烤煙育苗大棚的保溫原理及改良方法

段樂怡，陳佳鋒，陳治鋒，劉良教，彭梁睿，黃思晗，鄧志強

（1.長沙市煙草公司瀏陽分公司，湖南瀏陽 410302；2.長沙市煙草公司，湖南長沙 410011；3.長沙市煙草公司寧鄉(xiāng)市分公司，湖南寧鄉(xiāng) 410600）

0 引言

育苗是煙葉生產(chǎn)的關(guān)鍵時期，煙苗的素質(zhì)直接影響著煙葉后期種植的品質(zhì)。在生長發(fā)育的初期，煙苗對溫濕度及其敏感，如果無法實現(xiàn)精確溫濕度調(diào)控，就會出現(xiàn)發(fā)芽率低和煙苗根系腐爛、病蟲害嚴重、死苗等情況。在苗床中后期，隨著外界氣溫的上升、光照時間延長和強度的增強，大棚內(nèi)溫度上升較快，需要控制溫度和濕度，防止燒苗。目前，烤煙育苗大棚的溫度變化很大程度上受制于育苗期間天氣變化的影響。設(shè)施大棚的調(diào)控范圍很小，難以達到通過及時調(diào)控溫度，確保按時培育出整齊一致的壯苗的要求。為此，通過對不同結(jié)構(gòu)的烤煙育苗大棚的升溫、保溫效果及原理研究，旨在為優(yōu)化烤煙育苗大棚的設(shè)計構(gòu)造，改善其保溫、控溫性狀提供參考。

1 烤煙育苗大構(gòu)造及升溫、保溫原理

衡量烤煙育苗大棚的保溫性能包括一定光照強度和外界溫度條件下，棚體的升溫速度、降溫速度，棚體內(nèi)外熱量交換趨近平衡時的溫度等。烤煙育苗大棚內(nèi)空氣溫度的上升主要來自大棚地面的光照產(chǎn)生的熱量傳導。大棚高度越低，棚膜越薄，大棚地面的光照強度越大，晴日天氣下棚內(nèi)升溫速度更快，棚體更多依靠通過大棚內(nèi)外溫差加大，棚膜的導溫強度增加而傳導熱量。增加大棚高度和棚膜厚度，將降低大棚地面的光照強度。在大棚高度增加的同時，棚體薄膜與外界的接觸面積也顯著增加，棚體更多依靠通過與外界的接觸面積增加而傳導熱量。棚體過高，還將使烤煙育苗大棚升溫速度緩慢，并容易使大棚在與外界的溫差在更小的范圍內(nèi)達到熱量平衡，無法繼續(xù)升溫。

烤煙育苗大棚棚體表面積與體積比值同，可以作為衡量棚體保溫性狀以及確定育苗大棚長度、寬度和高度的參考。推理，主要原因：溫室大棚棚體相對表面積越小，一定體積的棚體與外界接觸的熱交換面積就越小，大棚的保溫性就越好；相對表面積越大，一定體積的棚體與外界接觸的熱交換面積就越大，大棚的保溫性就越差。其次。是因為棚內(nèi)中心的高溫區(qū)與邊緣距離與大棚的保溫性顯著相關(guān)，體積更大的大棚可能因大棚中心的高溫區(qū)與邊緣距離更大，產(chǎn)生一定梯度的溫差，降低了大棚邊緣與外界的熱量傳導強度，提高了大棚的保溫性。

