外保溫覆蓋大跨度塑料大棚在徐淮地區番茄越冬生產上的實踐

王 君 李衍素 張愛民 孟 雷 張勝豐 于賢昌*

（1 中國農業科學院蔬菜花卉研究所，北京 100081；2 徐州市蔬菜研究所，江蘇徐州 221004；3 徐州市豐碩綠色農業科技有限公司，江蘇徐州 221000）

徐州市地處黃淮海平原，光熱條件好，早春氣溫回升快，秋季晝夜溫差大，年平均氣溫14.2℃，年最低溫度通常出現在12 月至翌年2 月的深冬季節（中國天氣網，http：//www.weather.com.cn/cityintro/101190801.shtml），極端最低氣溫為-14.9～-5.2 ℃（劉瓔瑛 等，2003），但一般很少發生極端低溫天氣（張傳福和魏家鳳，2015），有利于設施園藝產業發展。截至2016 年末，全市溫室占地面積4 380 hm2，大棚占地面積2.955 萬hm2（徐州市統計局，http：//tj.xz.gov.cn/tjj/tjgb/20180228/011_116 ebdb0-4ae7-4c28-b26e-e5865d672b6c.html），且 近年來設施蔬菜種植面積有不斷擴大的趨勢。蔬菜保護地生產設施主要包括日光溫室（包括磚墻式和土墻式）、塑料拱棚（包括鋼架和竹木結構）等（齊玉春和陳端生，1998；張傳福和魏家鳳，2015），其中越冬生產以日光溫室為主。越冬生產過程中，若遇長期霧霾或陰雨天氣，溫室內光照強度弱、溫度低，會降低蔬菜產量和品質。采用輔助加溫和人工補光的措施可以改善溫室內部溫光環境，但會大幅度增加設備以及運行成本，降低生產效益。

近年來，大跨度塑料大棚因其具備栽培空間大、土地利用效率高、機械操作方便、建造成本低、室內環境穩定等優勢（周升 等，2016；方慧 等，2017；馬玲 等，2020），在北京、山東壽光、遼寧沈陽、陜西楊凌、寧夏中部等地區獲得推廣應用，被認為是果菜類蔬菜越冬生產可供選擇的設施類型之一。大跨度塑料大棚在北方多地已被成功應用，但不同地區、不同氣候條件下的大棚結構參數略有差別。

本試驗在徐州地區建造了東西跨度22.0 m 的外保溫覆蓋大跨度塑料大棚（以下簡稱塑料大棚），測定冬春季節設施內部氣溫變化，并與徐淮地區較為普遍的60 cm 厚磚墻（混凝土砌磚）日光溫室溫度性能進行比較，探討其在徐淮地區應用的可行性，以期為徐淮地區引入結構簡單、經濟實用的新型栽培設施，并在徐淮地區進行番茄越冬茬生產輻射推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 外保溫覆蓋大跨度塑料大棚結構參數

塑料大棚骨架采用熱鍍鋅低碳鋼材，東西單弧拱型屋頂；東西跨度22.0 m，開間1.0 m，南北長度100.0 m，立柱間距4.0 m，肩高2.1 m，頂高6.0 m，棚間距3.0 m。塑料大棚頂部均采用防老化防霧滴0.12 mm 聚烯烴塑料薄膜覆蓋，外保溫被材料為質量1.2 kg·m-2的防水棉被。塑料大棚頂端兩側和下端兩側有南北走向的通風口（圖1）。建造地點為江蘇省徐州市賈汪（蔬菜）綜合示范基地（117°37′E，34°41′N）。

圖1 外保溫覆蓋大跨度塑料大棚結構示意圖

1.2 試驗設計

以同一基地內當地設施蔬菜越冬生產常用的60 cm 厚磚墻日光溫室作為對照，塑料大棚作為處理。日光溫室骨架采用無支柱鍍鋅花梁結構，北墻墻體材料為混凝土砌磚（390 mm × 190 mm × 190 mm），墻體內側有1 cm 厚內粉，外側有1 cm 厚外粉，墻體整體厚60 cm，高2.5 m，屋脊高3.5 m，東西長度85.0 m，南北跨度12.0 m，前后間距8.0 m。日光溫室棚膜和保溫被材料與塑料大棚一致。二者均安裝了定時控制的通風系統，每日通風時間為9：30—15：00。塑料大棚在東西兩側有上通風口和下通風口，下通風口最低、最高位置分別距離地面0.4 m 和1.5 m；東西兩側上通風口寬度各為1.3 m，上通風口最低、最高位置距地面的垂直高度分別為5.9 m 和6.3 m。日光溫室頂部通風口寬度1.0 m。在試驗期間，塑料大棚和日光溫室均僅開啟頂部通風。根據天氣情況，保溫被揭放時間和通風時間會略作調整。風口處覆蓋40 目的防蟲網。

番茄栽培品種為中果型的粉迪，栽培密度為2 381 株 ·（667 m2）-1，于2019 年12 月20 日定植，2020 年5 月15 日拉秧，栽培管理措施均一致。

