相變蓄熱墻體對日光溫室熱環境及乳瓜生長發育的影響

任佳楠　張亞紅　付玉芳　俞婷

摘要：為了研究復合相變墻體對日光溫室熱環境及乳瓜生長發育的影響，以北墻為土搗墻的日光溫室為對照，對溫室內環境參數（熱通量、北墻內表面溫度、氣溫、土壤溫度）及乳瓜生長參數（葉片、莖、果實的生長狀況）進行比較。結果表明：溫室北墻涂抹40mm相變材料可提升墻體吸放熱的性能，且白天蓄熱和夜間放熱通量均高于對照溫室。墻體內表面溫度呈現出相變涂層溫室好于對照溫室，最高增加0.4℃。試驗期間，相變涂層溫室的旬平均氣溫總是高于對照溫室，最高增加0.3℃，且溫室內最高溫度呈現出相變涂層溫室小于對照溫室，所以相變材料放熱使得室內溫度略高于對照溫室，室內溫度波動幅度大大減少。相變涂層溫室的日均土壤溫度高于對照溫室，最高增加5.7℃。2個溫室乳瓜的株高均與日均氣溫、日均土壤溫度呈極顯著正相關，且相變涂層溫室處理的相關系數大于對照處理。在整個生育期，相變涂層溫室內的乳瓜株高較對照溫室增加12.7%，莖粗增加1.5%，葉面積增加2.9%。與對照溫室相比，相變涂層溫室內乳瓜維生素C含量、總糖含量、橫寬分別增加41.9%、27.9%、9.8%。該試驗結果對寧夏日光溫室后墻墻體材料和相變溫室種植作物選擇提供理論依據。

關鍵詞：復合相變蓄熱墻體;日光溫室;熱環境;乳瓜;生長發育

中圖分類號：S626;S642.204文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）04-0164-06

作者簡介：任佳楠（1991—），女，陜西靖邊人，碩士研究生，主要從事設施園藝環境調控研究。E-mail：214858364@qq.com。

通信作者：張亞紅，博士，教授，博士生導師，主要從事設施園藝環境等科學與科研工作。E-mail：zhyhcau@sina.com。

蔬菜的生長發育受很多因素的影響，其中溫度、濕度、光照、CO2濃度是最重要的因素，適宜的溫度對蔬菜生長發育各個階段尤為重要。日光溫室利用溫室效應，可以使蔬菜在寒冷的冬季不受凍、不發生寒害，生長發育良好[1]。日光溫室北墻作為吸收和儲存太陽能并為溫室增溫的載體，對調控和改善溫室蔬菜生長的熱環境尤為重要。

目前，關于日光溫室墻體增溫的研究主要是使用復合相變材料。按照相變材料的儲/釋能理論，將日光溫室后墻墻體改造為相變墻體，使它兼有保溫及蓄熱的功能，白天室內溫度較高時，材料吸收并貯存熱量;夜間室內溫度較低時，釋放熱量，使得日光溫室太陽輻射能源的利用率大幅度提高，室內晝夜溫差減小，最低溫度提高并減少熱量損失，通過熱量調節功能對現有熱環境進行優化調控[2-4]?，F在大多數科研工作者把研究重點放在相變墻體溫室的材料、結構等方面來提升溫室熱環境[5-8]，而對基于此類材料墻體下植物生長發育的研究較少。因而，本試驗以溫室北墻為土搗墻為對照，探究溫室北墻涂抹40mm復合相變材料對乳瓜蒸騰及生長發育的影響，為科學評價復合相變材料的適用性提供參考。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗在寧夏園藝產業園科研溫室進行，為了便于比較研究，將溫室中部用雙層透明陽光板（間隔500mm）隔開（即由東向西約40m處），等分成2個溫室區域，即相變涂層溫室（T）和對照溫室（CK）。相變涂層溫室北墻采用噴漿工藝將相變材料即石蠟類固-液相變材料（主要成分石蠟、石墨、高密度聚乙烯）、炭黑粉、水泥砂漿按一定比例用混凝土噴涂機混勻噴涂40mm，然后人工夯實抹平（圖1）。

1.2試驗材料

試驗在寧夏園藝產業園科研開發區（106°33′E、38°58′N）進行，溫室坐北朝南，東西延長，長度80m，跨度10.0m，脊高4.3m，后墻高3.7m，底座寬2.5m，收口0.5m，東西山墻及北墻中部為1.5m厚土梯形搗墻。溫室棚膜使用EVA-I型長壽無滴膜。試驗采用寧夏天緣種苗有限公司育成的乳瓜品種迷你3號，于2019年4月25日定植，試驗時間為2019年5月1日至7月31日。

