頂部下翻蓋式通風口開張度對溫室微氣候及番茄生長發(fā)育的影響

摘要：為探究日光溫室頂部下翻蓋式通風口開張度大小對溫室微氣候及番茄生長發(fā)育的影響，為溫室生產(chǎn)調(diào)控提供參考。本研究設計日光溫室頂部下翻蓋開啟75°（A1處理）和45°（A2處理）2種通風方式，以頂部卷簾通風為對照（CK），對溫室內(nèi)光照、CO2濃度和溫度等環(huán)境因子及番茄生長狀況進行研究。結(jié)果表明，在典型晴天白天，A1、A2和CK溫室的平均溫度分別為26.3、27.5、28.9 ℃，平均濕度分別為50.0%、50.3%、50.9%，平均CO2濃度分別為870、765、708 μmol/mol，A1、A2、CK溫室室內(nèi)及室外平均光照度分別為33 327、25 261、22 674、40 140 lx。A1、A2溫室番茄的單株產(chǎn)量及品質(zhì)相較于CK有了極大的提升。通過利用Fluent軟件選擇合適的邊界條件，探究在自然通風條件下不同頂部下翻蓋式通風口開張度對室內(nèi)環(huán)境的影響。模擬A1、A2和CK溫室內(nèi)的氣流和溫度場分布特征，分析頂部下翻蓋式通風口不同開度對日光溫室環(huán)境因子的影響，得出了A1處理溫室溫度和氣流變化均勻，對作物影響相對較小；A2處理溫室通風效果相對較差，不符合夏季通風需求；CK溫室底部氣流較大，在寒冷季節(jié)可能會對作物底部造成凍害。綜上，日光溫室頂部下翻蓋式通風口開張度為75°時表現(xiàn)最好。

關鍵詞：日光溫室；下翻蓋式通風口；頂通風；計算流體力學；微氣候；番茄

中圖分類號：S625.5；S641.204" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）14-0229-07

收稿日期：2023-08-27

基金項目：寧夏回族自治區(qū)中央引導地方科技發(fā)展專項（編號：2021FRD05018）。

作者簡介：胡 豪（1999—），男，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向為溫室設施環(huán)境調(diào)控。E-mail：1643769477@163.com。

通信作者：葛 靜，博士，講師，碩士生導師，研究方向為農(nóng)業(yè)氣象學及設施環(huán)境調(diào)控。E-mail：gjxqgy@163.com。

日光溫室由于其優(yōu)良的保溫性能，能夠抵御惡劣天氣，使溫室內(nèi)作物正常生長，在我國北方蔬菜周年生產(chǎn)和供應中得到了廣泛的應用。日光溫室在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中占有舉足輕重的地位，其通風問題更是影響作物產(chǎn)量的關鍵因素之一。通風是蔬菜日光溫室生產(chǎn)上的一項非常重要的技術措施［1］，自然通風與機械通風是溫室內(nèi)的2種通風方式。自然通風是指在風壓和熱壓的影響下，使室內(nèi)外空氣流動，它能夠起到冷卻除濕、補充CO2的作用，并為溫室中的作物提供適合其生長的環(huán)境。機械通風是一種使用風扇等通風設備，在室內(nèi)和室外形成壓力差，從而對空氣進行強迫流動的通風方法，它以額外的能量消耗來對溫室內(nèi)環(huán)境因子進行調(diào)節(jié)。溫室的通風效率與其通風結(jié)構(gòu)有很大的關系，而不同的通風口位置會在很大程度上影響到溫室內(nèi)的熱環(huán)境分布。目前，主流的日光溫室自然通風口通常安裝在溫室后墻、前屋面和溫室屋脊3個區(qū)域［2-4］。嚴露露等通過溫室后坡墻體處開窗通風方式的不同，研究了自然通風下溫室內(nèi)環(huán)境因子和作物生長情況以及植物冠層溫度的變化［5］。謝迪等對日光溫室頂通風的通風面積大小與室內(nèi)溫濕度的變化進行了研究，結(jié)果表明日光溫室內(nèi)的溫濕度與室外的風速有很大的關系［6］。佟國紅等將日光溫室中的溫度環(huán)境認為是動態(tài)變化過程，利用CFD模擬了典型晴天條件下溫室內(nèi)溫度隨外界環(huán)境變化的規(guī)律，優(yōu)化了溫室設計參數(shù)［7］。李永欣等將溫室自然通風和遮陽網(wǎng)結(jié)合，對Venlo型玻璃溫室內(nèi)部環(huán)境進行測試，結(jié)果表明溫室內(nèi)部溫度明顯低于室外，室內(nèi)環(huán)境因子分布均勻，適合作物生長［8］。已有利用CFD技術研究日光溫室微氣候變化主要通過不同結(jié)構(gòu)溫室室內(nèi)熱環(huán)境模擬、溫室不同通風方式的模擬，得出了提高日光溫室環(huán)境水平的通風方式，以及通風方式的不同對溫室內(nèi)部氣流場的影響［8-19］。

