浙南單體塑料大棚內(nèi)冬季溫光性能特征研究

朱隆靜，王克磊，陳先知，蘇世聞，徐 堅(jiān)

（溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院/溫州市設(shè)施蔬菜工程技術(shù)中心，浙江溫州 325000）

0 引言

鍍鋅鋼管塑料大棚是一種以鍍鋅鋼管為骨架，以塑料薄膜為采光面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，具有透光好、堅(jiān)固實(shí)用、建造方便等優(yōu)點(diǎn)，是中國南方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要設(shè)施類型[1]。近年來隨著南方地區(qū)階段性寒潮天氣的影響，生產(chǎn)中時(shí)有凍害現(xiàn)象發(fā)生，一般冬季生產(chǎn)通過多層覆蓋的方式來提高大棚的保溫性能。相關(guān)研究表明，采用無紡布、氣泡膜及新型覆蓋材料覆蓋可較好地提高設(shè)施的保溫性能，王吉慶等[2]研究表明增加1層水平保溫覆蓋可使溫室內(nèi)外溫差提高1.9℃，增加2層水平保溫覆蓋可使溫室內(nèi)外溫差再提高1.6℃；徐堅(jiān)等[3]研究表明在浙南地區(qū)采用“無紡布外覆蓋+二道膜覆蓋”形式夜間保溫效果明顯優(yōu)于“二道膜覆蓋”形式，前者較后者夜間平均增溫4.9℃；在玻璃溫室和連棟塑料大棚內(nèi)采用側(cè)懸掛氣泡膜覆蓋，夜間平均氣溫較室外可提高2.0～6.2℃和1.1～5.6℃[4]，但缺點(diǎn)是由于覆蓋材料的揭蓋會(huì)影響設(shè)施的采光性能。因此，如何設(shè)計(jì)優(yōu)化大棚的結(jié)構(gòu)以及采取何種簡(jiǎn)便高效的覆蓋方式來提高大棚的整體性能值得思考。

近年來對(duì)于大跨度大棚的研究也提出很多思路，對(duì)跨度17 m 的大棚內(nèi)南北方向氣溫和光照分布進(jìn)行比較可知，氣溫以設(shè)施中部最高，南北次之[5]，跨度在20～30 m同時(shí)采用三膜覆蓋的塑料大棚在早春栽培時(shí)保溫效果更佳[6]，跨度大小影響設(shè)施的采光能力和保溫能力[7-9]，在增加溫室跨度的同時(shí)，必須將設(shè)施的高跨比保持在合理的范圍內(nèi)[10-12]。隨著對(duì)大棚結(jié)構(gòu)的深入研究以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)通過擴(kuò)大大棚的面積不僅可以增加設(shè)施的緩沖性能[13-14]，提高土地的利用率[15-16]，還有利于機(jī)械化作業(yè)的開展[17-19]，所以根據(jù)不同地區(qū)的緯度位置及當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境，因地制宜地研發(fā)適合當(dāng)?shù)卦O(shè)施生產(chǎn)的大棚類型是當(dāng)務(wù)之急。

浙南地區(qū)的生產(chǎn)設(shè)施以塑料大棚為主，對(duì)于大跨度的大棚類型的研究多見于針對(duì)北方的溫室及大棚等設(shè)施類型，而關(guān)于南方地區(qū)是否適宜的報(bào)道較少，而且隨著國家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的大力推進(jìn)，現(xiàn)有的一些棚型明顯不適宜農(nóng)業(yè)機(jī)械的進(jìn)出與作業(yè)，因此本研究針對(duì)浙南地區(qū)的氣候條件與設(shè)施現(xiàn)狀，對(duì)冬季單體塑料大棚內(nèi)的結(jié)構(gòu)及溫光等環(huán)境性能進(jìn)行了比較分析，以期為優(yōu)化設(shè)計(jì)浙南地區(qū)科學(xué)合理的大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

試驗(yàn)于2019 年1—2 月在溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院種子種苗科技園單體塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