1.3測定方法

1.3.1溫室內環境的測定

試驗測點位于2個溫室中央墻面、棚室中心，安裝墻體表面溫度傳感器、熱通量傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器等。墻體傳感器位于墻體內表面，距地面垂直高度1.85m處（即墻體中部），空氣溫濕度傳感器位于棚室中心，高1.5m，土壤傳感器位于棚室中心，深10cm處。試驗數據采用CR10X、CR800數據采集器和相關傳感器（美國Campbellsci公司生產），每10min采集1次數據。

1.3.2黃瓜生長指標的測定

每處理隨機選擇12株進行掛牌標記，自黃瓜定植（緩苗15d）后，每隔14d測量其株高、莖粗、葉面積。株高用卷尺測量，量取植株莖基部到主莖頂端生長點的自然長度;莖粗用電子游標卡尺量取莖基部2cm處;葉面積測量選擇已標記的植株3張葉，用卷尺測量葉長、葉寬，計算葉面積。

1.3.3乳瓜品質的測定

盛果期各處理隨機采10個樣測定乳瓜果實的品質?？扇苄怨绦挝锖坑檬殖质綌碉@糖度計測定（TD-45）;可溶性總糖含量用H2SO4-蒽酮比色法測定;有機酸含量用酸堿滴定法測定;維生素C含量用鉬藍比色法測定;硝酸鹽含量用硫酸-水楊酸法[9]測定。

1.3.4乳瓜產量的測定

記載每次的采收日期，各處理的乳瓜產量按小區田間實測計。記錄各小區每次采收果實的質量及數量，計算平均單果質量和平均單株產量，最后折合成單位面積產量。

1.4數據分析

試驗數據采用Excel2007及Origin7.5軟件處理，用SPSS17.0進行差異顯著性分析。

2結果與分析

2.1不同溫室熱通量對比

熱通量可以反映溫室后墻的吸放熱能力。由表1可知，相變涂層溫室后墻累計蓄熱通量較普通溫室多76175.5W/m2，累計放熱通量相變涂層溫室較普通溫室提高61338.9W/m2。由此可知，溫室北墻添加相變材料提高了墻體吸放熱的能力。

由圖2可知，白天對照溫室后墻熱通量為138.1W/m2，相變涂層溫室蓄熱通量為338.1W/m2，較普通溫室提高1.4倍。白天普通溫室北墻內表面熱流量峰值出現在14：30，為41.6W/m2;相變涂層溫室北墻內表面熱流量峰值出現在11：30，為64.1W/m2，比普通溫室高22.5W/m2，且峰值出現時間提前3h。夜間普通溫室和相變涂層溫室墻體內表面放熱熱通量平均為20.6、31.5W/m2，相變涂層溫室比普通溫室高出10.9W/m2，表明日光溫室北墻經相變材料噴涂后，白天蓄熱通量和夜間放熱通量均高于普通溫室。

2.2不同溫室墻體溫度比較

如圖3所示，普通溫室和相變涂層溫室墻體內表面和墻內0.3m的溫度均表現為相變涂層溫室優于普通溫室。相變涂層溫室和普通溫室墻體內表面的月平均溫度分別為25.5、25.3℃，相差0.2℃;相變涂層溫室和普通溫室墻內0.3m處的月平均溫度分別為24.8、24.4℃，相差0.4℃。

2.3不同溫室空氣溫度變化

由于試驗期處于夏季，室外氣溫較高，夜間溫度已基本滿足乳瓜生長所需要求。傳統日光溫室白天溫度較高，需要降溫。從表2中可以看出，普通溫室最高氣溫比相變涂層溫室平均高出1.2℃。在整個試驗期，相變涂層溫室的旬平均氣溫總是高于普通溫室，最高可提高0.3℃。由此可見，相變材料對溫室氣溫具有消峰填谷作用，可促進植株健康生長。

2.4不同溫室土壤溫度變化

由圖4可知，相變涂層溫室與普通溫室平均土壤溫度差異明顯。5月時，普通溫室的平均土壤溫度為19.8℃，相變涂層溫室的為24.8℃，比普通溫室高5.0℃;6月時，普通溫室的平均土壤溫度為19.9℃，相變涂層溫室的為25.6℃，比普通溫室高5.7℃。與普通溫室相比，5月相變涂層溫室土壤深10cm溫度累計高80.2℃，6月累計高91.3℃。

