葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中定植板覆蓋率對環(huán)境熱效應(yīng)的影響

杜莉雯，溫祥珍，馬宇婧，李亞靈

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西 太谷 030801）

水具有較大的比熱容，許多學(xué)者考慮用水來儲熱并逐漸應(yīng)用于各個領(lǐng)域，最初的水蓄熱用來供暖和發(fā)電，后來逐漸應(yīng)用到溫室生產(chǎn)中，以水為蓄放熱的載體來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。1981年，WOSTER[1]在俄亥俄州的農(nóng)業(yè)研究和發(fā)展中心建造了一個收集和儲存太陽能的池塘用于溫室供暖。1998年，ALl-HUSSAINI等[2]在溫室內(nèi)建造了蓄熱水池，水池深5～20 cm，水池內(nèi)表面涂黑，水池中裝滿一定濃度的鹽水，外面覆上透明塑料膜，利用蓄熱水池蓄集的熱量加熱溫室，起到較好的加熱效果。日本的河野德羲[3]在1986年研究了水蓄熱型太陽能溫室的熱特性。DICKINSON等[4]建議用淺層太陽能池儲存熱量。KISHORE等[5]進(jìn)行了太陽能水池持續(xù)熱提取的試驗(yàn)和分析研究。還有一些研究，將裝有水的桶放在溫室地板上使其被動蓄熱，水桶白天吸收太陽能，晚上將熱量釋放到周圍環(huán)境[6-10]。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的新型清潔能源，其開發(fā)利用越來越受到廣泛關(guān)注，如何儲存和使用這種能源是一個重要的挑戰(zhàn)[11-12]，因此，建造一個低成本的系統(tǒng)來收集和儲存太陽能是非常有必要的。

為了給日光溫室蔬菜種植提供穩(wěn)定的生長環(huán)境，降低生產(chǎn)成本，本試驗(yàn)研制了一種葉菜水培生產(chǎn)系統(tǒng)，采用聚苯乙烯泡沫板（聚苯板具有隔熱效果[13]）作周邊結(jié)構(gòu)以減少熱量的散失，利用營養(yǎng)液來緩沖系統(tǒng)中的熱變化，由于裸露液面的多少會對系統(tǒng)內(nèi)熱性能產(chǎn)生一定的影響，因此，進(jìn)行了不同定植板覆蓋率對葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)熱環(huán)境的影響試驗(yàn)，以期找出適合該系統(tǒng)的定植板覆蓋率，通過不同季節(jié)對定植板覆蓋率的調(diào)整及各項(xiàng)管理措施，將設(shè)施內(nèi)的生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)到蔬菜作物生育的最適條件，從而使蔬菜生產(chǎn)達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的[14]。

1 材料和方法

1.1 葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)（圖1），位于山西太谷（北緯37°42′，東經(jīng) 112°55′）山西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究所。葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)長6 m，寬5.4 m，高0.4 m。將熱鍍鋅角鋼焊接成6 m×0.4 m和5.4 m×0.4 m這2種長方形框，在每個長方形框每隔1.5 m處用長0.4 m的熱鍍鋅扁鐵固定，用來提高溫室框架的穩(wěn)定程度和抗壓能力。然后將上述2種長方形框分別作為葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的長和寬，用外六角彩鋼瓦釘拼接起來組成積液栽培池框架，將4 cm厚的聚苯板嵌入角鋼槽作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，塑料薄膜平鋪生產(chǎn)系統(tǒng)底部，用卡簧和卡槽固定在周邊結(jié)構(gòu)上，形成一個簡易的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)。在積液池中注入等量的營養(yǎng)液，深度約21.5 cm，容量為7 m3。試驗(yàn)采用多孔聚苯板作定植板（厚5 cm、162孔），置于液面上方，試驗(yàn)中定植蔥苗。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)設(shè)置3個處理：A.定植板覆蓋率100%，即定植板與定植板之間緊密貼合，完全覆蓋營養(yǎng)液面（圖1-A）；B.定植板覆蓋率75%，即相鄰定植板之間相距10 cm，定植板覆蓋的液面積/生長箱總液面積=75%（圖1-B）；C.定植板覆蓋率50%，即相鄰定植板之間距離30 cm（圖1-C）。3個處理的生產(chǎn)系統(tǒng)按東西向并列排放，使其光環(huán)境基本一致。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

