日光溫室結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件對(duì)溫室內(nèi)光輻射的影響

楊文雄 胡霞

摘? ? 要：為提高溫室中太陽(yáng)光的利用率，筆者通過(guò)對(duì)日光溫室結(jié)構(gòu)、外界環(huán)境條件和室內(nèi)植物對(duì)日光溫室光環(huán)境的影響相關(guān)的文獻(xiàn)資料進(jìn)行歸納總結(jié)，明確了日光溫室光照環(huán)境問(wèn)題的復(fù)雜性。首先，溫室本身的結(jié)構(gòu)對(duì)溫室內(nèi)光輻射影響較大，需因地制宜合理設(shè)計(jì);其次，外界的自然環(huán)境對(duì)溫室內(nèi)光輻射亦有較大影響，霧霾陰天等自然環(huán)境會(huì)減弱溫室內(nèi)的光輻射，不利于溫室植物的生長(zhǎng);此外，室內(nèi)植物增加了溫室內(nèi)光分布的復(fù)雜性，植株垂直高度上，由上及下，光輻射呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，日光溫室建造者和經(jīng)營(yíng)者應(yīng)充分考慮上述多重影響因素，科學(xué)規(guī)劃、合理利用、巧妙規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，以提高收益。

關(guān)鍵詞：日光溫室;光環(huán)境;影響因素;利用率

中圖分類號(hào)：S625.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.11.001

Effects of Structure and Environmental Conditions of Solar Greenhouse on Light Radiation in Greenhouse

YANG Wenxiong， HU Xia

（Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442， China）

Abstract： In order to improve the utilization rate of sunlight in greenhouse， the author summarized the literature about the structure of greenhouse， the external environmental conditions and the impact of indoor plants on the light environment of solar greenhouse， and made clear the complexity of the sunlight environment in the greenhouse. Firstly， the structure of the greenhouse itself has a great impact on the light radiation in the greenhouse， so it needs to be designed reasonably according to local conditions. Secondly， the external environment should be considered. In addition， indoor plants increase the complexity of light distribution in greenhouse， and the light radiation presents a downward trend from top to bottom in vertical height of plants. Therefore， solar greenhouse builders and operators should fully consider the above multiple factors， scientific planning， rational use， clever risk aversion， in order to improve the income.

Key words： solar greenhouse; light environment; influencing factors; utilization rate

太陽(yáng)輻射作為日光溫室的主要能量來(lái)源及室內(nèi)作物光合作用的唯一光源，對(duì)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量影響重大，故日光溫室設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮如何最大限度地合理利用自然光。但日光溫室結(jié)構(gòu)、外界環(huán)境條件和室內(nèi)植物對(duì)日光溫室光環(huán)境均有重要影響，目前已有諸多研究報(bào)道。本文結(jié)合已有科研文獻(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，旨在為日光溫室建設(shè)者和經(jīng)營(yíng)者提高室內(nèi)太陽(yáng)光的利用率提供參考。

1 日光溫室結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)光輻射的影響

日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)如跨度、屋脊高度、方位角、屋面曲線、山墻等均可直接影響室內(nèi)光輻射強(qiáng)度及時(shí)間。

1.1 脊跨比

跨度是指溫室南側(cè)底角起至后墻內(nèi)側(cè)之間的寬度。適宜的跨度可保證室內(nèi)作物有足夠的生長(zhǎng)空間，目前一般在6～12 m范圍內(nèi)，受多種因素影響存在地域差異。鄒平等[1]研究表明吐魯番地區(qū)日光溫室跨度在7 m時(shí)室內(nèi)光照條件明顯優(yōu)于8，9 m的日光溫室，其有效光照時(shí)間最長(zhǎng)但波動(dòng)也大;而金鮮華等[2]研究發(fā)現(xiàn)山地日光溫室跨度為10 m光照度最好。屋脊高度是指屋脊到溫室地面的垂直距離，一般在3.2～3.4 m范圍內(nèi)，有研究表明隨著脊高的增加，溫室地面的日射總量透過(guò)率及輻照度都略微減小[3]。屋脊高度與跨度相互制約，故實(shí)際生產(chǎn)中常用二者的比值即脊跨比進(jìn)行調(diào)整，脊跨比合適，采光角度就合理，一般為1∶2.5。周長(zhǎng)吉等[3]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)脊跨比由0.43增加到0.57，日射總量透射率降低約6%，輻照度減少約1%;李曉豁[4]研究亦表明溫室采光量大小隨脊跨比的增加而減小。

