大跨度外保溫型塑料大棚小氣候環境測試*

董曉星，黃 松，余路明，李勝利**

大跨度外保溫型塑料大棚小氣候環境測試*

董曉星1，黃 松2，余路明1，李勝利1**

（1.河南農業大學園藝學院，鄭州 450002；2.信陽農林學院，信陽 464000）

為探明大跨度外保溫型塑料大棚內部的小氣候環境，有效利用該大棚進行生產，周年監測了大棚內外的溫度、相對濕度和光照環境，并對其環境調控效果進行分析。結果表明：大跨度外保溫型塑料大棚冬季保溫性能良好，地溫高且穩定，在河南駐馬店地區1月平均室內氣溫為10.9℃，平均室內地溫12.7℃。室內最低氣溫6.8℃，室內最低地溫12.3℃，分別較露地高8.9℃和9.5℃。夏季棚內氣溫和地溫均高于露地，但氣溫高出幅度較小。棚內晴天、透光率為51.8%～67.5%，受位于棚頂保溫被卷的影響，白天棚內存在一條2.0～3.5m寬的移動陰影帶。棚內相對濕度大，11月-翌年2月期間，白天和夜間棚內相對濕度均接近飽和。在駐馬店地區，大跨度外保溫型塑料大棚能基本滿足喜溫類果菜所需的環境條件，可用于喜溫類果菜的周年生產，具有推廣應用價值。

大跨度；外保溫型；塑料大棚；溫度；濕度；光照

中國北方主要園藝設施類型是塑料大棚和日光溫室。塑料大棚土地利用率和建造效率高，可進行春提前和秋延后果菜栽培，但在北方地區無法進行越冬生產。日光溫室是北方最重要的保溫設施[1]，可進行園藝作物的早春茬、秋冬茬和越冬一大茬喜溫果菜的生產[2]。但是，目前生產中常用的日光溫室跨度多為8～10m，后墻多為土墻和磚墻，存在栽培面積小、墻體建造效率低和土地利用率不高的問題，不能滿足溫室結構大型化、作業輕簡化和建造裝配化的要求[3-6]。

為解決上述問題，探索新的園藝設施類型，李勝利等[7]設計了巨型塑料大棚，發現通過增大棚室體積容量，增強其緩沖能力，室內溫度較普通塑料大棚可提高1.2～1.6℃；崔世茂等[8]設計了大棚型溫室，建造成本較日光溫室低，光照條件更好；武瑩等[9]研究了大跨度非對稱塑料大棚的溫光性能，發現其冬季最低氣溫較日光溫室低2.1℃，較普通塑料大棚高16.3℃，春秋季最低氣溫僅比日光溫室低0.5℃，較普通塑料大棚高4.0℃。韓麗蓉等[10]設計了下沉式大跨度大棚型溫室，在陜西榆林地區1月典型天氣下的氣溫和地溫均高于日光溫室，建造成本低，種植收益好。但這些研究主要是基于日光溫室改良的保溫大棚，采用東西延長的方位，室內光照不均勻[8-10]，且日光溫室棚間距大，土地利用率低的問題仍然無法解決。

大跨度外保溫型塑料大棚（簡稱WSTP大棚）是一種將塑料大棚和日光溫室的優勢相結合的新型農業設施結構。相較普通塑料大棚，跨度由8～12m增至20m左右，并增加外保溫系統；相較于日光溫室，WSTP大棚采用南北延長的方位，全鋼結構骨架，螺栓連接。WSTP大棚具有溫度緩沖能力強、土地利用率高、生產成本低和裝配化程度高的特點，適宜機械化作業，降低勞動強度[11]。但目前有關WSTP大棚內溫度、濕度和光照等小氣候環境尚未見報道，無法有效指導生產。本研究對WSTP大棚內的溫濕度和光照環境進行周年監測，旨在探明其內部溫濕度和光照環境特點，了解其調控效果，以期對WSTP大棚的管理和作物生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試大棚概況