使用多路溫度儀（型號為TEA-005C，河北邯鄲益盟電子有限公司生產(chǎn)）分別對3個生產(chǎn)系統(tǒng)液表面下5 cm深處的營養(yǎng)液溫度和定植板上方10 cm處的空氣溫度進(jìn)行測定；使用歐寶（型號為HOBO U12-013）分別對3個生產(chǎn)系統(tǒng)液面上方10 cm處溫度和空氣相對濕度進(jìn)行檢測、記錄，儀器每0.5 h采集一次數(shù)據(jù)，于2016年5月26日至7月8日進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 營養(yǎng)液溫度變化情況

2.1.1 營養(yǎng)液溫度日變化 試驗(yàn)對不同定植板覆蓋率的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中營養(yǎng)液溫度進(jìn)行了觀測。從營養(yǎng)液溫度的整體變化趨勢（圖2）看，3種覆蓋率下營養(yǎng)液溫度變化趨勢基本一致。分析營養(yǎng)液溫度的升溫和降溫速度，100%，75%，50%這3種覆蓋率的升溫速度分別為0.5，0.7，0.9℃/h，降溫速度分別為0.3，0.4，0.5℃/h。說明通過增加液面的裸露面積可以提高營養(yǎng)液在白天的升溫速度，使?fàn)I養(yǎng)液吸收較多的熱量；但晚上的降溫速度也會加快，釋放較多的熱量。

表1 不同定植板覆蓋率對營養(yǎng)液溫度的影響 ℃

由表1可知，在觀測日內(nèi)，營養(yǎng)液的平均溫度隨定植板覆蓋率的減少而增大，100%定植板覆蓋率溫度最低，75%和50%的定植板覆蓋率平均溫度相差不大；營養(yǎng)液的最高溫度隨定植板覆蓋率的減少而增加，50%定植板覆蓋率溫度最高，100%定植板覆蓋溫度最低，三者之間相差1℃左右；最低溫度隨覆蓋率的減少而降低；日較差隨覆蓋率的減少而增大。

2.1.2 不同天氣條件下營養(yǎng)液溫度變化情況 試驗(yàn)分析了陰晴天氣下不同定植板覆蓋率的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中營養(yǎng)液溫度，從表2可以看出，晴天不同定植板覆蓋率間的營養(yǎng)液溫度差異較陰天明顯，且整體溫度高于陰天。陰天營養(yǎng)液平均溫度為23℃，晴天營養(yǎng)液平均溫度為25.7℃，高于陰天2.7℃；營養(yǎng)液最高溫陰天為25.4℃，晴天為29.6℃，高出陰天4.2℃；營養(yǎng)液最低溫陰天為21.1℃，晴天為22.9℃，高出陰天1.8℃；營養(yǎng)液溫度日較差陰天為4.2℃，晴天為6.7℃，高于陰天2.5℃。

表2 陰天和晴天營養(yǎng)液溫度情況 ℃

圖3記錄了陰天與晴天條件下觀測日內(nèi)營養(yǎng)液的溫度變化趨勢情況，其中，左側(cè)為晴天變化情況，右側(cè)為陰天變化情況。由圖3可知，無論陰晴天，3種覆蓋率下營養(yǎng)液溫度變化趨勢基本一致，陰天營養(yǎng)液溫度低于晴天且變化幅度小于晴天。

2.2 氣溫變化情況

表3 不同定植板覆蓋率氣溫情況 ℃

試驗(yàn)對生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方10 cm處植株冠層內(nèi)的氣溫變化進(jìn)行了連續(xù)觀測。從表3和圖4可以看出，在觀測日內(nèi)，3個覆蓋率生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方10 cm處植株冠層內(nèi)氣溫變化均表現(xiàn)為隨覆蓋率的減少氣溫趨于穩(wěn)定，趨勢基本一致且差異不大。定植板間裸露的液面白天吸熱，夜間放熱，會對附近氣溫起到一定調(diào)節(jié)作用，但因?yàn)橄到y(tǒng)處于開放狀態(tài)，受外界的影響較大，所以系統(tǒng)間的差異并不太大。

