日光溫室后坡漫反射幕應(yīng)用方法及效果驗(yàn)證

宋衛(wèi)堂，孫云博，王平智，鄭 亮

?農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程?

日光溫室后坡漫反射幕應(yīng)用方法及效果驗(yàn)證

宋衛(wèi)堂1,2，孫云博1，王平智1,2，鄭 亮1,2※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

日光溫室東西壟向栽培可有效提高機(jī)械作業(yè)效率，但冠層遮擋易造成光照不均，從而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育。針對(duì)該問(wèn)題，該研究提出了適用于日光溫室后坡的漫反射幕應(yīng)用方法，并于試驗(yàn)溫室內(nèi)設(shè)置4個(gè)東西方向壟，依據(jù)理論方法在試驗(yàn)區(qū)后坡張掛漫反射幕，以此驗(yàn)證張掛漫反射幕對(duì)溫室番茄冠層光環(huán)境的影響。結(jié)果表明：冬季上午，外界光強(qiáng)相對(duì)較弱，漫反射幕對(duì)冠層光環(huán)境的影響較小；中午時(shí)，試驗(yàn)區(qū)各壟北向來(lái)光在冠層1.0和1.4 m高度相比對(duì)照組均有顯著增強(qiáng)（<0.05），提升10.4%～68.8%，上方來(lái)光光強(qiáng)在冠層1.0 m高度相比對(duì)照組顯著增強(qiáng)（提升16.3%～30.4%，<0.05），在1.4 m高度除第三壟外，影響均不顯著（>0.05）；下午，與對(duì)照區(qū)相比，試驗(yàn)區(qū)各壟在冠層1.0和1.4 m高度北向來(lái)光光強(qiáng)均有增強(qiáng)，最高提升102.0%；相對(duì)對(duì)照區(qū)，試驗(yàn)區(qū)第二、三、四壟上方來(lái)光光強(qiáng)顯著增強(qiáng)（<0.05），提升范圍為19.7%～54.3%。因此，漫反射幕可將入射到日光溫室后坡的光照反射至各栽培壟北側(cè)，從而改善東西向栽培各壟番茄冠層光照環(huán)境。

溫室；光照；作物；番茄；漫反射幕

0 引 言

日光溫室的傳統(tǒng)主栽壟向?yàn)槟媳毕?，其距離短、行距小、栽培畦數(shù)多，造成生產(chǎn)中農(nóng)機(jī)需要頻繁更換作業(yè)壟行[1]，作業(yè)“路難走，門難進(jìn)、邊難耕、頭難調(diào)、效難高”等問(wèn)題顯著，限制了機(jī)械化生產(chǎn)效率的提升[2-3]。因此，將日光溫室栽培模式改為東西壟向，可方便農(nóng)機(jī)進(jìn)出、減少轉(zhuǎn)向次數(shù)，成為一種有效提高機(jī)械作業(yè)效率的方法，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明東西壟向栽培模式可實(shí)現(xiàn)番茄產(chǎn)量不低于傳統(tǒng)南北壟向[4-7]。然而，采用東西壟向栽培時(shí)，由于冠層間遮擋，會(huì)造成壟內(nèi)及壟間光照分布不均：同壟植株南北側(cè)葉片光照不均勻，北側(cè)光強(qiáng)一般弱于南側(cè)[6]；不同壟間的光照分布不均勻，尤其北側(cè)壟的光強(qiáng)較弱[7]。

光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育與形態(tài)建成、及作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有決定性作用，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，作物產(chǎn)量與受光量成正相關(guān)關(guān)系[8-11]，因而光環(huán)境是制約溫室作物生產(chǎn)潛力的重要因素[12-13]。通過(guò)人工光調(diào)控措施，如人工補(bǔ)光、設(shè)置反光膜、墻壁刷白等方式越來(lái)越多地應(yīng)用在設(shè)施生產(chǎn)中[14]。其中，反光膜張掛簡(jiǎn)便、成本較低、可控性強(qiáng)，是一種行之有效的溫室光環(huán)境調(diào)控手段[15-16]。設(shè)施果樹(shù)栽培中，采用樹(shù)下鋪設(shè)反光膜的措施可以提升葉背的光強(qiáng)，改善果樹(shù)冠層光環(huán)境，在增加產(chǎn)量的同時(shí)提升果實(shí)品質(zhì)[17-20]。在日光溫室后墻張掛反光膜，也可將照射至北墻的光照部分反射至作物冠層，實(shí)現(xiàn)提高冠層北側(cè)光強(qiáng)的目的[21-23]。

然而，由于日光溫室后墻兼具蓄熱保溫功能，尤其在高緯度地區(qū)或秋冬季節(jié)，若將反光膜張掛在后墻會(huì)在一定程度上影響后墻的蓄熱功能[21,24-25]，而且反光膜張掛在日光溫室后墻的可用角度、面積及反射光覆蓋區(qū)域也受限制。與此相比，日光溫室后坡相較后墻的蓄熱功能需求較弱，若反光膜安裝于后坡，可避免對(duì)后墻蓄熱功能的影響[25-27]，同時(shí)方便光反射角度與覆蓋范圍的調(diào)整，將更多太陽(yáng)輻射反射到植物冠層和土壤，提高進(jìn)入溫室的太陽(yáng)輻射的利用率，是一種有效的溫室光環(huán)境調(diào)控手段。

