顶部下翻盖式通风口开张度对温室微气候及番茄生长发育的影响

摘要：为探究日光温室顶部下翻盖式通风口开张度大小对温室微气候及番茄生长发育的影响，为温室生产调控提供参考。本研究设计日光温室顶部下翻盖开启75°（A1处理）和45°（A2处理）2种通风方式，以顶部卷帘通风为对照（CK），对温室内光照、CO2浓度和温度等环境因子及番茄生长状况进行研究。结果表明，在典型晴天白天，A1、A2和CK温室的平均温度分别为26.3、27.5、28.9 ℃，平均湿度分别为50.0%、50.3%、50.9%，平均CO2浓度分别为870、765、708 μmol/mol，A1、A2、CK温室室内及室外平均光照度分别为33 327、25 261、22 674、40 140 lx。A1、A2温室番茄的单株产量及品质相较于CK有了极大的提升。通过利用Fluent软件选择合适的边界条件，探究在自然通风条件下不同顶部下翻盖式通风口开张度对室内环境的影响。模拟A1、A2和CK温室内的气流和温度场分布特征，分析顶部下翻盖式通风口不同开度对日光温室环境因子的影响，得出了A1处理温室温度和气流变化均匀，对作物影响相对较小；A2处理温室通风效果相对较差，不符合夏季通风需求；CK温室底部气流较大，在寒冷季节可能会对作物底部造成冻害。综上，日光温室顶部下翻盖式通风口开张度为75°时表现最好。

关键词：日光温室；下翻盖式通风口；顶通风；计算流体力学；微气候；番茄

中图分类号：S625.5；S641.204" 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）14-0229-07

收稿日期：2023-08-27

基金项目：宁夏回族自治区中央引导地方科技发展专项（编号：2021FRD05018）。

作者简介：胡 豪（1999—），男，河南驻马店人，硕士研究生，研究方向为温室设施环境调控。E-mail：1643769477@163.com。

通信作者：葛 静，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为农业气象学及设施环境调控。E-mail：gjxqgy@163.com。

日光温室由于其优良的保温性能，能够抵御恶劣天气，使温室内作物正常生长，在我国北方蔬菜周年生产和供应中得到了广泛的应用。日光温室在现代农业中占有举足轻重的地位，其通风问题更是影响作物产量的关键因素之一。通风是蔬菜日光温室生产上的一项非常重要的技术措施［1］，自然通风与机械通风是温室内的2种通风方式。自然通风是指在风压和热压的影响下，使室内外空气流动，它能够起到冷却除湿、补充CO2的作用，并为温室中的作物提供适合其生长的环境。机械通风是一种使用风扇等通风设备，在室内和室外形成压力差，从而对空气进行强迫流动的通风方法，它以额外的能量消耗来对温室内环境因子进行调节。温室的通风效率与其通风结构有很大的关系，而不同的通风口位置会在很大程度上影响到温室内的热环境分布。目前，主流的日光温室自然通风口通常安装在温室后墙、前屋面和温室屋脊3个区域［2-4］。严露露等通过温室后坡墙体处开窗通风方式的不同，研究了自然通风下温室内环境因子和作物生长情况以及植物冠层温度的变化［5］。谢迪等对日光温室顶通风的通风面积大小与室内温湿度的变化进行了研究，结果表明日光温室内的温湿度与室外的风速有很大的关系［6］。佟国红等将日光温室中的温度环境认为是动态变化过程，利用CFD模拟了典型晴天条件下温室内温度随外界环境变化的规律，优化了温室设计参数［7］。李永欣等将温室自然通风和遮阳网结合，对Venlo型玻璃温室内部环境进行测试，结果表明温室内部温度明显低于室外，室内环境因子分布均匀，适合作物生长［8］。已有利用CFD技术研究日光温室微气候变化主要通过不同结构温室室内热环境模拟、温室不同通风方式的模拟，得出了提高日光温室环境水平的通风方式，以及通风方式的不同对温室内部气流场的影响［8-19］。

在日光温室自然通风作用下，通风口位置和结构会对温室内部温湿度等环境因子产生影响。目前缺少日光温室顶部下翻盖式通风口开张度对温室微气候影响的相关研究，本试验探讨了日光温室顶部下翻盖式通风口开张度的变化及其与温室内环境因子和番茄生理指标的关系，以期为日光温室通风调控过程中的除湿和热量耗散提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试温室

