四種典型日光溫室性能差異研究

于威，頡建明，唐大為，楊森，鄭全浩

(1.蘭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)研究推廣中心，甘肅 蘭州　730010；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州　730070)

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四種典型日光溫室性能差異研究

于威1，2，頡建明2，唐大為1，楊森1，鄭全浩1

(1.蘭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)研究推廣中心，甘肅 蘭州730010；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

摘要：【目的】 對Q1、A2、H1、H2四種日光溫室不同天氣下的氣溫、地溫、濕度、太陽總輻射量、太陽輻射透過率、太陽輻射差值的日變化規(guī)律進(jìn)行研究；并對12月、1月、2月日光溫室內(nèi)外最低溫度、地溫、濕度、升降溫速率進(jìn)行比較.【方法】 采用U12-012溫濕度光照度記錄儀,使用“五點(diǎn)法”測定溫室內(nèi)室溫、地溫、濕度、輻射度及透光率.【結(jié)果】 在日光溫室室內(nèi)日變化中，夜間最低室溫由高到低排序?yàn)锳2，Q1，H2，H1；Q1地溫升溫最快且溫度最高；相對濕度由低到高排序是Q1H1>Q1>A2，降溫速度排序?yàn)镠2A2>H2>H1.【結(jié)論】 蘭州市日光溫室后土墻厚度應(yīng)該在178 cm左右，下沉深度應(yīng)控制在50 cm以內(nèi).

關(guān)鍵詞：日光溫室；溫度；相對濕度；透光率；蘭州市

設(shè)施農(nóng)業(yè)是在充分利用自然環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，用人工控制環(huán)境因子如溫度、光照、濕度、CO2等的方法來獲得作物最佳生長條件，從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、延長生長時(shí)間的目的.設(shè)施栽培的發(fā)展，不僅有利于合理開發(fā)利用國土、淡水、氣候等資源，而且能不斷提高勞動(dòng)、技術(shù)、資金等有機(jī)結(jié)合的集約經(jīng)營程度，從而獲得最大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[1-2].許多學(xué)者對日光溫室的環(huán)境特點(diǎn)及調(diào)控技術(shù)、高效節(jié)能日光溫室小氣候因子變化、日光溫室環(huán)境參數(shù)的測定及夏季日光溫室環(huán)境變化規(guī)律、外部環(huán)境氣象條件對日光溫室的影響等進(jìn)行了研究[3- 10]；趙統(tǒng)利等[11]對4種天氣條件下日光溫室主要環(huán)境因子的日變化作了比較分析.劉克長等[12]對日光溫室透光率、作物群體內(nèi)部光照分布進(jìn)行了研究；孫治強(qiáng)等[13]對黃淮改良型日光溫室內(nèi)不同部位的光照強(qiáng)度的日變化進(jìn)行了研究；宋明軍等[14]對甘肅省節(jié)能日光溫室采光設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與探討.本試驗(yàn)對蘭州地區(qū)4種典型結(jié)構(gòu)日光溫室的氣溫、地溫、光照等進(jìn)行分析，研究了4類溫室環(huán)境因子的變化規(guī)律，以期為蘭州市節(jié)能日光溫室的的設(shè)計(jì)建造及栽培管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考.

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)

供試日光溫室位于蘭州市榆中縣，試驗(yàn)地海拔1 480 m，年均降水量350 mm，蒸發(fā)量1 450 mm，年平均氣溫6.7 ℃，無霜期120 d.

1.2供試溫室

選擇蘭州市推廣使用的4種典型結(jié)構(gòu)的日光溫室，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.各溫室的保溫覆蓋材料均為保溫被，測試溫室栽培作物均為番茄.

表1　供試溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用U12-012溫濕度光照度記錄儀，如圖1所示，室內(nèi)室溫、地溫(負(fù)10 cm)、濕度測量采用“五點(diǎn)法”測定，取其平均值.測量室內(nèi)光照時(shí)選取2、4、5點(diǎn)，取其平均值.室外溫度測點(diǎn)為每一座溫室中部距溫室前部2.0 m遠(yuǎn)處，高度為1.0 m.每個(gè)類型3 座溫室室外3個(gè)測點(diǎn)平均值為當(dāng)?shù)氐氖彝鈿鉁?、地溫、光照、濕?圖1中的1、2、3分別位于溫室中部，4、5分別距溫室前端和后墻1.0 m.各觀測點(diǎn)每隔1 h測1次.測試時(shí)間為2011年10月15日～2012年3月1日.蘭州地區(qū)最低氣溫一般出現(xiàn)在12月份至次年1月份，因此以12月份為例選擇5 d晴天，5 d陰天數(shù)據(jù)分別求平均值，得出溫度、濕度、地溫、輻射度、透光率日變化曲線.選擇12月、1月、2月氣溫較低的3個(gè)月作為比較對象，取每月溫室內(nèi)外最低氣溫平均值，得出日光溫室內(nèi)外最低空氣溫度差異.

