低能耗组装式深冬生产型日光温室环境因子变化及番茄性状分析

摘 要：【目的】研究低能耗组装式深冬生产型日光温室对室内环境因子以及番茄生长与产量的影响，为该新型温室越冬茬番茄栽培提供数据支持。

【方法】选取低能耗组装式深冬生产型日光温室（新型温室）为试验温室，传统砖墙结构日光温室为对照温室，分析试验温室和对照温室的环境差异性对越冬茬番茄生长发育与产量品质的影响。

【结果】新型日光温室空气温度相对于砖墙日光温室空气温度，其夜间增温效果提高14.7%，其昼间增温效果降低7.35%；夜间室内表层土壤温度提高30.1%，-50 cm土壤温度提高20.85%；空气相对湿度降低20.85%，日光照辐射量提高12.20%。新型日光温室较之传统砖墙日光温室，其平均株高提高约32%，平均茎粗增加约9.2%。新型日光温室更有利于番茄生长发育。新型日光温室番茄单位面积产量、番茄单果重以及VC含量较之传统砖墙日光温室，分别提高17.28%、12.72%和14.34%，尤其在番茄单位面积产量上，其增益效果明显。

【结论】新型日光温室在夜间保温性能方面明显优于传统砖墙结构日光温室，其更大的空间结构降低了室内空气湿度进而提高了温室光照总辐射，间接提高作物光合作用能力。新型日光温室相比于传统墙体日光温室，其番茄整体产量更高。相比于传统砖墙温室，新型日光温室的总体优势大，其竞争力强，实用性、经济效益均佳。

关键词：深冬生产型日光温室；环境因子；番茄；品质；产量；效益

中图分类号：S641.2 ""文献标志码：A ""文章编号：1001-4330（2024）08-2043-11

收稿日期（Received）：2024-01-30

基金项目：中央引导地方专项（ZYYD2023B01）

作者简介：张彩虹（1981-），女，甘肃张掖人，副研究员，硕士，研究方向为设施农业工程与装备，（E-mail）93052504@qq.com

通讯作者：王国强（1973-），男，甘肃天水人，研究员，博士，研究方向为现代设施农业产业发展、设施农业温室工程与机械装备，（E-mail）824453811@qq.com

0 引 言

【研究意义】我国设施农业总面积约为370×104 hm2，其中日光温室设施蔬菜面积约为64.18×104 hm2［1］。番茄是新疆日光温室蔬菜主要栽种类型之一，随着新疆设施蔬菜产业的发展，设施番茄栽培面积越来越大，提高农业设施设备的使用效率，将温室性能与作物生长情况相结合进行研究越来越多［2-4］。掌握温室内环境因素的变化规律，对改进更适宜于当地气候特征温室结构、提高温室作物产量和病虫害防治具有重要意义。【前人研究进展】日光温室作为一个封闭或半封闭的热力学系统，其室内环境不仅受室外温度、湿度、太阳辐射、风速等因素的影响，还受到室内土壤蒸发、光合作用和作物蒸腾的影响［5］。其中日光温室的热性能和温室的环境温度有直接联系，由于温室热性能差异造成的温室环境温度的变化对于冬季日光温室内环境的调控具有重要影响［5，6］。近些年来，有的地区开始使用组装式的新材料日光温室，但是较之传统的砖墙结构温室，新材料温室可以有良好的保温性，但没有很好的蓄热性，尤其是种植作物封行后，土壤接收不到直射光，土壤温度逐渐降低，不能长时间给温室夜间供热，土壤温度和空气温度逐步下降，尤其是在连阴天温度更低［7-8］。所以一些新材料温室并不能在深冬生产［9］。【本研究切入点】低能耗组装式深冬生产型日光温室（简称新型日光温室）可以显著提高冬季夜间温室室内空气温度，保证深冬时期作物的正常生长发育。与日光温室相比，新型日光温室所装配的主被动蓄放热装置能有效地利用了昼间温室室内最高温时多余的空气热量，使其可以在夜间为温室土壤进行加热。【拟解决的关键问题】研究深冬时期新型日光温室环境因子变化，分析番茄的生长与产量情况及2种日光温室对环境因子、番茄生长发育、产量和品质的影响，探索新疆地区日光温室越冬茬番茄管理方法。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 试验地概况