供試WSTP大棚（大跨度外保溫型塑料大棚）位于河南省駐馬店市某農業園區（32.95°N，114.50°E），3D結構如圖1所示。采用南北延長的方位，長100m，跨度20m，脊高5.5m。拱架平均屋面角29°，底角處屋面角為71°。全鋼架結構，螺栓連接，中柱采用100mm×100mm×2mm鍍鋅方鋼，橫梁、側柱和斜撐采用60mm×40mm×2mm鍍鋅方鋼，拱架采用75mm×40mm×1.5mm外卷邊C型鋼（幾字鋼），縱向拉桿采用33.7mm×2mm的鍍鋅圓管（圖2）。透明覆蓋材料采用0.012mm的乙烯醋酸乙烯（EVA）多功能復合膜，保溫被采用黑色復合輕質毛氈保溫被，兩側卷起、中間堆積，電動收放。大棚的東、西棚面分別設置頂通風口和底通風口，共設4處通風口，通風口面積共600m2。

棚內種植有番茄，常規栽培方式進行管理。冬春季節，溫室夜間放下保溫被進行保溫蓄熱，8：00- 8：30日出后揭開保溫被，17：00-17：30日落前蓋保溫被。陰天揭保溫被時間適當推遲。室內溫度過高時，通過溫室頂通風口和底通風口進行通風散熱。

1.基礎Foundation，2.南山墻South gable，3.北山墻North gable，4.支撐結構Supporting structure，5.外保溫系統External insulation system，6.通風口Vent

圖2 供試WSTP大棚支撐結構示意圖

1.2 性能測試方法

供試大棚內小氣候環境的監測指標包括周年室內外氣溫、室內外10cm地溫、室內相對濕度、棚內光照度和陰影寬度。試驗區建設有20棟WSTP大棚，按不同收獲期種植番茄，保證周年供應。為減少作物對監測數據的影響，當所監測溫室內作物拉秧后，將儀器移到同一批建造相同規格的棚內進行監測。選取大棚內距南側40m處縱剖面布置測點，測點布置情況如圖3所示。室內外氣溫和地溫監測采用熱電偶測溫儀（錦州，CB-0232），每個測點布置3個溫度探頭，相對濕度監測使用3臺溫濕度記錄儀（華圖HUATO HE-173），記錄時間間隔均為30min，測試時間為2018年8月3日-2019年8月1日。光照度監測使用手持式照度計（SMART SENSOR AS803），在2018年8月-2019年8月期間的立秋（8月8日）、秋分（9月22日）、立冬（11月7日）、冬至（12月22日）、立春（2月4日）、春分（3月21日）、立夏（5月5日）、夏至（6月22日）前后分別選擇晴天和陰天，人工測量該剖面9個點位1.5m高處水平面的光照度，分析不同季節棚內光環境特點。在秋分、立秋、冬至、清明4個節氣利用卷尺實地測量棚內陰影位置和寬度。

1.3 數據處理

使用Excel 2016進行數據整理及分析。根據云量的觀測情況和日照時數，將試驗期間的天氣類型劃分為晴天、多云和陰天[12]。冬季白天是指8：30- 16：30，夜間是指16：30-次日8：30；夏季白天是指7：00-19：00，夜間是指19：00-次日7：00[2]。

2 結果與分析

2.1 WSTP大棚內溫度特征

2.1.1 棚內氣溫和地溫年變化

統計棚內平均溫度、最高溫度和最低溫度的周年變化如表1所示。可以看出，WSTP大棚內最低月平均氣溫和地溫均出現在1月，分別為10.9℃和12.7℃，分別較露地溫度高8.5℃和9.6℃。WSTP大棚內最高月平均氣溫和地溫出現在7月，分別為30.4℃和31.2℃，分別較露地溫度高1.2℃和2.6℃。1月棚內日最低氣溫均值和最低地溫均值為6.8℃和12.3℃，分別較露地高8.9℃和9.5℃。7月棚內日最高氣溫均值和最高地溫均值為41.6℃和35.0℃，分別較露地氣溫高3.2℃和4.3℃。其中，6月露地地溫高于室內地溫，可能是由于當時園區室外進行了除草，室外無植被，造成露地溫度較高。

圖3 WSTP棚內小氣候測點分布

注：“×”表示棚內外氣溫和地溫測點，“○”表示相對濕度測點，“□”表示光照測點。

Note: ‘×’ represents the test points of air temperature at 1.5m height and soil temperature at 10cm inside/outside WSTP, ‘○’ represents test point of air relative humidity, ‘□’ represents the test points of the light intensity.