1.2 方位角

日光溫室方位角對(duì)溫室采光量影響較大，一般為正南，方位角為0°，根據(jù)地區(qū)氣候特點(diǎn)和地形，會(huì)有所不同。林川渝[5]通過(guò)測(cè)試不同方位模擬溫室的透光率日分布情況、總透光率分布情況及光照強(qiáng)度日累計(jì)值分布情況，提出了建造日光溫室的適宜方位范圍為真子午169°24′～172°24′。該參數(shù)的確定存在較大的地域差異，宋希強(qiáng)等[6]研究表明北京地區(qū)日光溫室的建筑朝向在南偏西15°～20°時(shí)采光量較高;白義奎等[7]研究表明沈陽(yáng)地區(qū)溫室方位在南偏西5°～6°時(shí)進(jìn)光量最大，較正南向溫室進(jìn)光量增加0.3%;宋明軍等[8]研究認(rèn)為甘肅地區(qū)日光溫室方位角可取0°～8°，最大不超過(guò)10°;劉仍臣[9]認(rèn)為晉北地區(qū)日光溫室方位應(yīng)該選擇朝南偏西5°為宜。日光溫室方位角還與種植模式有關(guān)，張利華等[10]研究認(rèn)為秋延遲種植模式的日光溫室方位角宜西偏7°～9°，越冬種植模式日光溫室方位角宜西偏6°～8°，春提早種植模式日光溫室方位角宜西偏8°～10°，方位角西偏角度隨著緯度增加而減少。

1.3 屋面曲線形式

日光溫室屋面曲線形式有圓、拋物線、橢圓，雙曲線、冪函數(shù)、三角函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、擺線或二種曲線的組合等多種類型。生產(chǎn)實(shí)踐中，還要考慮是否方便制作、實(shí)用性等問(wèn)題，一般選用雙圓、直線與圓弧組合的曲線形式，而橢圓的選擇相對(duì)較少。不同的形式，其溫室進(jìn)光量不同，但總體差異有限。軒維艷[11]建立了日光溫室采光屋面曲線數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)溫室采光效果隨采光屋面弧度的增加而變差，但太陽(yáng)光入射率的變化幅度相當(dāng)小，最多不會(huì)超過(guò)3%。李家寧等[12]研究表明不同屋面形狀的日光溫室內(nèi)光環(huán)境指標(biāo)差異不大，總平均透過(guò)率最大相差1.4%，但屋面傾角對(duì)進(jìn)光量有顯著影響，透光量隨著屋面傾角的增大而增加，且增加的部分主要集中在墻面上。王梅等[13]研究表明，半地下立窗型日光溫室前屋面的曲線類型可以在立窗+圓弧面、立窗+橢圓面和立窗+拋物線面3種采光面中任選其一。而有些學(xué)者則認(rèn)為屋面曲線對(duì)溫室光環(huán)境有較大影響：張鎖峰等[14]研究表明，設(shè)計(jì)的1/7冪函數(shù)骨架曲線的有效日總輻射照度最大，采旋光性能明顯優(yōu)于對(duì)照溫室骨架曲線;王靜等[15]研究表明圓-拋物面溫室雖然提高了透光率，南北方向上光照度也較單斜面、拋物面均勻，但室內(nèi)光照度仍遠(yuǎn)低于室外，且南北方向上光照度仍有明顯差異。還有學(xué)者除了考慮進(jìn)光量，還考慮實(shí)用性的影響：王朝棟等[16]模擬研究三次樣條函數(shù)、圓弧、橢圓、拋物線4種曲線形日光溫室前屋面的進(jìn)光量情況，結(jié)果顯示，四者進(jìn)光量分別為40 467，

39 451，39 306，35 845 kJ，他認(rèn)為4種曲線形日光溫室前屋面中，以三次樣條函數(shù)形日光溫室前屋面進(jìn)光量最大，且更具實(shí)用性;高志奎等[17]建立日光溫室采旋光性能的數(shù)學(xué)模型，以保定地區(qū)為例運(yùn)算模型圓弧面的平均采光率最高，但實(shí)用性最差，橢圓面和拋物線面在方程參數(shù)優(yōu)化后表現(xiàn)相近，但平均采光率最低;程杰宇等[18]研究認(rèn)為雙圓組合、直線與圓弧組合是符合日光溫室光性能需求的，而且方便生產(chǎn)加工制作。

1.4 其他參數(shù)

