地溫加熱對(duì)日光溫室蔬菜根層土壤的升溫效應(yīng)

賈宋楠 范鳳翠 劉勝堯 李志宏 趙楠 張哲 杜鳳煥 賈建明

摘要：利用太陽(yáng)能電輔加熱系統(tǒng)通過(guò)地暖管熱水循環(huán)散熱直接對(duì)溫室土壤進(jìn)行加溫，探究地暖管不同埋設(shè)深度對(duì)白天地溫的時(shí)空效應(yīng)，優(yōu)化加熱管埋設(shè)深度。結(jié)果表明，蔬菜根層地溫隨時(shí)間變化在空間上擴(kuò)散形成類(lèi)似上短軸下長(zhǎng)軸的不規(guī)則橢圓球體。熱量由集熱中心向上傳遞顯著有效距離為5 cm，向下傳遞顯著有效距離為10 cm。地暖管最適埋設(shè)深度在10 cm處，可滿(mǎn)足華北區(qū)冬季晴天與陰霾天氣番茄、黃瓜生長(zhǎng)所需的最適地溫。

關(guān)鍵詞：日光溫室;太陽(yáng)能;地溫加熱;土壤溫度;時(shí)空效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)： S214.3;P468.0+21? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）21-0205-07

收稿日期：2020-09-15

基金項(xiàng)目：河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（編號(hào)：HBCT2018030205）;河北省農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目（編號(hào)：2019-3-3）;河北省農(nóng)林科學(xué)院博士基金（編號(hào)：C19R1501）;河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所省級(jí)國(guó)際科技合作基地建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：19396443D）。

作者簡(jiǎn)介：賈宋楠（1987—），女，河北邢臺(tái)人，博士，副研究員，主要從事設(shè)施蔬菜資源高效利用研究。E-mail：594200801@qq.com。

通信作者：范鳳翠，博士，研究員，主要從事蔬菜資源高效利用及農(nóng)業(yè)信息化研究。E-mail：njsffc@163.com。

土壤溫度是指地面以下作物根層土壤的溫度，日光溫室蔬菜主要根系一般在5～25 cm土層[1-2]，本試驗(yàn)主要研究蔬菜根層土壤溫度。黃瓜根系生長(zhǎng)適宜的土溫為20～25 ℃，番茄為20～22 ℃[3]。當(dāng)土壤溫度持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間低于地溫下限或高于地溫上限時(shí)，根系生理功能受到阻滯，水分、養(yǎng)分吸收困難，植物會(huì)發(fā)生枯萎現(xiàn)象（盡管土壤中水分充足）[3]。所以，地溫是影響蔬菜生長(zhǎng)的重要因子。

北方保溫性較差的溫室在冬季連遇陰霾天或雨雪天，棚室氣溫及地溫較低，特別是每年的12月到翌年1月的地溫最低，導(dǎo)致果菜類(lèi)根系不發(fā)達(dá)、長(zhǎng)勢(shì)慢而影響植株正常生長(zhǎng)[4]。提高日光溫室冬季地溫的措施包括采用地面覆蓋[5]、生物反應(yīng)堆[6]、鋪設(shè)地?zé)峋€(xiàn)[7]、地中熱交換技術(shù)[8-9]、地下蓄熱[10]等方式。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員將太陽(yáng)能應(yīng)用于日光溫室，改善室內(nèi)環(huán)境。Bargach等用太陽(yáng)能集熱器改善溫室內(nèi)微氣候環(huán)境，可提早甜瓜收獲期、改善品質(zhì)以及提高育苗溫室氣溫[11-12]。孫先鵬等開(kāi)展了太陽(yáng)能蓄熱聯(lián)合空氣源熱泵溫室加熱試驗(yàn)研究，以此改善溫室內(nèi)的空氣溫度、濕度等環(huán)境因素[13]。近年來(lái)，人們開(kāi)始進(jìn)行地溫加熱研究。馮前前等利用不同裝置的太陽(yáng)能地溫系統(tǒng)對(duì)溫室土壤進(jìn)行加熱提高冬季溫室地溫，結(jié)果表明，當(dāng)散熱管埋深40 cm時(shí)地溫最高，且地溫值變化穩(wěn)定[14-17]。李炳海等研究表明，蔬菜根層30 cm處埋設(shè)散熱管主要集中加熱了15～25 cm深度的土壤，對(duì)淺層土壤溫度影響較小[18]。

