大跨度薄膜溫室溫光特性研究及作物生長模型構(gòu)建

鮑彥達(dá) 鄭琨鵬 李興 王健 朱小磊 趙喆 孫錦 郭世榮

摘要：研究大跨度薄膜溫室在長江流域的適應(yīng)能力，為生產(chǎn)實踐提供理論指導(dǎo)。對比研究大跨度薄膜溫室（LPG）和3連棟塑料溫室（TPG）的室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、光照度變化，構(gòu)建基于輻熱積的作物生長模型。結(jié)果表明，冬季LPG與TPG相比，日平均氣溫高1.6 ℃、最低氣溫高4.8 ℃，溫度均勻度較優(yōu)，光照度均勻度和相對濕度均勻度較差。夏季LPG的遮陽網(wǎng)展開后，比TPG日平均氣溫低3.0 ℃，平均相對濕度高5.5%，平均光照度低11 500 lx，LPG的溫度、光照度和相對濕度的均勻度均優(yōu)于TPG。越冬茬作物優(yōu)先級為草莓>蔞蒿>芹菜>萵筍，LPG夏茬作物優(yōu)先級為香菜>蕹菜>小白菜>莧菜。LPG冬季保溫性能、夏季降溫性能均優(yōu)于TPG，可以滿足長江流域栽培需要。建議冬季栽培草莓，夏季栽培香菜，可獲得最大經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：溫室;空氣溫度;光照度;相對濕度;生長模型;大跨度薄膜溫室

中圖分類號： S625.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）07-0190-08

收稿日期：2020-08-25

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2019YFD1001902）。

作者簡介：鮑彥達(dá)（1996—），男，河北承德人，碩士研究生，研究方向為設(shè)施園藝工程。E-mail：2019804204@njau.edu.cn。

通信作者：王 健，博士，副教授，研究方向為設(shè)施園藝工程研究。E-mail：wangjian@njau.edu.cn。

長江流域跨越全國19個?。ㄊ?、自治區(qū)）和東、中、西部三大經(jīng)濟區(qū)，是我國最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。同時，長江流域耕地面積占我國耕地面積的1/4，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占我國農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的40%，是我國最主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地[1-3]。該地區(qū)自然資源豐富，但地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季氣溫高、降水多，冬季氣溫低、光照少，塑料溫室成為當(dāng)?shù)刂饕膱@藝設(shè)施[4-7]。塑料溫室在我國所有溫室中占比最高，使用范圍最廣。但其室內(nèi)跨度小、棚脊低、工作空間小，所以機械化程度低，不符合當(dāng)今溫室機械化發(fā)展的需要。同時，塑料溫室冬季保溫性能較差，夏季也易產(chǎn)生高溫災(zāi)害，越冬、越夏生產(chǎn)都較為困難。近年來，一種汲取塑料溫室和日光溫室優(yōu)點，便于實現(xiàn)機械化作業(yè)的大跨度溫室成為國內(nèi)設(shè)施類型的新形式[8-11]，該溫室跨度大、空間大，便于機械化操作，滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。

本研究以大跨度薄膜溫室（LPG）作為試驗溫室，以相同面積的3連棟塑料溫室（TPG）作為對照溫室，研究2種溫室的室內(nèi)空氣溫度、光照度和相對濕度的變化特點，分析LPG在該地區(qū)的適應(yīng)能力，并應(yīng)用輻熱積理論對8種溫室栽培作物進(jìn)行模擬，以期為該溫室的環(huán)境調(diào)控和栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

試驗在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬教學(xué)科研基地（31°37′N，119°10′E）進(jìn)行。試驗溫室見圖1-a，南北走向，長度48 m，跨度20 m，面積960 m2，肩高1.8 m，脊高6 m，外遮陽網(wǎng)高7 m，除門外溫室整體覆蓋塑料薄膜;溫室東西兩側(cè)對稱配備底通風(fēng)和頂通風(fēng)，通風(fēng)口寬度均為1 m，通風(fēng)面積192 m2;溫室配備有外遮陽系統(tǒng)及保溫被，夏季試驗期間外遮陽網(wǎng)日間打開，夜間合攏;冬季試驗期間，保溫被日間卷起，夜間展開。對照溫室見圖1-b，總長32 m，跨度 30 m，頂高5.5 m，肩高3.5 m，面積960 m2，溫室整體覆蓋塑料薄膜;沿塑料溫室長度方向設(shè)置有2個側(cè)通風(fēng)口，3個頂通風(fēng)口，其中側(cè)通風(fēng)口寬2 m，頂通風(fēng)口寬0.8 m，通風(fēng)面積204.8 m2;2種溫室在夏季試驗期間通風(fēng)口全部打開狀態(tài)。