依據(jù)表面積與體積比值原理，溫室大棚棚體越小，棚體表面積與體積比值就越大，保溫性就越差；棚體越大，棚體表面積與體積比值就越小，保溫性就越好。如，設(shè)棚體長、寬、高均為1 m，則棚體體積為1 m3，棚體表面面積為（6×1）m2，棚體表面積與體積比值為6：1；如果棚體長寬高均為2 m時，棚體比表面積與體積比值為24∶8=3∶1。同樣大小面積的溫棚，形狀越接近正方體，棚體表面積與體積比值越小，保溫性越好。如設(shè)棚體長4 m、寬1 m、高2 m時，棚體表面積與體積比值為28∶8=3.5∶1；表面積與體積比值比相同體積的長、寬、高均為2 m的正方形溫棚增加了0.5；因而，保溫性能也比長、寬、高均為2 m的溫棚差。然而，模擬試驗觀測顯示：在棚體高度極低的情況下，增加大棚高度對大棚保溫性能提高更效果顯著。但在大棚達到一定高度后，再繼續(xù)提高大棚高度，則保溫效果明顯下降。

推理，烤煙育苗大棚隨棚體表面積與體積比值減小而保溫性能增強的前提條件，是棚體儲存的熱量隨體積的增加而成比例地增加。如果極顯著增加大棚高度，達到正方體形狀；則大棚因高度增加而擴大的體積全部為空氣，而空氣的熱容量顯著低于地面、水體和基質(zhì)，大棚高度的增加對棚體熱量的吸收量和儲存量的增加十分有限。在晴日大棚內(nèi)外溫差較大的情況下，因棚體與外界接觸面積增大，而導致大棚熱量損失的效應更大。而高度相對較小的大棚由于棚內(nèi)氣溫上升的速度更快，且高溫更持續(xù)；將有更多熱量傳導至地面，使棚內(nèi)地表、苗盤和水體的溫度更高，儲存的熱量更多；在光照減弱后，熱量釋放到空中，減緩棚內(nèi)氣溫下降速度，在另一方面提高了大棚保溫性能。但在氣溫低、光照較弱的雨雪天氣下，更高的大棚的保溫性略高。除了表面積與體積比值更低的原因外，還包括更高的大棚因更大體積的濕度較高的空氣增加了光的吸收率和熱容量，使大棚的保溫性略有提高。因而，高度對大棚保溫性能產(chǎn)生影響是多方面的，不同情況下不同高度的大棚保溫性狀的表現(xiàn)不同。在育苗大棚構(gòu)造設(shè)計中，根據(jù)棚體表面積與體積的比值理論，通過增加大棚面積和將大棚平面形狀設(shè)計為正方形，對提高大棚的保溫性能的效果顯著。但，單純通過增加大棚高度提高棚體保溫性能的意義不大。

由于烤煙育苗大棚周圍垂直覆蓋的圍膜的平均高度比棚頂覆蓋的薄膜的平均高度低50%以上，其導溫強度也顯著高于棚頂覆蓋的薄膜。同樣大小面積的大棚，隨棚體周長的增加，棚體圍膜的長度和面積也成比例地增加，大棚的保溫性能也將相應降低。因而，烤煙育苗大棚的周長與面積的比值也適宜作為衡量大棚保溫性狀方面的重要參考。

根據(jù)育苗大棚的周長與面積的比值原理，同樣可以得出衡量烤煙育苗大棚的保溫性能的棚體平面形狀和面積大小的方法。即烤煙育苗大棚平面形狀為正方形，能使同一面積的育苗大棚的周長與面積的比值最小化，從而最大限度地減少大棚與外界的接觸面積，減少大棚熱量傳導，提高大棚保溫性能。增加大棚長度和寬度，擴大大棚面積，同樣可以降低了育苗大棚的周長與面積的比值，提高烤煙育苗大棚的保溫性能。同樣形狀的大棚，棚體面積越大；同一面積的大棚，形狀越接近正方形；大棚周長與表面積比值均越小；保溫性越強。與烤煙育苗大棚表面積與體積的比值相比，去掉意義不大的高度的影響后，棚體周長與面積的比值在衡量大棚保溫性狀方面更具參考意義。

