不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)對(duì)日光溫室土壤熱特性的影響

石玉，潘媛媛，張毅，李姝，李梅蘭，侯雷平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801)

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不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)對(duì)日光溫室土壤熱特性的影響

石玉，潘媛媛，張毅，李姝，李梅蘭，侯雷平*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801)

[目的]土壤是高熱容介質(zhì)，其溫度與熱通量變化可在一定程度上反映不同墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的蓄熱保溫性能差異。為探明不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)對(duì)日光溫室土壤熱特性的影響。[方法]本試驗(yàn)以磚土復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)(雙24 cm厚磚墻內(nèi)夾50 cm厚黃土)、磚煤復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)(雙24 cm厚磚墻內(nèi)夾50 cm厚煤渣)、磚苯復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)(37 cm厚磚墻外貼10 cm厚苯板)日光溫室為研究對(duì)象，通過(guò)分析冬季溫室內(nèi)夜溫、典型天氣下10 cm深度處土溫、同一溫室不同土壤深度間的溫度變化規(guī)律、同一深度不同溫室間的溫度變化規(guī)律、土壤溫度與土壤熱通量日變化規(guī)律等，初步評(píng)價(jià)了不同墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的土壤熱特性差異。[結(jié)果]磚土溫室的土壤熱穩(wěn)定性和蓄熱保溫性能最好，而磚苯溫室的隔熱效果最好、白天接受太陽(yáng)輻射后土壤升溫最快。[結(jié)論]綜合考慮，磚土復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的土壤熱特性較優(yōu)，有利于作物維持較高的根系活力，在晉中地區(qū)的推廣應(yīng)用前景較好。

日光溫室； 復(fù)合墻體； 土壤熱性質(zhì)

近年來(lái)，隨著我國(guó)保護(hù)地栽培面積的迅猛增長(zhǎng)，設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)在促進(jìn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)民持續(xù)增收和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)繁榮等方面的作用愈發(fā)突出[1]。在各類園藝設(shè)施中，山西省以高效節(jié)能日光溫室為主，約占設(shè)施栽培面積的一半以上[2]，日光溫室良好的增溫、保溫性能為全省園藝作物的反季節(jié)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供了有力保障。

日光溫室北、東、西三面環(huán)墻，墻體的構(gòu)造形式直接影響溫室的保溫、蓄熱性能。復(fù)合墻體是目前常見(jiàn)的日光溫室墻體結(jié)構(gòu)，由實(shí)心磚、蓄熱材料、隔熱材料等分層復(fù)合而成，可在白天增加溫室蓄熱量，夜間則降低熱散失，使室溫保持在較高水平[3]。溫室內(nèi)土壤是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要載體，土壤熱特性受到室內(nèi)外氣溫、溫室墻體結(jié)構(gòu)等多種因素共同影響。Nawalany等[4]研究發(fā)現(xiàn)，土壤的強(qiáng)化換熱由溫室內(nèi)空氣流動(dòng)引起，同時(shí)土壤在一定程度上對(duì)溫室內(nèi)小氣候的穩(wěn)定性有所貢獻(xiàn)。李建設(shè)等[5]研究顯示，不同天氣條件下日光溫室內(nèi)土壤表面的全天放熱總量總是大于北墻放熱總量，表明土壤對(duì)周期性熱變化的緩沖性能優(yōu)于墻體。Swinton等[6]探討了16種磚苯復(fù)合墻體對(duì)溫室土壤熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)聚苯板厚76 mm時(shí)室內(nèi)土壤的散熱量和熱耗損最小。

近年來(lái)，關(guān)于日光溫室復(fù)合墻體的構(gòu)造方式及其對(duì)土壤熱特性影響的相關(guān)研究較多，但同一種墻體結(jié)構(gòu)在不同地區(qū)的適用性還有待檢驗(yàn)。本試驗(yàn)以晉中地區(qū)易獲取、成本低廉的廢煤渣和黃土等作為墻體填充材料，研究不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)對(duì)日光溫室土壤熱特性的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化日光溫室的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)提供參考。

