返回棧式加熱爐在梨園中的應(yīng)用效果試驗(yàn)*

蔣 卉，郭 鵬，郭獻(xiàn)平，王東升，吳中營，李亞奇

（1 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，鄭州 450002）（2 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院）

隨全球氣候變化加劇，果園低溫災(zāi)害頻發(fā)[1-2]。與其他天氣災(zāi)害相比，果園低溫災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失更多[3]，其中梨園遭受低溫災(zāi)害主要是霜凍。近年來暖春情形增多，氣候變化導(dǎo)致梨花期和幼果期提前[4]，夜間2～4 h 的短時(shí)低溫（-2～0 ℃）即可造成花序、柱頭和果柄、幼果不同程度的傷害[5]，影響花量和坐果率，造成果實(shí)品質(zhì)降低或大幅減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)[6]。實(shí)時(shí)的低溫災(zāi)害預(yù)警（中國天氣網(wǎng)，http://www.weather.com.cn/alarm/）能提前做好防范措施。但因受品種、樹齡、樹勢、物候期、臨界低溫、持續(xù)時(shí)間、地形地勢等因素影響，防護(hù)時(shí)機(jī)較難及時(shí)預(yù)警[7]。

防御低溫災(zāi)害的措施有多種，選育抗寒耐低溫品種提高植株抗性[8-10]、補(bǔ)充樹體營養(yǎng)[11]、噴施防凍劑[12]等也能提升樹體抗凍能力，利用逆溫層效應(yīng)使用煙霧發(fā)生器[13]或防霜凍風(fēng)機(jī)[14-16]提升果園近地溫度，使用噴淋澆灌法、生草覆蓋法和加熱法等[17]。其中，加熱法在國內(nèi)外果園低溫凍害防御中的應(yīng)用歷史悠久，傳統(tǒng)方法常為燃燒麥草秸稈枯枝、煤炭等，提高近地溫度形成暖溫層[18]，但對環(huán)境污染嚴(yán)重。加熱爐是加熱法的改進(jìn)，形成低能火焰式、錐式、返回棧式等類型。經(jīng)直接用于加熱形成暖溫層，通過在反轉(zhuǎn)層內(nèi)與空氣混合將空氣直接或間接地對流到農(nóng)作物，將剩余的能量通過直接輻射方式從加熱器傳遞到植物，因此在凍害程度較嚴(yán)重的極端低溫凍害事件中也有效。近年來返回棧式加熱器開始在國內(nèi)應(yīng)用，氮氧化物排放量少，對環(huán)境污染較小，但在果園的應(yīng)用效果參數(shù)知之甚少[19]。

為科學(xué)高效地提升梨園低溫災(zāi)害防御能力，本研究在梨花期，選擇類似輻射霜凍的夜間進(jìn)行測試，記錄了凌晨梨園加熱爐點(diǎn)火后，單爐和群爐在不同火勢下溫度、濕度、水汽壓差（Vapor pressure difference，VPD）和露點(diǎn)溫度的變化情況。并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，評估了在水平棚架式梨園中開啟加熱爐后，近地層氣候變化規(guī)律、防護(hù)效果和有效防護(hù)范圍，為加熱爐在梨園中的應(yīng)用和設(shè)備改進(jìn)提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在國家梨產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系鄭州綜合試驗(yàn)站核心示范園基地（東經(jīng)113°70′，北緯35°01′）進(jìn)行，年春季平均氣溫為14.4 ℃，無霜期224 d。測試區(qū)域的梨種植模式為二主枝水平棚架模式，冠層高度為1.6～3.0 m，行株距為4 m×2 m，樹齡12 年（2009年春種植）。測試時(shí)間和梨園實(shí)時(shí)溫度變化如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

