浙南單體塑料大棚內冬季溫光性能特征研究

朱隆靜，王克磊，陳先知，蘇世聞，徐 堅

（溫州市農業科學研究院/溫州市設施蔬菜工程技術中心，浙江溫州 325000）

0 引言

鍍鋅鋼管塑料大棚是一種以鍍鋅鋼管為骨架，以塑料薄膜為采光面的農業生產設施，具有透光好、堅固實用、建造方便等優點，是中國南方農業生產的主要設施類型[1]。近年來隨著南方地區階段性寒潮天氣的影響，生產中時有凍害現象發生，一般冬季生產通過多層覆蓋的方式來提高大棚的保溫性能。相關研究表明，采用無紡布、氣泡膜及新型覆蓋材料覆蓋可較好地提高設施的保溫性能，王吉慶等[2]研究表明增加1層水平保溫覆蓋可使溫室內外溫差提高1.9℃，增加2層水平保溫覆蓋可使溫室內外溫差再提高1.6℃；徐堅等[3]研究表明在浙南地區采用“無紡布外覆蓋+二道膜覆蓋”形式夜間保溫效果明顯優于“二道膜覆蓋”形式，前者較后者夜間平均增溫4.9℃；在玻璃溫室和連棟塑料大棚內采用側懸掛氣泡膜覆蓋，夜間平均氣溫較室外可提高2.0～6.2℃和1.1～5.6℃[4]，但缺點是由于覆蓋材料的揭蓋會影響設施的采光性能。因此，如何設計優化大棚的結構以及采取何種簡便高效的覆蓋方式來提高大棚的整體性能值得思考。

近年來對于大跨度大棚的研究也提出很多思路，對跨度17 m 的大棚內南北方向氣溫和光照分布進行比較可知，氣溫以設施中部最高，南北次之[5]，跨度在20～30 m同時采用三膜覆蓋的塑料大棚在早春栽培時保溫效果更佳[6]，跨度大小影響設施的采光能力和保溫能力[7-9]，在增加溫室跨度的同時，必須將設施的高跨比保持在合理的范圍內[10-12]。隨著對大棚結構的深入研究以及農業機械化作業的快速發展，發現通過擴大大棚的面積不僅可以增加設施的緩沖性能[13-14]，提高土地的利用率[15-16]，還有利于機械化作業的開展[17-19]，所以根據不同地區的緯度位置及當地的氣候環境，因地制宜地研發適合當地設施生產的大棚類型是當務之急。

浙南地區的生產設施以塑料大棚為主，對于大跨度的大棚類型的研究多見于針對北方的溫室及大棚等設施類型，而關于南方地區是否適宜的報道較少，而且隨著國家對農業機械化的大力推進，現有的一些棚型明顯不適宜農業機械的進出與作業，因此本研究針對浙南地區的氣候條件與設施現狀，對冬季單體塑料大棚內的結構及溫光等環境性能進行了比較分析，以期為優化設計浙南地區科學合理的大棚結構參數提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

試驗于2019 年1—2 月在溫州市農業科學研究院種子種苗科技園單體塑料大棚內進行。

1.2 試驗材料

單體大棚南北走向，跨度8 m，長度40 m，拱間距0.65 m，肩高1.8 m，頂高3.5 m，大棚表面覆蓋0.08 絲PVC耐老化薄膜。

試驗所用太陽總輻射記錄儀(YM-TF)購自邯鄲市益盟電子有限公司，空氣溫濕度記錄儀(Hobo MX1101)購自北京渠道科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 在單體塑料大棚內兩側距離端面5 m的位置分別布置太陽總輻射記錄儀和空氣溫濕度記錄儀各2臺，各儀器位于橫切面水平中心位置，距離地面高度1.5 m，用于測定棚內太陽總輻射強度與溫度。在單體大棚外即室外(CK)距離地面1.5 m處分別設置太陽總輻射記錄儀和空氣溫濕度記錄儀各1 臺，測定棚外太陽總輻射強度與溫度。儀器全天24 h記錄各環境參數，記錄間隔為0.5 h。其中，透光率的計算方法為大棚內太陽總輻射強度與棚外太陽總輻射強度的比值(%)。根據試驗期間的天氣情況，試驗選取多云、晴天、小雨、小雨轉中雨為典型天氣。

1.3.2 統計分析 數據采用Excel 2010軟件進行統計分析與處理。

2 結果與分析

2.1 單體大棚內外光照環境分析比較

圖1反映的是試驗期間(2018-01-25—2019-02-24)單體大棚內9:00—17:00 之間的光照總輻射情況。在試驗期間的31天內晴天天氣4天、多云天氣7天、小雨天氣17天、小雨轉中雨3天。從圖1中可以看出，大棚內的光照總輻射變化情況與露地的相似，但始終低于露地的光照總輻射，設施內的透光性約占露地的63.60%～71.38%。大棚內南北端面的光照總輻射存在一定的分布不均勻現象，南側的光照始終要好于北側，較北側增幅范圍6.33%～26.68%。試驗期間內露地的平均光照總輻射最強為469.07 W/m2，大棚南北端面的光照總輻射分別為328.47 W/m2和303.65 W/m2；露地的平均光照總輻射最低為44.18 W/m2，大棚南北端面的光照總輻射分別為35.47 W/m2和28.01 W/m2。