1.2 試驗方法

冬季試驗時間為2020年1月10—30日，夏季試驗時間為2020年6月10—30日，試驗期間測量室外、LPG和TPG室內(nèi)的空氣溫度、光照度和相對濕度，試驗布點見圖2，儀器為山東建大仁科電子科技有限公司的光照度溫濕度三合一變送器。光照度量程為0～200 000 lx（精確度為±7%），響應(yīng)時間為0.1 s，溫度量程為-40～60 ℃，精度為±0.5 ℃（室溫為25 ℃條件下），響應(yīng)時間≤18 s（風(fēng)速為 1 m/s 情況下）;濕度量程為0～80%，精度為±3%（5%～95%，25 ℃），響應(yīng)時間≤6 s（1 m/s風(fēng)速）。

利用江蘇省南京市溧水區(qū)氣象局統(tǒng)計資料和氣象學(xué)劃分標(biāo)準(zhǔn)確定試驗期間的天氣類型，典型晴天為降水量<0 mm，云量1～2成，日照時數(shù)≥7 h;典型陰天為降水量≥0 mm，云量9～10成，日照時數(shù)≤2 h。冬季以每日08：00 作為日界，日間為 08：00—16：30，夜間為16：30至次日08：00。夏季以每日08：00為日界，日間為08：00—18：00，夜間為18：00至次日08：00[12]。

通過冬季及夏季試驗期間測量獲得的LPG空氣溫度、光照度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)選作物累積輻熱積的計算，結(jié)合市場價格為LPG內(nèi)的生產(chǎn)栽培進(jìn)行理論指導(dǎo)。

1.3 數(shù)據(jù)分析理論

溫室室內(nèi)氣溫、光照度和相對濕度的均勻度采用以下公式[13]計算：

BT=Tmin/Tavg×100%;（1）

BI=Imin/Iavg×100%;（2）

BU=Umin/Uavg×100%。（3）

式中：BT、BI、BU分別為室內(nèi)氣溫均勻度、室內(nèi)光照度均勻度、室內(nèi)相對濕度均勻度;Tmin、Imin、Umin分別為室內(nèi)測點中最低的氣溫、光照度、相對濕度;Tavg、Iavg、Uavg分別為室內(nèi)每個測點的平均氣溫、平均光照度、平均相對濕度。

相對熱效應(yīng)（RET）為作物在實際溫度條件下生長速率相當(dāng)于在最適宜溫度件下生長速率的比例。RTE與溫度（T）的關(guān)系[14]為：

RTE（T）=0 T

T-TbTob-TbTb≤T

1Tob≤T≤Tou

Tm-TTm-TouTou

0T>Tm。（4）

式中：RTE（T）是溫度為T時的相對熱效應(yīng);Tb為生長下限溫度， ℃;Tm為生長上限溫度， ℃;Tob為生長的最適溫度下限， ℃;Tou為生長的最適溫度上限， ℃。

每日相對熱效應(yīng)和日總光合有效輻射的乘積即為日輻熱積[14]：

DTEP（i）=∑RTE（i，j）24×PAR（i）。（5）

式中：DTEP（i）表示第i天的日輻熱積;RTE（i，j）為第i天第j小時的相對熱效應(yīng);PAR（i）表示第i天到達(dá)溫室的日總光合有效輻射，μmol/（m2·d）。

累積輻熱積（TEP）由每日輻熱積累積得到，計算公式[14]如下：

TEP（i）=∑ni=mDTEP（i）。（6）

式中：TPE（i）表示選定作物從第m天到第n天的累積輻熱積（μmol/m2）。

使用Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，使用Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季溫室內(nèi)環(huán)境分析

長江流域冬季連續(xù)降水、光照不足、空氣濕度大是制約溫室發(fā)展的重要因素。本研究選擇2020年1月18—24日時段（連續(xù)降水），對LPG和TPG內(nèi)的小氣候進(jìn)行監(jiān)測分析。

2.1.1 室內(nèi)空氣溫度分析

由圖3可知，日間2種溫室內(nèi)部的氣溫差異較小，相差在0.00～2.89 ℃區(qū)間內(nèi);夜間LPG室內(nèi)平均氣溫高于TPG溫室，2種溫室之間溫度差異最高可達(dá)5.70 ℃。LPG的夜間保溫性能較優(yōu)，可滿足耐寒蔬菜的越冬栽培。

