不同類型大棚光環(huán)境特征比較研究

陳 菲，李勝利，孫志強

(河南農(nóng)業(yè)大學園藝學院，河南鄭州450002)

植物的生命活動都與光照密不可分，因為其賴以生存的物質基礎是通過光合作用制造出來的，因此溫室內的光照條件對作物的生長具有重要的影響［1］.雖然日光溫室、塑料拱棚被廣泛認可，但由于日光溫室、塑料拱棚占地面積小，土地利用率低，制約了保護地的發(fā)展.而巨型大棚可催生一批規(guī)模種植大戶，容易形成規(guī)模種植、專業(yè)化生產(chǎn)，易與市場、加工企業(yè)連接.因此，為了提高設施的土地利用率和栽培效果，河南農(nóng)業(yè)大學與河南省扶溝縣蔬菜局合作，設計建造了一種巨型塑料大棚，單棟面積在3 000 m2以上，是普通大棚的5倍以上.由于巨型大棚棚體較高，所以利用普通地膜作為一層或二層簡易保溫幕以增加設施的保溫效果.研究者曾對節(jié)能日光溫室光照強度的變化規(guī)律［2］，連棟塑料溫室的光照分布［3］，晴轉陰天氣日光溫室內光照度的日變化［4］進行過研究.但有關巨型大棚，特別是加多層保溫膜覆蓋后的光環(huán)境特點缺乏研究。因此，本研究通過對普通大棚、巨型大棚以及巨型大棚多層次覆蓋中太陽輻射量、太陽輻射透過率、太陽輻射水平測試比對，以找出其中存在的差異，進一步完善巨型棚的光環(huán)境，提高巨型棚中的光照強度、光分布.

1 材料與方法

試驗于2006-10—2007-03在河南省扶溝縣蔬菜局現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)進行，該地區(qū)30 a日平均最高氣溫20.0℃，平均最低氣溫9.5℃.月平均日照時數(shù)176.1 h以上，日照百分率48%以上.大棚均為南北走向.普通大棚為本地區(qū)廣泛使用的水泥骨架大棚，跨度8 m，長50 m，，肩高1.2 m，頂高2.5 m;巨型大棚為竹木結構，跨度為20 m，長100 m，肩高 1.5 m，頂高 3.5 m;2 種大棚均采用 0.10 mm厚的防霧滴薄膜覆蓋.巨型大棚加單層保溫膜覆蓋，在巨型大棚原有覆蓋的基礎上，采用普通地膜在距地面2.2 m處增設1層水平保溫覆蓋;巨型大棚加雙層保溫膜覆蓋，在加單層覆蓋膜的基礎上，采用普通地膜在距地面2.0 m處增設第2層水平保溫覆蓋.

1.1 試驗設計

本試驗設置4個處理，分別在普通大棚(Ⅰ)、巨型大棚(Ⅱ)、巨型大棚加單層保溫膜覆蓋(Ⅲ)以及巨型大棚加雙層保溫膜覆蓋(Ⅳ)中進行.在普通大棚中央位置沿東西方向每隔1.5 m取1個點，兩端的點距棚邊緣1 m，共計5個點，在巨型大棚中央位置沿東西方向每隔4.5 m選取1個點，兩端的點距棚邊緣1 m，共計5個點.從東到西編號依次為1，2，3，4，5.在外界選取 1 個無遮陰的固定點(CK)測量外界太陽輻射.使用上海嘉定學聯(lián)儀表廠生產(chǎn)的總輻射表測量太陽總輻射.

1.2 觀測方法

普通大棚(Ⅰ)和巨型大棚(Ⅱ)光環(huán)境特征比較于2006-10—2006-12進行，測定時從8:00—17:00用3臺儀器同時測定普通大棚、巨型大棚和外界的太陽輻射.測點高度距地面1.5 m處.巨型大棚(Ⅱ)、巨型大棚加單層保溫膜覆蓋(Ⅲ)以及巨型大棚加雙層保溫膜覆蓋(Ⅳ)光環(huán)境特征比較于2007-02—2007-03進行，測定時用4臺儀器同時測定3種大棚和外界的太陽輻射.測點高度距地面1.8 m處.測定順序均從1號到5號點.每隔1 h測量1次，每次測定3組數(shù)據(jù)進行平均，保證每次測試過程在10 min以內，從測定的數(shù)據(jù)中選擇晴天、陰天進行分析，對測定時間內的所有晴天、陰天不同時刻的數(shù)據(jù)進行平均，取其平均值.