1 試驗(yàn)溫室與測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)溫室位于山西省晉中市太谷縣(112°34′E，37°25′ N)。試驗(yàn)溫室均坐北朝南、東西延長(zhǎng)，采用復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。前屋面覆蓋長(zhǎng)壽無(wú)滴膜，保溫被由針刺氈與防水塑料復(fù)合而成，自動(dòng)卷簾機(jī)卷放。后屋面覆蓋10 cm厚聚苯板和兩層防水保溫被，傾角為45°。三座溫室的墻體結(jié)構(gòu)分別為(從室內(nèi)到室外)：24 cm磚墻+50 cm黃土+24 cm磚墻(磚土溫室)、24 cm磚墻+50 cm煤渣+24 cm磚墻(磚煤溫室)、37 cm磚墻+10 cm聚苯板(磚苯溫室)。

圖1 試驗(yàn)溫室結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Structure profile of the test solar greenhouses

1.2 測(cè)試方法

測(cè)試時(shí)間為2014年12月至2016年1月。氣溫測(cè)點(diǎn)布置：在試驗(yàn)溫室內(nèi)正中部及室外空曠地距地面垂直距離1.5 m處分別布設(shè)測(cè)點(diǎn)。土溫測(cè)點(diǎn)布置：3座溫室內(nèi)均沿中軸線、相對(duì)于溫室中心處偏東1.5 m(以避開前屋面未卷保溫被的固定陰影)，土壤深度分別為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm；室外測(cè)點(diǎn)選擇空曠處，深度為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm。采用HOBO U12-013自動(dòng)記錄儀測(cè)定室內(nèi)外空氣溫度。采用HOBO UX120-006M多通道高精度自動(dòng)記錄儀測(cè)定土溫。測(cè)試期間3座溫室的保溫被揭蓋時(shí)間相同。

溫室內(nèi)的土壤表面可視為單層平壁，忽略熱量緩沖，以垂直方向上的熱傳導(dǎo)計(jì)算土壤熱通量[4]:

式中：q表示土壤熱通量，W·m-2；θi表示土壤表層的溫度，K；θg表示土壤深層的溫度，K；λs表示土壤的熱容(估值為1.9 W·m-2·K-1)，Rsi估值為0.315 m2·K·W-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室冬季夜溫比較

冬季夜間溫度高低是衡量日光溫室蓄熱保溫性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。表1是不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的冬季夜溫比較結(jié)果。由表1可知，在不加溫情況下，3種復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)的日光溫室仍可維持較高的最低夜溫，能夠滿足大多數(shù)蔬菜作物的生長(zhǎng)發(fā)育需求。其中，磚土溫室在2015年11、12、2016年1月份的最低夜溫較高，比磚煤溫室、磚苯溫室高約1.37 ℃～2.46 ℃。冬季磚土溫室的平均夜溫為12.86 ℃，高于磚煤溫室的9.18 ℃、磚苯溫室的10.06 ℃，進(jìn)一步說(shuō)明磚土溫室的保溫性較好，更有利于作物安全越冬。

2.2 典型天氣下不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室土壤溫度日變化規(guī)律分析

圖2反映了典型天氣下不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)對(duì)日光溫室10 cm深度處土壤溫度的影響。由圖2可以看出，日光溫室內(nèi)土壤溫度高低與溫室墻體結(jié)構(gòu)、室外天氣情況等因素有關(guān)。陰天時(shí)，由于室內(nèi)光照較弱，三種墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的土壤溫度變化較為平緩且基本呈直線型，磚土溫室、磚煤溫室、磚苯溫室的平均土壤溫度分別為13.2 ℃、11.2 ℃、10.3 ℃。晴天時(shí)，溫室內(nèi)光照較為充足，土壤升溫較快，10 cm深度處土壤溫度均呈“降低-升高-降低”的變化趨勢(shì)；0∶00～10∶00磚土溫室、磚煤溫室、磚苯溫室內(nèi)土壤溫度逐漸減低且降溫幅度分別為0.9 ℃、1.6 ℃、1.4 ℃，10∶00后土壤溫度開始升高且到15∶30達(dá)到最大值，分別為13.5 ℃、14.1 ℃、15.2 ℃，之后3種墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的土壤溫度分別以0.1 ℃·h-1、0.4 ℃·h-1、0.6 ℃·h-1的幅度降低。整體而言，磚土溫室的土壤溫度日變化較平緩且在晴天夜間時(shí)土壤溫度較高，利于根系生長(zhǎng)；而磚苯溫室的土壤溫度日變化較大且在晴天時(shí)夜溫偏低，低根際溫度危害發(fā)生的可能性較大。

