農大V 型日光溫室越冬性能研究

張振興，張玉錦，李 寧，李恭峰，高亞新，李青云

（河北農業大學園藝學院 河北保定 071001）

我國是農業大國，在農業發展過程中，設施農業占有較大比重。日光溫室是我國現階段在園藝生產過程中使用最廣泛、數量最多的農業設施，也是中國北方地區冬春季節的主要栽培設施類型[1]。日光溫室的墻體是集蓄熱、保溫、隔熱為一體的溫室圍護結構，是日光溫室重要的組成部分[2]。日光溫室墻體材料的發展經歷了3 個時期，即單一材料墻體階段、復合異質墻體階段、新型材料應用初期階段[3]。

在日光溫室墻體發展過程中，土質墻體具有良好的蓄熱保溫性能，但建造費工，占地面積大，且對耕層土壤改變較大，在地下水位高的地區建造受限，受以上因素限制，正在逐漸失去政策支持；磚墻占地面積雖小，但成本上升，建造費工，環保性差。隨著科技和產業的發展，人們越來越關注便于標準化建造、機械化作業和智能化管理的新型墻體結構日光溫室，如用聚苯板、草磚、棉被等材料建造的組裝式溫室[4-10]。張立蕓等[11]的研究發現，用加氣混凝土砌塊替代實心黏土磚所建造的溫室具有節能環保等特點。李成芳等[12]分析了日光溫室墻體絕熱層的位置，發現外貼聚苯保溫板的經濟性能和熱工性能好于中間夾保溫板的復合墻體。陳端生[13]的研究表明，墻體外層用加氣磚可將室內氣溫提高0.5～0.8 ℃。馬承偉等[14]對復合構造墻體材料分析得出，內側材料注重蓄熱性，應為導熱良好（即保溫性差）的材料，而選用保溫性好、蓄熱性差的材料則是錯誤的做法，外側注重保溫性，應選用保溫性良好（即比熱容與密度較高）的材料。

顧金壽[15]通過對復合相變墻體材料在溫室大棚后墻中的應用研究發現，復合相變材料具有潛熱性，與顯熱儲能相比，其蓄熱儲能密度更高，蓄放熱范圍更小，實際效果更好。除此之外，相變溫度范圍能夠為農作物帶來良好的生長環境，將其運用在溫室大棚后墻的砌筑上能夠將太陽能進行合理利用，使溫室全天都處于適合作物生長的環境中，還能夠在一定程度上保護生態環境，是促進農業發展、保護社會環境的重要舉措。張勇等[16]通過對新型相變材料蓄放熱性能測試及在溫室內的應用研究發現，將相變材料應用到溫室的建造中，可利用其蓄放熱特點實現太陽熱能地點、時間的轉移，其貯熱方式是相變潛熱儲熱，與顯熱式貯熱相比，潛熱式貯熱可以儲存更多的熱量，且相變過程近似等溫。程素香[17]研究發現，將相變材料用于溫室，不但能夠幫助溫室高效利用潔凈可再生的太陽能資源，節約不可再生能源，減少環境污染，而且可以減小溫室內部溫度變化幅度，有利于維持溫室內部溫度穩定，有效提高溫室蓄熱能力和保溫性能，增加室內溫度的自調節功能，有利于給作物提供一個舒適的生長環境，提高經濟效益。

在大力發展節地型現代園藝設施背景下，筆者所在課題組創制了由聚氨酯隔熱層、相變材料蓄熱層為后墻結構的組裝式全鋼架日光溫室，暫定名農大V 型溫室。為探明農大V 型日光溫室的環境性能，以生產越冬果菜的磚土復合墻為對照，監測了農大V 型日光溫室越冬生產番茄期間的溫度參數，分析其越冬保溫和升溫能力，旨在探討該溫室在冀中南地區設施蔬菜生產中的實用性。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