經(jīng)查1月18日為典型陰天，1月20日為典型晴天。溫室在冬季典型天氣條件下氣溫日變化情況見圖4，溫室內(nèi)外的氣溫均具有相似的變化趨勢。

由圖4可知，典型陰天條件下，LPG全天平均氣溫比TPG高1.6 ℃，比室外高5.2 ℃;隨著太陽高度角增加，陰天溫室內(nèi)逐漸出現(xiàn)散射光，光照度忽強忽弱，2種溫室內(nèi)日間氣溫出現(xiàn)了較大的波動，但是最高氣溫同時出現(xiàn)在14：00，TPG最高溫度比LPG高0.5 ℃。由于TPG沒有任何保溫措施，當(dāng)光照度下降時，室內(nèi)氣溫快速下降，在16：30 大跨薄膜溫室展開保溫被后，2種溫室內(nèi)部氣溫差逐漸增大，在19：00以后，LPG的氣溫比TPG氣溫高2 ℃以上。當(dāng)室外氣溫達(dá)到最低氣溫（-1.4 ℃）時，LPG和TPG內(nèi)部氣溫分別為4.9、0.5 ℃。

典型晴天條件下，隨著光照度增加，LPG和TPG內(nèi)部氣溫迅速上升，由于TPG遮擋物相對于LPG少，透光率高，最高溫度比LPG高1.4 ℃。當(dāng)光照度減弱，室內(nèi)氣溫下降速度快，大跨薄膜溫室保溫被展開，TPG沒有任何保溫措施，2種溫室內(nèi)部氣溫差值逐漸增大。在19：00至次日07：00，LPG的氣溫比TPG平均高5.1 ℃，在此階段，LPG與TPG在07：00 時溫差最小，為2.1 ℃，在21：00出現(xiàn)最大溫差，為6.1 ℃。當(dāng)室外氣溫達(dá)到最低氣溫（-0.8 ℃）時，LPG和TPG內(nèi)部氣溫分別為8.0、2.1 ℃。

2.1.2 室內(nèi)光照度分析

由圖5可知，LPG、TPG和室外的最高光照度分別為29.8、45.0、67.1 klx。LPG的平均光照度比TPG低1.9 klx。

1月18日為典型陰天，1月20日為典型晴天。由圖6可知，典型晴天、典型陰天室內(nèi)外變化趨勢一致，由于LPG外遮陽在合攏時仍有較大的遮陰面積，光照度表現(xiàn)為室外>TPG>LPG。

2.1.3 室內(nèi)相對濕度分析

由圖7可知，試驗期間室外的平均相對濕度為91.5%，LPG和TPG的平均相對濕度分別為96.0%、91.9%。在日間，LPG的相對濕度高于TPG; 夜間未打開通風(fēng)口，2種溫室相對濕度相差較小，都接近飽和。

由圖8可知，典型天氣下相對濕度與氣溫的日變化規(guī)律呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。

典型陰天條件下，隨著太陽高度角的增加，陰天溫室內(nèi)逐漸出現(xiàn)散射光，光照度忽強忽弱，因而2個溫室內(nèi)日間的相對濕度隨著空氣溫度的變化也出現(xiàn)了較大的波動，但是最低相對濕度同時出現(xiàn)在14：00，TPG最低相對濕度比LPG低。隨著室外太陽輻射的減弱，空氣溫度的降低，室內(nèi)的相對濕度開始升高，在19：00以后，2種溫室內(nèi)的相對濕度基本接近飽和，并且在日出之前，變化幅度很小。

典型晴天條件下，日間隨著太陽高度角的增加，空氣溫度逐漸上升，溫室室內(nèi)的相對濕度呈現(xiàn)出“單峰”拋物線式下降，TPG最低相對濕度比LPG低。12：00達(dá)到最低值后，2種溫室的室內(nèi)相對濕度開始上升，在21：00接近飽和后開始穩(wěn)定。無論是晴天還是陰天，隨時間的變化，LPG室內(nèi)的相對濕度始終高于室外和TPG，這是由于LPG相較于TPG的密閉性高，室內(nèi)的濕度在不打開通風(fēng)口的情況下很難排出。