2 結果與分析

2.1 不同天氣情況下2種大棚的太陽輻射量比較

從圖1～圖4可以看出，2種類型大棚的太陽輻射變化趨勢與外界基本上是同步變化的，普通大棚和巨型大棚內各觀測點從早晨開始逐漸上升，在12:00—13:00達到最大值，然后逐漸下降.這說明在大棚內的太陽輻射變化主要受外界環(huán)境的影響.從一天當中不同時刻不同測點的太陽輻射來看，2種類型大棚都表現(xiàn)為上午東邊測點的太陽輻射總量大于西邊，而下午西邊測點的太陽輻射總量大于東邊.如晴天普通大棚和巨型大棚測點1從8:00—12:00的太陽輻射總量分別為 579.93，549.29 W·m-2，而同期測點5的太陽輻射總量則分別為495.06和456.12 W·m-2，測點1比測點5分別高17.1%和20.4%.表明普通大棚內的太陽輻射高于巨型大棚.

表1 不同大棚的太陽輻射的透過率Table1 Transmission ratio of solar radiation in different greenhouse %

圖5 不同覆蓋層次大棚內旬太陽輻射比較Fig.5 Comparison of the average radiation in the different treatments in every ten day

2.2 不同天氣情況下兩種大棚的太陽輻射透過率比較

從表1可以看出，棚內全部測點太陽輻射透過率在一日內都是早晚較低，在13:00—14:00達到最大，這與郜慶爐等［5］的研究結果相類似.普通大棚和巨型大棚晴天太陽輻射透過率比陰天分別高12.9%和11.0%.2種類型大棚相比，晴天時普通大棚和巨型大棚日平均太陽輻射透過率分別為67.1%和63.7%，普通大棚比巨型大棚高3.4%;陰天情況下普通大棚和巨型大棚日平均太陽輻射透過率分別為54.2%和52.7%，普通大棚太陽輻射透過率比巨型大棚高1.5%.普通大棚的太陽輻射透過率高于巨型大棚.這可能主要與兩方面的因素有關，一是普通大棚的屋面弧度大于巨型大棚的屋面弧度，光線的入射角小，因此太陽輻射被反射的少;二是由于栽培期間巨型大棚空氣的相對濕度比普通大棚高，加劇了太陽輻射的吸收.

2.3 巨型大棚不同覆蓋層次旬平均太陽輻射比較

由圖5可以看出，隨著覆蓋層次的增加，棚內的太陽輻射呈遞減趨勢，如3月上旬，3個處理平均太陽輻射量分別為 268.1，246.8 和 236.5 W·m-2，外界的太陽輻射量為 365.7 W·m-2，3 者分別為 CK 的73.3%，67.5%和64.8%.隨著太陽輻射高度角的增大，3個處理太陽輻射的透過率有增大的趨勢，但2月中旬和3月中旬棚內的太陽輻射透過率則較低，這可能與這兩個時期陰天較多有關.

2.4 巨型大棚多層次覆蓋太陽輻射日變化比較

由表2，3可以看出，不同覆蓋層次棚內太陽輻射量的日變化與外界變化基本一致，在8:00輻射量最低，13:00最高;在晴天，3個處理的日平均太陽輻射量分別是 155.1，144.6，136.4 W·m-2，分別是外界的 77.1%，71.9%，67.8%，處理Ⅱ比Ⅲ高5.2%，處理Ⅲ比Ⅳ高4.1%;在陰天，3個處理的日平均太陽輻射量分別是外界的61.1%，53.1%，47.1%，處理Ⅱ比Ⅲ高8%，處理Ⅲ比Ⅳ高6%.

