生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)熱-小型溫室棚聯(lián)用對(duì)春冬季煙苗生長(zhǎng)溫度調(diào)控的數(shù)值研究

李建波,閆云飛,*,高 偉,申開(kāi)明,張承華,李鈉鉀,江厚龍,汪代斌

1 重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044 2 重慶煙草科學(xué)研究所,重慶 400715

我國(guó)寒冷地區(qū)目前作物設(shè)施主要為塑料大棚、日光溫室。塑料大棚是以塑料薄膜為采光面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施,是中國(guó)南方地區(qū)植物栽培的主要設(shè)施類(lèi)型,具有透光好、建造方便等優(yōu)點(diǎn)[1—2]。與日光溫室相比,大棚沒(méi)有墻壁作為保溫蓄熱體,其保溫性能差[3—4]。同時(shí)由于氣候、地理位置等因素,直接利用溫室自身內(nèi)部環(huán)境往往不能為作物提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境。土壤溫度是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素之一,且與溫室內(nèi)空氣溫度相比,調(diào)控土壤溫度對(duì)于作物發(fā)芽、出苗等生長(zhǎng)更加直接有效[5—6]。馬忠明等[7]通過(guò)不同覆膜種植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同覆膜方式下土壤溫度平均提高3.3 ℃。閆曉俊等[8]針對(duì)杉木幼苗設(shè)置了大氣增溫和土壤增溫雙因子試驗(yàn)研究,結(jié)果表明土壤增溫對(duì)冬季葉片凈光合作用速率有顯著促進(jìn)作用,有利于幼苗正常生長(zhǎng)。對(duì)比以往的土壤增溫方式,生物質(zhì)發(fā)酵技術(shù)可通過(guò)分解作物秸稈、稻殼等,從而釋放出大量熱量和二氧化碳,不僅能提升土壤肥力[9],還能夠提高秋冬季節(jié)溫室棚內(nèi)土壤溫度,實(shí)現(xiàn)煙草、番茄、黃瓜、西瓜等作物的反季節(jié)栽培,對(duì)于冬季溫室作物生長(zhǎng)具有重要意義[10—12]。肖金鑫等[13]研究發(fā)現(xiàn),釀熱發(fā)酵產(chǎn)熱使得單層膜覆蓋的大跨度的溫室平均地溫比普通日光溫室高1.4—2.0 ℃,在室外最低氣溫為-14.3 ℃的極端天氣下,釀熱溫室內(nèi)夜間溫度仍不低于5.3 ℃,高于對(duì)照組3.8 ℃,有利于作物的正常生長(zhǎng)?？渍萚14]通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)酵池產(chǎn)熱,維持大棚溫度的穩(wěn)定,其增溫時(shí)間長(zhǎng)、增溫效果顯著提高。Poblete等[15]和Neugebauer等[16]將太陽(yáng)能溫室與堆肥方式相結(jié)合形成了溫室堆肥系統(tǒng),結(jié)果表明該系統(tǒng)的土壤溫度明顯高于其他對(duì)照組,所研究的堆肥樣品有機(jī)質(zhì)含量均降低,溫室內(nèi)的溫度得到了保持,種子萌發(fā)和根系生長(zhǎng)均得到促進(jìn)。

以溫室成分和氣象條件,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了數(shù)值模擬的方法來(lái)研究溫室環(huán)境的變化規(guī)律。張艷等[17]建立了溫室的三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型,對(duì)日光溫室內(nèi)淺層土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)不同深度土壤溫度變化趨勢(shì)一致；隨著土壤深度增加,溫度波動(dòng)變小。Zhang等[18]和Taki等[19]對(duì)溫室建立了動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,對(duì)溫室內(nèi)各表面屬性、內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,研究發(fā)現(xiàn)不同溫室表面太陽(yáng)能輻射比例不一樣。對(duì)比不同類(lèi)型的日光溫室,發(fā)現(xiàn)東西方向布置的單跨溫室在寒冷季節(jié)接受的太陽(yáng)輻射最大。Zhang等[20]和Wang等[21]利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬動(dòng)態(tài)的太陽(yáng)熱負(fù)荷對(duì)溫室溫度場(chǎng)的影響,優(yōu)化了溫室內(nèi)部溫度環(huán)境,結(jié)果表明室內(nèi)溫度與太陽(yáng)輻射變化規(guī)律一致。

