不同光照强度对温室大棚温湿环境的影响

李乐乐， 钞锦龙*， 杨朔， 赵德一， 雷添杰， 肖梦琳

(1.太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619； 2.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081)

设施农业是农业现代化的重要标志，也是我国实现农业现代化发展的必然趋势[1-3]。设施农业是指利用新型生产设备、现代农业工程技术与管理技术等人工技术手段，对动植物生长发育所需的光、热、水、气、肥等因素加以调节优化，改善生存环境，促进动植物的生长发育，从而实现优质高产的目的，是一种高效节约的农业生产方式[4-7]。我国北方地区因自然条件的限制，农作物熟制大多是一年一熟，为了满足人们对蔬菜水果的需求，许多地区利用日光温室大棚种植反季节果蔬，具有良好的经济效益[8-10]。

随着日光温室大棚的推广，国内外许多学者对温室小气候开展了大量研究，温室大棚种植主要受到光照、温湿度、水肥及土壤质量等要素的影响[11]，并且完善了田间管理技术，做好温、湿度与光照调控，对提升温室农业生产效益有很大帮助[12-16]。在日光温室小气候效应的研究中发现，温室小气候随外界环境变化而变化，日变化和季节变化规律存在明显差异[17]，上午9：00—11：00塑料大棚内外温差增大，差值随温室大棚高度的升高而增大，棚内气温呈逆温分布，棚内相对湿度比棚外高[18]。在温室条件下，小气候要素的适当管理对于提高生产力十分重要，温室内平均温度比棚外要高25 ℃左右，能为作物生长提供良好的内部环境[19-20]。在不同的地区与季节条件下，日光温室内光照、温度、湿度等小气候要素变化都有很大差异，了解并掌握其变化规律对反季节蔬菜种植管理、增产增收具有重大意义。在以往的研究中，大多学者关注不同天气情况下的温室大棚内小气候要素变化规律，而关于不同光照强度下温室内温、湿度的变化情况少有定量化的研究。因此，本文从太阳光照强度差异的角度下分析晋中榆次地区日光温室内部的光热差异和变化规律，以求为当地日光温室的蔬菜栽培环境调控和田间管理技术更新提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地选址在晋中市榆次区乌金山镇北胡村。该区域(图1)属于温带大陆性半干旱气候，海拔为760～800 m，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温9.8 ℃，年降水量为420～483 mm，年日照时长2 662 h，年无霜期达158 d。

图1 研究区地理位置

1.2 试验方法

试验时间为2020年10月—2021年2月。

日光温室为半拱形钢木混合结构，东西走向，棚面朝南，东西长40 m，南北宽8 m，温室北面为高3.6 m的土墙，温室内种植作物为番茄，采用人工灌溉和施肥方式。温室上部设有通风口，固定时间手动开启，早晨8:00左右开启，下午17:00左右关闭。半自动遮阳帘傍晚放下至次日早晨拉起，温室内冬季增加供暖炉用于室内增温[21]。

温室内采用国产杭州绿博仪器有限公司生产的LB-TRSQ-12型农业小型气候监测站，气象要素数据采集主要包括温室内外一天内的光照、温度和相对湿度，温室内监测传感器距地面高度1.5 m，室外监测传感器高度同为1.5 m，两传感器位置平行，并实时通过网络回传数据到后台系统中，时间间隔为10 min。

1.3 研究方法

本研究选取一天内整点时刻气象要素数据进行统计分析。利用相关性分析法、线性回归分析法描述温室内外光照、温度、相对湿度的变化规律，采用SPSS 26进行数据统计和分析，利用Origin 2018进行图表绘制。

通过试验发现，试验期间温室内的光照强度变化直接受温室外光强影响，并在一定区间内发生变化[22-23]，本文依据室外光照强度变化将光照强度进行不同区间划分，分别为X1∈[5 000 lx，15 000 lx]，X2∈[15 000 lx，25 000 lx]，X3∈[25 000 lx，35 000 lx]，X4∈[35 000 lx，45 000 lx]。

2 结果与分析

2.1 光照变化

光照对温室种植十分重要，光照强度会影响作物光合作用速率，在一定范围内，作物的光合作用速率会随着光照强度的增强而加快，低于一定光照强度，光合作用的速率也会有所下降[24-25]。根据榆次地区秋冬季7：00—18：00的光照数据绘制温室内外平均光照日变化情况(图2)。从图2可以看出，温室内光照强度明显低于温室外，光照强度差值随着光照强度增大而增大，12：00达到最大，之后光照逐渐减少，18：00为零。一天中室外总光照最大可以达到45 000 lx以上，温室内总光照也可达到35 000 lx左右。而番茄属于喜光作物，一般适宜光照强度应在30 000～35 000 lx[26-27]，榆次地区秋冬季日光温室光照强度虽较外界有所削减，但仍能够满足番茄光合作用的需要。

