不同類型日光溫室氣溫對(duì)比分析

吳曼麗 張淑杰 孫立德

摘要：為評(píng)價(jià)遼寧地區(qū)典型日光溫室保溫蓄熱性能，利用小氣候儀觀測(cè)的氣溫、太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同類型日光溫室內(nèi)氣溫的日變化及逐時(shí)溫度的變幅，研究低溫期2種結(jié)構(gòu)日光溫室對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，2種結(jié)構(gòu)日光溫室內(nèi)溫度差異較大，土墻結(jié)構(gòu)日光溫室溫度高于復(fù)合墻結(jié)構(gòu)日光溫室;不同天氣條件下最低、最高、平均氣溫日變化都表現(xiàn)為日照時(shí)數(shù)越多，氣溫變化幅度越大;在日照時(shí)數(shù)大于3 h情況下，土墻溫室白天蓄熱和午后到夜間散熱大于復(fù)合墻溫室，在日照時(shí)數(shù)小于3 h的情況下，復(fù)合墻溫室蓄熱能力大于土墻結(jié)構(gòu)溫室，午后到夜間保溫能力小于土墻溫室，在一整天24 h循環(huán)過(guò)程中，土墻溫室內(nèi)的溫度依然高于復(fù)合墻溫室;不同生長(zhǎng)季2種溫室溫度存在較大差異，土墻溫室平均氣溫差值小于復(fù)合墻溫室。綜上所述，土墻溫室保溫和蓄熱性能好于復(fù)合墻溫室。

關(guān)鍵詞：日光溫室結(jié)構(gòu);氣溫;對(duì)比分析;土墻溫室;復(fù)合墻溫室

中圖分類號(hào)： S625.5+1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）11-0227-07

收稿日期：2019-06-21

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（編號(hào)：GYHY201206024）;中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所開放基金（編號(hào)：2018SYIAE05）;環(huán)渤海區(qū)域科技協(xié)同創(chuàng)新基金（編號(hào)：QYXM201501）。

作者簡(jiǎn)介：吳曼麗（1979—），女，吉林磐石人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)分析及教學(xué)。E-mail：120078087@qq.com。

通信作者：張淑杰，碩士，研究員，主要從事應(yīng)用氣象研究。E-mail：zhangshujie_a@163.com。 ?日光溫室以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)北方地區(qū)迅速發(fā)展起來(lái)，特別是近年來(lái)在東北地區(qū)發(fā)展迅速[1]，日光溫室作為反季節(jié)蔬菜生產(chǎn)設(shè)施，以其經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能成為人們?cè)黾邮杖氲闹匾侄沃籟2]。但是受氣候條件的影響，低溫凍害經(jīng)常發(fā)生，因此，我國(guó)學(xué)者針對(duì)日光溫室結(jié)構(gòu)及保溫性能進(jìn)行了深入的研究，并提出了一系列切實(shí)可行的優(yōu)化方案[3-6]。日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化及新型材料的研究和開發(fā)已經(jīng)成為目前研究的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，解決了土地利用率低、環(huán)境調(diào)控能力弱以及栽培系統(tǒng)配套差等關(guān)鍵問題。