山墻作為日光溫室的主體構(gòu)造之一，其作用主要是與北墻、前后屋面構(gòu)成溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)。由于日光溫室長(zhǎng)度一般遠(yuǎn)大于跨度，山墻對(duì)溫室內(nèi)光環(huán)境的影響往往被研究者忽略，而實(shí)際上，山墻至少會(huì)在兩方面對(duì)溫室內(nèi)的光環(huán)境產(chǎn)生影響，一是山墻在溫室地面產(chǎn)生陰影，導(dǎo)致溫室地面光輻射的不均勻性，二是山墻本身也會(huì)接受光輻射，從而在夜間放熱，對(duì)溫室保溫起到一定作用。李小芳等[19]研究表明溫室長(zhǎng)度為26 m時(shí)，山墻體內(nèi)側(cè)接受的太陽(yáng)直接輻射日總量占全天室內(nèi)的9.7%，因此，不能忽略山墻受到光輻射后的蓄熱放熱作用;溫室長(zhǎng)度越小，陰影率越大，為了減少溫室陰影率對(duì)溫室光照環(huán)境的影響，溫室長(zhǎng)度不宜低于30 m。寶衛(wèi)通等[20]對(duì)酒泉肅州區(qū)非耕地日光溫室的山墻熱通量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)夜間山墻北部夜間放熱量偏低，說(shuō)明山墻北部在白天接受較少的太陽(yáng)輻射。因此須加強(qiáng)山墻北部的蓄熱保溫設(shè)計(jì)，如山墻內(nèi)表面用水泥加黑色顏料涂黑，可增強(qiáng)墻體吸收光輻射的能力。

除此之外，日光溫室覆蓋材料不同，透光率不同。徐增漢等[21]研究了0.06 mm厚度PVC薄膜，厚度分別為1.5，2.5，3.2 mmPC耐力板，兩種安裝方式不同的5.4 mm厚PC陽(yáng)光板，及分別為立筋縱向和立筋橫向安放和兩種厚度（0.5，1.5 mm）的PE軟材等8種材料在不同時(shí)段不同傾角下的透光率，其中0.5 mm厚PE軟材透光率最大，5.4 mm厚PC陽(yáng)光板透光率最小;王楠等[22]對(duì)5種多功能EVA膜和19種不同特性的PE膜共計(jì)24種日光溫室常用透光覆蓋材料的輻射透過(guò)性能進(jìn)行測(cè)試研究，結(jié)果表明在400～2 300 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，所有材料的輻射透過(guò)率均在80%以上。

2 外界環(huán)境條件對(duì)日光溫室光輻射的影響

陰天會(huì)減弱日光溫室內(nèi)的光輻射，且溫室不同部位的光照差異大。張亞紅等[23]研究發(fā)現(xiàn)：晴天時(shí)，日光溫室土質(zhì)梯形墻體表面太陽(yáng)輻射總量為8.117 MJ·m-2，地面為8.280 MJ·m-2，地面值略高于墻體，差異不顯著;陰天時(shí)，墻體與地面太陽(yáng)輻射總量分別為 0.984，2.068 MJ·m-2，地面太陽(yáng)輻射總量顯著高于墻體太陽(yáng)輻射總量。鄭健等[24]研究發(fā)現(xiàn)晴天和陰天太陽(yáng)總輻射和光合有效輻射日變化趨勢(shì)一致，陰天比晴天小。郜慶爐等[25]研究認(rèn)為日光溫室光照度因天氣條件各有不同，而且不同部位的光照差異也很大，無(wú)論是晴天還是陰天，在南北水平方向，由溫室南沿至后墻，光照度逐漸減少，近后墻處最低。Cutforth等[26]研究太陽(yáng)輻射狀況時(shí)發(fā)現(xiàn)總輻射與降水量呈負(fù)相關(guān)，即降水量越多，總輻射越低，降水量越少，總輻射越大。

外界霧霾天氣導(dǎo)致太陽(yáng)輻射減弱，從而減少溫室內(nèi)的太陽(yáng)輻射。邵振艷等[27]研究了大氣污染對(duì)我國(guó)華北重點(diǎn)城市總輻射的影響，結(jié)果表明太陽(yáng)總輻射隨著PM10濃度的增大而減小。朱志輝[28]研究了北京地區(qū)太陽(yáng)輻射的情況發(fā)現(xiàn)大氣污染會(huì)明顯削弱太陽(yáng)輻射，城市化和工業(yè)化是大氣污染加重的主要原因。林爽斌[29]證實(shí)了大氣污染對(duì)太陽(yáng)直接輻射的削弱作用。黑河污染較小，太陽(yáng)輻射削弱最小，相比于黑河，哈爾濱的大氣污染使太陽(yáng)直接輻射削弱了25.3%，佳木斯削弱了14.2%。