图2 温室内、外光照日变化对比

温室内光照直接受室外环境影响，不同月份光照强度差异明显。从表1可以看出，12月份光照强度最低，室外平均光照强度为16 130 lx，室内平均光照强度为12 010 lx。10月份最高，室外平均光照强度为28 410 lx，室内平均光照强度为21 330 lx。温室内透光率为73%～76%，温室内光照主要受天气因素、棚膜的老化以及棚外附着物质等因素的共同影响。温室内、外光照强度的相关系数为0.971，并且呈现极显著差异[28]。线性回归方程为y=0.783x-0.936，判定系数R2为0.943，模型通过F检验，表明温室外光照强度对温室内光照强度产生显著的正向影响(图3)。

表1 温室内、外各月平均光照强度及透光率对比

图3 温室内、外光照关系

2.2 温度、相对湿度变化

2.2.1 温度、相对湿度日变化对比

温室内温度和温室外温度日变化具有很强的关联性(图4)，温室内的温度明显高于温室外温度，且增温效果明显。自早晨掀帘起，温室内温度迅速升高，温室内最低温度出现在8：00，13：00左右气温达到最高值，温度上升速率为3.5 ℃·h-1；之后至次日8：00温室内温度开始下降，下降速率为1.2 ℃·h-1。从温室内外温度对比来看，白天温度变化幅度大且温室内大于温室外，到夜间温度变化开始平稳。因此，温室内温度日变化较外界存在滞后性，滞后约1 h左右。日光温室具有良好的保温作用，且增温效果明显，能够满足秋冬季节蔬菜生长期间的热量供应。但还应注意温室内通风，采取一定的降温措施，将温度控制在合理范围内[29-32]。

图4 温室内、外温度和相对湿度日变化

温室内相对湿度日变化明显且与温度日变化呈显著的负相关关系(图4和图5)，线性回归方程y=-2.348x+116.107，判定系数为0.97，模型通过F检验。温室内的水汽主要来源于灌溉、土壤蒸发和植物蒸腾[33]。从图4可以看出，和温室外相比，温室内环境相对封闭，空间小，空气湍流交换受到影响，水汽集中，所以温室内相对湿度要高于温室外，部分时间几近饱和状态[34]。与温度相反，相对湿度自早上掀帘起，迅速下降，7：00最高，下午14：00达到最低值，下降速率6.4%·h-1，14：00至次日7：00相对湿度保持上升趋势，白天上升快，盖帘后夜间上升缓慢，整体上升速率2.6%·h-1。温室外相对湿度低于温室内，日变化较温室外平稳。由以上分析得出，温室内相对湿度日变化白天大于夜间，白天相对湿度低于夜间，夜间温室内相对湿度高于80%，而棚外也在50%以上，温室内相对湿度变化较温室外也存在滞后性，滞后约1 h左右，这与许多学者研究结果相一致[35-38]。

图5 温室内温度和相对湿度关系

2.2.2 不同月份温室内、外温度和相对湿度变化对比

试验从10月到次年2月结束(表2)，其中温室内平均温度10月份最高，温室内外温差较小，温室外最低温度开始低于0 ℃。11月、12月温室内、外平均温度下降明显，温差增大，温室内平均温度15.7 ℃，室外平均温度已低于-4 ℃。1月温室内、外温度开始上升，但温室内外温差仍很大，超过20 ℃。2月温度继续上升，温室外最为显著，温室内平均温度为21.9 ℃，最高可达45 ℃，最低也在10 ℃以上，温室外平均温度也在0 ℃以上，但最低温度仍低于-10 ℃。试验期间温室内温度变化呈现高低高的变化趋势，温室内、外温差大，1月最大。由以上分析得出，日光温室具有良好的保温效果，特别是在寒冷的冬季，温室外温度低于0 ℃，温室内、外温差大，温室内仍能保持良好的温度条件，特别适合反季节蔬菜的种植，但仍然需要做好必要的保温措施。

表2 温室内、外温度变化对比

从表3可以看出，秋冬季温室内相对湿度有明显差异，秋季平均相对湿度为60.3%，冬季为75.4%。从10月至12月平均相对湿度由55%增加到77.9%，12月至来年2月从77.9%降至71.6%。温室外相对湿度不同月份间的变化与温室内大致相同，温室外低于温室内。温室内外各月最高相对湿度都在90%以上，但最低相对湿度低温季节高于高温季节。由此得出，日光温室相对湿度的变化低温季节大于高温季节，相对湿度随温度变化而变化，温度越低相对湿度越高。

