烤烟育苗大棚的保温原理及改良方法

段乐怡，陈佳锋，陈治锋，刘良教，彭梁睿，黄思晗，邓志强

（1.长沙市烟草公司浏阳分公司，湖南浏阳 410302；2.长沙市烟草公司，湖南长沙 410011；3.长沙市烟草公司宁乡市分公司，湖南宁乡 410600）

0 引言

育苗是烟叶生产的关键时期，烟苗的素质直接影响着烟叶后期种植的品质。在生长发育的初期，烟苗对温湿度及其敏感，如果无法实现精确温湿度调控，就会出现发芽率低和烟苗根系腐烂、病虫害严重、死苗等情况。在苗床中后期，随着外界气温的上升、光照时间延长和强度的增强，大棚内温度上升较快，需要控制温度和湿度，防止烧苗。目前，烤烟育苗大棚的温度变化很大程度上受制于育苗期间天气变化的影响。设施大棚的调控范围很小，难以达到通过及时调控温度，确保按时培育出整齐一致的壮苗的要求。为此，通过对不同结构的烤烟育苗大棚的升温、保温效果及原理研究，旨在为优化烤烟育苗大棚的设计构造，改善其保温、控温性状提供参考。

1 烤烟育苗大构造及升温、保温原理

衡量烤烟育苗大棚的保温性能包括一定光照强度和外界温度条件下，棚体的升温速度、降温速度，棚体内外热量交换趋近平衡时的温度等。烤烟育苗大棚内空气温度的上升主要来自大棚地面的光照产生的热量传导。大棚高度越低，棚膜越薄，大棚地面的光照强度越大，晴日天气下棚内升温速度更快，棚体更多依靠通过大棚内外温差加大，棚膜的导温强度增加而传导热量。增加大棚高度和棚膜厚度，将降低大棚地面的光照强度。在大棚高度增加的同时，棚体薄膜与外界的接触面积也显著增加，棚体更多依靠通过与外界的接触面积增加而传导热量。棚体过高，还将使烤烟育苗大棚升温速度缓慢，并容易使大棚在与外界的温差在更小的范围内达到热量平衡，无法继续升温。

烤烟育苗大棚棚体表面积与体积比值同，可以作为衡量棚体保温性状以及确定育苗大棚长度、宽度和高度的参考。推理，主要原因：温室大棚棚体相对表面积越小，一定体积的棚体与外界接触的热交换面积就越小，大棚的保温性就越好；相对表面积越大，一定体积的棚体与外界接触的热交换面积就越大，大棚的保温性就越差。其次。是因为棚内中心的高温区与边缘距离与大棚的保温性显著相关，体积更大的大棚可能因大棚中心的高温区与边缘距离更大，产生一定梯度的温差，降低了大棚边缘与外界的热量传导强度，提高了大棚的保温性。

依据表面积与体积比值原理，温室大棚棚体越小，棚体表面积与体积比值就越大，保温性就越差；棚体越大，棚体表面积与体积比值就越小，保温性就越好。如，设棚体长、宽、高均为1 m，则棚体体积为1 m3，棚体表面面积为（6×1）m2，棚体表面积与体积比值为6：1；如果棚体长宽高均为2 m时，棚体比表面积与体积比值为24∶8=3∶1。同样大小面积的温棚，形状越接近正方体，棚体表面积与体积比值越小，保温性越好。如设棚体长4 m、宽1 m、高2 m时，棚体表面积与体积比值为28∶8=3.5∶1；表面积与体积比值比相同体积的长、宽、高均为2 m的正方形温棚增加了0.5；因而，保温性能也比长、宽、高均为2 m的温棚差。然而，模拟试验观测显示：在棚体高度极低的情况下，增加大棚高度对大棚保温性能提高更效果显著。但在大棚达到一定高度后，再继续提高大棚高度，则保温效果明显下降。

