不同规格组装式日光温室温度环境及生产性能分析

2018-06-13宋明军张学斌赵鹏赵树春张斌祥张旭林张建金

中国蔬菜 2018年6期

宋明军张学斌赵鹏赵树春张斌祥张旭林张建金

（1甘肃省农业科学院蔬菜研究所，甘肃兰州 730070；2甘肃省经济作物技术推广站，甘肃兰州 730000；3甘肃省靖远县农业技术推广中心，甘肃靖远 730600）

日光温室是我国北方冬季作物最主要的反季节栽培设施，为解决北方冬季蔬菜供应、改善人民生活发挥了巨大作用（李天来，2005）。随着日光温室建造技术的不断发展，农村剩余劳动力的减少，日光温室建造和生产的轻简化技术需求日益迫切（郭世荣等，2012）。传统日光温室建造方式普遍存在土地利用率低、建造费时费力及标准化程度差等诸多问题，近年来为了解决以上问题，科研单位和生产单位从提高土地利用率和建造标准化角度出发，进行组装式日光温室的研究与设计（蒋锦标等，2011；严德怀和陈志宏，2014），组装式日光温室具有投资成本低、土地利用率高、安装便捷可移动等特点（魏德军等，2017）。但是从目前对组装式日光温室环境条件的研究结果来看，组装式日光温室普遍存在墙体蓄热能力差、温室环境性能下降的情况（黄红英等，2014）。在不增加辅助调控设备的情况下，需根据温室环境条件，合理安排种植茬口和作物种类，使组装式日光温室性能和配套的种植制度相结合，才能充分发挥其生产能力。

靖远县是甘肃省最早进行日光温室蔬菜生产的地区之一，近年来引进建造了多种规格的组装式日光温室。为充分发挥设施生产潜力，提高设施利用效率，甘肃省农业科学院蔬菜研究所2016年对这些组装式日光温室进行了观测试验。从组装式日光温室温度环境特点和变化规律入手，对其生产性能进行分析和评价，提出适宜的种植茬口和种类，以期对这些设施的合理使用提出有益的建议和帮助。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验温室位于甘肃靖远大坝和三合农业高科技示范园区（N36.63°，E104.71°），海拨 1 312 m，属典型的温带半干旱大陆季风气候，年降水量240 mm，年平均气温8.9 ℃，无霜期165 d，年日照时数2 700 h左右，极端最高气温为39.5 ℃，极端最低气温-24.3 ℃。

1.2 试验温室

本试验选择4座不同规格的组装式日光温室（表1），以当地普遍应用的土墙结构日光温室为对照进行观测，组装式日光温室前后屋面骨架采用70×30椭圆型钢骨架，骨架间距均为90 cm。其中8 m跨度的2座试验温室通风方式采用顶部卷膜通风，通风口宽度1.2 m，9 m和10 m跨度的2座试验温室增加了底通风，通风口宽度0.8 m。覆盖保温被芯层为针刺毛毡，外层包裹防水布，总厚度2.5 cm。对照温室选用当地普通日光温室，墙体为干打垒土墙体，墙体下部厚2.0 m，上部厚1.2 m。骨架材料和覆盖材料与试验组装式日光温室相同。后屋面结构为：竹胶板+5 cm草帘+10 cm麦草+15 cm草泥，上薄下厚，平均厚度30 cm，后屋面长度2.4 m，温室采用顶部通风，通风口宽度1.0 m。

表1 供试温室结构参数

1.3 观测项目及方法

观测试验于2016年1月7日至4月28日进行，选取1月9日至3月31日的观测数据进行分析。主要观测各试验温室及对照温室的室内外空气温度变化，室内空气温度观测点高度1.5 m，位于温室前后正中间偏右5 m的位置，主要避开中部卷帘机的影响。室外温度观测点位于室外空旷处，高度1.5 m，为避免阳光直接辐射造成的影响，观测时温度传感器上方加一硬纸板遮挡，组装式日光温室剖面结构和观测点位置如图1所示。温度观测采用HOBO Pro v2 U23-001型温湿度自动记录仪，精度±0.2 ℃（0～50 ℃），每30 min记录1次。

图1 组装式日光温室结构示意图及测点布置

1.4 数据分析和评价方法

采用Excel软件进行数据处理，获得组装式日光温室室内外温度的动态变化规律，通过观测试验结果分析组装式日光温室结构变化对保温性能的影响，依据蔬菜作物生长三基点温度，对组装式日光温室的生产性能进行分析和评价。

