不同光照強(qiáng)度對(duì)溫室大棚溫濕環(huán)境的影響

李樂樂， 鈔錦龍*， 楊朔， 趙德一， 雷添杰， 肖夢(mèng)琳

(1.太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081)

設(shè)施農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-3]。設(shè)施農(nóng)業(yè)是指利用新型生產(chǎn)設(shè)備、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與管理技術(shù)等人工技術(shù)手段，對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的光、熱、水、氣、肥等因素加以調(diào)節(jié)優(yōu)化，改善生存環(huán)境，促進(jìn)動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的，是一種高效節(jié)約的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[4-7]。我國(guó)北方地區(qū)因自然條件的限制，農(nóng)作物熟制大多是一年一熟，為了滿足人們對(duì)蔬菜水果的需求，許多地區(qū)利用日光溫室大棚種植反季節(jié)果蔬，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[8-10]。

隨著日光溫室大棚的推廣，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)溫室小氣候開展了大量研究，溫室大棚種植主要受到光照、溫濕度、水肥及土壤質(zhì)量等要素的影響[11]，并且完善了田間管理技術(shù)，做好溫、濕度與光照調(diào)控，對(duì)提升溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益有很大幫助[12-16]。在日光溫室小氣候效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，溫室小氣候隨外界環(huán)境變化而變化，日變化和季節(jié)變化規(guī)律存在明顯差異[17]，上午9：00—11：00塑料大棚內(nèi)外溫差增大，差值隨溫室大棚高度的升高而增大，棚內(nèi)氣溫呈逆溫分布，棚內(nèi)相對(duì)濕度比棚外高[18]。在溫室條件下，小氣候要素的適當(dāng)管理對(duì)于提高生產(chǎn)力十分重要，溫室內(nèi)平均溫度比棚外要高25 ℃左右，能為作物生長(zhǎng)提供良好的內(nèi)部環(huán)境[19-20]。在不同的地區(qū)與季節(jié)條件下，日光溫室內(nèi)光照、溫度、濕度等小氣候要素變化都有很大差異，了解并掌握其變化規(guī)律對(duì)反季節(jié)蔬菜種植管理、增產(chǎn)增收具有重大意義。在以往的研究中，大多學(xué)者關(guān)注不同天氣情況下的溫室大棚內(nèi)小氣候要素變化規(guī)律，而關(guān)于不同光照強(qiáng)度下溫室內(nèi)溫、濕度的變化情況少有定量化的研究。因此，本文從太陽(yáng)光照強(qiáng)度差異的角度下分析晉中榆次地區(qū)日光溫室內(nèi)部的光熱差異和變化規(guī)律，以求為當(dāng)?shù)厝展鉁厥业氖卟嗽耘喹h(huán)境調(diào)控和田間管理技術(shù)更新提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地選址在晉中市榆次區(qū)烏金山鎮(zhèn)北胡村。該區(qū)域(圖1)屬于溫帶大陸性半干旱氣候，海拔為760～800 m，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫9.8 ℃，年降水量為420～483 mm，年日照時(shí)長(zhǎng)2 662 h，年無霜期達(dá)158 d。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)間為2020年10月—2021年2月。

日光溫室為半拱形鋼木混合結(jié)構(gòu)，東西走向，棚面朝南，東西長(zhǎng)40 m，南北寬8 m，溫室北面為高3.6 m的土墻，溫室內(nèi)種植作物為番茄，采用人工灌溉和施肥方式。溫室上部設(shè)有通風(fēng)口，固定時(shí)間手動(dòng)開啟，早晨8:00左右開啟，下午17:00左右關(guān)閉。半自動(dòng)遮陽(yáng)簾傍晚放下至次日早晨拉起，溫室內(nèi)冬季增加供暖爐用于室內(nèi)增溫[21]。

