叶菜生产系统中定植板覆盖率对环境热效应的影响

杜莉雯，温祥珍，马宇婧，李亚灵

（山西农业大学园艺学院，山西 太谷 030801）

水具有较大的比热容，许多学者考虑用水来储热并逐渐应用于各个领域，最初的水蓄热用来供暖和发电，后来逐渐应用到温室生产中，以水为蓄放热的载体来调节温室环境。1981年，WOSTER[1]在俄亥俄州的农业研究和发展中心建造了一个收集和储存太阳能的池塘用于温室供暖。1998年，ALl-HUSSAINI等[2]在温室内建造了蓄热水池，水池深5～20 cm，水池内表面涂黑，水池中装满一定浓度的盐水，外面覆上透明塑料膜，利用蓄热水池蓄集的热量加热温室，起到较好的加热效果。日本的河野德羲[3]在1986年研究了水蓄热型太阳能温室的热特性。DICKINSON等[4]建议用浅层太阳能池储存热量。KISHORE等[5]进行了太阳能水池持续热提取的试验和分析研究。还有一些研究，将装有水的桶放在温室地板上使其被动蓄热，水桶白天吸收太阳能，晚上将热量释放到周围环境[6-10]。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的新型清洁能源，其开发利用越来越受到广泛关注，如何储存和使用这种能源是一个重要的挑战[11-12]，因此，建造一个低成本的系统来收集和储存太阳能是非常有必要的。

为了给日光温室蔬菜种植提供稳定的生长环境，降低生产成本，本试验研制了一种叶菜水培生产系统，采用聚苯乙烯泡沫板（聚苯板具有隔热效果[13]）作周边结构以减少热量的散失，利用营养液来缓冲系统中的热变化，由于裸露液面的多少会对系统内热性能产生一定的影响，因此，进行了不同定植板覆盖率对叶菜生产系统内热环境的影响试验，以期找出适合该系统的定植板覆盖率，通过不同季节对定植板覆盖率的调整及各项管理措施，将设施内的生态环境调节到蔬菜作物生育的最适条件，从而使蔬菜生产达到高产、优质的目的[14]。

1 材料和方法

1.1 叶菜生产系统结构

叶菜生产系统（图1），位于山西太谷（北纬37°42′，东经 112°55′）山西农业大学设施农业工程研究所。叶菜生产系统长6 m，宽5.4 m，高0.4 m。将热镀锌角钢焊接成6 m×0.4 m和5.4 m×0.4 m这2种长方形框，在每个长方形框每隔1.5 m处用长0.4 m的热镀锌扁铁固定，用来提高温室框架的稳定程度和抗压能力。然后将上述2种长方形框分别作为叶菜生产系统的长和宽，用外六角彩钢瓦钉拼接起来组成积液栽培池框架，将4 cm厚的聚苯板嵌入角钢槽作围护结构，塑料薄膜平铺生产系统底部，用卡簧和卡槽固定在周边结构上，形成一个简易的叶菜生产系统。在积液池中注入等量的营养液，深度约21.5 cm，容量为7 m3。试验采用多孔聚苯板作定植板（厚5 cm、162孔），置于液面上方，试验中定植葱苗。

1.2 试验设计

试验设置3个处理：A.定植板覆盖率100%，即定植板与定植板之间紧密贴合，完全覆盖营养液面（图1-A）；B.定植板覆盖率75%，即相邻定植板之间相距10 cm，定植板覆盖的液面积/生长箱总液面积=75%（图1-B）；C.定植板覆盖率50%，即相邻定植板之间距离30 cm（图1-C）。3个处理的生产系统按东西向并列排放，使其光环境基本一致。

1.3 测定项目及方法

使用多路温度仪（型号为TEA-005C，河北邯郸益盟电子有限公司生产）分别对3个生产系统液表面下5 cm深处的营养液温度和定植板上方10 cm处的空气温度进行测定；使用欧宝（型号为HOBO U12-013）分别对3个生产系统液面上方10 cm处温度和空气相对湿度进行检测、记录，仪器每0.5 h采集一次数据，于2016年5月26日至7月8日进行测定。

2 结果与分析

2.1 营养液温度变化情况

2.1.1 营养液温度日变化 试验对不同定植板覆盖率的叶菜生产系统中营养液温度进行了观测。从营养液温度的整体变化趋势（图2）看，3种覆盖率下营养液温度变化趋势基本一致。分析营养液温度的升温和降温速度，100%，75%，50%这3种覆盖率的升温速度分别为0.5，0.7，0.9℃/h，降温速度分别为0.3，0.4，0.5℃/h。说明通过增加液面的裸露面积可以提高营养液在白天的升温速度，使营养液吸收较多的热量；但晚上的降温速度也会加快，释放较多的热量。

表1 不同定植板覆盖率对营养液温度的影响 ℃

由表1可知，在观测日内，营养液的平均温度随定植板覆盖率的减少而增大，100%定植板覆盖率温度最低，75%和50%的定植板覆盖率平均温度相差不大；营养液的最高温度随定植板覆盖率的减少而增加，50%定植板覆盖率温度最高，100%定植板覆盖温度最低，三者之间相差1℃左右；最低温度随覆盖率的减少而降低；日较差随覆盖率的减少而增大。

