風(fēng)口、后坡通風(fēng)口等[14-16]。進(jìn)一步研究不同開(kāi)窗配置發(fā)現(xiàn)，頂側(cè)風(fēng)口同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，溫室通風(fēng)效果優(yōu)于單開(kāi)頂、側(cè)風(fēng)口[17-19]。另一方面，已有研究表明通風(fēng)對(duì)植物的生長(zhǎng)和果實(shí)品質(zhì)影響顯著，尤其是植物冠層的通風(fēng)狀況對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響[20-24]。

上述研究從不同角度說(shuō)明了不同因素對(duì)溫室自然通風(fēng)的影響，但針對(duì)不同自然通風(fēng)方式對(duì)日光溫室性能影響的研究較少。為進(jìn)一步探究不同自然通風(fēng)方式下，日光溫室室內(nèi)環(huán)境因子的變化規(guī)律，本研究根據(jù)我國(guó)日光溫室的發(fā)展現(xiàn)狀，在課題組前期研究的基礎(chǔ)上[25]，擬設(shè)計(jì)2種后坡開(kāi)窗自然通風(fēng)方式：后坡整體開(kāi)窗式和后坡間隔開(kāi)窗式，并以傳統(tǒng)前屋面頂通風(fēng)式為對(duì)照，對(duì)采用上述不同自然通風(fēng)方式的溫室內(nèi)部環(huán)境和作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行測(cè)試分析，旨在為日光溫室自然通風(fēng)方式的設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試溫室

本試驗(yàn)3座供試溫室位于陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝場(chǎng)(34°16′N(xiāo)，108°06′E)。后坡整體開(kāi)窗式通風(fēng)日光溫室(G1)南北跨度為8 m，東西長(zhǎng) 16 m，脊高3.6 m，后墻高2.2 m，后墻結(jié)構(gòu)為 780 mm 磚墻+100 mm聚苯板(從內(nèi)到外)，采用C型輕鋼骨架，間距1 m，前屋面覆蓋0.10 mm厚PO膜。在距地高度0.65 m處，設(shè)置寬0.8 m，長(zhǎng)16 m前屋面底通風(fēng)口。所有通風(fēng)口處均有52 目防蟲(chóng)網(wǎng)，用卡槽卡簧固定。G1的屋脊線(xiàn)上距東山墻4.0 m處，以屋脊為邊，有8.0 m×1.2 m后坡窗口1個(gè)(圖1(a))，采用齒條直推電動(dòng)開(kāi)窗機(jī)系統(tǒng)，使用電機(jī)為WJNA40-2.6溫室專(zhuān)用減速電機(jī)(北京華農(nóng)農(nóng)業(yè)工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，功率0.37 kW)。在后坡間隔開(kāi)窗式通風(fēng)日光溫室(G2)的屋脊線(xiàn)上距東山墻 0.5 m 處，以屋脊為邊，做1.0 m×1.2 m窗口8個(gè)(圖1(b))，相鄰窗洞之間的距離均為1.0 m,其他參數(shù)與G1一致。在前屋面頂通風(fēng)式日光溫室(G3)的前屋面距地3.38 m處做16 m×0.6 m窗口1個(gè)，其他參數(shù)與G1一致。試驗(yàn)期間，各溫室上通風(fēng)口開(kāi)度為30°，前屋面底通風(fēng)開(kāi)度為37.5°。

1.日光溫室屋脊線(xiàn)；2.整體開(kāi)窗式后坡窗口；3.間隔開(kāi)窗式后坡窗口。1.Sunlight greenhouse ridge line; 2.Overall windowed rear slope window; 3.Interval windowed rear slope window.圖1 G1(a)和G2(b)的后坡窗口分布與尺寸Fig.1 Distributions and sizes of rear slope windows in G1 (a) and G2 (b)

1.2 室內(nèi)作物

室內(nèi)種植‘佳西娜’番茄(SolanumlycopersicumL.)，幼苗三葉一心時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的定植于裝有60 L基質(zhì)的栽培袋中，每3株1個(gè)栽培袋，于2018年8月1日定植，單蔓整枝，留3穗果打頂。栽培行距為1.0 m，株距為0.33 m。下挖栽培槽規(guī)格：寬0.3 m，深0.25 m，長(zhǎng)5 m。試驗(yàn)時(shí)間為2018年8月1日—2018年10月31日。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1溫室內(nèi)外環(huán)境測(cè)點(diǎn)

