越冬期日光溫室不同升溫設(shè)施灌溉水升溫特性的試驗研究

胡婧娟，樊貴盛

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

日光溫室主要依靠日光的自然溫?zé)岷捅卦O(shè)施來維持越冬期的棚內(nèi)溫度。在越冬期內(nèi)，用設(shè)施日光溫室栽培反季節(jié)蔬菜已成為現(xiàn)代經(jīng)濟、社會發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。日光溫室小氣候的各種因素中，溫度是對作物生長影響最大的因素[1]。但是在低溫地區(qū)，越冬期日光溫室農(nóng)作物種植的一大難題是灌溉水水溫偏低。尤其在高海拔的山丘區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉更多利用的是出露的小泉小水、河水或河流灘地的淺層地下潛水。這些灌溉水水源的共同特點是水溫低，不能滿足植物正常生長而需求的最低灌溉水水溫的要求。根據(jù)文獻資料研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在提高灌溉水溫度的方法有以下幾類[2-6]：①改進渠道結(jié)構(gòu)，盡量使用寬淺式渠道，利用太陽輻射來使灌溉水增溫；②修建曬水池；③延長灌溉水的流路，清除流路上的雜草，使太陽光能直接照射灌溉水；④用塑料薄膜覆蓋渠道；⑤利用蓄流灌水器提高灌溉水溫度。文獻中的這些方法在非冬季、氣候條件比較溫和的情況下取得了良好的升溫效果，但是只適用于輸配水方式為渠道、氣溫比較高、輻射比較強的情況，也就是非越冬期的天氣狀況，對于高海拔低溫地區(qū)冬季日光溫室灌溉，并不奏效。越冬期灌溉水由管道輸送進日光溫室大棚，外界溫度較低，輻射不強，并不能使用以上井灌區(qū)的方法使灌溉水升溫。國內(nèi)外的文獻中對越冬期間日光溫室灌溉水升溫方法以及升溫設(shè)施鮮有論述。

現(xiàn)行的低溫區(qū)日光溫室灌溉水升溫的設(shè)施有以下幾種[7]：①懸掛式鋼制水箱升溫設(shè)施。②塑料桶升溫設(shè)施。③地上深式升溫池。④酒甕形升溫設(shè)施。⑤地下淺式升溫池。⑥日光溫室柔性蓄水池[8]。⑦太陽能塑料儲熱水管[9]。據(jù)調(diào)查，雖然這些結(jié)構(gòu)型式的升溫池目前都在使用，但是目前，國內(nèi)外文獻對于不同型式升溫池造價、占地、升溫效果等沒有明確的比選方案，也沒有優(yōu)選一種適用于北方高寒地區(qū)日光溫室的升溫設(shè)施。

本研究以山西省呂梁市離石區(qū)設(shè)施蔬菜示范基地日光溫室棚區(qū)為載體，在著重測試分析日光溫室園區(qū)不同型式升溫池內(nèi)灌溉水升溫過程及升溫效果，比選出一種升溫效果好、占地面積小、運行安全可靠的適用于提升北方高寒地區(qū)日光溫室灌溉水水溫的升溫設(shè)施。研究成果可以為越冬期間日光溫室灌溉水升溫設(shè)施的選擇提供理論基礎(chǔ)，并且填補了國內(nèi)外關(guān)于越冬期間灌溉水升溫過程、升溫方法和升溫設(shè)施研究的空白。

1 材料與方法

1.1 日光溫室及供水系統(tǒng)

本試驗日光溫室位于山西省呂梁市離石區(qū)信義鎮(zhèn)小神頭村。該地區(qū)屬典型的高海拔低溫山區(qū)，海拔在1 300 m以上，年平均氣溫為8.9 ℃，最高氣溫35 ℃，最低氣溫-18 ℃，冬季寒冷少雪，春季較濕潤且多風(fēng)，夏季炎熱，雨量集中，全區(qū)光能資源充足。設(shè)施蔬菜示范基地日光溫室為RWS-10-5型高效節(jié)能日光溫室。日光溫室坐北朝南，東西向長60 m，南北向長8 m，后墻高4.0 m。前屋面覆蓋物為醋酸乙烯(EVA)高效保溫?zé)o滴防塵日光溫室專用膜，不透明保溫覆蓋材料為多層復(fù)合保溫被。夜間前屋面蓋保溫被保溫，中午通風(fēng)。室內(nèi)種植的作物為番茄，番茄及其植株正常生長所需的最低溫度為10 ℃[10]。

