河西走廊GN-N10B型石墙钢架日光温室温光环境分析

祁光斌，颉建明，郁继华，申磊，唐中祺，王瑞东

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州　730070)



河西走廊GN-N10B型石墙钢架日光温室温光环境分析

祁光斌，颉建明，郁继华，申磊，唐中祺，王瑞东

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州730070)

摘要：【目的】 研究GN-N10B日光温室内的温度、光照环境特征，为设施生产中温室环境的调控及改良提供理论依据.【方法】 采用TP700数据采集器和TNHY-7型农业气象监测仪，对10 m跨新型日光温室结构(GN-N10B型石墙钢架日光温室)的室内气温、后墙内表面温度和光照强度进行多点连续监测.【结果】 晴天条件下，温室内气温和后墙内表面温度在揭帘后(9∶30)开始升高，至14∶00和15∶00达到最高，分别为35.0 ℃、39.5 ℃，气温每小时升高4.4 ℃，温室内外平均温差为21.6 ℃；阴天条件下，温室内气温和后墙内表面温度在10∶30开始缓慢升高，至13∶30和14∶30达到最高，分别为21.0 ℃和19.5 ℃，气温每小时升高1.4 ℃，温室内外平均温差为16.9 ℃.整个越冬期(2014-12-12至2015-03-06)温室内平均最低温度为12.3 ℃.晴天，白天温室气温在升温阶段(9∶00～14∶00)南北方向分布较均匀，在降温阶段(14∶00～16∶00)分布不均匀，南、北两端低，中间高，相差2.2 ℃；夜间温室气温在水平方向分布均较均匀；在垂直方向，温室气温随高度的增加呈下降趋势，近地面处气温高，中部和顶端气温低，相差1.0 ℃.晴天温室内光强≥10 klx的时长达到7.5 h，≥30 klx的时长达到4.5 h，可以满足温室内作物正常生长.温室平均透光率为68.95%.【结论】 GN-N10B型石墙钢架日光温室可满足茄果类等喜温性蔬菜越冬生产的需要，适宜在甘肃河西走廊及其气候相似区域推广应用.

关键词：日光温室；温度；光照；日变化；河西走廊

作为设施农业的主体,日光温室在解决我国蔬菜周年供应,增加农民收入，促进农业产业结构调整，提高城乡居民的生活水平等方面发挥着重要作用.甘肃河西走廊地区自20世纪90年代初开始推广日光温室[1]，历经20多年的发展历程，经过引进、消化、吸收和自我创新，部分地区现已形成了初具规模的优势特色产业，对增加农民收入做出了重要贡献.当前，随着生产规模的扩大，传统的小跨度日光温室已不能满足日光温室大型化、温室作业轻简化的要求，为了进一步增大温室空间，改善光照条件，提高温室性能，甘肃农业大学园艺学院结合甘肃日光温室主要分布区的气候和自然资源条件，设计出了一种10 m跨新型日光温室(GN-N10B型石墙钢架日光温室).该温室已在酒泉、武威等日光温室优势分布区域推广应用，产生了良好的应用效果.国内对日光温室温光环境研究已有报道，孙治强等[2]研究了黄淮改良型日光温室不同部位气温的日变化；邹志荣等[3]对日光温室温度变化与热量状态进行了分析；张帆洋等[4]对下挖式日光温室冬季温光变化规律进行了研究；宝卫通等[5]对影响酒泉市日光温室内环境变化的热通量特性进行了分析.但针对河西走廊日光温室温光环境的研究尚无报道.本文采用TP700数据采集器和TNHY-7型农业气象监测仪，对GN-N10B型石墙钢架日光温室气温、后墙内表面温度和光照强度进行多点连续测定，研究温室内温度、光照日变化及其空间分布规律，以期进一步明确该温室的温度、光照性能，为设施生产中温室环境调控及温室结构的不断优化提供理论与技术依据.

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2014年12月12日～2015年3月6日在甘肃省酒泉市肃州区(N 39°15″)总寨镇设施农业示范园内进行.园区年降水量85 mm，蒸发量2 148.8 mm，年日照时数3 033 h，平均无霜期130 d，年平均气温7.3 ℃，1月份平均气温为-9.7 ℃，低于0 ℃的时间为128 d.总寨园区始建于2009年，建有日光温室1 800余座，园区内土地为戈壁砂石地.

