不同复合墙体结构对日光温室土壤热特性的影响

石玉，潘媛媛，张毅，李姝，李梅兰，侯雷平

(山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801)



不同复合墙体结构对日光温室土壤热特性的影响

石玉，潘媛媛，张毅，李姝，李梅兰，侯雷平*

(山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801)

[目的]土壤是高热容介质，其温度与热通量变化可在一定程度上反映不同墙体结构日光温室的蓄热保温性能差异。为探明不同复合墙体结构对日光温室土壤热特性的影响。[方法]本试验以砖土复合墙体结构(双24 cm厚砖墙内夹50 cm厚黄土)、砖煤复合墙体结构(双24 cm厚砖墙内夹50 cm厚煤渣)、砖苯复合墙体结构(37 cm厚砖墙外贴10 cm厚苯板)日光温室为研究对象，通过分析冬季温室内夜温、典型天气下10 cm深度处土温、同一温室不同土壤深度间的温度变化规律、同一深度不同温室间的温度变化规律、土壤温度与土壤热通量日变化规律等，初步评价了不同墙体结构日光温室的土壤热特性差异。[结果]砖土温室的土壤热稳定性和蓄热保温性能最好，而砖苯温室的隔热效果最好、白天接受太阳辐射后土壤升温最快。[结论]综合考虑，砖土复合墙体结构日光温室的土壤热特性较优，有利于作物维持较高的根系活力，在晋中地区的推广应用前景较好。

日光温室； 复合墙体； 土壤热性质

近年来，随着我国保护地栽培面积的迅猛增长，设施园艺产业在促进农业结构调整、农民持续增收和农村经济繁荣等方面的作用愈发突出[1]。在各类园艺设施中，山西省以高效节能日光温室为主，约占设施栽培面积的一半以上[2]，日光温室良好的增温、保温性能为全省园艺作物的反季节优质、高产、稳产提供了有力保障。

日光温室北、东、西三面环墙，墙体的构造形式直接影响温室的保温、蓄热性能。复合墙体是目前常见的日光温室墙体结构，由实心砖、蓄热材料、隔热材料等分层复合而成，可在白天增加温室蓄热量，夜间则降低热散失，使室温保持在较高水平[3]。温室内土壤是作物生长发育的重要载体，土壤热特性受到室内外气温、温室墙体结构等多种因素共同影响。Nawalany等[4]研究发现，土壤的强化换热由温室内空气流动引起，同时土壤在一定程度上对温室内小气候的稳定性有所贡献。李建设等[5]研究显示，不同天气条件下日光温室内土壤表面的全天放热总量总是大于北墙放热总量，表明土壤对周期性热变化的缓冲性能优于墙体。Swinton等[6]探讨了16种砖苯复合墙体对温室土壤热特性的影响，发现聚苯板厚76 mm时室内土壤的散热量和热耗损最小。

近年来，关于日光温室复合墙体的构造方式及其对土壤热特性影响的相关研究较多，但同一种墙体结构在不同地区的适用性还有待检验。本试验以晋中地区易获取、成本低廉的废煤渣和黄土等作为墙体填充材料，研究不同复合墙体结构对日光温室土壤热特性的影响，为进一步优化日光温室的复合墙体结构提供参考。

1 试验温室与测试方法

1.1 试验温室

试验温室位于山西省晋中市太谷县(112°34′E，37°25′ N)。试验温室均坐北朝南、东西延长，采用复合墙体结构，如图1所示。前屋面覆盖长寿无滴膜，保温被由针刺毡与防水塑料复合而成，自动卷帘机卷放。后屋面覆盖10 cm厚聚苯板和两层防水保温被，倾角为45°。三座温室的墙体结构分别为(从室内到室外)：24 cm砖墙+50 cm黄土+24 cm砖墙(砖土温室)、24 cm砖墙+50 cm煤渣+24 cm砖墙(砖煤温室)、37 cm砖墙+10 cm聚苯板(砖苯温室)。

图1 试验温室结构剖面图Fig.1 Structure profile of the test solar greenhouses

1.2 测试方法

测试时间为2014年12月至2016年1月。气温测点布置：在试验温室内正中部及室外空旷地距地面垂直距离1.5 m处分别布设测点。土温测点布置：3座温室内均沿中轴线、相对于温室中心处偏东1.5 m(以避开前屋面未卷保温被的固定阴影)，土壤深度分别为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm；室外测点选择空旷处，深度为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm。采用HOBO U12-013自动记录仪测定室内外空气温度。采用HOBO UX120-006M多通道高精度自动记录仪测定土温。测试期间3座温室的保温被揭盖时间相同。

