不同規格組裝式日光溫室溫度環境及生產性能分析

宋明軍張學斌趙 鵬趙樹春張斌祥張旭林張建金

（1甘肅省農業科學院蔬菜研究所，甘肅蘭州 730070；2甘肅省經濟作物技術推廣站，甘肅蘭州 730000；3甘肅省靖遠縣農業技術推廣中心，甘肅靖遠 730600）

日光溫室是我國北方冬季作物最主要的反季節栽培設施，為解決北方冬季蔬菜供應、改善人民生活發揮了巨大作用（李天來，2005）。隨著日光溫室建造技術的不斷發展，農村剩余勞動力的減少，日光溫室建造和生產的輕簡化技術需求日益迫切（郭世榮 等，2012）。傳統日光溫室建造方式普遍存在土地利用率低、建造費時費力及標準化程度差等諸多問題，近年來為了解決以上問題，科研單位和生產單位從提高土地利用率和建造標準化角度出發，進行組裝式日光溫室的研究與設計（蔣錦標等，2011；嚴德懷和陳志宏，2014），組裝式日光溫室具有投資成本低、土地利用率高、安裝便捷可移動等特點（魏德軍 等，2017）。但是從目前對組裝式日光溫室環境條件的研究結果來看，組裝式日光溫室普遍存在墻體蓄熱能力差、溫室環境性能下降的情況（黃紅英 等，2014）。在不增加輔助調控設備的情況下，需根據溫室環境條件，合理安排種植茬口和作物種類，使組裝式日光溫室性能和配套的種植制度相結合，才能充分發揮其生產能力。

靖遠縣是甘肅省最早進行日光溫室蔬菜生產的地區之一，近年來引進建造了多種規格的組裝式日光溫室。為充分發揮設施生產潛力，提高設施利用效率，甘肅省農業科學院蔬菜研究所2016年對這些組裝式日光溫室進行了觀測試驗。從組裝式日光溫室溫度環境特點和變化規律入手，對其生產性能進行分析和評價，提出適宜的種植茬口和種類，以期對這些設施的合理使用提出有益的建議和幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗溫室位于甘肅靖遠大壩和三合農業高科技示范園區（N36.63°，E104.71°），海撥 1 312 m，屬典型的溫帶半干旱大陸季風氣候，年降水量240 mm，年平均氣溫8.9 ℃，無霜期165 d，年日照時數2 700 h左右，極端最高氣溫為39.5 ℃，極端最低氣溫-24.3 ℃。

1.2 試驗溫室

本試驗選擇4座不同規格的組裝式日光溫室（表1），以當地普遍應用的土墻結構日光溫室為對照進行觀測，組裝式日光溫室前后屋面骨架采用70×30橢圓型鋼骨架，骨架間距均為90 cm。其中8 m跨度的2座試驗溫室通風方式采用頂部卷膜通風，通風口寬度1.2 m，9 m和10 m跨度的2座試驗溫室增加了底通風，通風口寬度0.8 m。覆蓋保溫被芯層為針刺毛氈，外層包裹防水布，總厚度2.5 cm。對照溫室選用當地普通日光溫室，墻體為干打壘土墻體，墻體下部厚2.0 m，上部厚1.2 m。骨架材料和覆蓋材料與試驗組裝式日光溫室相同。后屋面結構為：竹膠板+5 cm草簾+10 cm麥草+15 cm草泥，上薄下厚，平均厚度30 cm，后屋面長度2.4 m，溫室采用頂部通風，通風口寬度1.0 m。

表1 供試溫室結構參數

1.3 觀測項目及方法

觀測試驗于2016年1月7日至4月28日進行，選取1月9日至3月31日的觀測數據進行分析。主要觀測各試驗溫室及對照溫室的室內外空氣溫度變化，室內空氣溫度觀測點高度1.5 m，位于溫室前后正中間偏右5 m的位置，主要避開中部卷簾機的影響。室外溫度觀測點位于室外空曠處，高度1.5 m，為避免陽光直接輻射造成的影響，觀測時溫度傳感器上方加一硬紙板遮擋，組裝式日光溫室剖面結構和觀測點位置如圖1所示。溫度觀測采用HOBO Pro v2 U23-001型溫濕度自動記錄儀，精度±0.2 ℃（0～50 ℃），每30 min記錄1次。

圖1 組裝式日光溫室結構示意圖及測點布置

1.4 數據分析和評價方法

采用Excel軟件進行數據處理，獲得組裝式日光溫室室內外溫度的動態變化規律，通過觀測試驗結果分析組裝式日光溫室結構變化對保溫性能的影響，依據蔬菜作物生長三基點溫度，對組裝式日光溫室的生產性能進行分析和評價。