1.2日光温室结构及环境监测仪器

1.2.1日光温室结构河西走廊GN-N10B型石墙钢架日光温室为东西走向，前屋面为“几”字型装配式镀锌钢架，后墙为石墙，跨度10 m，脊高4.6 m，后墙高度2.8 m，后屋面仰角42°，后屋面总长2.4 m，前屋面总长10.4 m.覆盖0.07 mm厚蓝色EVA高透性高保温薄膜，夜间覆盖2.5 cm厚、幅宽2.0 m的保温被保温，测试期间温室内种植作物为茄子，晴天9∶30揭帘，17∶00盖帘，阴天揭帘时间推迟，盖帘时间提前.数据分析中以揭帘至盖帘的时间段为白天；以盖帘至次日凌晨揭帘的时间段为夜间.温室具体结构参数见图1.

1.2.2监测仪器温度测定：采用深圳托普瑞电子有限公司生产的TP700热电偶多路数据采集仪.工作温度：-15～55 ℃，温度测量范围为-40～70 ℃，精度为±0.3 ℃的,数据记录间隔10 min.

图1　河西走廊GN-N10B型石墙钢架日光温室剖面图Fig.1　The structure of GN-N10B stone wall steel frame greenhouse in Hexi Corridor

光照强度测定：光强日变化采用浙江托普仪器有限公司生产的TNHY-7型农业气象监测仪，测量精度为±20 lx；透光率采用台湾泰仕电子仪器公司生产的TES-1300A数字式照度计，测量精度±3%，数据记录间隔10 min.

1.3测点分布

1.3.1温度测点分布垂直方向：在温室中间距地面0.05、1.5、2.5 m高度分别布设3个探头；南北方向：在温室中间1.5 m高度，距北墙1.5 m和8.5 m布设2个探头；东西方向：在1.5 m高度，在温室中央及距东、西山墙各2 m处布设3个探头；后墙内表面温度分布：在后墙中段内表面竖直方向等距布设3个探头.重复3次.所有探头均连接在多通道数据采集器上自动采集数据.

1.3.2光照测点分布在温室1/2长度所在的平面，距地面1.5 m高度，由北向南布设3个测点，测定室内光照强度，同时在温室外空旷处设一个测点，测定室外光照强度.

2结果与分析

2.1日光温室内温度日变化及分布规律分析

2.1.1不同天气条件下日光温室内温度日变化规律由图2可以看出，晴天和阴天日光温室内温度变化趋势基本一致，表现出随日出日落发生降-升-降的变化特征.晴天9∶30揭帘后温度开始升高，至14∶00达最高，为35 ℃，其升温速率为4.36 ℃/h；14∶00通风后开始迅速降温，通风时间段降温速率为6.45 ℃/h；16∶00闭风后温度再次回升至31 ℃，夜间(17∶30～次日10∶30)缓慢下降，夜间温度维持在12.5 ℃以上.阴天10∶00揭帘后室内温度开始升高，至13∶30达到最高，为21 ℃，其升温速率为1.43 ℃/h.由于阴天不通风，13∶30后温度开始逐渐降低，17∶30降为15.6 ℃，其降温速率为1.35 ℃/h，17∶30盖帘后温度有升高趋势，夜间(18∶00～次日10∶30)温度缓慢降低，夜间温度基本维持在10 ℃左右.由此可见，晴天温度的最大值及变化幅度均大于阴天.

图2　不同天气条件下日光温室内温度的日变化Fig.2　Diurnal variation of temperature inside the solar greenhouse in different weather condition

由图3可以看出，晴天和阴天日光温室后墙内表面温度均呈先上升后下降的趋势，但二者变化幅度存在明显差异.晴天和阴天温室后墙内表面温度均在15∶00达到最高，分别为 38.5 ℃和 19.5 ℃.

