大型文洛型玻璃溫室光照特性分析

季程博，王海林，張 正，李一哲（中國建材國際工程集團有限公司，上海 200333）

近年在鄉(xiāng)村振興的背景下，全國各地都在大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，引進荷蘭技術(shù)的大型文洛型玻璃溫室迅速發(fā)展[1]。這些溫室單體面積大，裝備化、智能化及信息化程度高，降低了生產(chǎn)人工成本，改善生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)了溫室農(nóng)業(yè)規(guī)?；咝a(chǎn),推動了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進程[1-3]。但是其結(jié)構(gòu)和設(shè)計均多參考國外標準，溫室引進后的本地化改造不夠深入，由于中外自然環(huán)境存在差異，導(dǎo)致溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)不夠全面[4]。目前，關(guān)于國內(nèi)塑料大棚、日光溫室和相對較小型的塑料薄膜連棟溫室的光照特性研究較為豐富，但對于大型文洛型玻璃溫室的光照特性的相關(guān)報道較少。

光照是溫室設(shè)施中的重要環(huán)境因子之一[5]，一方面其光熱效應(yīng)間接為溫室提供熱量來源，另一方面直接被溫室中栽培作物吸收進行光合作用，其光照特性對于作物的生長形態(tài)及果實的產(chǎn)量和品質(zhì)有重要的影響[6-8]。筆者分析了大型文洛型玻璃溫室的太陽總輻射強度和光合量子通量的變化規(guī)律和分布特征及兩者異同點，以及使用反光地布對于實際溫室內(nèi)部不同采光方向光合量子通量的影響，為指導(dǎo)大型文洛型玻璃溫室的栽培方式，優(yōu)化作物的空間結(jié)構(gòu)分布，提高光照的利用效率提供數(shù)據(jù)支撐，同時為進一步用太陽能改善溫室的溫熱環(huán)境提供理論基礎(chǔ)。

試驗與方法

供試場地

測試溫室位于山東省青島萊西市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)胡家疃村東側(cè)的萊西智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園。所測試溫室為引進荷蘭的文洛型連棟玻璃溫室，覆蓋玻璃為超白壓延高透玻璃，霧度大于20%，透光率不小于92%（無外遮陽、無內(nèi)保溫），天溝方向為東西向，41 開間、30 跨（5 m開間、8 m跨、東西向205 m、南北向240 m），其中1 號棚已完成地布鋪設(shè)，2 號棚東側(cè)完成地布鋪設(shè)、西側(cè)為土壤地面，溫室使用地布為上海斯文森園藝設(shè)備有限公司生產(chǎn)的“LS 白色地布”的反光地布，其規(guī)格為4.15 m×282 m。本測試的溫室整體采光指標在1 號溫室測量，反光地布對于采光影響測試在2 號溫室進行。

測試內(nèi)容及方法測定

測試儀器為總輻射計，華控太陽總輻射照度儀，F(xiàn)ZD-A1；光量子儀，美國APOGEE，MQ-500。

測試方法參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 1936-2010《連棟溫室采光性能測試方法》。當?shù)貢r間10:00～14:00，每隔2 h 測定1 輪。共3 次。溫室內(nèi)布置9 個測試點，分別位于兩邊跨和中間跨，各跨3 個測點分布在各跨兩端第2 個開間和中間開間的中央。溫室外測量點1 個，周圍無遮擋空地，距離溫室外墻40 m距離處。測試點距離地面1.5 m。分別在晴天和多云的陰天進行了測試。

同時測定反光地布對于溫室采光影響，測試位置在2 號溫室的南側(cè)第3 跨中部天溝下，無地布測試點為中部道路西側(cè)第4 個開間中央，有地布測試點為同跨中間道路東側(cè)第4 個開間中央。測試高度為距離地面1.5 m高度。測試順序：同一測試點分為6 個測試方向，分別測定水平向上、水平向下、豎直向東、豎直向南、豎直向西、豎直向北方向上的太陽總輻射和光合量子密度。測試要求：盡量保持測量時傳感器的水平和豎直方向的穩(wěn)定，測試豎直向南和豎直向北的采光時，10:00 和12:00 站在西側(cè)，14:00 站在傳感器的東側(cè)，著深色衣服，避免人員因素對于光照采集的影響。數(shù)據(jù)處理與分析軟件為Microsoft Excel 2016 和SPSS 23.0，并使用Microsoft Excel 2016軟件進行制表與制圖。

