越冬期日光温室不同升温设施灌溉水升温特性的试验研究

胡婧娟，樊贵盛

(1.太原理工大学环境科学与工程学院，太原 030024；2.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

0 引 言

日光温室主要依靠日光的自然温热和保温设施来维持越冬期的棚内温度。在越冬期内，用设施日光温室栽培反季节蔬菜已成为现代经济、社会发展的支柱产业之一。日光温室小气候的各种因素中，温度是对作物生长影响最大的因素[1]。但是在低温地区，越冬期日光温室农作物种植的一大难题是灌溉水水温偏低。尤其在高海拔的山丘区，农业灌溉更多利用的是出露的小泉小水、河水或河流滩地的浅层地下潜水。这些灌溉水水源的共同特点是水温低，不能满足植物正常生长而需求的最低灌溉水水温的要求。根据文献资料研究发现，现在提高灌溉水温度的方法有以下几类[2-6]：①改进渠道结构，尽量使用宽浅式渠道，利用太阳辐射来使灌溉水增温；②修建晒水池；③延长灌溉水的流路，清除流路上的杂草，使太阳光能直接照射灌溉水；④用塑料薄膜覆盖渠道；⑤利用蓄流灌水器提高灌溉水温度。文献中的这些方法在非冬季、气候条件比较温和的情况下取得了良好的升温效果，但是只适用于输配水方式为渠道、气温比较高、辐射比较强的情况，也就是非越冬期的天气状况，对于高海拔低温地区冬季日光温室灌溉，并不奏效。越冬期灌溉水由管道输送进日光温室大棚，外界温度较低，辐射不强，并不能使用以上井灌区的方法使灌溉水升温。国内外的文献中对越冬期间日光温室灌溉水升温方法以及升温设施鲜有论述。

现行的低温区日光温室灌溉水升温的设施有以下几种[7]：①悬挂式钢制水箱升温设施。②塑料桶升温设施。③地上深式升温池。④酒瓮形升温设施。⑤地下浅式升温池。⑥日光温室柔性蓄水池[8]。⑦太阳能塑料储热水管[9]。据调查，虽然这些结构型式的升温池目前都在使用，但是目前，国内外文献对于不同型式升温池造价、占地、升温效果等没有明确的比选方案，也没有优选一种适用于北方高寒地区日光温室的升温设施。

本研究以山西省吕梁市离石区设施蔬菜示范基地日光温室棚区为载体，在着重测试分析日光温室园区不同型式升温池内灌溉水升温过程及升温效果，比选出一种升温效果好、占地面积小、运行安全可靠的适用于提升北方高寒地区日光温室灌溉水水温的升温设施。研究成果可以为越冬期间日光温室灌溉水升温设施的选择提供理论基础，并且填补了国内外关于越冬期间灌溉水升温过程、升温方法和升温设施研究的空白。

1 材料与方法

1.1 日光温室及供水系统

本试验日光温室位于山西省吕梁市离石区信义镇小神头村。该地区属典型的高海拔低温山区，海拔在1 300 m以上，年平均气温为8.9 ℃，最高气温35 ℃，最低气温-18 ℃，冬季寒冷少雪，春季较湿润且多风，夏季炎热，雨量集中，全区光能资源充足。设施蔬菜示范基地日光温室为RWS-10-5型高效节能日光温室。日光温室坐北朝南，东西向长60 m，南北向长8 m，后墙高4.0 m。前屋面覆盖物为醋酸乙烯(EVA)高效保温无滴防尘日光温室专用膜，不透明保温覆盖材料为多层复合保温被。夜间前屋面盖保温被保温，中午通风。室内种植的作物为番茄，番茄及其植株正常生长所需的最低温度为10 ℃[10]。