在日光溫室自然通風作用下，通風口位置和結(jié)構(gòu)會對溫室內(nèi)部溫濕度等環(huán)境因子產(chǎn)生影響。目前缺少日光溫室頂部下翻蓋式通風口開張度對溫室微氣候影響的相關研究，本試驗探討了日光溫室頂部下翻蓋式通風口開張度的變化及其與溫室內(nèi)環(huán)境因子和番茄生理指標的關系，以期為日光溫室通風調(diào)控過程中的除濕和熱量耗散提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試溫室

寧夏是一個典型的大陸性氣候區(qū)，年均溫度約8.5 ℃，降水量200 mm，光照時間超過2 610 h，年平均風速為1.0～7.0 m/s。試驗地點在寧夏銀川市賀蘭縣金貴鎮(zhèn)新起點現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設備有限公司（38.50°N，106.42°E）。試驗溫室為寧夏第三代新型裝配式節(jié)能日光溫室，溫室坐北朝南，東西走向。東西長為60 m，南北跨度10 m，后墻為厚度0.5 m、高3.6 m的異質(zhì)復合保溫蓄熱墻體，脊高5.3 m，種植區(qū)寬為8.5 m，溫室西側(cè)配備操作間。溫室內(nèi)用PO膜分為面積相等的3個區(qū)域，溫室覆蓋棚膜為單層PO膜，外面覆蓋保溫被。采用上下通風方式，上通風為均勻分布在每個隔斷溫室的7個下翻蓋式通風口，開啟方式為安裝鏈條式開窗機推動（電流1.2 A，推拉力400 N，行程800 mm）。試驗共設計2個處理，下翻蓋式通風口開張度為75°的溫室為A1處理（圖1-a），下翻蓋式通風口開張度為45°的溫室為A2處理（圖1-b），對照（CK）為頂通風采用卷簾通風。3個溫室通風口的面積相同，下翻蓋式通風口形狀為矩形，長1.1 m、寬0.6 m，面積為0.66 m2，相鄰下翻蓋式通風口間距為110 cm，對照溫室的頂部通風口長20 m、寬13.2 cm。在距地高度0.6 m處，設置寬 40 cm、長60 m的前屋面底部通風口，所有通風口處均有52目防蟲網(wǎng)。通風口開啟時間和面積與對照溫室相同，對照溫室和試驗溫室除了頂部通風口結(jié)構(gòu)不同其余部分均相同。

試驗期間選取天氣狀況良好，日光溫室頂部下翻蓋式通風口開度的二分之一、全開。以2023年3月25日日光溫室室內(nèi)外實測數(shù)據(jù)作為邊界條件，試驗時風向為南風，風速1.8 m/s。建立日光溫室內(nèi)環(huán)境因子的CFD計算模型，采用標準k-ε湍流模型、DO湍流模型進行計算。網(wǎng)格生成及邊界條件設置采用ANSYS Workbench 2022R1的SpaceClaim軟件進行幾何建模。網(wǎng)格采用ANSYS Workbench 2022R1中的Mesh軟件進行網(wǎng)格劃分，并對進出風口進行加密處理。