盡管日光溫室數(shù)值模擬得到了大量的研究,但是對(duì)于小型溫室棚的內(nèi)環(huán)境模擬研究較少,特別是小型溫室棚與發(fā)酵產(chǎn)熱增溫聯(lián)用的數(shù)值模擬研究較少。該聯(lián)用系統(tǒng)有效提高了溫室土壤利用率,并保證了溫室良好的保溫性能。因此,本文以重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗(yàn)基地小型塑料溫室棚為載體,采用溫室棚室內(nèi)外土壤、空氣溫度數(shù)據(jù)的試驗(yàn)跟蹤測(cè)量,并對(duì)溫室棚內(nèi)空氣及土壤層溫度場(chǎng)進(jìn)行三維非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬,探究了溫室棚內(nèi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律,在此基礎(chǔ)上分析了生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)熱對(duì)溫室棚內(nèi)土壤溫度場(chǎng)的影響,以期為高海拔寒冷地區(qū)煙草幼苗尋找其合適栽培環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)溫室位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗(yàn)基地(東經(jīng)106°25′45″,北緯29°49′18″),試驗(yàn)日期為2020年12月20日至2021年1月10日。試驗(yàn)溫室采用塑料薄膜覆蓋的框架結(jié)構(gòu),長(zhǎng)4 m,寬1 m,高0.6 m,溫室外覆蓋層材料為0.15 mm厚的PE膜。日光小型溫室棚內(nèi)每隔1 m建有12 cm×12 cm×6 cm的釀熱槽,其深度為12 cm,內(nèi)埋設(shè)物為稻殼,如圖1所示。

圖1 溫室棚的結(jié)構(gòu)圖及其實(shí)物圖Fig.1 Structural diagram of the greenhouse shed and its physical drawing

1.2 試驗(yàn)方法

針對(duì)煙苗移栽后溫度的測(cè)量,項(xiàng)目組采用遠(yuǎn)程溫度測(cè)量?jī)x測(cè)量各組中的溫度變化狀況。無(wú)溫室棚試驗(yàn)組設(shè)置兩個(gè)溫濕度測(cè)量?jī)x分別測(cè)量空氣溫度及土壤溫度,其中測(cè)量土壤溫度時(shí),將測(cè)量?jī)x的探頭套上防塵套后插入煙苗根部附近的土壤中。溫室棚內(nèi)同樣采用兩個(gè)溫濕度測(cè)量?jī)x檢測(cè)棚內(nèi)空氣的溫度及棚內(nèi)土壤溫度,同時(shí)采用直尺對(duì)煙苗的徑高(H)進(jìn)行測(cè)量,如圖2所示。試驗(yàn)保持全天候溫度監(jiān)控,溫濕度測(cè)量?jī)x每10 min記錄一次數(shù)據(jù)以確保其精度。

圖2 試驗(yàn)測(cè)量示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test measurementa：溫室棚的搭建示意； b：溫室棚內(nèi)、外溫濕度的測(cè)量； c：溫室棚外煙苗的高度測(cè)量； d：溫室棚內(nèi)煙苗的高度測(cè)量

2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

圖3 溫室棚模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Greenhouse shed model meshing

選取溫室內(nèi)空氣區(qū)域(1 m×1 m×0.6 m)和底部土壤長(zhǎng)方體區(qū)域(1 m×1 m×0.3 m)為計(jì)算域。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散化處理,在溫室兩側(cè)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,如圖3所示,以保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后,選取模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為339625,網(wǎng)格數(shù)為356328。

2.2 控制方程

溫室在日光的照射下其內(nèi)部條件會(huì)發(fā)生微小變化,涉及到空氣的低速流動(dòng),能量的交換與傳遞。采用控制體積法進(jìn)行分析,相關(guān)控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

式中,Sm為分散相到連續(xù)相的質(zhì)量,ρ表示密度,ui表示i方向上的速度,xi為i方向上的微元體長(zhǎng)度。

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中,p表示靜壓,τij表示了應(yīng)力張量,gi表示在i方向上的體積力,Fi表示在i方向上的外部體積力。

