沙漠區(qū)域不同墻體日光溫室光溫性能分析

許紅軍李彥榮崔擁民蔣衛(wèi)杰洽特合孜爾旦乃比江

（1新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2新疆沙田農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)有限公司，新疆和田 848000）

新疆屬于干旱荒漠區(qū)，有效耕地面積少，設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)對農(nóng)村發(fā)展、農(nóng)民增收做出了重要貢獻，推動了設(shè)施農(nóng)業(yè)向沙漠、戈壁發(fā)展。新疆和田市于2014年在吉亞鄉(xiāng)北段沙漠腹地規(guī)劃建設(shè)了面積0.67萬hm2（10萬畝）、以設(shè)施農(nóng)業(yè)為主的“團結(jié)新村”（茹克雅，2015）。此后，“和諧新村”、“和融新村”、“和安新村”等多個以沙漠設(shè)施農(nóng)業(yè)為主的農(nóng)業(yè)園區(qū)陸續(xù)建設(shè)完成，新疆非耕地設(shè)施農(nóng)業(yè)初具規(guī)模。然而，新疆沙漠區(qū)域居民以少數(shù)民族為主，缺乏對溫室結(jié)構(gòu)、內(nèi)部環(huán)境因子和外界特殊氣候條件的認(rèn)知，難以有效利用日光溫室進行蔬菜生產(chǎn)，達不到較高的經(jīng)濟效益，阻礙了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民蔬菜設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性。

日光溫室的光溫環(huán)境直接影響著作物的生長與發(fā)育，通過測試溫室內(nèi)部的溫光環(huán)境可為作物合理生產(chǎn)、管理提供依據(jù)（陳端生，1994；陳青云和汪政富，1996），也是評價不同區(qū)域內(nèi)不同墻體材料、結(jié)構(gòu)的溫室性能的主要方法之一（李明等，2014）。近年來，我國多名學(xué)者對于不同溫室類型、墻體材料等進行了光溫環(huán)境測試，并不斷改進溫室結(jié)構(gòu)類型（王倩 等，2013；張勇和鄒志榮，2013；趙雪 等，2013；金鮮華 等，2015；張潔 等，2016；王昭 等，2017；朱超 等，2017）。通過對黃淮海、河西走廊、寧夏非耕地、新疆等特殊氣候條件下的溫室溫光環(huán)境的測試分析，為當(dāng)?shù)刈魑锷a(chǎn)管理提供了參考（孫治強和王吉慶，1997；馬彩雯等，2010；宋羽 等，2013；高艷明 等，2014；祁光斌 等，2016）。

日光溫室的光溫環(huán)境除受結(jié)構(gòu)、材料、管理等影響外，與溫室所在地域的氣候條件關(guān)系密切（魏瑞江和孫忠富，2014）。新疆和田沙漠溫室區(qū)域?qū)儆谛陆髂暇壎涸O(shè)施蔬菜產(chǎn)區(qū)（王浩 等，2014），地處塔里木盆地南緣，干旱少雨，晝夜溫差較大，造成溫室內(nèi)部溫度變化差異大，其光溫環(huán)境具有一定的特殊性。本試驗對處于這一特殊環(huán)境條件下的兩種日光溫室的晴天、陰天光溫環(huán)境進行測試分析，以期為新疆和田地區(qū)溫室作物生產(chǎn)和溫室建設(shè)等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

測試溫室位于新疆和田縣吉亞鄉(xiāng)沙漠腹地（79.84°E，37.37°N），分別為傳統(tǒng)磚墻溫室和組裝式溫室（圖1）。溫室跨度均為9 m，磚墻溫室后墻高3.2 m，材料為37 cm黏土磚墻+10 cm保溫板；組裝式溫室為全鋼骨架，后墻高3.6 m，外部及后墻覆蓋10 cm厚太空棉。組裝式溫室由北京佳華泰科技有限公司建設(shè)，磚墻溫室由當(dāng)?shù)刈灾鹘ㄔO(shè)。測試期間兩棟溫室內(nèi)均種植草莓，采用基質(zhì)-沙混合栽培，灌溉方式為滴灌，保溫被一般在11：00前后揭開，19：00前后關(guān)閉。兩棟溫室間隔約1 km，塑料膜均為當(dāng)年更換，理論上老化程度一致。