1.3 空氣溫濕度記錄儀布置與溫濕度測定

溫濕度測定時間為2020 年1 月8 日至3 月31日。室外放置1 臺空氣溫濕度自動記錄儀（RC-4HA/C，江蘇精創電氣股份有限公司，精度：溫度為0.1℃，濕度為3% RH）。為方便比較日光溫室和塑料大棚的溫濕度性能，選取設施內溫濕度變化受外界影響相對一致的地點安放空氣溫濕度自動記錄儀：在日光溫室內部距離前底角6.5 m、距離東西墻體各28.0 m 處分別放置1 臺空氣溫濕度自動記錄儀（圖2-A）；在塑料大棚內部距離東西兩側底角6.5 m、距離南側立柱50.0 m（南北長度正中間）分別放置1 臺空氣溫濕度自動記錄儀（圖2-B）。此位置測定結果既能反映不同設施的溫濕度情況，也不影響蔬菜正常生長。各溫濕度記錄儀探頭距地面高度均為1.5 m，數據采集時間間隔為15 min，取兩側采集數據的平均值。為減小或避免太陽輻射對測量準確性的影響，將記錄儀外置傳感器探頭用鋁箔紙進行包裹，但保證底部能夠正常通風。

圖2 日光溫室和塑料大棚溫濕度自動記錄儀分布位置

1.4 產量測定

按照商品果大小和顏色要求，定期對番茄成熟果實進行采收，將拉秧前所有采收果實產量進行統計，折算成每667 m2產量。

1.5 土地利用率

按照溫室建筑面積與土地總面積的比值計算土地利用率（周長吉和劉晨霞，2009）。

土地利用率（%）=有效種植面積（m2）/土地總面積（m2）× 100

1.6 建造成本

日光溫室建造成本，包括溫室骨架、壓膜線、塑料薄膜、外保溫被、內保溫幕、防蟲網和卷膜卷被系統、土建和磚墻、用工費以及其他費用（周升等，2016）。塑料大棚建造成本主要包括骨架、卷簾卷被系統、通風系統、土建、用工費及其他費用。

1.7 數據處理

采用Excel 2010 軟件對試驗數據進行整理并作圖。

2 結果與分析

2.1 塑料大棚和日光溫室內外氣溫極值和平均值變化

塑料大棚日平均氣溫、日最低氣溫和日最高氣溫與日光溫室變化趨勢基本一致（圖3～5）。當外界日平均氣溫在-0.5～3.5 ℃范圍內變化時，塑料大棚內日平均氣溫與日光溫室之差維持在 ± 0.5 ℃范圍內；當外界氣溫上升后，日光溫室與塑料大棚日平均氣溫差值大于0.5 ℃，試驗期間二者溫差最高達5.0 ℃（圖3 和表1）。

圖3 日光溫室和塑料大棚內外日平均氣溫

1 月日光溫室和塑料大棚日最低氣溫均出現在1月18日，分別為6.5 ℃和7.8 ℃（圖4和表1）。1、2、3 月日光溫室平均日最低氣溫分別為9.9、12.6、14.0 ℃，塑料大棚平均日最低氣溫分別為10.0、12.1、13.0 ℃。說明在徐州地區，若不遭遇外界連續低溫的極端天氣，深冬和早春季節塑料大棚能夠維持棚內最低氣溫在10 ℃左右，達到磚墻日光溫室的保溫性能。

圖4 日光溫室和塑料大棚內外日最低氣溫

塑料大棚日最高氣溫明顯低于日光溫室（圖5和表1）。1、2、3 月日光溫室平均日最高氣溫分別為26.4、26.5、29.1 ℃，塑料大棚平均日最高氣溫分別為21.3、24.0、24.0 ℃。

圖5 日光溫室和塑料大棚內外日最高氣溫

表1 日光溫室和塑料大棚內外氣溫變化

2.2 典型天氣下日光溫室和塑料大棚內空氣溫濕度日變化

從圖6 可以看出，日光溫室和塑料大棚內部氣溫變化趨勢基本相同，從15：00 開始設施內氣溫整體上均呈下降趨勢，一直持續到次日早上8：30。多云天氣日光溫室和塑料大棚氣溫均在12：00 左右達到峰值；晴天天氣在13：00 左右達到峰值。塑料大棚由于通風口大于日光溫室，晴天內部峰值氣溫明顯低于日光溫室，因此在下午覆蓋保溫被時塑料大棚內氣溫要低于日光溫室。但17：00 覆蓋保溫被后，日光溫室和塑料大棚內氣溫短時回升后出現持續的降溫，2020 年1 月12 日17：00—24：00 日光溫室氣溫略高于塑料大棚0.4～1.8 ℃；而0：00—8：30 日光溫室氣溫低于塑料大棚1.5～2.1 ℃。