日光溫室灌溉水源為離石地區(qū)小東川河河槽淺層潛水井，整個越冬期，地表河水溫度在-3～3℃之間[11]，淺層潛水井深3 m，井水溫度在5 ℃以下。河水經(jīng)過滲流到河槽淺層潛水井，然后通過輸水管道自流到棚區(qū)東北高程為1 000 m的一座容量為300 m3的蓄水池中，再由已經(jīng)鋪設(shè)好的干管和支管將灌溉水輸送到每個溫室大棚的升溫池中，升溫池入水口處的溫度在5.2～8.2 ℃，不能滿足植物對灌溉水溫的要求。

1.2 升溫池型式

全區(qū)日光溫室內(nèi)升溫池共有三種型式：地上深式升溫池、地下淺式升溫池和地下酒甕形升溫池。

(1)地下淺式升溫池為敞口地下長方形結(jié)構(gòu)，升溫池長2.8 m，寬1.75 m，深1.2 m。升溫池儲水部分建造在地面以下，蓄水位與地面齊平。采用磚石結(jié)構(gòu)，M7.5水泥砂漿砌筑，池底及四周設(shè)土工膜防滲，為避免人誤跌入升溫池，升溫池壁頂高出地面0.10 m。升溫池位于日光溫室的東北角，升溫池墻體距日光溫室后墻和側(cè)墻的距離分別為0.55 m和0.24 m。升溫池結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。

圖1 地下淺式升溫池尺寸及測試點示意圖Fig.1 The size and test points of shallow and underground reservoir

(2)地上深式升溫池部分建造在地面以上，升溫池壁頂高出地面0.62 m，長2.72 m，寬2.72 m，高1.89 m，池壁厚0.38 m。采用磚石結(jié)構(gòu)，M7.5水泥砂漿砌筑。升溫池位于日光溫室的東北角，距后墻和側(cè)墻的距離分別為0.7 m和0.65 m。升溫池結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。

圖2 地上深式升溫池尺寸及測試點示意圖Fig.2 The size and test points of deep reservoir on the ground

(3)地下酒甕形升溫池。地下酒甕形升溫池甕口與地面齊平，蓄水部分全部在地面以下。地面口徑小，其內(nèi)徑隨深度增大。采用磚石結(jié)構(gòu)，井壁用水泥砂漿抹面防滲。

1.3 試驗儀器及方法

日光溫室室內(nèi)溫度、升溫池水溫度測量采用溫度計及熱敏電阻(電阻值誤差±0.5 Ω)相結(jié)合的測量方法。地溫采用熱敏電阻和直角五支組地溫計相結(jié)合的方法，0～0.4 m范圍內(nèi)的土壤溫度用五支組地溫計測量，0.4 m以下的土壤溫度用熱敏電阻測量。用UT-56型數(shù)字萬用表測量即時的熱敏電阻值后，利用公式換算成溫度值。UT-56型數(shù)字萬用表測量電阻時量程為200 Ω～20 MΩ，其測量精度為±(0.8%+5)，精確值達到0.02 ℃，完全能滿足本實驗的研究要求。

式中：Rx，R25為實時實測電阻和溫度為25℃時的電阻值，Ω；x為實時溫度值，℃；B為常數(shù)，一般取3 000。

1.4 試驗測點的布置

升溫池水溫：在升溫池內(nèi)部垂向設(shè)置5個測試點，如圖1所示。由池頂?shù)匠氐追謩e在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0m處設(shè)置測試點。

地溫：測試點在據(jù)升溫池旁0.12m處設(shè)置，如圖1所示。由土壤表面到土壤深層分別在0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.40、0.60、0.80、1.00、1.40、1.8、2.2m處設(shè)置測試點。

日光溫室內(nèi)部空氣溫度：分別在日光溫室側(cè)墻處和溫室中部三個剖面設(shè)定測試點。在每個剖面上，分別在靠近后墻、溫室大棚中央、靠近前屋面處設(shè)置熱敏電阻和溫度計，共計9個測試點。每個測試點上，由低到高每0.4m設(shè)置一個熱敏電阻。

1.5 試驗時間

本試驗從2013年11月開始，到2014年3月底結(jié)束。橫跨整個越冬期，每隔7～10d測試一次，每天溫度測試的測試時間點為0∶00、2∶00、4∶00、6∶00、8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00、20∶00、22∶00、24∶00，即每2h觀測一次。中午12∶00-14∶00之間由于氣溫變化幅度較大，增大觀測頻率，每小時觀測一次。

