河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室溫光環(huán)境分析

祁光斌，頡建明，郁繼華，申磊，唐中祺，王瑞東

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州　730070)

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河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室溫光環(huán)境分析

祁光斌，頡建明，郁繼華，申磊，唐中祺，王瑞東

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

摘要：【目的】 研究GN-N10B日光溫室內(nèi)的溫度、光照環(huán)境特征，為設(shè)施生產(chǎn)中溫室環(huán)境的調(diào)控及改良提供理論依據(jù).【方法】 采用TP700數(shù)據(jù)采集器和TNHY-7型農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測儀，對10 m跨新型日光溫室結(jié)構(gòu)(GN-N10B型石墻鋼架日光溫室)的室內(nèi)氣溫、后墻內(nèi)表面溫度和光照強度進行多點連續(xù)監(jiān)測.【結(jié)果】 晴天條件下，溫室內(nèi)氣溫和后墻內(nèi)表面溫度在揭簾后(9∶30)開始升高，至14∶00和15∶00達到最高，分別為35.0 ℃、39.5 ℃，氣溫每小時升高4.4 ℃，溫室內(nèi)外平均溫差為21.6 ℃；陰天條件下，溫室內(nèi)氣溫和后墻內(nèi)表面溫度在10∶30開始緩慢升高，至13∶30和14∶30達到最高，分別為21.0 ℃和19.5 ℃，氣溫每小時升高1.4 ℃，溫室內(nèi)外平均溫差為16.9 ℃.整個越冬期(2014-12-12至2015-03-06)溫室內(nèi)平均最低溫度為12.3 ℃.晴天，白天溫室氣溫在升溫階段(9∶00～14∶00)南北方向分布較均勻，在降溫階段(14∶00～16∶00)分布不均勻，南、北兩端低，中間高，相差2.2 ℃；夜間溫室氣溫在水平方向分布均較均勻；在垂直方向，溫室氣溫隨高度的增加呈下降趨勢，近地面處氣溫高，中部和頂端氣溫低，相差1.0 ℃.晴天溫室內(nèi)光強≥10 klx的時長達到7.5 h，≥30 klx的時長達到4.5 h，可以滿足溫室內(nèi)作物正常生長.溫室平均透光率為68.95%.【結(jié)論】 GN-N10B型石墻鋼架日光溫室可滿足茄果類等喜溫性蔬菜越冬生產(chǎn)的需要，適宜在甘肅河西走廊及其氣候相似區(qū)域推廣應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：日光溫室；溫度；光照；日變化；河西走廊

作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的主體,日光溫室在解決我國蔬菜周年供應(yīng),增加農(nóng)民收入，促進農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高城鄉(xiāng)居民的生活水平等方面發(fā)揮著重要作用.甘肅河西走廊地區(qū)自20世紀90年代初開始推廣日光溫室[1]，歷經(jīng)20多年的發(fā)展歷程，經(jīng)過引進、消化、吸收和自我創(chuàng)新，部分地區(qū)現(xiàn)已形成了初具規(guī)模的優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)，對增加農(nóng)民收入做出了重要貢獻.當前，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，傳統(tǒng)的小跨度日光溫室已不能滿足日光溫室大型化、溫室作業(yè)輕簡化的要求，為了進一步增大溫室空間，改善光照條件，提高溫室性能，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院結(jié)合甘肅日光溫室主要分布區(qū)的氣候和自然資源條件，設(shè)計出了一種10 m跨新型日光溫室(GN-N10B型石墻鋼架日光溫室).該溫室已在酒泉、武威等日光溫室優(yōu)勢分布區(qū)域推廣應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的應(yīng)用效果.國內(nèi)對日光溫室溫光環(huán)境研究已有報道，孫治強等[2]研究了黃淮改良型日光溫室不同部位氣溫的日變化；鄒志榮等[3]對日光溫室溫度變化與熱量狀態(tài)進行了分析；張帆洋等[4]對下挖式日光溫室冬季溫光變化規(guī)律進行了研究；寶衛(wèi)通等[5]對影響酒泉市日光溫室內(nèi)環(huán)境變化的熱通量特性進行了分析.但針對河西走廊日光溫室溫光環(huán)境的研究尚無報道.本文采用TP700數(shù)據(jù)采集器和TNHY-7型農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測儀，對GN-N10B型石墻鋼架日光溫室氣溫、后墻內(nèi)表面溫度和光照強度進行多點連續(xù)測定，研究溫室內(nèi)溫度、光照日變化及其空間分布規(guī)律，以期進一步明確該溫室的溫度、光照性能，為設(shè)施生產(chǎn)中溫室環(huán)境調(diào)控及溫室結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化提供理論與技術(shù)依據(jù).