溫室內(nèi)采用國(guó)產(chǎn)杭州綠博儀器有限公司生產(chǎn)的LB-TRSQ-12型農(nóng)業(yè)小型氣候監(jiān)測(cè)站，氣象要素?cái)?shù)據(jù)采集主要包括溫室內(nèi)外一天內(nèi)的光照、溫度和相對(duì)濕度，溫室內(nèi)監(jiān)測(cè)傳感器距地面高度1.5 m，室外監(jiān)測(cè)傳感器高度同為1.5 m，兩傳感器位置平行，并實(shí)時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)到后臺(tái)系統(tǒng)中，時(shí)間間隔為10 min。

1.3 研究方法

本研究選取一天內(nèi)整點(diǎn)時(shí)刻氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用相關(guān)性分析法、線性回歸分析法描述溫室內(nèi)外光照、溫度、相對(duì)濕度的變化規(guī)律，采用SPSS 26進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，利用Origin 2018進(jìn)行圖表繪制。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)期間溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度變化直接受溫室外光強(qiáng)影響，并在一定區(qū)間內(nèi)發(fā)生變化[22-23]，本文依據(jù)室外光照強(qiáng)度變化將光照強(qiáng)度進(jìn)行不同區(qū)間劃分，分別為X1∈[5 000 lx，15 000 lx]，X2∈[15 000 lx，25 000 lx]，X3∈[25 000 lx，35 000 lx]，X4∈[35 000 lx，45 000 lx]。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照變化

光照對(duì)溫室種植十分重要，光照強(qiáng)度會(huì)影響作物光合作用速率，在一定范圍內(nèi)，作物的光合作用速率會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而加快，低于一定光照強(qiáng)度，光合作用的速率也會(huì)有所下降[24-25]。根據(jù)榆次地區(qū)秋冬季7：00—18：00的光照數(shù)據(jù)繪制溫室內(nèi)外平均光照日變化情況(圖2)。從圖2可以看出，溫室內(nèi)光照強(qiáng)度明顯低于溫室外，光照強(qiáng)度差值隨著光照強(qiáng)度增大而增大，12：00達(dá)到最大，之后光照逐漸減少，18：00為零。一天中室外總光照最大可以達(dá)到45 000 lx以上，溫室內(nèi)總光照也可達(dá)到35 000 lx左右。而番茄屬于喜光作物，一般適宜光照強(qiáng)度應(yīng)在30 000～35 000 lx[26-27]，榆次地區(qū)秋冬季日光溫室光照強(qiáng)度雖較外界有所削減，但仍能夠滿足番茄光合作用的需要。

圖2 溫室內(nèi)、外光照日變化對(duì)比

溫室內(nèi)光照直接受室外環(huán)境影響，不同月份光照強(qiáng)度差異明顯。從表1可以看出，12月份光照強(qiáng)度最低，室外平均光照強(qiáng)度為16 130 lx，室內(nèi)平均光照強(qiáng)度為12 010 lx。10月份最高，室外平均光照強(qiáng)度為28 410 lx，室內(nèi)平均光照強(qiáng)度為21 330 lx。溫室內(nèi)透光率為73%～76%，溫室內(nèi)光照主要受天氣因素、棚膜的老化以及棚外附著物質(zhì)等因素的共同影響。溫室內(nèi)、外光照強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)為0.971，并且呈現(xiàn)極顯著差異[28]。線性回歸方程為y=0.783x-0.936，判定系數(shù)R2為0.943，模型通過F檢驗(yàn)，表明溫室外光照強(qiáng)度對(duì)溫室內(nèi)光照強(qiáng)度產(chǎn)生顯著的正向影響(圖3)。