遼寧省設(shè)施農(nóng)業(yè)以不加溫的日光溫室為主，且在冬春季進(jìn)行生產(chǎn)。研究表明，越冬種植蔬菜，特別是果菜類蔬菜，冬季的光照條件和低溫及持續(xù)時(shí)間是發(fā)展日光溫室的主要限制因子[7]，它提供的小氣候條件限制了蔬菜的種植周期及蔬菜品種，日光溫室作為冬春季蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的場(chǎng)所，其保溫性能特別重要。因此，很多專家針對(duì)日光溫室結(jié)構(gòu)及其保溫性能進(jìn)行了相關(guān)研究，主要涉及以下幾個(gè)方面：一是節(jié)能型日光溫室建筑設(shè)計(jì)理論與方法，從溫室合理采光[8]、合理保溫[9-10]和合理蓄熱[11-12]方面開展設(shè)計(jì)理論方法的研究。二是日光溫室墻體及其保溫性能方面。日光溫室墻體有2種，一種是土墻，另一種是復(fù)合墻體，針對(duì)土質(zhì)墻體，王曉冬等通過(guò)對(duì)西北地區(qū)不同墻體厚度日光溫室環(huán)境測(cè)試以及保溫性能分析得出西北地區(qū)4個(gè)區(qū)域日光溫室土墻的最佳厚度[4，6]。與土質(zhì)墻體不同，日光溫室復(fù)合墻體一般由2種或2種以上墻體材料組成，因此，對(duì)最佳的墻體組成及材料厚度的研究變得更加復(fù)雜。白義奎等針對(duì)東北地區(qū)[13-16]，李成芳等針對(duì)西北地區(qū)[17]，劉思瑩等針對(duì)華北地區(qū)日光溫室復(fù)合墻體的保溫性能進(jìn)行了相關(guān)研究[18-19]，表明不同復(fù)合材料及不同組合方式保溫性能差異較大。三是溫室內(nèi)熱環(huán)境研究[20-22]。以上研究涉及了溫室結(jié)構(gòu)、保溫性能、熱環(huán)境等方面，但是針對(duì)東北地區(qū)不同結(jié)構(gòu)日光溫室室內(nèi)小氣候?qū)Ρ燃捌鋵?duì)蔬菜生長(zhǎng)影響的分析還很少。本研究以遼寧省目前使用的2種典型日光溫室為研究對(duì)象，在分析不同天氣條件下日光溫室生長(zhǎng)季內(nèi)溫度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，比較低溫期不同結(jié)構(gòu)日光溫室對(duì)其內(nèi)種植蔬菜的影響，以期為日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化和蔬菜生產(chǎn)及其品種的選擇提供參考。

1 研究地點(diǎn)及方法

1.1 研究地點(diǎn)

遼寧省朝陽(yáng)市喀喇沁左翼蒙古族自治縣（以下簡(jiǎn)稱喀左縣）地區(qū)屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，四季分明、氣候溫和、降水集中、光照充足，是遼寧省設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范區(qū)。年均氣溫9.3 ℃，最高氣溫32.7 ℃，最低氣溫-23.8 ℃，年均降水量 472.1 mm，年均無(wú)霜期208 d，年日照時(shí)數(shù) 2 692 h。

1.2 研究方法

試驗(yàn)日光溫室位于喀左縣小河灣村（41°06′47″N，119°45′43″E）和公營(yíng)子鎮(zhèn)水泉鄉(xiāng)（41°19′28″N，119°52′34″E），海拔分別為298、269 m。日光溫室坐北朝南，具體結(jié)構(gòu)見表1，溫室前面為單面弧狀，覆蓋相同的透光材料，薄膜外覆蓋草苫子和雙層保溫被，日出后揭開，日落前后蓋上。溫室無(wú)供暖設(shè)施，無(wú)照明設(shè)備，2個(gè)通風(fēng)口位置為棚頂和棚前角，半自動(dòng)放風(fēng)方式，采用滴灌澆水。溫室內(nèi)種植作物為番茄和辣椒（表2），主要觀測(cè)項(xiàng)目為作物各發(fā)育期（播種、出苗、開花、結(jié)果、采摘）的開始期、普遍期和末期出現(xiàn)日期。田間管理主要記錄整地、移栽、灌水、施肥、噴藥、鏟趟、除草、采摘的時(shí)間和措施。

日光溫室內(nèi)小氣候監(jiān)測(cè)采用錦州陽(yáng)光科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的TRM-ZS3型設(shè)施小氣候觀測(cè)儀，氣溫、相對(duì)濕度的觀測(cè)精度分別為0.1 ℃、2%，每隔10 min采集1次數(shù)據(jù)，儀器安裝在溫室中部，傳感器距離地面 1.0 m，觀測(cè)項(xiàng)目為氣溫、相對(duì)濕度、太陽(yáng)總輻射等。天氣型劃分：日照時(shí)數(shù)≥6 h為晴天;3 h≤日照時(shí) 數(shù)<6 h為多云天;0 h≤日照時(shí)數(shù)<3 h為陰天;0 h<日照時(shí)數(shù)<3 h且同時(shí)白天有降水為降水天。氣溫和相對(duì)濕度的日平均值取1 d內(nèi)144個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，氣溫和相對(duì)濕度的日最高、最低值取144個(gè)數(shù)據(jù)中的最高、最低值。剔除明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)和缺測(cè)的數(shù)據(jù)，取2個(gè)日光溫室生產(chǎn)季的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)日光溫室生長(zhǎng)季氣溫逐日變化