圖1 溫室內(nèi)測量點分布

結(jié)果與分析

溫室整體采光性能

陰天和晴朗無云天氣的溫室整體采光檢測結(jié)果分別見表1 和表2。

表1 陰天天氣溫室采光檢測結(jié)果

表2 晴朗無云天氣溫室采光檢測結(jié)果

太陽總輻射

從表1 和2 中室外太陽總輻射和溫室太陽總輻射透過率可以看出，在陰天和晴朗無云兩種天氣下，10:00～14:00 的太陽總輻射變化規(guī)律相同。呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢，即12:00 的太陽總輻射值最大，相對較小的10:00 和14:00 兩者相比，14:00 的室外太陽總輻射強于10:00，這與程勤陽等的研究測試相一致[9]。但是，不同天氣下室外的太陽總輻射強度有較大差距，陰天室外太陽總輻射所有3 個測試時間點的平均值為493.7 W/m2，而晴朗與晴朗無云天氣為1057.7 W/m2，后者比前者高114.2%。所以，如果在晴朗夏天需要降低溫室內(nèi)太陽輻射時，可選遮光率50% 的遮陽材料實現(xiàn)陰天光照輻射水平。溫室的總輻射透過率主要受天氣影響，測試結(jié)果在陰天其總輻射透過率在90%～93%，而晴天在77%～83%，陰天的溫室透過率顯著高于晴天天氣。這可能是因為使用了超白壓延高透散射玻璃，此玻璃在具有91.5% 透過率的同時，依然有著大于20%霧度的較高散射性能。

光合量子通量密度

植物的光化學(xué)反應(yīng)所用到的光集中在波長380～700 nm 范圍內(nèi)，通常將這個范圍內(nèi)的光照稱為光合有效輻射，與可見光的波段大體一致，相比太陽總輻射缺少了紫外、近紅外和紅外光，所以不能以太陽總輻射測試結(jié)果分析對于實際作物光合作用的影響。光是以量子的形態(tài)直接參與溫室內(nèi)栽培作物的光合作用，光量子數(shù)量的多少直接對應(yīng)植物的光合速率，具有更加明顯的植物生理學(xué)意義[10]。所以光照強度這個光照指標不同于其他行業(yè)，在農(nóng)業(yè)栽培領(lǐng)域研究中使用光合量子通量密度（PPFD）作為衡量指標，單位為μmol/(m2.s)，表示380～700 nm 波長的光子通量密度。在表1 和表2 中我們可以看出，在相同天氣的同一天中，與太陽總輻射的變化規(guī)律相一致，12:00 最大，但是陰天天氣下三個測試時間點的測試結(jié)果相差不大（在0.05 置信區(qū)間，無顯著差異），而晴朗無云天氣12:00顯著（P＜0.01）大于另外兩個測試時間結(jié)果，約多出45%。陰天天氣的平均光合量子通量密度為352 μmol/(m2.s)，顯著（P＜0.01）低于晴朗無云天氣1368 μmol/(m2.s)，約為晴朗無云天氣的25%。由此可見在陰雨天較多的地區(qū)需要配備補光裝置。從溫室光合量子通量透過率分析，陰天的透過率顯著（P＜0.01）高于晴朗無云天氣。

光照均勻度計算公式要說明

溫室內(nèi)的采光除了受天氣、太陽高度角、季節(jié)等自然因素外，還受到溫室的方位、覆蓋材料、屋面角度和室內(nèi)承重結(jié)構(gòu)的影響。其中一些影響因素會造成遮光，使溫室內(nèi)部的光照均勻性受到影響，光照不均勻的溫室不但光照利用率低并且作物生長有差異，不利于規(guī)?；N植，增加栽培管理流程和成本支出[11]。通過表1 和表2 的測試結(jié)果可以看出溫室光照均勻度均在91% 以上，通過資料對比[9]，要高于通常在80%均勻度的相對較小型溫室。并且相對來說較為一致，不隨著一天中的時間變化而變化，不同的天氣也沒有對溫室內(nèi)均勻度產(chǎn)生影響。這是因為測試溫室采用了超白壓延高透散射玻璃，并且此溫室的單體面積和內(nèi)部空間要更大，加強了內(nèi)部作物生長環(huán)境的均勻性。

陰雨天的的各項測試結(jié)果除溫室的光照均勻度，其余指標均與晴天測試結(jié)果有較大差異，主要體現(xiàn)在陰天天氣是時，溫室的總輻射和光合量子通量密度均比較小，但是兩者的透過率均要比晴天狀況下要高。通過對于測試結(jié)果的總體分析，可以得出輻射透過率和量子透過率具有呈正相關(guān)關(guān)系，并且量子透過率總體上要高于相同測試環(huán)境和測試時間的太陽總輻射透過率。這可能是因為兩者所衡量的光的波段差異，因為玻璃對于短波長的光有更好的頭過性，使得通過溫室表面玻璃后，表現(xiàn)出差別。