太陽(yáng)能地暖管加熱對(duì)地溫的熱傳遞特性及地暖管埋設(shè)深度與蔬菜根層地溫關(guān)系的研究尚需豐富。本試驗(yàn)從時(shí)間與空間上研究分析土體加熱形成的土壤溫度場(chǎng)分布特征，以及從蔬菜根土空間分析地暖管的鋪設(shè)深度。為日光溫室土體加熱系統(tǒng)對(duì)蔬菜根層地溫的影響提供理論依據(jù)，優(yōu)化地暖管埋設(shè)深度。而且，本試驗(yàn)將太陽(yáng)能地溫加熱系統(tǒng)與電輔加熱配套，以解決冬季極端天氣日照不佳太陽(yáng)能集熱效果差的問(wèn)題，提高冬季溫室蔬菜生產(chǎn)。

1 溫室結(jié)構(gòu)及參數(shù)

試驗(yàn)于河北省農(nóng)林科學(xué)院石家莊市鹿泉區(qū)大河鎮(zhèn)綜合試驗(yàn)園區(qū)“冀優(yōu)Ⅱ型”日光溫室內(nèi)進(jìn)行。該溫室長(zhǎng)5 500 cm，內(nèi)跨600 cm，矢高265 cm，混凝土骨架，前屋面與地面夾角62°，采光角18°，后屋面仰角40°。墻體結(jié)構(gòu)為磚混37 cm厚磚墻，后墻培土150 cm。后墻內(nèi)高200 cm，底寬200 cm，上寬 80 cm。采光面呈半卵圓形（琴弦式），主采光面角度25°～30°。夜間棉被覆蓋，9：00揭被，16：30蓋被。石家莊市地處華北區(qū)，屬溫帶半濕潤(rùn)偏旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，日均氣溫13.6 ℃，日照時(shí)數(shù) 2 554 h，平均冬季時(shí)長(zhǎng)130 d。經(jīng)取土樣化驗(yàn)，棚室內(nèi)土壤為壤質(zhì)石灰性褐土，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)均勻。

2 材料與方法

2.1 太陽(yáng)能+電輔土壤加溫系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能+電輔集熱系統(tǒng)、地?zé)峒訙匮h(huán)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)3個(gè)部分組成（圖1）。（1）太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。太陽(yáng)能集熱面積18 m2（3 m×6 m），電輔加熱依設(shè)定的集熱器水溫及天氣狀況自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉。（2）地?zé)峒訙匮h(huán)系統(tǒng)。采用PRT耐熱聚乙烯管，管道直徑20 mm，地?zé)峁茏龀蒛型，2管距離20 cm，平鋪在種植壟下方土體不同深度，與主管道連接形成進(jìn)水、回水循環(huán)系統(tǒng)。（3）控制系統(tǒng)。傳感器感應(yīng)土層溫度，并將溫度信號(hào)指示給控制器，由電磁閥自動(dòng)調(diào)控?zé)崴诠艿览镅h(huán)，以此通過(guò)熱水（控制加熱水溫40 ℃）循環(huán)來(lái)提高土壤溫度。

地?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)能水溫和地溫來(lái)控制循環(huán)，即當(dāng)處理地溫達(dá)到預(yù)設(shè)地溫值20 ℃時(shí)，監(jiān)測(cè)和控制該小區(qū)地溫的傳感器和電磁閥自動(dòng)調(diào)控地?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)間為2015年12月1日至2017年1月30日，在河北省石家莊市鹿泉區(qū)河北省農(nóng)林科學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)園區(qū)進(jìn)行。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為一個(gè)處理，小區(qū)壟寬40 cm，壟間寬80 cm，壟長(zhǎng)400 cm，小區(qū)面積為4.8? m2（1.2 m×4.0 m）。每個(gè)小區(qū)兩側(cè)用陽(yáng)光板及隔熱墊縱向完全隔開(kāi)，底部即地表以下50 cm處鋪埋隔熱墊，使各處理小環(huán)境相對(duì)獨(dú)立。試驗(yàn)處理為散熱管鋪埋深度，共6個(gè)處理。處理Ⅰ：散熱管鋪埋于地下10 cm處;處理Ⅱ?yàn)?5 cm處;處理Ⅲ為 20 cm 處;處理Ⅳ為25 cm處;處理Ⅴ為30 cm處;處理Ⅵ為對(duì)照，不做加溫處理。重復(fù)3次，各處理散熱管均鋪埋于種植壟正下方，壟上覆地膜。試驗(yàn)區(qū)總面積為72? m2。試驗(yàn)布置見(jiàn)圖2。