透光率=△E室內(nèi)/△E室外

式中：△E室內(nèi)為溫室內(nèi)部平均光照度；△E室外為溫室外部點(diǎn)平均光照度.

圖1　觀測點(diǎn)分布Fig.1　Distribution of observation points

K升=Tmax-T揭/△t

降溫速率(K降)=Tmax-Tmin/△t′

式中：K升為升溫速率，Tmax為最高溫度；Tmin為最低溫度；T揭為揭苫時(shí)溫度；△t為從最高溫度到揭苫時(shí)溫度所用時(shí)間，min；△t′為從最高溫度到最低溫度所用時(shí)間，min.

1.4數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用EXCEL 2003、SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析.

2結(jié)果與分析

2.1日光溫室內(nèi)環(huán)境日變化

2.1.1日光溫室內(nèi)氣溫日變化日光溫室(以下簡稱溫室)中光照是其獲取能量的主要來源，光是溫室內(nèi)氣候環(huán)境中的主導(dǎo)因子[15].溫室的采光性能，受脊高、內(nèi)跨、高跨比、后屋面高的影響[16].由圖2可以看出，不同結(jié)構(gòu)的溫室室內(nèi)溫度日變化趨勢基本一致，但日最低溫度存在顯著差異，晴天溫室內(nèi)氣溫波動(dòng)較大，Q1、A2、H1、H2型溫室日最高溫度與最低溫度差值分別為23.63，19.38，24.13 ℃、24.13 ℃，夜間最低氣溫排序?yàn)锳2>Q1>H2>H1.陰天各溫室室內(nèi)氣溫波動(dòng)相對較小，Q1在12∶00～14∶00波動(dòng)較為明顯，2 h溫度上升了3.23 ℃，后迅速下降.

圖2　日光溫室內(nèi)氣溫日變化Fig.2　Changing curve of temperature in the greenhouses

2.1.2日光溫室內(nèi)相對濕度日變化由圖3可知，溫室內(nèi)相對濕度日變化規(guī)律與空氣溫度的日變化規(guī)律呈負(fù)相關(guān).晴天溫室內(nèi)相對濕度變化幅度較大，一日內(nèi)各溫室相對濕度的最低值均出現(xiàn)在14∶00左右，中午時(shí)段相對濕度與早晚相對濕度間存在極顯著差異.Q1、A2、H1、H2最高相對濕度比各自最低相對濕度分別高53.55%、54.57%、42.23%和40.63%.平均相對濕度排序?yàn)镼1

圖3　日光溫室內(nèi)相對濕度日變化Fig.3　Changing curve of relative humidityin the greenhouses

2.1.3日光溫室內(nèi)地溫日變化如圖4所示，晴天各溫室10 cm 深處土壤溫度( 以下簡稱地溫) 均呈現(xiàn)先下降后升高再下降的變化規(guī)律.各溫室的最低地溫均出現(xiàn)在10∶00左右，Q1、A2、H1、H2最高地溫出現(xiàn)時(shí)間分別為16∶00、18∶00、16∶00和18∶00.其中Q1在10∶00～16∶00之間曲線斜率最大，說明Q1地溫升溫最快.A2地溫變化幅度最小.陰天平均地溫除Q1在16∶00左右略有明顯升高外，地溫整體呈下降趨勢.Q1、A2、H1、H2各溫室相同時(shí)間晴天與陰天平均地溫差值分別為：0.88、2.07、2.45、0.88 ℃.

圖4　日光溫室內(nèi)地溫日變化Fig.4　Changing curve of ground temperaturein the greenhouses

2.1.4日光溫室內(nèi)太陽總輻射度日變化由圖5可以看出，一日內(nèi)各溫室太陽總輻射最大值基本出現(xiàn)在13∶00左右，這與劉克長等[12]的研究結(jié)果基本一致.但Q1總輻射度最高值出現(xiàn)在12∶00，出現(xiàn)時(shí)間最早且持續(xù)時(shí)間最長.A2總輻射度最高值出現(xiàn)在14∶00，最高值出現(xiàn)時(shí)間最晚，且總輻射度下降速度最快.H2總輻射度最小，H2與Q1最高總輻射度的差值為98.45 W/m2.一日內(nèi)各溫室平均太陽總輻射度存在顯著差異.