宁夏是一个典型的大陆性气候区，年均温度约8.5 ℃，降水量200 mm，光照时间超过2 610 h，年平均风速为1.0～7.0 m/s。试验地点在宁夏银川市贺兰县金贵镇新起点现代农业设备有限公司（38.50°N，106.42°E）。试验温室为宁夏第三代新型装配式节能日光温室，温室坐北朝南，东西走向。东西长为60 m，南北跨度10 m，后墙为厚度0.5 m、高3.6 m的异质复合保温蓄热墙体，脊高5.3 m，种植区宽为8.5 m，温室西侧配备操作间。温室内用PO膜分为面积相等的3个区域，温室覆盖棚膜为单层PO膜，外面覆盖保温被。采用上下通风方式，上通风为均匀分布在每个隔断温室的7个下翻盖式通风口，开启方式为安装链条式开窗机推动（电流1.2 A，推拉力400 N，行程800 mm）。试验共设计2个处理，下翻盖式通风口开张度为75°的温室为A1处理（图1-a），下翻盖式通风口开张度为45°的温室为A2处理（图1-b），对照（CK）为顶通风采用卷帘通风。3个温室通风口的面积相同，下翻盖式通风口形状为矩形，长1.1 m、宽0.6 m，面积为0.66 m2，相邻下翻盖式通风口间距为110 cm，对照温室的顶部通风口长20 m、宽13.2 cm。在距地高度0.6 m处，设置宽 40 cm、长60 m的前屋面底部通风口，所有通风口处均有52目防虫网。通风口开启时间和面积与对照温室相同，对照温室和试验温室除了顶部通风口结构不同其余部分均相同。

试验期间选取天气状况良好，日光温室顶部下翻盖式通风口开度的二分之一、全开。以2023年3月25日日光温室室内外实测数据作为边界条件，试验时风向为南风，风速1.8 m/s。建立日光温室内环境因子的CFD计算模型，采用标准k-ε湍流模型、DO湍流模型进行计算。网格生成及边界条件设置采用ANSYS Workbench 2022R1的SpaceClaim软件进行几何建模。网格采用ANSYS Workbench 2022R1中的Mesh软件进行网格划分，并对进出风口进行加密处理。

1.2 室内作物

试验材料为番茄品种伊亚，为杂交一代粉果番茄，果实球形，单果重210～290 g，中早熟品种。定植日期为2023年3月19日，起垄种植，每垄2行，垄宽0.8 m，沟宽0.7 m，行距0.3 m，株距 0.35 m，单蔓整枝，留5穗果打顶，南北方向种植。试验时间为2023年3月19日至7月20日，田间管理按高产栽培要求进行，每个试验温室基肥为高浓度通用复合肥10 kg，锌腐酸磷酸二铵10 kg，微生物菌剂 30 kg；追肥为滴灌水溶肥，试验温室和对照温室均采用水肥一体机进行滴灌。

1.3 指标测定

1.3.1 气象数据测定

各温室测点布置相同，详见图2。

（1）室内采用紫藤气象站采集系统（来自北京紫藤连线科技有限公司），特点是测量精度高，性能可靠，响应速度快，数据传输效率高。可以测定空气温度（范围：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃）、空气湿度（范围：0～100%，精度：±3%）、光照度（范围：0～200 klx，精度：±5%）、CO2浓度（范围：0～5 000 μmol/mol，精度：±50 μmol/mol）和土壤温度（范围：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃）。

（2）室外采用戴维斯气象站测量数据，测定空气温度（范围：-18～60 ℃，精度：±0.5 ℃）、空气湿度（范围：0～100%，精度：±3%）、光照度（范围：0～320 klx，精度：±5%）。

（3）温湿度传感器（来自兆泰盛电子科技有限公司），可以测定空气温度（范围：-40～60 ℃，精度：±0.3 ℃）、空气湿度（范围：0～100%，精度：±3%）。

（4）土壤温度传感器（来自浙江托普云农科技股份有限公司），可以测定土壤温度（范围：-20～70 ℃，精度：±0.5 ℃）。

（5）风速风向传感器（浙江托普云农科技股份有限公司），可以测定风速（测量范围：0～60 m/s，测量分辨率0.1 m/s）、风向（测量范围：0°～360°，风向分辨率：3°）。

1.3.2 生理指标测定

3个温室内番茄缓苗期后测定株高、茎粗、SPAD值等生长指标。在番茄盛果期测定可溶性总糖、维生素C含量，分别采用 H2SO4-蒽酮比色法、钼蓝比色法测定。番茄单株产量的测定，在温室内随机标记5株，将多次采收的重量进行测算。