防霜加熱爐（史瑪特TM加熱器果園版）的結(jié)構(gòu)和水平棚架模式栽培梨園的現(xiàn)場安裝情況如圖2 所示。

1.3 試驗(yàn)觀測儀器

藍(lán)牙溫濕度計(jì)（成都佳鋰科技有限公司）實(shí)時(shí)記錄溫度、濕度、水汽壓差（Vapor pressure difference，VPD）和露點(diǎn)溫度。藍(lán)牙溫濕度計(jì)校準(zhǔn)誤差±0.1 ℃以內(nèi)，精確值為0.01 ℃。記錄頻率為1 min/次。

小型氣象站（Vantage Pro2 Plus 無線自動(dòng)氣象站，Davis）位于測試區(qū)域外50 m 左右。實(shí)時(shí)記錄溫度、濕度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)速等參數(shù)。記錄頻率為30 min/次。

1.4 單爐對梨園環(huán)境因子影響的試驗(yàn)方案

當(dāng)日下午提前放置加熱爐，并添加柴油30 L/爐（加熱爐置于二主枝水平棚架內(nèi)）；測試點(diǎn)如圖3-A 所示。以爐體為起點(diǎn)，在加熱爐以東直線方向上布置測試點(diǎn)，放置溫濕度計(jì)，分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 m（圖3-B）。

1.5 群爐對梨園環(huán)境因子影響的試驗(yàn)方案

根據(jù)單爐測試結(jié)果，采用加熱爐隔行交替放置、順行距離爐距為12 m，每667 m2放置8 個(gè)爐，加熱爐放置方法如圖3-A 所示。根據(jù)周圍爐數(shù)量（4、3、2 個(gè)或1 個(gè)）與四周爐距離不同（4 m 或6 m），設(shè)置7 類監(jiān)測點(diǎn)，分別為I 類（1 號(hào)）、II 類（2、3 號(hào)）、III 類（4、5、6、7 號(hào)）、IV 類（8、12、16、20 號(hào)）、V 類（9、13、17、22 號(hào)）、VI類（10、14、18、23 號(hào)）、VII 類（11、15、19、21 號(hào)），24 號(hào)溫度計(jì)置于離測試區(qū)100 m 左右的梨樹冠層處，記為對照（CK）（圖4）。

1.6 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2019 和OriginPro 2019b 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 防霜加熱爐單爐對梨園環(huán)境因子的影響

2.1.1 單爐升溫初期對梨園環(huán)境的影響

加熱爐開啟后，升溫過程中，隨著時(shí)間的推移，溫度、濕度、VPD 和露點(diǎn)溫度等環(huán)境因子的變化趨勢符合Boltzamann 函數(shù)y＝A2＋［（A1－A2）/（1＋e（x-x0）/dx）］分布，其中x為點(diǎn)火后持續(xù)時(shí)間，y為相應(yīng)的環(huán)境因子指標(biāo)，A1、A2、x0、dx 等參數(shù)值如表1 所示。

表1 單爐點(diǎn)火初期環(huán)境因子隨時(shí)間變化的Boltzamann函數(shù)參數(shù)值

如圖5 所示，加熱爐開啟5～10 min 開始升溫，15～20 min 快速增加，25～30 min 趨于平衡，達(dá)到熱平衡的時(shí)間隨著距離的增加而延長。1、2、3、4、5、6 m 處的溫度分別增加21.85、6.35、5.75、1.88、1.52、1.80 ℃，表明單爐在6 m 范圍內(nèi)能產(chǎn)生1.5 ℃以上的增溫。加熱爐開啟后濕度快速下降，大火時(shí)1 m 處的濕度降幅為57.29%，2～3 m 處濕度降幅為29.66%～31.70%，4～6 m 處的濕度降幅為12.77%～14.56%。1 m 處的VPD 增幅達(dá)到1 188.18%，2～3 m處VPD 增幅為178.99%～180.80%，4～6 m 處的VPD 增幅為32.03%～43.11%。1 m 處的露點(diǎn)溫度增幅為89.35%，2～3 m 處的露點(diǎn)溫度增幅為21.83%～41.65%，4～6 m 處露點(diǎn)溫度增幅為13.30%～15.20%。表明加熱爐開啟后，1 m 處的露點(diǎn)溫度急劇增加，4～6 m 處仍有小幅增加，表明加熱爐有效影響范圍為＞6 m。但大火時(shí)加熱爐1 m 范圍內(nèi)環(huán)境因子變化較大，可能導(dǎo)致此范圍梨花器組織失水較快，且對其生理代謝有一定影響。