能量守恒方程：

(3)

式中,T表示熱力學(xué)溫度,cp代表比熱容,u表示速度,λ為導(dǎo)熱系數(shù),ST為內(nèi)熱源項(xiàng)。

2.3 太陽(yáng)輻射模型及邊界條件

采用太陽(yáng)射線追蹤模型,適用于三維模型,能夠計(jì)算進(jìn)入計(jì)算域的太陽(yáng)射線的輻射影響。射線追蹤方法基于光線跟蹤算法來(lái)模擬太陽(yáng)輻射的動(dòng)態(tài)變化。太陽(yáng)輻射對(duì)溫室內(nèi)微環(huán)境分布的影響與太陽(yáng)方位角和溫室地理位置、季節(jié)、時(shí)間及晴朗指數(shù)密切相關(guān)。為真實(shí)地模擬以上因素的影響,采用Solar Ray Tracing計(jì)算方法,通過(guò)Solar calculator 設(shè)定試驗(yàn)地區(qū)的地理位置(106°25′45″E,29°49′18″N)、時(shí)區(qū)(+8)、計(jì)算域方向以及晴朗指數(shù)。給定具體時(shí)間,可計(jì)算出當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

試驗(yàn)棚位于室外,其溫度為4—8 ℃,溫度較低,棚與環(huán)境存在對(duì)流換熱,忽略薄膜導(dǎo)熱,空氣視為理想氣體。溫室的覆蓋層、地面均按照壁面邊界條件處理。溫室內(nèi)外的能量通過(guò)覆蓋層以對(duì)流、熱傳導(dǎo)和輻射三種形式進(jìn)行熱交換。設(shè)定覆蓋層為半透明材質(zhì),覆蓋層的熱邊界條件為熱對(duì)流傳導(dǎo)類(lèi)型,以實(shí)現(xiàn)覆蓋層內(nèi)外空氣的熱交換[22]。地表面與溫室內(nèi)空氣和土壤層均存在熱量傳遞,將地表面設(shè)置為流固耦合面,下部土壤長(zhǎng)方體的側(cè)面設(shè)置為第三類(lèi)邊界條件。夜間,考慮土壤長(zhǎng)方體底部向外傳熱的熱流密度為1 W/m2[23]；生物質(zhì)發(fā)酵材料選用稻殼。材料物性參數(shù)[17,24—25]如表1。

3結(jié)果與討論3.1田間試驗(yàn)

試驗(yàn)為探究溫室棚和發(fā)酵產(chǎn)熱聯(lián)用對(duì)土壤溫度的影響,對(duì)2020年12月20日至30日各組溫度進(jìn)行測(cè)量,每隔一天處理一次數(shù)據(jù),如圖4所示。試驗(yàn)1—6的外界環(huán)境變量相同,其中,試驗(yàn)1為空白對(duì)照組,僅施加有機(jī)肥和水,無(wú)溫室棚；試驗(yàn)2在施加等量肥料和水的條件下,增添了適量生根劑,無(wú)溫室棚；試驗(yàn)3在施加等量有機(jī)肥、水、生根劑條件下,埋設(shè)了適量稻殼,無(wú)溫室棚。試驗(yàn)4施加等量有機(jī)肥、水的條件下,增設(shè)了溫室棚；試驗(yàn)5在施加等量有機(jī)肥、水的條件下,增添了等量生根劑,有溫室棚；試驗(yàn)6施加等量有機(jī)肥、水、生根劑的條件下,埋設(shè)了等量稻殼,有溫室棚。

表1 材料的物性參數(shù)

圖4 12月20—30日各試驗(yàn)組溫度變化曲線圖Fig.4 Temperature variation curves of each test group from 20 to 30 December