此外，盡管傳統(tǒng)反射膜可通過(guò)反射光照實(shí)現(xiàn)光調(diào)控的目的，但其增光效果受離反光膜的距離、離地面的高度和作物冠層等因素的影響[25]，若使用具備散射光輻射能力的漫反射幕，預(yù)期可使反射光照在溫室中的覆蓋更為均勻[4,28-29]。因此，本文提出在日光溫室后坡張掛漫反射幕從而改善溫室內(nèi)光分布的主動(dòng)采光理論，依據(jù)反射光覆蓋需求，基于不同緯度、不同時(shí)刻的太陽(yáng)高度角對(duì)漫反射幕的張掛角度進(jìn)行理論構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展了漫反射幕設(shè)置對(duì)東西壟向栽培番茄冠層光環(huán)境影響的驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)于2022年2月在北京市房山區(qū)弘科農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)溫室（115.97°E，39.62°N）進(jìn)行。試驗(yàn)溫室坐北朝南，東西長(zhǎng)75 m，南北跨度7.5 m，南屋面投影寬度6.1 m，后墻高2.9 m，脊高4.1 m，室內(nèi)北側(cè)硬化道路寬0.8 m；溫室后墻采用空心磚和聚苯板雙層材料，表面覆蓋水泥砂漿，前屋面為輕鋼衍架結(jié)構(gòu)，覆蓋材料透光率為88.9%、霧度為71.5%。

供試作物為番茄（品種：‘美味紅’），2021年9月20日定植，試驗(yàn)期冠層高度為1.8 m。如圖1所示，栽培壟從南到北依次編號(hào)為第一至第四壟，壟高10 cm，作物采用雙行定植，行距分別為30、35、30、40 cm，株距為30 cm，各壟北側(cè)行植株距北墻分別為550、410、265、140 cm。溫室東西兩側(cè)各留有3.0 m工作緩沖區(qū)域。冬季日常管理期間08:30保溫被打開(kāi)，16:00保溫被放下。試驗(yàn)區(qū)及對(duì)照區(qū)東西長(zhǎng)為各15 m，試驗(yàn)區(qū)為溫室種植區(qū)西側(cè)起15 m，試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)間設(shè)置5 m緩沖區(qū)，溫室中部15 m種植區(qū)域?yàn)楸驹囼?yàn)對(duì)照區(qū)。試驗(yàn)區(qū)后坡按照本文下述方法安裝漫反射幕，對(duì)照區(qū)不安裝漫反射幕，其他生產(chǎn)管理措施相同。

圖1 日光溫室作物栽培模式、漫反射幕安裝方式及光環(huán)境測(cè)點(diǎn)示意圖

1.2 冠層光環(huán)境測(cè)量方法

為檢驗(yàn)漫反射幕對(duì)作物冠層光照分布的影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量了各壟北側(cè)不同冠層高度的光強(qiáng)。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，測(cè)點(diǎn)高度分別為壟上1.0和1.4 m，水平方向距各壟冠層北側(cè)10 cm（依據(jù)試驗(yàn)溫室番茄平均冠幅，各測(cè)點(diǎn)距北墻分別為510、380、235、120 cm）?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間取典型晴天天氣條件進(jìn)行測(cè)試，光強(qiáng)使用光照度計(jì)（tes-1339，泰仕電子工業(yè)有限公司，精確度：±3%）測(cè)量。光照測(cè)量分為測(cè)點(diǎn)的北側(cè)來(lái)光及上方來(lái)光兩方面，其中，北側(cè)來(lái)光光強(qiáng)：光照傳感器垂直向北放置，與后墻平行；上方來(lái)光光強(qiáng)：光照傳感器水平向上放置，與后墻垂直。

2 日光溫室后坡漫反射幕的應(yīng)用方法

為合理設(shè)置反射光照的覆蓋范圍和目標(biāo)中心位置，需依據(jù)日光溫室所在地理位置、應(yīng)用季節(jié)及時(shí)間等參數(shù)對(duì)漫反射幕的張掛位置、角度、寬度等參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算。

2.1 太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角計(jì)算

太陽(yáng)高度角是某地太陽(yáng)光線與通過(guò)該地與地心相連的地表切面的夾角，隨太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角的變化而變化。太陽(yáng)高度角以表示，太陽(yáng)赤緯角（與太陽(yáng)直射點(diǎn)緯度相等）以表示，觀測(cè)地緯度用表示（北緯為正，南緯為負(fù)），太陽(yáng)時(shí)角（地方時(shí)）以表示，太陽(yáng)高度角的計(jì)算見(jiàn)式（1）。

sin=sin·sin+cos·cos·cos（1）

太陽(yáng)方位角用表示，其計(jì)算式為

cos=(sin·sin?sin)/(cos·cos) （2）

太陽(yáng)赤緯角（）是太陽(yáng)和地球中心連線與赤道平面的夾角，太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角的計(jì)算精度直接影響太陽(yáng)高度角的計(jì)算準(zhǔn)確性，故分別采用Bourges太陽(yáng)赤緯角算法[30]和Lamm的時(shí)角算法[31]。

太陽(yáng)赤緯角（）計(jì)算方法如下：

式中為參考弧度系數(shù)（=2π/365.2422）；為等效計(jì)日序數(shù)（=?1?0），為一年內(nèi)實(shí)際的計(jì)日序數(shù)，表示年份，0為計(jì)日序數(shù)的修正參數(shù)。

0=78.801+[0.2422(?1969)]?int[0.25(?1969)]

太陽(yáng)時(shí)角（）算法如下：

式中t為真太陽(yáng)時(shí)；為所在地經(jīng)度，東經(jīng)為正；8為北京時(shí)間（東八區(qū)時(shí)間）；（equation of time）為真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)之間的差值，即時(shí)差。

計(jì)算方法如下：

式中為一個(gè)周期中的計(jì)日序數(shù)，以閏年開(kāi)始進(jìn)行以4 a為周期的循環(huán)；A和B為通過(guò)非等距傅里葉積分得到待定參數(shù)，為其特征標(biāo)識(shí)，取值為0到5，A和B的具體取值見(jiàn)表1。

表1 時(shí)差（e）計(jì)算中的AK和BK系數(shù)[31]

注：A和B為待定參數(shù)，為A和B的特征標(biāo)識(shí)（取值為0～5）。

Note: AandBare constant to be defined according to, whereare their identification (0-5).