圖5 單爐點(diǎn)火初期1～6 m 內(nèi)環(huán)境因子隨時(shí)間的變化趨勢

2.1.2 單爐穩(wěn)定期不同距離對環(huán)境的影響

在不同火勢情況下溫度趨于平衡后，各項(xiàng)環(huán)境因子指標(biāo)隨距離的變化與自然條件趨勢一致，溫度、濕度、VPD 和露點(diǎn)溫度等變化趨勢均符合Exponetial 函數(shù)y＝y(tǒng)0＋A×e（R0×x）分布，其中x為測試點(diǎn)距爐的距離，y為相應(yīng)的環(huán)境因子值，y0、A、R0等參數(shù)值如表2 所示。

表2 單爐穩(wěn)定期環(huán)境因子隨距離變化的Exponetial函數(shù)參數(shù)值

由圖6 可以看出，火勢大小影響溫度增幅，大火較中火1 m 處高6.95～10.57 ℃，2～3 m 處高1.05～1.44 ℃，4～6 m 處高-0.09～0.72 ℃，表明火勢增大后大幅增加了1 m 內(nèi)的溫度，而對熱量的擴(kuò)散范圍與中火一致?；饎荽笮∮绊憹穸冉捣?，大火較中火1 m 處低7.00%～9.12%，2～3 m 處低1.87%～3.96%，4～6 m 處低-0.50%～1.93%?；饎荽笮∮绊慥PD增幅，大火較中火1 m處高1.26～2.13 kPa，2～3 m 處高0.09～0.18 kPa，4～6 m 處高-0.04～0.06 kPa?；饎荽笮∮绊懧饵c(diǎn)溫度增幅，大火較中火1 m 處高2.86～4.21 ℃，2～3 m 處高0.59～1.69 ℃，4～6 m 處高0.05～0.62 ℃。表明離爐越近環(huán)境因子變化越劇烈，4～6 m 處VPD 和露點(diǎn)溫度與自然環(huán)境趨于一致。此外，50 cm 處溫度較自然溫度增加32 ℃左右，進(jìn)一步證明加熱爐在靜風(fēng)環(huán)境下的熱擴(kuò)散能力有限。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境因子劇烈變化對梨樹花器生長發(fā)育的影響。

圖6 單爐穩(wěn)定期環(huán)境因子隨距離變化的趨勢

2.1.3 單爐穩(wěn)定期對梨園環(huán)境的影響

環(huán)境因子趨于平衡后，與自然環(huán)境因子形成較穩(wěn)定的差值。從圖7 可以看出，中火時(shí)1～6 m 處分別增溫15.32～18.71、5.23～5.99、4.69～5.23、2.00～2.18、1.74～2.02、1.93～2.06 ℃；大火時(shí)1～6 m 處分別增溫24.09～25.53、7.24～7.95、6.52～6.80、2.01～2.16、1.66～2.23、2.07～2.23 ℃；7～10 m 處仍有極小幅度的增溫。中火1～6 m 處的濕度分別降低了47.97%～52.80%、20.61%～23.58%、19.52%～23.51%、10.60%～11.79%、9.31%～11.04%、9.41%～10.84%；大火1～6 m 處的濕度分別降低了53.52%～55.93%、20.13%～23.35%、20.01%～22.39%、2.14%～4.57%、1.46%～3.65%和2.03%～4.62%。中火和大火1 m 處VPD 的增幅很大，分別增加了1.63～2.26 kPa 和3.40～3.78 kPa，對梨花器的生理代謝將產(chǎn)生較大的影響；2～3 m 處的VPD，大火時(shí)為0.45～0.58 kPa，中火時(shí)為0.28～0.41 kPa；4～6 m 處的VPD，中火時(shí)為0.008～0.011 kPa，大火時(shí)為0.039～0.088 kPa，與自然條件區(qū)域一致。中火和大火1 m 處露點(diǎn)溫度分別增加了1.97～3.30 ℃和3.65～5.53 ℃；2～3 m 處露點(diǎn)溫度大火時(shí)增加了1.38～3.03 ℃，中火時(shí)增加了0.99～2.06 ℃；4～6 m 處的露點(diǎn)溫度，大火時(shí)增加了0.95～1.64 ℃，中火時(shí)增加了0.96～1.14 ℃。表明火勢為中火、大火時(shí)，宜將植株與火源距離保持在1 m 以外，為保證爐群范圍內(nèi)的有效防護(hù)，火源與植株距離需在4～6 m 以內(nèi)；或通過降低火勢減小對花器的影響。