2.3 測(cè)定方法

系統(tǒng)于2015年12月4日運(yùn)行。試驗(yàn)連續(xù)采集了2015年12月至2016年1月期間逐日的數(shù)據(jù)。每個(gè)處理壟不同深度埋設(shè)WatchDog B101紐扣地溫自動(dòng)記錄儀，同時(shí)種植壟上插RM-004直角地溫計(jì)。紐扣記錄儀溫度測(cè)量范圍：-40～85 ℃，測(cè)量精度：±0.6 ℃（-15～65 ℃），尺寸：5 cm×5 cm。

由于地膜覆蓋促使蔬菜根系分布淺層化，且主要根系分布層為0～25 cm土層范圍，故本試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)5～25 cm土層地溫。

選取分析了晴天和陰天2個(gè)典型天氣情況下地溫的變化規(guī)律。晴天、陰天數(shù)據(jù)均選擇2015年12月4日至2016年1月27日期間晴天、陰天的平均數(shù)據(jù)。晴天，環(huán)境溫度為-4～8 ℃;陰霾天，環(huán)境溫度為-4～4 ℃。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)選取09：00（卷簾前）、12：00、14：00、16：00（閉簾前）4個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析，采用Excel 2016和DPS 2016統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，并在0.05顯著水平及0.01極顯著水平上進(jìn)行多重比較。為使土壤溫度分布特征直觀(guān)可視，采用Auto CAD2006設(shè)計(jì)軟件繪制地溫空間分布模型剖面示意圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同天氣條件下土體不加熱地溫變化

由圖3可知，2種典型天氣條件下，各土層溫度在09：00—14：00為升溫時(shí)段，之后穩(wěn)定或下降。隨著土層的加深，土壤增溫過(guò)程表現(xiàn)出滯后性和緩慢性。蔬菜根系主要分布的土層為20～30 cm，晴天時(shí)只有5 cm土層地溫達(dá)到黃瓜、番茄適宜地溫 21 ℃;陰霾天，根系各層地溫均低于20 ℃。需提高3～8 ℃才能使蔬菜主要根系層達(dá)到最適地溫。

3.2 土體加熱對(duì)根層地溫的時(shí)空效應(yīng)

3.2.1 地暖管埋深10 cm處對(duì)根層地溫的影響

3.2.1.1 不同根層地溫的時(shí)間變化

晴天，室外氣溫為-4～8 ℃，室內(nèi)溫度為14～36 ℃。由圖4可知，晴天地暖加熱系統(tǒng)可使5～25 cm土層平均地溫達(dá)到21 ℃。5～10 cm土層地溫在地暖管加熱及太陽(yáng)輻射作用下升溫幅度較大。15～25 cm土層地溫變化較平緩。

陰霾天，室外氣溫為-4～4 ℃，室內(nèi)溫度為11.8～12.5 ℃。陰霾天氣地溫變化主要源于地暖管加熱，不同土層溫度通過(guò)加溫儲(chǔ)熱升溫，09：00時(shí)20～25 cm土層地溫即達(dá)到番茄、黃瓜適溫范圍（20～25 ℃），深層地溫顯著高于淺層地溫。

3.2.1.2 不同根層地溫的空間變化

由圖5可知，晴天、陰霾天時(shí)地溫傳遞規(guī)律大體一致。地溫增溫變化與對(duì)照（不加溫）相比，陰霾天時(shí)以10 cm處為熱源擴(kuò)散中心點(diǎn)，溫度向上傳遞到5 cm處，較對(duì)照地溫升高了13%，向下傳遞到15 cm處地溫升高了29%。可見(jiàn)，土體向下傳遞熱量高于向上傳遞熱量。從20～25 cm土層地溫升幅值可得出，由10 cm處熱源中心向下傳遞到20 cm的地溫升幅達(dá)57%，而 25 cm 土層地溫提高60%與20 cm地溫提高57%相比升幅不明顯，認(rèn)為10 cm為向下有效傳遞半徑。為直觀(guān)表達(dá)溫度傳導(dǎo)特征，用Auto CAD2006設(shè)計(jì)軟件繪制地溫空間分布剖面模型，初步認(rèn)為蔬菜根層地溫在空間上的擴(kuò)散形成類(lèi)似上短軸下長(zhǎng)軸的不規(guī)則橢圓球體。如圖5所示，類(lèi)不規(guī)則橢圓球體內(nèi)的球體大小表示不同根層傳遞熱量的多少。