2.3 空氣相對濕度變化情況

表4 不同定植板覆蓋率相對濕度情況 %

試驗(yàn)對生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方10 cm處植株冠層內(nèi)的相對空氣濕度變化進(jìn)行了觀測，表4為平均空氣相對濕度及極端空氣相對濕度值。從表4可以看出，100%，75%和50%的定植板覆蓋率空氣相對濕度分別為50.5%，70.6%和74.9%，其中，100%定植板覆蓋率平均相對濕度較75%定植板覆蓋率低近20百分點(diǎn)。平均相對濕度、最大濕度、最小濕度均表現(xiàn)出隨定植板覆蓋率的減少而增大；相對濕度日較差隨定植板覆蓋率的減少而減少，這是因?yàn)?00%的定植板覆蓋率一定程度上阻止了水分的蒸發(fā)。

圖5為葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方10 cm處植株冠層內(nèi)的空氣相對濕度變化趨勢，從圖5和表4可以看出，3種覆蓋率生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)空氣相對濕度有著較大差異，但變化趨勢基本一致。

2.4 氣溫與液溫的關(guān)系

由圖6可知，營養(yǎng)液溫度顯著低于氣溫的變化幅度，表明營養(yǎng)液溫度變化較氣溫穩(wěn)定，且營養(yǎng)液溫度極值出現(xiàn)時間滯后于氣溫。在觀測日內(nèi)，A，B，C等3個處理營養(yǎng)液最低溫出現(xiàn)時間分別為5：30，5：00，5：00，氣溫在 4：00 溫度最低，液溫最低溫出現(xiàn)時間較氣溫分別滯后 1.5，1，1 h；A，B，C 等 3 個處理營養(yǎng)液最高溫出現(xiàn)在12：00—15：00，氣溫最高溫出現(xiàn)在12：00—13：30，營養(yǎng)液最高溫較氣溫滯后1.5 h。

3 討論

我國水蓄熱應(yīng)用在溫室生產(chǎn)的研究起步較晚。王順生等[15]利用集熱器提高水溫，用水儲存的熱量加熱溫室土壤，取得了較好的效果。方慧等[16]提出了日光溫室淺層土壤水媒蓄放熱及熱泵加溫的節(jié)能增溫思路，以水為蓄熱介質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，取得了很好的效果。張義等[17]以水為介質(zhì)進(jìn)行熱量的蓄積與釋放，設(shè)計了水幕簾蓄放熱裝置提高溫室內(nèi)溫度。郭建業(yè)等[18]研發(fā)了一種日光溫室水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)以水為蓄放熱載體提高北方地區(qū)冬季日光溫室內(nèi)的溫度。

本試驗(yàn)設(shè)計了一種以營養(yǎng)液為蓄放熱載體的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，營養(yǎng)液可以起到吸儲熱的作用，通過增加液面的裸露率，可以使?fàn)I養(yǎng)液在白天吸收更多熱量，但在夜間釋放熱量也較多。因此，在實(shí)際生產(chǎn)時，為了提高營養(yǎng)液的儲熱量，在夜間應(yīng)該增加定植板的數(shù)量以減少熱量的散失，尤其是在冬季。在夏季生產(chǎn)時，為了避免營養(yǎng)液溫度過高，可選擇100%的定植板覆蓋率。唐凱等[19]研究了不同苯板覆蓋率對水面蒸發(fā)的影響得出，5月至9月下旬有覆蓋材料的水溫低于無覆蓋材料，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

需要指出的是，由于本試驗(yàn)處于高溫時期，葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)處于開放狀態(tài)，受外界影響，營養(yǎng)液對系統(tǒng)內(nèi)氣溫的熱緩沖效應(yīng)會受到一定影響，因此，在今后的試驗(yàn)中，可以研究系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)時的熱環(huán)境。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，營養(yǎng)液能夠吸收儲存一定的熱量，并對周圍環(huán)境起到一定的調(diào)節(jié)作用。

