烏魯木齊日光溫室早春光溫環(huán)境空間變化研究

李彥榮 阿拉帕提·塔依爾江 劉 凱 許紅軍 高 杰 林辰壹

（新疆農業(yè)大學林學與園藝學院，新疆烏魯木齊 830052）

近年來，新疆維吾爾自治區(qū)設施農業(yè)發(fā)展迅速，規(guī)模不斷擴大，已成為自治區(qū)發(fā)展的支柱產業(yè)之一。烏魯木齊屬于天山北坡夏秋設施蔬菜產區(qū)（王浩 等，2014），冬季嚴寒多雪，夏季炎熱，適合日光溫室果菜類蔬菜和葉菜類蔬菜夏秋茬生產，以生產春提早果菜類蔬菜和葉菜類蔬菜為主。然而，烏魯木齊春季室外環(huán)境溫度變化劇烈，導致溫室內部光溫環(huán)境變化較大；種植管理以及茬口的選擇均來自以往生產經驗，在蔬菜早春生產中常常因茬口安排不合理以及對溫室內部光溫環(huán)境的管理不當造成凍害和冷害，帶來減產和經濟損失。因此，測試春季烏魯木齊溫室內部不同位置光溫環(huán)境的變化并以此作為參考，為烏魯木齊日光溫室春季蔬菜合理生產、管理提供依據(jù)具有十分重要的意義。國內對日光溫室光溫環(huán)境的研究較多，陳端生（1994）、陳青云和汪政富（1996）早期就提出光溫環(huán)境研究的重要意義；西北農林科技大學鄒志榮課題組分別對不同的溫室結構、墻體材料等進行光溫環(huán)境測試，并通過測試分析結果不斷改進溫室結構類型（張勇和鄒志榮，2013；趙雪 等，2013；金鮮華 等，2015；張潔 等，2016；王昭 等，2017）；孫治強和王吉慶（1997）研究了黃淮改良型日光溫室不同部位氣溫的日變化；馬彩雯等（2010）、高艷明等（2014）、祁光斌等（2016）對我國河西走廊、寧夏非耕地、南疆等特殊氣候條件下的溫室光溫環(huán)境進行了測試，為當?shù)刈魑锕芾硖峁┝藚⒖?。這些研究主要測試冬季溫室內部的光溫變化，取得了一定進展，但針對春季溫度多變的天山北坡特有環(huán)境下日光溫室光溫環(huán)境的研究尚未見報道。本試驗立足于烏魯木齊天山北坡特有天氣變化特點與溫室茬口安排，對春季溫室內部光溫變化進行測試，以此明確溫室內部光溫分布與變化規(guī)律，為烏魯木齊日光溫室春季蔬菜合理生產、管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室概況

試驗于2017年1～4月在新疆農業(yè)大學林學與園藝學院三坪實驗基地（N 43.92°，E 87.35°）的日光溫室內進行。日光溫室坐北朝南，南偏西8°，東西方向長60 m，跨度為8 m，脊高3.8 m，后墻高2.8 m，后屋面仰角40°（圖1）。日光溫室前屋面使用PO塑料薄膜，后屋面由聚苯乙烯彩鋼板構成，后墻采用水泥砂漿抹面，實心黏土磚砌筑，外貼聚苯乙烯彩鋼板的復合墻體。試驗測試期間溫室閑置，早上10：00（北京時間，下同）揭開保溫被，晚上19：00覆蓋保溫被。

1.2 測試儀器與方法

圖1 日光溫室示意圖

如圖1所示，選取溫室長度1/2處剖面，采用哈爾濱物格電子技術有限公司生產的PD數(shù)據(jù)記錄儀分別測試典型晴天、陰天溫室室外、溫室土壤與溫室前部、中部、后部距地面50 cm和150 cm處的溫度、光照日動態(tài)變化；采用北京世紀建通有限公司生產的JTR01溫度熱流測試儀測試后墻距離地面2 m處的墻體溫度與熱流密度動態(tài)變化，數(shù)據(jù)采集間隔時間為10 min。