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2014年12月12日～2015年3月6日在甘肅省酒泉市肅州區(qū)(N 39°15″)總寨鎮(zhèn)設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園內(nèi)進行.園區(qū)年降水量85 mm，蒸發(fā)量2 148.8 mm，年日照時數(shù)3 033 h，平均無霜期130 d，年平均氣溫7.3 ℃，1月份平均氣溫為-9.7 ℃，低于0 ℃的時間為128 d.總寨園區(qū)始建于2009年，建有日光溫室1 800余座，園區(qū)內(nèi)土地為戈壁砂石地.

1.2日光溫室結(jié)構(gòu)及環(huán)境監(jiān)測儀器

1.2.1日光溫室結(jié)構(gòu)河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室為東西走向，前屋面為“幾”字型裝配式鍍鋅鋼架，后墻為石墻，跨度10 m，脊高4.6 m，后墻高度2.8 m，后屋面仰角42°，后屋面總長2.4 m，前屋面總長10.4 m.覆蓋0.07 mm厚藍色EVA高透性高保溫薄膜，夜間覆蓋2.5 cm厚、幅寬2.0 m的保溫被保溫，測試期間溫室內(nèi)種植作物為茄子，晴天9∶30揭簾，17∶00蓋簾，陰天揭簾時間推遲，蓋簾時間提前.數(shù)據(jù)分析中以揭簾至蓋簾的時間段為白天；以蓋簾至次日凌晨揭簾的時間段為夜間.溫室具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖1.

1.2.2監(jiān)測儀器溫度測定：采用深圳托普瑞電子有限公司生產(chǎn)的TP700熱電偶多路數(shù)據(jù)采集儀.工作溫度：-15～55 ℃，溫度測量范圍為-40～70 ℃，精度為±0.3 ℃的,數(shù)據(jù)記錄間隔10 min.

圖1　河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室剖面圖Fig.1　The structure of GN-N10B stone wall steel frame greenhouse in Hexi Corridor

光照強度測定：光強日變化采用浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的TNHY-7型農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測儀，測量精度為±20 lx；透光率采用臺灣泰仕電子儀器公司生產(chǎn)的TES-1300A數(shù)字式照度計，測量精度±3%，數(shù)據(jù)記錄間隔10 min.

1.3測點分布

1.3.1溫度測點分布垂直方向：在溫室中間距地面0.05、1.5、2.5 m高度分別布設(shè)3個探頭；南北方向：在溫室中間1.5 m高度，距北墻1.5 m和8.5 m布設(shè)2個探頭；東西方向：在1.5 m高度，在溫室中央及距東、西山墻各2 m處布設(shè)3個探頭；后墻內(nèi)表面溫度分布：在后墻中段內(nèi)表面豎直方向等距布設(shè)3個探頭.重復(fù)3次.所有探頭均連接在多通道數(shù)據(jù)采集器上自動采集數(shù)據(jù).

1.3.2光照測點分布在溫室1/2長度所在的平面，距地面1.5 m高度，由北向南布設(shè)3個測點，測定室內(nèi)光照強度，同時在溫室外空曠處設(shè)一個測點，測定室外光照強度.

2結(jié)果與分析

2.1日光溫室內(nèi)溫度日變化及分布規(guī)律分析

2.1.1不同天氣條件下日光溫室內(nèi)溫度日變化規(guī)律由圖2可以看出，晴天和陰天日光溫室內(nèi)溫度變化趨勢基本一致，表現(xiàn)出隨日出日落發(fā)生降-升-降的變化特征.晴天9∶30揭簾后溫度開始升高，至14∶00達最高，為35 ℃，其升溫速率為4.36 ℃/h；14∶00通風后開始迅速降溫，通風時間段降溫速率為6.45 ℃/h；16∶00閉風后溫度再次回升至31 ℃，夜間(17∶30～次日10∶30)緩慢下降，夜間溫度維持在12.5 ℃以上.陰天10∶00揭簾后室內(nèi)溫度開始升高，至13∶30達到最高，為21 ℃，其升溫速率為1.43 ℃/h.由于陰天不通風，13∶30后溫度開始逐漸降低，17∶30降為15.6 ℃，其降溫速率為1.35 ℃/h，17∶30蓋簾后溫度有升高趨勢，夜間(18∶00～次日10∶30)溫度緩慢降低，夜間溫度基本維持在10 ℃左右.由此可見，晴天溫度的最大值及變化幅度均大于陰天.