將降水天與陰天合并為陰雨天進(jìn)行分析，由圖1可知，對(duì)于2個(gè)生長(zhǎng)季而言，在3種天氣條件下，無(wú)論最高氣溫、最低氣溫還是平均氣溫大體上都是土墻溫室大于復(fù)合墻溫室。對(duì)于最高氣溫而言，晴天、多云天、陰雨天土墻溫室分別比室外高20.4、18.0、13.2 ℃，復(fù)合墻溫室比室外分別高 16.2、142、8.4 ℃;對(duì)于最低氣溫而言，晴天、多云天、陰雨天土墻溫室分別比室外高14.8、13.2、9.8 ℃，復(fù)合墻溫室分別比室外高106、9.2、6.7 ℃;對(duì)于平均氣溫而言，晴天、多云天、陰雨天土墻溫室分別比室外高15.1、13.1、10.1 ℃，復(fù)合墻溫室分別比室外高 11.0、9.3、6.5 ℃（表3）。從波動(dòng)性看，2種結(jié)構(gòu)日光溫室晴天和多云天變化比較平穩(wěn)，陰雨天波動(dòng)性較大。從2個(gè)季節(jié)的分布來(lái)看，溫度變化趨勢(shì)大致相同，2012—2013年生長(zhǎng)季室外氣溫低于2013—2014年生長(zhǎng)季。2012—2013年生長(zhǎng)季室外最低氣溫極值達(dá)到-22.9 ℃，且2012年12月至2013年2月中旬大部分時(shí)間室外最低氣溫低于 -15 ℃，2012年11月下旬至2013年1月上旬土墻溫室內(nèi)最低氣溫在10 ℃以上變化，能夠滿足作物生長(zhǎng)需要，復(fù)合墻溫室內(nèi)最低氣溫低于5 ℃，發(fā)生了低溫凍害;2013—2014年生長(zhǎng)季2個(gè)溫室內(nèi)最低氣溫都在10 ℃以上變化，能夠滿足作物生長(zhǎng)需要。由此可見，2種結(jié)構(gòu)日光溫室保溫性能差異較大，不同季節(jié)變化差異也較大，土墻結(jié)構(gòu)溫室明顯好于復(fù)合墻溫室。

2.2 不同結(jié)構(gòu)日光溫室對(duì)溫度變化的響應(yīng)

在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中選取低溫凍害最容易發(fā)生的12月7日（多云天）、9日（晴天）、12日（陰天）、14日（降水天）數(shù)據(jù)進(jìn)行溫室內(nèi)逐時(shí)溫度變化情況對(duì)比分析。圖2給出了4種天氣條件下2種結(jié)構(gòu)日光溫

室內(nèi)溫度和總輻射的變化情況，在4種天氣條件下，晴天和多云天日光溫室內(nèi)溫度有明顯的日變化，白天在掀簾后（08：00—09：00）受到光照的影響，溫度迅速升高，13：00左右到達(dá)高點(diǎn)，然后緩慢下降，16：00—17：00 蓋簾后下降更加緩慢，晴天的溫度升幅明顯大于多云天，陰天和降水天由于天空有云覆蓋，光照度比較弱，溫室內(nèi)溫度日變化不明顯，溫度緩慢升高，升幅較小，然后又緩慢下降，降水天由于不掀簾或只掀一會(huì)兒，溫度處于持續(xù)下降狀態(tài)。