供試日光溫室分別為農大V 型相變集熱蓄熱墻全組裝日光溫室（以下簡稱農大V 型溫室）、磚土復合墻溫室（CK），位于河北省邯鄲市怡康農業園區內。農大V 型溫室棚體由全鋼架支撐，前屋面和后坡為裝配式熱鍍鋅幾字鋼桁架，桁架間距1 m。桁架在屋脊處設拉桿1 道，前屋面桁架設拉桿6 道，拉桿固定在下弦上。后墻和山墻設方鋼立柱支撐，方鋼（直徑10 cm）間距2 m。后墻方鋼立柱與后坡桁架之間設1 根方鋼檁連接固定。后墻中間為方鋼，直徑10 cm，外設厚度10 cm 水泥隔墻板，墻板外噴涂聚氨酯保溫，厚度5 cm，在聚氨酯外噴水泥砂漿保護層；在鋼架內部固定厚度10 cm 的水泥隔墻板，隔墻板高2.95 m，在墻板的孔內封裝2.7 kg·m-2相變材料，相變材料總量615.5 kg。山墻內部為方鋼，外設厚度10 cm 水泥隔墻板，墻板外噴涂聚氨酯3 cm 厚，在聚氨酯外噴水泥砂漿保護層，其剖面圖見圖1。2 種溫室具體參數見表1。

表1 2 種類型日光溫室結構與參數

圖1 農大V 型日光溫室剖面

2 種溫室內種植作物均為番茄（冀番11 號，由邯鄲市農業局提供），于2021 年10 月23 日定植，土壤栽培，大行距80 cm，小行距40 cm，株距35 cm，農大V 型溫室種植1800 株，磚土復合墻溫室種植1240 株。田間管理同常規生產，由技術員統一指導管理。

1.2 測定指標及方法

2021 年11 月中旬至2022 年2 月下旬采用RC-4HA/C 溫濕度記錄儀（江蘇精創電氣股份有限公司）測定氣溫，采用杭州智拓儀器記錄地溫。測量精度均為0.1 ℃，間隔30 min 自動采集數據1次。在溫室1/2 跨度，由東向西1/4 長度、1/2 長度、3/4 長度，番茄冠層高度（即1.5 m），分別放置一個溫濕度計以記錄溫室內氣溫數據，并在溫室1/2 長度，由南向北1/4 跨度、3/4 跨度，地下10 cm 處放置地溫儀監測地溫；在室外距離溫室3 m 遠、高1.5 m 處放置溫度計監測室外氣溫。溫室內氣溫及地溫測點分布如圖2 所示。

圖2 溫室氣溫及地溫測點分布

指標計算：

上午升溫值=b-a1，下午降溫值=b-a2，夜間降溫值=a2-a1（T+1），晝增溫值=c1-c2，夜增溫值=d1-d2。式中，a1：揭苫前氣溫；b：中午12：00 氣溫；a2：蓋苫時氣溫；c1：溫室白天最高氣溫；c2：室外白天最高氣溫；d1：溫室夜間最低氣溫；d2：室外夜間最低氣溫；T：當天的氣溫；T+1：次日的氣溫。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2016 處理數據，SPSS 23統計分析。

2 結果與分析

2.1 2種類型溫室的氣溫和有效積溫比較

2.1.1 日平均氣溫和有效積溫 由表2 可以看出，2021 年11 月中旬至12 月上旬，農大Ⅴ型溫室的日平均氣溫較高，在13.95～16.97 ℃之間，比室外高6.36～8.35 ℃，且與磚土復合墻溫室（CK）沒有差異；2021 年12 月中旬至2022 年2 月下旬，農大Ⅴ型溫室的日平均氣溫始終低于CK，其中1 月下旬最低，為7.89 ℃，比室外高7.97 ℃，但比CK 低2.24 ℃，差異顯著，其他時期的日平均氣溫比CK低2.24～6.04 ℃，但均在10 ℃以上。

表2 2 種類型溫室日平均氣溫及旬積溫比較

溫室的有效積溫情況能充分反映溫室的保溫蓄熱情況。旬積溫方面，2021 年11 月中旬至12 月上旬，2 種類型溫室有效積溫差異不大，而12 月中旬至2022 年2 月下旬，農大Ⅴ型溫室的有效積溫始終低于CK，其中1 月下旬有效積溫最少，為23.19 ℃，比CK 少35.70 ℃，其他時期的有效積溫比CK 少22.35～60.94 ℃。