圖2　不同天氣條件下日光溫室內(nèi)溫度的日變化Fig.2　Diurnal variation of temperature inside the solar greenhouse in different weather condition

由圖3可以看出，晴天和陰天日光溫室后墻內(nèi)表面溫度均呈先上升后下降的趨勢，但二者變化幅度存在明顯差異.晴天和陰天溫室后墻內(nèi)表面溫度均在15∶00達到最高，分別為 38.5 ℃和 19.5 ℃.

由圖2和圖4可以看出，晴天日光溫室內(nèi)外溫差在0∶00～9∶30重復(fù)出現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，室內(nèi)溫度至9∶30達到最低，為15.6 ℃，室外溫度至10∶30達到最低，為0 ℃，二者之后逐漸增大，室內(nèi)至 14∶00達到最大，為35 ℃，室外溫度至16∶00達到最大，為7 ℃.13∶00～14∶00溫室內(nèi)外溫差快速減小，14∶00～16∶00溫差迅速增大，此后，16∶00～23∶30日光溫室內(nèi)外溫差緩慢減小，全天的平均溫差為21.61 ℃.陰天溫室內(nèi)外溫差0∶00時最高，為20.1 ℃，此時溫室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，室外溫度卻很低，15∶30時最高，為3.5 ℃，這個時段溫室內(nèi)溫度升高幅度比室外溫度的幅度小，全天的平均溫差為16.9 ℃.

圖3　不同天氣條件下室外溫度日變化Fig.3　Diurnal variation of temperature outside the salar green house in different weather condition

圖4　日光溫室后墻內(nèi)表面溫度日變化Fig.4　Diurnal variation of temperature inner surface of back wall in solar greenhouse

2.1.2日光溫室內(nèi)溫度水平分布規(guī)律由圖5、6可以看出，日光溫室東西和南北方向不同位置的氣溫日變化趨勢基本一致.白天在南北方向，在1.5 m高度以上空間，日光溫室內(nèi)中部 (距北墻5.0 m)氣溫最高,由此向北向南遞減；在0.5 m高度空間，南端氣溫 (距北墻8.5 m)最高,由此向北逐漸降低，溫差達1.2 ℃左右.這與郜慶爐等[6]研究結(jié)果相同.在東西方向上，受山墻和太陽角度的影響，晴天上午距東山墻2 m左右區(qū)域氣溫明顯低于中部和西部，下午15∶00以后距西山墻2 m左右區(qū)域氣溫明顯低于中部和東部.不論是南北方向還是東西方向，夜間日光溫室內(nèi)氣溫分布較均勻.

圖5　日光溫室東西方向不同測點氣溫日變化Fig.5　Diurnal variation of different location temperature from east to west in solar greenhouse

圖6　溫室南北方向不同測點氣溫日變化Fig.6　Diurnal variation of different location temperature from south to north in sola greenhouse

2.1.3日光溫室內(nèi)溫度垂直分布規(guī)律由圖7可以看出，晴天溫室內(nèi)氣溫在垂直方向上呈明顯的梯度變化.在白天 (9∶30～17∶30)，隨著距離地面高度的增加，氣溫呈遞減趨勢，其中距地面0.05 m高度氣溫最高，平均溫度達28.3 ℃，距地面2.5 m高度氣溫最低，平均溫度達25.4 ℃；夜間 (17∶00～次日9∶30)，距地面0.05 m高度氣溫最高，平均溫度達19.8 ℃，而距離地面1.5、2.5 m高度氣溫沒有差異，說明夜間降溫階段，由于土壤向溫室內(nèi)的放熱作用，導(dǎo)致溫室內(nèi)靠近地表的溫度比上層溫度高.