各溫室環(huán)境測(cè)點(diǎn)分布相同，詳見(jiàn)圖2。

1)室內(nèi)空氣溫度測(cè)點(diǎn)(圖2，點(diǎn)A～I(xiàn))：使用器材為T(mén)型熱電偶(合柔(上海)電線(xiàn)電纜有限公司生產(chǎn)，溫度測(cè)量范圍：-200～350 ℃，測(cè)量精度：±0.2 ℃)和安捷倫數(shù)據(jù)采集器(美國(guó)Agilent公司生產(chǎn)，溫度測(cè)量范圍-200～350 ℃，測(cè)量精度：±0.2 ℃)，自動(dòng)記錄，時(shí)間間隔為1 h。

2)室內(nèi)空氣濕度測(cè)點(diǎn)(圖2，點(diǎn)J、K)：使用儀器為HOBO UX100-011 (美國(guó)Onset公司生產(chǎn)，濕度測(cè)量范圍：0%～100%，測(cè)量精度：±2.5%)，自動(dòng)記錄，時(shí)間間隔為1 h。

3)室內(nèi)光照強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)(圖2，點(diǎn)L)：使用儀器為HOBO溫度光照記錄儀UA-002-64(美國(guó)Onset公司生產(chǎn)，光照測(cè)量范圍：0～320 klx，光譜范圍：400～700 nm，光照測(cè)量精度：±10 lx)，自動(dòng)記錄，時(shí)間間隔為1 h。

4)室內(nèi)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)(圖2，點(diǎn)M、N)：使用儀器為Swema 03萬(wàn)向微風(fēng)速探頭(瑞典斯威瑪公司生產(chǎn)，風(fēng)速測(cè)量范圍：0.05～5.00 m/s，風(fēng)速測(cè)量精度：±0.03 m/s)。自動(dòng)記錄，時(shí)間間隔為1 min。

5)室外環(huán)境測(cè)點(diǎn)：空氣溫濕度、太陽(yáng)輻射、室外風(fēng)速，均由美國(guó)HOBO公司生產(chǎn)的HOBO U30便攜式小型自動(dòng)氣象站測(cè)量，測(cè)量高度1.5 m，置于室外開(kāi)闊處(溫度測(cè)量范圍:-40～+75 ℃，準(zhǔn)確度±0.7 ℃；濕度測(cè)量范圍:0%～100%，準(zhǔn)確度±3%；光合有效輻射(PAR)傳感器，光譜范圍：400～700 nm)。自動(dòng)記錄，時(shí)間間隔為1 min。

點(diǎn)A～I(xiàn)：氣溫測(cè)點(diǎn)；J、K：濕度測(cè)點(diǎn)；L：光照測(cè)點(diǎn)；M、N：風(fēng)速測(cè)點(diǎn)。Points A to I are the temperature measurement points; Points J and K are the humidity measuring points; Point L is the light measuring point; Points M and N are the wind speed measuring points.圖2 溫室內(nèi)距地面1.5 m高度測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.2 Point distribution at 1.5 m height inside the greenhouses

1.3.2室內(nèi)作物測(cè)定項(xiàng)目及方法

番茄生長(zhǎng)和產(chǎn)量指標(biāo)：株高、莖粗、干質(zhì)量、SPAD值(Soil-plant analysis and development)于定植后30 d取樣測(cè)算，并計(jì)算相對(duì)生長(zhǎng)速率(RGR)。除去保護(hù)行，將相鄰兩行的10個(gè)栽培袋作為1個(gè)小區(qū)，各溫室3個(gè)重復(fù)，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算從果實(shí)采收開(kāi)始直到采收結(jié)束時(shí)的平均單果質(zhì)量與單株產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010和Matlab 2016 繪圖，SPSS 19.0軟件Duncan’s多重比較法(P<0.05)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)云量和日照時(shí)數(shù)，將試驗(yàn)期間的天氣類(lèi)型劃分為晴天和陰天2種典型天氣[26]。白天測(cè)試時(shí)間為7:00—19:00，夜晚 19:00—次日7：00。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室內(nèi)外光照強(qiáng)度對(duì)比