2.2 單體大棚內外光照環境日變化分析比較

圖2反映的是試驗期間典型天氣（多云圖2a、晴天圖2b）9:00—16:00 大棚內外光照總輻射日變化情況。大棚內外光照總輻射基本呈現單峰曲線變化，趨勢相同，并于12:00—13:00 達到最高峰，之后光照迅速下降。多云與晴天下大棚內南端面的平均透光率較北端面分別提高8.09%與8.31%。

由試驗期間典型天氣下大棚內不同部位透光率可知（表1），大棚內南端面的透光率強于北端面，增幅5.12%～7.90%。晴天下透光率最好(67.38%)，其次是多云天氣(64.99%)。

2.3 單體大棚內外溫度環境分析比較

圖3反映的是試驗期間(2019-01-28—2019-02-24)單體大棚內外下午17:00—次日7:00 間的溫度變化。大棚內的溫度環境變化與露地相似。在試驗期間內，該時間段露地平均溫度9.39℃，大棚內南端面平均溫度10.14℃，大棚內北端面溫度10.09℃。試驗期內露地最低與最高溫度分別為5.88℃和13.38℃，大棚內南端面最低與最高溫度分別為6.91℃和13.84℃，大棚內北端面的最低和最高溫度分別為6.86℃和13.72℃。大棚內南北端面附近溫度基本一致，說明大棚內夜間溫度分布相對均勻。

圖4反映的是試驗期間(2018-01-28—2019-02-25)單體大棚內7:00—17:00 之間的溫度變化。試驗期間露地的溫度始終低于大棚內的溫度，平均差值在3.55℃試驗期間的時間段內露地平均溫度12.16℃，大棚內南端面平均溫度15.72℃，大棚內北端面平均溫度15.56℃。試驗期內露地最低與最高溫度分別為7.11℃和18.88℃，大棚內南端面最低與最高溫度分別為9.92℃和25.73℃，大棚內北端面的最低和最高溫度分別為9.98℃和25.71℃。

圖5 為典型天氣下大棚內外溫度的日變化情況。從圖5 中可以看出，不同天氣大棚內外溫度變化趨勢相似。多云和晴天下，從夜間0:00開始大棚內溫度逐漸下降，7:00 后隨著日出氣溫迅速升高，于13:00 達到最高值，隨后溫度迅速下降，18:00 以后溫度下降趨緩。晴天溫差變化強于多云，而在小雨轉中雨天氣室內外溫差變化較晴天弱。多云與晴天下大棚內南北端面的最高溫分別為26.91、24.77℃和38.68、37.78℃，較露地高7.50、5.36℃和14.66、13.76℃。小雨與小雨轉中雨天氣大棚南北端面的最高溫分別為16.82、16.37℃和13.61、13.37℃，較露地高6.32、5.87℃和2.40、2.17℃。

表1 試驗期間內典型天氣的大棚內各部位的透光率 %

表2反映的是試驗期間典型天氣情況下大棚內外溫度環境變化比較。多云天氣露地夜間（17:00—次日7:00）和白天(7:00—17:00)的平均溫度為6.87、9.13℃，大棚內南北端面分別較露地提高8.87%、3.49%和41.73%和40.85%；晴天天氣露地夜間和白天平均溫度為11.48、16.48℃，大棚內南北端面分別較露地提高5.48%和4.44%、24.66%、23.85%；小雨天氣露地夜間和白天平均溫度為10.61、12.36℃，大棚內南北端面分別較露地提高4.71%、4.24%、19.01%和17.07%；小雨轉中雨天氣露地夜間和白天平均溫度為9.43、13.18℃，大棚內南北端面分別較露地提高7.74%、10.07%、31.86%、28.75%。

表2 試驗期間內典型天氣的大棚內外平均溫度變化 ℃

3 討論與結論

塑料大棚是中國南方地區設施栽培的主要設施類型，大棚性能的優劣（比如保溫性、采光性）直接關系到植物的生長，進而影響到產量和效益。不同大棚中環境特性及其變化規律也不相同，但各環境因子都不是獨立的，存在相互關系[20]。本試驗中大棚的透光率的高低，直接影響到大棚內光照強度的強弱，從試驗期的結果來看，大棚內的光照總輻射始終低于露地，大棚內的透光性約占露地的61.44%～67.38%。大棚內南北端面的光照總輻射存在一定的分布不均勻現象，南側的光照始終要好于北側，較北側增幅范圍在6.85%～29.92%。晴天大棚內透光性強于陰天與小雨天氣，分別提高3.67%、9.66%。試驗期間，露地夜間和白天平均溫度9.39、12.16℃，較大棚內南北端面溫度分別低7.96%、7.50%和29.18%、27.81%。大棚內南北端面溫度相差甚微，說明大棚內間溫度分布相對均勻。武瑩研究發現，大跨度(17～20 m)非對稱塑料大棚內南北方向氣溫以中部最高，南北次之[1]，本研究中南北方向的溫度差異不大，這與崔世茂等[16]研究結果相似。魏鑫等[5]對跨度為20、16、12、10、8 m 的5 種跨度塑料大棚性能進行分析，表明8、16、20 m 跨度塑料大棚可降低空氣溫度1.15、0.94、0.59℃；10、16 m 跨度塑料大棚的透光率較其他跨度大。近年來研究表明，北方大跨度大棚的可以提高土地利用率，在大棚的保溫、土壤增溫方面有較好效果，從本試驗的結果分析，浙南地區的塑料大棚光照分布不均勻的程度大于溫度分布不均勻，在考慮擴大設施的跨度時應加大對設施透光性的結構調整。