增溫對農業(yè)生產影響的研究

農業(yè)增溫技術作為一種提高作物產量的新型技術，屬于先進技術和科學管理手段與農業(yè)生產相結合的范疇。農業(yè)增溫技術是一種通過空氣熱對流、熱輻射、土壤熱傳導（耕層土增溫）、灌溉水增溫等方式，使作物及作物所在的空氣環(huán)境、根區(qū)土壤環(huán)境，所需的灌溉水、肥料等達到適宜溫度，促進作物生理生長的技術。農業(yè)增溫通過提高作物所在環(huán)境及作物所需要的水肥等營養(yǎng)元素的溫度，改善了土壤中水、氣、微生物等因素對作物的影響，為作物創(chuàng)造良好的生長條件。

一、空氣增溫技術在農業(yè)領域的應用

目前，空氣增溫的方式主要有冷熱空氣對流和溫室墻體蓄放熱兩種。

（一）冷熱空氣對流增溫方式

冷熱空氣對流增溫是通過熱風機或者各種新型設備，直接向溫室內吹入熱空氣或者直接在溫室內加入其他加熱設備與普通風機相結合，提高溫室空氣溫度。此類加溫方法通過風機往室內吹熱風，室內空氣既有風機的強制對流，同時，又由于進入溫室的熱風溫度與室內的空氣溫度存在一定的溫差，引起熱壓自然對流，溫室的四周受到圍護結構的約束，在自然對流和強制對流并存的情況下，使得室內空氣不可避免地引發(fā)湍流現(xiàn)象。童莉等通過模擬實驗相結合，證明κ-ε湍流模型與實際增溫時室內空氣流動模型較為符合。湍流可加速傳熱，提高環(huán)境的均勻性，改善日光溫室的溫度。

現(xiàn)有研究多集中在風機類設備的種類、數量、風速、出風口溫度、不同位置及高度的優(yōu)化，設備與不同形態(tài)作物之間的搭配，以期獲得最大增溫面積和較高的加熱效率，以及設備增溫運行時，溫室內升溫速度、熱輻射范圍、溫差及不同水平位置的溫濕度變化規(guī)律等。江力研究了以柴油、甲醇、煤炭為燃料的熱風爐在不同數量、不同風速下的加熱效果。研究發(fā)現(xiàn)，兩臺熱風爐相較一臺熱風爐，增溫效果成倍數增長，但平均燃料消耗量顯著降低；一定范圍內熱風爐風速越大溫度越高，空氣濕度越高溫度則越低，高溫度高風速的熱風有利于降低室內濕度。袁丁開展了番茄氣體增溫試驗，研究農藝措施和熱風相配合對番茄頂部溫度產生的影響。結果，“人字搭架+熱風機”處理對番茄頂部的升溫更為明顯，節(jié)能37%。王強等研究了空氣源熱泵在冬季溫室的加熱效果。結果表明，典型晴天空氣源熱泵的平均性能系數（COP值）為1.76，與燃煤鍋爐加溫相比節(jié)能23.4%。

（二）溫室墻體蓄放熱增溫方式

墻體不僅是溫室的承重結構，也是維持溫室內熱平衡，保證溫室氣溫的核心要素。太陽能是日光溫室的主要能量來源。白天階段，日光溫室墻體吸收太陽的輻射能，并將部分太陽能轉化成熱能儲存起來。夜間階段，室內氣溫下降，墻體中蓄積的熱量開始由墻體向溫室內低溫區(qū)域傳遞，改善室內溫度的均勻性，提高空氣溫度。