圖7 單爐穩(wěn)定期對環(huán)境的影響

2.2 群爐對梨園環(huán)境因子的影響

2.2.1 點(diǎn)火至熄火不同時(shí)期群爐范圍內(nèi)外對溫度的影響

從圖8 可以看出，在點(diǎn)火階段群爐范圍內(nèi)即產(chǎn)生了升溫，完成點(diǎn)火后30 min 左右各區(qū)域的溫度均達(dá)到平衡狀態(tài)，進(jìn)入穩(wěn)定期。爐群中心溫度增加4.5～5.0 ℃，爐群邊緣溫度增加2.0～3.5 ℃，爐群外0～6 m 范圍內(nèi)增溫0.5～2.0 ℃，爐群外6～12 m范圍內(nèi)增溫0～0.5 ℃。該結(jié)果表明，群爐熱輻射范圍較單爐增加。熄火后與自然溫度維持溫差的時(shí)間為30～60 min。因此，需在凍害發(fā)生前30 min 內(nèi)完成點(diǎn)火，自然溫度穩(wěn)定回升至霜點(diǎn)以上才能熄火。此外，還可以利用群爐效應(yīng)交替點(diǎn)火，形成群防效應(yīng)。

圖8 群爐點(diǎn)火至熄火階段群爐范圍內(nèi)外溫度的變化（中火）

2.2.2 穩(wěn)定期群爐范圍內(nèi)外濕度、VPD 和露點(diǎn)溫度變化情況

為評估中火穩(wěn)定期群爐對梨園各項(xiàng)環(huán)境因子的影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測了群爐內(nèi)外各區(qū)域與自然條件下的濕度差、VPD 差和露點(diǎn)溫度差（圖9）。結(jié)果表明，群爐中心濕度降低了10%左右，VPD 升高了0.3 kPa 左右，露點(diǎn)溫度提高了1.6 ℃左右，可能對梨花器生長發(fā)育產(chǎn)生影響，但整體影響不大。

圖9 穩(wěn)定期群爐范圍內(nèi)外濕度、VPD 和露點(diǎn)溫度的變化

2.2.3 群爐中火平衡期測試點(diǎn)周圍爐數(shù)量與溫度增幅的關(guān)系

單爐測試結(jié)果表明，加熱爐4～6 m 處的溫度增幅極小，趨近于自然條件。為保證群爐范圍內(nèi)各區(qū)域均呈有效增溫，故設(shè)置爐距4～6 m，每667 m2放置6～8 個(gè)爐。為分析群爐內(nèi)部的疊加效應(yīng)，根據(jù)4～6 m 內(nèi)加熱爐的數(shù)量將測試點(diǎn)分為IV 類（見1.5）。測試結(jié)果表明（圖10），周圍加熱爐數(shù)量越多升溫越高。中火時(shí)，I 類升溫5 ℃左右，II 類升溫1.0～4.2 ℃，III 類升溫1.0～4.5 ℃（受微風(fēng)的影響，西南方向的溫度增幅偏高），IV 類升溫0～1.8 ℃（單爐中火時(shí)此距離升溫2.5 ℃左右）。表明4～6 m 的距離擺放加熱爐具有疊加效應(yīng)，可保證防護(hù)范圍內(nèi)增溫效果。受自然風(fēng)的影響會(huì)吹散一部分熱量，擴(kuò)大熱傳遞面積，因此在風(fēng)口處應(yīng)適當(dāng)增加加熱爐數(shù)量。