圖5　日光溫室內(nèi)總輻射量日變化Fig.5　Changing curve of radiation in the greenhouse

2.1.5外界與日光溫室內(nèi)輻射差值日變化由圖6可以看出，太陽輻射差值日變化大致呈“M”型.一日內(nèi)溫室內(nèi)外太陽輻射差值在早、中、晚3個(gè)時(shí)段相對較低，10∶00～11∶00達(dá)到一次高峰，16∶00左右達(dá)到最大值.各溫室一日內(nèi)平均太陽輻射差值存在顯著差異.其中Q1一日內(nèi)平均太陽輻射的差值最小，H2一日內(nèi)平均太陽輻射差值最大，兩者差值為72.99 W/m2.

圖6　外界與日光溫室內(nèi)輻射差值日變化Fig.6　Changing curve of solar radiation differencebetween inside and outside the greenhouse

2.1.6日光溫室透光率日變化由圖7可以看出，各溫室透光率一日內(nèi)整體變化趨勢一致，均是早、晚較低，12∶00～14∶00 達(dá)到最高值.Q1透光率最大值出現(xiàn)最早、持續(xù)時(shí)間最長，且透光率最高.A2最大值出現(xiàn)最晚，但最大透光率與Q1基本相同.H2的最大透光率值最小，比Q1的最大透光率低21.79%.

2.2日光溫室升降溫速率比較

升降溫速率的數(shù)值反映了溫室升降溫速度的快慢.4類溫室的升溫、降溫速率均存在顯著差異，升溫速率排序?yàn)椋篐2>H1>Q1>A2，降溫速率排序?yàn)椋篐2

圖7　日光溫室透光率日變化Fig.7　Changing curve of ransmission ratioin the greenhouse

圖8　日光溫室升降溫速率的比較Fig.8　The comparison of the up and downtemperature rate in the greenhouse

2.3日光溫室最低空氣溫度比較

分析2011年冬季最冷時(shí)期12月～2012年2月數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，室外平均空氣最低溫度為-8.55 ℃.Q1溫室內(nèi)平均最低溫度為6.28 ℃，最低溫度在5 ℃以下的天數(shù)有23 d；H1溫室內(nèi)平均最低溫度為5.09 ℃，最低溫度在5 ℃以下的天數(shù)有29 d；H2溫室內(nèi)平均最低溫度為6.03 ℃，最低溫度在5 ℃以下的天數(shù)有27 d；A2溫室內(nèi)平均最低溫度為6.61 ℃，最低溫度在5 ℃以下的天數(shù)有21 d.由圖9可以看出，1月份室外溫度最低，平均溫度為-10.25 ℃，比12月和2月分別降低了1.55 ℃和3.55 ℃.但Q1、A2、H1、H2各溫室1月的平均最低溫度分別比12月降低了0.93、0.18、0.75和0.83 ℃；分別比2月降低了2.47、0.71、1.74和2.44 ℃.

圖9　外界與日光溫室最低溫度的比較Fig.9　The comparison of the lowest temperatureinside and outside the greenhouse

2.4日光溫室空氣相對濕度比較

從圖10可以看出，隨著時(shí)間的推移，各溫室空氣相對濕度均呈下降趨勢.2月份室外空氣濕度相對較低，分別比12月份和1月份下降了18.74%和13.13℃%.Q1、A2、H1、H2各溫室內(nèi)2月的相對空氣濕度分別比12月降低了14.45%、16.26%、15.18%和16.09%；分別比1月降低了14.63%、12.70%、11.07%和14.27%.每個(gè)月各溫室間相對空氣濕度差異顯著.

圖10　日光溫室相對濕度的比較Fig.10　The comparison of relative humidityin the greenhouse

2.5日光溫室地溫比較

蘭州市日光溫室主要進(jìn)行蔬菜生產(chǎn)，因此地溫的臨界溫度應(yīng)為12 ℃.由圖11可以看出，4類溫室3個(gè)月的平均地溫均在12 ℃以上，12月、1月、2月3個(gè)月平均地溫排序均為 ：Q1>A2>H2>H1.Q1、H2、A2分別比H1的平均地溫高2.49、0.82和2.18 ℃.此結(jié)果可能與溫室下沉深度有關(guān)，隨著下沉深度的增加地溫相應(yīng)升高.但A2比Q1下沉深度多0.5 m，3個(gè)月的平均地溫卻比Q1低0.3 ℃.可能由于A2下沉過深遮擋溫室前端地面太陽輻射，造成地面大面積陰影，影響了地面吸熱.1月室外地溫最低，分別比12月和2月低3.30℃和5.16℃.