表3 温室内、外相对湿度变化对比

2.3 光照与温、湿度定量化分析

2.3.1 不同光照强度下温室内温度变化

从图6可以看出，在不同光照强度下温室内的温度日变化存在明显差异，白天气温变化幅度大，夜间变化平稳。当光照强度在X1∈[5 000 lx，15 000 lx]时，温室内温度变化缓慢，温差小，增温效果不显著，最高温度只有20.2 ℃，最低温度为14.8 ℃，温室内平均温度仅为16.1 ℃。阴雨天气下光照时间缩短，使得温室内增温效果大大降低。而当光照强度在X2∈[15 000 lx，25 000 lx]时，温室内增温效果明显提高，平均温度比在X1范围时高了0.9 ℃，最高温度为31 ℃，最低温度为10.4 ℃。当光照强度达到X3∈[25 000 lx，35 000 lx]时，温室内增温效果进一步提高，平均温度为22.3 ℃，比在X2区间时高5.2 ℃。光照强度达到X4∈[35 000 lx，45 000 lx]区间时，和其他区间相比，温室内增温效果最为显著，温度最高可达40 ℃，平均温度为23.4 ℃。温室内温度除在X1区间时在14：00达到最大值，其他光照强度区间都在13：00达到最大值，阴雨天时最高温度出现时间会延迟。由此可见，温室内增温效果受光照强度的影响很大，光照的强弱直接影响白天温室增温效果，具体定量关系为光照强度每增加1 000 lx，温室内温度相应上升0.2 ℃。

图6 不同光照强度下温室内温度日变化

2.3.2 不同光照强度下温室内相对湿度变化

根据光照和相对湿度数据作出不同光照区间温室内相对湿度变化图(图7)。从图7可知，温室内相对湿度变化与温度变化相似，同样存在不同梯度的变化，夜间变化不明显，白天差异明显，光照强度与湿度呈负相关关系。当光照强度在X1∈[5 000 lx，15 000 lx]区间时温室内相对湿度较高，平均相对湿度为83%，白天在70%以上，夜间高于80%，变化平缓。当光照强度在X2∈[15 000 lx，25 000 lx]区间时温室内相对湿度变化开始明显，随着光照强度的增加温度逐渐上升，相对湿度开始下降，平均相对湿度为75.6%，比X1区间低。当光照强度在X3∈[25 000 lx，35 000 lx]区间时，温室内相对湿度变化幅度进一步加大，夜间相对湿度保持在80%左右，而白天由于光照强、温度高，相对湿度只有30%左右，平均相对湿度为64.5%。当光照强度在X4∈[35 000 lx，45 000 lx]区间时相对湿度昼夜变化幅度最大，最高相对湿度为83.5%，最低仅为27.3%，相对湿度差值为56.2百分点。由此分析得出，光照强弱直接影响日光温室内相对湿度变化，光照强度每增加1 000 lx，相对湿度下降5%，低光照强度时温室内往往保持高湿状态，高光照强度时相对湿度较低且昼夜变化大，总体呈现出寡照高湿、高照低湿的状态。

图7 不同光照强度下温室内相对湿度日变化

3 小结与讨论

日光温室内的温湿变化受多种因素影响，榆次地区温室小气候变化与其他地区具有相似性，但存在些许不同。

日光温室内光照强度明显低于室外，室内透光率超过70%，试验期间温室内光照12月最弱，10月最强，温室外光照强度最大超过46 000 lx，温室内最大光照超过35 000 lx。榆次地区日光温室内温度日变化明显，昼夜温差大，白天升温快，平均3.5 ℃·h-1，最高温度出现在12：00，夜间变化缓慢，平均1.2 ℃·h-1；由于温室的保温作用，使得温度变化存在滞后性，大约滞后1 h；日光温室保温效果显著，温度季节变化不明显，平均温度为15～23 ℃，当外界温度低于0 ℃时，仍能保持较高温度，为种植反季节蔬菜提供有利条件。

光照强度对日光温室增温效果有很大影响，低光照温度日变化不明显，光照越强增温效果越显著，光照强度每增加1 000 lx，温室内平均温度上升0.2 ℃；温室内相对湿度夜间大于白天，夜间湿度在80%以上，随温度变化而变化；不同光照强度相对湿度变化也存在差异，光照强度每增加1 000 lx，相对湿度下降5%，秋冬季温室内相对湿度变化趋势由低到高，12月温室内湿度最高，平均相对湿度在75%以上。

温室内小气候要素受外部环境影响，光照强度直接影响温室内的温度和相对湿度，温室内温度和相对湿度始终高于温室外，昼夜变化大，这与许多研究结果相一致。本研究只用部分月份的数据分析了晋中榆次地区日光温室小气候因素变化特征，未对全年的小气候数据进行分析且缺少对温室内地温的分析，所得数据和结论存在误差和不足之处。今后应继续积累新的气象数据和观测资料，帮助农户更好地了解日光温室内温湿环境变化与温室外环境的关系，做好温室内温湿度的调控。希望通过进一步研究地区日光温室小气候变化特征，为当地设施农业发展更好地服务。