表1 不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室冬季夜溫比較

注：表中數(shù)值是日光溫室正中心距離地面1.5 m高度處的相應(yīng)數(shù)據(jù)

Note: The values in the table are the corresponding data at the height of1.5 m above ground in the center of greenhouse

圖2 典型天氣下不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)對(duì)日光溫室10 cm深度處土壤溫度的影響Fig.2 Effects of different compound wall structure on soil temperature of 10 cm depth in solar greenhouse under typical cloudy day and sunny day

2.3 不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室不同土壤深度處的溫度變化規(guī)律分析

10∶00和16∶00是日光溫室白天升溫和降溫的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。圖3反映了不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室不同土壤深度處的溫度變化規(guī)律。由圖3可知，不同時(shí)間點(diǎn)、不同墻體結(jié)構(gòu)日光溫室土壤溫度隨土壤深度的變化規(guī)律不同。10∶00時(shí)，磚土溫室0～15 cm土層的溫度變化微小，但20 cm深度處的土溫明顯升高，可能與10∶00時(shí)熱量由深層土層向淺層土壤傳遞有關(guān)；磚煤溫室的土壤溫度隨深度增加而隨之升高，到15 cm土層處溫度基本維持穩(wěn)定，說(shuō)明熱量也是由深層土壤向淺層土壤傳遞；磚苯溫室的土壤溫度在10 cm土層處最高，而淺層和深層土層的溫度均較低，可能是由于10∶00時(shí)磚苯溫室的土壤熱量由10 cm土層分別向淺層和深層土壤雙向傳遞所致。16∶00時(shí)，磚土溫室的土壤溫度隨深度的變化較為平緩；磚煤溫室的土壤溫度隨深度增加先升高后趨于平緩，其中在10 cm土層處的溫度最高，可能與熱量由10 cm土層處向土壤表面?zhèn)鬟f有關(guān)；磚苯溫室的土壤溫度隨深度增加先降低后升高，5 cm和20 cm土層處的溫度明顯高于10 cm、15 cm處，說(shuō)明其熱量由淺層和深層土壤向中層土壤傳遞。整體而言，在冬季白天溫室升溫和降溫的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，磚土溫室的土壤溫度隨深度的變化較平緩且整體優(yōu)于磚煤溫室和磚苯溫室，表明磚土溫室的耕層(0～20 cm)溫度環(huán)境更為穩(wěn)定，利于保持較高的根系活力。

2.4 同一深度不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室土壤溫度比較分析

一般情況下，深層土壤受溫室環(huán)境的影響較小，而淺層土壤不僅與深層土壤之間存在著熱量交換，還受到溫室墻體蓄放熱性能、室內(nèi)空氣溫度等因素的影響。圖4對(duì)同一深度不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室土壤溫度進(jìn)行了比較分析。由圖4可以看出，5 cm土層處的溫度日變化較大且與室溫的波動(dòng)趨勢(shì)相似，其中磚苯溫室以1.4 ℃·h-1的速度升溫、以0.8 ℃·h-1的速度降溫、最低溫度為9.3 ℃，磚土溫室、磚煤溫室5 cm土層處的最低溫度維持在11.7 ℃、10.7 ℃，說(shuō)明磚苯溫室的蓄熱能力較好，而磚土溫室的保溫效果更佳；從10 cm土層處開始到20 cm土層處，同一溫室、同一土層的溫度日變化幅度趨緩。同時(shí)，10 cm土層處磚土溫室比磚煤、磚苯溫室的土壤溫度高出1 ℃左右；15 cm土層處的升溫出現(xiàn)明顯的滯后性，比10 cm土層處的升溫晚約1.5 h；20 cm土層處，磚土溫室比磚煤溫室的土壤溫度約高1 ℃，比磚苯溫室則高出3 ℃左右。由不同結(jié)構(gòu)溫室、不同土壤深度處的溫度日變化量可明顯看出，磚苯溫室的蓄熱能力強(qiáng)但保溫效果差，磚土溫室的保溫性最好，磚煤溫室次之。