1.2 室內(nèi)作物

試驗材料為番茄品種伊亞，為雜交一代粉果番茄，果實球形，單果重210～290 g，中早熟品種。定植日期為2023年3月19日，起壟種植，每壟2行，壟寬0.8 m，溝寬0.7 m，行距0.3 m，株距 0.35 m，單蔓整枝，留5穗果打頂，南北方向種植。試驗時間為2023年3月19日至7月20日，田間管理按高產(chǎn)栽培要求進行，每個試驗溫室基肥為高濃度通用復合肥10 kg，鋅腐酸磷酸二銨10 kg，微生物菌劑 30 kg；追肥為滴灌水溶肥，試驗溫室和對照溫室均采用水肥一體機進行滴灌。

1.3 指標測定

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)測定

各溫室測點布置相同，詳見圖2。

（1）室內(nèi)采用紫藤氣象站采集系統(tǒng)（來自北京紫藤連線科技有限公司），特點是測量精度高，性能可靠，響應速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高?？梢詼y定空氣溫度（范圍：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃）、空氣濕度（范圍：0～100%，精度：±3%）、光照度（范圍：0～200 klx，精度：±5%）、CO2濃度（范圍：0～5 000 μmol/mol，精度：±50 μmol/mol）和土壤溫度（范圍：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃）。

（2）室外采用戴維斯氣象站測量數(shù)據(jù)，測定空氣溫度（范圍：-18～60 ℃，精度：±0.5 ℃）、空氣濕度（范圍：0～100%，精度：±3%）、光照度（范圍：0～320 klx，精度：±5%）。

（3）溫濕度傳感器（來自兆泰盛電子科技有限公司），可以測定空氣溫度（范圍：-40～60 ℃，精度：±0.3 ℃）、空氣濕度（范圍：0～100%，精度：±3%）。

（4）土壤溫度傳感器（來自浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司），可以測定土壤溫度（范圍：-20～70 ℃，精度：±0.5 ℃）。

（5）風速風向傳感器（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司），可以測定風速（測量范圍：0～60 m/s，測量分辨率0.1 m/s）、風向（測量范圍：0°～360°，風向分辨率：3°）。

1.3.2 生理指標測定

3個溫室內(nèi)番茄緩苗期后測定株高、莖粗、SPAD值等生長指標。在番茄盛果期測定可溶性總糖、維生素C含量，分別采用 H2SO4-蒽酮比色法、鉬藍比色法測定。番茄單株產(chǎn)量的測定，在溫室內(nèi)隨機標記5株，將多次采收的重量進行測算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 27.0進行單因素方差分析，用Origin 2018軟件進行作圖，用Fluent軟件進行日光溫室環(huán)境模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室下翻蓋式通風口不同開張度對室內(nèi)環(huán)境因子的影響分析

2.1.1 典型天氣下不同開張度對室內(nèi)空氣溫度的影響

由圖3-a可知，在典型晴天，A1、A2、CK溫室溫度迅速上升，3個溫室內(nèi)溫度與室外溫度變化趨勢基本一致，晝高夜低，在13：00溫度達到最高值，分別為35.1、36.3、38.6、30.5 ℃，CK溫室的氣溫比A1和A2溫室分別高3.5、2.3 ℃。白天A1、A2、CK溫室的平均溫度分別為26.3、27.5、28.9 ℃，與室外相比分別高了3.0、4.2、5.6 ℃。由圖3-b可知，在典型陰天，3個溫室和室外的溫度變化趨勢基本相同，A1、A2和CK溫室溫度平均升溫速率較典型晴天低，陰天全天溫室氣溫都比室外高，在14：00溫度達到最高，A1、A2、CK溫室及室外溫度最大值分別為19.9、21.2、22.4、18.0 ℃，CK溫室分別比A1、A2溫室高 2.5、1.2 ℃。典型陰天，全天A1、A2、CK溫室及室外平均溫度分別為14.0、14.5、15.5、12.2 ℃，CK溫室分別比A1、A2溫室及室外平均溫度高1.5、1.0、3.3 ℃?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析，不管在晴天或者陰天情況下，A1溫室的通風降溫效果比A2溫室和CK溫室的通風降溫效果好，A2溫室的通風效果比CK溫室好，CK溫室表現(xiàn)最差。