從溫室結(jié)構(gòu)看，在4種天氣條件下，2種溫室光照條件基本相同，土墻溫室內(nèi)平均溫度高于復(fù)合墻溫室，二者溫度差值從高到低分別為晴天、多云天、陰天、降水天。在溫度升降幅上都是晴天>多云 天> 陰天，在早上掀簾后溫度急劇升高，當(dāng)溫度達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，晴天、多云天、陰天土墻溫室溫度升幅分別為23、17.1、5.0 ℃，復(fù)合墻溫室溫度升幅分別為20.5、15.2、9.1 ℃;當(dāng)溫度達(dá)到最高點(diǎn)后，溫度持續(xù)下降到最低點(diǎn)，晴天、多云天、陰天土墻溫室溫度降幅分別為 20.4、16.5、4.1 ℃，復(fù)合墻溫室溫度降幅分別為18.4、15.9、9.4 ℃（表4）。針對(duì)12月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在日照時(shí)數(shù)大于3 h情況下土墻溫室白天蓄熱能力和午后到夜間的散熱大于復(fù)合墻溫室;在日照時(shí)數(shù)小于3 h情況下復(fù)合墻溫室蓄熱能力大于土墻結(jié)構(gòu)溫室，午后到夜間保溫能力小于土墻溫室;降水天氣條件下溫室不掀簾，溫度處于持續(xù)下降狀態(tài)，二者溫度下降情況相同。

2.3 低溫期不同結(jié)構(gòu)日光溫室溫度變化及其對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的影響

2012—2013年、2013—2014年2個(gè)生長(zhǎng)季土墻溫室種植辣椒，復(fù)合墻溫室種植番茄，其中，2012—2013年生長(zhǎng)季復(fù)合墻溫室在12月至次年1月期間發(fā)生了低溫凍害，因此對(duì)容易發(fā)生低溫凍害的12月至次年1月期間的溫度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2個(gè)生長(zhǎng)季低溫期溫度變化起伏較大（圖3）。從最高氣溫看，土墻溫室在30 ℃左右變化，2個(gè)生長(zhǎng)季相差0.2 ℃（表5）， 復(fù)合墻溫室在25 ℃左右變化， 2個(gè)生長(zhǎng)季

相差2.8 ℃，發(fā)生低溫凍害的2012—2013年生長(zhǎng)季最高氣溫波動(dòng)幅度較大，12月14日降到了10 ℃以下。從最低氣溫看，土墻溫室在10 ℃左右變化，2個(gè)生長(zhǎng)季相差0.8 ℃，大部分時(shí)間在10 ℃以上，能夠滿足蔬菜生長(zhǎng)需求，因此沒有發(fā)生低溫凍害;復(fù)合墻溫室在5 ℃左右變化，2個(gè)生長(zhǎng)季相差 2.3 ℃，2013—2014年生長(zhǎng)季發(fā)生了低溫凍害;從逐時(shí)溫度變化看，土墻溫室氣溫明顯高于復(fù)合墻溫室氣溫，大部分時(shí)間相差達(dá)5 ℃及以上（圖4），說(shuō)明土墻溫室的保溫和蓄熱性能都要高于復(fù)合墻溫室，土墻溫室氣溫都在10 ℃以上變化，復(fù)合墻溫室氣溫在 5 ℃ 上下變化（圖4），其中2012—2013年生長(zhǎng)季低溫期（12月）大部分時(shí)間在5 ℃以下，7—9日、15日、17—20日、24日≤5 ℃持續(xù)時(shí)間達(dá)10 h以上（表6），14—16日為連續(xù)陰天，期間到其后連續(xù)出現(xiàn)≤5 ℃ 持續(xù)10 h以上的情況，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)在14日白天至15日上午期間，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)18 h，整個(gè)12月期間溫度大部分時(shí)段不能滿足棚內(nèi)蔬菜番茄生長(zhǎng)需要，生長(zhǎng)緩慢甚至停止生長(zhǎng)，于1月中旬氣溫回升后表現(xiàn)為果實(shí)大量脫落，葉片皺縮發(fā)黃，發(fā)生重度低溫凍害，產(chǎn)量損失達(dá)到50%以上。