溫室棚的存在使得土壤溫度得到了有效提升,平均提高了3.5 ℃,這對(duì)春冬季或高海拔地區(qū)煙苗移栽具有積極作用。太陽(yáng)輻射量對(duì)棚內(nèi)外溫度有較大影響,從圖4中可以明顯看到,各組試驗(yàn)溫度隨時(shí)間呈先增后減的趨勢(shì),在中午12:00—14:00達(dá)到最高溫度(此時(shí)太陽(yáng)輻射量較大)。除了降雨天氣時(shí)外界太陽(yáng)輻射量小而導(dǎo)致棚內(nèi)外土壤溫度和棚內(nèi)空氣溫度相差較小外,其余時(shí)間棚內(nèi)空氣溫度均大大高于土壤溫度,最大溫差高達(dá)20 ℃左右。這由于稻殼堆肥產(chǎn)熱有效地提高了溫室棚內(nèi)夜間溫度,其主要原因?yàn)椋呵缣鞙厥遗镂仗?yáng)輻射量,且溫室棚薄膜透光率較大,吸收的熱量直接通過(guò)對(duì)流換熱與輻射傳給空氣。溫室棚內(nèi)部土壤溫度則是通過(guò)與棚內(nèi)空氣進(jìn)行自然對(duì)流換熱后再將熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式傳導(dǎo)深層土壤,本試驗(yàn)所測(cè)土壤溫度為距離壟平面10 cm的位置,由于土壤熱導(dǎo)率較低,導(dǎo)致所測(cè)點(diǎn)溫度也較低,同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn),土壤熱容量較大,單日內(nèi)的溫度梯度遠(yuǎn)小于棚內(nèi)空氣的溫度梯度。此外,利用稻殼堆肥產(chǎn)生的熱量,可以有效提升土壤溫度,但提升幅度有限,僅為平均1.4 ℃左右。耦合稻殼堆肥和溫室棚研究發(fā)現(xiàn),對(duì)比空白試驗(yàn)組,通過(guò)稻殼堆肥釀熱可使溫室棚內(nèi)日平均氣溫提高4.2 ℃,日最低氣溫平均提高4.6 ℃。溫室棚內(nèi)土壤溫度平均提高3.5 ℃且溫室棚中土壤的平均溫度低于10 ℃的天數(shù)明顯減少。在有溫室棚的試驗(yàn)中,埋設(shè)稻殼的棚內(nèi)空氣溫度和土壤溫度均高于未埋設(shè)稻殼的溫室棚,表明溫室棚和稻殼堆肥耦合作用可進(jìn)一步提升土壤溫度。

圖5 各試驗(yàn)組煙苗平均莖高及平均葉片數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistical graph of average stem height and average leaf number of tobacco leaves in each experimental group

煙苗生長(zhǎng)高度和葉片數(shù)是直接反應(yīng)煙苗生長(zhǎng)情況的重要參數(shù)。因此,本研究分別對(duì)各試驗(yàn)組中煙苗莖高和葉片數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì) (每7天統(tǒng)計(jì)一次),如圖5所示。由于煙苗在移栽和生長(zhǎng)過(guò)程中難以控制其莖高和葉片數(shù)統(tǒng)一,所以試驗(yàn)中采用每個(gè)試驗(yàn)組的平均莖高和平均葉片數(shù)作為煙苗生長(zhǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。相比于埋設(shè)稻殼的無(wú)溫室棚試驗(yàn)組,試驗(yàn)3的煙苗莖高和葉片數(shù)量每周的增量相差較小,即無(wú)溫室棚時(shí),埋設(shè)稻殼對(duì)煙苗生長(zhǎng)作用不明顯。在21 d后,試驗(yàn)3的煙苗平均莖高從移栽時(shí)的7.5 cm增高到10.5 cm,平均葉片數(shù)從6片增長(zhǎng)到9片。而埋設(shè)稻殼的溫室棚中煙苗莖高和葉片數(shù)增長(zhǎng)值最大,每組平均莖高從移栽時(shí)的7.8 cm增長(zhǎng)到12 cm,平均葉片數(shù)從5片增長(zhǎng)到11片。其原因主要是溫室棚和稻殼產(chǎn)熱耦合作用提升了土壤溫度,為煙苗的生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的環(huán)境。