2.2 漫反射幕張掛參數(shù)的計(jì)算方法

2.2.1 漫反射幕的張掛角度

漫反射幕張掛于日光溫室后坡，設(shè)此時(shí)上邊緣與后墻水平距離為1、高度為1、漫反射幕寬度為。當(dāng)漫反射幕與水平面夾角為時(shí)，漫反射幕直射光反射光落點(diǎn)與后墻距離為1，反射點(diǎn)與壟面距離為1。根據(jù)空間位置，可得反射光落點(diǎn)、漫反射幕安裝位置與太陽(yáng)位置間關(guān)系式如下：

此時(shí)，漫反射幕下邊緣與后墻距離2和高度2分別為

漫反射幕下邊緣反射光落點(diǎn)與后墻距離（2）與高度（2）之間的關(guān)系式如下：

在不同栽培條件和不同季節(jié)的日光溫室，可根據(jù)需求調(diào)節(jié)漫反射幕主要作用區(qū)域，選擇合適的漫反射幕張掛角度。同時(shí)根據(jù)作用區(qū)域的計(jì)算，可判斷漫反射幕是否充分利用進(jìn)入溫室的太陽(yáng)輻射，避免將太陽(yáng)輻射反射至溫室外部、溫室走廊和后墻等無(wú)效輔助區(qū)域。

2.2.2 漫反射幕的寬度選擇

根據(jù)漫反射幕在后坡的安裝位置，可計(jì)算漫反射幕對(duì)后墻遮光的范圍，即計(jì)算漫反射幕在后墻形成的陰影區(qū)域，由此可選擇合適的漫反射幕寬度?？珊?jiǎn)化計(jì)算其下邊緣在后墻位置的投影高度1。

投影高度1的最優(yōu)選擇為與后墻高度相同，此時(shí)即充分利用了后坡的太陽(yáng)輻射，又對(duì)后墻的儲(chǔ)熱功能影響最小。

2.3 試驗(yàn)日光溫室漫反射幕參數(shù)及其安裝方法

如圖2現(xiàn)場(chǎng)照片所示，本試驗(yàn)所采用漫反射幕為定制珍珠棉鍍鋁薄膜，其鍍鋁層表面呈不規(guī)則豎條狀突起，可在保證反光效果的同時(shí)將入射光反射至多個(gè)角度，形成漫反射效果。試驗(yàn)日光溫室所用漫反射幕采用框架固定，并依據(jù)安裝高度及安裝角度需求安裝在試驗(yàn)區(qū)后坡。

根據(jù)試驗(yàn)溫室所處緯度及試驗(yàn)季節(jié)，時(shí)鐘時(shí)間（地方時(shí)）為12:00時(shí)，時(shí)差為?0.23 h，太陽(yáng)高度角為38.02°，太陽(yáng)方位角為0°。以日光溫室內(nèi)后墻與水平地面交點(diǎn)為原點(diǎn)，為水平坐標(biāo)，為垂直坐標(biāo)，本試驗(yàn)所期待的中心反射點(diǎn)為第四壟上部（=?140 cm，=190 cm）。本試驗(yàn)所用漫反射幕總長(zhǎng)度15 m，寬度1.0 m，依據(jù)上述漫反射幕安裝理論方法及試驗(yàn)溫室實(shí)際工況，其安裝要求為上邊緣距壟面高360 cm、距后墻92 cm，所得漫反射幕中心位置高度為305 cm、與后墻距離82 cm，計(jì)算得漫反射幕張掛理論角度為77°，為安裝便利，實(shí)際漫反射幕安裝角度為75°（圖1，圖2）。16:00時(shí)（即下午保溫被落下時(shí)間）太陽(yáng)高度角為13.92°、太陽(yáng)方位角為60.66°，計(jì)算此時(shí)漫反射幕上邊緣反射光落點(diǎn)距后墻3.8 m，在溫室內(nèi)部，且主要反射光落點(diǎn)區(qū)域仍為后兩壟，故可采用此張掛角度。

圖2 日光溫室后坡張掛漫反射幕

3 結(jié)果與分析

3.1 日光溫室內(nèi)太陽(yáng)入射及反射區(qū)域

圖3a所示為上午08:30時(shí)試驗(yàn)日光溫室內(nèi)太陽(yáng)入射角度及反射光線位置的示意圖，此時(shí)太陽(yáng)高度角為31°，漫反射幕所反射光照的直射光部分光線的理論覆蓋范圍為作物第三壟北側(cè)及第四壟冠層上部位置。圖3b所示為中午（12:00）時(shí)太陽(yáng)光入射角度及反射光線的示意圖，此時(shí)，漫反射幕所散射光照的直射光部分光線的理論覆蓋范圍為作物第四壟。圖3c為下午（15:30）時(shí)入射光線與漫反射幕反射光線示意圖，同上午一樣，此時(shí)反射光線的直射光部分集中于第四壟冠層上部和第三壟冠層北側(cè)。