圖4 同一深度不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室土壤溫度比較分析Fig.4 Comparison and analysis of soil temperature at the same depth in solar greenhouse with different compound wall structure

2.5 不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的土壤溫度與土壤熱通量日變化分析

土壤溫度與土壤熱通量的日變化分析有助于揭示土壤的熱傳導(dǎo)規(guī)律[7]，特別是夏、冬季的土壤熱特性分析有助于綜合評(píng)價(jià)日光溫室的蓄熱保溫性能[8]。圖5對(duì)不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的土壤溫度與土壤熱通量日變化進(jìn)行了分析。由圖5(a)可知，夏季磚土溫室的表層土壤(0 cm)溫度日變化呈“雙峰型”，較室溫日變化急劇，且表層土壤的最高溫度比相應(yīng)的室溫高11 ℃、最低溫度與室溫最低溫度持平，而25 cm處的土溫日變化不明顯且基本保持在22.5 ℃左右；由熱通量變化可看出，在0∶00～7∶30和21∶30～0∶00由深層土壤向淺層土壤傳遞熱量，而8∶00～21∶00則由土壤表層向深層土壤傳熱。由圖5(c)和圖5(e)可看出，夏季磚煤、磚苯溫室的土壤溫度與熱通量變化的整體趨勢(shì)與磚土溫室基本一致，但磚苯溫室在25 cm處的土溫比磚土、磚煤溫室高約1.5 ℃，且其在夜間(0∶00～7∶00和21∶30～0∶00)由深層土壤向淺層土壤的傳熱量也較大，表明夏季磚苯溫室的隔熱性能較好。由圖5(b)可知，冬季磚土溫室的表層土壤溫度與室溫的日變化規(guī)律相似(整體均呈“先升后降”趨勢(shì))，且室溫在12∶00達(dá)最大值23.5 ℃、表層土溫在14∶30達(dá)最大值22.7 ℃，25 cm處的土溫日變化較小且基本保持在13.5 ℃左右；在10∶00～21∶00熱通量為正值，表明表層土壤接受太陽(yáng)輻射熱能并向深層土壤傳遞熱量，其余時(shí)段熱通量為負(fù)值，表明由深層土壤向淺層土壤進(jìn)行熱量的傳導(dǎo)。由圖5(d)和圖5(f)可看出，冬季磚煤、磚苯溫室的土壤溫度與熱通量變化的整體趨勢(shì)與磚土溫室基本一致，但磚土、磚苯溫室在25 cm處的土溫比磚煤溫室高6 ℃～8 ℃，可能與磚煤溫室內(nèi)土壤偏濕等因素有關(guān)；磚苯溫室的土壤熱通量均為正值，而磚土、磚煤溫室的土壤熱通量均在特定時(shí)段呈現(xiàn)為負(fù)值，進(jìn)一步說(shuō)明磚苯溫室的隔熱性能較好、土壤升溫較快；另外，與磚土溫室相比，磚煤、磚苯溫室的土壤熱通量變化幅度較大，表明冬季磚土溫室的土壤熱穩(wěn)定性更佳。

圖5 不同復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的土壤溫度與土壤熱通量日變化分析(a)、(b)：磚土溫室；(c)、(d)：磚煤溫室；(e)、(f)：磚苯溫室。(a)、(c)、(e)：夏季；(b)、(d)、(f)：冬季Fig.5 Diurnal variation analysis of soil temperature and heat flux in greenhouse with different compound wall structure(a), (b): brick-loess greenhouse; (c), (d): brick-cinder greenhouse; (e), (f): brick-polystyrene greenhouse. (a), (c), (e): summer; (b), (d), (f): winter