2 結果與分析

2.1 溫室內部光照分布情況

2.1.1 典型晴天下溫室內部光照變化 圖2為典型晴天（3月24日）溫室內部光照強度分布特點，可以看出溫室內部光照強度與外界光照強度變化趨勢一致，但明顯低于室外光照強度。從測試結果來看，烏魯木齊早春日光溫室內部光照條件較好，晴朗天氣下12：00～16：00光照強度最高可達55 554 lx，溫室的平均透光率為40%。溫室內部光照強度在同一時刻不同位置上有明顯差異，光照強度分布不均，出現(xiàn)明顯的階梯分布。在距地面50 cm高度處，溫室前部和中部光照強度差異不大，但均明顯高于后部，前部光照強度和后部相比差異可達8 000～12 000 lx。在距地面150 cm高度處，溫室前部光照強度大于同高度的中部和后部。從高度方向上來看，溫室距地面150 cm處的光照強度高于同位置50 cm處10 000～16 000 lx，呈現(xiàn)出距離棚膜越近，光照強度越大的特點。造成這種現(xiàn)象的原因是太陽直射光透過薄膜后，一部分經棚膜散射，導致距離薄膜越近，接受到的直射光與散射光也越多，距離棚膜越遠所接收到的直射光沒有變化，而散射光較少。

圖2 典型晴天下（3月24日）日光溫室內部光照動態(tài)變化

2.1.2 典型陰天下溫室內部光照變化 圖3為典型陰天（3月19日）溫室內部光照變化特點，可以看出陰天溫室內部光照變化規(guī)律與晴天基本一致，但在各個位置光照分布存在差異，溫室光照分布表現(xiàn)為前部＞中部＞后部，距地面150 cm處高度光照強度均高于50 cm處?？缍确较驈那安康胶蟛?，光照強度逐漸降低，高度上差異越來越不明顯。同一時刻，溫室前部距地面150 cm處光照強度最高比50 cm處高8 479 lx，而后部距地面150 cm與50 cm處差異僅為493 lx。溫室后部光照遠遠低于前部和中部，這是因為陰天太陽光由直射光變?yōu)樯⑸涔?，溫室后部距離薄膜較遠，散射光在傳播過程中光通量和光強有一定的衰減，造成溫室后部光照嚴重不足。

2.2 溫室內部溫度分布情況

2.2.1 典型晴天下溫室內部溫度變化 由于早春室外溫度回升與當?shù)毓庹諒姸却蟮奶攸c，測試當日（3月24日）晴天溫室內部溫度最高達48 ℃（圖4）。分析室內溫度分布情況，可以看出室內溫度在各位置上的變化趨勢一致。溫室空氣溫度上升是由于溫室維護結構的對流換熱造成的，溫室后部空氣接受來自地面和后墻的對流換熱，換熱面積較前部、中部大，因此從溫室跨度方向來看，溫室后部溫度要略高于中部與前部。從高度方向上來講，呈現(xiàn)出溫室前部距地面150 cm處溫度較50 cm處高，而溫室后部距地面50 cm處溫度較150 cm處高的特點。分析原因可能與溫室前后保溫能力有關，溫室后部保溫能力強，越靠近地面空氣溫度越高，溫室前部保溫能力差，越靠近地面空氣溫度越低。由于空氣熱容較小且處于不斷自然對流狀態(tài)，各位置溫度差異不大。

圖3 典型陰天下（3月19日）日光溫室內部光照動態(tài)變化

圖4 典型晴天下（3月24日）日光溫室內部溫度動態(tài)變化

2.2.2 典型陰天下溫室內部溫度變化 分析典型陰天下溫室內部溫度變化（圖5），從跨度方向上可以看出溫室前、中、后部溫度相差不大。高度方向的變化表現(xiàn)為溫室前部和后部距地面150 cm處溫度較50 cm處高，而溫室中部距地面50 cm處溫度較150 cm處高的特點。

2.3 日光溫室墻體溫度和儲放熱規(guī)律

從圖6可以看出，晴天溫室空氣溫度和墻體溫度變化趨勢相同，由于墻體的熱惰性，空氣溫度變化幅度較墻體大。在揭開保溫被后，溫室空氣溫度先上升，同時溫室墻體接受太陽輻射和溫室空氣對流傳熱處于蓄熱階段，熱流密度從10：00開始由0 W·m-2上升到16：00的最大值120 W·m-2。覆蓋保溫被后，墻體溫度高于空氣溫度，由于溫度差的存在，墻體將白天積蓄的熱量釋放到溫室當中，此時熱流密度開始迅速下降。由于空氣熱容較小且處于不斷自然對流狀態(tài)，墻體溫度與溫室空氣溫度平均差值達到0.95 ℃，因此墻體放熱時，平均熱流密度穩(wěn)定在14.79 W·m-2。當空氣溫度等于墻體表面溫度時，熱流密度為0 W·m-2，此時處于吸放熱的轉換階段，由放熱轉為蓄熱。測試當天（3月24日）單位面積墻體蓄熱量為1.97 MJ·m-2，放熱量為0.79 MJ·m-2，放熱量約為蓄熱量的40.10%。