试验地位于新疆喀什地区叶城县洛克乡（37°88′ N，77°41′ E），暖温带大陆性干旱气候，年均蒸发量2 480 mm，全年日照2 742 h，平均无霜期为228 d。年平均气温11.4℃，年极端最高气温39.50℃，极端最低气温-27.40℃。

温室长100 m，前后跨度10 m，脊高为5.1 m，该温室为新型日光温室，是一种新的温室类型，该温室装备有主被动蓄热供热装置，采用部件组装式架构、现代保温材料。对照温室为普通砖墙结构日光温室，温室长100 m，前后跨度10 m，脊高为3.6 m。

在2023年1月10～1月31日取每日最低温与最高温时间点，比较两种温室室内与室外环境温度，分析温室保温性。

1.1.2 低能耗组装式深冬生产型日光温室结构

低能耗组装式深冬生产型日光温室是一种新的温室类型，由塑料薄膜、钢架结构、复合梁连接件、保温被、叠被机械系统、主被动蓄热供热装置等部分组装成形，采用内保温形式、部件组装式架构、现代保温材料。低能耗组装式深冬生产型日光温室单栋长度根据地块设计为100 m。图1

1.1.3 温室保温设计与蓄热供热装置

围护结构的保温性能可用材料的热阻R来评价，热阻越大，保温能力越强。满足一定的保温要求所必需的最小热阻，称为围护结构的低限热阻。

由多层材料共同组成的围护结构的总热阻计算：

R0=δ1/λ1+δ2/λ2+…+δn/λn.

式中，RO为总热阻；δn为第n层材料厚度（m）；λn为第n层材料导热系数。按照温室外设计温度确定了低限热阻后，计算该低能耗组装式深冬生产型日光温室设计温度达到可在外部环境-20℃下正常保温，并在2023年冬季-27.4℃极端温度条件下正常保温。表1

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

2种温室种植土壤试验前进行含水量与土壤基底值标平，均在温室中设置试验小区，待番茄幼苗于五叶一心后移栽至温室试验小区中，留七穗果之后修顶处理。2种日光温室种植番茄都选择当地主栽品种，采用拱内双列形式进行栽培，每植株间距35cm。施肥为尿素、硫酸钾、磷酸二铵，施用量参考当地常规用量。图2

1.2.2 测定指标

温室环境因子：温室空气温度、相对空气湿度、土壤温度（分层）、土壤含水量、光照辐射等。生长指标包括各发育时期株高、茎粗等。产量指标：单果质量、单株果数、单产等，均在果实全熟后测定，单果质量、单株果数和单产均为平均值。质量均用千分之一精度电子天平测定。番茄品质：VC、可溶性总糖、总酸、可溶性固形物含量和糖酸比。

1.2.3 环境因子监测器设置

温室内环境因子监测传感器设置为5组，在每组传感器中，分层处理包括不同高度空气温度与光照强度监测以及不同深度的土壤温度与水分检测，同时在土壤中安装有土壤盐分监测装置。图3

1.3 数据处理

所有数据均采用IBM SPSS Statistics 26软件进行数据分析，采用Origin 2022软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 2种温室环境因子比较

2.1.1 不同日光温室室内气温变化

研究表明，试验期间室外环境温度最低温始终在0℃以下，极端最低温达到 -27.4℃，2种日光温室室内温度均高于0℃。其中砖墙结构日光温室气温均值为9.21℃，新型日光温室气温均值为12.93℃，环境气温均值为-16.10℃。新型日光温室相对于砖墙日光温室，其夜间增温效果提高14.7%。2种温室室内夜间气温最低温平均值均显著高于环境夜间最低温平均值（P＜0.01），新型日光温室夜间气温最低温均值显著高于砖墙结构日光温室气温均值（P＜0.05）。表2

