保温被投影对塑料大棚室内光环境及番茄生长性能的影响

曹晏飞，石 苗，刘 鑫，丁娟娟，李建明，孙先鹏

·农业生物环境与能源工程·

保温被投影对塑料大棚室内光环境及番茄生长性能的影响

曹晏飞1，石 苗1，刘 鑫1，丁娟娟2，李建明1，孙先鹏1

（1. 西北农林科技大学园艺学院，农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，杨凌 712100；2. 沈阳农业大学园艺学院，沈阳 110866）

保温塑料大棚屋顶保温被夜间有助于减少室内热量流失，但其白天会在室内形成一条阴影带，为了探明室内阴影带的变化以及其对番茄生长发育的影响规律，以陕西杨凌地区18 m跨度非对称保温塑料大棚为试验对象，计算分析了室内栽培区阴影带在一年中的变化规律，同时测试了北屋面水平投影区域和南屋面水平投影区域的太阳辐射，研究不同栽培区域番茄株高、茎粗、叶片光合参数以及番茄单株产量的差异。结果表明：1）与南屋面水平投影区域相比，北屋面水平投影区域晴天、阴天分别有38.9%、27.9%的太阳辐射被遮挡；2）全年北屋面水平投影区域有阴影的天数为231 d，最大遮荫面积可达146.8 m2，占总栽培区域面积的13.2%；3）南屋面水平投影区域番茄叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用率显著（<0.01）高于北屋面水平投影区域，平均单株产量要比北屋面水平投影区域高29.5%。总的来说，保温被投影降低了室内北侧栽培区域的太阳辐射，同时也降低了番茄的光合特性及产量，这为优化保温塑料大棚结构参数设计提供了更为深入的理论基础。

环境；太阳辐射；番茄；塑料大棚；保温被；生长特性

0 引 言

在化石燃料能源枯竭和环境恶化的背景下，夜间温室顶部覆盖保温材料是一种有效减少室内热量流失的节能生产方式。中国日光温室是应用保温被进行夜间覆盖保温的典型代表之一，它在少加温或者不加温的情况下可满足北方寒冷地区喜温蔬菜越冬生产[1-2]，其中外保温覆盖是重要保障之一[3]。通常，外保温覆盖在夜间展开保温，白天收拢以便室内作物进行光合作用。外保温覆盖材料主要有使用稻草秸秆编织而成的草苫、使用无纺布、喷胶棉、针刺毡等纤维材料复合构造而成的保温被[4]。目前外保温覆盖的卷放方式主要3种[5]：上拉式、中间卷轴式或轨道式、侧卷式。由于收拢的外保温覆盖材料放置在温室屋面外顶部，无论采用哪一种卷帘方式，均会在温室内部形成阴影带。

塑料大棚是中国园艺设施中应用面积最广的一种设施类型。近年来，随着设施农业逐渐向机械化、自动化、智能化方向发展，传统小跨度塑料大棚已不能满足机械生产需求。李建明[6]结合塑料大棚土地利用率高、结构安装便捷以及日光温室外保温覆盖节能的优点，提出了一种大跨度保温塑料大棚的设施类型。近年来，这类塑料大棚在中国北方地区及长江中下游地区开始了探索和实践[7-10]，周升等[11]在保温塑料大棚内部增加主动蓄放热系统以提高内部空气温度，方慧等[12-13]测试并模拟了保温塑料大棚内部热环境日变化。

非对称结构大棚是大跨度保温塑料大棚结构类型中的一种，一般采用为东西向布局，南屋面水平投影宽度大于北屋面水平投影宽度。武莹等[14]测试发现冬季18 m跨度保温塑料大棚的平均最低气温为4.1 ℃。为提高冬季内部空气温度，孙亚琛等[15-16]在非对称保温塑料大棚内部增加了酿热发酵系统可以满足作物冬季生产需求。但也存在一些问题：受顶部外保温覆盖的影响，非对称保温塑料大棚室内北部会形成一条阴影带[17-18]，从而导致北部光照要比南部光照弱，其中秋季、冬季及春季典型晴天条件下18 m跨度双层保温塑料大棚的北部光照比南部光照分别低14.6%、19.8%及14.2%[19]。而番茄是一种喜光蔬菜，弱光环境不利于番茄生长、开花及果实发育[20-21]。由于保温被在室内产生的阴影带是会随时间不断移动的，目前关于阴影区域的动态变化规律及其对番茄生长发育的影响未见报道。