陰天溫室內部的熱流變化趨勢與晴天相同。熱流密度小、蓄熱量少，測試當天（3月19日）墻體單位面積熱流密度最大值為40 W·m-2，蓄熱量為0.52 MJ·m-2，放熱量為0.19 MJ·m-2，放熱量約為蓄熱量的36.53%。

2.4 日光溫室土壤溫度變化規(guī)律

從圖7可以看出，隨著土壤深度的增加，土壤溫度變化幅度越來越小，30 cm深度溫度變化不超過2.0 ℃，20 cm深度溫度變化為4.3 ℃，10 cm深度溫度變化幅度較大，為10.0 ℃。不同深度土壤溫度變化趨勢也不同，覆蓋保溫被后（19：00），10 cm深度土壤溫度達到最大值，隨后開始降低，而20 cm深度土壤溫度在20：50左右達到最大值且趨于穩(wěn)定。相較于地表溫度，10 cm深度土壤溫度變化滯后2 h左右，20 cm深度土壤溫度變化滯后4 h左右，可見土壤溫度變化有明顯的滯后性，且隨著土壤深度的增加滯后時間也越長。

圖5 典型陰天下（3月19日）日光溫室內部溫度動態(tài)變化

圖6 典型晴天下（3月24日）日光溫室墻體溫度和儲放熱規(guī)律

3 討論

圖7 典型晴天下（3月24日）日光溫室內部不同深度土壤溫度動態(tài)變化

本試驗結果表明，晴天和陰天下溫室內的氣溫、地溫和接受到的光照強度存在明顯的日變化，溫室光照分布前部高于后部，上層高于下層，上下層的差異比南北差異明顯。與彭致功等（2003）、魏瑞江等（2010）的研究結果一致。本試驗測試外界太陽輻射可達68 000 lx，春季溫室內最高溫度達46 ℃，這是因為烏魯木齊獨特的地理位置，同時期光照強度高于全國其他地區(qū)，因此溫室內部溫度也高出其他地區(qū)溫室溫度。試驗結果顯示晴天距地面50 cm處溫度表現(xiàn)為后部高于中部和前部，而距地面150 cm處則前部溫度最高，這與呂德國等（2004）、楊獻光等（2005）測試溫室中部氣溫升高幅度大于南部和北部，白天南部溫度高于北部的結果不同，分析原因是烏魯木齊地區(qū)春季室外氣溫較低，溫室前部換熱較后部大，溫室后部空氣接受來自地面和后墻的對流換熱，散熱少，因此從溫室跨度方向來看，溫室后部溫度要略高于溫室中部與前部，影響溫室內部溫度分布的原因需要進一步研究。在土壤溫度方面，不同深度土壤溫度變化存在明顯的滯后性，與趙鴻等（2007）的研究結果一致，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與土壤的密度、熱容、含水量等有較大關系，需要進一步探索。本試驗中，日光溫室單位面積墻體蓄熱量為1.97 MJ·m-2，低于馬承偉等（2008）的測定值（2.50 MJ·m-2和2.37 MJ·m-2），這是因為本試驗的環(huán)境條件和墻體類型與其不同，蓄放熱量也存在較大差異，這也反映出墻體蓄放熱量大小受到墻體材料、類型、溫室環(huán)境等多方面的影響。本試驗對墻體白天的蓄熱量、夜間的放熱量及墻體夜間放熱效率進行了測試和計算，得出墻體夜間放熱效率為40.10%，與史宇亮等（2016）對溫室墻體放熱效率的計算結果43%相差不大。

4 結論

①通過對烏魯木齊天山北坡地區(qū)春季溫室光照的測試分析，發(fā)現(xiàn)溫室內部光照分布差異很大，從跨度方向來看，溫室前部光照強度最強，溫室后部光照強度相對較弱。從高度方向上來看，溫室上層光照明顯高于下層，即呈現(xiàn)出距離棚膜越近，光照強度越大的特點。

②溫室墻體溫度與空氣溫度變化趨勢一致，變化幅度較空氣溫度小。墻體受到太陽輻射后即處于蓄熱階段，熱流密度隨太陽輻射的增大而增大。覆蓋保溫被后，墻體進入放熱階段時，磚墻夜間放熱較為穩(wěn)定，儲放熱比為40.10%。

③烏魯木齊天山北坡地區(qū)具有良好的光溫條件，日光溫室早春生產茬口可通過種植茄果類、瓜類蔬菜以獲得較高的經濟效益。但是該區(qū)域春季環(huán)境氣候變化劇烈，晴天溫室光溫環(huán)境可滿足作物所需光溫環(huán)境的最低要求，但要注意午后的通風降溫。陰天溫室光溫條件較差，需要通過加溫和補光以滿足作物生長的溫度和光照需求。