3.2.2 地暖管埋深15 cm對(duì)根層地溫的影響

3.2.2.1 不同根層地溫的日變化

晴天時(shí)通過(guò)加溫可使根層土壤平均溫度達(dá)到番茄、黃瓜適溫21 ℃;陰霾天時(shí)地暖管加熱可使地溫平均達(dá)到19 ℃。通過(guò)加溫比對(duì)照提高2～7 ℃。由圖6-b可知，12：00之后，陰霾天 20～25 cm土層地溫達(dá)到適溫。熱量由熱源中心 15 cm 處向周?chē)鷤鬟f，20與25 cm層升溫最快。

3.2.2.2 不同根層地溫的空間變化

由圖7可看出，陰霾天時(shí)，15 cm處為熱源擴(kuò)散中心，溫度向上傳遞地溫提高2～3 ℃，提高了13%～17%;溫度向下傳遞地溫升高了28%～44%。可見(jiàn)，土體向下傳遞熱量高于向上傳遞熱量。15 cm處熱源擴(kuò)散中心向下傳遞到達(dá)25 cm土層的溫度升幅最大。同“3.2.1.2”節(jié)，繪制根層地溫空間分布模擬圖，可見(jiàn)，根層地溫在空間上的擴(kuò)散形成一個(gè)類(lèi)似上輕下重的儲(chǔ)熱球體，該球體空間剖面示意如圖7所示。

3.2.3 地暖管埋深20 cm對(duì)根層地溫的影響

3.2.3.1 不同根層地溫的日變化

如圖8所示，晴天加溫，12：00以后根層平均地溫達(dá)到適溫21 ℃，且不同根層溫差小;陰霾天加溫，在12：00以后 25 cm 地溫升高達(dá)到適溫，其他各層地溫均未達(dá)到，且不同根層地溫差較大。通過(guò)加溫平均地溫比對(duì)照提高3.7 ℃。陰霾天加熱系統(tǒng)對(duì)地溫的影響，表現(xiàn)出深層地溫高于淺層地溫。

3.2.3.2 不同根層地溫的空間變化

由圖9可見(jiàn)，陰霾天時(shí)，20 cm處為熱源擴(kuò)散中心，溫度向上傳遞到15 cm處地溫比對(duì)照升高了23%，明顯高于10、5 cm 處12%的升幅;溫度向下傳遞到25 cm處地溫升高了46%。說(shuō)明，接近散熱中心的根層升溫高，且土壤溫度向上傳遞顯著有效距離為5 cm。同“3.2.1.2”節(jié)，繪制根層地溫空間分布剖面模擬圖，如圖9所示。

3.2.4 地暖管埋深25 cm對(duì)根層地溫的影響

3.2.4.1 不同根層地溫的日變化

由圖10可知，地暖管埋深在25 cm處，晴天時(shí)，淺層地溫升溫快;陰霾天時(shí)，地暖管周?chē)?0～25 cm處地溫升溫快。16：00時(shí)20～25 cm土層地溫才達(dá)到適溫線(xiàn)。陰霾天氣地暖管地溫加熱系統(tǒng)對(duì)各層地溫起主要作用，表現(xiàn)出土壤熱導(dǎo)性向下傳。

3.2.4.2 不同根層地溫的空間變化

由圖11可以看出，25 cm處為熱源擴(kuò)散中心，陰霾天溫度向上傳遞到 20 cm 處地溫升高了31%，15 cm處地溫升高了26%，10 cm處溫度升高了20%，5 cm處溫度升高了14%。由此說(shuō)明，近熱源中心的地溫升溫幅度高于遠(yuǎn)熱源中心的地溫。同“3.2.1.2”節(jié)，繪制不同根層地溫空間分布剖面模型，見(jiàn)圖11。

3.2.5 地暖管埋深30 cm處對(duì)根層地溫的影響

3.2.5.1 不同根層地溫的日變化

如圖12所示，晴天時(shí)加溫措施可使平均地溫達(dá)到24 ℃，陰霾天時(shí)加溫措施可使20～25 cm土層地溫達(dá)到適溫21 ℃，其他各土層地溫均低于適溫，不同根層地溫差較大。30 cm 處為散熱中心，熱量由此向上傳遞對(duì) 25 cm 土層地溫作用較大，對(duì)其他層次地溫作用較小。圖12所示的地溫特征曲線(xiàn)表明陰霾天氣時(shí)土壤熱量向下比向上傳遞多。