为此，本研究以18 m跨度双层保温塑料大棚为研究对象，现场测试屋顶保温被对室内光环境的影响，通过理论计算分析屋顶保温被在地面上的投影面积，并观察保温塑料大棚中不同区域番茄的栽培效果。

1 材料与方法

1.1 非对称保温塑料大棚描述

本文试验在陕西杨凌示范区杨凌现代农业融合体验园（34.31°N， 107.97°E）的非对称保温塑料大棚内开展。该塑料大棚（图1）坐北朝南，东西走向，双层骨架，跨度为18.0 m（内跨度为16.6 m），南屋面投影宽度为12.0 m（内层南屋面投影宽度为11.26 m），北屋面投影宽度为6.0 m（内层北屋面投影宽度为5.35 m），脊高为6.0 m（内层脊高5.2 m），北侧设置宽度为0.75 m的道路，栽培区域宽度为15.86 m，长度为70.0 m，栽培面积为1110.2 m2。内层南北屋面覆盖厚度为0.12 mm的塑料薄膜，在冬季，白天内层南屋面塑料薄膜上卷以便阳光进入，夜间塑料薄膜下放进行保温，而内层北屋面塑料薄膜一直处于下放状态以便保温。外层南北屋面外覆盖厚度为0.12 mm的塑料薄膜以及厚度为20 mm的保温被，南北屋面底部和顶部共设置4个通风窗口以便通风降温，其中，在冬季，南屋面保温被白天上卷透光，夜间下放保温，而北屋面保温被从立冬开始一直处于下放覆盖状态，直至立春温室白天开始揭帘，夜间下放保温。

1.2 栽培作物

番茄（‘普罗旺斯’）作为试验材料，用来验证保温被投影对室内作物生长的影响。番茄的种植密度约为2.8株/m2，栽培模式为基质袋栽培，六叶一心开始定植，定植时间为2020年1月19日，留5穗果打顶，结束采收时间为2020年6月26日。

1.3 测点布置及数据采集系统

试验分为2个试验区域，设北屋面水平投影区域为NA，南屋面水平投影区域为SA（图1）。太阳辐射测点布置在2个测试区域的中间位置，距离地面高度为2.0 m。太阳辐射传感器选用CMP3总辐射传感器（测量范围：0～1 500 W/m2，精度：±50 W/m2，Kipp & Zonen公司，荷兰），数据采集仪型号为34972A（是德科技，美国），数据记录时间为2020年5月6日至6月11日，数据以10 min间隔自动记录。采用卷尺和游标卡尺分别记录株高和茎粗，电子秤（量程范围：0～30 kg、精度±10 g，华鹰衡器有限公司，中国）称量番茄质量。采用LI-6800便携式光合作用测定系统（美国LI-COR公司，美国）测量番茄叶片净光合速率、气孔导度等光合参数。

1.4 数据处理

试验数据的计算和作图采用Microsoft Excel 2010软件和GraphPad Prism 6软件，数据的单因素方差分析采用DPS v7.05软件，差异显著性检验（<0.05，<0.01）采用Duncan新复极差法。

2 室内栽培区保温被投影面积确定方法

2.1 太阳辐射基本参数

太阳高度角是指太阳直射光线与地平面的夹角，可由式（1）确定[22]。

式中表示地理纬度，(°)；=15°×(12−)，表示当地时间，h；表示太阳赤纬角，(°)，计算如下

式中表示日序数，距1月1日的天数，d。

太阳方位角是指太阳直射光线在水平面上的投影与正南方向的夹角。不同时刻的太阳方位角计算如下[22]

2.2 栽培区保温被投影面积计算

非对称保温塑料大棚包括南、北2个屋面，其沿跨度方向的水平投影分别为南屋面投影宽度和北屋面投影宽度。假设保温被截面为圆形，白天太阳直射光线透过非对称保温塑料大棚屋面，在地面上的投影如图2所示，北屋面保温被、南屋面保温被与太阳光线交汇详图如图3所示。

《路线图》的编制坚持“科学性、前瞻性、创造性、引导性相统一”这一基本原则，按照“印刷传媒、包装印刷、印刷制造、数字印刷、绿色印刷、印刷设备与器材”六个主要产业板块，分析市场、技术、管理、投资与风险管控等几大方面的需求变化，不仅着眼于解决当前产业发展问题，更重要的是着眼于未来中长期技术发展趋势和方向。可以说，凝聚行业智慧和社会力量来组织编制技术路线图，对于我国众多印刷企业认清发展趋势、寻求发展路径、直面产业变革的挑战、把握产业发展的机遇，具有积极而重要的意义。