由图2和图4可以看出，晴天日光温室内外温差在0∶00～9∶30重复出现先减小后增大再减小的趋势，室内温度至9∶30达到最低，为15.6 ℃，室外温度至10∶30达到最低，为0 ℃，二者之后逐渐增大，室内至 14∶00达到最大，为35 ℃，室外温度至16∶00达到最大，为7 ℃.13∶00～14∶00温室内外温差快速减小，14∶00～16∶00温差迅速增大，此后，16∶00～23∶30日光温室内外温差缓慢减小，全天的平均温差为21.61 ℃.阴天温室内外温差0∶00时最高，为20.1 ℃，此时温室内温度基本稳定，室外温度却很低，15∶30时最高，为3.5 ℃，这个时段温室内温度升高幅度比室外温度的幅度小，全天的平均温差为16.9 ℃.

图3　不同天气条件下室外温度日变化Fig.3　Diurnal variation of temperature outside the salar green house in different weather condition

图4　日光温室后墙内表面温度日变化Fig.4　Diurnal variation of temperature inner surface of back wall in solar greenhouse

2.1.2日光温室内温度水平分布规律由图5、6可以看出，日光温室东西和南北方向不同位置的气温日变化趋势基本一致.白天在南北方向，在1.5 m高度以上空间，日光温室内中部 (距北墙5.0 m)气温最高,由此向北向南递减；在0.5 m高度空间，南端气温 (距北墙8.5 m)最高,由此向北逐渐降低，温差达1.2 ℃左右.这与郜庆炉等[6]研究结果相同.在东西方向上，受山墙和太阳角度的影响，晴天上午距东山墙2 m左右区域气温明显低于中部和西部，下午15∶00以后距西山墙2 m左右区域气温明显低于中部和东部.不论是南北方向还是东西方向，夜间日光温室内气温分布较均匀.

图5　日光温室东西方向不同测点气温日变化Fig.5　Diurnal variation of different location temperature from east to west in solar greenhouse

图6　温室南北方向不同测点气温日变化Fig.6　Diurnal variation of different location temperature from south to north in sola greenhouse

2.1.3日光温室内温度垂直分布规律由图7可以看出，晴天温室内气温在垂直方向上呈明显的梯度变化.在白天 (9∶30～17∶30)，随着距离地面高度的增加，气温呈递减趋势，其中距地面0.05 m高度气温最高，平均温度达28.3 ℃，距地面2.5 m高度气温最低，平均温度达25.4 ℃；夜间 (17∶00～次日9∶30)，距地面0.05 m高度气温最高，平均温度达19.8 ℃，而距离地面1.5、2.5 m高度气温没有差异，说明夜间降温阶段，由于土壤向温室内的放热作用，导致温室内靠近地表的温度比上层温度高.

2.2日光温室光照状况分析

2.2.1日光温室内光照日变化规律由图8可以看出，温室内光照日变化呈现显著的单峰变化趋势，揭帘后温室内光强开始急剧升高，至13∶00达到最高，为58.5 klx，达到峰值后开始降低.像茄果类蔬菜，辣椒[7]光饱和点仅为30 klx，茄子[8]光饱和点为40 klx,番茄[9]和西瓜[10]正常生长的光强在3～3.5 klx.温室内光强≥10 klx的时长达到7.5 h，≥30 klx的时长达到4.5 h，可以较好地满足温室内作物正常光合作用.根据晴天(2015-1-05)日光温室内中部距地面1.5m处测点的光照日变化趋势，添加二项式趋势线，对方程作显著性检验，其相关系数r=0.944>r0.01=0.590，表明冬季晴天日光温室内日光照强度y与时间x有较高的拟合度，可以预测冬季晴天日光温室内早上揭帘之后至晚上盖帘之前任意时刻的光照强度，方便制定合理的温室管理办法.

图7　垂直方向不同高度温室平均气温的分布规律Fig.7　The distribution regular of temperature vertical direction in solar greenhouse

图8　日光温室室内光照强度的日变化Fig.8　Daily change of light intensity inside solar greenhouse

2.2.2日光温室内外光照强度的关系以温室内3个测点的光照强度平均值为y,温室外光照强度为x，对二者进行回归相关分析，并作散点图(图9)，拟合方程y=0.689 5x-2.187 1，相关系数r=0.965，经F检验，相关性达到极显著.斜率k=0.689 5表示该温室的平均透光率达到68.95%，光照环境良好.也可以通过该回归方程估算GN-N10B日光温室在不同区域、不同季节的光照强度.

