太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體對(duì)溫室番茄生長(zhǎng)及產(chǎn)量性狀的影響

張彩虹，姜魯艷，劉 濤，劉 娜，王國(guó)強(qiáng)*

(1.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備研究中心，新疆烏魯木齊 830091；2.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830091;3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊 830091)

新疆戈壁設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速推進(jìn)帶動(dòng)了戈壁日光溫室產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。然而，復(fù)雜的自然條件、落后的農(nóng)業(yè)建筑設(shè)計(jì)與建造理念、薄弱的基礎(chǔ)研究以及溫室墻體材料及其構(gòu)筑方式、溫室作物栽培環(huán)境條件以及溫室建筑結(jié)構(gòu)體系等現(xiàn)代園藝設(shè)施農(nóng)業(yè)建筑環(huán)境設(shè)計(jì)理論和方法缺乏，致使冬季戈壁日光溫室環(huán)境低溫高濕、作物生產(chǎn)效益低[1-2]。能耗大是制約新疆日光溫室冬季瓜果蔬菜生產(chǎn)發(fā)展的主要因素，日光溫室冬季生產(chǎn)(包括春提早、秋延晚)加溫(北疆)或補(bǔ)充加溫(南疆)基本依靠燃煤來(lái)實(shí)現(xiàn)，增加了生產(chǎn)成本，加大了對(duì)環(huán)境的污染，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在北緯35°～43°地區(qū)溫室冬季加熱耗能費(fèi)用約占總生產(chǎn)成本的30%～70%。一座溫室(面積0.67 hm2)要實(shí)現(xiàn)越冬生產(chǎn)，一般在北疆(塔城地區(qū))需煤6～8 t，在南疆(喀什地區(qū))需煤3～4 t，煤資源浪費(fèi)嚴(yán)重。為了節(jié)約能源，最大限度地利用能源，合理增加溫室后墻蓄放熱是實(shí)現(xiàn)日光溫室越冬生產(chǎn)的有效途徑[2-4]。新疆冬季氣溫低，探討后墻蓄熱性能、材料特性對(duì)于實(shí)現(xiàn)日光溫室實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)具有重要的實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料試驗(yàn)分別于2015年10月8日至2016年3月11日和2016年10月20日至2017年3月20日在烏魯木齊西山農(nóng)牧場(chǎng)戈壁日光溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)地位于87.23°E 43.63°N。試驗(yàn)溫室朝向均坐北朝南，東西延長(zhǎng)，長(zhǎng)度為25 m，跨度為8 m，脊高為3.76 m，北墻高度為2.46 m。前坡屋面采用0.12 mm厚的EVA薄膜；頂部通風(fēng)口用來(lái)調(diào)控日光溫室室內(nèi)空氣濕度和CO2濃度，開(kāi)啟時(shí)間為13:30—15:30；EVA薄膜外側(cè)每天19:00至次日10:00鋪設(shè)10 mm厚的毛氈保溫被。2個(gè)溫室北墻體的構(gòu)筑方式不同，其中新型墻體日光溫室的北墻采用新型日光溫室主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體(圖1)，墻體內(nèi)表面貼有40 mm厚的相變材料，中間層由砌塊和磚構(gòu)成，其中砌塊的厚度為190 mm，砌塊和磚中間設(shè)有150 mm厚的空氣通道，磚的厚度為370 mm，墻體外表面為100 mm厚的聚苯板保溫材料，墻體頂部敷設(shè)有長(zhǎng)16 m、寬0.6 m的太陽(yáng)能集熱器，每天11:00—17:30太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生熱空氣并在高1.9 m處以0.22 m/s的速度送入墻體內(nèi)部豎向空氣通道，在高0.2 m處從墻體內(nèi)部豎向空氣通道流出；普通墻體日光溫室的北墻采用普通墻體(圖2)，由190 mm厚的砌塊、370 mm厚的磚和100 mm厚的聚苯板保溫材料組成。

