乌鲁木齐日光温室早春光温环境空间变化研究

李彦荣 阿拉帕提·塔依尔江 刘 凯 许红军 高 杰 林辰壹

（新疆农业大学林学与园艺学院，新疆乌鲁木齐 830052）

近年来，新疆维吾尔自治区设施农业发展迅速，规模不断扩大，已成为自治区发展的支柱产业之一。乌鲁木齐属于天山北坡夏秋设施蔬菜产区（王浩 等，2014），冬季严寒多雪，夏季炎热，适合日光温室果菜类蔬菜和叶菜类蔬菜夏秋茬生产，以生产春提早果菜类蔬菜和叶菜类蔬菜为主。然而，乌鲁木齐春季室外环境温度变化剧烈，导致温室内部光温环境变化较大；种植管理以及茬口的选择均来自以往生产经验，在蔬菜早春生产中常常因茬口安排不合理以及对温室内部光温环境的管理不当造成冻害和冷害，带来减产和经济损失。因此，测试春季乌鲁木齐温室内部不同位置光温环境的变化并以此作为参考，为乌鲁木齐日光温室春季蔬菜合理生产、管理提供依据具有十分重要的意义。国内对日光温室光温环境的研究较多，陈端生（1994）、陈青云和汪政富（1996）早期就提出光温环境研究的重要意义；西北农林科技大学邹志荣课题组分别对不同的温室结构、墙体材料等进行光温环境测试，并通过测试分析结果不断改进温室结构类型（张勇和邹志荣，2013；赵雪 等，2013；金鲜华 等，2015；张洁 等，2016；王昭 等，2017）；孙治强和王吉庆（1997）研究了黄淮改良型日光温室不同部位气温的日变化；马彩雯等（2010）、高艳明等（2014）、祁光斌等（2016）对我国河西走廊、宁夏非耕地、南疆等特殊气候条件下的温室光温环境进行了测试，为当地作物管理提供了参考。这些研究主要测试冬季温室内部的光温变化，取得了一定进展，但针对春季温度多变的天山北坡特有环境下日光温室光温环境的研究尚未见报道。本试验立足于乌鲁木齐天山北坡特有天气变化特点与温室茬口安排，对春季温室内部光温变化进行测试，以此明确温室内部光温分布与变化规律，为乌鲁木齐日光温室春季蔬菜合理生产、管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验温室概况

试验于2017年1～4月在新疆农业大学林学与园艺学院三坪实验基地（N 43.92°，E 87.35°）的日光温室内进行。日光温室坐北朝南，南偏西8°，东西方向长60 m，跨度为8 m，脊高3.8 m，后墙高2.8 m，后屋面仰角40°（图1）。日光温室前屋面使用PO塑料薄膜，后屋面由聚苯乙烯彩钢板构成，后墙采用水泥砂浆抹面，实心黏土砖砌筑，外贴聚苯乙烯彩钢板的复合墙体。试验测试期间温室闲置，早上10：00（北京时间，下同）揭开保温被，晚上19：00覆盖保温被。

1.2 测试仪器与方法

图1 日光温室示意图

如图1所示，选取温室长度1/2处剖面，采用哈尔滨物格电子技术有限公司生产的PD数据记录仪分别测试典型晴天、阴天温室室外、温室土壤与温室前部、中部、后部距地面50 cm和150 cm处的温度、光照日动态变化；采用北京世纪建通有限公司生产的JTR01温度热流测试仪测试后墙距离地面2 m处的墙体温度与热流密度动态变化，数据采集间隔时间为10 min。