试验期间室外环境温度最高温均值为-2.25℃，砖墙结构日光温室最高温均值为29.33℃，新型日光温室气温均值为27.32℃。新型日光温室相对于砖墙日光温室，其昼间增温效果降低7.35%。2种温室室内昼间最高温平均值均显著高于环境昼间最高温平均值（P＜0.01），新型日光温室昼间气温最高温均值略低于砖墙结构日光温室昼间气温最高温均值，差异不显著（P＞0.05）。图4

新型温室可以提高日光温室内部番茄舒适生长的时间，增加室内热环境的日有效积温。新型日光温室室内空气温度高于作物生物学零度的时间为20 h，不舒适生长时间为4 h，而普通日光温室舒适生长时间为16 h，不舒适生长时间为8 h，占到全天时间的1/3，较新型日光温室增加了一倍。此外，统计2个日光温室的日有效积温也可以发现，新型日光温室日有效积温为179.12（℃·h），较普通墙体日光温室的134.34（℃·h）高33.33%。表3

2.1.2 不同日光温室土壤空气湿度

研究表明，在冬季夜间空气相对湿度最高时，两种日光温室空气相对湿度均高于外界环境空气相对湿度，其中新型日光温室空气相对湿度均值为66.99%；砖墙结构日光温室空气相对湿度均值为92.05%。新型日光温室相对于砖墙日光温室，其空气相对湿度降低了20.85%。极显著低于砖墙结构日光温室空气相对湿度（P＜0.01）。图5

2.1.3 不同日光温室光照辐射强度变化

研究表明，1月10～31日，砖墙结构日光温室室内日太阳光照辐射强度均值为3.082 8（MJ/m2），新型日光温室日太阳光照辐射强度均值为3.458 8 （MJ/m2）。新型日光温室相对于砖墙日光温室，其日太阳光照辐射量提高了12.20%。新型日光温室日太阳光照辐射强度显著高于砖墙日光温室日太阳光照辐射强度（P＜0.05）。图6

2.1.4 不同日光温室土壤不同深度温度变化

研究表明，低能耗组装式深冬生产型日光温室相对于砖墙日光温室，其上层（-10 cm、-20 cm）土壤温度平均提高了10.60%。-50 cm土壤深度时，其土壤温度提高了20.85%。低能耗组装式深冬生产型日光温室土壤温度显著高于砖墙结构日光温室（P＜0.01）。

低能耗组装式深冬生产型日光温室相对于砖墙日光温室，其显著提高了土壤温度。一方面通过结构改造，提高温室性能。另一个方面，主动蓄热放热装置的应用也会显著提高作物根际（-20～-30 cm）土壤温度。

2.2 2种温室越冬茬番茄生长状况

研究表明，在番茄定植后40～90 d时，新型日光温室其株高为55～165 cm，显著高于砖墙日光温室株高50～125 cm（P＜0.05）；在番茄定植后40～90 d时，新型日光温室番茄茎粗为0.94～1.30 cm，显著高于砖墙日光温室番茄茎粗0.65～1.19 cm（P≤0.05）。新型日光温室较之砖墙日光温室，其平均株高提高约32%，平均茎粗增加约9.2%。新型日光温室对番茄株高、茎粗均有一定的促进作用。随着生长时间，茎逐渐增粗，两种温室之间的差异却逐渐降低。随着生长时间，株高逐渐增长，2种温室之间的差异逐渐加大。新型日光温室更有利于番茄生长发育。图7

2.3 2种温室越冬茬番茄叶片净光合速率比较

研究表明，新型日光温室番茄的净光合速率与普通墙体日光温室相比有一定的增强。其中，在光通量密度大于600 μmol/（m2·s）时，新型日光温室番茄叶片净光合速率比普通墙体日光温室番茄叶片净光合速率显著提高22.09％～46.46％。

