下沉式日光溫室氣溫和土溫時(shí)空變化特征研究

劉淑梅　薛慶禹　李春

摘 要：為了分析日光溫室內(nèi)氣溫和土溫的時(shí)間和空間變化特征，在寶坻區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)土墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)下沉式日光溫室內(nèi)分別于中部和東部近門處設(shè)置2組氣溫觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)垂直分布5個(gè)高度點(diǎn)，距地面0～2.0 m，間隔0.5 m，每組從南至北設(shè)置5組，距南屋面交線1.7～9.5 m，間隔1.7 m。在溫室中央進(jìn)行地溫觀測(cè)，深度分別為0.1，0.2，0.3，0.4 m，試驗(yàn)結(jié)果顯示，溫室內(nèi)氣溫空間分布不均，南北向最高氣溫分布在溫室中間，南北逐漸降低，溫差為1.6～3.0 ℃；垂直向最高氣溫分布在0.5～1.5 m，溫度差為1.8～5.4 ℃，近門處氣溫最低。土溫變化較小，基本能滿足蔬菜生長(zhǎng)需求。建議靠近操作間20 m范圍內(nèi)種植耐低溫蔬菜為宜。

關(guān)鍵詞：日光溫室；氣溫；土溫；時(shí)間變化；空間分布

中圖分類號(hào)： S625 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.05.015

節(jié)能型日光溫室以其建筑成本低、運(yùn)行能耗少的特點(diǎn)迅速成為北方冬季蔬菜生產(chǎn)的主體[1-3]。然而，由于日光溫室主要依賴于自然光，一般內(nèi)部無(wú)加熱設(shè)施，在蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中，溫度一直是冬季棚室生產(chǎn)的關(guān)鍵制約因素[4-5]。若果菜在生長(zhǎng)過(guò)程遭遇低溫，果菜的品質(zhì)及產(chǎn)量均會(huì)受到嚴(yán)重影響，嚴(yán)重時(shí)還可能絕收。溫室生產(chǎn)季節(jié)內(nèi)，棚室內(nèi)氣象環(huán)境明顯受外界大氣條件影響[6]，在多云、晴天、連續(xù)低溫陰天等不同天氣類型狀況下，溫室氣溫和地溫的時(shí)間變化和空間分布呈現(xiàn)不同特征，所以，分析溫室內(nèi)氣溫和土溫時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)日光溫室生產(chǎn)減輕低溫災(zāi)害意義重大。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)于2011—2012年在天津市寶坻區(qū)城關(guān)鎮(zhèn)圣人莊村（39.73°N，117.28°E）的二代節(jié)能日光溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地地處華北平原東北端，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)型氣候，冬季月平均最低溫出現(xiàn)在1月，多年平均最低溫度-10.9 ℃，極端最低溫度-27.4 ℃。

1.1.2 棚室概況 試驗(yàn)溫室是東、西和北3面為土墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的日光溫室，鋼架結(jié)構(gòu)，溫室地面下沉0.5 m，東山墻建有出入門，連接操作間。棚室東西走向，東西長(zhǎng)100 m，南北跨度8.5 m，脊高4.5米，后屋面投影1.2 m，墻體為下寬上窄的梯形，底端寬度3.5 m，頂端寬度2 m，后屋面為木板加柴草泥土保溫層，冬季覆蓋稻草草苫保溫，草苫厚度5 cm，電動(dòng)卷簾機(jī)作動(dòng)力。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

自2011年12月1日—2012年2月29日，分別于溫室中央剖面，溫室中部，溫室近門處隔間設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。

在溫室中央剖面處，從南向北、從下到上安放U盤式溫度記錄儀（儀器型號(hào)：LITE5032P，測(cè)量范圍：-40～80 ℃，精確度：0.3 ℃，產(chǎn)地：以色列，生產(chǎn)廠商：Fourtec），儀器安裝空間分布見(jiàn)圖1。由南至北每隔1.7 m安置1組儀器，并依次編組A、B、C、D、E；每組儀器垂直間隔0.5 m，距地面距離分別為0，50，100，150，200 cm；數(shù)據(jù)采集間隔1 h。