推理，烤烟育苗大棚随棚体表面积与体积比值减小而保温性能增强的前提条件，是棚体储存的热量随体积的增加而成比例地增加。如果极显著增加大棚高度，达到正方体形状；则大棚因高度增加而扩大的体积全部为空气，而空气的热容量显著低于地面、水体和基质，大棚高度的增加对棚体热量的吸收量和储存量的增加十分有限。在晴日大棚内外温差较大的情况下，因棚体与外界接触面积增大，而导致大棚热量损失的效应更大。而高度相对较小的大棚由于棚内气温上升的速度更快，且高温更持续；将有更多热量传导至地面，使棚内地表、苗盘和水体的温度更高，储存的热量更多；在光照减弱后，热量释放到空中，减缓棚内气温下降速度，在另一方面提高了大棚保温性能。但在气温低、光照较弱的雨雪天气下，更高的大棚的保温性略高。除了表面积与体积比值更低的原因外，还包括更高的大棚因更大体积的湿度较高的空气增加了光的吸收率和热容量，使大棚的保温性略有提高。因而，高度对大棚保温性能产生影响是多方面的，不同情况下不同高度的大棚保温性状的表现不同。在育苗大棚构造设计中，根据棚体表面积与体积的比值理论，通过增加大棚面积和将大棚平面形状设计为正方形，对提高大棚的保温性能的效果显著。但，单纯通过增加大棚高度提高棚体保温性能的意义不大。

由于烤烟育苗大棚周围垂直覆盖的围膜的平均高度比棚顶覆盖的薄膜的平均高度低50%以上，其导温强度也显著高于棚顶覆盖的薄膜。同样大小面积的大棚，随棚体周长的增加，棚体围膜的长度和面积也成比例地增加，大棚的保温性能也将相应降低。因而，烤烟育苗大棚的周长与面积的比值也适宜作为衡量大棚保温性状方面的重要参考。

根据育苗大棚的周长与面积的比值原理，同样可以得出衡量烤烟育苗大棚的保温性能的棚体平面形状和面积大小的方法。即烤烟育苗大棚平面形状为正方形，能使同一面积的育苗大棚的周长与面积的比值最小化，从而最大限度地减少大棚与外界的接触面积，减少大棚热量传导，提高大棚保温性能。增加大棚长度和宽度，扩大大棚面积，同样可以降低了育苗大棚的周长与面积的比值，提高烤烟育苗大棚的保温性能。同样形状的大棚，棚体面积越大；同一面积的大棚，形状越接近正方形；大棚周长与表面积比值均越小；保温性越强。与烤烟育苗大棚表面积与体积的比值相比，去掉意义不大的高度的影响后，棚体周长与面积的比值在衡量大棚保温性状方面更具参考意义。

尽管烤烟育苗大棚保温效果在一定范围内随大棚面积或高度的增加或大棚平面更接近正方形，而提高或增强，但棚内的升温速度也随之而下降。推测边际效应和大棚本身形成的阴影是这方面的主要原因。如，当棚体的面积足够小时，棚体外围将有更充分的散射光从大棚的四周进入大棚，棚内迎光地面与背光地面也因距离足够小而光照强度和温度接近。当大棚的面积足够大、更高或大棚平面更接近正方形时，大棚外围散射光仅迎光面部分有较多散射光进入棚内，棚内迎光面和背光面地面光照强度和温度的反差增大；棚内地面和棚外背光面的阴影面积占比加大，使棚内地面光照强度降低，棚外背光面环境温度更低；棚膜导温性更强，从而降低了大棚的升温速度。

提高大棚的保温性状的根本，是提高大棚光热的利用率和减少棚体热量的损失。烤烟育苗大棚构造设计中，在降低薄膜厚度以增强其透光率，减小大棚面积、降低大棚高度以提高大棚升温速度方面，与减少棚内光照对外反射和辐射以增加光热利用率，和降低棚膜热量传导，以及降低烤烟育苗大棚棚体表面积与体积比值、周长与面积比值，减少棚内热量流失方面存在多重矛盾。在大棚设计建造过程中，需要根据当地的气候条件和实验总结，在大棚膜的厚度、大棚长度、宽度、高度、面积等方面之间寻找平衡点。

2 长沙烟区烤烟育苗大棚实际温度状况及改良措施

2.1 实际状况

长沙烟区烤烟育苗期总体上气温较低，光照较少。即使是晴日或多云天气，光照从早晨7：00～8：00到下午5：00全日照射的情况较少，往往一日之内只有数十分钟到数小时的阳光照射。较短的日照难以使烤烟育苗大棚快速升温，达到棚内20℃以上的种子发芽和烟苗生长的适宜温度。同时，长沙烟区烤烟播种后的天气存在很大不确定性，设施大棚对温度的调控作用有限。多次出现因播种后阴雨寡照天气时间较长，导致出苗期和成苗期延长、出苗率下降，出现不得不将计划中的3月中、下旬移栽期推迟到3月底的情况。而在部分年份又因播种后，晴日天气持续时间较长，成苗过早，导致一定程度的早花。