表2 不同覆蓋層次棚內太陽輻射比較Table2 Comparison of the radiation of the different layer plastic-covered tunnel greenhouse W·m-2

表3 不同覆蓋層次棚內太陽輻射的透過率Table3 Transmission ratio of the radiation in different layer plastic-covered tunnel greenhouse %

太陽輻射透過率隨著一天當中太陽高度角的增大而增大，同時受棚內空氣相對濕度的影響.從日平均太陽輻射透過率來看，在晴天，處理Ⅱ比Ⅲ高5.9%，處理Ⅲ比Ⅳ高4.2%;在陰天，處理Ⅱ比Ⅲ高7.6%，處理Ⅲ比Ⅳ高6.2%.這說明增加多層覆蓋后，在陰天對太陽輻射的阻隔作用比晴天對太陽輻射的阻隔作用大，這可能與陰天棚內空氣濕度大有關.

隨著覆蓋層次的增加，從8:00—17:00棚內太陽輻射量和太陽輻射透過率呈遞減趨勢，無論是晴天還是陰天，3個處理的太陽輻射量和太陽輻射透過率都是逐漸降低.

2.5 不同天氣條件下巨型大棚多層次覆蓋太陽輻射水平比較

圖6和圖7可以看出，在晴天不同測點太陽輻射的分布為東部＞中部＞西部，在西部出現(xiàn)1個弱光區(qū)域，而陰天不同測點太陽輻射分布變化各異.從不同處理太陽輻射分布來看，表現(xiàn)為3層覆蓋處理的太陽輻射分布最均勻，其次是3層覆蓋處理，單層覆蓋處理相對前兩者來說是太陽輻射分布最不均勻的，其中陰天太陽輻射的均勻程度高于晴天.隨著覆蓋層次的增加太陽輻射在棚內的分布趨于均勻，可能是由于光線在經(jīng)過保溫膜時，經(jīng)過多次的反射和投射，或者以漫射的形式最終進入棚內，從而使太陽輻射變得均勻;陰天太陽輻射主要是散射光，因而光照分布比較均勻，無明顯的強光區(qū).

3 結論與討論

普通大棚與巨型大棚均表現(xiàn)為上午東邊太陽輻射量大于西邊，而下午西邊的太陽輻射量大于東邊;晴天太陽輻射透過率大于陰天.2種棚相比，無論是晴天還是陰天，普通大棚的太陽輻射量比巨型大棚高;晴天普通大棚內的太陽輻射透過率比巨型大棚高3.4%，陰天普通大棚內的太陽輻射透過率比巨型大棚高1.5%，說明普通大棚比巨型大棚太陽輻射透過率高，而陰天對太陽輻射透過率的阻隔更大.這可能與巨型棚的屋面弧度與棚內相對濕度較高，加劇太陽輻射的吸收有關.因此應盡量優(yōu)化巨型大棚結構.使棚面弧度盡可能接近合理軸線.使用強度大，斷面積小的建材，減少遮光;選用透光率高、抗污染能力強、保溫性能好、耐候性良好的無滴膜，保證大棚具有良好的采光和保溫性能［6～9］;注意棚內通風排濕，調整作物布局以改善大棚內的光照條件.

巨型大棚多層次覆蓋之間相比，隨著覆蓋層次的增加，棚內的太陽輻射呈遞減趨勢，在晴天，3個處理Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的日平均太陽輻射量分別是外界的77.1%，71.9%，67.8%，處理Ⅱ比Ⅲ高 5.2%，處理Ⅲ比Ⅳ高4.1%;在陰天，3個處理Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的日平均太陽輻射量分別是外界的61.1%，53.1%，47.1%，處理Ⅱ比Ⅲ高8%，處理Ⅲ比Ⅳ高6%.說明增加多層覆蓋后，在陰天對太陽輻射的阻隔作用大于晴天，這可能與陰天棚內空氣濕度大有關.而隨著覆蓋層次的增加太陽輻射在棚內的分布趨于均勻，陰天太陽輻射的均勻程度高于晴天.整體上看，巨型大棚多層覆蓋后棚內太陽輻射透過率較低，因此應加強多層覆蓋下光環(huán)境的調控.科學安排群體結構，根據(jù)外界太陽輻射的變化適時拉開與關閉內保溫膜，在保溫室內溫度不降低的前提條件下充分增加進入棚內的太陽輻射量.

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