3 討論與結(jié)論

日光溫室是一種利用太陽(yáng)輻射能進(jìn)行熱量蓄積和釋放的農(nóng)業(yè)設(shè)施，白天通過(guò)墻體、土壤等蓄積太陽(yáng)能，并在室內(nèi)溫度降低時(shí)釋放熱量[9]。因此，了解日光溫室的熱特性規(guī)律對(duì)科學(xué)指導(dǎo)作物生產(chǎn)具有重要意義。土壤是高熱容介質(zhì)，日光溫室內(nèi)會(huì)有一部分熱量?jī)?chǔ)存在土壤中，當(dāng)室溫比土溫低時(shí)，熱量會(huì)隨著土壤溫度梯度流向室內(nèi)[4,10]。土壤熱特性對(duì)溫室作物的生長(zhǎng)發(fā)育、根系活力影響較大[11]，是反映日光溫室蓄熱保溫性能的重要觀測(cè)項(xiàng)目。日光溫室土壤熱性質(zhì)受到多種因素共同作用，包括空氣溫度、溫室方位、墻體結(jié)構(gòu)等。該試驗(yàn)以磚土、磚煤、磚苯等三種復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)的日光溫室為研究對(duì)象，通過(guò)分析不同墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的土壤熱特性變化規(guī)律差異，得到如下結(jié)論：

(1)不加溫情況下，冬季磚土溫室比磚煤溫室、磚苯溫室的最低夜溫和平均夜溫要高，說(shuō)明磚土溫室的保溫性較好。冬季陰天時(shí)，磚土溫室的平均土溫最高，磚煤溫室次之，磚苯溫室的平均土溫最低；晴天時(shí)，三種復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)溫室10 cm深度處土溫均呈“降低-升高-降低”的變化趨勢(shì)，且達(dá)到峰值時(shí)磚苯溫室的土溫高于磚土溫室和磚煤溫室，可能與磚苯溫室緊貼在墻體外側(cè)的苯板導(dǎo)熱系數(shù)較小、隔熱效果較好有關(guān)[12]。

(2)冬季，與磚煤溫室、磚苯溫室相比，磚土溫室同土層的溫度日變化以及土溫隨深度的變化均較平緩，且在晴天夜間時(shí)可維持較高的土溫，這與磚土溫室的蓄熱保溫性能好有關(guān)[13]；磚苯溫室的土溫日變化幅度較大且其夜間整體土溫偏低，可能與磚苯溫室的蓄熱層較薄有關(guān)[14]。

(3)磚苯溫室的隔熱性能較好，白天接受太陽(yáng)輻射能后土壤升溫較快，而磚土溫室的土壤熱穩(wěn)定性更佳、蓄熱保溫性能最好。

綜合考慮，磚土復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)日光溫室的土壤熱特性較優(yōu)，有利于作物維持較高的根系活力，在晉中地區(qū)的推廣應(yīng)用前景較好。

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(編輯：李曉斌)

Effects of different compound wall structure on soil thermal properties of solar greenhouse

Shi Yu, Pan Yuanyuan, Zhang Yi, Li Shu, Li Meilan, Hou Leiping*

(CollegeofHorticulture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu, 030801,China)

[Objective]As a medium with high heat capacity, the soil temperature and heat flux change can reflect the performance differences of heat accumulation and preservation in solar greenhouse with different wall structures to a certain extent.[Methods]This experiment was conducted with brick-loess compound wall (double layers of 24 cm bricks with the internal 50 cm loesses), brick-cinder compound wall (double layers of 24 cm bricks with the internal 50 cm cinders) and brick-polystyrene compound wall (37 cm bricks with outer adhering 10 cm polystyrene boards) as the research subjects. The differences of soil thermal properties in the three solar greenhouses were initially evaluated by analyzing the night temperature of greenhouse in winter, the soil temperature at 10 cm depth under typical weather days, the soil temperature change rules of different depth in each greenhouse and different greenhouse at the same depth, and the diurnal variation of soil temperature and heat flux.[Result]The studies showed that the brick-loess greenhouse had the best soil thermostability and heat accumulation-preservation performance, while the brick-polystyrene greenhouse had the best insulation advantage and temperature rise rate under solar radiation.[Conclusion]All things considered, the brick-loess greenhouse showed a better soil thermal characteristic, thus being helpful for crops maintaining higher root activities. Therefore, the brick-loess wall has better extending application prospect in Jinzhong area.

Solar greenhouse, Compound wall, Soil thermal properties

2017-03-21

2017-05-12

石玉(1983-)，女(漢)，山東濰坊人，講師，博士，研究方向：設(shè)施園藝

*通信作者：侯雷平，教授，碩士生導(dǎo)師,Tel：13603546075；E-mail: sxndhlp@126.com

山西省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(20140311011-4)；山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目(J2016029)；山西省煤基重大科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(FT201402)

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1671-8151(2017)09-0679-06