酒泉戈壁日光溫室增溫防凍策略解析＊

陳維鉛 ,李玉宏 ,薛仰全 ,李 濤 ,藺栓保

（1.甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點實驗室，酒泉職業(yè)技術學院，甘肅酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅酒泉 735000）

1 概述

2017年8月，甘肅省人民政府辦公廳發(fā)布了《關于河西戈壁農業(yè)發(fā)展的意見》，指出了大力發(fā)展河西地區(qū)戈壁農業(yè)，以戈壁日光溫室、鋼架大棚為載體，以農業(yè)廢棄物為主要生產原料，采用基質栽培技術和高效節(jié)水技術，走出一條具有特殊河西戈壁農業(yè)發(fā)展通道，開創(chuàng)甘肅農業(yè)現(xiàn)代化建設新局面。在甘肅省政府的引導下，酒泉市及時部署，發(fā)布了《酒泉市關于加快發(fā)展戈壁農業(yè)的實施意見》，并編制了 《酒泉市20萬畝戈壁農業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2017年-2022年）》，明確了全市戈壁農業(yè)發(fā)展的目標及重點工程[1]。戈壁生態(tài)農業(yè)是指利用戈壁灘、砂石地、沙化地、撂荒地、鹽堿地等不適宜傳統(tǒng)農業(yè)的擱置國土資源，以發(fā)展設施蔬菜、高品位瓜果為目標，采用標準化日光溫室，將有機基質栽培技術、高效節(jié)水技術、設施種植技術等現(xiàn)代農業(yè)技術有機結合的戈壁生態(tài)循環(huán)農業(yè)[2]。酒泉總面積19.2萬km2，全市戈壁荒灘1.7億畝，占全市土地面積的70%，具有日照時間長、晝夜溫差大等特點，種植蔬菜、瓜果產量高、品質好，大力發(fā)展戈壁農業(yè)具有廣袤的土地資源和自然條件。建設標準化日光溫室，打破傳統(tǒng)耕作模式，將生態(tài)環(huán)保、高效灌溉、無土栽培技術等有機結合，推動農業(yè)發(fā)展產業(yè)升級，促進農村經濟健康發(fā)展，助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，開創(chuàng)農民增收新路徑，打開增收新渠道，幫助農戶持續(xù)脫貧致富。

2 酒泉戈壁日光溫室發(fā)展現(xiàn)狀

早在1992年，酒泉就開展無土栽培技術的探索，從我國農業(yè)科研院引進有機生態(tài)無土栽培技術，種植瓜果、蔬菜等農作物。通過多年的實踐，直到2005年，酒泉肅州區(qū)依托有機生態(tài)無土栽培技術，在非耕地荒漠戈壁灘上，修建日光溫室，探索適宜河西地區(qū)戈壁、沙灘農業(yè)生產的日光溫室結構和有機無土栽培技術體系。2010年，我國農業(yè)部設立專項，在荒漠戈壁、邊境、沿海地區(qū)等非耕地區(qū)域發(fā)展農業(yè)利用技術集成與示范項目。甘肅農業(yè)科學院牽頭，開展了“非耕地農業(yè)利用技術的集成與應用”項目研究工作，在河西地區(qū)有機無土栽培技術的基礎上，建立了基質發(fā)酵與復配技術體系，利用農作物秸稈、牛羊糞等發(fā)酵有機基質，實現(xiàn)了農業(yè)廢棄物的可再生利用，降低了無土栽培基質的成本。每畝日光溫室需要基質67m3，可轉化利用農作物秸稈、畜禽糞污、尾菜等農業(yè)廢棄物125 m3，基質還田，提升土地肥力、改良土壤。與此同時，在酒泉肅州區(qū)總寨鎮(zhèn)開展了戈壁日光溫室整體示范，包括高效節(jié)水灌溉技術、溫室墻體修建技術、不同瓜果、蔬菜有機基質配置技術等集成示范和推廣應用，為大面積發(fā)展戈壁生態(tài)農業(yè)提供技術支撐[3]。2017年4月，甘肅省長唐仁健在考察酒泉肅州區(qū)非耕地生態(tài)農業(yè)時，首次將以戈壁日光溫室為載體的現(xiàn)代農業(yè)概況為“戈壁農業(yè)”。之后，他稱“戈壁農業(yè)”是甘肅廣大科技工作者和基層農業(yè)技術人員集體智慧的結晶，是農業(yè)生產方式的革命性創(chuàng)舉，是發(fā)展設施瓜果、蔬菜等特色農產品的新型農業(yè)發(fā)展業(yè)態(tài)，酒泉戈壁生態(tài)農業(yè)大規(guī)模發(fā)展迎來了新機遇[4]。

