多膜覆蓋夜間氣溫變化模擬試驗

2019-06-03 03:28:10張傳坤牛蘊華焦自高王崇啟魏珉徐坤楊寧

山東農業科學 2019年4期

張傳坤牛蘊華焦自高王崇啟魏珉徐坤楊寧

摘要：本試驗針對多層塑料薄膜覆蓋形成環境中夜間氣溫的變化進行分析，以期為完善多膜覆蓋生產模式提供理論依據和數據支持。試驗于2018年冬季在山東濟南的4個拱棚內進行，拱棚內分別設置1層薄膜小拱棚、2層薄膜小拱棚、3層薄膜小拱棚以及未設置小拱棚，利用拱棚和小拱棚組成的1～4層薄膜覆蓋模擬早春多膜覆蓋下的溫度環境，并進行測量分析。結果表明，內設小拱棚對拱棚內夜間氣溫的影響不大，拱棚內外氣溫高低存在不確定性;在本試驗范圍內，隨著覆蓋塑料薄膜層數的增多，多膜覆蓋環境夜間的氣溫條件不斷改善。表明，塑料薄膜提高溫度的作用并不僅僅是由自身熱工參數（熱導率）引起的。MATLAB擬合分析結果表明，隨著薄膜層數的增多，多膜覆蓋夜間氣溫增幅逐漸變小，在本試驗條件下覆膜層數以不超過5層為宜。

關鍵詞：多膜覆蓋;拱棚;小拱棚;夜間氣溫;模擬;熱工參數

中圖分類號：S626.4文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）04-0055-06

Abstract In order to provide theoretical basis and data supports for improving the production mode of covering， this experiment studied the nighttime air temperature formed by multi-films with tunnel shed and small tunnel shed as trial subjects. The experiment was carried out in 4 tunnel sheds with 0 or 2 small tunnel sheds covered by 0，1， 2 and 3 layers of films respectively in Jinan， Shandong Province in winter of 2018. The nighttime air temperature of tunnel sheds and small tunnel? sheds formed by 1，2，3 and 4 layers of plastic film was measured and analyzed to simulate the temperature environment of early-spring season. The results showed that there were little differences among the nighttime air temperature inside tunnel shed which was installed 0～3-layer small tunnel shed inside， there were uncertainty in size between the air temperature inside and outside tunnel shed， and the nighttime temperature conditions were constantly improved with the number of plastic film layer increasing. The analysis indicated that the mechanism of raising the temperature surrounded by plastic film was not only due to its own thermal parameter（thermal conductivity）. MATLAB fitting analysis results showed that the increment of nighttime temperature in multi-film covering became smaller with the number of film layers increasing. In this experiment， the number of layers in multi-film covering should not exceed 5 layers.

Keywords Multi-film covering;Tunnel shed;Small tunnel shed;Nighttime air temperature;Simulation;Thermal parameter

多膜覆蓋栽培在冬春季能夠提早作物定植期，提前產品上市時間，提高經濟效益，在生產中得到大面積推廣應用[1]。作物定植時間不同，薄膜使用的層數會有不同，生產中多膜覆蓋使用的薄膜層數有1～6 層[2-6];由于生產實踐中有“一層薄膜提高2℃夜溫”的說法，有些生產者不斷增加薄膜覆蓋的層數，有的地方甚至能夠達到七八層。因此，研究覆膜層數與其保溫效果間的關系，明確最佳覆膜層數，對多膜覆蓋栽培具有重要的指導意義。

土壤作為多膜覆蓋栽培中的蓄熱體，白天接受太陽輻射蓄積熱量，夜間外界氣溫降低后則釋放熱量到空氣中[7]，從而形成多層薄膜覆蓋下的溫度環境，防止作物受到低溫凍害。受溫室效應[8]作用，冬春季白天多膜覆蓋棚內部溫度較高，容易滿足作物需要;而夜間外界氣溫很低，土壤釋放的熱量也會通過塑料薄膜向外部散失，棚內溫度降低，易對作物生長造成威脅。因此，了解棚內夜間氣溫變化規律在多膜覆蓋栽培中具有重要意義。但已有研究多集中在栽培模式等的推廣應用方面，對不同層數薄膜覆蓋形成的夜間溫度環境進行量化研究的較少。