2 結(jié)果與分析

試驗園區(qū)日光溫室中有3種型式的升溫池：地上深式升溫池、地下酒甕形升溫池、地下淺式升溫池。這3種升溫池的優(yōu)缺點如下：地上深式升溫池一半埋在地下，一半在地面以上，升溫池外壁對太陽輻射有遮擋，部分水面可以接受陽光照射，同時日光溫室內(nèi)的熱空氣也能透過磚結(jié)構(gòu)向灌溉水傳遞熱量，有利于提升水溫，但是地面以上的升溫池容易遮擋陽光，造成升溫池旁土地的浪費；地下酒甕形升溫池，這種升溫設(shè)施甕口與地面齊平，蓄水部分全部在地面以下，該方案占地面積小，能夠利用地?zé)醽硖岣咚疁?，但是它的開挖量較大，且甕形不易于施工，同時水面與空氣的接觸面積很小，不能充分利用日光溫室內(nèi)的熱空氣和太陽輻射進行升溫，而太陽輻射和室內(nèi)空氣熱量是灌溉水升溫的主要熱量來源，導(dǎo)致蓄水體水溫升高速度較慢；地下淺式升溫池，這種升溫設(shè)施的蓄水部分也全部在地面以下，但是它的開挖深度淺，砌體結(jié)構(gòu)在地面以下，工程量較小，修建成本低，工作可靠；同時它與日光溫室內(nèi)熱空氣的接觸面積較大，增溫效果好，但是由于升溫池與地面齊平，容易使土粒、作物的根葉等雜物落入池內(nèi)，影響滴灌設(shè)施的正常運行。

本文著重分析地下淺式升溫池和地上深式升溫池中灌溉水水溫的變化特性，探索選擇最適合越冬期日光溫室灌溉水升溫的設(shè)施。

2.1 地下淺式升溫池中灌溉水的升溫特性

本小節(jié)選取測試周期內(nèi)2014年1月14日(晴)灌溉水溫度變化的過程作圖。據(jù)分析，2014年1月14日為整個測試周期內(nèi)氣溫最低、也是升溫池入口處灌溉水水溫最低的一天，升溫池進水口溫度為5.2 ℃。灌溉水充滿升溫池的時間為中午11∶00，水面距池頂?shù)木嚯x為0.1m。測試水溫的位置分別為距水面0.1、0.3、0.5、0.7、0.9m處。灌溉水水溫和室內(nèi)氣溫變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 地下淺式升溫池灌溉水升溫過程Fig.3 The heating process of irrigation water in shallow and underground reservoir

由圖3可以看出：

(1)升溫池表層水溫隨室內(nèi)氣溫劇烈波動，表層水溫較氣溫體現(xiàn)波峰滯后，波谷提前的現(xiàn)象。表層水溫隨室內(nèi)氣溫呈正弦或余弦的變化規(guī)律。室內(nèi)氣溫在中午12∶00左右達到最大值，而表層水溫在下午16∶00左右才達到最大值，落后氣溫4h；室內(nèi)氣溫在早晨8∶00左右達到最小值，而表層水溫在早晨6∶00降到最小值，提前室溫最小值時間2h。

(2)0.3m深度以下水溫不隨室內(nèi)氣溫劇烈波動而穩(wěn)步升溫，但升溫速率與室內(nèi)氣溫變化過程有關(guān)。8∶00-12∶00氣溫處于上升階段，之后6h內(nèi)0.3～0.9m處的水溫平均升溫速率為0.214、0.126、0.122、0.081 ℃/h，而在12∶00到次日20∶00，氣溫處于下降階段，之后6h內(nèi)深層灌溉水的平均升溫速率為0.028、0.035、0.025、0.028 ℃/h，同層次的灌溉水水溫在氣溫上升階段后的升溫速率明顯大于氣溫下降階段后的升溫速率。

(3)灌溉水在棚內(nèi)靜置27h后，水溫可滿足灌溉要求。此次測試周期內(nèi)，升溫池進水口溫度為5.2 ℃，自2014年1月14日中午11∶00升溫池中充滿灌溉水后，在次日(2014年1月15日)下午14∶00時，灌溉水的平均溫度就達到了10.44 ℃，達到了室內(nèi)種植作物番茄的最低適宜溫度，歷時27h，升溫效果顯著。