在相同天氣條件下，各溫室室內(nèi)的光照強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致(圖3)。晴天，G1、G2、G3白天平均光照強(qiáng)度分別為81.20、70.80、64.27 klx，室外122.11 klx，相比G3，G1、G2晴天白天光照強(qiáng)度分別提高了26.34%和10.16%。陰天，3座溫室室內(nèi)白天平均光照強(qiáng)度分別為28.98、32.74、31.84 klx，室外62.15 klx。綜合分析發(fā)現(xiàn)：晴天，3座溫室之間的室內(nèi)光照強(qiáng)度差異較大，G1、G2室內(nèi)光照強(qiáng)度均大于G3，而陰天3座溫室室內(nèi)光環(huán)境差異較小。說(shuō)明在晴天外界光照條件較好時(shí)，具有后坡通風(fēng)窗的G1、G2室內(nèi)光照強(qiáng)度大于具有頂通風(fēng)的G3，同時(shí)晴天G1光照強(qiáng)度大于G2。

圖3 典型晴天(a)和典型陰天(b)各溫室內(nèi)外光照強(qiáng)度變化Fig.3 Changes in light intensity inside and outside greenhouses on a typical sunny day (a) and typical cloudy day (b)

2.2 日光溫室內(nèi)外氣溫對(duì)比分析

2.2.1典型天氣下室內(nèi)外氣溫對(duì)比

晴天白天，G1、G2、G3增溫迅速，在13:00各溫室內(nèi)氣溫均達(dá)峰值(圖4(a))，分別為41.2、41.2、45.0 ℃，G3的最高氣溫比G1、G2高出3.8 ℃。7:00—13:00G1、G2、G3和室外的平均升溫速率分別為2.9、2.9、3.5、1.5 ℃/h。晴天白天，G1、G2、G3與室外的平均氣溫分別為33.7、33.8、34.8、30.0 ℃，G1、G2、G3室內(nèi)外溫差分別為1.8、2.0、2.4 ℃。由此可見(jiàn)，晴天白天，G1和G2的通風(fēng)降溫效果均優(yōu)于G3，G1優(yōu)于G2。而晴天夜間，3種溫室內(nèi)部氣溫與室外接近而且彼此差異較小。陰天白天，G1、G2、G3增溫比晴天較緩，14:00各溫室內(nèi)氣溫均達(dá)峰值(圖4(b))，分別為33.8、36.2、38.0 ℃，此時(shí)，G3的最高氣溫分別比G1、G2高出4.2、1.8 ℃。陰天白天，G1、G2、G3與室外的平均氣溫分別為28.5、28.9、29.3、26.9 ℃，G1、G2、G3室內(nèi)外溫差分別為1.6、2.0、2.4 ℃。說(shuō)明陰天條件下，G1和G2通風(fēng)降溫效果均優(yōu)于G3，而且G1優(yōu)于G2。綜上分析，可知無(wú)論陰天或晴天，具有后坡連續(xù)通風(fēng)窗的G1和后坡間隔通風(fēng)窗的G2通風(fēng)效果均優(yōu)于前屋面頂通風(fēng)的G3。

圖4 典型晴天(a)和典型陰天(b)下各溫室內(nèi)外氣溫變化Fig.4 Changes in temperature inside and outside greenhouses on a typical sunny day (a) and typical cloudy day (b)

2.2.2典型晴天室內(nèi)植物冠層氣溫分布

本研究中植物冠層高度為1.5 m。選取典型晴天13:00各溫室內(nèi)距地1.5 m的氣溫測(cè)點(diǎn)(即圖3中點(diǎn)A～I(xiàn))的數(shù)據(jù)，各溫室以氣溫測(cè)點(diǎn)C為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別向東、北做X、Y軸，建立二維坐標(biāo)系。輸入坐標(biāo)值與對(duì)應(yīng)氣溫值，cubic插值處理，繪制植物冠層等溫線(xiàn)分布示意圖(圖5)。G3的植物冠層氣溫整體高于G1和G2。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，晴天13:00，G1、G2、G3植物冠層平均氣溫為41.2、41.1、45.0 ℃。G1、G2植物冠層氣溫空間分布為南高北低，由于后坡通風(fēng)口的存在，壓低了出風(fēng)口，使得G1和G2溫室內(nèi)空氣對(duì)流和擾動(dòng)延伸至北墻，而南向、高處的靠近薄膜附近的空氣受擾動(dòng)較小，熱量聚集，溫度升高。G3植物冠層氣溫整體比G1、G2高，呈現(xiàn)南低北高分布。由于頂通風(fēng)方式，空氣從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口的路徑，偏向上部，對(duì)靠近北墻和下部的空氣擾動(dòng)較小，形成熱量聚集，溫度較高。綜上分析，在植物冠層區(qū)域，后坡開(kāi)窗式通風(fēng)效果較好，而頂通風(fēng)式通風(fēng)效果較差，溫度較高。