圖10 群爐中火平衡期周圍爐數(shù)量與溫度增幅的關(guān)系

2.3 返回棧式加熱爐能源消耗成本與防護(hù)效率

對測試過程中的大火、中火燃柴油使用量和燃燒時(shí)間進(jìn)行了估算（表3）。大火、30 L 柴油燃燒時(shí)間為4 h 左右，中火、30 L 柴油燃燒時(shí)間為7 h左右，每667 m2成本分別為275.4 元/h 和157.2 元/h，使用小火的成本約為36.6 元/h。為提高加熱爐防霜效果，在實(shí)際應(yīng)用中，建議采用4～6 m 間隔的爐距擺放，根據(jù)氣溫降低幅度選擇火勢大小。也可采用循環(huán)、間隔方式點(diǎn)燃加熱爐，增加熱擴(kuò)散能力和范圍，同時(shí)提高燃油利用效率，降低能耗單位面積和時(shí)間內(nèi)的能耗成本。

表3 返回棧式加熱爐能源消耗成本與防護(hù)效率

3 討論與結(jié)論

國外加熱爐的研發(fā)起步較早，經(jīng)過數(shù)代的更迭和改進(jìn)，形成多項(xiàng)專利技術(shù)和相應(yīng)環(huán)保措施[1-4]。為應(yīng)對果園極端凍害，近年來加熱爐開始在我國果園防霜凍中使用，具有較好的熱傳遞效率和穩(wěn)定性。Evans 等[19]研究表明，返回棧式加熱爐燃燒柴油釋放物硫氧化物排放量為0.06 kg/h，氮氧化物排放量極少，對環(huán)境污染較小。與傳統(tǒng)以廢舊輪胎、麥草秸稈、木屑為燃料的燃燒法相比，加熱爐法更為環(huán)保、安全系數(shù)更高、熱量輻射面積更廣、點(diǎn)火更快速簡便。本研究結(jié)果表明，返回棧式加熱爐升溫速度較快（熱平衡時(shí)間為25～30 min），群防輻射區(qū)域較廣（區(qū)域外12 m 左右），可調(diào)控增溫幅度（0～5.0 ℃）大，不受靜風(fēng)、逆溫層等特定環(huán)境要求的影響，在極端冷害時(shí)可能更有效。與其他較環(huán)保的防霜設(shè)備相比，例如煙霧發(fā)生器、防霜風(fēng)機(jī)等，加熱爐設(shè)備成本相對較低，燃料消耗量可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)控，不需在靜風(fēng)、逆溫層等特定環(huán)境條件下使用，但較煙霧發(fā)生器和防霜風(fēng)機(jī)的熱傳播速度慢，存在防護(hù)范圍有限等缺陷。通過多方式聯(lián)防可能可以彌補(bǔ)相互不足，但其有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究試驗(yàn)型號(hào)的返回棧式加熱爐，在水平棚架式梨園應(yīng)用中還存在一些缺陷。例如：爐體過高，點(diǎn)火、控制火勢和熄火等都需要人工完成。中心區(qū)域溫濕度變化極大、熱擴(kuò)散速度和擴(kuò)散范圍有限，可能對棚架式栽培梨樹生長、開花、坐果等產(chǎn)生影響。建議降低爐體高度，利用群爐效應(yīng)增加熱輻射范圍和流動(dòng)性，以間隔點(diǎn)火、中小火交替等方式減少燃料熱量損耗和成本。通過改進(jìn)設(shè)備能量傳遞方式也能提升防護(hù)效率，例如Evans 等在2009 年設(shè)計(jì)的脈沖射流加熱器，彌補(bǔ)了返回棧式加熱爐近距離溫度過高的缺陷[19]，但國內(nèi)還未有類似設(shè)備。