温室内的土壤表面可视为单层平壁，忽略热量缓冲，以垂直方向上的热传导计算土壤热通量[4]:

式中：q表示土壤热通量，W·m-2；θi表示土壤表层的温度，K；θg表示土壤深层的温度，K；λs表示土壤的热容(估值为1.9 W·m-2·K-1)，Rsi估值为0.315 m2·K·W-1。

2 结果与分析

2.1 不同复合墙体结构日光温室冬季夜温比较

冬季夜间温度高低是衡量日光温室蓄热保温性能优劣的重要依据。表1是不同复合墙体结构日光温室的冬季夜温比较结果。由表1可知，在不加温情况下，3种复合墙体结构的日光温室仍可维持较高的最低夜温，能够满足大多数蔬菜作物的生长发育需求。其中，砖土温室在2015年11、12、2016年1月份的最低夜温较高，比砖煤温室、砖苯温室高约1.37 ℃～2.46 ℃。冬季砖土温室的平均夜温为12.86 ℃，高于砖煤温室的9.18 ℃、砖苯温室的10.06 ℃，进一步说明砖土温室的保温性较好，更有利于作物安全越冬。

2.2 典型天气下不同复合墙体结构日光温室土壤温度日变化规律分析

图2反映了典型天气下不同复合墙体结构对日光温室10 cm深度处土壤温度的影响。由图2可以看出，日光温室内土壤温度高低与温室墙体结构、室外天气情况等因素有关。阴天时，由于室内光照较弱，三种墙体结构日光温室的土壤温度变化较为平缓且基本呈直线型，砖土温室、砖煤温室、砖苯温室的平均土壤温度分别为13.2 ℃、11.2 ℃、10.3 ℃。晴天时，温室内光照较为充足，土壤升温较快，10 cm深度处土壤温度均呈“降低-升高-降低”的变化趋势；0∶00～10∶00砖土温室、砖煤温室、砖苯温室内土壤温度逐渐减低且降温幅度分别为0.9 ℃、1.6 ℃、1.4 ℃，10∶00后土壤温度开始升高且到15∶30达到最大值，分别为13.5 ℃、14.1 ℃、15.2 ℃，之后3种墙体结构日光温室的土壤温度分别以0.1 ℃·h-1、0.4 ℃·h-1、0.6 ℃·h-1的幅度降低。整体而言，砖土温室的土壤温度日变化较平缓且在晴天夜间时土壤温度较高，利于根系生长；而砖苯温室的土壤温度日变化较大且在晴天时夜温偏低，低根际温度危害发生的可能性较大。

表1 不同复合墙体结构日光温室冬季夜温比较

注：表中数值是日光温室正中心距离地面1.5 m高度处的相应数据

Note: The values in the table are the corresponding data at the height of1.5 m above ground in the center of greenhouse

图2 典型天气下不同复合墙体结构对日光温室10 cm深度处土壤温度的影响Fig.2 Effects of different compound wall structure on soil temperature of 10 cm depth in solar greenhouse under typical cloudy day and sunny day

2.3 不同复合墙体结构日光温室不同土壤深度处的温度变化规律分析

10∶00和16∶00是日光温室白天升温和降温的关键时间点。图3反映了不同复合墙体结构日光温室不同土壤深度处的温度变化规律。由图3可知，不同时间点、不同墙体结构日光温室土壤温度随土壤深度的变化规律不同。10∶00时，砖土温室0～15 cm土层的温度变化微小，但20 cm深度处的土温明显升高，可能与10∶00时热量由深层土层向浅层土壤传递有关；砖煤温室的土壤温度随深度增加而随之升高，到15 cm土层处温度基本维持稳定，说明热量也是由深层土壤向浅层土壤传递；砖苯温室的土壤温度在10 cm土层处最高，而浅层和深层土层的温度均较低，可能是由于10∶00时砖苯温室的土壤热量由10 cm土层分别向浅层和深层土壤双向传递所致。16∶00时，砖土温室的土壤温度随深度的变化较为平缓；砖煤温室的土壤温度随深度增加先升高后趋于平缓，其中在10 cm土层处的温度最高，可能与热量由10 cm土层处向土壤表面传递有关；砖苯温室的土壤温度随深度增加先降低后升高，5 cm和20 cm土层处的温度明显高于10 cm、15 cm处，说明其热量由浅层和深层土壤向中层土壤传递。整体而言，在冬季白天温室升温和降温的关键时间点，砖土温室的土壤温度随深度的变化较平缓且整体优于砖煤温室和砖苯温室，表明砖土温室的耕层(0～20 cm)温度环境更为稳定，利于保持较高的根系活力。