新型日光温室相比于普通墙体日光温室对番茄的净光合速率有一定的增强作用，也能有效降低胞间CO2浓度，且随着光强增加和补光时间延长，其作用越明显。图8

2.4 2种温室越冬茬番茄营养成分比较

研究表明，新型日光温室番茄总糖含量、VC和可溶性固形物均值分别为7.49%、27.18 mg/100g和8.09%，普通墙体日光温室的番茄总糖含量、VC和可溶性固形物含量均值分别为7.31%、23.77 mg/100g和7.92%，两者差异显著（P＜0.01）。而新型日光温室番茄总酸含量为0.48%，普通墙体日光温室番茄总酸含量为0.49%，两者差异不显著。新型日光温室相比于普通墙体日光温室对番茄营养品质均有一定的提高作用，尤其在VC含量上，其改善效果明显。新型日光温室相比于普通墙体日光温室，其番茄整体品质更佳。图9

2.5 2种温室越冬茬番茄产量的比较

研究表明，新型日光温室单产显著高于普通墙体日光温室（P＜0.05）。其中，新型日光温室单位产量为5 414.35 kg/667m2，较普通墙体日光温室单位产量4 616.75 kg/667m2，增产17.28%。新型日光温室相比于普通墙体日光温室，其越冬茬番茄单产更高。图10

不同日光温室对番茄单果重、番茄个数也有一定影响，在第1次取样中，新型日光温室番茄单果重均值达到121.5 g，显著高于普通墙体日光温室番茄单果重均值100.9 g；在第3次取样中，新型日光温室番茄单果重均值达到91.1 g，显著高于普通墙体日光温室番茄单果重均值83.4 g；在第4次取样中，新型日光温室番茄单果重均值达到82.9 g，显著高于普通墙体日光温室番茄单果重均值68.3 g。

不同日光温室对番茄个数的影响，在第1次取样中，新型日光温室番茄个数均值达到58颗，显著高于普通墙体日光温室番茄个数均值52颗；在第3次取样中，新型日光温室番茄个数均值达到17颗，显著高于普通墙体日光温室番茄个数均值11颗。

新型日光温室相比于普通墙体日光温室对番茄单产、番茄单果重以及番茄个数均有一定的提高作用，尤其在番茄单果重上，其增益效果明显。新型日光温室相比于普通墙体日光温室，其番茄整体产量更高。图11

2.6 效益分析

研究表明，日光温室的年费用主要包括初始投资费用和年运行费：新型日光温室初始投资为410元/m2，而普通日光温室为390元/m2，新型日光温室依靠自身性能进行保温，故无煤炭消耗。由于新疆地区冬季温度较低，普通日光温室加温效果不明显，使用煤炭进行加热是唯一办法，而普通日光温室冬季加热使用煤炭量为8～10 kg/h。普通日光温室加温成本大概占整个温室运行成本的30％～50％。

针对每个评价指标进行无量纲化评分分析，满分为1，最低分为0。

Si=ΣPj=112XijXi（j+1）sinα.（1）

Li=ΣPj=1X2ij+X2i（j+1）-2XijXi（j+1）cosα.（2）

式中，Si为雷达图平均面积；Li为雷达图平均周长；α=360/p，p为指标个数；Xij为第i个处理在第j个指标上的标准化数据；Xi（j+1） 为第i个处理在第j+1个指标上的标准化数据，定义Xi（p+1）=Xi1。

研究表明，使用新型日光温室相较于普通墙体日光温室，其年费用和耗煤量评价指标较低，经济效益、地温增效较高，热效率、温室增温效果、光照增效均表现为提高。其中，新型日光温室的年费用为0.75，耗煤量指标为0。经济效益、地温增效、温室增温效果等指标均表现较佳，经济效益提高主要是由于随着温室气温的增加使得番茄的有效积温增大，产量及相应的经济效益显著提高，同时新型温室零耗煤量也在另一方面提高了温室的综合经济效益。表4，图12