光照均勻度計算按照式（1）：

式中：

λ——溫室內(nèi)光照均勻度分布；

s——溫室內(nèi)光合量子通量測量值標準差，單位為微摩每平方米每秒[μmol/(m2.s)]，按照式（2）計算；

EP——溫室內(nèi)量子通量平均值，單位為微摩每平方米每秒[μmol/(m2.s)]，按照式（3）計算。

式中：

n——溫室內(nèi)光合量子通量測點數(shù)量；

EPi——溫室內(nèi)第i 測點光合量子通量，單位為微摩每平方米每秒[μmol/(m2.s)]。

地布對于溫室采光的影響

不同方位光合量子通量密度變化規(guī)律

不同測試方向的光合量子通量變化測試結(jié)果如圖2 所示。

從圖2 中可以得出在不同時間，各測試環(huán)境在上方接受到的光合量子通量密度最高，在下方接收最少、其次最少是北側(cè)方向。這主要是因為太陽的方位，光線在測試時間段由南向上方照射而來。其余方向的光合量子通量密度根據(jù)測試環(huán)境不同而有差異，在有太陽的晴天環(huán)境，10:00、12:00、14:00 東南西3 個方向的接收輻射大小排序分別為東＞南＞西、南＞東≈西、西＞南＞東，這與太陽方向隨時間的變化有關(guān)。并且還可以看到，在10:00 和12:00，北側(cè)接收太陽輻射量略低于西側(cè)但是差別較小。在無太陽的陰雨天，上方接收太陽總輻射量最大，其余方向的接收量相對一致，經(jīng)過差異性分析，在0.1 的置信區(qū)間無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 不同測試方向光合量子密度變化/[μmol/(m2.s)]

地布對光合量子的提高

反光地布對不同方向光合量子密度提高幅度如圖3 所示。地布對于各方向平均光合量子通量密度的提升效果如圖3 所示，在不同的采光方向的提升效果，均為在采光方向向下時提升效果最好，提升幅度達到200% 以上，向上采光方向提升最小，其余方向作用效果在60%～90%。這是因為靠土壤地面反射的光合量子通量絕對值比較小，所以當鋪設(shè)地布后反射光和量子通量提升后相對于無地布時的相對提升幅度較大。吸收光能進行光合作用的場所主要是葉片中的葉綠體，反光地布對于各方向的光合量子通量的強度，能夠使溫室中的光照均勻，避免了葉片和植株對于中下層葉片的光照遮擋，可以增加栽培密度，提高植物對溫室空間的利用效率。植物葉片的上表皮內(nèi)為柵欄組織，排列緊密，而下表皮內(nèi)為相對排列更松散的海綿組織，并且通常情況下上方光照更強能夠誘導(dǎo)更多葉綠體數(shù)量，所以葉背部的光合作用速率低于正面，但是提高葉背部的光照對提高作物產(chǎn)量仍具有重要作用[12-13]。所以使用反光地布對于增強葉背部接受光照，兩提高作物光合作用速率有重要作用。

圖3 不同測試方向地布對光合量子通量提升幅度

地布在不同測試時間對光合量子通量平均作用效果

溫室內(nèi)在土質(zhì)地面和鋪設(shè)反光地布在上、下、東、西、南、北6 個方向三個測試時間的平均光合量子通量密度，在陰天分別為311.6±31.2 μmol/(m2.s)、483.9± 29.7μmol/(m2.s)，在晴天分別為614.1±33.5μmol/(m2.s)、928.1±41.6 μmol/(m2.s)，鋪設(shè)反光地膜的溫室光合量子通量密度，在陰天和晴朗無云天氣分別提高54.3%、51.0%。在不同時間點溫室光合量子通量密度有差別，14:00 提高效果相對較小在40% 左右，10:00 在50% 左右，而12:00 的提高效果最好為68% 左右。

圖4 不同時間光合量子通量平均值/[μmol/(m2.s)]

討論與結(jié)果

溫室的總輻射透過率主要受天氣影響，測試結(jié)果在陰天其總輻射透過率在90%～93%,而晴天在77%～83%，陰天的溫室透過率顯著高于晴天天氣，而從溫室光合量子通量透過率看，陰天的透過率要高于晴朗無云天氣，其中陰天天氣下光合量子通量透過率最高達到了96.5%，高于同時測量的總輻射透過率4.8 個百分點。這主要是因為兩者所主要測得的光照的波長范圍的不同，玻璃對于短波、長的光有更好的透過性，使得通過溫室表面玻璃后的透過率表現(xiàn)出差異；測試溫室光照均勻度均在91% 以上，高于常見溫室，所測試溫室單體面積更大，加強了內(nèi)部作物生長環(huán)境的均勻性。

反光地布對于光照的提高效果在不同的采光方向，均為在采光方向向下時提升效果最好，提升幅度達到200% 以上，上方最小，其余方向作用效果相對一致，在60%～90%。在不同的時間點溫室光合量子通量密度有差別，14:00 提高效果相對較小在40% 左右，10:00在50% 左右，而12:00 的提高效果最好68%左右接近70%。光合量子通量密度提高效果：12:00＞10:00＞14:00。