2.1.4 室內(nèi)小氣候均勻度分析

由表1可知，在晴天，LPG的室內(nèi)氣溫均勻度和相對濕度均勻度分別比TPG高2.1百分點、0.5百分點;但光照度的均勻度比TPG低6.3百分點。在陰天，LPG室內(nèi)氣溫的均勻度要高于TPG，但相對濕度和光照度的均勻度都低于TPG。

2.2 夏季溫室內(nèi)環(huán)境分析

長江流域夏季連續(xù)陰雨，高溫高濕，光照度低。本研究選擇2020年6月20—26日（梅雨季），對LPG和TPG室內(nèi)小氣候進(jìn)行分析。

2.2.1 室內(nèi)空氣溫度分析

由圖9可知，夏季6月20—23日均為典型陰天，室外的平均氣溫為22.8 ℃，TPG與LPG室內(nèi)空氣溫度變化趨勢一致，TPG和LPG的平均氣溫均為24.7 ℃。在6月24日和6月25日，LPG未打開遮陽網(wǎng)，由于TPG通風(fēng)面積大，室內(nèi)氣溫下降較快，TPG平均氣溫比LPG低0.88 ℃。6月26日LPG遮陽網(wǎng)打開，在大跨薄膜溫室展開外遮陽后，2種溫室內(nèi)部氣溫差逐漸增大，LPG空氣溫度較TPG平均低 7.0 ℃，最高溫差可達(dá)11.4 ℃。

2.2.2 室內(nèi)光照度分析

夏季試驗期間溫室內(nèi)外光照度變化見圖10，室外、TPG、LPG光照度具有相同的變化趨勢，6月20日至6月25日LPG未展開遮陽網(wǎng)，但由于外遮陽在合攏時仍有較大的遮陰面積，TPG平均光照度為8 500 lx，比LPG高2 100 lx，6月26日遮陽網(wǎng)打開，TPG平均光照度為19 300 lx，比LPG高11 500 lx。

2.2.3 室內(nèi)相對濕度分析

試驗期間相對濕度變化趨勢見圖11，相對濕度與空氣溫度的變化呈相反的趨勢，且TPG與LPG空氣溫度越高的相對濕度越低，6月20日至6月25日，LPG相對濕度為85.0%，TPG比LPG平均相對濕度高1.12百分點。到6月26日LPG遮陽網(wǎng)展開，空氣溫度大幅度降低，平均相對濕度為81.5%，比TPG高5.5百分點。

2.2.4 室內(nèi)小氣候均勻度分析

根據(jù)公式（1）和（3）進(jìn)行計算，得出典型陰天空氣溫度和相對濕度的均勻度。由表2可知，在夏季典型陰天LPG的空氣溫度均勻度、光照度均勻度、相對濕度均勻度均比TPG高，分別高0.47百分點、27.23百分點、0.40百分點。

2.3 作物生長模型構(gòu)建

依據(jù)LPG冬夏溫光數(shù)據(jù)，構(gòu)建作物生長模型，越冬茬選擇芹菜、萵筍、蔞蒿、草莓，夏茬選擇小白菜、莧菜、蕹菜、芫荽共8種作物構(gòu)建生長模型[15]，所選作物的三基點溫度見表3[16-23]。

結(jié)合冬季監(jiān)測期間測得的溫光數(shù)據(jù)及預(yù)選蔬菜的溫度三基點計算結(jié)果見表4，由于輻熱積的大小與作物的產(chǎn)量呈正比，從充分利用溫光資源方面討論LPG中冬季蔬菜種植優(yōu)先順序為萵筍、蔞蒿、芹菜、草莓。

根據(jù)江蘇無錫朝陽股份有限公司和蘇州市南環(huán)橋市場發(fā)展股份有限公司2020年1月30日的蔬菜批發(fā)平均價格：芹菜3.1元/kg，萵筍1.3元/kg，蔞蒿 10.0元/kg，草莓19.9元/kg。在綜合蔬菜單價和累積輻熱積后，LPG溫室最適宜種植草莓，其次是蔞蒿。

依據(jù)夏季監(jiān)測期間測得的溫光數(shù)據(jù)及預(yù)選蔬菜的溫度三基點，通過公式（5）～（7）獲得不同蔬菜的累積輻熱積。查得江蘇無錫朝陽股份有限公司和蘇州市南環(huán)橋市場股份有限公司于2020年6月30日的蔬菜批發(fā)平均價格：小白菜3.9元/kg，莧菜3.75元/kg，蕹菜5.8元/kg，芫荽12元/kg，通過計算經(jīng)濟效益相對值。