圖1 新型墻體Fig.1 New wall

圖2 普通墻體Fig.2 The ordinary wall

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)供試番茄品種為金鵬1號(hào)。試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室面積均為200 m2。定植前深翻土壤，起壟覆膜。2015年試驗(yàn)于2015年9月5日播種，2016年試驗(yàn)于2016年9月12日播種，待幼苗長(zhǎng)至四葉一心時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗按照株行距70 cm、35 cm進(jìn)行定植。番茄整個(gè)生育期2個(gè)試驗(yàn)溫室均按照統(tǒng)一的栽培管理制度進(jìn)行田間管理，每3～5 d澆灌1次相同質(zhì)量的水，并隨水施用相同質(zhì)量的肥料。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1植株生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定。在定植30、40、50、60、70 d后，使用直尺(東佳01型卷尺，測(cè)量精度為±1 mm)測(cè)量作物株高；使用游標(biāo)卡尺(上工星游標(biāo)卡尺，測(cè)量精度為±0.05 mm)測(cè)量作物的莖粗[5-8]。

1.3.2果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)的測(cè)定。在果實(shí)成熟期，每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取10株用天平(佰倫斯電子天平，測(cè)量精度為0.1 g)測(cè)量單果重及單株產(chǎn)量，并換算成平均產(chǎn)量。分別在2個(gè)試驗(yàn)溫室的前屋面區(qū)、中部、后墻區(qū)選取大小和色澤一致的果實(shí)進(jìn)行品質(zhì)分析。果實(shí)可溶性固形物含量使用阿貝折射儀測(cè)定[9]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定[9-10]，維生素C 含量采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定[11-12]。

1.3.3葉片凈光合速率的測(cè)定。在番茄開(kāi)花坐果期選擇某個(gè)晴天10：00—12:00使用LI-6400便攜式光合作用儀測(cè)定葉片的凈光合速率(Pn)，使用開(kāi)放氣路，空氣流量為0.5 L/min，葉片溫度25 ℃，葉室內(nèi)相對(duì)濕度70%～75%，CO2濃度360 μmol/mol。測(cè)定時(shí)光強(qiáng)由強(qiáng)到弱，依次設(shè)定光量子通量密度[2 500、2 000、1 600、1 200、1 000、800、600、400、300、200、150、100、50、0 μmol/(m2·s)][13-16]。

1.3.4溫度測(cè)定。室內(nèi)空氣溫度、墻體不同位置溫度、10 cm深度土壤溫度均使用防輻射處理的T型熱電偶進(jìn)行測(cè)定，其測(cè)量精度為±0.5 ℃，并由1臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34972A,美國(guó))、1臺(tái)電腦和配套軟件進(jìn)行記錄，參數(shù)測(cè)試間隔均為5 min。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析使用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及繪圖,使用SPSS 19統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體對(duì)溫室內(nèi)空氣溫度的影響由于試驗(yàn)跨度時(shí)間較大，選取2016年2月27日10:00至2月28日10:00一個(gè)完整蓄放熱周期的溫室空氣溫度進(jìn)行分析。從圖3可以看出，在太陽(yáng)能集熱器主動(dòng)供熱前(11:00前)，由于2個(gè)溫室均是由太陽(yáng)輻射被動(dòng)式加熱，室內(nèi)空氣溫度隨著太陽(yáng)輻射的增加而增加；在太陽(yáng)能集熱器主動(dòng)蓄熱開(kāi)啟(11:00)以后，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室的室內(nèi)空氣溫度升高速率進(jìn)一步提高；13:00，溫室內(nèi)空氣溫度為38.54 ℃，高于普通墻體日光溫室(32.05 ℃)；13:30，2個(gè)溫室頂部通風(fēng)口開(kāi)啟，室內(nèi)空氣溫度均有所降低，但是太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室內(nèi)空氣溫度為34.52 ℃，高于普通墻體日光溫室(28.65 ℃)；13：30至15:30日光溫室通風(fēng)口關(guān)閉，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室室內(nèi)空氣溫度均高于普通墻體日光溫室；15:30至19:00(溫室關(guān)簾時(shí))，2個(gè)溫室室內(nèi)空氣溫度均隨著太陽(yáng)輻射的降低而降低，但是太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室室內(nèi)空氣溫度均高于普通墻體日光溫室。

在2個(gè)溫室關(guān)簾(2月27日19:00)以后，溫室室內(nèi)空氣溫度逐漸下降，但是太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室內(nèi)空氣溫度下降速率小于普通墻體日光溫室，2個(gè)試驗(yàn)溫室的室內(nèi)空氣溫度差值隨著時(shí)間的增加而逐漸變大，從關(guān)簾時(shí)的0.32 ℃逐漸擴(kuò)大到第2天揭簾時(shí)(2月28日10:00)的1.38 ℃。整個(gè)試驗(yàn)期間太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室室內(nèi)空氣溫度均高于普通墻體日光溫室。