2 结果与分析

2.1 不同结构组装式日光温室保温性能分析

2.1.1 最低温度变化日光温室最低温度是评判温室保温性能的重要指标。根据番茄、辣椒等果菜最低生长温度（10 ℃）和叶菜最低生长温度（2 ℃）（郜庆炉，2002；马承伟和苗香雯，2005）进行温室性能分析。如表2所示，各试验温室的最低温度均高于2 ℃，冬季（1～2月）组装式日光温室保温性能低于土墙温室（CK），1月各组装式日光温室平均最低温度均低于10 ℃，WSⅠ、WSⅡ、WSⅢ、WSⅣ分别较CK低3.5、1.2、2.5、5.3 ℃，低于10 ℃的天数占本月观测天数的56.5%～100.0%，而土墙温室（CK）月平均最低温度为11.0 ℃。2月WSⅡ和WSⅢ的平均最低温度上升到11.0 ℃以上，而WSⅠ和WSⅣ的平均最低温度分别为8.3、8.8 ℃，低于10 ℃的天数占本月观测天数的82.8%和72.4%。3月所有温室的平均最低温度均高于10℃，其中WSⅡ、WSⅢ、WSⅣ的最低温度超过了土墙温室（CK），但WSⅠ仍有9 d低于10 ℃。通过以上对各试验温室逐月最低温度分析，各组装式日光温室由于建筑参数不同，保温性能差别很大，1月最低温度基本低于10 ℃，2月以后，相对性能较好的WSⅡ、WSⅢ平均最低温度高于10 ℃，而WSⅠ和WSⅣ3月平均最低温度高于10 ℃。

2.1.2 旬平均最低温度变化分析各旬平均最低温度变化，可以更清楚地掌握试验温室最低温度变化范围，为温室作物种植茬口安排提供准确的时间节点。如图2所示，土墙温室（CK）除1月下旬外界极端温度时低于10 ℃外，其余时间均高于10℃。而WSⅡ、WSⅢ在2月上旬平均最低温度高于10 ℃，WSⅠ和WSⅣ最低温度回升最慢，于2月下旬至3月上旬温室内平均最低温度才开始高于10 ℃，此后随外界气温的回升而不断上升。WSⅢ的最低温度回升最快，2月中旬开始在组装式日光温室中表现最好，而WSⅠ最低温度回升最慢，除1月高于WSⅣ外，其余时间均表现最差。

表2 组装式日光温室最低温度和低温持续天数

图2 组装式日光温室旬平均最低温度变化趋势

2.2 组装式日光温室升温能力分析

2.2.1 最高温度变化温室内最高温度可以判断设施的采光和升温能力的强弱，由于各试验温室内种植作物不同，通过温室最高温度变化，可以了解温室白天的升温能力和最高温度管理方式，从而分析造成温室保温性能差异的原因。从各试验温室的日最高温度变化情况分析（图3），除1月20日、22日和3月22、23日阴雪天各温室最高温度低于20℃外，试验期间，各组装式日光温室日最高温度基本能达到30 ℃以上。其中WSⅢ采光升温能力最好，1月平均最高温度35.7 ℃，WSⅠ、WSⅡ和WSⅣ平均最高温度分别为30.7、32.7、32.8 ℃，除WSⅠ白天最高温度低于其他温室外，WSⅡ和WSⅣ白天最高温度基本相同，因此认为组装式日光温室的不同结构是造成温室晚间保温性能差异的主要原因。

2.2.2 最高和最低温度差由于日光温室的最低温度基本出现在揭帘时间，所以最高、最低温度差可以反映温室每日升温幅度。从图4可知，组装式日光温室的升温能力普遍高于土墙温室（CK），1月23日（晴天），WSⅠ、WSⅡ、WSⅢ、WSⅣ和CK日升温分别为33.6、33.3、35.9、35.8、30.1℃，WSⅢ和WSⅣ升温幅度超过35 ℃，外界温度仅上升了9.9 ℃。1月20日（阴雪天），各温室分别升温6.2、5.5、5.5、5.5、4.8 ℃，组装式日光温室升温幅度仍然高于土墙温室（CK）。1月各温室平均升温幅度分别为24.3、25.7、27.5、26.9、21.9℃，组装式日光温室较土墙温室升温幅度高2.4～5.6℃。而随着外界温度的升高，各温室的升温幅度逐渐减小，3月升温幅度基本在20 ℃左右。