2.4 同一深度不同复合墙体结构日光温室土壤温度比较分析

一般情况下，深层土壤受温室环境的影响较小，而浅层土壤不仅与深层土壤之间存在着热量交换，还受到温室墙体蓄放热性能、室内空气温度等因素的影响。图4对同一深度不同复合墙体结构日光温室土壤温度进行了比较分析。由图4可以看出，5 cm土层处的温度日变化较大且与室温的波动趋势相似，其中砖苯温室以1.4 ℃·h-1的速度升温、以0.8 ℃·h-1的速度降温、最低温度为9.3 ℃，砖土温室、砖煤温室5 cm土层处的最低温度维持在11.7 ℃、10.7 ℃，说明砖苯温室的蓄热能力较好，而砖土温室的保温效果更佳；从10 cm土层处开始到20 cm土层处，同一温室、同一土层的温度日变化幅度趋缓。同时，10 cm土层处砖土温室比砖煤、砖苯温室的土壤温度高出1 ℃左右；15 cm土层处的升温出现明显的滞后性，比10 cm土层处的升温晚约1.5 h；20 cm土层处，砖土温室比砖煤温室的土壤温度约高1 ℃，比砖苯温室则高出3 ℃左右。由不同结构温室、不同土壤深度处的温度日变化量可明显看出，砖苯温室的蓄热能力强但保温效果差，砖土温室的保温性最好，砖煤温室次之。

图4 同一深度不同复合墙体结构日光温室土壤温度比较分析Fig.4 Comparison and analysis of soil temperature at the same depth in solar greenhouse with different compound wall structure

2.5 不同复合墙体结构日光温室的土壤温度与土壤热通量日变化分析

土壤温度与土壤热通量的日变化分析有助于揭示土壤的热传导规律[7]，特别是夏、冬季的土壤热特性分析有助于综合评价日光温室的蓄热保温性能[8]。图5对不同复合墙体结构日光温室的土壤温度与土壤热通量日变化进行了分析。由图5(a)可知，夏季砖土温室的表层土壤(0 cm)温度日变化呈“双峰型”，较室温日变化急剧，且表层土壤的最高温度比相应的室温高11 ℃、最低温度与室温最低温度持平，而25 cm处的土温日变化不明显且基本保持在22.5 ℃左右；由热通量变化可看出，在0∶00～7∶30和21∶30～0∶00由深层土壤向浅层土壤传递热量，而8∶00～21∶00则由土壤表层向深层土壤传热。由图5(c)和图5(e)可看出，夏季砖煤、砖苯温室的土壤温度与热通量变化的整体趋势与砖土温室基本一致，但砖苯温室在25 cm处的土温比砖土、砖煤温室高约1.5 ℃，且其在夜间(0∶00～7∶00和21∶30～0∶00)由深层土壤向浅层土壤的传热量也较大，表明夏季砖苯温室的隔热性能较好。由图5(b)可知，冬季砖土温室的表层土壤温度与室温的日变化规律相似(整体均呈“先升后降”趋势)，且室温在12∶00达最大值23.5 ℃、表层土温在14∶30达最大值22.7 ℃，25 cm处的土温日变化较小且基本保持在13.5 ℃左右；在10∶00～21∶00热通量为正值，表明表层土壤接受太阳辐射热能并向深层土壤传递热量，其余时段热通量为负值，表明由深层土壤向浅层土壤进行热量的传导。由图5(d)和图5(f)可看出，冬季砖煤、砖苯温室的土壤温度与热通量变化的整体趋势与砖土温室基本一致，但砖土、砖苯温室在25 cm处的土温比砖煤温室高6 ℃～8 ℃，可能与砖煤温室内土壤偏湿等因素有关；砖苯温室的土壤热通量均为正值，而砖土、砖煤温室的土壤热通量均在特定时段呈现为负值，进一步说明砖苯温室的隔热性能较好、土壤升温较快；另外，与砖土温室相比，砖煤、砖苯温室的土壤热通量变化幅度较大，表明冬季砖土温室的土壤热稳定性更佳。