根据三角函数关系可知

保温被投影会出现3种情况：1）保温被未投影到栽培区域内；2）部分保温被投影到栽培区域内；3）全部保温被投影到栽培区域。则栽培区阴影带面积计算公式为

式中参数详见图2、图3，道路宽度1为0.75 m，北侧内骨架在地面的投影宽度2为5.35 m，3与4取值为0.8 m[23]，1取值为0.2 m[24]。与南屋面在屋脊处的坡度相比，北屋面在屋脊处的坡度要更大些，3取值为0.4 m，北屋面保温被半径1与南屋面保温被半径2取值分别为0.25和0.31 m，温室长度取值为70 m。

注：为屋脊最高点；为与北屋面保温被相切的太阳光线与过点水平线的交汇点；为水平线与北屋面保温被的切点；为过点水平线与立柱的垂直交点；为水平线与南屋面保温被的切点；为与南屋面保温被相切的太阳光线与过点水平线的交汇点；为太阳光线透过点在地面上的投影点；为太阳光线透过点在地面上的投影点；为点在地面上的垂直投影点；为点在地面上的垂直投影点；为脊高，m；1为点与点之间的垂直距离，m；2为点与点之间的距离，m；3为点与点之间的距离，m；为保温被投影宽度，m；1为道路宽度，m；2为北侧内骨架在地面上的投影宽度，m；3为点至立柱的垂直距离，m；4为点与点之间的距离，m；5为点与点之间的距离，m；6为点与点之间的距离，m；1为点与点之间的距离，m；2为点与点之间的距离，m；为太阳高度角，(°)。

Note:represents the highest point of greenhouse ridge;represents the point where direct sunlight tangential to the thermal insulation on the north roof meet the horizontal line through point;represents tangent point between the horizontal line and thermal insulation on the north roof;represents vertical intersection point between the horizontal line passing point C and the pillar;represents tangent point between the horizontal line and thermal insulation on the south roof;represents the point where direct sunlight tangential to the thermal insulation on the south roof meet the horizontal line through point;represents projection point on the ground of direct sunlight through point;represents projection point on the ground of direct sunlight through point;represents vertical projection point on the ground of point;represents vertical projection point on the ground of point;represents ridge height, m;1represents vertical distance from pointto, m;2represents distance between pointand, m;3represents vertical distance from pointto, m;represents projection width of thermal insulation, m;1represents the road width, m;2represents projection width of the inner skeleton on the ground on the north side, m;3represents vertical distance from pointto the pillar, m;4represents horizontal distance from pointto, m;5represents horizontal distance from pointto, m;6represents horizontal distance from pointto, m;1represents distance between pointand, m;2represents distance between pointand, m;represents solar elevation angle, (°).

图2 非对称保温塑料大棚结构参数及正午时刻太阳光线投影示意图

Fig.2 Structural parameters and sunlight projection diagram of asymmetric thermal insulation plastic greenhouse at noon

3 结果与分析

3.1 典型天气条件下不同区域太阳辐射比较

春季典型晴天、阴天条件下北屋面投影区域（NA）与南屋面投影区域（SA）的太阳辐射测试结果如图4所示。根据图4a可知，晴天NA区域的太阳辐射低于SA区域，太阳辐射全天最大相差366.8 W/m2，9:00-15:00期间平均相差168.3 W/m2。SA区域全天太阳辐射累计值为13.24 MJ/m2，而NA区域全天太阳辐射累计值仅为8.09 MJ/m2，两者相差5.15 MJ/m2，占SA区域累计太阳辐射的38.9%。由图4b可知，阴天时太阳辐射变化与晴天太阳辐射变化相似，NA区域的太阳辐射低于SA区域，全天最大相差90.6 W/m2，9:00-15:00期间平均相差62.7 W/m2。SA区域全天太阳辐射累计值为7.29 MJ/m2，而NA区域全天太阳辐射累计值仅为5.25 MJ/m2，两者相差2.04 MJ/m2，占SA区域累计太阳辐射的27.9%。

非对称保温塑料大棚北屋面投影区域的太阳辐射要低于南屋面投影区域，这主要由于塑料大棚顶部保温被遮挡了部分太阳直射光的进入北屋面投影区域。

3.2 栽培区域内保温被投影面积

由于太阳高度角在中午12点达到最大值，因此栽培区域内保温被投影面积也在12点达到最大值。为此，在不考虑作物的情况下，根据本文研究方法计算18 m跨度保温塑料大棚在一年中每天中午12点栽培区的投影面积，如图5所示。