图9　日光温室室内外光照强度散点图Fig.9　Scatter diagram of light intensity inside and outside solar greenhouse

2.2.3日光温室内光照强度的空间分布规律由表1可以看出，晴天日光温室内光照空间分布因天气条件各有不同，而且不同区域的光照差异也很大.在距地面0.5 m高度，由南向北光照逐渐降低，在北墙根处最低，平均为66.5 klx；在距地面1.0、1.8 m高度，日光温室跨度中部区域光照最强，向南北递减，温室北部位置光照最弱，南端次之；在东西方向，由于受到东西山墙的影响，除了早晚分别在东西两端形成两个三角形阴影弱光区，中午前后光照在东西方向上分布较为均匀.为了保证冬季温室内有良好的光照条件，应该定期清扫棚膜表面污垢，提高棚膜的透光率.不同部位光照的差异是造成温室内局部温差的主要原因，也是导致作物生长不一致的主要原因[11-12].

3讨论与结论

晴天和阴天河西走廊GN-N10B型石墙钢架日光温室内气温和后墙内表面温度均表现为降-升-降的趋势，晴天温度的最大值和温度的变化幅度均明显高于阴天，且晴天温室气温和后墙内表面温度的最大值出现的时间均比阴天延后1 h，这是由于阴天日光温室没有直接的太阳辐射，获得的热量少，温室气温和后墙内表面温度升高缓慢造成的.密闭条件下，太阳辐射可以转化成热能，提高温室内气温，晴天温室内获取的太阳辐射强，升温快，阴天太阳辐射弱，气温上升慢，晴天晚上温室内外温差比阴天晚上要大，因此晴天晚上气温下降快，阴天晚上气温下降慢.

表1　晴天日光温室内光照强度空间分布情况

测定时间：2015年1月20日中午12∶00.

河西走廊地区日光温室以种植茄果类等喜温性蔬菜为主，温室温光条件的均匀性影响设施内作物生长的整齐度和经济产量[13].晴天条件下，河西走廊GN-N10B型石墙钢架日光温室南北方向气温分布较均匀；东西方向，由于东西山墙和太阳高度角的影响，早晚会形成短时的三角阴影区，气温会有短时的下降，可通过张挂反光幕来改善温室内光照条件，提高温度；在垂直方向，温室气温随高度的增加呈下降趋势，近地面处气温高，中部和顶端气温低，相差1.0 ℃.唐中祺等[14]研究认为GN-N10B型石墙钢架10 m跨度的日光温室冬季升温保温性最好，总体性能优于传统温室，适宜在河西走廊及气候相似区域推广.

在晴天条件下，河西走廊GN-N10B型日光温室内外的光照强度呈直线正相关，温室内光照日变化呈抛物线趋势，且可以用二项式高度拟合，可以根据该方程估算该结构日光温室在不同区域、不同季节的光照强度；日光温室内光强的分布明显存在空间上的差异,此与刘克长等[15]的研究结果一致.据此可以在水平、垂直空间上合理安排作物,形成合理的群体结构,充分利用日光温室内的空间.

参考文献

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[2]孙治强，王吉庆.黄淮改良型日光温室的设计与性能研究 [J].农业工程学报,1997,12( A00):41-47