日光温室灌溉水源为离石地区小东川河河槽浅层潜水井，整个越冬期，地表河水温度在-3～3℃之间[11]，浅层潜水井深3 m，井水温度在5 ℃以下。河水经过渗流到河槽浅层潜水井，然后通过输水管道自流到棚区东北高程为1 000 m的一座容量为300 m3的蓄水池中，再由已经铺设好的干管和支管将灌溉水输送到每个温室大棚的升温池中，升温池入水口处的温度在5.2～8.2 ℃，不能满足植物对灌溉水温的要求。

1.2 升温池型式

全区日光温室内升温池共有三种型式：地上深式升温池、地下浅式升温池和地下酒瓮形升温池。

(1)地下浅式升温池为敞口地下长方形结构，升温池长2.8 m，宽1.75 m，深1.2 m。升温池储水部分建造在地面以下，蓄水位与地面齐平。采用砖石结构，M7.5水泥砂浆砌筑，池底及四周设土工膜防渗，为避免人误跌入升温池，升温池壁顶高出地面0.10 m。升温池位于日光温室的东北角，升温池墙体距日光温室后墙和侧墙的距离分别为0.55 m和0.24 m。升温池结构及尺寸如图1所示。

图1 地下浅式升温池尺寸及测试点示意图Fig.1 The size and test points of shallow and underground reservoir

(2)地上深式升温池部分建造在地面以上，升温池壁顶高出地面0.62 m，长2.72 m，宽2.72 m，高1.89 m，池壁厚0.38 m。采用砖石结构，M7.5水泥砂浆砌筑。升温池位于日光温室的东北角，距后墙和侧墙的距离分别为0.7 m和0.65 m。升温池结构及尺寸如图2所示。

图2 地上深式升温池尺寸及测试点示意图Fig.2 The size and test points of deep reservoir on the ground

(3)地下酒瓮形升温池。地下酒瓮形升温池瓮口与地面齐平，蓄水部分全部在地面以下。地面口径小，其内径随深度增大。采用砖石结构，井壁用水泥砂浆抹面防渗。

1.3 试验仪器及方法

日光温室室内温度、升温池水温度测量采用温度计及热敏电阻(电阻值误差±0.5 Ω)相结合的测量方法。地温采用热敏电阻和直角五支组地温计相结合的方法，0～0.4 m范围内的土壤温度用五支组地温计测量，0.4 m以下的土壤温度用热敏电阻测量。用UT-56型数字万用表测量即时的热敏电阻值后，利用公式换算成温度值。UT-56型数字万用表测量电阻时量程为200 Ω～20 MΩ，其测量精度为±(0.8%+5)，精确值达到0.02 ℃，完全能满足本实验的研究要求。

式中：Rx，R25为实时实测电阻和温度为25℃时的电阻值，Ω；x为实时温度值，℃；B为常数，一般取3 000。

1.4 试验测点的布置

升温池水温：在升温池内部垂向设置5个测试点，如图1所示。由池顶到池底分别在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0m处设置测试点。

地温：测试点在据升温池旁0.12m处设置，如图1所示。由土壤表面到土壤深层分别在0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.40、0.60、0.80、1.00、1.40、1.8、2.2m处设置测试点。

日光温室内部空气温度：分别在日光温室侧墙处和温室中部三个剖面设定测试点。在每个剖面上，分别在靠近后墙、温室大棚中央、靠近前屋面处设置热敏电阻和温度计，共计9个测试点。每个测试点上，由低到高每0.4m设置一个热敏电阻。

1.5 试验时间

本试验从2013年11月开始，到2014年3月底结束。横跨整个越冬期，每隔7～10d测试一次，每天温度测试的测试时间点为0∶00、2∶00、4∶00、6∶00、8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00、20∶00、22∶00、24∶00，即每2h观测一次。中午12∶00-14∶00之间由于气温变化幅度较大，增大观测频率，每小时观测一次。