3 讨 论

3.1

气温是判断温室环境性能好坏的重要指标，同时，空气温度的变化也直接影响土壤温度［9］。尤其是冬季夜间低温时尤为明显，大棚室内气温的变化对作物生长有着重要的影响［10，11］。新型日光温室装备有主动蓄热供热装置，其采用高温空气能热泵技术，当昼间温室内空气温度上升到≥20℃时会开启热泵，将温室内的高温空气的热量转换成热水通过地暖管给土壤加温，这样可以将白天温室内的空气热能储存到晚上在管道内进行循环，可以保持土壤比较高的温度和空气温度，可以满足温室内植物在冬季夜间的正常生长［12］。温室内作物生长发育最重要的环境因子是温度和湿度，水分运动和热量传输是一个相互牵制、相互促进、相互影响的耦合过程，水热的有益耦合可以起到促进温室作物生长的作用［10］。温室环境中的水分基本不会成为其限制因素。并且在昼间最高温时，以往的温室结构往往会导致温室中空气湿度过高，从而影响其整体环境适宜度［11］。日光温室的热效率是衡量日光温室性能的重要指标，日光温室热效率越高，表示其性能越好［12，13］。选取年费用、经济效益、设施农业生产效率、热效率、地温增效、温室增温效果、耗煤量和光照增效8个指标进行新型日光温室综合效益评价［14］。代入评分进行雷达图进行效益分析结果展示［15］。

研究结果显示，新型日光温室夜间气温最低温均值显著高于砖墙结构日光温室气温均值；在-10 cm、-20 cm土壤深度时，2种温室土壤温度差异显著，其次为-50 cm土壤深度时；新型日光温室空气相对湿度显著低于砖墙结构日光温室空气相对湿度。

Bernier等［16］研究发现，土壤蓄热系统不仅可以减少日光温室土壤增温过程对能源的消耗，并且其空气能储热装置也会吸收空气中多余的热量；Santamouris等［17］的研究也证明地下热循环系统对大型温室也有很好的效果，可以减小温室整日的温度波动。因此可以使其在夜间最低温时相比于砖墙结构温室能够具有更高的室内温度。而-50 cm深度的土壤正位于主动蓄热装置管道铺设深度附近，所以在夜间低温时主动蓄热装置提供热量，直接加热位于其供热管道周围的土壤，因此-50 cm深度的土壤温度相比于普通砖墙结构会有明显提高。

Kurpaska等［18］的试验证明了土壤加热管道埋设在深层土壤中时的蓄热能力要好于铺设在表面，这不仅能够减少向空气传热的热损失，同时也会使热量在土壤中的留存时间延长，研究的试验数据也正好证明了这一点。

根据何芬等［19］建立了PC板连栋温室空气湿度动态模型与刘晓艳等［20］建立的PC板温室空气温度与湿度动态模型，研究认为温室室内湿度主要受土壤水分、温度以及温室结构（室内体积）等因素的影响。根据2种温室土壤水分检测结果显示，其土壤水分含量并无明显差异，差异的主要原因为温度与结构。而新型日光温室无论是围护结构还是棚高上都显著区别于砖墙结构，导致新型日光温室拥有更大的室内体积，是造成新型日光温室空气相对湿度显著低于砖墙结构日光温室空气相对湿度的主要原因。

3.2

番茄生产过程中，所在光环境是影响其光合作用、果实产量和品质的关键因子［21］。在新疆地区日光温室冬季番茄生产中，常出现低温、光照不足等问题，因此提高温室光环境，可促进植物生理代谢［22］。试验新型日光温室相对于砖墙日光温室，其日太阳光照辐射量提高了12.20%。新型日光温室日太阳光照辐射强度显著高于砖墙日光温室日太阳光照辐射强度。其更好的光照环境有利于番茄生长发育和品质改善。

光照强度直接决定植物的光合作用［23］。研究发现，在自然光照强度下，温室植物光合作用随光照强度的增加而增加［24］。叶片表面的气孔是光合反应中气体交换的通道，直接影响植物的光合效率［25］。

研究发现，新型日光温室对番茄的净光合速率、有一定的增强作用，且因为其更低的空气相对湿度，使新型日光温室越冬茬番茄叶片拥有更高的气孔导度，进而也能有效降低胞间CO2浓度。新型温室增加光照强度有利于番茄的光合作用。与Fan等［26］的研究结果一致，气孔导度随光强的增加而增加。