2.2日光溫室光照狀況分析

2.2.1日光溫室內(nèi)光照日變化規(guī)律由圖8可以看出，溫室內(nèi)光照日變化呈現(xiàn)顯著的單峰變化趨勢，揭簾后溫室內(nèi)光強開始急劇升高，至13∶00達到最高，為58.5 klx，達到峰值后開始降低.像茄果類蔬菜，辣椒[7]光飽和點僅為30 klx，茄子[8]光飽和點為40 klx,番茄[9]和西瓜[10]正常生長的光強在3～3.5 klx.溫室內(nèi)光強≥10 klx的時長達到7.5 h，≥30 klx的時長達到4.5 h，可以較好地滿足溫室內(nèi)作物正常光合作用.根據(jù)晴天(2015-1-05)日光溫室內(nèi)中部距地面1.5m處測點的光照日變化趨勢，添加二項式趨勢線，對方程作顯著性檢驗，其相關(guān)系數(shù)r=0.944>r0.01=0.590，表明冬季晴天日光溫室內(nèi)日光照強度y與時間x有較高的擬合度，可以預(yù)測冬季晴天日光溫室內(nèi)早上揭簾之后至晚上蓋簾之前任意時刻的光照強度，方便制定合理的溫室管理辦法.

圖7　垂直方向不同高度溫室平均氣溫的分布規(guī)律Fig.7　The distribution regular of temperature vertical direction in solar greenhouse

圖8　日光溫室室內(nèi)光照強度的日變化Fig.8　Daily change of light intensity inside solar greenhouse

2.2.2日光溫室內(nèi)外光照強度的關(guān)系以溫室內(nèi)3個測點的光照強度平均值為y,溫室外光照強度為x，對二者進行回歸相關(guān)分析，并作散點圖(圖9)，擬合方程y=0.689 5x-2.187 1，相關(guān)系數(shù)r=0.965，經(jīng)F檢驗，相關(guān)性達到極顯著.斜率k=0.689 5表示該溫室的平均透光率達到68.95%，光照環(huán)境良好.也可以通過該回歸方程估算GN-N10B日光溫室在不同區(qū)域、不同季節(jié)的光照強度.

圖9　日光溫室室內(nèi)外光照強度散點圖Fig.9　Scatter diagram of light intensity inside and outside solar greenhouse

2.2.3日光溫室內(nèi)光照強度的空間分布規(guī)律由表1可以看出，晴天日光溫室內(nèi)光照空間分布因天氣條件各有不同，而且不同區(qū)域的光照差異也很大.在距地面0.5 m高度，由南向北光照逐漸降低，在北墻根處最低，平均為66.5 klx；在距地面1.0、1.8 m高度，日光溫室跨度中部區(qū)域光照最強，向南北遞減，溫室北部位置光照最弱，南端次之；在東西方向，由于受到東西山墻的影響，除了早晚分別在東西兩端形成兩個三角形陰影弱光區(qū)，中午前后光照在東西方向上分布較為均勻.為了保證冬季溫室內(nèi)有良好的光照條件，應(yīng)該定期清掃棚膜表面污垢，提高棚膜的透光率.不同部位光照的差異是造成溫室內(nèi)局部溫差的主要原因，也是導(dǎo)致作物生長不一致的主要原因[11-12].

3討論與結(jié)論

晴天和陰天河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室內(nèi)氣溫和后墻內(nèi)表面溫度均表現(xiàn)為降-升-降的趨勢，晴天溫度的最大值和溫度的變化幅度均明顯高于陰天，且晴天溫室氣溫和后墻內(nèi)表面溫度的最大值出現(xiàn)的時間均比陰天延后1 h，這是由于陰天日光溫室沒有直接的太陽輻射，獲得的熱量少，溫室氣溫和后墻內(nèi)表面溫度升高緩慢造成的.密閉條件下，太陽輻射可以轉(zhuǎn)化成熱能，提高溫室內(nèi)氣溫，晴天溫室內(nèi)獲取的太陽輻射強，升溫快，陰天太陽輻射弱，氣溫上升慢，晴天晚上溫室內(nèi)外溫差比陰天晚上要大，因此晴天晚上氣溫下降快，陰天晚上氣溫下降慢.

表1　晴天日光溫室內(nèi)光照強度空間分布情況

測定時間：2015年1月20日中午12∶00.