(4)除了氣溫對灌溉水升溫有影響外，地溫對灌溉水升溫也起一定作用。升溫池旁土壤的分層溫度平均值自土壤表層到深層(0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.40、0.60、0.80、1.00m)分別為15.56、14.96、14.48、14.08、14.04、14.03、14.02、13.98、13.78 ℃，均高于升溫池水溫，在溫度梯度的作用下，熱量傳遞的方向也是從土壤到灌溉水。氣溫在一日內(nèi)的大部分時間都大于表層水溫，在溫度梯度的作用下，熱量源源不斷的由空氣傳遞給灌溉水。氣溫在早晨6∶00-8∶00這段時間內(nèi)，低于表層水溫，灌溉水向室內(nèi)空氣散發(fā)熱量，而深層水溫還在不斷上升，體現(xiàn)了地?zé)釋喔人郎氐呢暙I。此外，0.1m以下5個層次的水溫實測平均值由上到下分別為，13.0、9.5、8.4、8.0、8.4 ℃，上層灌溉水水溫明顯大于深層灌溉水水溫，但是0.9m處的水溫卻大于0.7m處的水溫，這是由于底層水水溫不但接收來自室內(nèi)空氣和升溫池側(cè)面土壤的熱量，同時接收來自升溫池底土壤的熱量，所以溫度較高。

2.2 地上深式升溫池中灌溉水的升溫特性

為方便與地下淺式升溫池中灌溉水水溫比較，本小節(jié)同樣選取測試周期內(nèi)2014年1月14日(晴)灌溉水溫度變化的過程作圖。測試點測試的水溫實際上分別為水面處水溫、距水面0.1、0.2、0.3、0.5、0.6、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7m和池底處的灌溉水水溫。灌溉水水溫和室內(nèi)氣溫變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 地上深式升溫池灌溉水升溫過程Fig.4 The heating process of irrigation water in deep reservoir on the ground

由圖4可以看出：(1)升溫池表層水溫也隨室溫劇烈波動，但僅出現(xiàn)波峰滯后，而未出現(xiàn)波谷提前現(xiàn)象。室內(nèi)氣溫在中午12∶00左右達到最大值，水面處和0.1m處的水溫分別在下午16∶00和20∶00達到最大值，落后室溫達到最大值時間4和8h。室溫和升溫池表層水溫均在早晨8∶00左右達到最低值，時間一致。

(2)0.3m以下灌溉水水溫不隨室溫劇烈波動而穩(wěn)步升溫，但升溫速率遠大于0.5m以下的水層。0.3m以下灌溉水水溫升溫速率分別為0.104、0.089、0.065、0.056、0.050、0.049、0.048、0.047、0.044 ℃/h，升溫速率由上向下遞減。

(3)灌溉水在日光溫室內(nèi)靜置48h后，整池水溫不能達到灌溉水溫要求。灌溉水從1月14日中午11∶00進入升溫池，升溫48h之后，平均溫度僅為8.6 ℃，沒有達到植物正常生長所需的最低溫度。

(4)表層水溫大于深層水溫，底層水溫大于深層水溫。地上深式升溫池灌溉水水溫從表層到底層的平均溫度為：11.7、10.4、8.3、7.8、6.9、6.6、6.4、6.3、6.3、6.3、6.6 ℃。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，表層水溫同時接受來自室內(nèi)空氣和旁邊土壤的熱量，底層水溫同時接受升溫池旁和升溫池底部土壤的熱量，而深層水升溫的熱量來源僅僅升溫池旁的土壤，所以表層和底層的灌溉水水溫大于深層的灌溉水水溫。

2.3 不同型式升溫池灌溉水升溫效果比較

(1)灌溉水在升溫池中靜置了48h后，地下淺式升溫池中的灌溉水溫大于同層次地上深式升溫池中的灌溉水水溫，如表1所示。表1為兩種型式的升溫池中灌溉水放置48h時同層次水溫的比較。相同層次的灌溉水，熱能的傳遞有三種基本形式，熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。而在熱輻射貢獻的熱量中，包括太陽輻射和灌溉水同周圍物體之間的輻射換熱，其中，太陽輻射的貢獻占主導(dǎo)地位。由于地下淺式升溫池池壁僅僅高出地面0.1m，而地上深式升溫池高出地面0.62m，在冬季，太陽具有一定的高度角，即太陽光的入射方向和地平面之間的夾角，太陽光并不是垂直入射到地面上。這就導(dǎo)致了升溫池池壁對太陽光有了一定的遮擋，顯然地上深式升溫池對太陽光的遮擋大于地下淺式升溫池。這就導(dǎo)致了地下淺式升溫池中灌溉水溫度大于地上深式升溫池中同層次的灌溉水水溫。

表1 不同型式升溫池同層次灌溉水溫度比較 ℃Tab.1 The comparison of irrigation water temperature in different types of reservoir in the same level