3.3

番茄果实产量和品质是其生产中最为关键的指标［27］。研究发现，光照条件对番茄产量和果实品质也有显著影响［28］。赵玉萍等［29］研究发现，增加环境光强能显著提高番茄果实的可溶性糖、抗坏血酸、氨基酸含量及糖酸比；阳圣莹等［30］研究表明，随光照强度的增加草莓果实可溶性固形物及VＣ含量持续增加。研究表明，新型日光温室相比于普通墙体日光温室对番茄营养品质均有一定的提高作用。与Tamaoti［31］、毛金柱［32］等的研究结果，适当增加光照强度，有利于VＣ的合成相似。同时Mikulic等［33］的研究表明，高光强下，由于光合活性的提高及初级代谢产物的积累，果实糖酸比显著提高。

4 结 论

新型日光温室更有利于番茄生长发育。新型日光温室番茄单位面积产量、番茄单果重以及VC含量较之传统砖墙日光温室，分别提高17.28%、12.72%和14.34%，尤其在番茄单位面积产量上，其增益效果明显。新型日光温室在夜间保温性能方面明显优于传统砖墙结构日光温室，其更大的空间结构降低了室内空气湿度进而提高了温室光照总辐射，间接提高作物光合作用能力。

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Variation of environmental factors and analysis of tomato traits

in low-energy assembly-type deep-winter production solar greenhouse

ZHANG Caihong1，2， WANG Guoqiang1， JIANG Luyan1， LIU Tao2， DE Xianming1

（1.Institute of Agricultural Mechanization， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi 830091，China; 2. Xinjiang Facility Agriculture Engineering and Equipment Research Center， Urumqi 830091，China）

Abstract：【Objective】 To explore the influence of low energy consumption assembly deep winter production solar greenhouse on indoor environmental factors and the growth and yield of tomato， and to provide data support for the subsequent cultivation of tomato in the new greenhouse.

【Methods】 In the study， the low energy consumption assembly deep winter production solar greenhouse （new greenhouse） was selected as the test greenhouse， and the ordinary brick wall structure solar greenhouse was selected as the control greenhouse. The influence of the environmental difference between the test greenhouse and the control greenhouse on the growth and quality yield of overwintering crop tomato was analyzed.

【Results】 The new solar greenhouse was increased by 14.7%， the daytime warming effect decreased by 7.35%; the indoor surface soil temperature increased by 30.1% and-50 cm by 20.85%; the relative air humidity decreased by 20.85%， and the daily solar radiation increased by 12.20%. Compared with the traditional brick wall solar greenhouse， the average plant height of the new solar greenhouse increased by about 32%， and the average stem thickness increased by about 9.2%. Overall， the new solar greenhouse is more conducive to the growth and development of tomatoes. At the same time， the study found that the unit per mu yield of tomato， the per fruit weight of tomato and the vitamin C content of the new solar greenhouse increased by 17.28%， 12.72% and 14.34% respectively compared with the traditional brick solar greenhouse， which had a certain improvement effect， especially in the unit per mu yield of tomato， its gain effect is obvious.

【Conclusion】 The new solar greenhouse is obviously better than the ordinary brick wall structure in terms of thermal insulation performance at night. Its larger spatial structure reduces the indoor air humidity and then improves the total radiation of the greenhouse， and indirectly improves the photosynthesis ability of crops. Therefore， the research believes that compared with the ordinary wall solar greenhouse， the overall tomato yield is higher. Compared with the traditional brick wall greenhouse， the new solar greenhouse overall advantage， make it has more convenient and practical， but also has higher economic benefits.

Key words：deep winter production type solar greenhouse; environmental factors; tomato; quality; yield; benefit

Fund projects： Central guidance and local special（ZYYD2023B01）

Correspondence author：WANG Guoqiang（1973-）， male， researcher， research direction：the development of modern facility agriculture industry， facility agriculture greenhouse engineering and mechanical equipment technology， （E-mail）824453811@qq.com