盡管烤煙育苗大棚保溫效果在一定范圍內(nèi)隨大棚面積或高度的增加或大棚平面更接近正方形，而提高或增強，但棚內(nèi)的升溫速度也隨之而下降。推測邊際效應和大棚本身形成的陰影是這方面的主要原因。如，當棚體的面積足夠小時，棚體外圍將有更充分的散射光從大棚的四周進入大棚，棚內(nèi)迎光地面與背光地面也因距離足夠小而光照強度和溫度接近。當大棚的面積足夠大、更高或大棚平面更接近正方形時，大棚外圍散射光僅迎光面部分有較多散射光進入棚內(nèi)，棚內(nèi)迎光面和背光面地面光照強度和溫度的反差增大；棚內(nèi)地面和棚外背光面的陰影面積占比加大，使棚內(nèi)地面光照強度降低，棚外背光面環(huán)境溫度更低；棚膜導溫性更強，從而降低了大棚的升溫速度。

提高大棚的保溫性狀的根本，是提高大棚光熱的利用率和減少棚體熱量的損失。烤煙育苗大棚構(gòu)造設(shè)計中，在降低薄膜厚度以增強其透光率，減小大棚面積、降低大棚高度以提高大棚升溫速度方面，與減少棚內(nèi)光照對外反射和輻射以增加光熱利用率，和降低棚膜熱量傳導，以及降低烤煙育苗大棚棚體表面積與體積比值、周長與面積比值，減少棚內(nèi)熱量流失方面存在多重矛盾。在大棚設(shè)計建造過程中，需要根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件和實驗總結(jié)，在大棚膜的厚度、大棚長度、寬度、高度、面積等方面之間尋找平衡點。

2 長沙煙區(qū)烤煙育苗大棚實際溫度狀況及改良措施

2.1 實際狀況

長沙煙區(qū)烤煙育苗期總體上氣溫較低，光照較少。即使是晴日或多云天氣，光照從早晨7：00～8：00到下午5：00全日照射的情況較少，往往一日之內(nèi)只有數(shù)十分鐘到數(shù)小時的陽光照射。較短的日照難以使烤煙育苗大棚快速升溫，達到棚內(nèi)20℃以上的種子發(fā)芽和煙苗生長的適宜溫度。同時，長沙煙區(qū)烤煙播種后的天氣存在很大不確定性，設(shè)施大棚對溫度的調(diào)控作用有限。多次出現(xiàn)因播種后陰雨寡照天氣時間較長，導致出苗期和成苗期延長、出苗率下降，出現(xiàn)不得不將計劃中的3月中、下旬移栽期推遲到3月底的情況。而在部分年份又因播種后，晴日天氣持續(xù)時間較長，成苗過早，導致一定程度的早花。

需要提高大棚的升溫、保溫性能為主的棚溫調(diào)控能力，使其具備在不同氣候條件下均能及時出苗、適時成苗的能力。在此基礎(chǔ)上，才具備適當推遲播種、縮短苗床期的條件。降低因播種后天氣原因造成的烤煙成苗過遲、移栽較晚、大田生育期不夠、成熟度降低或因播種過早造成烤煙成苗過早、煙株早花的風險。

2.2 改良措施

2.2.1 嚴把大棚選址關(guān)口

在烤煙育苗大棚選址方面，應避開風口、河道、工廠，選擇地勢較高、地面干燥、背風向陽的地方。以避開風力對大棚熱量的傳導，減少空氣中水分、灰塵對陽光的遮擋和對大棚環(huán)境溫度的降低作用，削弱地面對大棚熱量的傳導。大棚周圍適宜淺色、有較強反射光線的環(huán)境。避開茂密樹林環(huán)境，避免因樹木對光線的吸收，削弱大棚內(nèi)的散射光線照射，降低大棚周圍的環(huán)境溫度的結(jié)果。