2 结果与分析

试验园区日光温室中有3种型式的升温池：地上深式升温池、地下酒瓮形升温池、地下浅式升温池。这3种升温池的优缺点如下：地上深式升温池一半埋在地下，一半在地面以上，升温池外壁对太阳辐射有遮挡，部分水面可以接受阳光照射，同时日光温室内的热空气也能透过砖结构向灌溉水传递热量，有利于提升水温，但是地面以上的升温池容易遮挡阳光，造成升温池旁土地的浪费；地下酒瓮形升温池，这种升温设施瓮口与地面齐平，蓄水部分全部在地面以下，该方案占地面积小，能够利用地热来提高水温，但是它的开挖量较大，且瓮形不易于施工，同时水面与空气的接触面积很小，不能充分利用日光温室内的热空气和太阳辐射进行升温，而太阳辐射和室内空气热量是灌溉水升温的主要热量来源，导致蓄水体水温升高速度较慢；地下浅式升温池，这种升温设施的蓄水部分也全部在地面以下，但是它的开挖深度浅，砌体结构在地面以下，工程量较小，修建成本低，工作可靠；同时它与日光温室内热空气的接触面积较大，增温效果好，但是由于升温池与地面齐平，容易使土粒、作物的根叶等杂物落入池内，影响滴灌设施的正常运行。

本文着重分析地下浅式升温池和地上深式升温池中灌溉水水温的变化特性，探索选择最适合越冬期日光温室灌溉水升温的设施。

2.1 地下浅式升温池中灌溉水的升温特性

本小节选取测试周期内2014年1月14日(晴)灌溉水温度变化的过程作图。据分析，2014年1月14日为整个测试周期内气温最低、也是升温池入口处灌溉水水温最低的一天，升温池进水口温度为5.2 ℃。灌溉水充满升温池的时间为中午11∶00，水面距池顶的距离为0.1m。测试水温的位置分别为距水面0.1、0.3、0.5、0.7、0.9m处。灌溉水水温和室内气温变化规律如图3所示。

图3 地下浅式升温池灌溉水升温过程Fig.3 The heating process of irrigation water in shallow and underground reservoir

由图3可以看出：

(1)升温池表层水温随室内气温剧烈波动，表层水温较气温体现波峰滞后，波谷提前的现象。表层水温随室内气温呈正弦或余弦的变化规律。室内气温在中午12∶00左右达到最大值，而表层水温在下午16∶00左右才达到最大值，落后气温4h；室内气温在早晨8∶00左右达到最小值，而表层水温在早晨6∶00降到最小值，提前室温最小值时间2h。

(2)0.3m深度以下水温不随室内气温剧烈波动而稳步升温，但升温速率与室内气温变化过程有关。8∶00-12∶00气温处于上升阶段，之后6h内0.3～0.9m处的水温平均升温速率为0.214、0.126、0.122、0.081 ℃/h，而在12∶00到次日20∶00，气温处于下降阶段，之后6h内深层灌溉水的平均升温速率为0.028、0.035、0.025、0.028 ℃/h，同层次的灌溉水水温在气温上升阶段后的升温速率明显大于气温下降阶段后的升温速率。

(3)灌溉水在棚内静置27h后，水温可满足灌溉要求。此次测试周期内，升温池进水口温度为5.2 ℃，自2014年1月14日中午11∶00升温池中充满灌溉水后，在次日(2014年1月15日)下午14∶00时，灌溉水的平均温度就达到了10.44 ℃，达到了室内种植作物番茄的最低适宜温度，历时27h，升温效果显著。