河西走廊地區(qū)日光溫室以種植茄果類等喜溫性蔬菜為主，溫室溫光條件的均勻性影響設(shè)施內(nèi)作物生長的整齊度和經(jīng)濟產(chǎn)量[13].晴天條件下，河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室南北方向氣溫分布較均勻；東西方向，由于東西山墻和太陽高度角的影響，早晚會形成短時的三角陰影區(qū)，氣溫會有短時的下降，可通過張掛反光幕來改善溫室內(nèi)光照條件，提高溫度；在垂直方向，溫室氣溫隨高度的增加呈下降趨勢，近地面處氣溫高，中部和頂端氣溫低，相差1.0 ℃.唐中祺等[14]研究認為GN-N10B型石墻鋼架10 m跨度的日光溫室冬季升溫保溫性最好，總體性能優(yōu)于傳統(tǒng)溫室，適宜在河西走廊及氣候相似區(qū)域推廣.

在晴天條件下，河西走廊GN-N10B型日光溫室內(nèi)外的光照強度呈直線正相關(guān)，溫室內(nèi)光照日變化呈拋物線趨勢，且可以用二項式高度擬合，可以根據(jù)該方程估算該結(jié)構(gòu)日光溫室在不同區(qū)域、不同季節(jié)的光照強度；日光溫室內(nèi)光強的分布明顯存在空間上的差異,此與劉克長等[15]的研究結(jié)果一致.據(jù)此可以在水平、垂直空間上合理安排作物,形成合理的群體結(jié)構(gòu),充分利用日光溫室內(nèi)的空間.

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(責任編輯胡文忠)

Analysis on temperature and light of solar greenhouse called Hexi corridor GN-N10B stone wall steel

QI Guang-bin,XIE Jian-ming,YU Ji-hua,SHEN Lei,TANG Zhong-qi,WANG Rui-dong

(College of Horticulture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】 This study was carried to observe the diurnal variation regulations of air temperature,illumination intensity and distribution of inner space of GN-N10B stone-wall-steel solar greenhouse (a new structure with 10 m span ) . 【Method】 The air temperature,inner surface temperature of back wall and illumination intensity were monitored with TP700 data collector and TNHY-7 agricultural meteorology monitor.【Result】 On sunny day,air temperature and inner surface temperature of back wall began to rise after 9∶30,at 14∶00 and 15∶00 were the highest,which were 35.0 ℃ and 39.5 ℃ respectively,air heating rate was 4.4 ℃ per hour,mean temperature difference inside and outside greenhouse was 21.6 ℃.On cloudy day,air temperature and inner surface temperature of back wall began to rise slowly after 10∶30,at 13∶30 and 14∶30 reached the peaks 21.0 ℃ and 19.5 ℃ respectively,air heating rate was 1.4 ℃/h,mean temperature difference inside and outside was 16.9 ℃.The average minimum temperature was 12.3 ℃ in greenhouse during the winter period (December 12 nd,2014 to March 6th,2015).On sunny day,in the daytime,the air temperature rose synchronized and distributed equally on the north-south line during temperature-rise period (9∶00-14∶00);during temperature-fall period (14∶00～16∶00),it was difference,intermediate region was higher than south and north region by 2.2 ℃;in the nighttime,the air temperature distributed equally in horizontal direction,but in the vertical direction,it decreased with the increase of the height,near-ground temperature was higher by 1.0 ℃ than the top.On sunny day,it lasted for 7.5 h while greenhouse illumination intensity≥10 klx,and 4.5 h≥30 klx,it could satisfy the need of normal growth of crops.The mean transmittance was 68.95%.【Conclusion】 GN-N10B stone-wall-steel solar greenhouse could satisfy the need of thermophilic vegetable in winter,which is suitable and ought to be popularized and applied in the Hexi corridor of Gansu province and the similar climate region.

Key words：solar greenhouse;temperature;illumination intensity;diurnal variation;Hexi Corridor

通信作者：頡建明，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝栽培生理方面的教學(xué)與研究.E-mail:xiejianming@gsau.edu.cn

基金項目：農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))專項(201203002)；甘肅省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項目(GNCX-2013-37).

收稿日期：2015-03-23；修回日期：2015-04-48

中圖分類號：S 625.1

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)01-0084-06

第一作者：祁光斌(1988-)，男，碩士研究生，研究方向設(shè)施蔬菜栽培生理與生長調(diào)控.E-mail：qgb20090711@126.com