圖11　日光溫室地溫的比較Fig.11　The comparison of ground temperaturein the greenhouse

A2溫室內(nèi)地溫變化幅度最小，其次是H2，變化幅度最大的是H1.Q1在3個(gè)月中地溫始終高于其他3類溫室.

3討論與結(jié)論

1)4類典型結(jié)構(gòu)日光溫室在各項(xiàng)指標(biāo)分析中整體規(guī)律基本一致.在綜合評價(jià)后，Q1溫室無論在氣溫、地溫、光照、升降溫速率等方面優(yōu)勢比較明顯.但在墻體厚度上可以加以優(yōu)化，蘭州市凍土層平均厚度為98 cm，按50 cm厚墻體內(nèi)層是對溫室環(huán)境貢獻(xiàn)最大儲(chǔ)熱和放熱層的理論[17-18]，再加30 cm的緩沖層，蘭州市日光溫室后土墻厚度應(yīng)該在178 cm左右.

2)日光溫室下沉一定深度有利于溫室內(nèi)部的保溫，使地溫、氣溫較為穩(wěn)定.但是下沉過深會(huì)導(dǎo)致溫室前半部分采光受到影響，使得溫室后半部陽光輻照度變高，有利于后墻體的蓄熱.由試驗(yàn)結(jié)果可知，A2下沉深度比Q1多50 cm，無論在氣溫、地溫、升溫速率、室內(nèi)輻照度、透光率上均遜色于Q1.因此蘭州市節(jié)能日光溫室下沉深度最好控制在50 cm之內(nèi).

3)理論上空氣相對濕度應(yīng)與空氣溫度呈反比.但是1月各溫室內(nèi)平均空氣溫度較12月和2月略有下降，空氣相對濕度卻呈現(xiàn)下降趨勢.這可能與農(nóng)事操作有關(guān)，1月是蘭州市氣溫最低的月份，在這個(gè)月往往以減少灌溉次數(shù)和減少灌水量來解決由于灌溉而引起的氣溫、地溫降低的問題.因此在1月份相對濕度的降低有可能與減少灌溉次數(shù)和減少灌水量有關(guān).H1和H2在1月均保持高濕狀態(tài)，這與溫室空間結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系，此類溫室空間較小，后屋面角相對較小，影響了室內(nèi)空氣縱向流動(dòng)，導(dǎo)致氣體與外界得不到很好的交換.

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(責(zé)任編輯趙曉倩)

Differences in performance of four sunlight greenhouse in Lanzhou

YU Wei1，2,XIE Jian-ming2,TANG Da-wei1,YANG Sen1,ZHENG Quan-hao1

(1.Lanzhou Agricultural Technology Research and Promotion Center,Lanzhou 730010,China;2.College of Hortculture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】 The daily variation law of air temperature,ground temperature,humidity ,total solar radiation,solar transmittance and solar radiation difference of four kinds of greenhouse was studied in different weather,comparing the lowest temperature,ground temperature,humidity,up- and -down temperature rate inside and outside the greenhouse in December,January and February.【Method】 Using U12-02 temperature-humidity- illuminance recorder to measure room temperature,ground temperature,humidity,radiosity and solar transmittance inside the greenhouse by five plot methods.【Result】 The lowest room temperature at night was in the decreasing order of A2,Q1,H2 and H1,the ground temperature of Q1 rose fastest reaching the highest.The sort of the relative humidity from high to low was Q1,A2,H2 and H1.Transmittance of Q1 was the highest.The total radiosity of Q1 appeared earliest,and lasted for the longest time.The heating rate order from the high to low was H2,H1,Q1,A2,and the sort of cooling rate took on the opposite change law.According to the cyclical changes inside and outside the greenhouse,the average daily minimum temperature of A2 was the highest.Average ground temperature of the four greenhouse were all above 12 ℃.The sort of monthly average ground temperature was in decreasing order of Q1,A2,H2 and H1.【Conclusion】 The thickness of back earth wall should keep about 178 cm and sunken depth within 50 cm of the greenhouse in Lanzhou area.

Key words：solar greenhouse；temperature；relative humidity；light transmittance；Lanzhou area

通信作者：頡建明，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事蔬菜學(xué)和設(shè)施園藝學(xué)的教學(xué)和研究.E-mail：xiejianming@gsau.edu.cn

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203002);甘肅省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(GNCX2013-37).

收稿日期：2015-03-17；修回日期：2015-05-12

中圖分類號：S 625.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)03-0077-06

第一作者：于威(1983-)，女，碩士，農(nóng)藝師，主要從事蔬菜栽培、設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日光溫室建造結(jié)構(gòu)的研究.E-mail：yuwei831@126.com