表1 全年各月棚內/外氣溫(T)和10cm地溫(T10)變化(℃)

可以看出，棚內周年氣溫和地溫始終高于露地。WSTP大棚冬季保溫性能良好，棚內地溫高且穩定。夏季室內氣溫和室內地溫均高于露地，氣溫高出幅度較小，地溫高出露地幅度大。

2.1.2 棚內氣候學季節劃分

按照氣候學的季節標準[13]，進行了棚內外氣候學季節劃分，如表2所示。可以看出，棚內外2018

表2 棚內外氣候學季節劃分對比

注：表中季節的順序按照數據測試順序列出。

Note: The order of seasons in the table is listed in order of data test.

年夏季結束時間相同，棚內氣候學秋季延長至2019年1月6日，相比棚外延遲了41d；棚內氣候學冬季在2019年1月6日開始，較露地延遲了41d；棚內氣候學春季在2019年2月11日開始，較露地提早了33d。棚內氣候學冬季時長僅36d，較外界減少了74d，相應地，棚內氣候學秋季和春季分別延長41d和33d。可見，與外界相比，WSTP大棚能顯著增加春秋季的時長，減少冬季時長，有利于寒冷時節進行設施栽培。

2.2 WSTP棚內濕度特征

2.2.1 棚內空氣相對濕度年變化

從表3可以看出，全天棚內平均空氣相對濕度在76.0%～98.8%變化，其中，11月-翌年2月棚內相對濕度平均為97.3%。白天棚內空氣相對濕度周年變化范圍較大，在61.8%～97.7%變化，其中11月-翌年2月平均值為94.8%，其它月份棚內相對濕度較低，在61.8%～76.2%之間變化，平均為66.2%。夜間棚內空氣相對濕度全年均較高，在89.5%以上，平均為95.3%，其中，11月-翌年2月平均高達99.8%。可見，全天、白天和夜間棚內空氣平均相對濕度均高于露地。11月-翌年2月期間，白天和夜間棚內相對濕度均接近飽和。

2.2.2 棚內高濕時期葉片沾濕時長

根據葉面結露%RH模型[14-15]，對棚內高濕時期（10月-翌年3月中旬）作物葉片沾濕時長、旬葉片沾濕時間比進行分析，由表4可知，11月上旬-翌年2月下旬白天棚內的葉片沾濕時長比在62.0%～100%。此階段棚外溫度低，通風不及時，棚內白天葉片沾濕的發生時間在60%以上。10月下旬-3月上旬夜間棚內的葉片沾濕時長比均為100%，夜間棚內作物葉面均為結露的狀態。可見，此段時間棚內濕度對作物生長不利。

2.3 WSTP棚內光照特征

2.3.1 典型節氣典型天氣棚內光照度日變化

圖4和圖5顯示了棚內立秋、秋分、立冬、冬至、立春、春分、立夏和夏至8個節氣前后晴天和陰天的光照度和透光率。由圖4可看出，晴天時，棚內光照度和透光率均表現為8：00后逐漸增大，12：00達最大，之后逐漸降低的特點。自立秋開始各節氣棚內日平均光照度為80753、73988、46256、25479、290111、59908、72062、84217Lux，平均透光率分別為67.3%、65.7%、54.7%、51.8%、53.3%、53.8%、59.4%、67.5%。立冬、冬至、立春全天內大多時段大棚透光率低于60%，立秋、夏至、立夏、春分則大于60%。從圖5可看出，陰天時，自立秋開始各節氣棚內日平均光照度為18149、9152、3567、2598、5399、3390、17638、8577Lux，平均透光率分別為60%、72%、71%、59%、60%、44%、63%、60%。可見，棚內光照度存在日變化和季節變化特點，日變化規律與外界一致，季節變化方面，冬至日的光照度和透光率均為最低，棚內冬春季節透光率整體低于立秋、夏至、立夏幾個節氣。由于陰天主要是散射光，大棚透光率的日變化規律性不明顯。

表3 全年各月棚內/外空氣相對濕度變化(%)

表4 10月-翌年3月棚內葉片結露沾濕時長百分比（%）

注：旬葉片沾濕時間比（%）=旬內結露累計時長/旬時長×100。

Note: The proportion of leaf wetness duration every ten days(%)=cumulative leaf wetness duration in ten days/total duration of ten days×100. E- is the first ten-day of a month, M- is the middle ten-day of a month, L- is the last ten-day of a month.O is outside and IN is inside WSTP.