目前為止，酒泉市戈壁生態(tài)農業(yè)面積達到9萬畝，肅州區(qū)規(guī)劃建設總寨、東洞、西洞3個萬畝戈壁農業(yè)產業(yè)園，已建成戈壁日光溫室6000座，銀達鎮(zhèn)戈壁農業(yè)產業(yè)園建成戈壁日光溫室1350座，肅州區(qū)戈壁農業(yè)面積累計超過2.5萬畝。玉門市規(guī)劃建設2萬畝戈壁農業(yè)生產基地，包括玉門鎮(zhèn)麻良灘現(xiàn)代戈壁農業(yè)、赤金鎮(zhèn)戈壁溫室韭菜產業(yè)基地、清泉鄉(xiāng)戈壁溫室人生果產業(yè)基地、下西號鎮(zhèn)戈壁蔬菜產業(yè)園、黃閘灣鎮(zhèn)戈壁蔬菜產業(yè)園、柳河鎮(zhèn)戈壁蔬菜產業(yè)園、花海大暢河戈壁蔬菜產業(yè)園等8個千畝戈壁農業(yè)產業(yè)園；柳湖鄉(xiāng)已建成100畝戈壁日光溫室，150畝鋼架拱棚，清泉鄉(xiāng)建成戈壁日光溫室1032座，玉門戈壁農業(yè)面積達1.4萬畝。瓜州縣12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃建設13個以日光溫室、鋼架大棚、特色林果為主的戈壁農業(yè)產業(yè)園，建成日光溫室1215座3000畝，鋼架大棚1080座1185畝，全縣戈壁農業(yè)面積達1.8萬畝，與深圳陽光莊園、廣州匯源果業(yè)、廣州順德鳳凰優(yōu)選等大型果蔬企業(yè)建立戰(zhàn)略合作協(xié)議，簽訂戈壁蜜瓜種植1250畝，棚均收入2～3萬元，戶均一座致富棚，戈壁農業(yè)特色產業(yè)收入，占到農戶人均收入的30%。金塔縣規(guī)劃建設30個百畝節(jié)水示范園區(qū)，日光溫室1.26萬畝，特色林果0.95萬畝，鋼架拱棚2萬畝。敦煌戈壁農業(yè)產業(yè)園，建成兩座戈壁日光玻璃溫室12畝（8400m2），戈壁日光溫室404座。

酒泉戈壁農業(yè)出現(xiàn)了良好的發(fā)展趨勢，打破了傳統(tǒng)農業(yè)的發(fā)展模式，在戈壁荒灘資源豐富，水資源緊缺的條件下轉變農業(yè)生產方式，發(fā)展農業(yè)經濟的新業(yè)態(tài)，符合國家相關生態(tài)資源保護政策，充分利用國土資源、日照資源，修復生態(tài)環(huán)境，具有良好的社會前景和重要的戰(zhàn)略意義。酒泉市培育以日光溫室為主的高效蔬菜、優(yōu)質林果、特色中藥材等優(yōu)勢特色產業(yè)面積達到221萬畝，每畝年收入2.5～3萬元，是傳統(tǒng)種植的10倍以上。