于溫室中部安裝DZN1型農(nóng)田小氣候觀測(cè)儀（氣溫測(cè)量范圍：-40～50 ℃，精確度：±0.2 ℃；土壤溫度測(cè)量范圍：-40～80 ℃，精確度：±0.4 ℃；生產(chǎn)廠商：天津氣象儀器廠，產(chǎn)地：中國(guó)），分別測(cè)定溫室中部1.5 m處，土壤10，20，40 cm深度處的溫度，數(shù)據(jù)采集間隔10 min。

在溫室近門處的隔間剖面正中，設(shè)置垂直向觀測(cè)組（編組F組），自地面起每隔0.5 m布設(shè)一個(gè)U盤式溫度記錄儀（同上）。數(shù)據(jù)采集間隔為1 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室內(nèi)氣溫時(shí)間變化規(guī)律

從整個(gè)生長(zhǎng)季看，溫室內(nèi)最高溫變幅較大，2011年12月1日—2012年2月29日最高溫變幅30.4 ℃，最低13.1 ℃，最高43.5 ℃；最低溫變化平緩，觀測(cè)期內(nèi)變幅9.8 ℃，只有連續(xù)寡照達(dá)3 d以上最低溫才開(kāi)始出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，如：2011年12月4日—6日、2012年1月16日—20日（圖2）。最高溫主要受日照影響，日照百分率越高棚室內(nèi)白天所能達(dá)到最高溫的數(shù)值也越大。2011年12月1日—2012年2月29日的91 d內(nèi)，晴天56 d，少云及多云天氣15 d，寡照20 d，其中連續(xù)低溫寡照共有2次。

由圖3可知，棚室內(nèi)最高溫主要受日照影響[7]，寡照天氣條件下棚室內(nèi)所能達(dá)到的最高溫也較低，圖3-a為2012年1月16日至1月19日的連續(xù)4 d日照百分率低于20%，日間棚室內(nèi)最高溫低于15 ℃，隨著寡照天氣持續(xù)，溫室最低溫度逐漸下降，平均每日下降0.5 ℃；溫室內(nèi)約在13：00—

14：00時(shí)溫度達(dá)到最大值，8：00—9：00時(shí)溫度出現(xiàn)最小值。連續(xù)晴天溫室內(nèi)最高溫及最低溫均不斷提高，最高溫平均每日提高1.2 ℃，最低溫平均每日提高0.4 ℃；溫室內(nèi)約在14：00時(shí)溫度達(dá)到最大值，8：00—09：00時(shí)溫度出現(xiàn)最小值（圖3-b），晴陰天交替則更顯著地體現(xiàn)天氣類型對(duì)溫室內(nèi)溫度的顯著影響（圖3-c）。溫室內(nèi)約在14：00時(shí)溫度達(dá)到最大值，8：00—9：00時(shí)溫度出現(xiàn)最小值。

2.2 溫室內(nèi)土壤溫度時(shí)間變化規(guī)律

如圖4所示，隨著深度加深，溫度的總變幅逐漸變小[8]，10 cm土壤地溫全生長(zhǎng)季變幅32.1 ℃，20 cm地溫處變幅12.0 ℃，40 cm地溫變幅4.3 ℃；從土壤溫度日變化看，10 cm土壤處地溫日較差較大，達(dá)30.1 ℃；20 cm地溫日較差為6.9 ℃；40 cm地溫處地溫日變化最大值為1.2 ℃，土壤最高溫與最低溫幾乎相等，該處土壤溫度主要受外界氣象條件時(shí)序變化影響。