3.2.5.2 不同根層地溫的空間變化

由圖13可看出， 30 cm處為熱源擴(kuò)散中心， 溫度向上傳遞，陰霾天5～25 cm 土層地溫較對(duì)照分別提高了18%、25%、31%、38%、54%。通過(guò)方差分析25 cm土層升溫值顯著高于其他各層升溫值，溫度向上傳遞顯著有效距離為5 cm。由此說(shuō)明，接近熱源中心的地溫升幅大，距離熱源中心遠(yuǎn)的土層升溫小。同“3.2.1.2”節(jié)，繪制不同根層地溫空間分布剖面模型，見(jiàn)圖13。

3.3 地暖管不同埋設(shè)深度對(duì)根層地溫的日效應(yīng)

3.3.1 地暖管不同埋設(shè)深度對(duì)根層地溫的方差分析

由表1可知，與對(duì)照相比通過(guò)土體加熱提高地溫效果顯著。晴天時(shí)，地暖管埋深10 cm處與30 cm處0～25 cm根層日均溫極顯著高于對(duì)照，且分別較對(duì)照提高了4.54和4.62 ℃，達(dá)到蔬菜生長(zhǎng)適宜的地溫。陰霾天時(shí)，各處理區(qū)根層日均溫度均顯著高于對(duì)照，只有10 cm與30 cm處根層日均溫度達(dá)到蔬菜生長(zhǎng)適宜的地溫下限20 ℃。

3.3.2 地暖管不同埋設(shè)深度對(duì)根層地溫的回歸分析

分析2種天氣條件下地暖管不同埋深與根層平均日溫的關(guān)系，可知蔬菜主要根系層平均地溫隨地暖管埋深增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。

建立2種典型天氣條件下蔬菜根層地溫與地暖管埋深的回歸模型，如式（1）、式（2）所示：

Y晴天=0.015 9x2-0.631 6x+27.955 0，R2=0.998 6;（1）

Y陰霾天=0.016 8x2-0.674 8x+25.446 0，R2=0.897 1。（2）

式中：Y晴天、Y陰霾天分別表示晴天、陰霾天蔬菜根層平均地溫對(duì)地暖管埋深的效應(yīng)函數(shù)。由回歸方程式（1）和式（2）中一次項(xiàng)系數(shù)可知，地暖管埋深對(duì)不同天氣根層地溫具有顯著負(fù)效應(yīng)，且對(duì)陰霾天根層地均溫的影響大于晴天根層地溫。

4 討論與結(jié)論

太陽(yáng)能地溫加熱系統(tǒng)提高土壤溫度效果顯著[18-19]。晴天時(shí)，太陽(yáng)輻射對(duì)地溫的作用要大于地暖管的加溫作用;陰霾天時(shí)，地暖管的加溫效果較顯著。關(guān)于散熱管不同埋深對(duì)夜間土壤溫度的影響以及地溫變化對(duì)作物生長(zhǎng)影響的研究正在進(jìn)一步探索。

地溫時(shí)空變化方面，熱源穩(wěn)定情況下，蔬菜根層溫度平緩升溫且隨深度增加熱量積累增加，土壤熱傳導(dǎo)性向下傳遞。地溫增加量隨時(shí)間變化在空間上擴(kuò)散形成近似上短軸下長(zhǎng)軸的不規(guī)則橢圓球體。

在熱源埋深方面，已有研究表明埋管深度越深，土壤表層溫度越低;隨著散熱管埋深增加，對(duì)根區(qū)溫度場(chǎng)影響減弱，在蔬菜根層30 cm處埋設(shè)散熱管，結(jié)果顯示熱能主要集中加熱了15～25 cm深的土壤[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)熱源埋深在10與30 cm處均可使地溫達(dá)到番茄、黃瓜生長(zhǎng)適宜地溫，但埋深在30 cm處達(dá)到適溫的根土空間較埋深在10 cm處的范圍小。土體加熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，離散熱管越遠(yuǎn)地溫變化越滯后。

本研究發(fā)現(xiàn)了在光照較弱或陰霾氣候條件下，通過(guò)電輔加熱來(lái)提高太陽(yáng)能地溫加熱系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水的水溫，可以有效提高整套系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和實(shí)際增溫效果，保證地溫維持在適溫，以防因地溫低而影響當(dāng)季蔬菜種植生產(chǎn)[21]。

日光溫室土體加熱對(duì)陰霾天日均地溫升溫的影響大于晴天。蔬菜根層土壤溫度傳遞表現(xiàn)出向下傳導(dǎo)趨勢(shì)。“冀優(yōu)Ⅱ型”日光溫室全覆膜種植模式下，地暖管埋設(shè)深度在10 cm處，可滿(mǎn)足冬季晴天、霧霾天氣條件下番茄、黃瓜根系生長(zhǎng)所需的最適地溫20～25 ℃。

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