3 結(jié)論與討論

本研究以遼寧地區(qū)2種典型日光溫室為研究對(duì)象，分析了不同天氣條件下日光溫室生長(zhǎng)季內(nèi)溫度變化規(guī)律，比較了低溫期2種結(jié)構(gòu)日光溫室溫度變化對(duì)其內(nèi)種植蔬菜的影響。研究結(jié)果表明，受日光溫室結(jié)構(gòu)的影響，溫室內(nèi)溫度相差較大，土墻結(jié)構(gòu)溫室保溫蓄熱性能好于復(fù)合墻溫室。

從2個(gè)生長(zhǎng)季3種天氣條件下日光溫室內(nèi)平均、最高、最低氣溫的變化看，都是土墻溫室高于復(fù)合墻溫室，3種溫度都表現(xiàn)為晴天>多云天>陰雨天，晴天和多云天變化比較平穩(wěn)，陰雨天波動(dòng)性較大，受溫室外溫度變化的影響，2012—2013年生長(zhǎng)季溫度低于2013—2014年生長(zhǎng)季。

從氣溫日變化來(lái)看，晴天和多云天溫度有明顯的日變化，陰天和降水天變化不明顯。08：00掀簾后溫度急速上升，到13：00—14：00達(dá)到最大，然后下降，16：00—17：00蓋簾后溫度緩慢下降到掀簾前達(dá)到最低值。2種結(jié)構(gòu)溫室內(nèi)平均氣溫從高到低依次為晴天、多云天、陰天、降水天，晴天相差10.2 ℃，土墻溫室、復(fù)合墻溫室白天升幅分別為23.0、20.5 ℃， 午后到夜間降幅分別為20.4、18.4 ℃; 多云天2種溫室相差為7.7 ℃，土墻溫室和復(fù)合墻溫室白天升幅分別為17.1、15.2 ℃，夜間降幅分別為16.5、15.9 ℃;陰天2種溫室相差7.1 ℃;降水天氣條件下溫室不掀簾，溫度處于持續(xù)下降狀態(tài)，二者溫度下降情況相同。從溫度升降幅說(shuō)明在日照時(shí)數(shù)大于3 h情況下，土墻溫室白天蓄熱和午后到夜間散熱大于復(fù)合墻溫室，在日照時(shí)數(shù)小于3 h情況下，復(fù)合墻溫室蓄熱能力大于土墻結(jié)構(gòu)溫室，午后到夜間保溫能力小于土墻溫室。在一整天24 h循環(huán)過(guò)程中，土墻溫室內(nèi)的溫度依然高于復(fù)合墻溫室，說(shuō)明土墻溫室保溫和蓄熱性能好于復(fù)合墻溫室。

從低溫期溫度變化對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響看，2個(gè)生長(zhǎng)季無(wú)論從最高氣溫還是最低氣溫都是土墻溫室差值小于復(fù)合墻溫室， 說(shuō)明溫室內(nèi)溫度受外界溫度影響較大，特別是保溫蓄熱能力差的日光溫室。從逐時(shí)溫度變化看，土墻溫室氣溫明顯高于復(fù)合墻溫室，大部分時(shí)間相差達(dá)5 ℃及以上，說(shuō)明土墻溫室的保溫和蓄熱性能好于復(fù)合墻溫室，其中復(fù)合墻溫室在2012—2013年生長(zhǎng)季低溫期（12月）大部分時(shí)間在5 ℃以下，期間連續(xù)出現(xiàn)≤5 ℃持續(xù)低溫時(shí)段，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間達(dá)到18 h，14日最高氣溫也低于10 ℃，溫度條件不能滿足作物生長(zhǎng)所需，發(fā)生嚴(yán)重低溫凍害，產(chǎn)量損失達(dá)50%以上。

綜上所述，不同結(jié)構(gòu)日光溫室保溫性能相差很大，不同季節(jié)差異也較大，因此各地區(qū)應(yīng)綜合考慮本地極端溫度出現(xiàn)的時(shí)間、強(qiáng)度和頻率，在建造溫室時(shí)盡量避免低溫的影響，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)有溫室在生產(chǎn)中存在的問題優(yōu)化溫室結(jié)構(gòu)，達(dá)到既節(jié)約建造成本又滿足蔬菜生產(chǎn)需求的目的。

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