由图5可知，第1～56天，保温塑料大棚栽培区域遮荫面积为0。从第57 天（2月26日）开始，保温塑料大棚栽培区域太阳直射光会被保温被遮挡，在第89 天（3月29日），保温被在栽培区域的投影宽度为2.1 m，遮荫面积达到最大值146.8 m2，占保温塑料大棚总栽培区域面积的13.2%。在第256天（9月12日），栽培区域遮荫面积开始逐渐下降，直至第288 天（10月14日）达到0，全年栽培区有阴影的天数为231 d，占全年总天数的63.3%。

3.3 不同光环境对番茄株高茎粗的影响

保温塑料大棚内部不同栽培区域光环境对番茄株高茎粗的影响如图6所示。结果表明，在定植后第1～10 天，不同栽培区域番茄株高与茎粗无显著性差异，而定植后的第33天（2月21日）、46天（3月6日）、59天（3月19日），NA区域番茄株高分别为35.8、61.1、92.0 cm，分别比SA区域番茄株高低5.4、9.5、10.9 cm，存在着显著性（<0.05）差异。同样，NA区域番茄茎粗也要显著（<0.05）低于SA区域番茄茎粗。

3.4 栽培区域内保温被投影面积随作物株高增长的变化规律

尽管栽培区太阳直射光在2月21日才开始遮挡，但是为了减少冬季室内热量流失，北屋面保温被从立冬（11月8日）开始一直处于覆盖状态，直至立春（2月4日）才开始逐渐揭帘[25]。根据武莹等[14]的测试结果，冬季18 m跨度双层保温塑料大棚北部区域的透光率仅为44.6%，比南部区域透光率低18.9%，所以2月21日测试的保温塑料大棚北部区域番茄株高、茎粗要低于南部区域。

3.5 植株叶片光合参数测试结果

保温塑料大棚内部不同栽培区域番茄叶片的光合参数测试结果如表1所示。由表1可知，SA区域番茄叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用率均显著（<0.01）高于NA区域，其中净光合速率增加73.3%、气孔导度增加41.4%、蒸腾速率增加30.2%、水分利用率增加31.3%。

表1 不同栽培区域光环境对番茄叶片光合特性的影响

注：同一列不同大写字母表示不同区域之间具有显著性差异（<0.01）。

Note: Different capital letters in the same column indicate significant differences between different areas (<0.01).

3.6 番茄平均单株产量测试结果

保温塑料大棚内部不同栽培区域番茄平均单果质量及平均单株果数测试结果如表2所示。由表2可知，保温塑料大棚内部SA区域番茄的平均单果质量和单株果数均显著（<0.05）大于NA区域，其中平均单果质量增加10.5%，平均单株果数增加21.3%。SA区域平均单株产量2.64 kg，比NA区域高29.5%。

表2 不同栽培区域光环境对番茄平均单果质量及平均单株果数的影响

注：同一列不同小写字母表示不同区域之间具有显著性差异（<0.05）。

Note: Different lowercases letters in the same column indicate significant differences between different areas (<0.05).

4 讨 论

根据刘彦辰等[26]的研究结果，陕西关中地区跨度为8、9、10 m日光温室的春茬番茄（“金鹏1号”）平均单株产量分别为2.02、2.59以及2.62 kg。魏守辉等[27]测试得到甘肃省兰州地区日光温室越冬茬番茄（“粉太郎”）平均单株产量为2.87 kg，郑金亮[28]测试得到北京地区日光温室早春茬番茄（“普罗旺斯”）平均单株产量为2.41 kg。王朝军等[29]测试得到晋北地区日光温室越冬茬番茄（“普罗旺斯”）平均单株产量为4.24 kg。本试验中保温塑料大棚南部区域早春茬番茄平均单株产量为2.64 kg，这一结果与刘彦辰等[26-28]在日光温室中的测试结果接近，但低于王朝军等[29]的测试结果，具体表现为本试验中番茄平均单果质量为137.8 g，而王朝军等[29]的测试结果中，番茄平均单果质量为219.5 g，说明非对称保温塑料大棚在番茄春提前栽培茬中具有一定的应用效果，在番茄单果质量方面还有提升空间。

尽管保温塑料大棚北部栽培区域受保温被投影影响，按照番茄平均价格5.0元/kg计算，整个北部区域的番茄生产产值为8 407元，占南部区域番茄产值的28.9%，相比于跨度为11 m厚土墙日光温室，保温塑料大棚要多增加28.9%的产量。