3 戈壁日光溫室凍害問題分析

酒泉屬內陸干旱地區(qū)，氣候特點是干燥少雨，年平均氣溫7.5℃，年平均最低氣溫1℃，最低氣溫達-32℃。冬季（11月份至次年3月份）平均最低氣溫在-6℃至-15℃，冬至前半個月到冬至后半個月氣溫最低，白天氣溫-10℃以下，夜間-20℃以下，冬至前后，日照時間最短，僅有8h，如遇到連續(xù)陰雪天氣，無法揭去棉被采暖，溫室內溫度低至5℃～0℃以下。要保持農作物正常生長，溫室內溫度應保持在12℃以上，果蔬類農作物凍害臨界溫度在5～8℃，葉菜類凍害臨界溫度在1～3℃。日光溫室低溫凍害對農作物的影響因低溫程度、持續(xù)時間長短、果蔬生育期的不同而異，不同農作物抵抗凍害的程度也不同。一般情況下，黃瓜在15℃以下生長緩慢，在12℃以下開始落花，10℃以下新成代謝失調，凍害臨界溫度在7～8℃，植株停止生長。辣椒在15℃以下生長緩慢，13℃以下開始落花，9℃以下新成代謝停止，6～7℃以下表皮組織受到凍害，-2～1℃植株枯死。茄子在16℃以下生長緩慢，14℃開始落花，10℃以下新成代謝失調，7～8℃表皮組織受損，-2～1℃植株枯死。番茄在1℃以下生長發(fā)育受阻，當溫度低于8℃番茄生長緩慢，當溫度低于5℃以下時生長停止，-2～1℃霜凍即可凍死。西瓜、甜瓜等在15℃以下雌花不能正常開放，13℃以下開始落花，9℃以下新成代謝失調，6～7℃以下表皮組織受到凍害，0～1℃植株枯死[5]。因此，冬季酒泉地區(qū)干燥寒冷，凍害問題成為影響戈壁農業(yè)生產和大規(guī)模發(fā)展的瓶頸問題，解決戈壁日光溫室冬季凍害問題迫在眉睫。

4日光溫室增溫防凍技術

在冬季生產，戈壁日光溫室常會遇到大風、降溫、持續(xù)陰雪等天氣，若防護不當，會導致日光溫室破損、凍害，造成農作物減產甚至絕收。日光溫室在我國北方地區(qū)發(fā)展較早，應用廣泛，人們對其冬季保暖、增溫防凍、凍后處理方面積累了大量的經驗和措施，主要有加強溫室防寒管理、合理澆水、挖防寒溝、填埋稻草、架設取暖設施等[6]。

4.1 管理保溫

適宜的溫室結構、精確的管理措施能有效降低、緩解戈壁溫室的凍害問題。首先，建造標準型日光溫室，寬度8～10m，脊高3.8～4.2m，后屋面水平投影1.2～1.4m，主采光屋面半徑為4.5m的圓弧，后屋面仰角40°，長度80m，是抵御寒冷的前提保障。其次，高效、精確的管理能有效抵御寒冷，及時關注天氣情況，遇到持續(xù)陰雪天氣加蓋好保溫棉被，又要注重及時補光，植被在低溫下也進行光合作用，防止因長時間缺乏光合作用而導致代謝失調。在溫室內溫度允許或不影響農作物生長的情況下，早拉、晚放棉被，較大限度的延長光照時間，增加溫度的熱量存儲，增強農作物的抗逆性，抵抗蟲害，防御低溫。再次，合理的澆水施肥，控制澆水施肥，要量少次多，水溫最好在12℃以上。水分比空氣比熱高，散熱慢，冬季白天較好天氣（20℃以上）可通過灌水提高，室內土壤含水適量，可預防晚上凍害。但是，冬季陰雨天氣，室內溫度較低，不適宜灌水。最后，中耕保溫，若溫室內地面板結，白天太陽光照射進入耕作層熱氣受阻，土壤蓄熱較少，加之板結土壤裂縫大、團粒結構差，熱量散失較快，容易造成農作物凍害。進行中耕或淺耕，破壞地面板結裂縫，降低地下水氣散發(fā)，可預防凍害問題。

