高原非耕地地區(qū)日光溫室結(jié)構(gòu)與熱環(huán)境研究＊

鄒志榮（西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西楊凌 712199）

非耕地是指除耕地之外未被開墾的土地，或因地力條件差，不適于耕種或耕種后效益低，入不敷出，棄之不用的土地。主要類型有戈壁、灘涂、荒漠、鹽堿地、山地、草甸等。統(tǒng)計(jì)表明，中國的沙漠、戈壁和沙漠化土地面積約130.8 萬km2，在荒漠草原和干草原地帶沙漠化土地面積約32.8萬km2，共占國土總面積13.5%。其中國內(nèi)在戈壁、荒漠、鹽堿地地區(qū)的可供開發(fā)利用的土地面積至少約有3530 萬hm2，占全國土地總面積的3.7%。這類非耕地土地資源開發(fā)程度低，開發(fā)潛力大。由于其不具備土壤耕作條件，大部分不適宜進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但具有水源條件的各種非耕地區(qū)域，在國家法律法規(guī)保護(hù)范圍內(nèi)，可有效開發(fā)利用，尤其是在海拔高、天氣寒冷的新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西等西部地區(qū)，利用非耕地進(jìn)行設(shè)施日光溫室蔬菜有機(jī)生態(tài)型無土栽培，可大量節(jié)約耕地資源，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。本課題組從2013 年以來在新疆、內(nèi)蒙古、青海以及陜西等地開展了非耕地日光溫室結(jié)構(gòu)與熱環(huán)境研究，取得了可喜成果，為開發(fā)利用非耕地日光溫室蔬菜生產(chǎn)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

非耕地日光溫室結(jié)構(gòu)建造

新型節(jié)能日光溫室

西北戈壁地區(qū)由于其特殊的地理位置，大多數(shù)建筑材料材只能從外地采購，運(yùn)輸成本高，進(jìn)而導(dǎo)致了日光溫室建造成本增加。而另一方面，當(dāng)?shù)氐牡[石資源非常豐富。據(jù)研究，礫石熱物理特性為密度2300 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)1.51 W/(m·K)，蓄熱系數(shù)15.36 W/(m3·K)，具有一定的蓄熱特性。因此，本研究根據(jù)礫石的熱物理特性，以礫石作為后墻墻體主要蓄熱材料，設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)能日光溫室，并試驗(yàn)探索研究了該種新型礫石后墻日光溫室的性能及其實(shí)用性。

供試驗(yàn)的礫石后墻日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要由鉛絲石籠與磚塊鋼筋混凝土柱組成。網(wǎng)籠尺寸為長100 cm，高50 cm，寬50 cm，填充滿直徑約為10～25 cm 的礫石，網(wǎng)格為六邊形（圖1）。圖2、圖3 所示，鉛絲的直徑為0.2 cm。墻體每隔150 cm 鑄造1 個(gè)截面積20 cm×20 cm 磚塊鋼筋混凝土柱，起支撐與承壓作用。建造試驗(yàn)溫室時(shí)，先修建磚塊鋼筋混凝土柱，然后在其間填入鉛絲石籠，石籠與石籠、承重柱之間由鉛絲鉸接固定。礫石墻體厚100 cm，外層是10 cm 厚的EPS（聚苯乙烯）保溫板。

圖1 礫石墻體日光溫室結(jié)構(gòu)圖/mm

圖2 鉛絲石籠示意圖

圖3 礫石墻體日光溫室實(shí)況圖

對照溫室為普通磚墻溫室，墻體采用了240 mm磚墻+120 mm 苯板+120 mm 磚墻的復(fù)合墻體。兩座供試日光溫室均位于陜西省楊凌示范區(qū)楊家莊，坐北朝南，東西延長，長度15 m，跨度9 m，脊高4.5 m，透明覆蓋材料為PET 膜。

內(nèi)蒙古、新疆、青海等地區(qū)非耕地日光溫室類型

在內(nèi)蒙古烏海示范點(diǎn)非耕地日光溫室結(jié)構(gòu)是9 m 跨，80 m 長，方位南偏東5°；脊高4.5 m；后墻高3.3 m，墻體采用1 m 厚礫石+10 cm 聚苯板（＞15 kg/m2），骨架采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，間距1 m，后屋面采用120 mm 彩鋼夾芯板（圖4）。

圖4 內(nèi)蒙古烏海示范點(diǎn)礫石日光溫室

在新疆阿克陶示范點(diǎn)非耕地日光溫室結(jié)構(gòu)是9 m 跨，75 m 長，脊高5 m。后墻高4 m，120 mm 雙面彩鋼夾芯板輕質(zhì)后屋面，增加了溫室抗載荷能力。為了提高夜間溫度，采用了西北農(nóng)林科技大學(xué)研發(fā)的空氣源主動蓄熱技術(shù)（圖5）。