2 结果与分析

2.1 温室内部光照分布情况

2.1.1 典型晴天下温室内部光照变化 图2为典型晴天（3月24日）温室内部光照强度分布特点，可以看出温室内部光照强度与外界光照强度变化趋势一致，但明显低于室外光照强度。从测试结果来看，乌鲁木齐早春日光温室内部光照条件较好，晴朗天气下12：00～16：00光照强度最高可达55 554 lx，温室的平均透光率为40%。温室内部光照强度在同一时刻不同位置上有明显差异，光照强度分布不均，出现明显的阶梯分布。在距地面50 cm高度处，温室前部和中部光照强度差异不大，但均明显高于后部，前部光照强度和后部相比差异可达8 000～12 000 lx。在距地面150 cm高度处，温室前部光照强度大于同高度的中部和后部。从高度方向上来看，温室距地面150 cm处的光照强度高于同位置50 cm处10 000～16 000 lx，呈现出距离棚膜越近，光照强度越大的特点。造成这种现象的原因是太阳直射光透过薄膜后，一部分经棚膜散射，导致距离薄膜越近，接受到的直射光与散射光也越多，距离棚膜越远所接收到的直射光没有变化，而散射光较少。

图2 典型晴天下（3月24日）日光温室内部光照动态变化

2.1.2 典型阴天下温室内部光照变化 图3为典型阴天（3月19日）温室内部光照变化特点，可以看出阴天温室内部光照变化规律与晴天基本一致，但在各个位置光照分布存在差异，温室光照分布表现为前部＞中部＞后部，距地面150 cm处高度光照强度均高于50 cm处。跨度方向从前部到后部，光照强度逐渐降低，高度上差异越来越不明显。同一时刻，温室前部距地面150 cm处光照强度最高比50 cm处高8 479 lx，而后部距地面150 cm与50 cm处差异仅为493 lx。温室后部光照远远低于前部和中部，这是因为阴天太阳光由直射光变为散射光，温室后部距离薄膜较远，散射光在传播过程中光通量和光强有一定的衰减，造成温室后部光照严重不足。

2.2 温室内部温度分布情况

2.2.1 典型晴天下温室内部温度变化 由于早春室外温度回升与当地光照强度大的特点，测试当日（3月24日）晴天温室内部温度最高达48 ℃（图4）。分析室内温度分布情况，可以看出室内温度在各位置上的变化趋势一致。温室空气温度上升是由于温室维护结构的对流换热造成的，温室后部空气接受来自地面和后墙的对流换热，换热面积较前部、中部大，因此从温室跨度方向来看，温室后部温度要略高于中部与前部。从高度方向上来讲，呈现出温室前部距地面150 cm处温度较50 cm处高，而温室后部距地面50 cm处温度较150 cm处高的特点。分析原因可能与温室前后保温能力有关，温室后部保温能力强，越靠近地面空气温度越高，温室前部保温能力差，越靠近地面空气温度越低。由于空气热容较小且处于不断自然对流状态，各位置温度差异不大。

图3 典型阴天下（3月19日）日光温室内部光照动态变化

图4 典型晴天下（3月24日）日光温室内部温度动态变化

2.2.2 典型阴天下温室内部温度变化 分析典型阴天下温室内部温度变化（图5），从跨度方向上可以看出温室前、中、后部温度相差不大。高度方向的变化表现为温室前部和后部距地面150 cm处温度较50 cm处高，而温室中部距地面50 cm处温度较150 cm处高的特点。

2.3 日光温室墙体温度和储放热规律

从图6可以看出，晴天温室空气温度和墙体温度变化趋势相同，由于墙体的热惰性，空气温度变化幅度较墙体大。在揭开保温被后，温室空气温度先上升，同时温室墙体接受太阳辐射和温室空气对流传热处于蓄热阶段，热流密度从10：00开始由0 W·m-2上升到16：00的最大值120 W·m-2。覆盖保温被后，墙体温度高于空气温度，由于温度差的存在，墙体将白天积蓄的热量释放到温室当中，此时热流密度开始迅速下降。由于空气热容较小且处于不断自然对流状态，墙体温度与温室空气温度平均差值达到0.95 ℃，因此墙体放热时，平均热流密度稳定在14.79 W·m-2。当空气温度等于墙体表面温度时，热流密度为0 W·m-2，此时处于吸放热的转换阶段，由放热转为蓄热。测试当天（3月24日）单位面积墙体蓄热量为1.97 MJ·m-2，放热量为0.79 MJ·m-2，放热量约为蓄热量的40.10%。