4.2 傳統(tǒng)保溫措施

增溫與排濕是日光溫室預防凍害的關鍵。傳統(tǒng)的增溫方式主要有[7]：（1）采用保溫性能較好的棉被，陰雪天加蓋好保暖覆蓋物，晴天時早晚及時揭開或蓋好棉被，防凍與通風有效結合，鍛煉植株的抗逆性提高農作物抵御寒冷的能力。（2）溫室內架設千瓦燈，在短日照或者持續(xù)陰雪天氣條件下，通過電燈補光增溫，增加光照輻照度，提升室內溫度；陰天或早晚通過電燈給農作物補光3～4h，可提高產量10%～30%，縮短營養(yǎng)生長期，促進農作物生長，緩解低溫凍害。（3）在溫室前挖深50m、寬40m的防寒溝，清潔棚膜增溫增光，棚內加掛二層被等措施，可提高室內溫度2～3℃。（4）建立標準蓄水池，采用膜下滴灌，即可節(jié)約水資源，又可降低溫室濕度。（5）在溫室內后墻，掛上反光幕，也能起到增光、提溫的作用，減少低溫凍害的發(fā)生。（6）添加換氣扇，在室內溫度降低時，及時通風排濕，降低溫室內濕度，增強植被抗凍能力。（7）葉面噴營養(yǎng)素抗寒，冬季氣溫低、光照弱，根部吸收能力差，可通過葉面噴灑光合微肥，補充營養(yǎng)，提高植被抗寒性能。（8）有條件地區(qū)，溫室內通暖氣，安裝燃燒化石燃料的熱風爐、熱水爐等，在極寒天氣可有效預防植被凍害問題。（9）在高寒、戈壁地區(qū)，可通過架設電加熱元件，在持續(xù)陰雪天氣給溫室增溫，幫助農作物度過低溫天氣。

當溫室內農作物受到凍害后，可通過以下措施進行補救[8]：（1）陰雪天過后，溫室蔬菜受到凍害，不能立即閉棚升溫，要緩慢升高室內溫度，避免因溫度驟變而導致蔬菜受凍組織壞死。（2）及時剪去受凍莖葉和果實，噴灑營養(yǎng)液，有利于農作物恢復生長。（3）使用生根粉和4%農抗120水劑混合灌根，可促進根系再生；葉面噴灑植物動力2003營養(yǎng)劑1000倍液，15惡毒靈水劑500～800倍液，防止凍害后蔓延腐生菌。（4）利用10%的速克煙劑或45%的百菌清煙劑，以防病蟲害發(fā)生。（5）若受到凍害嚴重，植被立即枯萎，無法補救。

4.3 新型保溫措施

近年來，日光溫室冬季保溫與太陽能集熱、太陽能光伏發(fā)電、風能制熱、空氣動能等相結合，成了國內外學者的研究熱點。李志浩[9]采用太陽能集熱和光伏發(fā)電相結合的方式，設計了一套溫室太陽能供暖系統(tǒng)，利用平板集熱器吸收太陽輻射，將熱量通過熱循環(huán)泵存儲在地下蓄熱池，再由熱風機散熱系統(tǒng)將蓄水池內的熱量以對流的形式擴散到溫室內，提高室內溫度。光伏發(fā)電系統(tǒng)為熱水循環(huán)動力裝置、熱水散熱裝置、控制系統(tǒng)等提供電能，多余的電能并入電網。楊康[10]提出了一種采用風能攪拌致熱裝置為溫室增溫供暖，風力機采集風能，將風能通過傳動軸輸送至制熱器，帶動主軸上的轉子葉片攪動液體工質做湍流運動，葉片與劇烈運動的液體工質相互摩擦、碰撞，以熱能的形式釋放出來，使得致熱工質溫度升高，通過散熱裝置將熱量釋放到溫室內。劉曉勤[11]等人，設計了一種雙熱源混聯(lián)式太陽能熱泵溫室供暖系統(tǒng)，太陽能集熱供暖系統(tǒng)可單獨運行加熱蓄熱水箱或者直接向溫室供暖，空氣動能泵（熱泵）以壓縮空氣作為熱源發(fā)生器，加熱蓄熱水箱，獲得高溫熱水，供暖水箱中的水通過風機盤管向溫室供暖。蔣綠林[12]等人，將太陽能集熱技術、熱泵技術、土壤儲能技術相結合，設計了一套溫室大棚多熱源供暖系統(tǒng)，當太陽能集熱板溫度與溫室外溫度差大于5℃以上，太陽能集熱供熱系統(tǒng)作為高溫熱源為溫室和土壤蓄熱系統(tǒng)提供熱能。當溫室內溫度小于25℃，地源（土壤）熱泵供暖系統(tǒng)作為低溫熱源為溫室供暖，大于30℃，地源熱泵供暖系統(tǒng)停止。當溫室溫度達到上限（35℃以上），地源熱泵制冷系統(tǒng)抽取溫室內的熱量將其存儲于土壤下面的集熱管內，降低溫室內溫度。

