多膜覆盖夜间气温变化模拟试验
2019-06-03张传坤牛蕴华焦自高王崇启魏珉徐坤杨宁
张传坤 牛蕴华 焦自高 王崇启 魏珉 徐坤 杨宁
摘要：本试验针对多层塑料薄膜覆盖形成环境中夜间气温的变化进行分析，以期为完善多膜覆盖生产模式提供理论依据和数据支持。试验于2018年冬季在山东济南的4个拱棚内进行，拱棚内分别设置1层薄膜小拱棚、2层薄膜小拱棚、3层薄膜小拱棚以及未设置小拱棚，利用拱棚和小拱棚组成的1～4层薄膜覆盖模拟早春多膜覆盖下的温度环境，并进行测量分析。结果表明，内设小拱棚对拱棚内夜间气温的影响不大，拱棚内外气温高低存在不确定性;在本试验范围内，随着覆盖塑料薄膜层数的增多，多膜覆盖环境夜间的气温条件不断改善。表明，塑料薄膜提高温度的作用并不仅仅是由自身热工参数（热导率）引起的。MATLAB拟合分析结果表明，随着薄膜层数的增多，多膜覆盖夜间气温增幅逐渐变小，在本试验条件下覆膜层数以不超过5层为宜。
关键词：多膜覆盖;拱棚;小拱棚;夜间气温;模拟;热工参数
中图分类号：S626.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）04-0055-06
Abstract In order to provide theoretical basis and data supports for improving the production mode of covering， this experiment studied the nighttime air temperature formed by multi-films with tunnel shed and small tunnel shed as trial subjects. The experiment was carried out in 4 tunnel sheds with 0 or 2 small tunnel sheds covered by 0，1， 2 and 3 layers of films respectively in Jinan， Shandong Province in winter of 2018. The nighttime air temperature of tunnel sheds and small tunnel sheds formed by 1，2，3 and 4 layers of plastic film was measured and analyzed to simulate the temperature environment of early-spring season. The results showed that there were little differences among the nighttime air temperature inside tunnel shed which was installed 0～3-layer small tunnel shed inside， there were uncertainty in size between the air temperature inside and outside tunnel shed， and the nighttime temperature conditions were constantly improved with the number of plastic film layer increasing. The analysis indicated that the mechanism of raising the temperature surrounded by plastic film was not only due to its own thermal parameter（thermal conductivity）. MATLAB fitting analysis results showed that the increment of nighttime temperature in multi-film covering became smaller with the number of film layers increasing. In this experiment， the number of layers in multi-film covering should not exceed 5 layers.
Keywords Multi-film covering;Tunnel shed;Small tunnel shed;Nighttime air temperature;Simulation;Thermal parameter
多膜覆蓋栽培在冬春季能够提早作物定植期，提前产品上市时间，提高经济效益，在生产中得到大面积推广应用[1]。作物定植时间不同，薄膜使用的层数会有不同，生产中多膜覆盖使用的薄膜层数有1～6 层[2-6];由于生产实践中有“一层薄膜提高2℃夜温”的说法，有些生产者不断增加薄膜覆盖的层数，有的地方甚至能够达到七八层。因此，研究覆膜层数与其保温效果间的关系，明确最佳覆膜层数，对多膜覆盖栽培具有重要的指导意义。
土壤作为多膜覆盖栽培中的蓄热体，白天接受太阳辐射蓄积热量，夜间外界气温降低后则释放热量到空气中[7]，从而形成多层薄膜覆盖下的温度环境，防止作物受到低温冻害。受温室效应[8]作用，冬春季白天多膜覆盖棚内部温度较高，容易满足作物需要;而夜间外界气温很低，土壤释放的热量也会通过塑料薄膜向外部散失，棚内温度降低，易对作物生长造成威胁。因此，了解棚内夜间气温变化规律在多膜覆盖栽培中具有重要意义。但已有研究多集中在栽培模式等的推广应用方面，对不同层数薄膜覆盖形成的夜间温度环境进行量化研究的较少。
