不同類型日光溫室氣溫對比分析

吳曼麗 張淑杰 孫立德

摘要：為評價遼寧地區典型日光溫室保溫蓄熱性能，利用小氣候儀觀測的氣溫、太陽輻射等數據，對比分析不同類型日光溫室內氣溫的日變化及逐時溫度的變幅，研究低溫期2種結構日光溫室對蔬菜生長的影響。結果表明，2種結構日光溫室內溫度差異較大，土墻結構日光溫室溫度高于復合墻結構日光溫室;不同天氣條件下最低、最高、平均氣溫日變化都表現為日照時數越多，氣溫變化幅度越大;在日照時數大于3 h情況下，土墻溫室白天蓄熱和午后到夜間散熱大于復合墻溫室，在日照時數小于3 h的情況下，復合墻溫室蓄熱能力大于土墻結構溫室，午后到夜間保溫能力小于土墻溫室，在一整天24 h循環過程中，土墻溫室內的溫度依然高于復合墻溫室;不同生長季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合墻溫室。綜上所述，土墻溫室保溫和蓄熱性能好于復合墻溫室。

關鍵詞：日光溫室結構;氣溫;對比分析;土墻溫室;復合墻溫室

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

收稿日期：2019-06-21

基金項目：公益性行業（氣象）科研專項（編號：GYHY201206024）;中國氣象局沈陽大氣環境研究所開放基金（編號：2018SYIAE05）;環渤海區域科技協同創新基金（編號：QYXM201501）。

作者簡介：吳曼麗（1979—），女，吉林磐石人，碩士，高級工程師，主要從事天氣預報分析及教學。E-mail：120078087@qq.com。

通信作者：張淑杰，碩士，研究員，主要從事應用氣象研究。E-mail：zhangshujie_a@163.com。 ?日光溫室以其結構簡單、性能優良的優勢，在我國北方地區迅速發展起來，特別是近年來在東北地區發展迅速[1]，日光溫室作為反季節蔬菜生產設施，以其經濟、高效、節能成為人們增加收入的重要手段之一[2]。但是受氣候條件的影響，低溫凍害經常發生，因此，我國學者針對日光溫室結構及保溫性能進行了深入的研究，并提出了一系列切實可行的優化方案[3-6]。日光溫室結構優化及新型材料的研究和開發已經成為目前研究的優勢領域，解決了土地利用率低、環境調控能力弱以及栽培系統配套差等關鍵問題。

遼寧省設施農業以不加溫的日光溫室為主，且在冬春季進行生產。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時間是發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發育的場所，其保溫性能特別重要。因此，很多專家針對日光溫室結構及其保溫性能進行了相關研究，主要涉及以下幾個方面：一是節能型日光溫室建筑設計理論與方法，從溫室合理采光[8]、合理保溫[9-10]和合理蓄熱[11-12]方面開展設計理論方法的研究。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，另一種是復合墻體，針對土質墻體，王曉冬等通過對西北地區不同墻體厚度日光溫室環境測試以及保溫性能分析得出西北地區4個區域日光溫室土墻的最佳厚度[4，6]。與土質墻體不同，日光溫室復合墻體一般由2種或2種以上墻體材料組成，因此，對最佳的墻體組成及材料厚度的研究變得更加復雜。白義奎等針對東北地區[13-16]，李成芳等針對西北地區[17]，劉思瑩等針對華北地區日光溫室復合墻體的保溫性能進行了相關研究[18-19]，表明不同復合材料及不同組合方式保溫性能差異較大。三是溫室內熱環境研究[20-22]。以上研究涉及了溫室結構、保溫性能、熱環境等方面，但是針對東北地區不同結構日光溫室室內小氣候對比及其對蔬菜生長影響的分析還很少。本研究以遼寧省目前使用的2種典型日光溫室為研究對象，在分析不同天氣條件下日光溫室生長季內溫度變化規律的基礎上，比較低溫期不同結構日光溫室對其內種植蔬菜的影響，以期為日光溫室結構優化和蔬菜生產及其品種的選擇提供參考。

1 研究地點及方法

1.1 研究地點

遼寧省朝陽市喀喇沁左翼蒙古族自治縣（以下簡稱喀左縣）地區屬溫帶大陸性半干旱季風氣候，四季分明、氣候溫和、降水集中、光照充足，是遼寧省設施農業生產示范區。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，年均無霜期208 d，年日照時數 2 692 h。

1.2 研究方法

試驗日光溫室位于喀左縣小河灣村（41°06′47″N，119°45′43″E）和公營子鎮水泉鄉（41°19′28″N，119°52′34″E），海拔分別為298、269 m。日光溫室坐北朝南，具體結構見表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。溫室無供暖設施，無照明設備，2個通風口位置為棚頂和棚前角，半自動放風方式，采用滴灌澆水。溫室內種植作物為番茄和辣椒（表2），主要觀測項目為作物各發育期（播種、出苗、開花、結果、采摘）的開始期、普遍期和末期出現日期。田間管理主要記錄整地、移栽、灌水、施肥、噴藥、鏟趟、除草、采摘的時間和措施。

日光溫室內小氣候監測采用錦州陽光科技發展有限公司生產的TRM-ZS3型設施小氣候觀測儀，氣溫、相對濕度的觀測精度分別為0.1 ℃、2%，每隔10 min采集1次數據，儀器安裝在溫室中部，傳感器距離地面 1.0 m，觀測項目為氣溫、相對濕度、太陽總輻射等。天氣型劃分：日照時數≥6 h為晴天;3 h≤日照時 數<6 h為多云天;0 h≤日照時數<3 h為陰天;0 h<日照時數<3 h且同時白天有降水為降水天。氣溫和相對濕度的日平均值取1 d內144個數據的平均值，氣溫和相對濕度的日最高、最低值取144個數據中的最高、最低值。剔除明顯錯誤的數據和缺測的數據，取2個日光溫室生產季的數據進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 不同結構日光溫室生長季氣溫逐日變化