1.4 数据处理

试验数据用SPSS 27.0进行单因素方差分析，用Origin 2018软件进行作图，用Fluent软件进行日光温室环境模拟。

2 结果与分析

2.1 日光温室下翻盖式通风口不同开张度对室内环境因子的影响分析

2.1.1 典型天气下不同开张度对室内空气温度的影响

由图3-a可知，在典型晴天，A1、A2、CK温室温度迅速上升，3个温室内温度与室外温度变化趋势基本一致，昼高夜低，在13：00温度达到最高值，分别为35.1、36.3、38.6、30.5 ℃，CK温室的气温比A1和A2温室分别高3.5、2.3 ℃。白天A1、A2、CK温室的平均温度分别为26.3、27.5、28.9 ℃，与室外相比分别高了3.0、4.2、5.6 ℃。由图3-b可知，在典型阴天，3个温室和室外的温度变化趋势基本相同，A1、A2和CK温室温度平均升温速率较典型晴天低，阴天全天温室气温都比室外高，在14：00温度达到最高，A1、A2、CK温室及室外温度最大值分别为19.9、21.2、22.4、18.0 ℃，CK温室分别比A1、A2温室高 2.5、1.2 ℃。典型阴天，全天A1、A2、CK温室及室外平均温度分别为14.0、14.5、15.5、12.2 ℃，CK温室分别比A1、A2温室及室外平均温度高1.5、1.0、3.3 ℃。基于以上数据分析，不管在晴天或者阴天情况下，A1温室的通风降温效果比A2温室和CK温室的通风降温效果好，A2温室的通风效果比CK温室好，CK温室表现最差。

2.1.2 典型天气下不同开张度对室内空气湿度的

影响

高湿是日光温室的普遍特点。由图4-a可知，在典型晴天，室外湿度一直比A1、A2、CK 3个试验温室的湿度高，在早晨室外湿度及3个温室的湿度达到最大值并开始下降，最大值分别为79.3%、72.9%、74.2%和76.0%，平均湿度分别为57.8%、50.0%、50.3%和50.9%。由图4-b可知，典型阴天，3个温室湿度和室外湿度变化趋势基本相同，从07：00后湿度开始大幅度下降，14：00时湿度达到最低。A1、A2、CK温室及室外的平均湿度分别为75.8%、77.8%、77.0%和80.7%。典型阴天白天A1、A2、CK温室及室外平均湿度分别为58.6%、61.3%、58.0%和65.1%，阴天晚上19：00至次日早上07：00平均湿度分别为90.2%、91.8%、93.2%和93.9%。通过分析表明，CK温室的湿度白天低晚上高，相比之下A1、A2温室的环境湿度更加有利于番茄生长。

2.1.3 典型天气下不同开张度对室内CO2浓度的影响

由图5-a可知，在典型晴天，3个温室的CO2浓度在通风口关闭后开始递增，在08：00时日光温室通风口打开前达到最大值，A1、A2和CK温室最大CO2浓度分别为1 279、1 095、1 052 μmol/mol。A1温室CO2浓度极值分别比A2、CK温室极值高184、227 μmol/mol，A1、A2和CK温室的平均CO2浓度分别为870、765、708 μmol/mol。日出后温室内番茄开始进行光合作用，在08：00—16：00 CO2浓度开始下降，在 16：00 时，A1、A2和CK温室的CO2浓度达到最小值，分别为456、425、395 μmol/mol，A1温室的最小值分别比A2、CK温室高31、61 μmol/mol。由此可见，在典型晴天下A1、A2的CO2浓度优于CK温室，A1温室优于A2温室。由图5-b可知，典型阴天，同一时刻CO2浓度没有典型晴天浓度变化大，在08：00时CO2浓度达到最大，A1、A2和CK温室浓度分别为 1 620、1 560、1 518 μmol/mol，A1温室最大值分别比A2、CK温室高60、102 μmol/mol。08：00后光照加强、通风口打开，番茄开始进行光合作用，浓度急剧下降，在 13：00 时浓度达到最小值，A1、A2和CK温室最小值分别为510、450、436 μmol/mol。通过以上数据表明，与A2、CK温室相比，A1温室内CO2浓度是相对最高的，有利于白天番茄光合作用的进行。