3.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

數(shù)值模型的驗(yàn)證以2020年12月25日的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),模擬分析時(shí)也選取該日的太陽(yáng)輻射量。土壤試驗(yàn)溫度為棚地表面以下10 cm處的土壤層平均溫度,空氣試驗(yàn)溫度為棚地表面以上10 cm處的空氣層平均溫度。模擬溫度為數(shù)值模擬得到的棚內(nèi)同一土壤/空氣層的平均溫度,試驗(yàn)溫度和模擬溫度均選取整點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。如圖6所示為棚內(nèi)溫度場(chǎng)的對(duì)比,模擬值與試驗(yàn)值吻合較好。溫室棚內(nèi)溫度場(chǎng)的模擬值與試驗(yàn)值保持相同的變化趨勢(shì),土壤溫度模擬值與試驗(yàn)值的絕對(duì)誤差在1.8 ℃以?xún)?nèi),空氣溫度模擬值與試驗(yàn)值的絕對(duì)誤差在3.8 ℃以?xún)?nèi)。檢驗(yàn)結(jié)果表明,模擬值與試驗(yàn)值之間雖然存在一定的偏差,但均在合理的誤差范圍內(nèi),總體吻合良好,建立的數(shù)值模型具有一定的可行性和合理性,可用于棚內(nèi)溫度場(chǎng)的模擬。

圖6 棚內(nèi)土壤、空氣溫度場(chǎng)的對(duì)比Fig.6 Comparison of soil and air temperature fields in the shed

一天中,小型溫室棚內(nèi)土壤溫度與空氣溫度變化趨勢(shì)相同。在9:00—16:00時(shí)段,室內(nèi)溫度急劇升高并在16:00時(shí)左右達(dá)到峰值,在17:00—20:00范圍內(nèi)急劇降低。這是因?yàn)榘滋焯?yáng)輻射存在,使得溫室不斷吸收并積蓄熱量而迅速升溫,傍晚太陽(yáng)輻射消失,溫室與外界存在較大的溫差,熱量散失明顯。此外,可以發(fā)現(xiàn)在半夜到第二天凌晨(24:00—8:00),室內(nèi)溫度下降較為緩慢并在8:00時(shí)左右溫度降到最低。此時(shí)段無(wú)太陽(yáng)輻射,且溫室與環(huán)境之間的溫差較小,因此溫室散失熱量但不顯著,表現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)。

3.3 不同土壤層溫度變化

溫度對(duì)煙草生長(zhǎng)和發(fā)育具有重要影響,適宜的土壤溫度有利于煙草的正常生長(zhǎng)并提高煙葉的品質(zhì)。煙草是一種喜溫作物,整個(gè)生育期要求比較高的溫度。煙草生長(zhǎng)發(fā)育最適宜的溫度是25—28 ℃,地上部在8—38 ℃的溫度范圍內(nèi)都能生長(zhǎng),地下部分在7—43 ℃之間都能生長(zhǎng)[26]。溫度過(guò)低和過(guò)高都不利煙草植株的生長(zhǎng),在零下1—2 ℃的環(huán)境中煙株就會(huì)死亡[26]。因此煙苗移栽到大田時(shí),必須保證10 cm深的土層溫度在9 ℃以上。一般認(rèn)為,晝夜溫差的存在對(duì)于煙株生長(zhǎng)發(fā)育是有利的[26]。煙草幼苗期根系較短,在土壤中分布范圍較小,其大部分根系分布在距地表20 cm左右的土壤層。因此,本文通過(guò)分析不同深度(-3 cm、-5 cm、-7 cm、-10 cm、-15 cm、-20 cm)土壤層溫度的變化情況,以探究溫室棚土壤溫度對(duì)煙草生長(zhǎng)期的作用和影響。

圖7為未埋設(shè)稻殼時(shí)不同深度土壤層溫度日變化曲線和不同深度土壤層的平均溫度變化。從圖7中可以看出,不同深度的土壤層溫度場(chǎng)變化狀況是一致的,均呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢(shì)。在凌晨(24:00—8:00)土壤溫度緩慢下降；在8:00時(shí)附近溫度(8.2—9.5 ℃)最低。在此時(shí)段沒(méi)有太陽(yáng)輻射,使溫室棚無(wú)熱量輸入；且溫室與環(huán)境存在對(duì)流、輻射換熱,溫室對(duì)外有熱量損失。但因?yàn)橥寥罍囟扰c周?chē)鷾囟戎g的溫差較白天來(lái)說(shuō)要小很多,換熱強(qiáng)度不大,所以土壤溫度呈現(xiàn)出緩慢下降的情況。在9:00—16:00范圍內(nèi),土壤溫度急劇升高并達(dá)到峰值(9.5—18.5 ℃),而在一天的16:00后,土壤溫度急劇降低(18.5—11.3 ℃)。白天,溫室棚吸收并積蓄了太陽(yáng)輻射的能量,其內(nèi)溫度均升高,且隨著太陽(yáng)輻射的加強(qiáng),溫度攀升速率更加明顯；16:00后太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸減弱,溫室棚吸收的熱量逐漸減少,且此時(shí)溫室棚與室外環(huán)境之間的溫差較大,導(dǎo)致溫室棚散失熱量較為顯著,其內(nèi)溫度急劇下降。隨著土壤深度的增加,溫度場(chǎng)的波動(dòng)幅度和平均溫度均逐漸減小,越靠近地表土壤層的日溫度差越大,溫度場(chǎng)變化也越明顯[27]。