呂?；⒌韧ㄟ^實驗研究了5種不同結構或保溫方式的墻體對溫室內氣溫的影響及氣溫的變化情況，得出后墻合理厚度在0.8～1.0 m，后墻內側0～0.4 m區(qū)域為主要儲放熱層，應選用比熱容較大的材料，0.4～1.0 m區(qū)域主要起隔熱保溫作用。周瑩等利用ANSYS有限元分析軟件，模擬研究了復合相變保溫砂漿作為內保溫砂漿，與日光溫室墻體組合成復合相變保溫墻體的傳熱過程。模擬結果表明，50 mm厚復合相變保溫砂漿層為490 mm磚墻理想的內保溫砂漿層，30 mm厚復合相變保溫砂漿層為240 mm加氣混凝土砌塊墻理想的內保溫砂漿層，二者均具有良好的保溫蓄放熱能力。耿東現(xiàn)將太陽能輔助加溫系統(tǒng)懸掛在后墻上，使用墻體方式進行散熱，記錄不同時刻溫度的變化。發(fā)現(xiàn)墻體散熱方式對溫室內氣體加溫效果明顯，平均氣溫提高3.6 ℃。隨著計算流體力學與數值傳熱學的不斷發(fā)展，采用計算流體動力學（CFD）技術分析溫室溫度場的動態(tài)變化具有較高的準確度，對于溫室設計及溫度環(huán)境控制具有理論指導意義。鮑恩財等通過對傳統(tǒng)主動蓄熱墻體，回填裝配式主動蓄熱墻體，模塊裝配式主動蓄熱墻體的日光溫室進行冬季室內環(huán)境測試，發(fā)現(xiàn)無論是晴天或者陰天條件下，3種溫室的溫度均可達到11.3 ℃以上，且模塊裝配式的保溫蓄熱效果最好。王少杰等通過其課題組研發(fā)的可控式墻體熱濕耦合試驗臺控制墻體兩側溫度、相對濕度的不同，對于裝配式土質夾心墻體的濕熱遷移和蓄放熱性能進行了計算分析。得出墻體內濕熱遷移存在耦合，墻內熱量釋放存在滯后效應，最長可持續(xù)6 d+6.5 h，但以快速放熱期（4 d+8 h內）所釋放熱量為主，占總放熱量的85.64%～91.21%。馬躍虹等研究了3種不同裝配式墻體的保溫蓄熱性能。由試驗數據可知，3種蓄熱墻體體積、尺寸相同條件下，蓄熱性能依次為：砌塊填充沙土墻體〉砌塊墻體〉磚墻體。

二、土壤增溫技術在農業(yè)領域的應用

土壤溫度的高低可直接影響植物的生長發(fā)育。植株根系是植物的三大營養(yǎng)器官之一，植株根系不僅對植物的生長起支撐作用，還吸收和輸送養(yǎng)分、水分、感受和識別逆境信號。同時，在植株根系細胞內，通過復雜的生物化學反應，調節(jié)整株植株的生長、發(fā)育和代謝過程。適宜的土壤溫度，不僅有利于植株根系的生長，還有利于土壤中微生物的活動，同時促進了土壤中肥料、有機物質的分解，土壤溫度與土壤呼吸呈明顯的正相關關系。大部分植株在土壤溫度最適范圍內，隨著溫度的上升，植株地上部分及地下部分的生長量也在增加。在一些晝夜溫差較大的地區(qū)或者反季節(jié)生產的溫室中，作物可能受到輕冷害或凍害。因此，在一定范圍內提高土壤的溫度能保證作物的正常生長，提高產量。目前，土壤增溫主要有地膜增溫、秸稈生物反應堆增溫等方式。

（一）地膜增溫方式

目前，針對地膜的研究多集中于生物可降解地膜和地膜與壟作相結合。生物可降解地膜可根據作物的生長特性，通過工藝配比逐步衰減誘導期。在保溫、保墑的同時，經光、土壤微生物等降解成CO2和H2O，解決聚乙烯材料帶來的“白色污染”問題。鄧浩亮等探究了6種不同種植方式下，春玉米各生育期土層剖面的水熱狀況。試驗結果得出，與露地平作相比，地膜覆蓋處理具有增溫效應，全生育期土壤平均增溫2.42 ℃，而秸稈覆蓋處理表現(xiàn)為降溫效應，平均降溫0.36 ℃，且該調節(jié)效應主要表現(xiàn)在苗期，隨后溫度調節(jié)效應逐漸減弱。王斌等通過試驗探究了全生物降解地膜和普通聚乙烯（PE）地膜對甜菜試驗區(qū)土壤溫度的影響，在甜菜生育期（6—10月），降解膜處理與PE地膜在膜下5 cm、15 cm和25 cm土壤的平均溫度變化趨勢基本一致，并無顯著差異。賈浩、丁宏偉、孟玉等均開展了降解膜對加工番茄、棉花、玉米生長的影響試驗，得出降解膜增溫顯著，降解周期短。

（二）秸稈生物反應堆增溫方式

秸稈生物反應堆技術是一項利用作物秸稈等廉價農作物廢棄資源，經過撒施菌種腐熟發(fā)酵后，產生熱量和CO2的秸稈還田技術。秸稈反應堆的應用可以提高作物的產量和品質，是一項現(xiàn)代農業(yè)生物工程的創(chuàng)新技術，該技術的開發(fā)利用具有重要的經濟效益和生態(tài)效益。陳立新等通過試驗研究了有無秸稈生物反應堆對溫室環(huán)境的影響。結果證明，秸稈生物反應堆的低溫明顯高于對照，且對于15 cm土層的低溫影響最為明顯。王昊等在寧夏平吉堡溫室中研究了水稻秸稈和玉米秸稈生物反應堆對土壤溫度的影響，試驗結果表明，使用秸稈生物反應堆可以有效提高低溫，解決溫室低溫的問題。土壤溫度變化規(guī)律為30 cmgt;20 cmgt;10 cm，說明秸稈生物反應堆產生熱量并會向上逐步傳導。