考慮到冬春季不同層數薄膜覆蓋作物定植時間不同，定植后再對不同層數薄膜覆蓋形成的溫度環境進行研究的難度較大，本研究采用模擬試驗在2018年冬季對不同層數薄膜覆蓋的閑置拱棚內的夜間氣溫進行多點監測與數據分析，以期為完善多膜覆蓋栽培技術提供數據支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設施

試驗拱棚位于濟南市（36°67′N，116°98′E）山東省農業科學院蔬菜花卉研究所試驗基地內。拱棚東西長20 m，寬4.5 m，高2.6 m，共4個，分別以A、B、C、D指代（圖1）。A拱棚內不設置小拱棚;B拱棚內設置1層薄膜小拱棚，共2排，小拱棚寬1.0 m，支架高度0.6 m;C拱棚內設置2層薄膜小拱棚、2層支架，共2排，小拱棚寬1.0 m，支架高度分別為0.6、0.8 m;D拱棚內設置3層薄膜小拱棚、3層支架，共2排，小拱棚寬1.0 m，支架高度分別為0.6、0.8、1.0 m。拱棚和各層小拱棚均采用EVA多功能流滴膜覆蓋。

1.2 試驗設計與方法

在4個拱棚內自東向西10 m、距離南側2.2 m、距離地面1.3 m處設置溫度傳感器，測量溫度分別記作T2-1、T2-2、T2-3、T2-4;在小拱棚內距離北側約0.5 m、距離地面0.3 m處分別設置溫度傳感器，測量溫度分別記作T3、T4、T5;拱棚外距離地面1.3 m、距離拱棚北側0.5 m處設置溫度傳感器，測量棚外氣溫，記作T1。拱棚和小拱棚結構及溫度傳感器分布如圖1所示。拱棚薄膜一直覆蓋，內部小拱棚各層薄膜白天根據太陽輻射情況揭開，夜間覆蓋。

采用JTNT-C多通道溫度熱流測試儀測量各測點溫度。溫度傳感器技術參數：溫度范圍-20～85℃;精度±0.5℃，常溫可達±0.2℃;分辨率0.1℃。

試驗時間為2018-11-10—2018-12-10，數據記錄時段為每日夜間（即每日下午18時至翌日凌晨6時），間隔時間為5 min，以每小時測定的12個數據的均值為該時該測點的溫度。本文選取試驗期間2018-11-29、2018-11-30和2018-12-01夜間拱棚內外各測點的氣溫數據進行分析。

1.3 數據分析

用MATLAB軟件對不同層數薄膜覆蓋下測點溫度隨時間的變化進行擬合，求解擬合函數原函數，對原函數進行積分運算，并對積分值與層數之間的關系進行擬合。

2 結果與分析

2.1 設置小拱棚對拱棚內夜間氣溫的影響

2018-11-29、2018-11-30和2018-12-01夜間4個拱棚內的氣溫T2-1、T2-2、T2-3、T2-4隨時間的變化見圖2。可以看出，T2-1、T2-2、T2-3、T2-4的變化趨勢基本相同，拱棚內設置1層或2層膜小拱棚的氣溫略高于不設置小拱棚和設置3層膜小拱棚的，但差異較小（圖2），說明拱棚內設置小拱棚對拱棚內氣溫的影響不明顯。因此，下文分析中忽略小拱棚設置對拱棚內氣溫的影響，用T2-1、T2-2、T2-3、T2-4的均值T2代表拱棚內的氣溫。