圖4 典型節氣晴天WSTP棚內外光照度和透光率的日變化

圖5 典型節氣陰天WSTP棚內外光照度和透光率的日變化

2.3.2 棚內保溫被卷陰影位置和寬度

從圖6可以看出，白天保溫被卷起后，放置于大棚頂部，形成一條遮光帶。秋分、立秋、冬至、清明4個典型節氣前后對保溫被卷在棚內形成的陰影位置和寬度進行觀測，由表5可見，受太陽運行規律的影響，保溫被卷的陰影位置和寬度隨時間和季節均會發生變化，陰影位置隨太陽方位角的變化而移動，8：00-12：00陰影位置在大棚西側，12：00- 16：00在大棚東側。秋分和清明節氣，8：00前和16：00后陰影在棚室外。全天棚內陰影寬度在2～3.5m區間變化。可見，上卷下鋪式保溫被收起后在棚內形成一條陰影，但位置會隨著太陽的運行規律移動，不會產生靜止不動的“死陰影”。

圖6 保溫被卷在棚內形成陰影的坐標表示法

注：X1和X2表示保溫被卷起后形成的陰影位置，0≤X1，X2≤20。X2和X1的差值為陰影寬度。

Note:X1and X2indicate the shadow position of heat preservation quilt roll, 0≤X1, X2≤20. The difference between X2and X1is the shadow width.

表5 四個典型節氣保溫被卷陰影位置和寬度的日內變化(m)

注：0.0、20.0分別表示部分、全部陰影不在大棚內。

Note: 0.0 and 20.0 respectively indicate that some and all shadow is not in the shed.

3 結論與討論

3.1 討論

大跨度外保溫型塑料大棚相較普通日光溫室來說，棚內作業空間大、土地利用率高、成本低、建造速度快，在河南山東多地都有應用。本研究對WSTP大棚內溫度進行周年監測發現，1月WSTP大棚內外最低氣溫和地溫差為8.9℃和9.5℃。同時期，郜慶爐等在河南省新鄉市監測到普通日光溫室內外溫差為8～11.8℃[16]；王倩等在河南省滎陽市監測到下沉式日光溫室內1月平均最低氣溫為7.35℃，室內外最低溫差為12.34℃[17]。可以看出，WSTP大棚的保溫能力與普通日光溫室相近，比下沉式日光溫室略低。

園藝設施的主要功能是為作物提供適宜的環境條件，其中最重要的是溫度和光照環境。以喜溫類果菜為例，番茄定植時要求溫室內極端最低氣溫應保持在5℃以上，10cm地溫穩定在10℃以上[18]。WSTP大棚內1月平均最低氣溫和地溫分別為6.8℃和12.4℃，地溫高且穩定。相較氣溫，根際溫度對整個植株生長的影響更大，根系生長要求比較穩定的根際溫度。即使氣溫超過或低于作物生長的要求，只要有適宜穩定的根際溫度，作物生長也不會有太大的影響[19]。番茄的光飽和點為70000Lux，光補償點為2000Lux。冬至前后WSTP大棚內晴天和陰天平均光照度為25479Lux和2598Lux，平均透光率為51.8%。對比可看出，WSTP大棚內可進行番茄等喜溫果菜的周年栽培。結合實際生產經驗，試驗WSTP大棚內進行番茄栽培，冬春茬可于2月中下旬定植，6月下旬拉秧；秋冬茬可于8月下旬定植，翌年1月中旬拉秧，利用總時長在250d左右。河南地區日光溫室番茄栽培時，冬春茬可于2月上旬定植，6月中旬拉秧；秋冬茬可于8月下旬定植，翌年1月中旬拉秧，全年利用總時長在260d左右。可以看出，利用WSTP大棚進行一年兩茬的栽培生產，與日光溫室區別不大，能夠滿足當地設施生產的需求，具有一定的實用價值。