單體大棚南北走向，跨度8 m，長(zhǎng)度40 m，拱間距0.65 m，肩高1.8 m，頂高3.5 m，大棚表面覆蓋0.08 絲PVC耐老化薄膜。

試驗(yàn)所用太陽總輻射記錄儀(YM-TF)購自邯鄲市益盟電子有限公司，空氣溫濕度記錄儀(Hobo MX1101)購自北京渠道科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單體塑料大棚內(nèi)兩側(cè)距離端面5 m的位置分別布置太陽總輻射記錄儀和空氣溫濕度記錄儀各2臺(tái)，各儀器位于橫切面水平中心位置，距離地面高度1.5 m，用于測(cè)定棚內(nèi)太陽總輻射強(qiáng)度與溫度。在單體大棚外即室外(CK)距離地面1.5 m處分別設(shè)置太陽總輻射記錄儀和空氣溫濕度記錄儀各1 臺(tái)，測(cè)定棚外太陽總輻射強(qiáng)度與溫度。儀器全天24 h記錄各環(huán)境參數(shù)，記錄間隔為0.5 h。其中，透光率的計(jì)算方法為大棚內(nèi)太陽總輻射強(qiáng)度與棚外太陽總輻射強(qiáng)度的比值(%)。根據(jù)試驗(yàn)期間的天氣情況，試驗(yàn)選取多云、晴天、小雨、小雨轉(zhuǎn)中雨為典型天氣。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析 數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單體大棚內(nèi)外光照環(huán)境分析比較

圖1反映的是試驗(yàn)期間(2018-01-25—2019-02-24)單體大棚內(nèi)9:00—17:00 之間的光照總輻射情況。在試驗(yàn)期間的31天內(nèi)晴天天氣4天、多云天氣7天、小雨天氣17天、小雨轉(zhuǎn)中雨3天。從圖1中可以看出，大棚內(nèi)的光照總輻射變化情況與露地的相似，但始終低于露地的光照總輻射，設(shè)施內(nèi)的透光性約占露地的63.60%～71.38%。大棚內(nèi)南北端面的光照總輻射存在一定的分布不均勻現(xiàn)象，南側(cè)的光照始終要好于北側(cè)，較北側(cè)增幅范圍6.33%～26.68%。試驗(yàn)期間內(nèi)露地的平均光照總輻射最強(qiáng)為469.07 W/m2，大棚南北端面的光照總輻射分別為328.47 W/m2和303.65 W/m2；露地的平均光照總輻射最低為44.18 W/m2，大棚南北端面的光照總輻射分別為35.47 W/m2和28.01 W/m2。

2.2 單體大棚內(nèi)外光照環(huán)境日變化分析比較

圖2反映的是試驗(yàn)期間典型天氣（多云圖2a、晴天圖2b）9:00—16:00 大棚內(nèi)外光照總輻射日變化情況。大棚內(nèi)外光照總輻射基本呈現(xiàn)單峰曲線變化，趨勢(shì)相同，并于12:00—13:00 達(dá)到最高峰，之后光照迅速下降。多云與晴天下大棚內(nèi)南端面的平均透光率較北端面分別提高8.09%與8.31%。

由試驗(yàn)期間典型天氣下大棚內(nèi)不同部位透光率可知（表1），大棚內(nèi)南端面的透光率強(qiáng)于北端面，增幅5.12%～7.90%。晴天下透光率最好(67.38%)，其次是多云天氣(64.99%)。

2.3 單體大棚內(nèi)外溫度環(huán)境分析比較

圖3反映的是試驗(yàn)期間(2019-01-28—2019-02-24)單體大棚內(nèi)外下午17:00—次日7:00 間的溫度變化。大棚內(nèi)的溫度環(huán)境變化與露地相似。在試驗(yàn)期間內(nèi)，該時(shí)間段露地平均溫度9.39℃，大棚內(nèi)南端面平均溫度10.14℃，大棚內(nèi)北端面溫度10.09℃。試驗(yàn)期內(nèi)露地最低與最高溫度分別為5.88℃和13.38℃，大棚內(nèi)南端面最低與最高溫度分別為6.91℃和13.84℃，大棚內(nèi)北端面的最低和最高溫度分別為6.86℃和13.72℃。大棚內(nèi)南北端面附近溫度基本一致，說明大棚內(nèi)夜間溫度分布相對(duì)均勻。

圖4反映的是試驗(yàn)期間(2018-01-28—2019-02-25)單體大棚內(nèi)7:00—17:00 之間的溫度變化。試驗(yàn)期間露地的溫度始終低于大棚內(nèi)的溫度，平均差值在3.55℃試驗(yàn)期間的時(shí)間段內(nèi)露地平均溫度12.16℃，大棚內(nèi)南端面平均溫度15.72℃，大棚內(nèi)北端面平均溫度15.56℃。試驗(yàn)期內(nèi)露地最低與最高溫度分別為7.11℃和18.88℃，大棚內(nèi)南端面最低與最高溫度分別為9.92℃和25.73℃，大棚內(nèi)北端面的最低和最高溫度分別為9.98℃和25.71℃。