圖7 未埋設(shè)稻殼時(shí)不同土壤層溫度的變化Fig.7 Variation in temperature in different soil layers without buried rice hulls

圖8為未埋設(shè)稻殼時(shí)溫室棚截面在不同時(shí)刻的溫度分布,圖9為未埋設(shè)稻殼時(shí)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)情況。從圖8和圖9中可看出,溫室內(nèi)部中心即土壤與空氣接觸區(qū)域的溫度較高,四周溫度明顯低于中心溫度,且土壤溫度明顯高于空氣溫度。這因?yàn)闇厥遗锱c周?chē)h(huán)境存在著對(duì)流換熱、淺層土壤向深層土壤導(dǎo)熱,熱量從溫室棚向深層土壤以及周?chē)h(huán)境進(jìn)行傳遞,但土壤導(dǎo)熱能力低于空氣的對(duì)流換熱且土壤的比熱容遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣的比熱容,故中心土壤溫度較高。對(duì)比8:00和16:00時(shí)刻的溫度分布情況,可看出16:00時(shí)溫室的整體溫度明顯高于8:00時(shí)的溫度,正因白天太陽(yáng)輻射的存在,使得溫室溫度明顯升高。夜間無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí),有較好蓄熱能力的土壤可維持著溫室溫度。在垂直方向上,隨著土壤深度的增加,溫度逐漸遞減,當(dāng)深度達(dá)到20 cm時(shí)土壤的溫度達(dá)到最低且全天波動(dòng)幅度最小,這表明在煙草根系所處的土壤層區(qū)域可維持較好的溫度,展現(xiàn)了溫室良好的保溫和蓄熱能力,為煙苗在低溫條件下提供了良好的生長(zhǎng)溫度,有利于煙苗越冬生長(zhǎng)。根據(jù)溫度分布變化的情況來(lái)看,夜晚土壤層溫度較低而白天土壤層溫度較高,使得煙草根系生長(zhǎng)的土壤區(qū)域存在著明顯的晝夜溫差,有助于提高煙葉的品質(zhì)。

圖8 未埋設(shè)稻殼時(shí)溫室棚截面不同時(shí)刻的溫度分布云圖Fig.8 Temperature distribution clouds at different moments in the cross-section of the greenhouse shed without buried rice hulls

圖9 未埋設(shè)稻殼時(shí)不同時(shí)刻溫度分布云圖Fig.9 Cloud map of temperature distribution at different moments without buried rice hulls

定量分析來(lái)看,溫室棚地表下20 cm左右的土壤層區(qū)域溫度高于8 ℃,10 cm以上的土壤層溫度均高于10.6 ℃,溫室棚內(nèi)土壤層溫度最高可達(dá)18.5 ℃。溫室棚土壤溫度均處于適宜煙苗生長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi),棚內(nèi)移栽的煙草幼苗可正常生長(zhǎng)并不存在抑制作用。在8:00—16:00時(shí)段土壤溫度急劇上升,更有利于煙草幼苗的生長(zhǎng)。不同深度的土壤層晝夜溫差區(qū)別明顯,靠近地表的土壤晝夜溫差最大,隨土壤深度增加逐漸減小。深度在10 cm以上的土壤層存在明顯的晝夜溫差(2—9 ℃),這有利于煙苗生長(zhǎng)。