園藝設施作為一種封閉或半封閉的系統，其內部空氣相對濕度較大。WSTP大棚同樣具有這樣的特點，10月下旬-3月上旬棚內夜間作物葉面均為結露的狀態，白天葉面沾濕發生時間也在一半以上，形成有利于病原侵害的微環境[20]。濕度過高還容易造成作物徒長、開花結實差、生理功能減弱等，使產量和品質受到影響。這主要是由于這段時間棚內溫度較低，不能大面積開窗通風除濕，所以在栽培生產管理中應注意相對濕度的調控，可采用膜下滴灌、栽培行間覆蓋秸稈、白天在保證溫度的前提下盡可能早地打開頂通風口等方式，多措施結合排除水蒸氣，降低濕度。

3.2 結論

（1）WSTP大棚具有一定的保溫增溫能力，接近普通日光溫室。晴天棚內的透光率為51.8%～67.5%，存在一條移動陰影帶，但不會形成“死陰影”。該類大棚能為喜溫類果菜提供必要的環境條件，可進行喜溫果菜的周年栽培，具有推廣價值。

（2）WSTP大棚內相對濕度大，11月-翌年2月白天和夜間棚內相對濕度均接近飽和，生產中要多措施結合降低濕度。

WSTP大棚仍存在有41d的低溫期。若利用該大棚進行越冬茬栽培，冬季保溫性能仍有待提高，夏季棚內也存在高溫的問題，可通過冬季增加內覆蓋、夏季利用保溫被適當遮陽等簡易調控措施，創造更適宜的栽培環境，但具體管理手段仍有待進一步探索。

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Microclimate Environment Test for Wide-span Plastic Greenhouse with External Thermal Insulation

DONG Xiao-xing1, HUANG Song2, YU Lu-ming1, LI Sheng-li1

(1.Horticultural College, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China；2. Xinyang Agricultural and Forestry University, Xinyang 464000)

Agricultural facilities will be improved to be more large-scale, simplified, lighter and easier to be assembled as facility agriculture production moves towards mechanization and intensification. As the most important type of horticultural facility in northern China, solar greenhouses are mainly used for the annual production of warm-season vegetables. However, the span of solar greenhouses are mostly 8-10m, and the back wall are mainly made of clay or brick. All these result in the small cultivation area, low efficiency of wall construction and low utilization of land. In addition, plastic greenhouses have poor thermal insulation property and cannot be used in winter in northern China. Therefore, neither of these two common facilities can meet the production requirements. The large-span plastic greenhouses with external thermal insulation property are designed and put into practice. The span is extended from 8-12m to 20m and external thermal insulation system is equipped. They have a north-south orientation, steel structure skeleton and bolt connection, with the advantages of strong temperature buffering capacity, high land utilization rate, low production cost and high degree of assembly. However, the internal microclimate environment is not clear, that makes it impossible to produce scientifically. In order to find out the microclimate environment in the large-span external thermal insulation plastic greenhouse and effectively guide the cultivation. The microclimate environment, such as temperature, ground temperature, relative humidity and light conditions inside and outside the greenhouse had been monitored annually. And the application prospect of the new greenhouse had been discussed. The calculation showed that new plastic greenhouse had good heat-insulating property in winter. The average temperature indoor in January was 10.9℃, and the average ground temperature indoor was 12.7℃. The lowest indoor temperature was 6.8℃, and the lowest indoor ground temperature was 12.3℃, which were 8.9℃ and 9.5℃ higher than the open ground. In summer, the air and ground temperature in the shed was higher than the open field, but the raise of air temperature was smaller, and the ground temperature was slightly larger. The relative humidity in the shed was large, which was close to saturation in the day and night during November to following February. The light transmittance of the shed was 51.8%-67.5% in sunny days. There was a moving shadow band of 2.0-3.5m wide. The study showed that microclimate environment in the new greenhouse could basically meet the requirements of warm-season vegetables. In some areas of Zhumadian city, large-span external thermal insulation plastic greenhouses could basically meet the environmental conditions required for thermophilic fruits and vegetables, and could be used for their annual production.

Wide-span; External thermal insulation; Plastic greenhouse; Temperature; Relative humidity; Light intensity

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.07.002

董曉星,黃松,余路明,等.大跨度外保溫型塑料大棚小氣候環境測試[J].中國農業氣象,2020,41(7):413-422

2020-03-16

李勝利，E-mail：lslhc@yeah.net

河南省大宗蔬菜產業技術體系專項（S2010-03-03）

董曉星，E-mail：wuxian_mige@163.com；并列第一作者黃松，E-mail：13803862987@126.com