圖1 沙漠組裝式日光溫室

1.2 測試儀器

PDE-KI數(shù)據(jù)記錄儀包括溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器及光照傳感器，由哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)。溫度測量范圍：-30～70 ℃，準(zhǔn)確度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃；濕度測量范圍：0～100%，準(zhǔn)確度±3%，分辨率1%；光照強度測量范圍：0～200 000 lx，準(zhǔn)確度±3%。

1.3 試驗方法

分別選取兩種溫室中間位置，將溫度、濕度、光照傳感器布置在距地面1.5 m處；土壤溫度記錄儀插入地面30 cm深處。采用PDE-KI數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測2018年1～3月溫室內(nèi)部、外部的環(huán)境變化，測定間隔時間為10 min，選擇最冷月份典型天氣進行數(shù)據(jù)分析。

試驗數(shù)據(jù)分析處理及圖表繪制均采用Origin 2017軟件（注：文中使用的時間均為北京時間。新疆地域遼闊，測試地點與北京存在2 h左右時差，正午時刻在14：00前后）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫室內(nèi)外氣溫變化規(guī)律

由圖2可知，晴天、陰天條件下溫室內(nèi)外氣溫變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)出晝夜溫差大、升溫快、降溫也快的特點，但不同溫室日最低溫度存在差異。組裝式溫室的氣溫較磚墻溫室高，白天差異較為明顯，夜間差異不大。晴天條件下，組裝式溫室最低氣溫為7.4 ℃，磚墻溫室為5.7 ℃，此時室外氣溫為-11.9 ℃，溫室內(nèi)外溫差分別為19.3 ℃與17.6 ℃；打開保溫被后，室內(nèi)溫度迅速上升，15： 10達到最高值，組裝式溫室最高氣溫可達39.8℃，磚墻溫室為36.6 ℃，此時室外氣溫為17.8 ℃；組裝式溫室平均氣溫為18.2 ℃，比磚墻溫室高3.1℃。陰天條件下溫室氣溫較晴天波動小，組裝式溫室最低氣溫為8.1 ℃，磚墻溫室為7.4 ℃；組裝式溫室全天的氣溫均高于磚墻溫室。

2.2 不同溫室空氣濕度變化規(guī)律

圖2 不同溫室氣溫日變化趨勢

由圖3可知，組裝式溫室的相對濕度在晴天、陰天條件下均高于磚墻溫室。晴天條件下，組裝式溫室全天平均濕度為73.80%，磚墻溫室為66.17%。陰天條件下，由于室內(nèi)、外氣溫比晴天低，造成溫室內(nèi)部相對濕度均較晴天高，組裝式溫室和磚墻溫室的平均濕度分別為87.23%、78.57%。由于測試溫室所處位置為沙漠區(qū)域，室外空氣干燥，即便是溫室內(nèi)溫度波動劇烈、晝夜溫差較大，空氣中水汽壓越來越接近其飽和水汽壓力值，但并未達到飽和狀態(tài)，試驗期間溫室內(nèi)部很少出現(xiàn)“結(jié)露”的現(xiàn)象。

2.3 不同溫室光照強度變化規(guī)律

由圖4可知，溫室內(nèi)部光照強度與外界光照強度變化趨勢一致，但明顯低于室外光照強度。晴天條件下，溫室內(nèi)部可接受到光照的時間為8 h左右，光照強度最大值出現(xiàn)在14：30，組裝式溫室為34 744 lx，磚墻溫室為33 663 lx，此時室外光照強度為58 030 lx；組裝式溫室平均光照強度為20 071 lx，磚墻溫室為21 303 lx，略高于組裝式溫室。陰天條件下，溫室內(nèi)部光照強度較低，溫室見光時間為6 h左右，組裝式溫室與磚墻溫室的平均光照強度分別為8 864 lx和10 016 lx。晴天、陰天條件下組裝式溫室的光照強度都略低于磚墻溫室，但差距不明顯。