2.5不同墻體對乳瓜生長指標的影響

2.5.1對乳瓜株高的影響

由圖5可知，在乳瓜幼苗期，不同處理對乳瓜株高無顯著影響，由于相變溫室地溫累計比對照溫室高，在乳瓜開花結果期，相變溫室的乳瓜株高顯著高于對照溫室的乳瓜。在6月30日，相變涂層溫室乳瓜株高為251.0cm，普通溫室乳瓜株高為222.8cm，較相變溫室乳瓜株高矮28.2cm，且相變溫室乳瓜生長速度為0.044m/d，普通溫室乳瓜生長速度為0.038m/d。說明溫室后墻涂抹相變材料有助于提升地溫和減少氣溫擾動，因而提高植物的生長速率。

2.5.2對乳瓜莖粗的影響

植株的莖不僅起到支撐植株地上部分的作用，而且還起到輸送營養的作用[10]。由圖6可知，不同處理的乳瓜莖粗在生長初期差異顯著，且相變涂層溫室乳瓜莖粗高于普通溫室，但隨著時間的推移，莖粗增加得不明顯?？傮w來看，相變涂層溫室的乳瓜莖粗與普通溫室差異不顯著。

2.5.3對乳瓜葉面積的影響

由圖7可知，整個試驗期不同的處理對乳瓜葉面積影響不顯著。普通溫室乳瓜葉面積的增長速度為5.97cm2/d，而相變溫室乳瓜葉面積增長速度為6.49cm2/d，較普通溫室多增長0.52cm2/d。

2.6溫室乳瓜生長指標與環境因子的相關性分析

從表3可以看出，不同處理乳瓜的株高、莖粗、葉面積均與環境因子呈正相關。2個處理乳瓜株高均與日均氣溫、日均土壤溫度呈極顯著相關，且T處理的相關系數大于CK處理。對于莖粗，CK與日均土壤溫度、夜間放熱通量呈顯著相關，而T處理與其呈極顯著相關。對于葉面積，CK與日均氣溫、日均蓄熱通量呈顯著相關，T處理僅與日均氣溫呈顯著相關。

2.7不同溫室乳瓜品質及產量比較

由表4可知，不同試驗條件下，乳瓜果實品質在可溶性固形物含量、總酸含量、縱長指標上差異不顯著，但在維生素C含量、總糖含量及橫寬指標上差異顯著。T溫室乳瓜維生素C、總糖含量、橫寬指標顯著高于CK，較CK分別增加41.9%、27.9%、9.8%。對于產量，T溫室略高于CK溫室，但差異不顯著。總體而言，相變涂層溫室所得果實品質優于普通溫室，這與相變材料增加溫室內部光照和溫度有關。

3討論與結論

本研究統計了5—7月3個月普通溫室與相變涂層溫室的蓄放熱通量，結果顯示，溫室北墻涂抹40mm相變材料可以提高墻體吸放熱的能力，而且白天蓄熱和夜間放熱通量均高于普通溫室。不同溫室墻體內表面至墻內0.3m厚的溫度均表現為相變涂層溫室優于普通溫室，最高可高0.4℃。在整個試驗期間，相變涂層溫室的旬平均氣溫總是高于普通溫室，最高可增加0.3℃，且溫室內最高溫度表現出相變涂層溫室小于普通溫室，由此可見相變材料放熱使其室內溫度略高于普通溫室，室內溫度波動幅度大大減少，舒適度提高。相變涂層溫室的日均土壤溫度大于普通溫室，最高可高5.7℃。這與前人的研究結果[11]基本一致。

通過對乳瓜整個生育周期的觀察和測定，相變涂層溫室處理對乳瓜的株高有顯著影響，而對莖粗、葉面積影響不顯著。這與前人研究結果[12]一致，即應用復合相變蓄熱材料的溫室，可明顯提高蔬菜生長的環境。相變涂層溫室處理的乳瓜維生素C含量、總糖含量、橫寬指標顯著高于對照，較對照分別增加41.9%、27.9%、9.8%。對于產量，相變涂層溫室處理略高于對照，差異不顯著。這與封美琦等的研究結果[13]一致。綜上所述，與普通溫室相比，相變涂層溫室能夠對溫室的熱環境進行改善，從而影響蔬菜的生長和產量。根據本試驗結果，建議對普通溫室后墻進行改造，改善溫室熱環境，提高蔬菜的品質和產量，增加農民收入。

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