2 結果與分析

2.1 不同結構組裝式日光溫室保溫性能分析

2.1.1 最低溫度變化 日光溫室最低溫度是評判溫室保溫性能的重要指標。根據番茄、辣椒等果菜最低生長溫度（10 ℃）和葉菜最低生長溫度（2 ℃）（郜慶爐，2002；馬承偉和苗香雯，2005）進行溫室性能分析。如表2所示，各試驗溫室的最低溫度均高于2 ℃，冬季（1～2月）組裝式日光溫室保溫性能低于土墻溫室（CK），1月各組裝式日光溫室平均最低溫度均低于10 ℃，WSⅠ、WSⅡ、WSⅢ、WSⅣ分別較CK低3.5、1.2、2.5、5.3 ℃，低于10 ℃的天數占本月觀測天數的56.5%～100.0%，而土墻溫室（CK）月平均最低溫度為11.0 ℃。2月WSⅡ和WSⅢ的平均最低溫度上升到11.0 ℃以上，而WSⅠ和WSⅣ的平均最低溫度分別為8.3、8.8 ℃，低于10 ℃的天數占本月觀測天數的82.8%和72.4%。3月所有溫室的平均最低溫度均高于10℃，其中WSⅡ、WSⅢ、WSⅣ的最低溫度超過了土墻溫室（CK），但WSⅠ仍有9 d低于10 ℃。通過以上對各試驗溫室逐月最低溫度分析，各組裝式日光溫室由于建筑參數不同，保溫性能差別很大，1月最低溫度基本低于10 ℃，2月以后，相對性能較好的WSⅡ、WSⅢ平均最低溫度高于10 ℃，而WSⅠ和WSⅣ3月平均最低溫度高于10 ℃。

2.1.2 旬平均最低溫度變化 分析各旬平均最低溫度變化，可以更清楚地掌握試驗溫室最低溫度變化范圍，為溫室作物種植茬口安排提供準確的時間節點。如圖2所示，土墻溫室（CK）除1月下旬外界極端溫度時低于10 ℃外，其余時間均高于10℃。而WSⅡ、WSⅢ在2月上旬平均最低溫度高于10 ℃，WSⅠ和WSⅣ最低溫度回升最慢，于2月下旬至3月上旬溫室內平均最低溫度才開始高于10 ℃，此后隨外界氣溫的回升而不斷上升。WSⅢ的最低溫度回升最快，2月中旬開始在組裝式日光溫室中表現最好，而WSⅠ最低溫度回升最慢，除1月高于WSⅣ外，其余時間均表現最差。

表2 組裝式日光溫室最低溫度和低溫持續天數

圖2 組裝式日光溫室旬平均最低溫度變化趨勢

2.2 組裝式日光溫室升溫能力分析

2.2.1 最高溫度變化 溫室內最高溫度可以判斷設施的采光和升溫能力的強弱，由于各試驗溫室內種植作物不同，通過溫室最高溫度變化，可以了解溫室白天的升溫能力和最高溫度管理方式，從而分析造成溫室保溫性能差異的原因。從各試驗溫室的日最高溫度變化情況分析（圖3），除1月20日、22日和3月22、23日陰雪天各溫室最高溫度低于20℃外，試驗期間，各組裝式日光溫室日最高溫度基本能達到30 ℃以上。其中WSⅢ采光升溫能力最好，1月平均最高溫度35.7 ℃，WSⅠ、WSⅡ和WSⅣ平均最高溫度分別為30.7、32.7、32.8 ℃，除WSⅠ白天最高溫度低于其他溫室外，WSⅡ和WSⅣ白天最高溫度基本相同，因此認為組裝式日光溫室的不同結構是造成溫室晚間保溫性能差異的主要原因。

2.2.2 最高和最低溫度差 由于日光溫室的最低溫度基本出現在揭簾時間，所以最高、最低溫度差可以反映溫室每日升溫幅度。從圖4可知，組裝式日光溫室的升溫能力普遍高于土墻溫室（CK），1月23日（晴天），WSⅠ、WSⅡ、WSⅢ、WSⅣ和CK日升溫分別為33.6、33.3、35.9、35.8、30.1℃，WSⅢ和WSⅣ升溫幅度超過35 ℃，外界溫度僅上升了9.9 ℃。1月20日（陰雪天），各溫室分別升溫6.2、5.5、5.5、5.5、4.8 ℃，組裝式日光溫室升溫幅度仍然高于土墻溫室（CK）。1月各溫室平均升溫幅度分別為24.3、25.7、27.5、26.9、21.9℃，組裝式日光溫室較土墻溫室升溫幅度高2.4～5.6℃。而隨著外界溫度的升高，各溫室的升溫幅度逐漸減小，3月升溫幅度基本在20 ℃左右。