圖3 不同時(shí)間日光溫室內(nèi)太陽(yáng)入射及反射光線位置示意圖

3.2 上午冠層不同位置的光照分布

圖4a、圖4b為上午08:30日光溫室內(nèi)不同栽培壟北側(cè)的北向來(lái)光光強(qiáng)對(duì)比。在冠層1.0 m高度（圖4a），第三壟試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)無(wú)顯著性差異，其余壟試驗(yàn)區(qū)壟北側(cè)光強(qiáng)顯著低于對(duì)照區(qū)（<0.05），但其光強(qiáng)差值僅為2.4～10.2 μmol/(m2×s)。在冠層1.4 m高度（圖4b），第一、四壟試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)無(wú)顯著性差異，第二、三壟試驗(yàn)區(qū)北側(cè)來(lái)光光強(qiáng)相對(duì)于對(duì)照區(qū)光強(qiáng)顯著增加（≤0.01）；相比對(duì)照區(qū)，第二壟光強(qiáng)提高了7.8 μmol/(m2×s)，光強(qiáng)提升12.0%；第三壟的北向來(lái)光光強(qiáng)相對(duì)于對(duì)照區(qū)提高了20.8 μmol/(m2×s)，提升52.9%。試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)第二、三、四壟在冠層1.0和1.4 m高度的北向來(lái)光光強(qiáng)均低于第一壟。

圖4c、圖4d為上午08:30日光溫室內(nèi)不同栽培壟北側(cè)的上方來(lái)光光強(qiáng)對(duì)比。在冠層1.0 m高度（圖4c），第一壟的上方來(lái)光光強(qiáng)試驗(yàn)區(qū)低于對(duì)照區(qū)11.8%，第二壟上方來(lái)光光強(qiáng)試驗(yàn)區(qū)相比對(duì)照區(qū)提升22.4%，第三、四壟上方來(lái)光光強(qiáng)無(wú)顯著差異。在冠層1.4 m高度（圖4d），第二壟上方來(lái)光光強(qiáng)試驗(yàn)區(qū)顯著高于對(duì)照區(qū)，提高了63.6 μmol/(m2×s)，相對(duì)對(duì)照區(qū)提升22.3%，其余各壟上方來(lái)光光強(qiáng)無(wú)顯著差異。整體來(lái)看，上方來(lái)光光強(qiáng)從南到北減弱，在冠層1.0和1.4 m高度上，均為第一壟光強(qiáng)最高，分別為272.4、378.0 μmol/(m2×s)。1.0 m高度對(duì)照區(qū)和試驗(yàn)區(qū)第三壟的上方來(lái)光相較第一壟的對(duì)照區(qū)分別低44.0%、44.4%，第四壟的上方來(lái)光光強(qiáng)相較第一壟分別低61.2%和68.7%，光強(qiáng)降低范圍約120～180 μmol/(m2×s)；1.4 m高度的第三壟和第四壟光強(qiáng)相比于第一壟的降低分別45%和67%，降低量為170～255 μmol/(m2×s)。

注：不同字母代表同一壟上試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)光強(qiáng)有顯著性異（P<0.05）. PPFD：光合光子通量密度，μmol·m-2·s-1。下同。

由于作物間遮擋及溫室結(jié)構(gòu)的反射作用，日光溫室內(nèi)各壟的光照水平存在一定差異[7,12]。本研究中，上午（08:30）對(duì)照區(qū)在冠層1.0和1.4 m高度的北向來(lái)光和上方來(lái)光的光強(qiáng)均呈現(xiàn)為由南到北降低的趨勢(shì)，該結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[7,16,21]。本研究所設(shè)置光照測(cè)點(diǎn)位于各栽培壟北側(cè)（圖1），測(cè)點(diǎn)光照來(lái)源主要為環(huán)境散射光和其北側(cè)壟植株及北側(cè)墻體（后坡及后墻）的反射光。由于上午太陽(yáng)高度角較低條件下的冠層遮擋[32]，故溫室內(nèi)各栽培壟光照呈現(xiàn)出該趨勢(shì)。通過(guò)漫反射幕后，試驗(yàn)區(qū)的測(cè)點(diǎn)光強(qiáng)變化主要發(fā)生在1.4 m高度的第二及第三壟，既漫反射幕的主要反光覆蓋區(qū)域，對(duì)于其他冠層高度及栽培壟的影響不大。其原因在于，漫反射幕與原后坡材料相比，其反射率更高，但漫反射率相對(duì)要小，布置漫反射幕后，讓上午溫室后坡區(qū)域的光照相對(duì)集中地反射到了其目標(biāo)區(qū)域。