由表5可知，從充分利用光熱資源方面討論LPG中蔬菜種植優(yōu)先順序為蕹菜、芫荽、小白菜、莧菜。在綜合蔬菜單價和累積輻熱積后，LPG夏季最適宜種植芫荽，可獲得最高的經(jīng)濟效益，其次為種植蕹菜、小白菜、莧菜。

3 討論與結(jié)論

以LPG作為試驗溫室，以TPG作為對照溫室，研究冬季、夏季溫室室內(nèi)環(huán)境因子的變化情況，試驗結(jié)果表明冬季試驗期間，LPG與TPG相比：平均氣溫高1.6 ℃，最低溫度高4.8 ℃;典型陰天條件下，LPG的平均氣溫比TPG高1.6 ℃;典型晴天條件下，LPG的平均氣溫比連棟塑料溫室高2.4 ℃;典型晴天和典型陰天，LPG的室內(nèi)空氣溫度的均勻度均優(yōu)于TPG;LPG的平均光照度、最高光照度與連棟塑料溫室相比分別低3.0、15.2 klx;典型晴天和典型陰天，LPG室內(nèi)光照度均勻度均較TPG差;LPG比TPG平均相對濕度高4.1百分點，最低濕度高12.8百分點，典型陰天條件下LPG相對濕度均勻度比TPG表現(xiàn)差，典型晴天表現(xiàn)較好。夏季試驗期間，未展開遮陽網(wǎng)時LPG比TPG平均氣溫高 0.43 ℃，平均相對濕度低1.12百分點，平均光照度低2.1 klx。在展開遮陽網(wǎng)后LPG比TPG平均氣溫低3.0 ℃，平均相對濕度高5.5百分點，平均光照度低11.5 klx。典型陰天條件下，LPG的溫度均勻度、光照度均勻度、相對濕度均勻度分別比TPG高0.47百分點、27.23百分點、0.40百分點。

基于輻熱積的作物生長模型表明，在僅考慮溫光資源充分利用的條件下，夏茬建議種植蕹菜，其次為芫荽、小白菜、莧菜;越冬茬建議種植萵筍，其次為蔞蒿、芹菜、草莓。綜合考慮市場因素為LPG作物栽培作出更科學(xué)、合理、經(jīng)濟的指導(dǎo)，結(jié)合累積輻熱積及作物單價后，夏茬建議種植芫荽，其次為蕹菜、小白菜、莧菜。越冬茬建議種植草莓，其次為蔞蒿、芹菜、萵筍。

我國溫室類型具有地域性差異，北方園藝設(shè)施以日光溫室為主，南方園藝設(shè)施以塑料大棚居多。由于長江流域地區(qū)氣候的特殊性，我國北方的日光溫室不適宜在該地區(qū)大規(guī)模發(fā)展;塑料大棚環(huán)控能力差[5-6]，在該地區(qū)仍難以找到節(jié)省能源消耗又可實現(xiàn)越冬、越夏生產(chǎn)的溫室類型。

冬季試驗期間，LPG的相對濕度高于TPG，這可能是由于LPG溫室配備了外遮陽系統(tǒng)，雖然在冬季未展開遮陽網(wǎng)，但其在合攏時仍有較大的遮陰面積，導(dǎo)致LPG平均光照度低于TPG，間接致使日間LPG氣溫低于TPG，而相對濕度與空氣溫度成反比，這個問題一方面可以通過優(yōu)化外遮陽系統(tǒng)解決，另一方面可能是由于LPG通風(fēng)口的通風(fēng)除濕效率較低，須要進(jìn)一步優(yōu)化通風(fēng)口設(shè)計，可基于CFD理論進(jìn)行模擬，探索LPG通風(fēng)口的最佳大小及位置。夏季試驗期間，LPG在展開遮陽網(wǎng)后溫度降低的同時，相對濕度較高，也須要對通風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化，改良其通風(fēng)除濕的性能。

根據(jù)模型對生產(chǎn)實踐進(jìn)行理論指導(dǎo)時，不可忽略農(nóng)產(chǎn)品價格波動較大，時效性強，在考慮經(jīng)濟效益的同時，也要注重盡可能地充分利用溫光資源，在使用基于輻熱積的作物生長模型進(jìn)行科學(xué)預(yù)測的同時也要結(jié)合生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，進(jìn)行最有利的生產(chǎn)規(guī)劃。

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