考虑到冬春季不同层数薄膜覆盖作物定植时间不同，定植后再对不同层数薄膜覆盖形成的温度环境进行研究的难度较大，本研究采用模拟试验在2018年冬季对不同层数薄膜覆盖的闲置拱棚内的夜间气温进行多点监测与数据分析，以期为完善多膜覆盖栽培技术提供数据支持和理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验设施
试验拱棚位于济南市（36°67′N，116°98′E）山东省农业科学院蔬菜花卉研究所试验基地内。拱棚东西长20 m，宽4.5 m，高2.6 m，共4个，分别以A、B、C、D指代（图1）。A拱棚内不设置小拱棚;B拱棚内设置1层薄膜小拱棚，共2排，小拱棚宽1.0 m，支架高度0.6 m;C拱棚内设置2层薄膜小拱棚、2层支架，共2排，小拱棚宽1.0 m，支架高度分别为0.6、0.8 m;D拱棚内设置3层薄膜小拱棚、3层支架，共2排，小拱棚宽1.0 m，支架高度分别为0.6、0.8、1.0 m。拱棚和各层小拱棚均采用EVA多功能流滴膜覆盖。
1.2 试验设计与方法
在4个拱棚内自东向西10 m、距离南侧2.2 m、距离地面1.3 m处设置温度传感器，测量温度分别记作T2-1、T2-2、T2-3、T2-4;在小拱棚内距离北侧约0.5 m、距离地面0.3 m处分别设置温度传感器，测量温度分别记作T3、T4、T5;拱棚外距离地面1.3 m、距离拱棚北侧0.5 m处设置温度传感器，测量棚外气温，记作T1。拱棚和小拱棚结构及温度传感器分布如图1所示。拱棚薄膜一直覆盖，内部小拱棚各层薄膜白天根据太阳辐射情况揭开，夜间覆盖。
采用JTNT-C多通道温度热流测试仪测量各测点温度。温度传感器技术参数：温度范围-20～85℃;精度±0.5℃，常温可达±0.2℃;分辨率0.1℃。
试验时间为2018-11-10—2018-12-10，数据记录时段为每日夜间（即每日下午18时至翌日凌晨6时），间隔时间为5 min，以每小时测定的12个数据的均值为该时该测点的温度。本文选取试验期间2018-11-29、2018-11-30和2018-12-01夜间拱棚内外各测点的气温数据进行分析。
1.3 数据分析
用MATLAB软件对不同层数薄膜覆盖下测点温度随时间的变化进行拟合，求解拟合函数原函数，对原函数进行积分运算，并对积分值与层数之间的关系进行拟合。
2 结果与分析
2.1 设置小拱棚对拱棚内夜间气温的影响
2018-11-29、2018-11-30和2018-12-01夜间4个拱棚内的气温T2-1、T2-2、T2-3、T2-4随时间的变化见图2。可以看出，T2-1、T2-2、T2-3、T2-4的变化趋势基本相同，拱棚内设置1层或2层膜小拱棚的气温略高于不设置小拱棚和设置3层膜小拱棚的，但差异较小（图2），说明拱棚内设置小拱棚对拱棚内气温的影响不明显。因此，下文分析中忽略小拱棚设置对拱棚内气温的影响，用T2-1、T2-2、T2-3、T2-4的均值T2代表拱棚内的气温。
但3日之间比较，气温变化有较大差别，这主要是因为外界气温对拱棚内气温起决定性作用，3日间的大气温度差异较大，造成拱棚内夜间气温的变化差异也较大。
2.2 拱棚外及不同覆膜层数测点温度随时间的变化
2018-11-29、2018-11-30和2018-12-01夜间T1、T2、T3、T4、T5随时间的变化见图3。可以看出，拱棚内各测点温度的变化趋势与外界气温T1的变化趋势基本一致，覆膜层数越多，气温越高，表现为T2 T2与T1间差异的变化并无规律可循，2018-11-29夜间T2与T1互有大小，2018-11-30夜间基本上是T2 2.3 拱棚外及不同层数薄膜覆盖下测点温度的拟合分析 把2018-11-29、2018-11-30和2018-12-01夜间T1、T2、T3、T4、T5随时间的变化用MATLAB进行拟合，求拟合函数积分（表1）。可以看出，随着薄膜层数的增加，T2、T3、T4、T5拟合函数的积分总体上不断增大;2018-11-30夜间T4与T5、2018-12-01夜间T3与T4之间的差异，积分值与实测值表现不同，可能是由于拟合函数精度差别引起的。 进一步对积分值随覆膜层数的变化进行拟合，结果如图4所示。随着薄膜层数的增加，多膜覆盖测点温度函数的积分增幅不断减小，呈现出在一定范围内积分值随覆膜层数的增加而增加，但当膜层数超过一定值后积分值下降，说明多层薄膜夜间保温作用并非是覆膜层数越多越好，层数过多，不仅达不到保温效果，而且增加了成本。对图4中的拟合方程分别求导，得x分别为4.74、3.36和4.57，表明薄膜覆盖分别超过4.74、3.36、4.57层后内部温度不再增加，即覆层数不宜超过5层。 3 讨论 夜间拱棚内空气热量来源于拱棚内土壤白天蓄积的热量[11]，理论上拱棚内空气温度应该高于棚外气温，但从本试验结果来看，拱棚内外温度高低存在不确定性。这可能是因为夜间拱棚内土壤热量向外界散失时，首先是土壤放热使得拱棚内近地面气温升高，然后是拱棚内近地面空气通过拱棚侧面与拱棚外近地面空气进行对流换热，使得拱棚外近地面气温升高;受拱棚高度限制，拱棚内近地面空气受到拱棚顶部空气的压力远小于拱棚外近地面空气受到的低层大气压力，拱棚外地面空氣上升，产生自然对流，在拱棚外形成乱流[7]，对拱棚外周边空气温度产生影响。因此拱棚内外空气温度高低存在的不确定性可能是由于不同天气拱棚外空气乱流程度不同造成的。对于拱棚内外气温之间的关系有待于进一步研究。
本试验条件下，夜间温度拟合函数的积分分别超过4.74、3.36和4.57后，多膜覆盖内部温度不再增加，综合考虑，认为多膜覆盖覆膜层数以不超过5层为宜。
4 结论
（1）塑料薄膜夜间能够提高设施内部温度，但其保温效果除受塑料薄膜自身热工参数（热导率）影响外，还受其他因素影響，仍有待进一步研究。
（2）随着薄膜层数的增多，多膜覆盖夜间温度增幅逐渐降低。
（3）在本试验条件下多膜覆盖栽培的覆膜层数以不超过5层为宜。
参 考 文 献：
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