3.3 中午冠層不同位置的光照分布

圖5a、圖5b為中午（12:00）時(shí)各栽培壟的北向來(lái)光的光強(qiáng)對(duì)比。在冠層1.0及1.4 m高度，試驗(yàn)區(qū)光強(qiáng)相比于對(duì)照區(qū)均有顯著提高（<0.05），提高范圍為10.4%～68.8%；在反射光的作用下，第三壟試驗(yàn)區(qū)相較對(duì)照區(qū)光強(qiáng)增強(qiáng)最多，分別提升52.4%和68.8%。在無(wú)張掛漫反射幕的情況下（對(duì)照區(qū)），在1.0和1.4 m冠層高度第一、二、三壟的北向來(lái)光光強(qiáng)較低，第四壟的光強(qiáng)相比前三壟均顯著提高（<0.01），分別達(dá)到158.4和172.2 μmol/(m2×s)，相較第一壟分別提高44.3%和33.0%（圖5a～5b）。與對(duì)照區(qū)相比，在后坡增加漫反射幕處理（試驗(yàn)區(qū)）后，試驗(yàn)區(qū)1.0和1.4 m冠層高度北向來(lái)光從南到北逐漸增強(qiáng)，第三、四壟的光強(qiáng)顯著高于第一、二壟（<0.01），1.0 m高度光強(qiáng)分別為168.7、181.0 μmol/(m2×s)，相較對(duì)照區(qū)第一壟光強(qiáng)分別提高58.9%和71.3%；1.4 m高度光強(qiáng)分別為205.1和221.8 μmol/(m2×s)，相較對(duì)照區(qū)第一壟提高75.6%和92.3%。

圖5c、圖5d分別為中午（12:00）時(shí)各壟北側(cè)上方來(lái)光的光強(qiáng)。在冠層1.0 m高度，試驗(yàn)區(qū)光強(qiáng)相對(duì)于對(duì)照區(qū)均顯著提高（提升16.3%～30.4%，<0.05），其中試驗(yàn)區(qū)第三壟北側(cè)的北向來(lái)光光強(qiáng)達(dá)到525.0 μmol/(m2×s)，相比對(duì)照區(qū)提升最多，提升幅度達(dá)30.4%，試驗(yàn)區(qū)第三、四壟上方來(lái)光光強(qiáng)相比對(duì)照區(qū)第一壟光強(qiáng)分別95和120 μmol/(m2×s)，提升幅度為29.1%和23.5%。在冠層1.4 m高度，相比于對(duì)照區(qū)，試驗(yàn)區(qū)第三壟光強(qiáng)顯著提高（<0.01），光強(qiáng)提高27.1%（圖5d）第一、第二、第四壟試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)無(wú)顯著差異（>0.05）。在1.0及1.4 m冠層高度，對(duì)照區(qū)、試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各壟間上方來(lái)光光強(qiáng)對(duì)比無(wú)顯著性差異。

漫反射幕的應(yīng)用在中午時(shí)刻（12:00）對(duì)提高冠層光輻射強(qiáng)度、改善光分布有明顯效果。中午，冠層光透射量較高，第三、四壟靠近溫室后墻，后墻反射的部分光照提高了其北向來(lái)光光強(qiáng)[22]。漫反射幕的反射光照的理論覆蓋范圍落在第三、四壟，因而其上方來(lái)光光強(qiáng)與前兩壟差異不大，漫反射幕加強(qiáng)了溫室北側(cè)墻體（后墻和后坡）的反光效果，增加漫反射幕后，各壟北側(cè)冠層1.0 m高度的光環(huán)境改善最明顯，4個(gè)栽培壟的光強(qiáng)均有提高；1.4 m高度的壟北側(cè)各壟間冠層光強(qiáng)差別不大，但漫反射幕顯著提高了第三壟壟北側(cè)冠層的光強(qiáng)，改善了原來(lái)第三壟光環(huán)境較前兩壟差的問(wèn)題。

圖5 中午（12:00）日光溫室內(nèi)不同栽培壟光強(qiáng)

3.4 下午冠層不同位置的光照分布

圖6a、圖6b為下午（15:30）時(shí)各壟冠層北側(cè)的北向來(lái)光光強(qiáng)對(duì)比。在冠層1.0和1.4 m高度，試驗(yàn)區(qū)光強(qiáng)相比于對(duì)照區(qū)各壟均有顯著提高（<0.05）。對(duì)照區(qū)在1.0和1.4 m高度第一、第二、第三壟北向來(lái)光光強(qiáng)無(wú)顯著差異（>0.05），第四壟顯著高于其余三壟（<0.01），其光量子流密度達(dá)到88.7和101.2 μmol/(m2×s)，相較第一壟光強(qiáng)分別提高49.6%和41.4%。在后坡張掛漫反射幕后，試驗(yàn)區(qū)在1.0和1.4 m冠層高度北向來(lái)光光強(qiáng)呈從南到北增強(qiáng)的趨勢(shì)，第三壟光強(qiáng)相對(duì)對(duì)照區(qū)提升最多，分別提升69.2%和102.0%；圖6c、圖6d為下午各壟北側(cè)的上方來(lái)光光強(qiáng)對(duì)比。在冠層1.0和1.4m高度，第一壟試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)的光強(qiáng)無(wú)顯著差異，第二、三、四壟的試驗(yàn)區(qū)光強(qiáng)相比于對(duì)照區(qū)均有顯著提高。1.0 m高度，對(duì)照區(qū)內(nèi)各壟間上方來(lái)光光強(qiáng)無(wú)顯著性差異；安裝漫反射幕后，試驗(yàn)區(qū)光強(qiáng)第二、第三、第四壟試驗(yàn)區(qū)光強(qiáng)均高于對(duì)照區(qū)，并呈現(xiàn)由南到北增強(qiáng)的趨勢(shì)，第四壟光強(qiáng)最高，達(dá)到289.4 μmol/(m2×s)，相較對(duì)照區(qū)提升46.0%。1.4 m高度，對(duì)照區(qū)第一壟的光強(qiáng)顯著高于其他三壟（=0.02），為318.5 μmol/(m2×s)，增加漫反射幕后，第二、三、四壟的光強(qiáng)均有顯著提升（提升19.7%～54.3%，<0.05），試驗(yàn)區(qū)第四壟光強(qiáng)最高，為427.0 μmol/(m2×s)，相較對(duì)照區(qū)提升54.3%。