2.1.2 最高氣溫和最低氣溫 由表3 可以看出，在整個測量期間，農大Ⅴ型溫室的最高氣溫一直高于CK 與室外氣溫，其中11 月下旬氣溫最高，為31.61 ℃，比CK 高5.74 ℃，比室外高11.75 ℃，其他時期的最高氣溫較CK 高1.60～5.95 ℃，較室外高7.07～14.99 ℃；最低氣溫方面，12 月上旬農大Ⅴ型溫室為7.75 ℃，較CK 高0.99 ℃；其他時期農大Ⅴ型溫室的最低氣溫均明顯低于CK，其中2 月上旬最低，為3.88 ℃，比CK 低6.67 ℃，12 月中旬至2 月下旬較CK 低2.99～8.16 ℃，除11 月中旬與12 月上旬外差異顯著。農大Ⅴ型溫室的最低氣溫一直高于室外，溫差為6.37～9.42 ℃。

表3 2 種類型溫室日最高氣溫、最低氣溫比較

2.1.3 地溫的平均值和最高值、最低值 由表4 可以看出，11 月中旬至12 月上旬，農大V 型溫室的日平均地溫、最高地溫和最低地溫與CK 相比，差異不顯著。12 月中旬至2 月下旬的日平均地溫、最高地溫和最低地溫較CK 相比分別低2.20～5.93 ℃、2.25～5.02 ℃、2.25～5.02 ℃，差異顯著。農大V 型溫室的日平均地溫與CK 相比低0.46～5.93 ℃（11 月中旬、12 月上旬除外），最高地溫與CK 相比，低0.62～7.62 ℃（11 月中旬、12 月上旬除外），最低地溫與CK 相比低0.09～5.02 ℃（11 月中旬除外）。其中2 月下旬差距最大，農大V 型溫室的日平均地溫為11.43℃，與CK 相比低5.93 ℃；最高地溫為12.24 ℃，與CK 相比低7.62 ℃；最低地溫為10.29 ℃，與CK 相比低5.02 ℃。由此可以看出，農大V 型溫室的地溫保溫和升溫能力低于磚土復合墻溫室，在12 月中旬至2 月下旬差距較為顯著。

表4 2 種類型溫室日平均地溫、最高地溫和最低地溫比較

2.2 2 種類型溫室氣溫在10 ℃及20 ℃以上的時間

由表5 可以看出，11 月中旬、12 月上旬農大Ⅴ型溫室氣溫在10 ℃以上的時間較長，與CK 相比無明顯差異；其他時期農大Ⅴ型溫室氣溫在10 ℃以上的時間明顯少于磚土復合墻溫室，較CK 少46.66～137.34 h，差異顯著。整個觀測期間，農大Ⅴ型溫室氣溫在10 ℃以上的時間共1 274.18 h，旬均115.84 h；磚土復合墻溫室共2 199.33 h，旬均199.94 h。

由表5 可知，11 月中旬至1 月上旬，以及1 月下旬，農大Ⅴ型溫室氣溫在20 ℃以上的時間多于CK，較CK 多2.17～17.17 h，差異顯著；而1 月中旬以及整個2 月份，農大Ⅴ型溫室氣溫在20 ℃以上的時間少于CK，較CK 少1.33～11.00 h，差異顯著。

表5 2 種類型溫室氣溫在10 ℃及20 ℃以上的時間比較

2.3 2 種類型溫室的晝夜溫度變化

2.3.1 上午升溫值、下午降溫值及夜間降溫值由表6 可以看出，在整個觀測期間，農大Ⅴ型溫室的上午升溫值、下午降溫值及夜間降溫值（12月上旬和中旬除外）均高于磚土復合墻溫室。11月中旬至2 月下旬，農大Ⅴ型溫室的上午升溫值與CK 相比，高2.32～11.96 ℃；農大Ⅴ型溫室的下午降溫值與CK 相比，高1.43～8.69 ℃，差異顯著；農大Ⅴ型溫室的夜間降溫值與CK 相比，低1.26～5.29 ℃，12 月上旬和12 月中旬除外。