圖6 日光溫室和塑料大棚在冬季典型天氣下氣溫日變化

試驗地區空氣相對濕度較高（圖7），夜間相對濕度達到80%以上。塑料大棚和日光溫室內空氣相對濕度隨時間變化趨勢整體一致，設施在通風過程中空氣濕度出現下降，尤其是在晴天；而塑料大棚內空氣相對濕度明顯高于日光溫室，多云天氣二者差值在6.7～15.6 百分點范圍波動，晴天在7.1～43.0 百分點范圍波動，在白天二者差距被明顯拉大，其主要原因為白天日光溫室內氣溫明顯高于塑料大棚，而通常溫度升高會造成空氣相對濕度下降。

圖7 日光溫室和塑料大棚在冬季典型天氣下空氣相對濕度日變化

2.3 番茄產量

截至2020 年5 月15 日拉秧，塑料大棚和日光溫室番茄每667 m2產量分別為4 585 kg 和4 545 kg，塑料大棚番茄產量并沒有降低。

2.4 土地利用率和建造成本

為防止前棟遮陰，日光溫室前后棟間距為8.0 m，土地利用率僅為48.5%；而塑料大棚的棚間距僅為3.0 m，土地利用率高達84.0%，較日光溫室增加了35.5 百分點。

塑料大棚初始建造成本為194.3 元·m-2，對照磚墻日光溫室建造成本約為200 元·m-2，兩種類型設施的初始建造成本比較接近。

3 討論

低溫是制約設施果菜類蔬菜越冬生產的重要瓶頸問題，蔬菜栽培時設施內最低氣溫不得小于10 ℃，而塑料大棚通常不能達到該氣溫臨界值。因此，多采用日光溫室來保障越冬蔬菜生產。但鑒于徐淮地區發生極端低溫天氣的情況較少（張傳福和魏家鳳，2015），因此在大跨度塑料大棚基礎上，考慮加上外覆蓋，探索該設施類型是否能夠滿足徐州地區蔬菜的越冬生產。在本試驗中，從測量之日2020 年1 月8 日起，至3 月31 日共計84 d，其中陰天和多云天氣共占31.0%，陰天或多云天氣持續最長的時間為4 d。測定期間外界日最低溫度在-5.9～10.0 ℃范圍變化，塑料大棚內最低氣溫基本可以達到當地典型磚墻日光溫室的保溫性能。但若遇極端低溫或連續陰雨天氣，設施蔬菜仍有處于溫光逆境的風險，需配備輔助加熱設備以保證塑料大棚蔬菜正常生產。

在試驗過程中，為方便對比和管理，日光溫室和塑料大棚揭開保溫被和通風的時間是一致的。隨著外界氣溫升高，中午日光溫室內部出現近40 ℃的短時高溫，相同環境下塑料大棚內氣溫低于日光溫室的主要原因是塑料大棚頂部通風口寬1.3 m，日光溫室僅寬1.0 m，塑料大棚通風面積和通風量顯著大于日光溫室。另外，定時揭開保溫被的措施造成設施內早上揭開保溫被后氣溫略有下降以及下午覆蓋保溫被后氣溫略有回升，在今后實際操作中應將定時控制改進為結合作物的溫度需求，根據設施內實時氣溫來調控通風系統和保溫被覆蓋/揭開，以利于冬春季節最大程度利用太陽輻射能來提高設施內氣溫。

土壤導熱系數受土壤質地、容重、含水量等因素影響，范圍在0.75～2.35 W·m-1·K-1（鄧小茜 等，2013），北墻混凝土砌磚導熱系數為0.68～1.02 W ·m-1·K-1，墻體導熱能力較土壤并沒有優勢，且墻體較薄，蓄熱能力也遠不如土壤。南北走向大跨度非對稱塑料大棚內光照強度及光照均勻度均高于日光溫室（武瑩和李建明，2019），而土壤熱量主要取決于太陽輻射量（邢述彥，2004），因此，白天塑料大棚土壤貯存的熱量會高于日光溫室，這可能是盡管塑料大棚的散熱面大于日光溫室，但沒有出現塑料大棚夜間氣溫顯著低于日光溫室的主要原因。由于日光溫室通風量小，晴天溫室內氣溫明顯高于塑料大棚，覆蓋保溫被后的起始氣溫高（圖6），通常易引起當天晚上前半夜的溫度會略高于塑料大棚，但后半夜隨著塑料大棚土壤中貯存的熱量不斷釋放，則出現后半夜氣溫略高于日光溫室的情況（圖6）。

本試驗中塑料大棚是南北走向，解決了前后設施間遮陰的問題，極大地提高了土地利用率，增加了生產效益。另外，塑料大棚內部空間開闊，方便進行機械化作業，易實現農機與農藝相結合，便于蔬菜生產標準化、集約化管理。

4 結論

外保溫覆蓋大跨度塑料大棚保溫性能良好，在1—3 月非連續低溫，且外界日最低溫度在-5.9 ℃以上時，能基本保證棚內氣溫維持在10 ℃左右，基本達到對照60 cm 厚磚墻典型日光溫室的保溫效果，且不會降低番茄產量。同時該塑料大棚還解決了日光溫室土地利用效率低、空間狹小不利于機械化操作等問題，可降低人工成本，促進農民增收，在徐淮地區具有廣闊的推廣應用前景。