表1 溫室內(nèi)、外各月平均光照強(qiáng)度及透光率對(duì)比

圖3 溫室內(nèi)、外光照關(guān)系

2.2 溫度、相對(duì)濕度變化

2.2.1 溫度、相對(duì)濕度日變化對(duì)比

溫室內(nèi)溫度和溫室外溫度日變化具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性(圖4)，溫室內(nèi)的溫度明顯高于溫室外溫度，且增溫效果明顯。自早晨掀簾起，溫室內(nèi)溫度迅速升高，溫室內(nèi)最低溫度出現(xiàn)在8：00，13：00左右氣溫達(dá)到最高值，溫度上升速率為3.5 ℃·h-1；之后至次日8：00溫室內(nèi)溫度開始下降，下降速率為1.2 ℃·h-1。從溫室內(nèi)外溫度對(duì)比來看，白天溫度變化幅度大且溫室內(nèi)大于溫室外，到夜間溫度變化開始平穩(wěn)。因此，溫室內(nèi)溫度日變化較外界存在滯后性，滯后約1 h左右。日光溫室具有良好的保溫作用，且增溫效果明顯，能夠滿足秋冬季節(jié)蔬菜生長(zhǎng)期間的熱量供應(yīng)。但還應(yīng)注意溫室內(nèi)通風(fēng)，采取一定的降溫措施，將溫度控制在合理范圍內(nèi)[29-32]。

圖4 溫室內(nèi)、外溫度和相對(duì)濕度日變化

溫室內(nèi)相對(duì)濕度日變化明顯且與溫度日變化呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4和圖5)，線性回歸方程y=-2.348x+116.107，判定系數(shù)為0.97，模型通過F檢驗(yàn)。溫室內(nèi)的水汽主要來源于灌溉、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰[33]。從圖4可以看出，和溫室外相比，溫室內(nèi)環(huán)境相對(duì)封閉，空間小，空氣湍流交換受到影響，水汽集中，所以溫室內(nèi)相對(duì)濕度要高于溫室外，部分時(shí)間幾近飽和狀態(tài)[34]。與溫度相反，相對(duì)濕度自早上掀簾起，迅速下降，7：00最高，下午14：00達(dá)到最低值，下降速率6.4%·h-1，14：00至次日7：00相對(duì)濕度保持上升趨勢(shì)，白天上升快，蓋簾后夜間上升緩慢，整體上升速率2.6%·h-1。溫室外相對(duì)濕度低于溫室內(nèi)，日變化較溫室外平穩(wěn)。由以上分析得出，溫室內(nèi)相對(duì)濕度日變化白天大于夜間，白天相對(duì)濕度低于夜間，夜間溫室內(nèi)相對(duì)濕度高于80%，而棚外也在50%以上，溫室內(nèi)相對(duì)濕度變化較溫室外也存在滯后性，滯后約1 h左右，這與許多學(xué)者研究結(jié)果相一致[35-38]。

圖5 溫室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度關(guān)系

2.2.2 不同月份溫室內(nèi)、外溫度和相對(duì)濕度變化對(duì)比

試驗(yàn)從10月到次年2月結(jié)束(表2)，其中溫室內(nèi)平均溫度10月份最高，溫室內(nèi)外溫差較小，溫室外最低溫度開始低于0 ℃。11月、12月溫室內(nèi)、外平均溫度下降明顯，溫差增大，溫室內(nèi)平均溫度15.7 ℃，室外平均溫度已低于-4 ℃。1月溫室內(nèi)、外溫度開始上升，但溫室內(nèi)外溫差仍很大，超過20 ℃。2月溫度繼續(xù)上升，溫室外最為顯著，溫室內(nèi)平均溫度為21.9 ℃，最高可達(dá)45 ℃，最低也在10 ℃以上，溫室外平均溫度也在0 ℃以上，但最低溫度仍低于-10 ℃。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)溫度變化呈現(xiàn)高低高的變化趨勢(shì)，溫室內(nèi)、外溫差大，1月最大。由以上分析得出，日光溫室具有良好的保溫效果，特別是在寒冷的冬季，溫室外溫度低于0 ℃，溫室內(nèi)、外溫差大，溫室內(nèi)仍能保持良好的溫度條件，特別適合反季節(jié)蔬菜的種植，但仍然需要做好必要的保溫措施。