(4)除了气温对灌溉水升温有影响外，地温对灌溉水升温也起一定作用。升温池旁土壤的分层温度平均值自土壤表层到深层(0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.40、0.60、0.80、1.00m)分别为15.56、14.96、14.48、14.08、14.04、14.03、14.02、13.98、13.78 ℃，均高于升温池水温，在温度梯度的作用下，热量传递的方向也是从土壤到灌溉水。气温在一日内的大部分时间都大于表层水温，在温度梯度的作用下，热量源源不断的由空气传递给灌溉水。气温在早晨6∶00-8∶00这段时间内，低于表层水温，灌溉水向室内空气散发热量，而深层水温还在不断上升，体现了地热对灌溉水升温的贡献。此外，0.1m以下5个层次的水温实测平均值由上到下分别为，13.0、9.5、8.4、8.0、8.4 ℃，上层灌溉水水温明显大于深层灌溉水水温，但是0.9m处的水温却大于0.7m处的水温，这是由于底层水水温不但接收来自室内空气和升温池侧面土壤的热量，同时接收来自升温池底土壤的热量，所以温度较高。

2.2 地上深式升温池中灌溉水的升温特性

为方便与地下浅式升温池中灌溉水水温比较，本小节同样选取测试周期内2014年1月14日(晴)灌溉水温度变化的过程作图。测试点测试的水温实际上分别为水面处水温、距水面0.1、0.2、0.3、0.5、0.6、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7m和池底处的灌溉水水温。灌溉水水温和室内气温变化规律如图4所示。

图4 地上深式升温池灌溉水升温过程Fig.4 The heating process of irrigation water in deep reservoir on the ground

由图4可以看出：(1)升温池表层水温也随室温剧烈波动，但仅出现波峰滞后，而未出现波谷提前现象。室内气温在中午12∶00左右达到最大值，水面处和0.1m处的水温分别在下午16∶00和20∶00达到最大值，落后室温达到最大值时间4和8h。室温和升温池表层水温均在早晨8∶00左右达到最低值，时间一致。

(2)0.3m以下灌溉水水温不随室温剧烈波动而稳步升温，但升温速率远大于0.5m以下的水层。0.3m以下灌溉水水温升温速率分别为0.104、0.089、0.065、0.056、0.050、0.049、0.048、0.047、0.044 ℃/h，升温速率由上向下递减。

(3)灌溉水在日光温室内静置48h后，整池水温不能达到灌溉水温要求。灌溉水从1月14日中午11∶00进入升温池，升温48h之后，平均温度仅为8.6 ℃，没有达到植物正常生长所需的最低温度。

(4)表层水温大于深层水温，底层水温大于深层水温。地上深式升温池灌溉水水温从表层到底层的平均温度为：11.7、10.4、8.3、7.8、6.9、6.6、6.4、6.3、6.3、6.3、6.6 ℃。出现这种现象的原因是，表层水温同时接受来自室内空气和旁边土壤的热量，底层水温同时接受升温池旁和升温池底部土壤的热量，而深层水升温的热量来源仅仅升温池旁的土壤，所以表层和底层的灌溉水水温大于深层的灌溉水水温。

2.3 不同型式升温池灌溉水升温效果比较

(1)灌溉水在升温池中静置了48h后，地下浅式升温池中的灌溉水温大于同层次地上深式升温池中的灌溉水水温，如表1所示。表1为两种型式的升温池中灌溉水放置48h时同层次水温的比较。相同层次的灌溉水，热能的传递有三种基本形式，热传导、热对流和热辐射。而在热辐射贡献的热量中，包括太阳辐射和灌溉水同周围物体之间的辐射换热，其中，太阳辐射的贡献占主导地位。由于地下浅式升温池池壁仅仅高出地面0.1m，而地上深式升温池高出地面0.62m，在冬季，太阳具有一定的高度角，即太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，太阳光并不是垂直入射到地面上。这就导致了升温池池壁对太阳光有了一定的遮挡，显然地上深式升温池对太阳光的遮挡大于地下浅式升温池。这就导致了地下浅式升温池中灌溉水温度大于地上深式升温池中同层次的灌溉水水温。

表1 不同型式升温池同层次灌溉水温度比较 ℃Tab.1 The comparison of irrigation water temperature in different types of reservoir in the same level