图5 不同复合墙体结构日光温室的土壤温度与土壤热通量日变化分析(a)、(b)：砖土温室；(c)、(d)：砖煤温室；(e)、(f)：砖苯温室。(a)、(c)、(e)：夏季；(b)、(d)、(f)：冬季Fig.5 Diurnal variation analysis of soil temperature and heat flux in greenhouse with different compound wall structure(a), (b): brick-loess greenhouse; (c), (d): brick-cinder greenhouse; (e), (f): brick-polystyrene greenhouse. (a), (c), (e): summer; (b), (d), (f): winter

3 讨论与结论

日光温室是一种利用太阳辐射能进行热量蓄积和释放的农业设施，白天通过墙体、土壤等蓄积太阳能，并在室内温度降低时释放热量[9]。因此，了解日光温室的热特性规律对科学指导作物生产具有重要意义。土壤是高热容介质，日光温室内会有一部分热量储存在土壤中，当室温比土温低时，热量会随着土壤温度梯度流向室内[4,10]。土壤热特性对温室作物的生长发育、根系活力影响较大[11]，是反映日光温室蓄热保温性能的重要观测项目。日光温室土壤热性质受到多种因素共同作用，包括空气温度、温室方位、墙体结构等。该试验以砖土、砖煤、砖苯等三种复合墙体结构的日光温室为研究对象，通过分析不同墙体结构日光温室的土壤热特性变化规律差异，得到如下结论：

(1)不加温情况下，冬季砖土温室比砖煤温室、砖苯温室的最低夜温和平均夜温要高，说明砖土温室的保温性较好。冬季阴天时，砖土温室的平均土温最高，砖煤温室次之，砖苯温室的平均土温最低；晴天时，三种复合墙体结构温室10 cm深度处土温均呈“降低-升高-降低”的变化趋势，且达到峰值时砖苯温室的土温高于砖土温室和砖煤温室，可能与砖苯温室紧贴在墙体外侧的苯板导热系数较小、隔热效果较好有关[12]。

(2)冬季，与砖煤温室、砖苯温室相比，砖土温室同土层的温度日变化以及土温随深度的变化均较平缓，且在晴天夜间时可维持较高的土温，这与砖土温室的蓄热保温性能好有关[13]；砖苯温室的土温日变化幅度较大且其夜间整体土温偏低，可能与砖苯温室的蓄热层较薄有关[14]。

(3)砖苯温室的隔热性能较好，白天接受太阳辐射能后土壤升温较快，而砖土温室的土壤热稳定性更佳、蓄热保温性能最好。

综合考虑，砖土复合墙体结构日光温室的土壤热特性较优，有利于作物维持较高的根系活力，在晋中地区的推广应用前景较好。

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(编辑：李晓斌)

Effects of different compound wall structure on soil thermal properties of solar greenhouse

Shi Yu, Pan Yuanyuan, Zhang Yi, Li Shu, Li Meilan, Hou Leiping*

(CollegeofHorticulture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu, 030801,China)

[Objective]As a medium with high heat capacity, the soil temperature and heat flux change can reflect the performance differences of heat accumulation and preservation in solar greenhouse with different wall structures to a certain extent.[Methods]This experiment was conducted with brick-loess compound wall (double layers of 24 cm bricks with the internal 50 cm loesses), brick-cinder compound wall (double layers of 24 cm bricks with the internal 50 cm cinders) and brick-polystyrene compound wall (37 cm bricks with outer adhering 10 cm polystyrene boards) as the research subjects. The differences of soil thermal properties in the three solar greenhouses were initially evaluated by analyzing the night temperature of greenhouse in winter, the soil temperature at 10 cm depth under typical weather days, the soil temperature change rules of different depth in each greenhouse and different greenhouse at the same depth, and the diurnal variation of soil temperature and heat flux.[Result]The studies showed that the brick-loess greenhouse had the best soil thermostability and heat accumulation-preservation performance, while the brick-polystyrene greenhouse had the best insulation advantage and temperature rise rate under solar radiation.[Conclusion]All things considered, the brick-loess greenhouse showed a better soil thermal characteristic, thus being helpful for crops maintaining higher root activities. Therefore, the brick-loess wall has better extending application prospect in Jinzhong area.

Solar greenhouse, Compound wall, Soil thermal properties

2017-03-21

2017-05-12

石玉(1983-)，女(汉)，山东潍坊人，讲师，博士，研究方向：设施园艺

*通信作者：侯雷平，教授，硕士生导师,Tel：13603546075；E-mail: sxndhlp@126.com

山西省科技攻关资助项目(20140311011-4)；山西省高等学校教学改革创新项目(J2016029)；山西省煤基重大科技攻关资助项目(FT201402)

S 625.1

A

1671-8151(2017)09-0679-06