圖3 組裝式日光溫室日最高溫度變化趨勢

圖4 組裝式日光溫室日最高、最低溫度差

2.3 組裝式日光溫室結構對保溫性能影響

4種組裝式日光溫室由于建造參數不同，表現出不同的溫度變化特點。WSⅠ、WSⅡ、WSⅢ和WSⅣ前屋面覆蓋相同的保溫材料，通過計算后墻體和后屋面保溫材料的熱阻值（劉晨霞 等，2015；GB50176—2016，2017），分析組裝式日光溫室結構變化對保溫性能的影響。4種組裝式日光溫室墻體的熱阻值分別為1.50、1.85、1.96、1.81 m2·K·W-1，WSⅡ和WSⅣ的墻體保溫材料熱阻相近，WSⅢ的熱阻稍大于其他溫室。1月，WSⅡ、WSⅢ和WSⅣ的月平均最低溫度分別為9.8、8.5、5.7 ℃，室內最低溫度表現出隨跨度增加而降低的趨勢。WSⅠ和WSⅡ的結構參數完全相同，但WSⅠ墻體較WSⅡ熱阻值低0.35 m2·K·W-1，試驗期間WSⅠ的最低溫度始終低于WSⅡ，但1月的最低溫度高于WSⅣ。通過以上對溫室結構和保溫材料性能的分析，認為在前屋面覆蓋材料相同的情況下，冬季組裝式日光溫室保溫性能隨跨度增加而降低，這一點和劉玉鳳（2012）、唐中祺等（2014）在普通土墻溫室上的研究結果并不一致，分析原因是組裝式日光溫室墻體蓄熱性能不足，隨著跨度的增大，相應的前屋面散熱面積增加，造成組裝式日光溫室保溫性能下降。

2.4 不同組裝式日光溫室生產性能分析

冬季溫室的生產性能，主要取決于溫度條件。由于不清楚所建組裝式日光溫室的保溫性能，當地利用這些組裝式日光溫室進行越冬茬果菜生產，冬季保溫性能不佳，作物生長緩慢，2月以后隨氣溫回暖，才逐漸正常生長。所以，通過對組裝式日光溫室保溫性能的觀測分析，提出適宜的種植茬口，對組裝式日光溫室的合理利用顯得非常必要。日光溫室由于環境可控性差，在冬季往往達不到作物最適生長溫度條件，只能盡量滿足達到下限生長溫度，根據番茄、辣椒等果菜和葉菜的最低生長溫度進行溫室作物種植茬口的安排。當地普遍使用的土墻溫室（CK）1月保溫性能表現最好，室內平均最低溫度均達到10 ℃以上，雖遇陰雪天短暫下降，但仍保持在7 ℃以上，不會造成冷害，可以進行茄果類蔬菜的越冬茬生產。2月上旬WSⅡ和WSⅢ平均最低溫度上升到10 ℃以上，可以選擇在2月上旬進行茄果類、瓜類作物早春茬栽培，前茬進行葉菜生產。WSⅢ升溫速度最快，3月以后室內溫度條件最好，適合進行早春茬瓜類生產。WSⅠ和WSⅣ1月最低溫度在3 ℃左右，到2月底至3月初，室內平均最低溫度才能達到10 ℃以上，所以適宜進行冬茬葉菜生產，3月配合春茬果菜生產。

3 結論與討論

組裝式日光溫室由于建造結構的不同，溫室性能差別很大，在冬季若不進行合理的茬口安排或增加臨時補溫設備，容易受到極端天氣的危害。通過對靖遠縣不同規格組裝式日光溫室的保溫性能進行研究和分析，得出以下結論：

① 組裝式日光溫室1月平均最低溫度均低于10 ℃，較土墻溫室低1.2～5.3℃，組裝式日光溫室之間相差4.1 ℃。冬季組裝式日光溫室的保溫能力隨跨度增加而下降，主要原因還是組裝式日光溫室墻體蓄熱量少，跨度增大造成溫室散熱面積增加，引起溫室保溫性能下降，而墻體保溫性能不佳的組裝式日光溫室，溫度回升較慢。隨外界氣溫的回暖，3月各組裝式日光溫室最低溫度較對照土墻溫室高-0.8～2.0 ℃，溫室之間溫度差距逐漸減小，表現為冬季外界環境溫度越低，傳統土墻溫室溫度越優于組裝式日光溫室，春季建造規范的組裝式日光溫室性能好的特點。

② 通過分析組裝式日光溫室的最高和最低溫度變化，可以判斷溫室的升溫性能，還可以分析溫室保溫性能差異造成的原因。組裝式日光溫室在晴天和陰雪天的升溫能力均高于對照土墻溫室，1月平均升溫幅度較土墻溫室高2.4～5.6 ℃，而平均最低溫度為5.7～9.8 ℃，又低于土墻溫室，組裝式日光溫室表現出升溫速度快，降溫速度也快的特點，這與聶戰聲等（2015）的研究結果相一致。試驗期間，各試驗溫室多數天氣日最高溫度能達到30 ℃以上，其中WSⅢ平均最高溫度為35.7 ℃，日最大升溫幅度可達35.8 ℃，除WSⅠ的最高溫度低于其他溫室外，WSⅡ和WSⅣ的最高溫度基本相同，但最低溫度差別較大。所以組裝式日光溫室主要還是因為結構不同造成保溫性能的差異。

③ 從以上試驗結果分析，在甘肅省中部的靖遠縣，1月本試驗選擇的組裝式日光溫室保溫性能不能滿足茄果類、瓜類蔬菜生產，冬茬最好安排耐寒葉菜生產，2月以后，隨天氣回暖和各組裝式日光溫室條件的改善，再進行早春茬果菜的生產。通過合理安排種植茬口，充分發揮所建溫室的生產性能。

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