下午，室外光輻射強(qiáng)度也相對(duì)較高，對(duì)照區(qū)在各壟間光強(qiáng)差異不顯著，靠近后墻的第四壟，與中午的結(jié)果相似，由于溫室后墻的反射作用，北向來(lái)光光強(qiáng)較高。漫反射幕的應(yīng)用顯著提升了各壟及各高度的北側(cè)來(lái)光光強(qiáng)，同時(shí)，由于漫反射幕的散射入射光照的作用，使得試驗(yàn)區(qū)第二、三、四壟的上方來(lái)光光強(qiáng)得到相應(yīng)的提高。

圖6 下午（15:30）日光溫室內(nèi)不同栽培壟光強(qiáng)

4 結(jié) 論

1）在日光溫室后坡布置漫反射幕，可充分利用進(jìn)入溫室內(nèi)的太陽(yáng)輻射，改善東西壟向栽培日光溫室的光環(huán)境。本研究所設(shè)置漫反射幕主要作用目標(biāo)區(qū)域?yàn)榈谌暗谒膲?，試?yàn)區(qū)第三壟北向來(lái)光和上方來(lái)光光強(qiáng)相比于對(duì)照區(qū)提升幅度最高，在1.0和1.4 m冠層高度，中午的光強(qiáng)提升幅度分別在52.4%和27.1%以上。漫反射幕的作用可使反射光照覆蓋至更廣的第一、第二壟，相比于對(duì)照區(qū)，試驗(yàn)區(qū)各壟在中午和下午的北向來(lái)光光強(qiáng)在1.0和1.4 m冠層高度均顯著提高（<0.05），提升幅度在10.4%以上。

2）依據(jù)本研究所提出的日光溫室后坡漫反射幕應(yīng)用方法，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)日光溫室所處緯度和建筑參數(shù)、漫反射幕位置和時(shí)點(diǎn)計(jì)算漫反射幕的使用規(guī)格和張掛角度等參數(shù)，為利用漫反射幕改善日光溫室作物冠層光環(huán)境提供了參考。本研究所采用漫反射幕安裝角度相對(duì)固定，后期研究可應(yīng)用本文方法開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)調(diào)整裝置；漫反射幕相對(duì)于傳統(tǒng)反光膜的反射光覆蓋范圍更寬泛，后期可進(jìn)一步對(duì)漫反射幕的反光率及漫反射比例進(jìn)行理論分析，實(shí)現(xiàn)光照均勻性的進(jìn)一步提升。

[1] 宋衛(wèi)堂. 日光溫室蔬菜生產(chǎn)全程機(jī)械化的一種解決方案[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2018，39(9)：26-29.

SONG Weitang. A complete mechanization solution for greenhouse vegetable production[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechnization, 2018, 39(9): 26-29. (in Chinese with English abstract)

[2] 余朝閣，何堯，岳紅巖，等. 東北地區(qū)日光溫室果菜生產(chǎn)現(xiàn)狀與輕簡(jiǎn)化途徑[J]. 中國(guó)蔬菜，2022(4)：88-92.

YU Chaoge, HE Yao, YUE Hongyan, et al. Production status of fruit vegetables in solar greenhouse of northeast region and simplification pathway[J]. China Vegetable, 2022(4): 88-92. (in Chinese with English abstract)

[3] 宋衛(wèi)堂. 設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)機(jī)械化的需求[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2017，38(11)：112-115.

SONG Weitang. Demands of the development of protected vegetable industry on mechanized[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(11): 112-115. (in Chinese with English abstract)

[4] 宋衛(wèi)堂，李晨曦，孫旭光，等. 散射膜日光溫室中種植壟向?qū)Ψ焉L(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(24)：242-248.

SONG Weitang, LI Chenxi, SUN Xuguang, et al. Effects of ridge direction on growth and yield of tomato in solar greenhouse with diffuse film[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 242-248. (in Chinese with English abstract)

[5] 陳真真，李儀曼，欒恒，等. 壟向和株行距配置對(duì)日光溫室番茄生育及產(chǎn)量的影響[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，54(3)：63-67.

CHEN Zhenzhen, LI Yiman, LUAN Heng, et al. Effects of ridge direction and plant and row spacing on growth and yield of tomato in solar greenhouse[J]. Shandong Agricultural Sciences, 2022, 54(3): 63-67. (in Chinese with English abstract)

[6] 李治國(guó)，閆子雙，楊立國(guó)，等. 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的日光溫室番茄栽培模式試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2021，42(6)：55-59.

LI Zhiguo, YAN Zishuang, YANG Liguo, et al. Experimental study on tomato cultivation mode in solar greenhouse based on integration of agricultural machinery and agronomy[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechnization, 2021, 42(6): 55-59. (in Chinese with English abstract)

[7] 楊冬艷，桑婷，馮海萍，等. 種植密度對(duì)日光溫室東西壟向栽培番茄產(chǎn)量構(gòu)成及光環(huán)境的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，50(5)：99-106.

YANG Dongyan, SANG Ting, FENG Haiping, et al. Effects of planting density on yield composition and light environment of east-west ridge of tomato in greenhouse[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2021, 50(5): 99-106. (in Chinese with English abstract)

[8] PARADISO R, PROIETTI S. Light-quality manipulation to control plant growth and photomorphogenesis in greenhouse horticulture: The state of the art and the opportunities of modern LED systems[J]. Journal of Plant Growth Regulation, 2022, 41: 742-780.

