大型文洛型玻璃温室光照特性分析

季程博，王海林，张 正，李一哲（中国建材国际工程集团有限公司，上海 200333）

近年在乡村振兴的背景下，全国各地都在大力发展现代农业，引进荷兰技术的大型文洛型玻璃温室迅速发展[1]。这些温室单体面积大，装备化、智能化及信息化程度高，降低了生产人工成本，改善生产作业环境，实现了温室农业规模化高效生产,推动了农业现代化的进程[1-3]。但是其结构和设计均多参考国外标准，温室引进后的本地化改造不够深入，由于中外自然环境存在差异，导致温室内部环境参数不够全面[4]。目前，关于国内塑料大棚、日光温室和相对较小型的塑料薄膜连栋温室的光照特性研究较为丰富，但对于大型文洛型玻璃温室的光照特性的相关报道较少。

光照是温室设施中的重要环境因子之一[5]，一方面其光热效应间接为温室提供热量来源，另一方面直接被温室中栽培作物吸收进行光合作用，其光照特性对于作物的生长形态及果实的产量和品质有重要的影响[6-8]。笔者分析了大型文洛型玻璃温室的太阳总辐射强度和光合量子通量的变化规律和分布特征及两者异同点，以及使用反光地布对于实际温室内部不同采光方向光合量子通量的影响，为指导大型文洛型玻璃温室的栽培方式，优化作物的空间结构分布，提高光照的利用效率提供数据支撑，同时为进一步用太阳能改善温室的温热环境提供理论基础。

试验与方法

供试场地

测试温室位于山东省青岛莱西市经济开发区胡家疃村东侧的莱西智慧农业产业园。所测试温室为引进荷兰的文洛型连栋玻璃温室，覆盖玻璃为超白压延高透玻璃，雾度大于20%，透光率不小于92%（无外遮阳、无内保温），天沟方向为东西向，41 开间、30 跨（5 m开间、8 m跨、东西向205 m、南北向240 m），其中1 号棚已完成地布铺设，2 号棚东侧完成地布铺设、西侧为土壤地面，温室使用地布为上海斯文森园艺设备有限公司生产的“LS 白色地布”的反光地布，其规格为4.15 m×282 m。本测试的温室整体采光指标在1 号温室测量，反光地布对于采光影响测试在2 号温室进行。

测试内容及方法测定

测试仪器为总辐射计，华控太阳总辐射照度仪，FZD-A1；光量子仪，美国APOGEE，MQ-500。

测试方法参照农业行业标准NY/T 1936-2010《连栋温室采光性能测试方法》。当地时间10:00～14:00，每隔2 h 测定1 轮。共3 次。温室内布置9 个测试点，分别位于两边跨和中间跨，各跨3 个测点分布在各跨两端第2 个开间和中间开间的中央。温室外测量点1 个，周围无遮挡空地，距离温室外墙40 m距离处。测试点距离地面1.5 m。分别在晴天和多云的阴天进行了测试。

同时测定反光地布对于温室采光影响，测试位置在2 号温室的南侧第3 跨中部天沟下，无地布测试点为中部道路西侧第4 个开间中央，有地布测试点为同跨中间道路东侧第4 个开间中央。测试高度为距离地面1.5 m高度。测试顺序：同一测试点分为6 个测试方向，分别测定水平向上、水平向下、竖直向东、竖直向南、竖直向西、竖直向北方向上的太阳总辐射和光合量子密度。测试要求：尽量保持测量时传感器的水平和竖直方向的稳定，测试竖直向南和竖直向北的采光时，10:00 和12:00 站在西侧，14:00 站在传感器的东侧，着深色衣服，避免人员因素对于光照采集的影响。数据处理与分析软件为Microsoft Excel 2016 和SPSS 23.0，并使用Microsoft Excel 2016软件进行制表与制图。