表2 溫室內(nèi)、外溫度變化對(duì)比

從表3可以看出，秋冬季溫室內(nèi)相對(duì)濕度有明顯差異，秋季平均相對(duì)濕度為60.3%，冬季為75.4%。從10月至12月平均相對(duì)濕度由55%增加到77.9%，12月至來年2月從77.9%降至71.6%。溫室外相對(duì)濕度不同月份間的變化與溫室內(nèi)大致相同，溫室外低于溫室內(nèi)。溫室內(nèi)外各月最高相對(duì)濕度都在90%以上，但最低相對(duì)濕度低溫季節(jié)高于高溫季節(jié)。由此得出，日光溫室相對(duì)濕度的變化低溫季節(jié)大于高溫季節(jié)，相對(duì)濕度隨溫度變化而變化，溫度越低相對(duì)濕度越高。

表3 溫室內(nèi)、外相對(duì)濕度變化對(duì)比

2.3 光照與溫、濕度定量化分析

2.3.1 不同光照強(qiáng)度下溫室內(nèi)溫度變化

從圖6可以看出，在不同光照強(qiáng)度下溫室內(nèi)的溫度日變化存在明顯差異，白天氣溫變化幅度大，夜間變化平穩(wěn)。當(dāng)光照強(qiáng)度在X1∈[5 000 lx，15 000 lx]時(shí)，溫室內(nèi)溫度變化緩慢，溫差小，增溫效果不顯著，最高溫度只有20.2 ℃，最低溫度為14.8 ℃，溫室內(nèi)平均溫度僅為16.1 ℃。陰雨天氣下光照時(shí)間縮短，使得溫室內(nèi)增溫效果大大降低。而當(dāng)光照強(qiáng)度在X2∈[15 000 lx，25 000 lx]時(shí)，溫室內(nèi)增溫效果明顯提高，平均溫度比在X1范圍時(shí)高了0.9 ℃，最高溫度為31 ℃，最低溫度為10.4 ℃。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到X3∈[25 000 lx，35 000 lx]時(shí)，溫室內(nèi)增溫效果進(jìn)一步提高，平均溫度為22.3 ℃，比在X2區(qū)間時(shí)高5.2 ℃。光照強(qiáng)度達(dá)到X4∈[35 000 lx，45 000 lx]區(qū)間時(shí)，和其他區(qū)間相比，溫室內(nèi)增溫效果最為顯著，溫度最高可達(dá)40 ℃，平均溫度為23.4 ℃。溫室內(nèi)溫度除在X1區(qū)間時(shí)在14：00達(dá)到最大值，其他光照強(qiáng)度區(qū)間都在13：00達(dá)到最大值，陰雨天時(shí)最高溫度出現(xiàn)時(shí)間會(huì)延遲。由此可見，溫室內(nèi)增溫效果受光照強(qiáng)度的影響很大，光照的強(qiáng)弱直接影響白天溫室增溫效果，具體定量關(guān)系為光照強(qiáng)度每增加1 000 lx，溫室內(nèi)溫度相應(yīng)上升0.2 ℃。