表6 2 種類型溫室上午升溫值、下午降溫值及夜間降溫值比較

2.3.2 晝夜增溫值比較 由表7 可以看出，在深冬季節，農大Ⅴ型溫室的晝增溫值始終高于CK，農大Ⅴ型溫室晝均增溫10.90 ℃，CK 晝均增溫7.08 ℃，晝均增溫較CK 高3.82 ℃，11 月中旬至2 月下旬，農大Ⅴ型溫室的晝增溫值與CK 相比，高1.60～5.95 ℃；而在夜增溫值方面，除12 上旬外，農大Ⅴ型溫室始終低于CK，農大Ⅴ型溫室夜均增溫8.10 ℃，CK 夜均增溫12.41 ℃，夜均增溫較CK 低4.31 ℃。

表7 2 種類型溫室晝夜增溫值比較

2.4 晴天不同溫室溫度日變化比較

為比較2 種溫室在不同月份晴天時溫度變化情況，在11 月、12 月上旬、1 月、2 月各選取一個晴天（11 月17 日、12 月8 日、1 月18 日、2 月19 日）為代表，分析晴天不同類型溫室和室外的氣溫日變化規律。由圖3～6 可以看出，2 種溫室的溫度日變化情況與室外基本相同，即白天的氣溫較高，而夜間氣溫維持在一個比較低的水平，但不同月份2 種類型溫室溫度高低情況不同。由圖3 可見，11 月份晴天時2 種溫室夜間溫度無明顯差異，但農大Ⅴ型溫室白天溫度高于CK；由圖4 可知，12 月上旬晴天時農大Ⅴ型溫室夜間和上午溫度略高于CK，下午溫度低于CK，夜間溫度2 種溫室差距不大；由圖5～6 可見，1 月份、2 月份晴天時農大Ⅴ型溫室夜間和下午溫度明顯低于CK。

圖3 11 月典型晴天溫室溫度日變化

圖4 12 月上旬典型晴天溫室溫度日變化

圖5 1 月晴天溫室溫度日變化

2.5 2種類型溫室番茄最早成熟時間與產量比較

由表8 可知，在筆者的研究中，農大Ⅴ型溫室番茄最早成熟時間為2022 年2 月18 日，磚土復合墻溫室（CK）番茄最早成熟時間為2022 年2 月6日。農大Ⅴ型溫室番茄單果質量較CK 低4.50 g，差異不顯著；單株結果數較CK 少1 個，差異不顯著；折合667 m2產量較CK 少708.32 kg，差異不顯著。

表8 2 種類型溫室對番茄最早成熟時間和果實產量的影響

圖6 2 月典型晴天溫室溫度日變化

3 討論與結論

在一定的范圍內，溫室的平均氣溫越高，越有利于蔬菜的生長。蔬菜的生長需要溫度的積累，蔬菜各器官生長發育均需要一定范圍的積溫，冬季的有效積溫多少直接影響溫室蔬菜的產量，有效積溫越高越有利于產量的提高。溫室的最高溫度反映溫室的升溫能力，最低溫度反映溫室的保溫能力，兩者差值體現溫室的溫差大小，不同作物生長習性不同，對環境要求不同，有些作物喜大溫差，而有些作物喜小溫差，大溫差利于喜溫果菜植株生長和果實發育。同樣，地溫的高低影響作物的生長發育，同時也可以在一定程度上反映溫室升溫保溫性能。栽培環境氣溫高于10 ℃時果菜類蔬菜才能正常生長，低于10 ℃果菜生長緩慢甚至停止生長，當氣溫達到20 ℃以上的時候，果菜類蔬菜進入快速生長階段，開始大量積累有機物。