[3]邹志荣,李建明，王乃彪，等.日光温室温度变化与热量状态分析[J].西北农业学报,1997,6(1):58-60

[4]张帆洋.下挖式日光温室冬季温光变化规律及对黄瓜番茄生长影响的研究[D].青岛：山东农业大学，2013

[5]宝卫通,郁继华,颉建明,等.日光温室山墙及栽培基质热通量特征分析[J].甘肃农业大学学报,2014，49(6):32-35

[6]郜庆炉,梁云娟,段爱旺.日光温室内光照特点及其变化规律研究[J].农业工程学报，2003，19(3):200-204

[7]陈银华,蒋健茂.光照强度对辣椒光合特性与生长发育的影响[J].上海农业学报，1998，14(3)：46-50

[8]吴雪霞,查丁石.遮荫对茄子幼苗生长和光合特性的影响[J].华北农学报,2010，25(3):102-107

[9]杨延杰,李天来,林多，等.光照强度对番茄生长及产量的影响[J].青岛农业大学学报：自然科学版,2007,24(3):199-202

[10]徐坤,康立美.嫁接无籽西瓜光合特性研究[J].西北农业学报,1999,8(2):73-76

[11]王倩,张海涛,刘旭,等.下沉式日光温室内温光环境分析[J].中国农业气象，2013，34(1):37-42

[12]张福墁,吕国华,李天来,等.设施园艺学[D].北京：中国农业大学出版社，2001

[13]王静,崔庆法,林茂兹.不同结构日光温室光环境及补光研究[J].农业工程学报，2002(7):86-89

[14]唐中祺,颉建明,郁继华.不同跨度日光温室升温保温性能研究[J].甘肃农业大学学报,2014,49(6):60-63

[15]刘克长,任日兴.山东日光温室温光性能的实验研究[J].中国农业气象,1999,20(4):34-37

(责任编辑胡文忠)

Analysis on temperature and light of solar greenhouse called Hexi corridor GN-N10B stone wall steel

QI Guang-bin,XIE Jian-ming,YU Ji-hua,SHEN Lei,TANG Zhong-qi,WANG Rui-dong

(College of Horticulture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】 This study was carried to observe the diurnal variation regulations of air temperature,illumination intensity and distribution of inner space of GN-N10B stone-wall-steel solar greenhouse (a new structure with 10 m span ) . 【Method】 The air temperature,inner surface temperature of back wall and illumination intensity were monitored with TP700 data collector and TNHY-7 agricultural meteorology monitor.【Result】 On sunny day,air temperature and inner surface temperature of back wall began to rise after 9∶30,at 14∶00 and 15∶00 were the highest,which were 35.0 ℃ and 39.5 ℃ respectively,air heating rate was 4.4 ℃ per hour,mean temperature difference inside and outside greenhouse was 21.6 ℃.On cloudy day,air temperature and inner surface temperature of back wall began to rise slowly after 10∶30,at 13∶30 and 14∶30 reached the peaks 21.0 ℃ and 19.5 ℃ respectively,air heating rate was 1.4 ℃/h,mean temperature difference inside and outside was 16.9 ℃.The average minimum temperature was 12.3 ℃ in greenhouse during the winter period (December 12 nd,2014 to March 6th,2015).On sunny day,in the daytime,the air temperature rose synchronized and distributed equally on the north-south line during temperature-rise period (9∶00-14∶00);during temperature-fall period (14∶00～16∶00),it was difference,intermediate region was higher than south and north region by 2.2 ℃;in the nighttime,the air temperature distributed equally in horizontal direction,but in the vertical direction,it decreased with the increase of the height,near-ground temperature was higher by 1.0 ℃ than the top.On sunny day,it lasted for 7.5 h while greenhouse illumination intensity≥10 klx,and 4.5 h≥30 klx,it could satisfy the need of normal growth of crops.The mean transmittance was 68.95%.【Conclusion】 GN-N10B stone-wall-steel solar greenhouse could satisfy the need of thermophilic vegetable in winter,which is suitable and ought to be popularized and applied in the Hexi corridor of Gansu province and the similar climate region.

Key words：solar greenhouse;temperature;illumination intensity;diurnal variation;Hexi Corridor

通信作者：颉建明，男，教授，博士生导师，主要从事设施园艺栽培生理方面的教学与研究.E-mail:xiejianming@gsau.edu.cn

基金项目：农业部公益性行业(农业)专项(201203002)；甘肃省农业科技创新项目(GNCX-2013-37).

收稿日期：2015-03-23；修回日期：2015-04-48

中图分类号：S 625.1

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)01-0084-06

第一作者：祁光斌(1988-)，男，硕士研究生，研究方向设施蔬菜栽培生理与生长调控.E-mail：qgb20090711@126.com