圖6 不同光照強(qiáng)度下溫室內(nèi)溫度日變化

2.3.2 不同光照強(qiáng)度下溫室內(nèi)相對(duì)濕度變化

根據(jù)光照和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)作出不同光照區(qū)間溫室內(nèi)相對(duì)濕度變化圖(圖7)。從圖7可知，溫室內(nèi)相對(duì)濕度變化與溫度變化相似，同樣存在不同梯度的變化，夜間變化不明顯，白天差異明顯，光照強(qiáng)度與濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)光照強(qiáng)度在X1∈[5 000 lx，15 000 lx]區(qū)間時(shí)溫室內(nèi)相對(duì)濕度較高，平均相對(duì)濕度為83%，白天在70%以上，夜間高于80%，變化平緩。當(dāng)光照強(qiáng)度在X2∈[15 000 lx，25 000 lx]區(qū)間時(shí)溫室內(nèi)相對(duì)濕度變化開始明顯，隨著光照強(qiáng)度的增加溫度逐漸上升，相對(duì)濕度開始下降，平均相對(duì)濕度為75.6%，比X1區(qū)間低。當(dāng)光照強(qiáng)度在X3∈[25 000 lx，35 000 lx]區(qū)間時(shí)，溫室內(nèi)相對(duì)濕度變化幅度進(jìn)一步加大，夜間相對(duì)濕度保持在80%左右，而白天由于光照強(qiáng)、溫度高，相對(duì)濕度只有30%左右，平均相對(duì)濕度為64.5%。當(dāng)光照強(qiáng)度在X4∈[35 000 lx，45 000 lx]區(qū)間時(shí)相對(duì)濕度晝夜變化幅度最大，最高相對(duì)濕度為83.5%，最低僅為27.3%，相對(duì)濕度差值為56.2百分點(diǎn)。由此分析得出，光照強(qiáng)弱直接影響日光溫室內(nèi)相對(duì)濕度變化，光照強(qiáng)度每增加1 000 lx，相對(duì)濕度下降5%，低光照強(qiáng)度時(shí)溫室內(nèi)往往保持高濕狀態(tài)，高光照強(qiáng)度時(shí)相對(duì)濕度較低且晝夜變化大，總體呈現(xiàn)出寡照高濕、高照低濕的狀態(tài)。

圖7 不同光照強(qiáng)度下溫室內(nèi)相對(duì)濕度日變化

3 小結(jié)與討論

日光溫室內(nèi)的溫濕變化受多種因素影響，榆次地區(qū)溫室小氣候變化與其他地區(qū)具有相似性，但存在些許不同。

日光溫室內(nèi)光照強(qiáng)度明顯低于室外，室內(nèi)透光率超過70%，試驗(yàn)期間溫室內(nèi)光照12月最弱，10月最強(qiáng)，溫室外光照強(qiáng)度最大超過46 000 lx，溫室內(nèi)最大光照超過35 000 lx。榆次地區(qū)日光溫室內(nèi)溫度日變化明顯，晝夜溫差大，白天升溫快，平均3.5 ℃·h-1，最高溫度出現(xiàn)在12：00，夜間變化緩慢，平均1.2 ℃·h-1；由于溫室的保溫作用，使得溫度變化存在滯后性，大約滯后1 h；日光溫室保溫效果顯著，溫度季節(jié)變化不明顯，平均溫度為15～23 ℃，當(dāng)外界溫度低于0 ℃時(shí)，仍能保持較高溫度，為種植反季節(jié)蔬菜提供有利條件。

光照強(qiáng)度對(duì)日光溫室增溫效果有很大影響，低光照溫度日變化不明顯，光照越強(qiáng)增溫效果越顯著，光照強(qiáng)度每增加1 000 lx，溫室內(nèi)平均溫度上升0.2 ℃；溫室內(nèi)相對(duì)濕度夜間大于白天，夜間濕度在80%以上，隨溫度變化而變化；不同光照強(qiáng)度相對(duì)濕度變化也存在差異，光照強(qiáng)度每增加1 000 lx，相對(duì)濕度下降5%，秋冬季溫室內(nèi)相對(duì)濕度變化趨勢(shì)由低到高，12月溫室內(nèi)濕度最高，平均相對(duì)濕度在75%以上。

溫室內(nèi)小氣候要素受外部環(huán)境影響，光照強(qiáng)度直接影響溫室內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度，溫室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度始終高于溫室外，晝夜變化大，這與許多研究結(jié)果相一致。本研究只用部分月份的數(shù)據(jù)分析了晉中榆次地區(qū)日光溫室小氣候因素變化特征，未對(duì)全年的小氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析且缺少對(duì)溫室內(nèi)地溫的分析，所得數(shù)據(jù)和結(jié)論存在誤差和不足之處。今后應(yīng)繼續(xù)積累新的氣象數(shù)據(jù)和觀測(cè)資料，幫助農(nóng)戶更好地了解日光溫室內(nèi)溫濕環(huán)境變化與溫室外環(huán)境的關(guān)系，做好溫室內(nèi)溫濕度的調(diào)控。希望通過進(jìn)一步研究地區(qū)日光溫室小氣候變化特征，為當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展更好地服務(wù)。