三、灌溉水增溫技術在農業(yè)領域的應用

灌溉水溫對作物的生長發(fā)育，尤其是作物根系對土壤礦物質營養(yǎng)積累的分解和轉化，以及土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用都有著重要影響，它是土壤肥力的重要影響因素之一。實踐表明，適宜的灌溉水溫變化與調節(jié)對促進作物正常生長具有重要作用。灌溉水溫較低，會顯著降低耕層土的溫度和土壤中各種酶的活性，抑制根系正常生理與生長，減弱土壤呼吸，使作物產生水分脅迫和低溫脅迫，甚至會產生凍害，造成減產。灌溉水溫度的降低通常會降低作物根系對礦質離子的主動吸收。同時，水溫越低，水中溶解氧的量越少，水中含氧量降低會影響植株根系對土壤水分和礦物營養(yǎng)元素的吸收，影響植株正常生長。因此，在一定范圍內，對灌溉水進行增溫可有效提高灌溉水中的溶氧量，提高土中微生物和酶的活性，增強土壤呼吸和根系活力，進而促進作物的生理生長，提高產量。目前，灌溉水的增溫措施主要有渠道增溫、曬水池增溫等方式。

（一）渠道增溫方式

趙玉榮等就三江平原灌溉水溫度低提出，通過改進渠道結構，可以提高灌溉水溫度。為了在輸水過程中利用太陽輻射來加溫，輸水渠道應盡量采用寬淺式渠道，并把渠道坡降改緩，降低流速，增加灌溉水在渠道中的流動時間。曹印龍等通過研究渠道水溫與其流程、流速、氣溫的關系，得出結論：氣溫越高，流程越長，水溫越高；流速越快，曬水時間短，水溫越低。趙高磊等通過對渠道的原型觀測，渠道灌溉水增溫的主要時間段為8：00—18：00，且12：00增溫達到最大值；探究了影響渠道增溫的不同因素，得出氣溫、相對濕度、太陽輻射為影響增溫的主要因素?；谇涝鰷氐倪M一步措施是主灌渠覆膜增溫。塑料薄膜保溫效果好，透光性強，對太陽輻射吸收性好且可減少水分蒸發(fā)，從而達到保溫效果。齊遠東發(fā)現(xiàn)覆膜60 m，可有效提高水溫2～3 ℃。但覆膜成本較高，耗費人力成本較多且使用壽命短，一般可使用一年左右，因此僅有少部分地區(qū)使用。

（二）曬水池增溫方式

尹彥霞對曬水池增溫機理進行了研究，指出太陽輻射—水—土壤是一個連續(xù)體，曬水池水體的水溫主要取決于太陽能有效輻射、水及土壤之間的熱交換。門寶輝等對曬水池靜水和動水兩種狀態(tài)下曬水池的升溫機理進行了研究，并構建了水溫的預測公式，通過實驗驗證最大誤差為9.6%。呂海峰等運用褐色系統(tǒng)理論，建立了井灌水稻區(qū)曬水池內的水溫模擬模型GM（0.2），該模型模擬精度為一級，模擬精度高。曹印龍等針對三江平原井水灌溉溫度較低的問題，通過田間試驗研究了曬水池增溫與其影響因素間的關系，結果表明，氣溫、曬水池面積、水深是影響曬水池水溫的主要因素，尤其水溫與氣溫的關系最為顯著。杜國明等以資源三號遙感衛(wèi)星數據空間影像，全國第二次土地利用調查數據作為主數據源，提取黑龍江省農墾建三江分局七星農場曬水池用地數據，分析曬水池用地分布格局。得出結論，曬水池最好位于水田獨立灌溉小區(qū)的最高處，曬水池的灌溉半徑應控制在300 m以內。根據三江平原地下水的最高和最低溫度以及灌溉需要的溫度，確定曬水池用地規(guī)模占服務水田面積的比例范圍應控制在0.74%～0.89%。胡倩娟研究了溫室用地下淺式曬水池與地上深式曬水池之間的增溫速度、規(guī)律及效果。通過試驗數據發(fā)現(xiàn)，地下淺式曬水池較地上深式曬水池增溫速率快，且不隨室溫劇烈波動，穩(wěn)步升溫。