圖5 為典型天氣下大棚內(nèi)外溫度的日變化情況。從圖5 中可以看出，不同天氣大棚內(nèi)外溫度變化趨勢(shì)相似。多云和晴天下，從夜間0:00開始大棚內(nèi)溫度逐漸下降，7:00 后隨著日出氣溫迅速升高，于13:00 達(dá)到最高值，隨后溫度迅速下降，18:00 以后溫度下降趨緩。晴天溫差變化強(qiáng)于多云，而在小雨轉(zhuǎn)中雨天氣室內(nèi)外溫差變化較晴天弱。多云與晴天下大棚內(nèi)南北端面的最高溫分別為26.91、24.77℃和38.68、37.78℃，較露地高7.50、5.36℃和14.66、13.76℃。小雨與小雨轉(zhuǎn)中雨天氣大棚南北端面的最高溫分別為16.82、16.37℃和13.61、13.37℃，較露地高6.32、5.87℃和2.40、2.17℃。

表1 試驗(yàn)期間內(nèi)典型天氣的大棚內(nèi)各部位的透光率 %

表2反映的是試驗(yàn)期間典型天氣情況下大棚內(nèi)外溫度環(huán)境變化比較。多云天氣露地夜間（17:00—次日7:00）和白天(7:00—17:00)的平均溫度為6.87、9.13℃，大棚內(nèi)南北端面分別較露地提高8.87%、3.49%和41.73%和40.85%；晴天天氣露地夜間和白天平均溫度為11.48、16.48℃，大棚內(nèi)南北端面分別較露地提高5.48%和4.44%、24.66%、23.85%；小雨天氣露地夜間和白天平均溫度為10.61、12.36℃，大棚內(nèi)南北端面分別較露地提高4.71%、4.24%、19.01%和17.07%；小雨轉(zhuǎn)中雨天氣露地夜間和白天平均溫度為9.43、13.18℃，大棚內(nèi)南北端面分別較露地提高7.74%、10.07%、31.86%、28.75%。

表2 試驗(yàn)期間內(nèi)典型天氣的大棚內(nèi)外平均溫度變化 ℃

3 討論與結(jié)論

塑料大棚是中國南方地區(qū)設(shè)施栽培的主要設(shè)施類型，大棚性能的優(yōu)劣（比如保溫性、采光性）直接關(guān)系到植物的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響到產(chǎn)量和效益。不同大棚中環(huán)境特性及其變化規(guī)律也不相同，但各環(huán)境因子都不是獨(dú)立的，存在相互關(guān)系[20]。本試驗(yàn)中大棚的透光率的高低，直接影響到大棚內(nèi)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱，從試驗(yàn)期的結(jié)果來看，大棚內(nèi)的光照總輻射始終低于露地，大棚內(nèi)的透光性約占露地的61.44%～67.38%。大棚內(nèi)南北端面的光照總輻射存在一定的分布不均勻現(xiàn)象，南側(cè)的光照始終要好于北側(cè)，較北側(cè)增幅范圍在6.85%～29.92%。晴天大棚內(nèi)透光性強(qiáng)于陰天與小雨天氣，分別提高3.67%、9.66%。試驗(yàn)期間，露地夜間和白天平均溫度9.39、12.16℃，較大棚內(nèi)南北端面溫度分別低7.96%、7.50%和29.18%、27.81%。大棚內(nèi)南北端面溫度相差甚微，說明大棚內(nèi)間溫度分布相對(duì)均勻。武瑩研究發(fā)現(xiàn)，大跨度(17～20 m)非對(duì)稱塑料大棚內(nèi)南北方向氣溫以中部最高，南北次之[1]，本研究中南北方向的溫度差異不大，這與崔世茂等[16]研究結(jié)果相似。魏鑫等[5]對(duì)跨度為20、16、12、10、8 m 的5 種跨度塑料大棚性能進(jìn)行分析，表明8、16、20 m 跨度塑料大棚可降低空氣溫度1.15、0.94、0.59℃；10、16 m 跨度塑料大棚的透光率較其他跨度大。近年來研究表明，北方大跨度大棚的可以提高土地利用率，在大棚的保溫、土壤增溫方面有較好效果，從本試驗(yàn)的結(jié)果分析，浙南地區(qū)的塑料大棚光照分布不均勻的程度大于溫度分布不均勻，在考慮擴(kuò)大設(shè)施的跨度時(shí)應(yīng)加大對(duì)設(shè)施透光性的結(jié)構(gòu)調(diào)整。