3.4 埋設(shè)稻殼對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響

煙草是喜溫植物,其生長(zhǎng)要求最低溫度是10—13 ℃,溫度逐漸上升,生長(zhǎng)加快,所以必須保證土壤10 cm深處的土溫穩(wěn)定在10 ℃以上(最好在13 ℃以上)并逐漸有上升的趨勢(shì)時(shí)進(jìn)行移栽,才有利于煙苗生長(zhǎng)[28]。提高煙草生長(zhǎng)的土壤溫度能激發(fā)土壤微生物大量繁殖及土壤中氮、碳、磷等循環(huán)有關(guān)的一些酶類(lèi)的活性明顯提高, 從而促進(jìn)了土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán), 使土壤肥力得到補(bǔ)充和提高,對(duì)促進(jìn)煙草正常生長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)煙草反季節(jié)栽培及其高海拔寒冷地區(qū)的種植具有重要意義[29]。埋設(shè)稻殼發(fā)酵產(chǎn)熱是提升土壤溫度的一種簡(jiǎn)潔有效的方法,且稻殼發(fā)酵具有成本低、可再生、節(jié)約資源、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[30—32]。因此,通過(guò)對(duì)比埋設(shè)稻殼與未埋設(shè)稻殼時(shí)不同深度(-3 cm、-5 cm、-7 cm、-10 cm)土壤層溫度,可以探究埋設(shè)稻殼對(duì)煙草生長(zhǎng)期土壤溫度場(chǎng)的影響和作用。

圖10 埋設(shè)稻殼時(shí)不同土壤層的溫度變化及溫差對(duì)比Fig.10 Comparison of temperature changes and temperature differences between different soil layers with buried rice hulls

稻殼埋設(shè)深度為12—18 cm, 故對(duì)地表以下10 cm區(qū)域的土壤層溫度及其平均溫度進(jìn)行分析。從圖10可看出,各個(gè)土壤層溫度變化趨勢(shì)相同,且與未埋設(shè)稻殼時(shí)一致,溫度呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的趨勢(shì)。不同深度的地溫隨土壤深度的增加均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),從下降的幅度上看,未埋設(shè)稻殼的溫室地溫下降得略大一些。這是由于白天土壤通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射出的大量熱量,一部分反射到空氣中,另一部分則儲(chǔ)存在土壤中,儲(chǔ)存在土壤中的熱量在夜晚起到保溫的作用。而深層土壤受到太陽(yáng)輻射的影響較小,儲(chǔ)存的熱量也相對(duì)較少,所以地溫會(huì)隨著土壤深度的增加而減小。埋設(shè)稻殼的溫室在同一時(shí)刻均比未埋設(shè)稻殼的地溫高,在距壟臺(tái)表面越近地溫升高幅度越大。從圖10可看出,越接近地表,兩者的溫差就越大。這是因?yàn)槁裨O(shè)的稻殼起到了保溫和熱量補(bǔ)給的作用。為證明埋設(shè)的稻殼的作用,研究對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的溫度分布云圖進(jìn)行了分析。

圖11 埋設(shè)稻殼時(shí)溫室棚截面不同時(shí)刻的溫度分布云圖Fig.11 Cloud plot of temperature distribution at different moments in the cross-section of the greenhouse shed with buried rice hulls

圖11為埋設(shè)稻殼時(shí)溫室棚截面不同時(shí)刻的溫度分布,圖12為埋設(shè)稻殼時(shí)不同時(shí)刻溫度分布云圖。從圖11和圖12中可看出,溫室內(nèi)溫度分布與未埋設(shè)稻殼時(shí)的溫度分布有些相似之處,溫室內(nèi)部中心區(qū)域溫度較高,而周?chē)吔缣幋嬖跓崃可⑹蛊錅囟容^低。但是,埋設(shè)稻殼的溫室中稻殼發(fā)酵產(chǎn)熱使得稻殼埋設(shè)局部區(qū)域的土壤溫度明顯偏高,較高溫度的等溫線下移使得大部分土壤區(qū)域都處于較高的溫度范圍,這也正是煙苗根系所在區(qū)域。這充分證明,埋設(shè)的稻殼起到了保溫和熱量補(bǔ)給的作用。在白天,溫室吸收了太陽(yáng)輻射的能量,同時(shí)稻殼發(fā)酵產(chǎn)熱也為溫室提供能量,使得埋設(shè)稻殼的溫室整體溫度高于未埋設(shè)稻殼的溫室。夜晚,不存在太陽(yáng)輻射的情況下,稻殼提供的熱量補(bǔ)給使得夜間土壤維持在較高的溫度,并且同樣在煙草根系生長(zhǎng)的土壤區(qū)域存在著明顯的晝夜溫差,有助于煙苗在低溫環(huán)境下生長(zhǎng)、提高煙葉的品質(zhì)。