需要提高大棚的升温、保温性能为主的棚温调控能力，使其具备在不同气候条件下均能及时出苗、适时成苗的能力。在此基础上，才具备适当推迟播种、缩短苗床期的条件。降低因播种后天气原因造成的烤烟成苗过迟、移栽较晚、大田生育期不够、成熟度降低或因播种过早造成烤烟成苗过早、烟株早花的风险。

2.2 改良措施

2.2.1 严把大棚选址关口

在烤烟育苗大棚选址方面，应避开风口、河道、工厂，选择地势较高、地面干燥、背风向阳的地方。以避开风力对大棚热量的传导，减少空气中水分、灰尘对阳光的遮挡和对大棚环境温度的降低作用，削弱地面对大棚热量的传导。大棚周围适宜浅色、有较强反射光线的环境。避开茂密树林环境，避免因树木对光线的吸收，削弱大棚内的散射光线照射，降低大棚周围的环境温度的结果。

2.2.2 优化大棚设计

烤烟育苗大棚构造方面，宜增加大棚的宽度，以增加大棚的宽长比，减小大棚的周长与表面积比值，提高大棚的升温保温性能。同时，面积更大、宽度与长度接近的大棚，还将因保温性能的提高，显著降低雨雪冰冻天气下烟苗冻伤的风险。由于防尘网在一定程度上削弱了棚内光照，建议将烤烟育苗大棚中的固定式防尘网改为可收放式防尘网。育苗期间，除雨雪天气和天晴敞棚控温时放下防尘网外，其余时间收起防尘网，以减小防尘网对光线的阻挡，最大限度利用光热资源。

2.2.3 改变大棚栱棚结构，降低大棚高度

目前，长沙烟区烤烟育苗大棚中棚高5.2 m，栱棚为半圆形结构的大棚的升温与保温效果均比棚高5.7 m，栱棚为锯齿形结构的大棚好，成苗也更早。分析原因：前者的高度较小，升温更快；而且，半圆形结构的栱棚比锯齿形结构的栱棚表面积与体积的比值小，保温效果更好。进一步推测，目前最低5.2 m的高度也并非适宜长沙气候特点的最佳高度，还存在进一步降低的空间。但大棚高度大幅降低在烟苗生长过旺、需要控苗的情况下，将降低烤烟育苗大棚的控温效果。而且，烤烟育苗大棚高度过低，将不利于工作人员大棚内播种、间苗等作业。

理想状态下的烤烟育苗大棚应该为：播种后的气温较低、日照时间较短的时期内，大棚低层覆盖透光性较好的较薄的薄膜，以利于更快地提升棚内温度，促进烟苗萌发。立春气温上升后，或者烟苗生长过快需要控苗时，高层覆盖温度变化更平缓的较厚的薄膜，以利于更好地控制棚内温度，控制烟苗的生长速度。雨雪严寒天气下，则实行低层、高层薄膜双层覆盖，以利保温防冻。

长沙烟区育苗大棚绝大部分为十余年前建造，设施简单，温度控制还是以人工手动为主，用工量大且不能准确控制温度。部分大棚钢筋结构锈蚀，池面和卷帘结构损坏。建议在对部分烤烟育苗大棚维修的同时，对大棚设施全面升级改造。如：将读数温度计更换为显示灵敏的温湿度显示计，大棚内安装监控、电动卷帘机、强制通风和增温设施等，以利于节约控温用工，并更精准地控制大棚温度，培育壮苗。

3 结论

目前，长沙烟区烤烟育苗大棚综合利用率不高，综合利用的时间不长。限制烤烟育苗大棚综合利用的最大障碍因子为棚内夏、秋季温度过高[1]。通过可调节的方式增加烤烟育苗大棚的高度，能显著改善这一状况，但增高后的大棚内温度，仍然难以控制在大部分作物适宜生长的温度范围内。建议试点在部分育苗大棚安装遮阳网、水帘、鼓风机等降温设施；或进一步升级改造成信息化、智能化、自动化的设施功能齐全的大棚[2]。在更大范围、更精准、更方便、快速、精准地控制育苗大棚的温度的同时，为提高烤烟育苗大棚综合利用率创造齐备的条件。因烤烟育苗大棚综合利用率的提高，降低设施大棚的土地租赁成本的维修费用，为烟农辅业增加收入提供新途径。