(2)地下淺式升溫池中灌溉水在升溫27 h之后便能達到灌溉要求，而地上深式升溫池在升溫48 h還沒有達到灌溉要求，地下淺式升溫池的升溫效果明顯優(yōu)于地上深式升溫池。此次測試周期內(nèi)，升溫池進水口溫度為5.2 ℃，自2014年1月14日中午11∶00升溫池中充滿灌溉水后，到2014年1月16日中午11∶00(共計48 h)，地上深式升溫池中灌溉水的平均水溫為8.59 ℃，并沒有達到室內(nèi)種植作物番茄的最低適宜的生長溫度。從表層到深層的水溫分別為11.25、11.58、10.24、9.48、8.11、7.56、7.29、7.24、7.20、7.22、7.33 ℃。只有距升溫池池頂0.2 m范圍內(nèi)的灌溉水水溫到達10 ℃以上，達到灌溉水溫的要求，其余層次的水溫依舊不足10 ℃。而在相同的天氣條件下，地下淺式升溫池中灌溉水水溫達到室內(nèi)作物正常生長所需灌溉水水溫要求僅僅需要27 h，充分說明地下淺式升溫池的升溫效果優(yōu)于地上深式升溫池的升溫效果。

2.4 升溫池型式的比選

針對越冬期間日光溫室灌溉水水溫偏低的狀況，除了從水源地到升溫池入口處灌溉水有一定的升溫效果外，灌溉水主要依靠日光溫室內(nèi)的升溫設(shè)施進行升溫。目前現(xiàn)行的日光溫室內(nèi)部灌溉水升溫設(shè)施有以下7種，這7種升溫設(shè)施的尺寸、位置、建筑材料、優(yōu)點及缺點如表2所示。

綜合以上7種升溫設(shè)施的優(yōu)缺點，試驗區(qū)日光溫室內(nèi)部共設(shè)置了3種型式的升溫池，分布為地下淺式升溫設(shè)施、地上深升溫池升溫設(shè)施、酒甕形升溫設(shè)施。綜合占地面積、升溫效果、管理風(fēng)險、經(jīng)濟成本等因素，建議使用地下淺式升溫池作為越冬期間日光溫室灌溉水的升溫設(shè)施。

表2 日光溫室內(nèi)部升溫設(shè)施Tab.2 The heating facilities inside the solar greenhouse

3 結(jié) 語

本文利用越冬期間跟蹤觀測的實測數(shù)據(jù)對低溫區(qū)日光溫室灌溉水升溫過程展開研究，可以得出以下結(jié)論。

(1)通過對日光溫室不同型式升溫池中灌溉水水溫的變化規(guī)律分析可知，地下淺式升溫池的升溫效果遠遠領(lǐng)先于其他型式的升溫池。灌溉水在升溫池升溫48 h后，地下淺式升溫池中的灌溉水溫大于同層次地上深式升溫池中的灌溉水水溫，并且地下淺式升溫池中灌溉水在升溫27 h之后便能達到灌溉要求，而地上深式升溫池在升溫48 h還沒有達到灌溉要求，地下淺式升溫池的升溫效果明顯優(yōu)于地上深式升溫池；

(2)太陽輻射、空氣溫度、土壤溫度是影響升溫池中灌溉水水溫的3個重要因素。日光溫室3種型式升溫池的升溫效果相比，地下淺式升溫池>地上深式升溫池>酒甕型升溫池。太陽輻射是對灌溉水水溫影響最大的因素，酒甕型升溫池不能充分利用太陽輻射，升溫效果最差；地上深式升溫池對太陽輻射有一定程度的遮擋，升溫效果不如能充分利用太陽輻射的地下淺式升溫池。空氣溫度主要影響灌溉水水溫的日變化規(guī)律以及整體的升溫趨勢。土壤溫度對灌溉水水溫的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一方面當(dāng)室內(nèi)氣溫低于灌溉水水溫時，深層水溫卻處于不斷上升的狀態(tài)，體現(xiàn)了地?zé)釋喔人疁責(zé)崃康呢暙I；另一方面，升溫池內(nèi)底層水溫>深層水溫，因為底層灌溉水不但接受來自升溫池四周土壤的熱量，同時接受升溫池底部土壤的熱量補給。

(3)推薦地下淺式升溫池作為越冬期間日光溫室灌溉水的升溫設(shè)施。比較了日光溫室中常用的7中灌溉水升溫設(shè)施，從建材、升溫效果、管理運行、使用壽命等角度分析了各種升溫設(shè)施的優(yōu)缺點，地下淺式升溫池在占地面積、升溫效果、管理風(fēng)險、經(jīng)濟成本等方面明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)型式的升溫池，推薦地下淺式升溫池作為越冬期間日光溫室灌溉水的升溫設(shè)施。本文研究成果對于越冬期間日光溫室升溫設(shè)施 的選擇和管理具有重要的理論意義，可以為越冬期間灌溉水管理提供技術(shù)支持。