圖3 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室和普通墻體日光溫室室內(nèi)空氣溫度的比較Fig.3 The comparison of indoor air temperature between solar energy active-passive heat-storage wall greenhouse and ordinary wall sunlight greenhouse

2.2 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體對(duì)溫室內(nèi)土壤溫度的影響從圖4可以看出，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室室內(nèi)土壤溫度在整個(gè)試驗(yàn)期間均高于普通墻體日光溫室。早上開(kāi)簾時(shí)(2月27日10:00)，2個(gè)試驗(yàn)溫室室內(nèi)土壤溫度基本相同，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室室內(nèi)土壤溫度為20.30 ℃，普通墻體日光溫室為20.25 ℃。隨著太陽(yáng)輻射的增加和室內(nèi)空氣溫度的升高，2個(gè)試驗(yàn)溫室的土壤溫度均逐漸上升，下午關(guān)簾以后2個(gè)試驗(yàn)溫室室內(nèi)土壤溫度逐漸降低。通過(guò)分析一天的室內(nèi)土壤溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)簾期間(2月27日10:00—19:00)，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室的土壤溫度較普通墻體溫室最大值高1.81 ℃、最小值高0.34 ℃、平均值高0.99 ℃；在關(guān)簾期間(2月27日19:00至2月28日10:00)，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室的土壤溫度較普通墻體日光溫室最大值高1.14 ℃、最小值高0.49 ℃、平均值高0.79 ℃。

圖4 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室和普通墻體日光溫室室內(nèi)土壤溫度的比較Fig.4 Comparison of indoor soil temperature between solar energy active-passive thermal-storage wall greenhouse and ordinary wall sunlight greenhouse

此外，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室室內(nèi)土壤溫度上升反應(yīng)時(shí)間也比普通墻體溫室迅速，且上升持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室的土壤溫度10:30時(shí)溫度開(kāi)始上升，18:30達(dá)到最大值，為26.54 ℃；普通墻體溫室的土壤溫度12:30開(kāi)始升高，17:30達(dá)到最大值(25.48 ℃)，較太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室的土壤溫度開(kāi)始上升時(shí)間晚2 h，峰值到達(dá)時(shí)間提前1 h，上升持續(xù)時(shí)間縮短3 h。

2.3 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響從圖5可以看出，在定植40～90 d，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室番茄的株高均高于普通墻體日光溫室，并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，2個(gè)試驗(yàn)溫室番茄株高的差值整體上呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。在定植40 d時(shí)，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室番茄株高為55.84 cm，而較普通墻體溫室(49.70 cm)提高了6.14 cm；在定植80 d時(shí)，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室番茄株高為157.14 cm，普通墻體溫室番茄株高為107.94 cm。整個(gè)生育時(shí)間內(nèi)，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室的平均株高較普通墻體日光溫室高26.07%。

圖5 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室和普通墻體日光溫室番茄株高和莖粗的比較Fig.5 Comparison of plant height and stem thickness of tomato between solar energy active-passive thermal-storage wall greenhouse and ordinary wall sunlight greenhouse

作物莖粗是表征作物生長(zhǎng)情況的另一個(gè)指標(biāo)[17]。從圖5可以看出，在測(cè)試期間太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室的作物莖粗明顯高于普通墻體日光溫室。其中，40、50、60 d時(shí)新型墻體日光溫室的番茄莖粗較普通墻體日光溫室分別增加44.21%、42.81%、26.51%。70 d以后，2個(gè)試驗(yàn)溫室番茄莖粗的差值逐漸減小，但是太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室番茄莖粗仍高于普通墻體日光溫室，分別高15.34%、14.44%和9.40%。究其原因，可能是室外溫度逐漸升高，室內(nèi)熱環(huán)境需求的熱量逐漸減少，從而逐漸弱化太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體的熱工性能發(fā)揮效果，逐漸使得2個(gè)日光溫室番茄莖粗的差值逐漸減小。

2.4 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體對(duì)番茄葉片凈光合速率的影響試驗(yàn)測(cè)定選擇在晴天10：00—12:00進(jìn)行。從圖6可以看出，當(dāng)光量子通量密度為0～600 μmol/(m2·s)時(shí)，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室與普通墻體日光溫室番茄的凈光合速率(Pn)差異不顯著，但均隨著溫度的升高而呈逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)光量子通量密度為800 μmol/(m2·s)后太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室番茄葉片凈光合速率與普通墻體日光溫室存在顯著差異，平均值提高28.14%。該試驗(yàn)結(jié)果表明，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體提高了溫室環(huán)境溫度，在同等光照強(qiáng)度條件下促進(jìn)番茄植株凈光合速率的提高。