但3日之間比較，氣溫變化有較大差別，這主要是因為外界氣溫對拱棚內氣溫起決定性作用，3日間的大氣溫度差異較大，造成拱棚內夜間氣溫的變化差異也較大。

2.2 拱棚外及不同覆膜層數測點溫度隨時間的變化

2018-11-29、2018-11-30和2018-12-01夜間T1、T2、T3、T4、T5隨時間的變化見圖3。可以看出，拱棚內各測點溫度的變化趨勢與外界氣溫T1的變化趨勢基本一致，覆膜層數越多，氣溫越高，表現為T2

T2與T1間差異的變化并無規律可循，2018-11-29夜間T2與T1互有大小，2018-11-30夜間基本上是T2T1。塑料薄膜能夠提高設施內部溫度是經過生產實踐驗證后的共識，但在塑料薄膜熱導率[9，10]是定值的前提下，本試驗中不同日期夜間拱棚內外氣溫間差異存在不確定性，說明塑料薄膜覆蓋拱棚內部夜間氣溫提高的機理并不僅僅是建立在塑料薄膜自身的熱工參數（熱導率）基礎上，還存在其他作用機理，有待于進一步探討。

2.3 拱棚外及不同層數薄膜覆蓋下測點溫度的擬合分析

把2018-11-29、2018-11-30和2018-12-01夜間T1、T2、T3、T4、T5隨時間的變化用MATLAB進行擬合，求擬合函數積分（表1）。可以看出，隨著薄膜層數的增加，T2、T3、T4、T5擬合函數的積分總體上不斷增大;2018-11-30夜間T4與T5、2018-12-01夜間T3與T4之間的差異，積分值與實測值表現不同，可能是由于擬合函數精度差別引起的。

進一步對積分值隨覆膜層數的變化進行擬合，結果如圖4所示。隨著薄膜層數的增加，多膜覆蓋測點溫度函數的積分增幅不斷減小，呈現出在一定范圍內積分值隨覆膜層數的增加而增加，但當膜層數超過一定值后積分值下降，說明多層薄膜夜間保溫作用并非是覆膜層數越多越好，層數過多，不僅達不到保溫效果，而且增加了成本。對圖4中的擬合方程分別求導，得x分別為4.74、3.36和4.57，表明薄膜覆蓋分別超過4.74、3.36、4.57層后內部溫度不再增加，即覆層數不宜超過5層。

3 討論

夜間拱棚內空氣熱量來源于拱棚內土壤白天蓄積的熱量[11]，理論上拱棚內空氣溫度應該高于棚外氣溫，但從本試驗結果來看，拱棚內外溫度高低存在不確定性。這可能是因為夜間拱棚內土壤熱量向外界散失時，首先是土壤放熱使得拱棚內近地面氣溫升高，然后是拱棚內近地面空氣通過拱棚側面與拱棚外近地面空氣進行對流換熱，使得拱棚外近地面氣溫升高;受拱棚高度限制，拱棚內近地面空氣受到拱棚頂部空氣的壓力遠小于拱棚外近地面空氣受到的低層大氣壓力，拱棚外地面空氣上升，產生自然對流，在拱棚外形成亂流[7]，對拱棚外周邊空氣溫度產生影響。因此拱棚內外空氣溫度高低存在的不確定性可能是由于不同天氣拱棚外空氣亂流程度不同造成的。對于拱棚內外氣溫之間的關系有待于進一步研究。

本試驗條件下，夜間溫度擬合函數的積分分別超過4.74、3.36和4.57后，多膜覆蓋內部溫度不再增加，綜合考慮，認為多膜覆蓋覆膜層數以不超過5層為宜。

4 結論

（1）塑料薄膜夜間能夠提高設施內部溫度，但其保溫效果除受塑料薄膜自身熱工參數（熱導率）影響外，還受其他因素影響，仍有待進一步研究。

（2）隨著薄膜層數的增多，多膜覆蓋夜間溫度增幅逐漸降低。

（3）在本試驗條件下多膜覆蓋栽培的覆膜層數以不超過5層為宜。

參考文獻：

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