圖5 新疆阿克陶示范點(diǎn)非耕地日光溫室

在青海互助縣示范點(diǎn)非耕地日光溫室結(jié)構(gòu)是10 m 跨，100 m 長，脊高4.5 m。后墻高3.3 m，墻體采用1 m 厚礫石+10 cm 聚苯板（＞15 kg/m2），骨架采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6 青海互助縣非耕地日光溫室

非耕地日光溫室溫度性能

傳統(tǒng)的日光溫室墻體是利用土壤、磚塊、復(fù)合材料等建造。對于礫石一類的石塊墻體是否具有較好的蓄放熱功能，是否保證冬季溫室果菜類喜溫性蔬菜正常生產(chǎn)還是一個(gè)需要探討的問題。筆者團(tuán)隊(duì)分別在陜西、內(nèi)蒙古等地做了試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

在陜西楊凌試驗(yàn)條件下，新型礫石墻體日光溫室與普通磚墻溫室相比，室內(nèi)溫度有較大幅度的提高，典型天氣晴天（2015 年1 月22日）、陰天（2015 年1 月25 日）、雪天（2015年1 月28 日）天分別平均提高4.0℃、5.0℃、3.2℃(圖7)。

圖7 典型天氣晴天（2015 年1 月22 日）、陰天（2015 年1 月25 日）、雪天（2015 年1 月28 日）天室內(nèi)溫度差日變化曲線

整個(gè)試驗(yàn)期間（2014 年12 月27 日～2015年1 月31 日）室溫平均提高4.3℃，最低氣溫提高3.2℃。從墻體內(nèi)溫度看，新型礫石墻體日光溫室在試驗(yàn)期間與普通磚墻溫室相比，由于礫石墻體內(nèi)縫隙多，空氣自然對流強(qiáng)，墻體內(nèi)不同深度的溫度均有提高。只有晴天開啟保溫被后表面溫度差最大，其他時(shí)間40 cm 處溫度提高最顯著。

礫石溫室墻體內(nèi)在0 cm、20 cm、40 cm 處的溫度比普通磚墻內(nèi)溫度晴天（2015 年1 月22日）平均提高6.7℃、7.4℃、9.8℃，陰天（2015年1 月25 日）平均提高4.0℃、5.3℃、6.4℃，雪天（2015 年1 月28 日）平均提高2.8℃、3.9℃、4.8℃。通過實(shí)驗(yàn)對比分析，新型礫石后墻墻體具有良好的蓄熱能力，提高溫室內(nèi)的氣溫，與對照普通磚墻相比土建基礎(chǔ)可以節(jié)約造價(jià)25%。

從表1 中可知，兩種日光溫室種植番茄單果重與單株產(chǎn)量差異性顯著。礫石溫室內(nèi)種植的番茄單果重和單株產(chǎn)量較高，普通節(jié)能磚墻溫室內(nèi)種植的番茄單果重和單株產(chǎn)量最低。相比普通節(jié)能磚墻溫室，礫石蓄熱墻體溫室提高35%，說明礫石溫室更利于作物生長，產(chǎn)量增加明顯。因此，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的初步分析，礫石后墻溫室蓄熱保溫性能較傳統(tǒng)磚墻溫室有明顯提升，具有良好的蓄熱性能，是砂石豐富地區(qū)溫室后墻建造優(yōu)先考慮的材料。

表1 不同溫室對番茄產(chǎn)量的影響

在內(nèi)蒙古烏海示范點(diǎn)2016 年1 月1 日～27日期間測定結(jié)果表明，礫石墻體的日光溫室平均溫度比原有的磚墻溫室1.09～3.92℃（表2）。

表2 內(nèi)蒙古烏海不同日光溫室溫度比較

2016 年期間是示范溫室主要種植作物為番茄比較單位面積產(chǎn)量為礫石溫室番茄產(chǎn)量為5966 kg/667 m2，磚墻溫室番茄產(chǎn)量為5340 kg/667 m2，提高產(chǎn)量11.7%。

總結(jié)

原料資源

研究表明礫石、草泥、秸稈等材料是非耕地地區(qū)較為豐富的原料資源。供試驗(yàn)的礫石后墻日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要由鉛絲石籠與磚塊鋼筋混凝土柱組成，其方法簡單易行，結(jié)構(gòu)合理，便于推廣應(yīng)用。

蓄熱性能

通過實(shí)驗(yàn)對比分析，新型礫石后墻墻體具有良好的蓄熱能力，提高溫室內(nèi)的氣溫，比對照的普通磚墻溫室的室溫平均提高4.3℃，最低氣溫提高3.2℃。與對照普通磚墻相比土建基礎(chǔ)可以節(jié)約造價(jià)25%。

種植效果

在陜西和內(nèi)蒙古兩地開展番茄種植比較，分別比當(dāng)?shù)卮u墻溫室番茄產(chǎn)量提高35% 和11.7%。所以，礫石后墻溫室是西部高原非耕地溫室建造優(yōu)先考慮的類型。