2.1.2 典型天氣下不同開張度對室內(nèi)空氣濕度的

影響

高濕是日光溫室的普遍特點。由圖4-a可知，在典型晴天，室外濕度一直比A1、A2、CK 3個試驗溫室的濕度高，在早晨室外濕度及3個溫室的濕度達到最大值并開始下降，最大值分別為79.3%、72.9%、74.2%和76.0%，平均濕度分別為57.8%、50.0%、50.3%和50.9%。由圖4-b可知，典型陰天，3個溫室濕度和室外濕度變化趨勢基本相同，從07：00后濕度開始大幅度下降，14：00時濕度達到最低。A1、A2、CK溫室及室外的平均濕度分別為75.8%、77.8%、77.0%和80.7%。典型陰天白天A1、A2、CK溫室及室外平均濕度分別為58.6%、61.3%、58.0%和65.1%，陰天晚上19：00至次日早上07：00平均濕度分別為90.2%、91.8%、93.2%和93.9%。通過分析表明，CK溫室的濕度白天低晚上高，相比之下A1、A2溫室的環(huán)境濕度更加有利于番茄生長。

2.1.3 典型天氣下不同開張度對室內(nèi)CO2濃度的影響

由圖5-a可知，在典型晴天，3個溫室的CO2濃度在通風口關閉后開始遞增，在08：00時日光溫室通風口打開前達到最大值，A1、A2和CK溫室最大CO2濃度分別為1 279、1 095、1 052 μmol/mol。A1溫室CO2濃度極值分別比A2、CK溫室極值高184、227 μmol/mol，A1、A2和CK溫室的平均CO2濃度分別為870、765、708 μmol/mol。日出后溫室內(nèi)番茄開始進行光合作用，在08：00—16：00 CO2濃度開始下降，在 16：00 時，A1、A2和CK溫室的CO2濃度達到最小值，分別為456、425、395 μmol/mol，A1溫室的最小值分別比A2、CK溫室高31、61 μmol/mol。由此可見，在典型晴天下A1、A2的CO2濃度優(yōu)于CK溫室，A1溫室優(yōu)于A2溫室。由圖5-b可知，典型陰天，同一時刻CO2濃度沒有典型晴天濃度變化大，在08：00時CO2濃度達到最大，A1、A2和CK溫室濃度分別為 1 620、1 560、1 518 μmol/mol，A1溫室最大值分別比A2、CK溫室高60、102 μmol/mol。08：00后光照加強、通風口打開，番茄開始進行光合作用，濃度急劇下降，在 13：00 時濃度達到最小值，A1、A2和CK溫室最小值分別為510、450、436 μmol/mol。通過以上數(shù)據(jù)表明，與A2、CK溫室相比，A1溫室內(nèi)CO2濃度是相對最高的，有利于白天番茄光合作用的進行。

2.1.4 典型天氣下不同開張度對室內(nèi)光照度的影響

由圖6-a可知，在典型晴天，08：00—20：00各溫室光照度變化趨勢基本一致，A1溫室室內(nèi)光照度最高為 59 600 lx，A2、CK溫室及室外光照度最高分別為46 800、45 630、71 020 lx，室外光照度在14：00時分別比A1、A2、CK溫室高11 420、24 220、25 390 lx。A1、A2、CK溫室室內(nèi)及室外平均光照度分別為33 327、25 261、22 674、40 140 lx。由圖6-b可知，在典型陰天，A1、A2、CK溫室光照度最大分別為 22 720、20 170、19 652 lx，A1溫室光照度最大值僅比A2、CK溫室高2 550、3 068 lx，陰天光照度差距較小，通過以上數(shù)據(jù)分析可知，A1、A2溫室室內(nèi)的光照度優(yōu)于CK溫室，A1溫室光照度優(yōu)于A2溫室，說明在典型晴天室外光照好的情況下日光溫室下翻蓋式通風口開張度75°比開張度45°時好。