图3 组装式日光温室日最高温度变化趋势

图4 组装式日光温室日最高、最低温度差

2.3 组装式日光温室结构对保温性能影响

4种组装式日光温室由于建造参数不同，表现出不同的温度变化特点。WSⅠ、WSⅡ、WSⅢ和WSⅣ前屋面覆盖相同的保温材料，通过计算后墙体和后屋面保温材料的热阻值（刘晨霞等，2015；GB50176—2016，2017），分析组装式日光温室结构变化对保温性能的影响。4种组装式日光温室墙体的热阻值分别为1.50、1.85、1.96、1.81 m2·K·W-1，WSⅡ和WSⅣ的墙体保温材料热阻相近，WSⅢ的热阻稍大于其他温室。1月，WSⅡ、WSⅢ和WSⅣ的月平均最低温度分别为9.8、8.5、5.7 ℃，室内最低温度表现出随跨度增加而降低的趋势。WSⅠ和WSⅡ的结构参数完全相同，但WSⅠ墙体较WSⅡ热阻值低0.35 m2·K·W-1，试验期间WSⅠ的最低温度始终低于WSⅡ，但1月的最低温度高于WSⅣ。通过以上对温室结构和保温材料性能的分析，认为在前屋面覆盖材料相同的情况下，冬季组装式日光温室保温性能随跨度增加而降低，这一点和刘玉凤（2012）、唐中祺等（2014）在普通土墙温室上的研究结果并不一致，分析原因是组装式日光温室墙体蓄热性能不足，随着跨度的增大，相应的前屋面散热面积增加，造成组装式日光温室保温性能下降。

2.4 不同组装式日光温室生产性能分析

冬季温室的生产性能，主要取决于温度条件。由于不清楚所建组装式日光温室的保温性能，当地利用这些组装式日光温室进行越冬茬果菜生产，冬季保温性能不佳，作物生长缓慢，2月以后随气温回暖，才逐渐正常生长。所以，通过对组装式日光温室保温性能的观测分析，提出适宜的种植茬口，对组装式日光温室的合理利用显得非常必要。日光温室由于环境可控性差，在冬季往往达不到作物最适生长温度条件，只能尽量满足达到下限生长温度，根据番茄、辣椒等果菜和叶菜的最低生长温度进行温室作物种植茬口的安排。当地普遍使用的土墙温室（CK）1月保温性能表现最好，室内平均最低温度均达到10 ℃以上，虽遇阴雪天短暂下降，但仍保持在7 ℃以上，不会造成冷害，可以进行茄果类蔬菜的越冬茬生产。2月上旬WSⅡ和WSⅢ平均最低温度上升到10 ℃以上，可以选择在2月上旬进行茄果类、瓜类作物早春茬栽培，前茬进行叶菜生产。WSⅢ升温速度最快，3月以后室内温度条件最好，适合进行早春茬瓜类生产。WSⅠ和WSⅣ1月最低温度在3 ℃左右，到2月底至3月初，室内平均最低温度才能达到10 ℃以上，所以适宜进行冬茬叶菜生产，3月配合春茬果菜生产。

3 结论与讨论

组装式日光温室由于建造结构的不同，温室性能差别很大，在冬季若不进行合理的茬口安排或增加临时补温设备，容易受到极端天气的危害。通过对靖远县不同规格组装式日光温室的保温性能进行研究和分析，得出以下结论：

① 组装式日光温室1月平均最低温度均低于10 ℃，较土墙温室低1.2～5.3℃，组装式日光温室之间相差4.1 ℃。冬季组装式日光温室的保温能力随跨度增加而下降，主要原因还是组装式日光温室墙体蓄热量少，跨度增大造成温室散热面积增加，引起温室保温性能下降，而墙体保温性能不佳的组装式日光温室，温度回升较慢。随外界气温的回暖，3月各组装式日光温室最低温度较对照土墙温室高-0.8～2.0 ℃，温室之间温度差距逐渐减小，表现为冬季外界环境温度越低，传统土墙温室温度越优于组装式日光温室，春季建造规范的组装式日光温室性能好的特点。

② 通过分析组装式日光温室的最高和最低温度变化，可以判断温室的升温性能，还可以分析温室保温性能差异造成的原因。组装式日光温室在晴天和阴雪天的升温能力均高于对照土墙温室，1月平均升温幅度较土墙温室高2.4～5.6 ℃，而平均最低温度为5.7～9.8 ℃，又低于土墙温室，组装式日光温室表现出升温速度快，降温速度也快的特点，这与聂战声等（2015）的研究结果相一致。试验期间，各试验温室多数天气日最高温度能达到30 ℃以上，其中WSⅢ平均最高温度为35.7 ℃，日最大升温幅度可达35.8 ℃，除WSⅠ的最高温度低于其他温室外，WSⅡ和WSⅣ的最高温度基本相同，但最低温度差别较大。所以组装式日光温室主要还是因为结构不同造成保温性能的差异。

③ 从以上试验结果分析，在甘肃省中部的靖远县，1月本试验选择的组装式日光温室保温性能不能满足茄果类、瓜类蔬菜生产，冬茬最好安排耐寒叶菜生产，2月以后，随天气回暖和各组装式日光温室条件的改善，再进行早春茬果菜的生产。通过合理安排种植茬口，充分发挥所建温室的生产性能。

郜庆炉.2002.设施型农作制度研究〔博士论文〕.杨凌：西北农林科技大学.

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