2.1.2 不同天气条件下营养液温度变化情况 试验分析了阴晴天气下不同定植板覆盖率的叶菜生产系统中营养液温度，从表2可以看出，晴天不同定植板覆盖率间的营养液温度差异较阴天明显，且整体温度高于阴天。阴天营养液平均温度为23℃，晴天营养液平均温度为25.7℃，高于阴天2.7℃；营养液最高温阴天为25.4℃，晴天为29.6℃，高出阴天4.2℃；营养液最低温阴天为21.1℃，晴天为22.9℃，高出阴天1.8℃；营养液温度日较差阴天为4.2℃，晴天为6.7℃，高于阴天2.5℃。

表2 阴天和晴天营养液温度情况 ℃

图3记录了阴天与晴天条件下观测日内营养液的温度变化趋势情况，其中，左侧为晴天变化情况，右侧为阴天变化情况。由图3可知，无论阴晴天，3种覆盖率下营养液温度变化趋势基本一致，阴天营养液温度低于晴天且变化幅度小于晴天。

2.2 气温变化情况

表3 不同定植板覆盖率气温情况 ℃

试验对生产系统定植板上方10 cm处植株冠层内的气温变化进行了连续观测。从表3和图4可以看出，在观测日内，3个覆盖率生产系统定植板上方10 cm处植株冠层内气温变化均表现为随覆盖率的减少气温趋于稳定，趋势基本一致且差异不大。定植板间裸露的液面白天吸热，夜间放热，会对附近气温起到一定调节作用，但因为系统处于开放状态，受外界的影响较大，所以系统间的差异并不太大。

2.3 空气相对湿度变化情况

表4 不同定植板覆盖率相对湿度情况 %

试验对生产系统定植板上方10 cm处植株冠层内的相对空气湿度变化进行了观测，表4为平均空气相对湿度及极端空气相对湿度值。从表4可以看出，100%，75%和50%的定植板覆盖率空气相对湿度分别为50.5%，70.6%和74.9%，其中，100%定植板覆盖率平均相对湿度较75%定植板覆盖率低近20百分点。平均相对湿度、最大湿度、最小湿度均表现出随定植板覆盖率的减少而增大；相对湿度日较差随定植板覆盖率的减少而减少，这是因为100%的定植板覆盖率一定程度上阻止了水分的蒸发。

图5为叶菜生产系统定植板上方10 cm处植株冠层内的空气相对湿度变化趋势，从图5和表4可以看出，3种覆盖率生产系统内空气相对湿度有着较大差异，但变化趋势基本一致。

2.4 气温与液温的关系

由图6可知，营养液温度显著低于气温的变化幅度，表明营养液温度变化较气温稳定，且营养液温度极值出现时间滞后于气温。在观测日内，A，B，C等3个处理营养液最低温出现时间分别为5：30，5：00，5：00，气温在 4：00 温度最低，液温最低温出现时间较气温分别滞后 1.5，1，1 h；A，B，C 等 3 个处理营养液最高温出现在12：00—15：00，气温最高温出现在12：00—13：30，营养液最高温较气温滞后1.5 h。

3 讨论

我国水蓄热应用在温室生产的研究起步较晚。王顺生等[15]利用集热器提高水温，用水储存的热量加热温室土壤，取得了较好的效果。方慧等[16]提出了日光温室浅层土壤水媒蓄放热及热泵加温的节能增温思路，以水为蓄热介质进行了相关的试验研究，取得了很好的效果。张义等[17]以水为介质进行热量的蓄积与释放，设计了水幕帘蓄放热装置提高温室内温度。郭建业等[18]研发了一种日光温室水循环增温蓄热系统，该系统以水为蓄放热载体提高北方地区冬季日光温室内的温度。

本试验设计了一种以营养液为蓄放热载体的叶菜生产系统，试验结果表明，营养液可以起到吸储热的作用，通过增加液面的裸露率，可以使营养液在白天吸收更多热量，但在夜间释放热量也较多。因此，在实际生产时，为了提高营养液的储热量，在夜间应该增加定植板的数量以减少热量的散失，尤其是在冬季。在夏季生产时，为了避免营养液温度过高，可选择100%的定植板覆盖率。唐凯等[19]研究了不同苯板覆盖率对水面蒸发的影响得出，5月至9月下旬有覆盖材料的水温低于无覆盖材料，与本试验结果一致。

需要指出的是，由于本试验处于高温时期，叶菜生产系统处于开放状态，受外界影响，营养液对系统内气温的热缓冲效应会受到一定影响，因此，在今后的试验中，可以研究系统处于封闭状态时的热环境。

4 结论

本试验结果表明，营养液能够吸收储存一定的热量，并对周围环境起到一定的调节作用。

栽培中减少定植板的覆盖率，可以使营养液白天吸收更多热量，但夜间也会损失较多的热量。因此，在冬季使用时，白天可以通过增加液面裸露面积以吸收较多太阳能，晚上增加定植板数量以减少热量散失；在夏季使用时，可以选择100%的定植板覆盖率，使营养液温度不会太高。

试验中发现，受裸露液面增大的影响，空气相对湿度随定植板覆盖率减少有增大的趋势。试验期间，设施处于通风状态，受外界影响较大；生产系统定植板上方10 cm处气温差异不大。

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