四、研究展望

針對增溫的對象和使用方法，工作人員將增溫分為空氣增溫技術、土壤增溫技術和灌溉水增溫技術。這三種增溫技術各有利弊，有不同的應用方式和特點。

空氣增溫多見于日光溫室中，在我國北方及西北寒區(qū)，夜晚的溫度難以滿足溫室中作物正常的生理生長。目前研究多集中在以下幾方面：一是直接加熱空氣方式的加熱效果及優(yōu)化；二是各種高溫度、高效率風機的研制；三是改變溫室墻體材料或結構方式的不同材料的應用及實際應用時產生的加熱效果；四是改變溫室材料或結構的方式，墻體厚度與不同材料之間的適應關系；五是改變溫室材料或結構的方式，對目前新興的裝配式溫室墻體進行設計優(yōu)化。

通過空氣增溫能夠使溫室內空氣達到一個較為適宜作為生長的溫度，但也存在一些問題。通過空氣增溫措施雖然能使溫室內氣溫達到一個較為良好的數值，使作物的地上部分處在一個較為適宜的環(huán)境內，但空氣增溫對于作物的地下部分增溫有限，作物根系部分仍處在一個較低溫度的環(huán)境中。如何通過空氣增溫的方式使得土壤也能獲得熱量達到較為適宜的溫度，是空氣增溫的一個重要研究方向。目前，將兩種空氣增溫方式相結合，新的蓄熱能力更強材料的尋找，新設備新風機的研制也需要進一步研究。在研究方法方面，現(xiàn)有研究多集中在純試驗或純模擬方面，將模擬與試驗同步進行的研究較少。因此，建議研究者多使用模擬與實驗相結合的方法。

對于土壤增溫技術，目前常見的研究多集中在以下幾方面：一是探究地膜與壟作不同結合方式的土壤增溫效果及對作物的影響；二是生物可降解地膜的應用及生物可降解地膜與普通PE地膜對土壤增溫效果的差異；三是各種自研發(fā)的地中換熱設備對于土壤/根區(qū)增溫效果的研究；四是對冷熱負荷比進行分析，研究地源熱泵的可行性；五是對于秸稈生物反應堆的增溫效果和溫度變化規(guī)律以及對土壤的影響；六是各種自研發(fā)設備直接對根區(qū)進行增溫的增溫效果。

目前仍存在以下問題：大部分根區(qū)增溫措施還是在溫室和實驗室中，無法應用到大田，或應用到大田將大興土木，產生高昂的人工成本。針對這一問題，如何將目前現(xiàn)有的增溫措施，采取較為經濟的方式，應用到大田的實際生產中，是土壤/根區(qū)增溫技術研究的一個重點方向；開發(fā)適用于大田增溫的新型設備也是促進土壤/根區(qū)增溫發(fā)展的有效途徑之一?，F(xiàn)有加熱措施還存在一個普遍問題，即加熱效果不均勻。不管是地源熱泵的加熱方式，還是地中換熱或秸稈生物反應堆都存在加熱效果不均的問題，在增溫處土壤溫度普遍偏高，但稍遠離溫度便會大幅下降。在保證增溫溫度的前提下，需要聯(lián)合流體力學、農業(yè)水土工程、環(huán)境科學、土壤學等多個交叉學科，綜合研究土壤增溫后土壤溫度的分布及變化規(guī)律。除地膜增溫方式外，其他增溫方式均研究較少，如地源熱泵雖然能對土壤進行加熱，但根據熱力學第一定律，地下深層的溫度會有所下降。深層土壤溫度下降，對作物、微生物、土壤環(huán)境是否會產生影響，仍需要進一步探究。

對于灌溉水的增溫，現(xiàn)有的研究方向主要集中在渠道增溫和曬水池增溫的研究上。目前，針對灌溉水增溫方面的文獻并不多，多是在研究增溫后的灌溉水對于作物的影響方面。根據目前文獻總結出如下亟待研究的問題：一是對于渠道及曬水池的研究多有地域性，針對我國不同地區(qū)氣候條件，符合我國大部分地區(qū)的渠道、曬水池增溫模式還需要進一步研究；二是渠道、曬水池等增溫方式，都是通過太陽能輻射直接對水進行增溫，增溫效果差，太陽能利用率不高且水容易蒸發(fā)，造成水資源浪費，但目前對灌溉水專用的增溫設備研究較少，需要對灌溉水增溫設備進行設計與優(yōu)化。

基金項目：楊凌職業(yè)技術學院科技創(chuàng)新項目（項目編號：ZK21-06），楊凌職業(yè)技術學院教育教學改革項目（項目編號：JG22009）。

作者簡介：賈浩（1993—），男，甘肅山丹人，碩士，助教，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術研究。