通過對觀測期間的數據進行統計分析，分別對2 種類型溫室的日平均溫度、旬積溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日均氣溫在10 ℃及20 ℃以上的小時數、上午升溫值、下午降溫值及夜間降溫值以及晝夜增溫值進行比較，發現CK 保溫性能更佳，棚溫變化慢，溫度更為穩定，溫差相對較小，適宜種植小溫差管理的作物；農大Ⅴ型溫室相比于CK 溫度變化快，溫差大，適宜種植大溫差管理的作物。不同溫室升溫保溫性能的差異最終體現在作物的生長發育情況上，而作物的最早成熟時間和產量的高低是溫室性能的直觀體現，通過對2 種類型溫室的番茄最早成熟時間和果實產量的比較，發現農大Ⅴ型溫室較CK 番茄成熟晚12 d 左右，單果質量和單株結果數略低，但也能夠滿足越冬生產需求。綜合來看，農大Ⅴ型日光溫室在冀中南地區具備越冬生產能力，在推廣中具備可行性，但仍有改進空間，后續通過一系列結構參數改進或栽培技術的改進，可進一步提升其性能，進而提升其在冀中南地區越冬生產的能力。

與農大Ⅴ型溫室進行對照的磚土復合墻溫室在冀中南地區深冬生產能力穩定，已經過多年實際生產檢驗，而在該研究過程中2 種類型溫室雖在深冬季節保溫性能存在一定差異，但都能為果菜生長提供基本的生長環境，保證作物的正常生長；并且農大Ⅴ型溫室內部跨度大，空間大，因此更能滿足時下機械化操作對溫室的要求。研究認為農大Ⅴ型溫室在冀中南地區推廣具有可行性，但由于農大Ⅴ型溫室跨度大，散熱面積大，夜間散熱較多，這影響了它的整體保溫性能，導致溫室夜間溫度較低，因此在冀中南地區推廣時建議越冬生產選擇番茄尤其是櫻桃番茄、西葫蘆等果菜中要求溫度稍低的種類；或者從茬口上進行調整，采用秋冬茬和冬春茬1年2 茬生產，使生長期避開溫度最低的1 月；或者在種植過程中采取額外的增溫措施（如覆蓋二膜、夜間燃燒增溫塊等）或改善管理措施（如晚揭苫、早蓋苫等），以此來提升溫室的溫度，保證作物的正常生長[18-23]。

目前，從蓄熱材料的發展來看，相變材料仍是發展的重點。相變材料具有較高的熱能儲存密度，且在相變過程中相變潛熱較大，相變溫度恒定，在控制體系溫度方面具有優異特性[24-26]。相變潛熱值較大、無毒、無泄漏、無腐蝕等現象、且原材料來源廣泛、價格便宜等[27-28]。并且，與CK 相比，農大Ⅴ型溫室還具有以下優勢：（1）便于機械化操作。農大Ⅴ型溫室建造時預留側門，便于大型機械進入；農大Ⅴ型溫室距前屋面底角 1 m 處棚架高度1.6 m，較距前屋面底角1 m 處棚架高度1 m 的CK更加便于操作。（2）用工成本低。由于農大Ⅴ型溫室便于機械化操作，因此在深翻時可采用大型機械，而CK 在靠近前屋面底角2 m 處大型機械就不能操作，需要人工深翻，并且農大Ⅴ型溫室開關風口等操作均為電動控制，因此較CK 而言人工費用更低。（3）土地利用率（栽培面積/建造面積）高。農大Ⅴ型溫室土地利用率為96.58%，而CK 只有88.04%。（4）晝夜溫差大，有利于喜溫果菜植株生長和果實發育，晝夜溫差大會減少作物夜間的不必消耗，增加同化物的積累，有助于果實品質提升。（5）農大Ⅴ型溫室配有補光燈等設施，在連續陰天條件下可為作物補光，并且農大Ⅴ型溫室的設計更便于物聯網系統的配置，提升溫室智能化水平。（6）國家政策大力支持。近年來國家禁止破壞耕層，農大Ⅴ型溫室在建造過程中無需打基層、無需取土施工，因此不會破壞耕層，而CK 在建造過程中需要打基層、需要破壞耕層取土，因此在社會發展過程中，磚土復合墻溫室將逐漸被淘汰，農大Ⅴ型溫室這一類不用磚土等建造材料的新型溫室將成為新的發展方向。

綜合來看，農大Ⅴ型溫室可滿足冀中南地區果菜越冬生產需求，符合我國日光溫室改建升級的發展趨勢，具備在冀中南地區推廣的可行性。