栽培中減少定植板的覆蓋率，可以使?fàn)I養(yǎng)液白天吸收更多熱量，但夜間也會損失較多的熱量。因此，在冬季使用時，白天可以通過增加液面裸露面積以吸收較多太陽能，晚上增加定植板數(shù)量以減少熱量散失；在夏季使用時，可以選擇100%的定植板覆蓋率，使?fàn)I養(yǎng)液溫度不會太高。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，受裸露液面增大的影響，空氣相對濕度隨定植板覆蓋率減少有增大的趨勢。試驗(yàn)期間，設(shè)施處于通風(fēng)狀態(tài)，受外界影響較大；生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方10 cm處氣溫差異不大。

［1］ SYED A SHAH，TED H SHORT，R PETER FYNN.A solar pond-assisted heat pump for greenhouse[J].Solar Energy，1981，6（26）：491-496.

［2］AL-HUSSAINI H，SUEN K O.Usingshallow solar ponds as a heating source for greenhouse in cold climates[J].Energy Convers，1998，9（13）：1369-1376.

［3］河野德義.水蓄熱型太陽能溫室的熱特性 [J].豫西農(nóng)專學(xué)報，1986（2）：61-67.

［4］DICKINSON W C，CLARK A F，DAY J A，et al.The shallow solar pond energy conversion system[J].Solar Energy，1976，18（1）：3-10.

［5］KISHORE V V N，GANDHI MR，RAO K S.Experimental and analytical studies of shallow solar pond systems with continuous heat extraction[J].Solar Energy，1986,36（3）：245-256.

［6］SANTAMOURIS M，ARGIRIOU A，VALLINDRAS M.Design and operation of a low energy consumption passive solar agricultural greenhouse[J].Solar Energy，1994，52（5）：371-378.

［7］BARTZANAS T，TCHAMITCHIAN M，KITTAS C.Influence of the heatingmethod on greenhouse microclimate and energy consumption[J].Biosystems Engineering，2005，91（4）：487-499.

［8］GAUTHIER C，LACROIX M，BERNIER H.Numerical simulation of soil heat exchanger-storage systems for greenhouses[J].Solar Energy，1997，60（6）：333-346.

［9］GALIMBERTI P，ADARO J，EMA A，et al.Estudio comparativo de diferentes mejoras en invernaderos[J].Avances En Energías Renovablesy Medio Ambiente，1997，（1）：21-24.

［10］GEORGE，BAKOSC，DIMITRIOS，et al.Greenhouse heatingusing geothermal energy[J].Geothermics，1999，28（6）：759-765.

［11］王超，周湘江.淺水太陽池與熱泵結(jié)合冬季供暖的可行性分析[J].節(jié)能，2006（2）：26-29.

［12］張時聰，姜益強(qiáng)，姚楊.太陽能季節(jié)性地下水池蓄熱供熱系統(tǒng)的模擬研究[J].太陽能學(xué)報，2008，29（1）：40-45.

［13］王偉，張京社，王引斌.我國日光溫室墻體結(jié)構(gòu)及性能研究進(jìn)展[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（4）：496-498，504.

［14］張留江，李榮博，劉蘊(yùn)賢.設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展與蔬菜病蟲害防治策略[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，16（2）：149-151.

［15］王順生，馬承偉，柴立龍，等.日光溫室內(nèi)置式太陽能集熱調(diào)溫裝置試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（3）：130-133.

［16］方慧，楊其長，梁浩，等.日光溫室淺層土壤水媒蓄放熱增溫效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（5）：258-263.

［17］張義，楊其長，方慧.日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（4）：188-193.

［18］郭建業(yè)，秦貴，張艷紅，等.日光溫室水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)應(yīng)用效果研究[J].中國蔬菜，2016（9）：65-70.

［19］唐凱，何新林，姜海波，等.不同苯板覆蓋率對水面蒸發(fā)影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].干旱區(qū)研究，2016（6）：1189-1194.