(2)地下浅式升温池中灌溉水在升温27 h之后便能达到灌溉要求，而地上深式升温池在升温48 h还没有达到灌溉要求，地下浅式升温池的升温效果明显优于地上深式升温池。此次测试周期内，升温池进水口温度为5.2 ℃，自2014年1月14日中午11∶00升温池中充满灌溉水后，到2014年1月16日中午11∶00(共计48 h)，地上深式升温池中灌溉水的平均水温为8.59 ℃，并没有达到室内种植作物番茄的最低适宜的生长温度。从表层到深层的水温分别为11.25、11.58、10.24、9.48、8.11、7.56、7.29、7.24、7.20、7.22、7.33 ℃。只有距升温池池顶0.2 m范围内的灌溉水水温到达10 ℃以上，达到灌溉水温的要求，其余层次的水温依旧不足10 ℃。而在相同的天气条件下，地下浅式升温池中灌溉水水温达到室内作物正常生长所需灌溉水水温要求仅仅需要27 h，充分说明地下浅式升温池的升温效果优于地上深式升温池的升温效果。

2.4 升温池型式的比选

针对越冬期间日光温室灌溉水水温偏低的状况，除了从水源地到升温池入口处灌溉水有一定的升温效果外，灌溉水主要依靠日光温室内的升温设施进行升温。目前现行的日光温室内部灌溉水升温设施有以下7种，这7种升温设施的尺寸、位置、建筑材料、优点及缺点如表2所示。

综合以上7种升温设施的优缺点，试验区日光温室内部共设置了3种型式的升温池，分布为地下浅式升温设施、地上深升温池升温设施、酒瓮形升温设施。综合占地面积、升温效果、管理风险、经济成本等因素，建议使用地下浅式升温池作为越冬期间日光温室灌溉水的升温设施。

表2 日光温室内部升温设施Tab.2 The heating facilities inside the solar greenhouse

3 结 语

本文利用越冬期间跟踪观测的实测数据对低温区日光温室灌溉水升温过程展开研究，可以得出以下结论。

(1)通过对日光温室不同型式升温池中灌溉水水温的变化规律分析可知，地下浅式升温池的升温效果远远领先于其他型式的升温池。灌溉水在升温池升温48 h后，地下浅式升温池中的灌溉水温大于同层次地上深式升温池中的灌溉水水温，并且地下浅式升温池中灌溉水在升温27 h之后便能达到灌溉要求，而地上深式升温池在升温48 h还没有达到灌溉要求，地下浅式升温池的升温效果明显优于地上深式升温池；

(2)太阳辐射、空气温度、土壤温度是影响升温池中灌溉水水温的3个重要因素。日光温室3种型式升温池的升温效果相比，地下浅式升温池>地上深式升温池>酒瓮型升温池。太阳辐射是对灌溉水水温影响最大的因素，酒瓮型升温池不能充分利用太阳辐射，升温效果最差；地上深式升温池对太阳辐射有一定程度的遮挡，升温效果不如能充分利用太阳辐射的地下浅式升温池。空气温度主要影响灌溉水水温的日变化规律以及整体的升温趋势。土壤温度对灌溉水水温的影响主要表现在两方面，一方面当室内气温低于灌溉水水温时，深层水温却处于不断上升的状态，体现了地热对灌溉水水温热量的贡献；另一方面，升温池内底层水温>深层水温，因为底层灌溉水不但接受来自升温池四周土壤的热量，同时接受升温池底部土壤的热量补给。

(3)推荐地下浅式升温池作为越冬期间日光温室灌溉水的升温设施。比较了日光温室中常用的7中灌溉水升温设施，从建材、升温效果、管理运行、使用寿命等角度分析了各种升温设施的优缺点，地下浅式升温池在占地面积、升温效果、管理风险、经济成本等方面明显优于其他结构型式的升温池，推荐地下浅式升温池作为越冬期间日光温室灌溉水的升温设施。本文研究成果对于越冬期间日光温室升温设施 的选择和管理具有重要的理论意义，可以为越冬期间灌溉水管理提供技术支持。