上述日光溫室（溫室大棚）新型供暖系統(tǒng)，在日照充足、風力穩(wěn)定的條件下，才能夠為溫室提供穩(wěn)定的熱源。但是，凍害問題往往在凌晨或者持續(xù)陰雪天氣發(fā)生，新型供暖系統(tǒng)受自然因素的影響較大，難以有效滿足戈壁日光溫室供暖需求。太陽能集熱、風能集熱、壓縮空氣動能等供暖系統(tǒng)復雜、運營維護困難、設施成本較高，難以大面積推廣應用。隨著戈壁日光溫室的大規(guī)模發(fā)展，探索了多種冬季供暖系統(tǒng)，都無法滿足供暖需求，難以有效解決戈壁日光溫室冬季凍害問題。

5 生物質熱風爐

生物質能作為僅次于太陽能、風能的第三大清潔可再生能源，其開發(fā)利用受到了各國政府的高度重視。我國對生物質熱風爐的開發(fā)利用開展了一定的實踐工作，但是目前為止，還沒有一款專門應用于日光溫室增溫防凍的熱風爐，如圖1所示。

圖1 生物質熱風爐總體結構圖

文章提出了一種以生物質顆粒為燃料、性能可靠、節(jié)能環(huán)保的熱風爐，有效解決戈壁生態(tài)農業(yè)冬季凍害問題。該生物質顆粒燃料熱風爐以同軸心雙層鋼套筒為爐膛，以鍍鋅多級循環(huán)套筒為換熱裝置，以分布式熱風收集輸送循環(huán)為散熱系統(tǒng)。主要結構包括燃燒室、換熱裝置、散熱裝置、自動給料裝置、自動點火裝置，以及自動控制系統(tǒng)，總體結構如圖1所示，實物如圖2所示。熱風爐采用散熱與排煙雙循環(huán)系統(tǒng)，爐膛助燃空氣與室內加熱空氣通過雙循環(huán)管道隔離開，室外空氣從進風管進入爐膛助燃后形成煙氣再從排煙管道排出室外；室內冷空氣從爐膛側壁口進入換熱裝置（混流箱）后形成熱空氣通過散熱管道排向溫室另一端，熱風出口安裝引風機，使混流箱及散熱管道內形成負壓，迫使室內冷空氣從爐膛側壁進入散熱裝置，實現(xiàn)溫室內空氣循環(huán)加熱，提高熱能利用效率。溫室外排煙口處安裝排煙引風機，使爐膛及排煙管道形成負壓，有效預防了煙氣從排煙管道遺漏溫室而影響農作物正常生長的問題。

圖2 熱風爐實物圖

6 展望

戈壁日光溫室集有機生態(tài)無土栽培技術、高效節(jié)水灌溉技術、設施種植技術等現(xiàn)代農業(yè)技術于一體，是廣大科技工作者集體智慧的結晶，在甘肅省政府的大力支持下，酒泉戈壁農業(yè)得到了大規(guī)模的發(fā)展。但是酒泉地區(qū)冬季干燥寒冷，持續(xù)陰雨天氣，凍害問題成為影響戈壁溫室正常生產的重要因素，急需開發(fā)一款成本低、操作簡單、增溫防凍效果明顯、使用性能好的戈壁日光溫室增溫防凍裝置，為戈壁農業(yè)的健康發(fā)展保駕護航。本文作者提出了一種生物質顆粒熱風爐，結構簡單、操作方便、成本低廉，有望大規(guī)模應用于戈壁日光溫室冬季增溫防凍。在后續(xù)推廣應用過程中，根據(jù)實際應用效果，需進一步分析該熱風爐熱效率，改進換熱結構，優(yōu)化控制系統(tǒng)，不斷提升使用性能，有效解決解決戈壁農業(yè)冬季凍害問題。