5 结 论

本文探讨了保温塑料大棚屋顶外保温覆盖在不同日期的遮荫面积以及其对番茄株高、茎粗、光合参数以及产量的影响，主要结论如下：

1）受保温塑料大棚顶部保温被的影响，南屋面水平投影区域光环境优于北屋面水平投影区域，其中全年北屋面水平投影区域有阴影的天数为231 d，遮荫面积最大可达146.8 m2，占总栽培区域面积的13.2%。与南屋面水平投影区域相比，春季北屋面水平投影区域在晴天的日累计太阳辐射要低38.9%，阴天低27.9%。

2）南屋面水平投影区域栽培的春提前茬番茄植株生长状况优于北屋面水平投影区域，其中番茄叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用率均显著（<0.01）高于北屋面水平投影区域，平均单株产量要比北屋面水平投影区域高29.5%。本研究是在基质袋栽培模式下得出的结果，对于番茄在土壤栽培模式下的结果有待进一步验证。

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Effects of thermal insulation projection on indoor light environment and tomato growth performance in plastic greenhouse

Cao Yanfei1, Shi Miao1, Liu Xin1, Ding Juanjuan2, Li Jianming1, Sun Xianpeng1

(1.,,,,712100,;2.,,110866,)

A thermal insulation material has widely been used to cover the roof of a greenhouse at night for an energy-saving production of indoor heat. The current mainstream winding of thermal insulation is fixed at the top of a roof, while movable at the bottom. However, there is often a shadow zone indoors during the daytime, when the thermal insulation staying on the top of the greenhouse. This study aims to clarify the changing characteristics of the shadow zone during the year, thereby determining the influence of the shadow zone on the growth of tomatoes. An asymmetric thermal insulation plastic greenhouse was utilized as the test object with a span of 18.0 m (inner span of 16.6 m), the length of 70.0 m, and the ridge height of 6.0 m (inner ridge height of 5.2 m) in Yangling, Shaanxi Province of China. In the east-west direction of the greenhouse, the area of horizontal projection on the south roof (SA) was set as the 11.26 m projection width of the inner south roof (the projection width of the outer south roof was 12.0 m), while, the area of horizontal projection on the north roof (NA) was 5.35 m projection width of the inner north roof (the projection width of the outer north roof was 6.0 m). The variation of shadow zone was calculated in the indoor cultivation area during the year, according to the trigonometric relationship between the direct sunlight and the thermal blankets on the roof. A solar radiation sensor was used to capture the solar radiation of NA and SA cultivation areas. The plant height and stem thickness of tomatoes in different cultivation areas were measured using tape measure and vernier caliper, respectively. A LI 6800 system was also utilized to measure leaf photosynthetic parameters, including the net photosynthetic rate, stomatal conductance, transpiration rate, and water use efficiency of tomato leaves. Finally, the yield and quantity of tomato fruit were also measured to compare. The results showed that: 1) Compared with the SA area, 38.9% and 27.9% of solar radiation in the NA area were blocked on sunny and cloudy days, respectively. 2) The shadow zone was formed in the indoor cultivation area from February 26. The area of the shadow zone reached the maximum of 146.8 m2on March 29, accounting for 13.2% of the total cultivated area. Furthermore, the area of the shadow zone began to decrease on September 12 until it reached zero on October 14. The number of days with the shadow zone in the cultivation area was 231 d, accounting for 63.3% of the total number of days in the year. 3) Plant height and stem thickness of tomatoes in the NA area were significantly lower than those in the SA area from 33 days after planting. 4) The net photosynthetic rate, stomatal conductance, transpiration rate, and water use efficiency of tomatoes in the NA area were significantly lower than those in the SA area. 5) The average fruit weight per plant, the fruit number per plant, and the average fruit yield per plant in the NA area were 10.5%, 21.3%, and 29.5% lower than those in the SA area, respectively.

environment; solar radiation; tomato; plastic greenhouse; thermal insulation; growth characteristics

曹晏飞，石苗，刘鑫，等. 保温被投影对塑料大棚室内光环境及番茄生长性能的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(6)：190-196.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.023 http://www.tcsae.org

Cao Yanfei, Shi Miao, Liu Xin, et al. Effects of thermal insulation projection on indoor light environment and tomato growth performance in plastic greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 190-196. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.023 http://www.tcsae.org

2020-10-31

2021-01-18

陕西省重点研发计划项目（2019TSLNY01-03）；陕西省农业科技创新转化项目（NYKJ-2019-YL06）；现代农业产业技术体系建设专项资金资助项目（CARS-23-C05）

曹晏飞，博士，讲师，硕士生导师，主要研究方向为设施结构优化及环境调控。Email：caoyanfei@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.023

S625.1；S626.4

A

1002-6819(2021)-06-0190-07