图1 温室内测量点分布

结果与分析

温室整体采光性能

阴天和晴朗无云天气的温室整体采光检测结果分别见表1 和表2。

表1 阴天天气温室采光检测结果

表2 晴朗无云天气温室采光检测结果

太阳总辐射

从表1 和2 中室外太阳总辐射和温室太阳总辐射透过率可以看出，在阴天和晴朗无云两种天气下，10:00～14:00 的太阳总辐射变化规律相同。呈现先增高后下降的趋势，即12:00 的太阳总辐射值最大，相对较小的10:00 和14:00 两者相比，14:00 的室外太阳总辐射强于10:00，这与程勤阳等的研究测试相一致[9]。但是，不同天气下室外的太阳总辐射强度有较大差距，阴天室外太阳总辐射所有3 个测试时间点的平均值为493.7 W/m2，而晴朗与晴朗无云天气为1057.7 W/m2，后者比前者高114.2%。所以，如果在晴朗夏天需要降低温室内太阳辐射时，可选遮光率50% 的遮阳材料实现阴天光照辐射水平。温室的总辐射透过率主要受天气影响，测试结果在阴天其总辐射透过率在90%～93%，而晴天在77%～83%，阴天的温室透过率显著高于晴天天气。这可能是因为使用了超白压延高透散射玻璃，此玻璃在具有91.5% 透过率的同时，依然有着大于20%雾度的较高散射性能。

光合量子通量密度

植物的光化学反应所用到的光集中在波长380～700 nm 范围内，通常将这个范围内的光照称为光合有效辐射，与可见光的波段大体一致，相比太阳总辐射缺少了紫外、近红外和红外光，所以不能以太阳总辐射测试结果分析对于实际作物光合作用的影响。光是以量子的形态直接参与温室内栽培作物的光合作用，光量子数量的多少直接对应植物的光合速率，具有更加明显的植物生理学意义[10]。所以光照强度这个光照指标不同于其他行业，在农业栽培领域研究中使用光合量子通量密度（PPFD）作为衡量指标，单位为μmol/(m2.s)，表示380～700 nm 波长的光子通量密度。在表1 和表2 中我们可以看出，在相同天气的同一天中，与太阳总辐射的变化规律相一致，12:00 最大，但是阴天天气下三个测试时间点的测试结果相差不大（在0.05 置信区间，无显著差异），而晴朗无云天气12:00显著（P＜0.01）大于另外两个测试时间结果，约多出45%。阴天天气的平均光合量子通量密度为352 μmol/(m2.s)，显著（P＜0.01）低于晴朗无云天气1368 μmol/(m2.s)，约为晴朗无云天气的25%。由此可见在阴雨天较多的地区需要配备补光装置。从温室光合量子通量透过率分析，阴天的透过率显著（P＜0.01）高于晴朗无云天气。

光照均匀度计算公式要说明

温室内的采光除了受天气、太阳高度角、季节等自然因素外，还受到温室的方位、覆盖材料、屋面角度和室内承重结构的影响。其中一些影响因素会造成遮光，使温室内部的光照均匀性受到影响，光照不均匀的温室不但光照利用率低并且作物生长有差异，不利于规模化种植，增加栽培管理流程和成本支出[11]。通过表1 和表2 的测试结果可以看出温室光照均匀度均在91% 以上，通过资料对比[9]，要高于通常在80%均匀度的相对较小型温室。并且相对来说较为一致，不随着一天中的时间变化而变化，不同的天气也没有对温室内均匀度产生影响。这是因为测试温室采用了超白压延高透散射玻璃，并且此温室的单体面积和内部空间要更大，加强了内部作物生长环境的均匀性。

阴雨天的的各项测试结果除温室的光照均匀度，其余指标均与晴天测试结果有较大差异，主要体现在阴天天气是时，温室的总辐射和光合量子通量密度均比较小，但是两者的透过率均要比晴天状况下要高。通过对于测试结果的总体分析，可以得出辐射透过率和量子透过率具有呈正相关关系，并且量子透过率总体上要高于相同测试环境和测试时间的太阳总辐射透过率。这可能是因为两者所衡量的光的波段差异，因为玻璃对于短波长的光有更好的头过性，使得通过温室表面玻璃后，表现出差别。