由圖5可見(jiàn)，土壤溫度受日照影響顯著，寡照天氣條件下，棚室內(nèi)最高地溫較低，圖5-a為2012年1月16日至1月19日的連續(xù)4 d日照百分率低于20%，日間棚室內(nèi)最高地溫低于15 ℃，隨著寡照天氣持續(xù)，最低溫度不斷下降，平均每日下降0.5 ℃；寡照日約14：00時(shí)地溫達(dá)到最大值，9：00—10：00時(shí)出現(xiàn)最小值。連續(xù)晴天溫室內(nèi)最高地溫及最低地溫均不斷提高，最高地溫平均每日提高1.5 ℃，最低地溫平均每日提高0.5 ℃；晴天10 cm地溫處約在13：00時(shí)溫度達(dá)到最大值，9：00時(shí)出現(xiàn)最小值，見(jiàn)圖5-b。晴陰天交替則更顯著地體現(xiàn)天氣類型對(duì)溫室內(nèi)地溫的顯著影響（圖5-c）。約在13：00—14：00時(shí)地溫達(dá)到最大值，9：00—10：00時(shí)出現(xiàn)最小值。

2.3 溫室內(nèi)氣溫空間變化規(guī)律

溫室內(nèi)不同高度從南至北的最高溫度分布存在相異的分布規(guī)律（表1）：（1）近地表空氣，由南到北最高溫存在雙峰分布，即由南到北存在“兩高兩低”的分布——距南側(cè)1.7 m處（A組）溫度較高，3.4 m處（B組）溫度較低，5.1 m（C組）及6.8 m（D組）處溫度最高，距南端8.5 m處（E組，后墻墻面）溫度較低；（2）距地表0.5 m空氣層，最高溫由南到北分布分別為：1.7 m處（A組）高、3.4 m處（B組）低、5.1 m處（C組）高、6.8 m（D組）及8.5 m（E組）處低；（3）距地面1.0 m處，由南至北溫度呈遞增趨勢(shì)，其中6.8 m處溫度與后墻面溫度相近；（4）距地面1.5 m處，最高溫由南至北呈“N”型分布，其中1.7 m（A組）與3.4 m（B組）處最高溫相近；（5）距地面2.0 m處，由南至北溫度呈遞增趨勢(shì)，在靠近后屋面處最高溫度達(dá)到最大。

溫室內(nèi)不同高度從南至北的最低溫度分布存在相異的分布規(guī)律（表2）：（1）近地表空氣，最低溫由南到北呈先下降后上升式分布——距南側(cè)1.7 m處（A組）溫度較高，3.4 m處（B組）溫度最低，此點(diǎn)以北溫度不斷升高；（2）距地表0.5 m空氣層，最低溫由南到北呈“N”型分布，1.7 m處（A組）較低、3.4 m（B組）與5.1 m（C組）處溫度較高、6.8 m（D組）較低、8.5 m（E組）處再次增高；（3）距地面1.0 m處，最低溫由南至北呈遞增趨勢(shì)，這與最高溫的溫度分布較一致；（4）距地面1.5 m處，最高溫由南至北呈增-減-增的規(guī)律分布，其中5.1 m（C組）與8.5 m（A組）處最低溫較高；（5）距地面2.0 m處，由南至北溫度呈“V”型分布，C組與A組處最低溫的溫度值較大。

棚室中央處溫度較高，靠近開(kāi)門位置的隔間溫度較低，表明開(kāi)門處熱量損失較嚴(yán)重，增溫保溫性能均較差；同時(shí)，棚室內(nèi)溫度分布不均必將導(dǎo)致內(nèi)部湍流發(fā)展，所以若考慮內(nèi)部溫度變化和分布必須考慮湍流作用的存在。

3 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析日光溫室內(nèi)氣溫、土溫的時(shí)空分布特征，結(jié)果表明，溫室內(nèi)溫度空間分布不均，在距溫室南端5.1 m處溫度較高，南北向溫度高溫度差為1.6～3.0 ℃；垂直向溫度差為1.8～5.4 ℃，近門處隔間垂直向溫差可達(dá)8.1 ℃。

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