[9] FU Y, LI H Y, YU J, et al. Interaction effects of light intensity and nitrogen concentration on growth, photosynthetic characteristics and quality of lettuce (L. Var. youmaicai)[J]. Scientia horticulturae, 2017, 214: 51-57.

[10] POORTER H, NIINEMETS ü, NTAGKAS N, et al. A meta-analysis of plant responses to light intensity for 70 traits ranging from molecules to whole plant performance[J]. New Phytologist, 2019, 223(3): 1073-1105.

[11] FARALLI M, LAWSON T. Natural genetic variation in photosynthesis: An untapped resource to increase crop yield potential?[J]. Plant Journal, 2020, 101(3): 518-528.

[12] 吳毅明，曹永華，孫忠富，等. 溫室采光設(shè)計(jì)的理論分析方法：設(shè)施農(nóng)業(yè)光環(huán)境模擬分析研究之一[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1992，8(3)：73-80.

WU Yiming, CAO Yonghua, SUN Zhongfu, et al. An analytical method of light transmissivity in greenhouse design: The first part of serial studies in simulation of light environment in protected cultivation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1992, 8(3): 73-80. (in Chinese with English abstract)

[13] CHAVAN S G, MAIER C, Alagoz Y, et al. Light-limited photosynthesis under energy-saving film decreases eggplant yield[J]. Food and Energy Security, 2020, 9: e245.

[14] 于海業(yè)，孔麗娟，劉爽，等. 植物生產(chǎn)的光環(huán)境因子調(diào)控應(yīng)用綜述[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40(8)：1-9.

YU Haiye, KONG Lijuan, LIU Shuang, et al. The application of lighting environment control technology in plant production[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(8): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[15] LIU Anhua, HENKE M, LI Yiming, et al. Investigation of the impact of supplemental reflective films to improve micro-light climate within tomato plant canopy in solar greenhouses[J]. Frontiers in Plant Science, 2022, 13: 966596.

[16] 王靜，崔慶法，林茂茲. 不同結(jié)構(gòu)日光溫室光環(huán)境及補(bǔ)光研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(4)：86-89.

WANG Jing, CUI Qingfa, LIN Maozi. Illumination environment of different structural solar greenhouses and their supplement illumination[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2002, 18(4): 86-89. (in Chinese with English abstract)

[17] 吳瑞媛，陳露露，王濤，等. 反光膜對(duì)大棚‘翠冠’梨果實(shí)糖積累及蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響[J]. 果樹(shù)學(xué)報(bào)，2013，30(3)：427-432.

WU Ruiyuan, CHEN Lulu, WANG Tao, et al. Effects of reflective film on sugar accumulation and sucrose-metabolizing enzymes in fruit of ‘Cuiguan’ pear cultivated in plastic tunnel[J]. Journal of Fruit Science, 2013, 30(3): 427-432. (in Chinese with English abstract)

[18] 張卓，王磊，陳秋菊，等. 鋪設(shè)反光膜對(duì)日光溫室甜櫻桃果實(shí)品質(zhì)的影響初報(bào)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)科學(xué)版），2019，37(4)：24-28.

ZHANG Zhuo, WANG Lei, CHEN Qiuju, et al. Effect of reflective film on fruit quality of sweet cherry (cv. ‘Tieton’) in solar greenhouse[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University (Agricultural Science), 2019, 37(4): 24-28. (in Chinese with English abstract)

[19] MEYER G E, PAPAROZZI E T, WALTER-SHEA E A, et al. An investigation of reflective mulches for use over capillary mat systems for winter-time greenhouse strawberry production[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2012, 28(2): 271-279.

[20] YOU S, LIU H, LI Z, et al. Soil environment and spectra properties coregulate tomato growth, fruit quality, and yield in different colored biodegradable paper mulching during the summer season[J]. Scientia Horticulturae, 2021, 275: 109632.

[21] 韋峰，江力，張亞紅. 日光溫室后屋面內(nèi)設(shè)反光幕環(huán)境效應(yīng)分析[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014(8)：71-77.

WEI Feng, JIANG Li, ZHANG Yahong. Environmental effect analysis on sunlight greenhouse roof with reflective film[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2014(8): 71-77. (in Chinese with English abstract)

[22] 崔慶法，曹春暉，胡小進(jìn)，等. 日光溫室內(nèi)反光膜補(bǔ)光的實(shí)踐與理論探析[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2005，13(1)：82-84.

CUI Qingfa, CAO Chunhui, HU Xiaojin, et al. Practice and theoretic analysis of supplementing illumination in the solar greenhouse with reflecting film[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2005, 13(1): 82-84. (in Chinese with English abstract)

[23] 周禮. 重慶日光溫室反光幕曲面計(jì)算與模擬研究[D]. 重慶：西南大學(xué)，2012.

ZHOU Li. Calculating and Simulating the Shapes of Reflecting Film of Sunlight Greenhouses in Chongqing[D]. Chongqing: Xinan University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[24] CHEN C, YU N, YANG F, et al. Theoretical and experimental study on selection of physical dimensions of passive solar greenhouses for enhanced energy performance[J]. Solar Energy, 2019, 191: 46-56

[25] 韓亞?wèn)|. 遼沈日光溫室能量平衡方程中幾個(gè)主要分量模擬模型的構(gòu)建[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

HAN Yadong. Establishing Main Components Modelling of Energy Balance Equation in Liaoshen Solar Greenhouse[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural Univerisity, 2015. (in Chinese with English abstract)

[26] 韓亞?wèn)|，薛學(xué)武，羅新蘭，等. 日光溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射估算模型的構(gòu)建[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(10)：174-181.