光照均匀度计算按照式（1）：

式中：

λ——温室内光照均匀度分布；

s——温室内光合量子通量测量值标准差，单位为微摩每平方米每秒[μmol/(m2.s)]，按照式（2）计算；

EP——温室内量子通量平均值，单位为微摩每平方米每秒[μmol/(m2.s)]，按照式（3）计算。

式中：

n——温室内光合量子通量测点数量；

EPi——温室内第i 测点光合量子通量，单位为微摩每平方米每秒[μmol/(m2.s)]。

地布对于温室采光的影响

不同方位光合量子通量密度变化规律

不同测试方向的光合量子通量变化测试结果如图2 所示。

从图2 中可以得出在不同时间，各测试环境在上方接受到的光合量子通量密度最高，在下方接收最少、其次最少是北侧方向。这主要是因为太阳的方位，光线在测试时间段由南向上方照射而来。其余方向的光合量子通量密度根据测试环境不同而有差异，在有太阳的晴天环境，10:00、12:00、14:00 东南西3 个方向的接收辐射大小排序分别为东＞南＞西、南＞东≈西、西＞南＞东，这与太阳方向随时间的变化有关。并且还可以看到，在10:00 和12:00，北侧接收太阳辐射量略低于西侧但是差别较小。在无太阳的阴雨天，上方接收太阳总辐射量最大，其余方向的接收量相对一致，经过差异性分析，在0.1 的置信区间无显著差异（P＞0.05）。

图2 不同测试方向光合量子密度变化/[μmol/(m2.s)]

地布对光合量子的提高

反光地布对不同方向光合量子密度提高幅度如图3 所示。地布对于各方向平均光合量子通量密度的提升效果如图3 所示，在不同的采光方向的提升效果，均为在采光方向向下时提升效果最好，提升幅度达到200% 以上，向上采光方向提升最小，其余方向作用效果在60%～90%。这是因为靠土壤地面反射的光合量子通量绝对值比较小，所以当铺设地布后反射光和量子通量提升后相对于无地布时的相对提升幅度较大。吸收光能进行光合作用的场所主要是叶片中的叶绿体，反光地布对于各方向的光合量子通量的强度，能够使温室中的光照均匀，避免了叶片和植株对于中下层叶片的光照遮挡，可以增加栽培密度，提高植物对温室空间的利用效率。植物叶片的上表皮内为栅栏组织，排列紧密，而下表皮内为相对排列更松散的海绵组织，并且通常情况下上方光照更强能够诱导更多叶绿体数量，所以叶背部的光合作用速率低于正面，但是提高叶背部的光照对提高作物产量仍具有重要作用[12-13]。所以使用反光地布对于增强叶背部接受光照，两提高作物光合作用速率有重要作用。

图3 不同测试方向地布对光合量子通量提升幅度

地布在不同测试时间对光合量子通量平均作用效果

温室内在土质地面和铺设反光地布在上、下、东、西、南、北6 个方向三个测试时间的平均光合量子通量密度，在阴天分别为311.6±31.2 μmol/(m2.s)、483.9± 29.7μmol/(m2.s)，在晴天分别为614.1±33.5μmol/(m2.s)、928.1±41.6 μmol/(m2.s)，铺设反光地膜的温室光合量子通量密度，在阴天和晴朗无云天气分别提高54.3%、51.0%。在不同时间点温室光合量子通量密度有差别，14:00 提高效果相对较小在40% 左右，10:00 在50% 左右，而12:00 的提高效果最好为68% 左右。

图4 不同时间光合量子通量平均值/[μmol/(m2.s)]

讨论与结果

温室的总辐射透过率主要受天气影响，测试结果在阴天其总辐射透过率在90%～93%,而晴天在77%～83%，阴天的温室透过率显著高于晴天天气，而从温室光合量子通量透过率看，阴天的透过率要高于晴朗无云天气，其中阴天天气下光合量子通量透过率最高达到了96.5%，高于同时测量的总辐射透过率4.8 个百分点。这主要是因为两者所主要测得的光照的波长范围的不同，玻璃对于短波、长的光有更好的透过性，使得通过温室表面玻璃后的透过率表现出差异；测试温室光照均匀度均在91% 以上，高于常见温室，所测试温室单体面积更大，加强了内部作物生长环境的均匀性。

反光地布对于光照的提高效果在不同的采光方向，均为在采光方向向下时提升效果最好，提升幅度达到200% 以上，上方最小，其余方向作用效果相对一致，在60%～90%。在不同的时间点温室光合量子通量密度有差别，14:00 提高效果相对较小在40% 左右，10:00在50% 左右，而12:00 的提高效果最好68%左右接近70%。光合量子通量密度提高效果：12:00＞10:00＞14:00。