圖12 埋設(shè)稻殼時(shí)不同時(shí)刻溫度分布云圖Fig.12 Cloud map of temperature distribution at different moments with buried rice hulls

從圖11、圖12可看出,12:00—16:00 時(shí)段在一天中太陽(yáng)輻射最強(qiáng),埋設(shè)稻殼的溫室地溫隨土壤深度的變化速率與未埋設(shè)稻殼的略有不同,埋設(shè)稻殼的溫室土溫在該時(shí)段上升速度明顯提高。定量的分析看,埋設(shè)稻殼的溫室與未埋設(shè)稻殼的相比,其土壤溫度提高了0.5—6.5 ℃,深度10 cm范圍內(nèi)的土壤層最低溫度提高了1.1 ℃,最高溫度提高了5.5 ℃。同時(shí),土壤層溫度的晝夜溫差提高了4.8—5 ℃,各土壤層平均溫度提高了2.3 ℃以上。這表明,埋設(shè)稻殼可以提高和維持溫室內(nèi)土壤溫度,對(duì)土壤溫度具有調(diào)節(jié)作用。埋設(shè)稻殼提高了土壤溫度,提高了棚內(nèi)土壤的晝夜溫差,有利于促進(jìn)煙草正常生長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)煙草反季節(jié)栽培及其高海拔寒冷地區(qū)的種植。

4 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法,研究了移栽煙苗的溫室棚內(nèi)溫度場(chǎng)變化規(guī)律。建立了生物質(zhì)發(fā)酵增溫型溫室棚的試驗(yàn)組及其三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型,對(duì)棚內(nèi)土壤及空氣溫度場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬,同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性,并探究了埋設(shè)稻殼與否對(duì)溫室棚不同深度土壤層溫度的影響,得到相關(guān)結(jié)論如下：

(1)試驗(yàn)組中埋設(shè)稻殼的溫室棚內(nèi)土壤溫度平均提高3.5 ℃,且溫室棚中平均溫度低于10 ℃的天數(shù)明顯減少。埋設(shè)稻殼的溫室棚中煙苗莖高和葉片數(shù)增長(zhǎng)值最大,平均莖高從移栽時(shí)的7.8 cm增長(zhǎng)到了12 cm,葉片數(shù)從平均5片增長(zhǎng)到了11片,均大于未埋設(shè)稻殼試驗(yàn)組。

(2)利用CFD方法得到的溫度模擬值與試驗(yàn)值保持相同的變化趨勢(shì),土壤溫度的絕對(duì)誤差在1.8 ℃以?xún)?nèi),空氣溫度的絕對(duì)誤差在3.8 ℃以?xún)?nèi)。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

(3)數(shù)值模擬表明溫室棚內(nèi)不同深度的土壤層溫度變化情況一致,均呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢(shì)。不同深度的地溫隨土壤深度的增加均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。地表下20 cm左右的土壤層區(qū)域溫度均高于8 ℃,10 cm以上的土壤層溫度均高于10.6 ℃。溫室棚土壤溫度均處于合適煙苗生長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi),且土壤溫度存在一定的晝夜溫差,有利于煙苗正常生長(zhǎng)。

(4)數(shù)值模擬中埋設(shè)稻殼的溫室土壤層溫度變化情況與未埋設(shè)稻殼的溫室一致。但其土壤層平均溫度、最低溫度至最高溫度以及晝夜溫差較未埋設(shè)稻殼相比,分別提升了2.3 ℃、1.1—5.5 ℃、4.8 ℃。埋設(shè)稻殼可以提高和維持溫室內(nèi)土壤溫度,對(duì)土壤具有保溫和熱量補(bǔ)給的作用。