阴天温室内部的热流变化趋势与晴天相同。热流密度小、蓄热量少，测试当天（3月19日）墙体单位面积热流密度最大值为40 W·m-2，蓄热量为0.52 MJ·m-2，放热量为0.19 MJ·m-2，放热量约为蓄热量的36.53%。

2.4 日光温室土壤温度变化规律

从图7可以看出，随着土壤深度的增加，土壤温度变化幅度越来越小，30 cm深度温度变化不超过2.0 ℃，20 cm深度温度变化为4.3 ℃，10 cm深度温度变化幅度较大，为10.0 ℃。不同深度土壤温度变化趋势也不同，覆盖保温被后（19：00），10 cm深度土壤温度达到最大值，随后开始降低，而20 cm深度土壤温度在20：50左右达到最大值且趋于稳定。相较于地表温度，10 cm深度土壤温度变化滞后2 h左右，20 cm深度土壤温度变化滞后4 h左右，可见土壤温度变化有明显的滞后性，且随着土壤深度的增加滞后时间也越长。

图5 典型阴天下（3月19日）日光温室内部温度动态变化

图6 典型晴天下（3月24日）日光温室墙体温度和储放热规律

3 讨论

图7 典型晴天下（3月24日）日光温室内部不同深度土壤温度动态变化

本试验结果表明，晴天和阴天下温室内的气温、地温和接受到的光照强度存在明显的日变化，温室光照分布前部高于后部，上层高于下层，上下层的差异比南北差异明显。与彭致功等（2003）、魏瑞江等（2010）的研究结果一致。本试验测试外界太阳辐射可达68 000 lx，春季温室内最高温度达46 ℃，这是因为乌鲁木齐独特的地理位置，同时期光照强度高于全国其他地区，因此温室内部温度也高出其他地区温室温度。试验结果显示晴天距地面50 cm处温度表现为后部高于中部和前部，而距地面150 cm处则前部温度最高，这与吕德国等（2004）、杨献光等（2005）测试温室中部气温升高幅度大于南部和北部，白天南部温度高于北部的结果不同，分析原因是乌鲁木齐地区春季室外气温较低，温室前部换热较后部大，温室后部空气接受来自地面和后墙的对流换热，散热少，因此从温室跨度方向来看，温室后部温度要略高于温室中部与前部，影响温室内部温度分布的原因需要进一步研究。在土壤温度方面，不同深度土壤温度变化存在明显的滞后性，与赵鸿等（2007）的研究结果一致，出现这种现象的原因可能与土壤的密度、热容、含水量等有较大关系，需要进一步探索。本试验中，日光温室单位面积墙体蓄热量为1.97 MJ·m-2，低于马承伟等（2008）的测定值（2.50 MJ·m-2和2.37 MJ·m-2），这是因为本试验的环境条件和墙体类型与其不同，蓄放热量也存在较大差异，这也反映出墙体蓄放热量大小受到墙体材料、类型、温室环境等多方面的影响。本试验对墙体白天的蓄热量、夜间的放热量及墙体夜间放热效率进行了测试和计算，得出墙体夜间放热效率为40.10%，与史宇亮等（2016）对温室墙体放热效率的计算结果43%相差不大。

4 结论

①通过对乌鲁木齐天山北坡地区春季温室光照的测试分析，发现温室内部光照分布差异很大，从跨度方向来看，温室前部光照强度最强，温室后部光照强度相对较弱。从高度方向上来看，温室上层光照明显高于下层，即呈现出距离棚膜越近，光照强度越大的特点。

②温室墙体温度与空气温度变化趋势一致，变化幅度较空气温度小。墙体受到太阳辐射后即处于蓄热阶段，热流密度随太阳辐射的增大而增大。覆盖保温被后，墙体进入放热阶段时，砖墙夜间放热较为稳定，储放热比为40.10%。

③乌鲁木齐天山北坡地区具有良好的光温条件，日光温室早春生产茬口可通过种植茄果类、瓜类蔬菜以获得较高的经济效益。但是该区域春季环境气候变化剧烈，晴天温室光温环境可满足作物所需光温环境的最低要求，但要注意午后的通风降温。阴天温室光温条件较差，需要通过加温和补光以满足作物生长的温度和光照需求。