2.1.4 典型天气下不同开张度对室内光照度的影响

由图6-a可知，在典型晴天，08：00—20：00各温室光照度变化趋势基本一致，A1温室室内光照度最高为 59 600 lx，A2、CK温室及室外光照度最高分别为46 800、45 630、71 020 lx，室外光照度在14：00时分别比A1、A2、CK温室高11 420、24 220、25 390 lx。A1、A2、CK温室室内及室外平均光照度分别为33 327、25 261、22 674、40 140 lx。由图6-b可知，在典型阴天，A1、A2、CK温室光照度最大分别为 22 720、20 170、19 652 lx，A1温室光照度最大值仅比A2、CK温室高2 550、3 068 lx，阴天光照度差距较小，通过以上数据分析可知，A1、A2温室室内的光照度优于CK温室，A1温室光照度优于A2温室，说明在典型晴天室外光照好的情况下日光温室下翻盖式通风口开张度75°比开张度45°时好。

2.2 不同开张度下温室内流场和温度场分布模拟

日光温室通风换气对温室内温湿度变化有着重要影响，温室内气流流动可以使得温室内部温湿度发生变化。温室顶部下翻盖式通风口的优势是抵挡冬季寒冷气流对于风口下方作物的冻害，保证温室内部整体环境变化稳定。从A1、A2、CK 3个温室在沿着温室x轴10.1 m东西方向处气流分布矢量图（图7）可以看出，A1温室通风形式气流和温室中部形成的涡流流速快，温室底部中间位置的气流速度也加快，气流在温室内呈顺时针方向流动，底部通风口上方形成明显涡流。A2温室顶部通风形式气流流速平稳，底部通风处形成的涡流流速小，气流主要从底部通风口进入，主要沿着温室底部及后墙上行从顶部风口流出， 造成顶部下翻盖式通风

口处气流复杂。CK温室底部、后墙区域和顶部棚膜区域气流流速快，在寒冷季节会对作物产生冻害。

从A1、A2、CK 3个温室在X轴10.1 m东西方向处温度分布云图（图8）可以看出，在温室顶部和后墙区域温度较高是由于棚膜直接参与太阳辐射和后墙散热造成的。A1温室气流运动活跃，降温效果明显，适合宁夏地区夏季通风要求。A2温室气流平缓，温度变化较小，满足在冬季及极端情况下通风换气需求。CK温室底部温度有变化，对作物缓苗期存在影响。

2.3 不同开张度对番茄生长、品质、产量的影响

从表1可知，A1温室番茄株高显著小于A2、CK温室，而茎粗、SPAD值、单果重、单株产量和可溶性总糖含量显著大于A2和CK。A1、A2温室单株果数、可溶性固形物含量、维生素C含量均大于CK温室，但是差异不显著。A1温室内番茄单株产量比A2、CK温室分别高了3.3%、12.0%，A1温室通风效果良好。

3 讨论与结论

本次试验采用的是宁夏银川地区第三代新型装配式日光温室，其后墙保温性能相对较好，试验设置为顶部下翻盖式通风口与底部通风相结合，对温室内温度及气流场的变化有明显影响，这与王新忠等的研究结果［9，20-21］基本一致。高温持续时间和光照度会对番茄的品质及可溶性糖含量产生影响［22-24］。有研究表明，通风口的形状和开张度会对室内通风有一定影响，通过采用CFD对温室内部环境模拟的方式可以看出温室内部通风效果的差异，考虑到冬季宁夏地区冷风风速、日光温室保温和通风的情况，与CK温室通风相比，A1和A2温室下翻盖式通风口是合理的［25］。本次试验忽略了3个温室间PO膜隔断带来的影响，主要研究了温室内部的微气候变化，温室通风效果优劣取决于温室通风口的位置、面积和结构，后期要研究不同时段的开张度大小和底部通风口不同宽度的组合。

本研究结果显示，典型晴天，A1、A2、CK温室的平均温度分别为26.3、27.5、28.9 ℃，平均湿度分别为50.0%、50.3%、50.9%，平均CO2浓度分别为870、765、708 μmol/mol，A1、A2、CK温室室内及室外平均光照度分别为33 327、25 261、22 674、40 140 lx。以上数据说明了A1、A2温室的温湿度、光照、CO2浓度均优于CK温室，能够为番茄生长提供良好的环境。日光温室顶部下翻盖式通风口开度大小对温室内的气流和温度分布有明显影响，不同的开度大小对室内环境的热交换作用不同，A1、A2温室单株番茄产量比CK温室分别高了12.0%、8.4%。

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