圖6 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室和普通墻體溫室番茄葉片凈光合速率的比較Fig.6 Comparison of net photosynthetic rate of tomato leaves between solar energy active-passive thermal-storage wall greenhouse and ordinary wall greenhouse

2.5 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體對(duì)番茄產(chǎn)量的影響從圖7可以看出，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室的最高日產(chǎn)量和總產(chǎn)量均比普通墻體日光溫室高，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室番茄最高日產(chǎn)量133.02 kg，總產(chǎn)量1 327.19 kg；普通墻體日光溫室番茄最高日產(chǎn)量為114.64 kg，總產(chǎn)量為1 036.79 kg。太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室番茄總產(chǎn)量較普通墻體日光溫室提高28.0%。此外，新型墻體太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體還可以縮短日光溫室果實(shí)的成熟期。太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室在3月25日開(kāi)始果實(shí)成熟，日產(chǎn)量為0.69 kg；4月5日再次果實(shí)成熟，日產(chǎn)量為1.04 kg；普通墻體溫室第一次果實(shí)成熟發(fā)生在4月10日。太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體可以縮短果實(shí)生長(zhǎng)周期12 d。

圖7 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室和普通墻體溫室番茄產(chǎn)量的比較Fig.7 Comparison of tomato yield between solar energy active-passive thermal-storage wall greenhouse and ordinary wall greenhouse

2.6 太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)的影響從表1可以看出，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室和普通墻體日光溫室在可溶性糖含量、可溶性固形物含量、VC含量以及番茄紅素含量等方面均無(wú)顯著差異。這可能是因?yàn)樵谙嗤墓芾項(xiàng)l件下光照、水肥等條件均勻一致，3 ℃左右的溫度對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育的影響較大，但對(duì)番茄果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響不明顯。

3 討論

(1)前人研究結(jié)果表明，日光溫室墻體熱工性能的目的是維持室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性。其中，室內(nèi)空氣溫度是表征室內(nèi)熱環(huán)境舒適性的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響作物的光合作用、蒸騰作用等生理作用[18-19]。在一定范圍內(nèi)，室內(nèi)空氣溫度越高，室內(nèi)環(huán)境舒適性越強(qiáng)[20]，墻體的熱工性能越好。太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體不僅可以有效提高白天室內(nèi)空氣溫度，而且可以有效改善夜晚室內(nèi)空氣溫度，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，改善效果越來(lái)越明顯。

表1 蓄熱墻體對(duì)番茄營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

(2)日光溫室種植的主要目的是通過(guò)提高室內(nèi)熱環(huán)境，改善作物的生長(zhǎng)情況，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量[21-23]。新型墻體可以有效提高室內(nèi)空氣溫度、土壤溫度和墻體內(nèi)表面溫度，增加作物舒適生長(zhǎng)時(shí)間和日有效積溫。該試驗(yàn)結(jié)果表明，由于新型墻體具有更佳的熱工性能，可為作物生長(zhǎng)營(yíng)造更舒適的熱環(huán)境，從而促進(jìn)作物株高、莖粗等生長(zhǎng)指標(biāo)的增長(zhǎng)，提高作物凈光合速率，促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累，提高作物產(chǎn)量。

4 結(jié)論

(1)太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體不僅對(duì)日光溫室室內(nèi)土壤溫度有明顯的提升作用，而且對(duì)土壤溫度的上升持續(xù)時(shí)間也有顯著的改善作用。太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室的土壤溫度較普通墻體溫室最大值高1.14 ℃、最小值高0.49 ℃、平均值高0.79 ℃。太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室內(nèi)空氣溫度均高于普通墻體日光溫室，最大值高6.81 ℃，最小值高0.32 ℃，平均值高2.99 ℃。

(2)太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體由于具有更佳的熱工性能，可為作物生長(zhǎng)營(yíng)造更為舒適的熱環(huán)境，從而促進(jìn)作物株高的增長(zhǎng)。太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室番茄葉片凈光合速率與普通墻體日光溫室存在顯著差異。整個(gè)生育測(cè)試期間，太陽(yáng)能主-被動(dòng)式相變蓄熱墻體溫室番茄的平均株高較普通墻體日光溫室高26.07%，總產(chǎn)量提高28.0%。