HAN Yadong, XUE Xuewu, LUO Xinlan, et al. Establishment of estimation model of solar radiation within solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(10): 174-181. (in Chinese with English abstract)

[27] 馬承偉，卜云龍，籍秀紅，等. 日光溫室墻體夜間放熱量計(jì)算與保溫蓄熱性評(píng)價(jià)方法的研究[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)科學(xué)版），2008，26(5)：411-415.

MA Chengwei, BU Yunlong, JI Xiuhong, et al. Method for calculation of heat release at night and evaluation for performance of heat preservation of wall in solar greenhouse[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University (Agricultural Science), 2008, 26(5): 411-415. (in Chinese with English abstract)

[28] LAMNATOU C, CHEMISANA D. Solar radiation manipulations and their role in greenhouse claddings: Fluorescent solar concentrators, photoselective and other materials[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 27: 175-190.

[29] CHENT W, HENKE M, DE VISSER P H B, et al. What is the most prominent factor limiting photosynthesis in different layers of a greenhouse cucumber canopy?[J] Annals of Botany, 2014, 114(4): 677-688.

[30] BOURGES B. Improvement in solar declination computation[J]. Solar Energy, 1985, 35(4): 367-369.

[31] LAMM L O. A new analytic expression for the equation of time[J]. Solar Energy, 1981, 26(5): 465.

[32] 唐佳寧，陳啟峰，余朝閣，等. 東西壟叢栽方式對(duì)日光溫室秋冬茬番茄生長(zhǎng)及其溫光環(huán)境的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2022，38(30)：65-71.

TANG Jianing, CHEN Qifeng, YU Chaoge, et al. Effects of east and west ridge cluster cultivation on the growth of autumn and winter tomato and the temperature and light environment in solar greenhouse[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2022, 38(30): 65-71. (in Chinese with English abstract)

Application and effect verification of diffuse reflective films on the backslope of solar greenhouses

Song Weitang1,2, Sun Yunbo1, Wang Pingzhi1,2, Zheng Liang1,2※

(1.,100083,; 2.,,100083,)

The east-west ridge cultivation technique can effectively improve the mechanical operation efficiency in the solar greenhouses. However, the generally dimmed canopy can be found in the north side of the solar greenhouse and the north side of each ridge, compared with the south side. This study aims to improve the light environment inner tomato canopy, particularly for the better growth and development of the cultivated crops. A theoretical method was proposed to hang the diffused reflective film on the back slope of the solar greenhouse, according to the geographical location and building parameters. The appropriate angle was also determined for the diffused reflective film on the light environment of the greenhouse. The field test was conducted in the solar greenhouse of Hongke Farm (115.97E, 39.62N) in Beijing of China in February of 2022. Four east-west ridges were set in the experimental greenhouse. The greenhouse was separated as an experimental and control section. Among them, a diffuse reflective film with an appropriate angle was hung on the back slope of the solar greenhouse. The tomato plants were managed in the experimental and control sections, according to the normal horticultural practice. The light sensors were placed horizontally upward to measure the light intensity from above at the 1.0 and 1.4 m height of the canopy on the north side of the ridge, respectively. By contrast, the sensors were placed vertically backward to record the light intensity from the north side at 1.0 and 1.4 m height of the canopy. The results showed that the effect of the diffuse reflective film on the canopy light intensity was relatively low in the morning, due to the relatively low light intensity and the greater sun azimuth. At noon, the application of diffuse reflective film was improved the light intensity from the north of each ridge, compared with the control, while the light intensity from the north at 1.0 and 1.4 m increased by 52.4% and 68.8% for the third ridge, respectively. The overall light intensity at the 1.0 m height of the canopy increased for all the ridges. At the height of 1.4 m, only the light intensity of the third ridge at the experimental section was significantly higher than that of the control, and the light intensity increased by 27.1%. In the afternoon, the light intensity from the north of each ridge also increased, and the third ridge increased the greatest, while the light intensity from the north direction increased by 69.2% and 102.0%, respectively, compared with the control. The light intensity of the incoming light from above of the second, the third and the fourth ridge were all significantly increased, and the fourth ridge was resulted in the greatest improvement, indicating both the optimal heights of 1.0, and 1.4 m (46.0% and 54.3%, respectively). Therefore, the diffused reflective film can be expected to increase the light intensity of the inner canopy, providing for the incoming light from the north side. As such, the illumination uniformity of the greenhouse can increase to improve the light environment in the greenhouse.

greenhouse; light; crops; tomato; diffuse reflective film

10.11975/j.issn.1002-6819.202208209

S214.9

A

1002-6819(2023)-01-0171-08

宋衛(wèi)堂，孫云博，王平智，等. 日光溫室后坡漫反射幕應(yīng)用方法及效果驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(1)：171-178.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202208209 http://www.tcsae.org

SONG Weitang, SUN Yunbo, WANG Pingzhi, et al. Application and effect verification of diffuse reflective films on the backslope of solar greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 171-178. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202208209 http://www.tcsae.org

2022-08-20

2022-12-26

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-23-D02）；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2021QC099）

宋衛(wèi)堂，博士，教授，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝工程。Email：songchali@cau.edu.cn

鄭亮，博士，講師，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝工程。Email：zhengliang@cau.edu.cn