2.2 不同開張度下溫室內(nèi)流場和溫度場分布模擬

日光溫室通風換氣對溫室內(nèi)溫濕度變化有著重要影響，溫室內(nèi)氣流流動可以使得溫室內(nèi)部溫濕度發(fā)生變化。溫室頂部下翻蓋式通風口的優(yōu)勢是抵擋冬季寒冷氣流對于風口下方作物的凍害，保證溫室內(nèi)部整體環(huán)境變化穩(wěn)定。從A1、A2、CK 3個溫室在沿著溫室x軸10.1 m東西方向處氣流分布矢量圖（圖7）可以看出，A1溫室通風形式氣流和溫室中部形成的渦流流速快，溫室底部中間位置的氣流速度也加快，氣流在溫室內(nèi)呈順時針方向流動，底部通風口上方形成明顯渦流。A2溫室頂部通風形式氣流流速平穩(wěn)，底部通風處形成的渦流流速小，氣流主要從底部通風口進入，主要沿著溫室底部及后墻上行從頂部風口流出， 造成頂部下翻蓋式通風

口處氣流復雜。CK溫室底部、后墻區(qū)域和頂部棚膜區(qū)域氣流流速快，在寒冷季節(jié)會對作物產(chǎn)生凍害。

從A1、A2、CK 3個溫室在X軸10.1 m東西方向處溫度分布云圖（圖8）可以看出，在溫室頂部和后墻區(qū)域溫度較高是由于棚膜直接參與太陽輻射和后墻散熱造成的。A1溫室氣流運動活躍，降溫效果明顯，適合寧夏地區(qū)夏季通風要求。A2溫室氣流平緩，溫度變化較小，滿足在冬季及極端情況下通風換氣需求。CK溫室底部溫度有變化，對作物緩苗期存在影響。

2.3 不同開張度對番茄生長、品質(zhì)、產(chǎn)量的影響

從表1可知，A1溫室番茄株高顯著小于A2、CK溫室，而莖粗、SPAD值、單果重、單株產(chǎn)量和可溶性總糖含量顯著大于A2和CK。A1、A2溫室單株果數(shù)、可溶性固形物含量、維生素C含量均大于CK溫室，但是差異不顯著。A1溫室內(nèi)番茄單株產(chǎn)量比A2、CK溫室分別高了3.3%、12.0%，A1溫室通風效果良好。

3 討論與結(jié)論

本次試驗采用的是寧夏銀川地區(qū)第三代新型裝配式日光溫室，其后墻保溫性能相對較好，試驗設置為頂部下翻蓋式通風口與底部通風相結(jié)合，對溫室內(nèi)溫度及氣流場的變化有明顯影響，這與王新忠等的研究結(jié)果［9，20-21］基本一致。高溫持續(xù)時間和光照度會對番茄的品質(zhì)及可溶性糖含量產(chǎn)生影響［22-24］。有研究表明，通風口的形狀和開張度會對室內(nèi)通風有一定影響，通過采用CFD對溫室內(nèi)部環(huán)境模擬的方式可以看出溫室內(nèi)部通風效果的差異，考慮到冬季寧夏地區(qū)冷風風速、日光溫室保溫和通風的情況，與CK溫室通風相比，A1和A2溫室下翻蓋式通風口是合理的［25］。本次試驗忽略了3個溫室間PO膜隔斷帶來的影響，主要研究了溫室內(nèi)部的微氣候變化，溫室通風效果優(yōu)劣取決于溫室通風口的位置、面積和結(jié)構(gòu)，后期要研究不同時段的開張度大小和底部通風口不同寬度的組合。

本研究結(jié)果顯示，典型晴天，A1、A2、CK溫室的平均溫度分別為26.3、27.5、28.9 ℃，平均濕度分別為50.0%、50.3%、50.9%，平均CO2濃度分別為870、765、708 μmol/mol，A1、A2、CK溫室室內(nèi)及室外平均光照度分別為33 327、25 261、22 674、40 140 lx。以上數(shù)據(jù)說明了A1、A2溫室的溫濕度、光照、CO2濃度均優(yōu)于CK溫室，能夠為番茄生長提供良好的環(huán)境。日光溫室頂部下翻蓋式通風口開度大小對溫室內(nèi)的氣流和溫度分布有明顯影響，不同的開度大小對室內(nèi)環(huán)境的熱交換作用不同，A1、A2溫室單株番茄產(chǎn)量比CK溫室分別高了12.0%、8.4%。

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