3 日光溫室的光輻射與室內(nèi)植物之間的關(guān)系

作物冠層內(nèi)的光分布狀況受冠層結(jié)構(gòu)、葉面積的垂直分布以及作物品種等因素的影響。張亞紅等[30]、白青等[31]認(rèn)為日光溫室內(nèi)太陽(yáng)總輻射量南部明顯高于北部。張敏[32]認(rèn)為隨著油松冠層高度的下降，太陽(yáng)總輻射量逐漸減小。李艷大等[33]、Hirose[34]得出水稻冠層最大分層葉面積指數(shù)出現(xiàn)在0.6 m相對(duì)高度處，冠層內(nèi)平均光合有效輻射透光率從頂部向下遞減。陳景玲等[35]使用植物冠層分析儀測(cè)定荊條孤立冠層葉面積指數(shù)和透光率，發(fā)現(xiàn)植物孤立冠層相比均勻冠層，植物透光率呈現(xiàn)更加顯著的不均勻性。曲佳等[36]研究日光溫室西紅柿群體的太陽(yáng)總輻射量分布規(guī)律，結(jié)果表明，在西紅柿盛果期，日光溫室內(nèi)的太陽(yáng)總輻射量南部明顯高于北部，平均高出200 W·m-2以上，中部略高于東、西部，太陽(yáng)總輻射量在植株群體內(nèi)垂直方向上隨冠層高度的下降而減少，越靠近冠層底部太陽(yáng)總輻射量衰減的日變化越不明顯，隨著冠層高度的降低，累積葉面積指數(shù)增大，太陽(yáng)總輻射量減小。

日光溫室的光輻射與室內(nèi)植物之間的關(guān)系，還可以用數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行模擬。Thevenard等[37]、Yang等[38]在研究日光溫室作物群體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了溫室黃瓜行內(nèi)太陽(yáng)輻射傳輸模型。溫維亮等[39]開(kāi)發(fā)了基于輻射度-圖形學(xué)結(jié)合模型的作物冠層光分布計(jì)算系統(tǒng)，但系統(tǒng)在模擬大規(guī)模作物冠層光分布時(shí)比較困難。Hervé Rey等[40]研究表明，莖稈吸收的輻射占總輻射的比例小于5%，但在進(jìn)行精確光分布模擬時(shí)，其作用不能忽略。

4 結(jié)論與建議

綜上所述，對(duì)于室外太陽(yáng)輻射、溫室的光環(huán)境和日光溫室內(nèi)的光照等各方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均開(kāi)展了大量研究，其研究結(jié)果對(duì)于日光溫室內(nèi)光照環(huán)境研究和設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義：溫室本身的結(jié)構(gòu)對(duì)溫室內(nèi)光輻射影響較大，需因地制宜、結(jié)構(gòu)合理;外界的自然環(huán)境對(duì)溫室內(nèi)光輻射亦有較大影響，霧霾陰天等自然環(huán)境會(huì)減弱溫室內(nèi)的光輻射，不利于溫室植物的生長(zhǎng);室內(nèi)植物增加了溫室內(nèi)光分布的復(fù)雜性，植株垂直高度上，由上及下，光輻射呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這就需要溫室建造者和經(jīng)營(yíng)者在充分了解當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境、氣候條件、植物生長(zhǎng)特性和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的基礎(chǔ)上，因地制宜、科學(xué)規(guī)劃、合理利用、巧妙規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，合理安排農(nóng)時(shí)，最大限度發(fā)揮溫室本身的功效，充分利用光照條件，合理布局溫室作物種類及種植密度，獲取最大收益。

但由于溫室光照環(huán)境問(wèn)題的復(fù)雜性，許多方面仍然有較多未完全解決的問(wèn)題。由于光輻射在溫室內(nèi)傳播規(guī)律的復(fù)雜性以及影響因素眾多，其中還有較多尚未探明的問(wèn)題，例如陰天的光輻射模擬，散射輻射的大小與傳播規(guī)律，透明覆蓋材料對(duì)直射光的散射作用（霧度）的問(wèn)題等等，這些問(wèn)題都有待科研工作者繼續(xù)研究。

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