圖3 不同溫室空氣濕度日變化趨勢

圖4 不同溫室光照強度日變化趨勢

溫室內(nèi)部光照強度受光照直射、散射與薄膜老化程度的影響，本試驗中晴天條件下組裝式溫室與磚墻溫室的平均透光率分別為51.2%與54.9%，陰天條件下分別為31.0%與36.2%。磚墻溫室與組裝式溫室內(nèi)部光照強度基本一致，說明進入溫室內(nèi)部的太陽輻射一致，在管理方式一致的情況下溫室內(nèi)部溫濕度變化只與溫室墻體有關(guān)。

2.4 不同溫室土壤溫度變化規(guī)律

由圖5可知，晴天、陰天條件下溫室內(nèi)部30 cm深度的地溫變化均不明顯，土壤溫度變化較氣溫滯后。晴天條件下，組裝式溫室土壤溫度全天均保持在15 ℃以上，平均土壤溫度為15.3 ℃，而磚墻溫室土壤溫度較組裝式溫室偏低，平均土壤溫度為13.7 ℃。陰天條件下，組裝式溫室與磚墻溫室的平均土壤溫度分別為15.5 ℃和13.9 ℃，略高于晴天。由于新疆和田沙漠區(qū)域的特殊氣候環(huán)境，絕大多數(shù)天氣為晴天，陰雨天氣極少，再加上溫室下部為沙漠沙，具有較強的熱惰性，造成陰天條件下溫室內(nèi)部30 cm深度處的土壤溫度較晴天略高。

圖5 不同溫室30 cm深度土壤溫度日變化趨勢

3 討論

無加溫條件下，光照是溫室內(nèi)部的唯一熱量來源。通常情況下，溫室內(nèi)部光照強度越大，溫室內(nèi)部溫度越高（陳端生，1994）。然而，本試驗中磚墻溫室內(nèi)部光照強度略高于組裝式溫室，但氣溫、土壤溫度均是組裝式溫室較高。分析原因：是由兩棟溫室不同的墻體材料造成的。組裝式溫室墻體材料為表面深色的太空棉，吸熱、保溫能力都優(yōu)于磚墻材料，但是不具備蓄熱能力，致使組裝式溫室內(nèi)部溫度上升較快，但無法有效蓄積，導(dǎo)致白天溫室內(nèi)部氣溫高于磚墻溫室。然而，夜間組裝式溫室內(nèi)部氣溫也高于磚墻溫室，這與“蓄熱能力強的材料夜間溫度較高”的理論不一致（佟國紅和Christopher，2009）。筆者認(rèn)為，磚墻溫室能夠?qū)⑿罘e的熱量釋放回溫室，但是磚墻溫室的保溫能力較組裝式溫室差，造成磚墻溫室夜間溫度較組裝式溫室略低。兩種溫室墻體的蓄放熱特性需要進一步研究。

在空氣濕度方面，磚墻溫室則優(yōu)于組裝式溫室。磚作為一種建筑材料來講，具有一定的吸濕性（許紅軍，2013），太空棉則不具備此種特性，造成磚墻溫室在溫度較組裝式溫室低的情況下，相對濕度也較組裝式溫室低。

4 結(jié)論

本文以新疆和田沙漠腹地特殊區(qū)域內(nèi)的組裝式溫室與磚墻溫室為測試對象，比較了兩種日光溫室在最冷月的內(nèi)部環(huán)境變化情況。得出如下結(jié)論：

① 沙漠非耕地區(qū)域具有較好的光照條件，絕大多數(shù)時候為晴天，陰雨天氣極少，光照強度大；日光溫室內(nèi)部光照強度亦大，可接受光照時間長，適宜設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展。

② 組裝式溫室的密閉性和保溫效果較好，氣溫、土壤溫度、相對濕度均高于磚墻溫室。綜合來看，組裝式溫室在新疆和田地區(qū)具有較強優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于南疆非耕地區(qū)域。