溫室東西方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，南北為寬度方向。The east-west direction of the greenhouse is the length direction, and the north-south direction is the width direction.圖5 典型晴天各溫室內(nèi)植物冠層氣溫分布Fig.5 Distribution of canopy temperature in greenhouses on a typical sunny day

2.3 日光溫室內(nèi)外風(fēng)速日變化規(guī)律

圖6示出溫室內(nèi)外白天(7:00—19:00)風(fēng)速變化情況。在中午12:30之前，室外幾乎無(wú)風(fēng)，此時(shí)室內(nèi)的風(fēng)速也較小，多在0.20 m/s以下，G1、G2、G3的最大風(fēng)速分別為0.16、0.44、0.15 m/s，平均風(fēng)速分別為0.02、0.05、0.01 m/s。此后，室內(nèi)風(fēng)速隨著室外風(fēng)速的增大而增大，且波動(dòng)變化較為同步，G1、G2、G3的最大風(fēng)速分別為1.52、2.36、0.74 m/s，平均風(fēng)速分別為0.08、0.10、0.04 m/s。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，3座溫室的日平均風(fēng)速折減率為0.80、0.74、0.90。由此可見(jiàn)，G3內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)比G1、G2緩慢，G2的氣流運(yùn)動(dòng)快于G1。統(tǒng)計(jì)各溫室內(nèi)白天(7:00—19:00)不同大小風(fēng)速比例可得， G1、G2、G3風(fēng)速處于0.15～0.5 m/s的比例分別為6.99%、9.50%、2.27%。

圖6 溫室內(nèi)外白天(7:00—19:00)風(fēng)速變化Fig.6 Changes in wind speed inside and outside greenhouses

2.4 日光溫室內(nèi)外空氣濕度對(duì)比

無(wú)論晴天還是陰天，室外相對(duì)濕度均明顯高于室內(nèi)(圖7)。G1、G2、G3平均相對(duì)濕度晴天白天依次為47.15%、47.21%、44.03%，晴天夜間依次為76.23%、75.90%、77.58%。陰天白天依次為65.48%、65.07%、66.50%，陰天夜間依次為87.68%、86.71%、88.95%。由上述數(shù)據(jù)分析可知，與G1、G2相比，G3相對(duì)濕度白天低，夜間高，十分不利于植物的生長(zhǎng)。

圖7 典型晴天(a)和典型陰天(b)下各溫室內(nèi)外相對(duì)濕度變化Fig.7 Changes in relative humidity inside and outside greenhouses on a typical sunny day (a) and typical cloudy day (b)

2.5 日光溫室內(nèi)番茄生長(zhǎng)指標(biāo)與產(chǎn)量比較

表1示出各日光溫室內(nèi)番茄生長(zhǎng)參數(shù)及產(chǎn)量，可知，G1內(nèi)番茄株高顯著小于G2、G3，而莖粗、SPAD值、單果質(zhì)量顯著大于G2、G3。G1、G2內(nèi)番茄根、莖干質(zhì)量，相對(duì)生長(zhǎng)速率(RGR)、單株產(chǎn)量均大于G3但差異不顯著，經(jīng)計(jì)算G1、G2內(nèi)番茄單株產(chǎn)量分別比G3提高了19.54%、6.90%。

表1 不同類(lèi)型日光溫室對(duì)室內(nèi)番茄生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響Table 1 Effect of different types of indoor solar greenhouse tomato growth and yield

3 結(jié) 論

為提高日光溫室自然通風(fēng)效率，本研究在通風(fēng)面積相同的情況下，對(duì)采用不同自然通風(fēng)方式的日光溫室即后坡整體開(kāi)窗式通風(fēng)日光溫室(G1)、后坡間隔開(kāi)窗式通風(fēng)日光溫室(G2)、前屋面頂通風(fēng)式日光溫室(G3)內(nèi)部的環(huán)境和作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了測(cè)試分析。得出以下結(jié)論：

1)晴天白天，G1、G2的室內(nèi)光照強(qiáng)度分別比G3提高了26.34%和10.16%，G1、G2、G3平均氣溫分別為33.7、33.8、34.8 ℃，平均相對(duì)濕度分別為47.15%、47.21%、44.03%，風(fēng)速折減率分別為0.80、0.74、0.90。說(shuō)明G1、G2內(nèi)光照條件和通風(fēng)降溫效果均優(yōu)于G3，為植物提供更好的生長(zhǎng)環(huán)境。

2)G1、G2內(nèi)番茄單株產(chǎn)量分別比G3提高了19.54%、6.90%。