2.2.2 優(yōu)化大棚設(shè)計

烤煙育苗大棚構(gòu)造方面，宜增加大棚的寬度，以增加大棚的寬長比，減小大棚的周長與表面積比值，提高大棚的升溫保溫性能。同時，面積更大、寬度與長度接近的大棚，還將因保溫性能的提高，顯著降低雨雪冰凍天氣下煙苗凍傷的風險。由于防塵網(wǎng)在一定程度上削弱了棚內(nèi)光照，建議將烤煙育苗大棚中的固定式防塵網(wǎng)改為可收放式防塵網(wǎng)。育苗期間，除雨雪天氣和天晴敞棚控溫時放下防塵網(wǎng)外，其余時間收起防塵網(wǎng)，以減小防塵網(wǎng)對光線的阻擋，最大限度利用光熱資源。

2.2.3 改變大棚栱棚結(jié)構(gòu)，降低大棚高度

目前，長沙煙區(qū)烤煙育苗大棚中棚高5.2 m，栱棚為半圓形結(jié)構(gòu)的大棚的升溫與保溫效果均比棚高5.7 m，栱棚為鋸齒形結(jié)構(gòu)的大棚好，成苗也更早。分析原因：前者的高度較小，升溫更快；而且，半圓形結(jié)構(gòu)的栱棚比鋸齒形結(jié)構(gòu)的栱棚表面積與體積的比值小，保溫效果更好。進一步推測，目前最低5.2 m的高度也并非適宜長沙氣候特點的最佳高度，還存在進一步降低的空間。但大棚高度大幅降低在煙苗生長過旺、需要控苗的情況下，將降低烤煙育苗大棚的控溫效果。而且，烤煙育苗大棚高度過低，將不利于工作人員大棚內(nèi)播種、間苗等作業(yè)。

理想狀態(tài)下的烤煙育苗大棚應該為：播種后的氣溫較低、日照時間較短的時期內(nèi)，大棚低層覆蓋透光性較好的較薄的薄膜，以利于更快地提升棚內(nèi)溫度，促進煙苗萌發(fā)。立春氣溫上升后，或者煙苗生長過快需要控苗時，高層覆蓋溫度變化更平緩的較厚的薄膜，以利于更好地控制棚內(nèi)溫度，控制煙苗的生長速度。雨雪嚴寒天氣下，則實行低層、高層薄膜雙層覆蓋，以利保溫防凍。

長沙煙區(qū)育苗大棚絕大部分為十余年前建造，設(shè)施簡單，溫度控制還是以人工手動為主，用工量大且不能準確控制溫度。部分大棚鋼筋結(jié)構(gòu)銹蝕，池面和卷簾結(jié)構(gòu)損壞。建議在對部分烤煙育苗大棚維修的同時，對大棚設(shè)施全面升級改造。如：將讀數(shù)溫度計更換為顯示靈敏的溫濕度顯示計，大棚內(nèi)安裝監(jiān)控、電動卷簾機、強制通風和增溫設(shè)施等，以利于節(jié)約控溫用工，并更精準地控制大棚溫度，培育壯苗。

3 結(jié)論

目前，長沙煙區(qū)烤煙育苗大棚綜合利用率不高，綜合利用的時間不長。限制烤煙育苗大棚綜合利用的最大障礙因子為棚內(nèi)夏、秋季溫度過高[1]。通過可調(diào)節(jié)的方式增加烤煙育苗大棚的高度，能顯著改善這一狀況，但增高后的大棚內(nèi)溫度，仍然難以控制在大部分作物適宜生長的溫度范圍內(nèi)。建議試點在部分育苗大棚安裝遮陽網(wǎng)、水簾、鼓風機等降溫設(shè)施；或進一步升級改造成信息化、智能化、自動化的設(shè)施功能齊全的大棚[2]。在更大范圍、更精準、更方便、快速、精準地控制育苗大棚的溫度的同時，為提高烤煙育苗大棚綜合利用率創(chuàng)造齊備的條件。因烤煙育苗大棚綜合利用率的提高，降低設(shè)施大棚的土地租賃成本的維修費用，為煙農(nóng)輔業(yè)增加收入提供新途徑。