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

2.2 不同結構日光溫室對溫度變化的響應

在實測數據中選取低溫凍害最容易發生的12月7日（多云天）、9日（晴天）、12日（陰天）、14日（降水天）數據進行溫室內逐時溫度變化情況對比分析。圖2給出了4種天氣條件下2種結構日光溫

室內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左右到達高點，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兒，溫度處于持續下降狀態。

從溫室結構看，在4種天氣條件下，2種溫室光照條件基本相同，土墻溫室內平均溫度高于復合墻溫室，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，當溫度達到最高點時，晴天、多云天、陰天土墻溫室溫度升幅分別為23、17.1、5.0 ℃，復合墻溫室溫度升幅分別為20.5、15.2、9.1 ℃;當溫度達到最高點后，溫度持續下降到最低點，晴天、多云天、陰天土墻溫室溫度降幅分別為 20.4、16.5、4.1 ℃，復合墻溫室溫度降幅分別為18.4、15.9、9.4 ℃（表4）。針對12月的數據進行分析，發現在日照時數大于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合墻溫室;在日照時數小于3 h情況下復合墻溫室蓄熱能力大于土墻結構溫室，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，溫度處于持續下降狀態，二者溫度下降情況相同。

2.3 低溫期不同結構日光溫室溫度變化及其對蔬菜生長的影響

2012—2013年、2013—2014年2個生長季土墻溫室種植辣椒，復合墻溫室種植番茄，其中，2012—2013年生長季復合墻溫室在12月至次年1月期間發生了低溫凍害，因此對容易發生低溫凍害的12月至次年1月期間的溫度進行分析，發現2個生長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個生長季相差0.2 ℃（表5）， 復合墻溫室在25 ℃左右變化， 2個生長季

相差2.8 ℃，發生低溫凍害的2012—2013年生長季最高氣溫波動幅度較大，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個生長季相差0.8 ℃，大部分時間在10 ℃以上，能夠滿足蔬菜生長需求，因此沒有發生低溫凍害;復合墻溫室在5 ℃左右變化，2個生長季相差 2.3 ℃，2013—2014年生長季發生了低溫凍害;從逐時溫度變化看，土墻溫室氣溫明顯高于復合墻溫室氣溫，大部分時間相差達5 ℃及以上（圖4），說明土墻溫室的保溫和蓄熱性能都要高于復合墻溫室，土墻溫室氣溫都在10 ℃以上變化，復合墻溫室氣溫在 5 ℃ 上下變化（圖4），其中2012—2013年生長季低溫期（12月）大部分時間在5 ℃以下，7—9日、15日、17—20日、24日≤5 ℃持續時間達10 h以上（表6），14—16日為連續陰天，期間到其后連續出現≤5 ℃ 持續10 h以上的情況，最長持續時間出現在14日白天至15日上午期間，持續時間長達18 h，整個12月期間溫度大部分時段不能滿足棚內蔬菜番茄生長需要，生長緩慢甚至停止生長，于1月中旬氣溫回升后表現為果實大量脫落，葉片皺縮發黃，發生重度低溫凍害，產量損失達到50%以上。

3 結論與討論

本研究以遼寧地區2種典型日光溫室為研究對象，分析了不同天氣條件下日光溫室生長季內溫度變化規律，比較了低溫期2種結構日光溫室溫度變化對其內種植蔬菜的影響。研究結果表明，受日光溫室結構的影響，溫室內溫度相差較大，土墻結構溫室保溫蓄熱性能好于復合墻溫室。

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

從氣溫日變化來看，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到最低值。2種結構溫室內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，溫度處于持續下降狀態，二者溫度下降情況相同。從溫度升降幅說明在日照時數大于3 h情況下，土墻溫室白天蓄熱和午后到夜間散熱大于復合墻溫室，在日照時數小于3 h情況下，復合墻溫室蓄熱能力大于土墻結構溫室，午后到夜間保溫能力小于土墻溫室。在一整天24 h循環過程中，土墻溫室內的溫度依然高于復合墻溫室，說明土墻溫室保溫和蓄熱性能好于復合墻溫室。

從低溫期溫度變化對作物生長發育的影響看，2個生長季無論從最高氣溫還是最低氣溫都是土墻溫室差值小于復合墻溫室， 說明溫室內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。從逐時溫度變化看，土墻溫室氣溫明顯高于復合墻溫室，大部分時間相差達5 ℃及以上，說明土墻溫室的保溫和蓄熱性能好于復合墻溫室，其中復合墻溫室在2012—2013年生長季低溫期（12月）大部分時間在5 ℃以下，期間連續出現≤5 ℃持續低溫時段，最長持續時間達到18 h，14日最高氣溫也低于10 ℃，溫度條件不能滿足作物生長所需，發生嚴重低溫凍害，產量損失達50%以上。

綜上所述，不同結構日光溫室保溫性能相差很大，不同季節差異也較大，因此各地區應綜合考慮本地極端溫度出現的時間、強度和頻率，在建造溫室時盡量避免低溫的影響，同時針對現有溫室在生產中存在的問題優化溫室結構，達到既節約建造成本又滿足蔬菜生產需求的目的。

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