烤烟漂浮育苗设施系统的温热特性及其对烟苗生长的影响

朱开玲，段淑辉，李良勇，李 立，刘良教，李建勇

（1.浏阳市烟草专卖局（分公司），湖南 浏阳 410300，2.湖南省烟草公司，湖南 长沙 410004）

烤烟漂浮育苗设施系统的温热特性及其对烟苗生长的影响

朱开玲1，段淑辉1，李良勇2，李 立1，刘良教1，李建勇1

（1.浏阳市烟草专卖局（分公司），湖南 浏阳 410300，2.湖南省烟草公司，湖南 长沙 410004）

分析了烤烟漂浮育苗设施系统内不同部位的热性质、热量分布、热量流动及温热变化特点，并初步研究了不同部位的温热特性对烟苗生长和抗寒能力的影响，并据此归纳出烤烟漂浮育苗温度和热量调控简单方法，为烤烟漂浮育苗温热管理提供了参考。

烤烟；漂浮育苗；设施系统；温热变化；烟苗生长

烤烟萌发与生长需要适宜的温度条件，而我国大部分烟区烤烟育苗期间温度都低于烟苗正常生长所需温度[1]。设施育苗的主要作用之一在于提高大棚温度。播种后，大部分烟区苗床管理的中心环节仍然是保温增温[2-3]。目前，对烤烟漂浮育苗温度的控制主要通过对大棚内不同点温度实时监测进行。这种方法费时费力，而且存在监测管理滞后、监测不及时或监测失误以及夜晚监测缺失等问题。调查总结漂浮育苗设施系统内不同部位的热性质及温热变化情况，分析不同气候下各部分的温热变化规律及相关因子，有助于大棚结构的优化和大棚保温增温设施的改良。最大限度地利用气象预报估算大棚内各点单位时期内温度热量流动和温度变化趋势[4]，或者根据系统内某部分的温度变化来估算其他部分的温度变化范围，对烟苗生长情况作出相应判断，同时对大棚温热调控提出整体预案，将有助于节约漂浮育苗温度管理成本，促进烟苗正常生长发育。

1 烤烟漂浮育苗设施系统的温热性质

烤烟漂烰育苗设施系统内不同部位热性质可分为3类：一是大棚框架、棚膜和水泥结构部分，这部分主体热容量大，导热率较高，对太阳光热利用率高，热量散失快，温度变化较快、变幅较大，具体参数见表1；二是水和基质部分，该部分热容量大，导热率较低，对太阳光热利用率较低，热量散失较慢，温度变化慢、变幅小；三是大棚空气，热容量极小，导热率低，导温率高，温度变化快、变幅大。

1.1 大鹏框架及棚膜部分

大棚框架系统包括立柱、拱杆、拉杆和压杆，主要为铁质材料构成。尽管铁质材料热容量较大，导热率高，但由于体积较小，苗期对整个系统的温热影响较小；但在夏季光照强烈的条件下，对大棚空间温度拉高作用还是比较明显的。棚膜主要由聚氯乙烯材料构成，棚膜体积小，自身热量对系统的温热影响极小，故棚膜的热容量可以不予考虑。棚膜的主要作用是隔绝大棚内外空气，起保温、增温作用。同时，棚膜又能传导热量，是漂浮育苗设施系统内热量散失的主要途径。因棚膜对光照有反射作用，加上棚膜老化、污染、水滴、大棚漏气等原因，大棚实际光照利用率一般在50%左右[5-6]。使用较厚薄膜虽然保温性能增强，但棚膜透光性下降；使用较薄、透光性较好的薄膜，在晴日光照充足时，有利于增加大棚内光照利用率，使大棚温度更快上升。棚膜覆盖高度对系统温热变化也有明显影响。一定范围内随大棚高度增加，大棚保温性能增强，但大棚空间升温缓慢，大棚吸收的光热更多散发到空气中，也降低了大棚内基质表层和水泥层面升温速度。当棚膜覆盖高度较低时，不仅能更快提高大棚内空间温度，也能提高大棚内基质表层和水泥层面升温速度，增加大棚光热利用率，使系统在白天能储存更多热能。有数据显示，随棚体高度降低，大棚空间温度变幅加大，同时引起水温在全天及整个育苗期的温度变幅略增。

1.2 水泥结构部分

漂浮育苗设施系统内水泥结构部分包括通道、池梗及池边的大棚内部分，约占大棚面积的20%。水泥结构的热容量大，导热率高，对大棚的温热影响较明显，水泥结构平滑密实的表面还使其接受的热量更趋向于向平面传导，并且向大棚空间散发的比例增加。

日出后太阳光照射大棚时，水泥结构吸收部分热量，使大棚空间温度上升变缓；但水泥结构被加热后，大棚空间温度和水体温度的升幅加大；光照减弱或日落后，水泥结构对大棚空间和水体的持续加热时间延长，使大棚空间和水体的温度下降变缓。从图1中可以看出，育苗期，当光照较强、外界气温较高时，烤烟育苗大棚的铁质材料和水泥结构的表面温度有可能在下午的部分时段成为大棚温度最高点。

1.3 苗盘和基质

苗盘材料聚苯乙烯泡沫的导热率很低，有较强的隔热作用，并且覆盖了整个苗池；苗池水分与地面热交换主要通过苗盘底孔、池梗、池边和苗盘间隙进行。苗盘基质中草炭、气体和水含量都很高，受其影响基质的热容量较大，导热率较低。基质温度同时受盘面温度和水温的影响，一般位于盘面温度和水温之间，变幅较平缓；白天睛日温度较高时，温度从基质表层到水底层逐渐降低，夜晚或白天温度较低时，温度从水底层向基质表层逐渐升高。

育苗基质表层的受光面积占烤烟漂浮育苗大棚受光面积的大部分，是烤烟漂浮育苗大棚内热量交换的主要场所。日出后，基质将太阳光能转换成热能，向上传递到大棚空间，向下传导到池水中。由于基质表层空气含量较大，热容量较小，基质与水体热交换主要通过漂盘底孔进行，交换面积较小；日出后，基质表层最快升温，并且一般在晴日10:00～19:00时为烤烟育苗大棚内最高温度点，成为拉动大棚空间温度升高的主要因素。夜晚或寒潮降临后，基质又将池水中的热量传递到大棚空间。因此，基质表层始终向大棚空间传导着热量，故育苗期内基质表层温度通常要高于大棚空间温度；并且在日落前后，大棚内温度最高点由基质表层或水泥结构表层向水体转换期间，可能成为大棚内温度最高点。

1.4 水 分

烤烟育苗大棚内水分体积较大，水分的热容量较大，温度变幅较小，水体对大棚温度变化有一定缓冲作用，是设施系统内温热变化的重要调节物质。日出后，大棚空间气温上升时，水能吸收部分热量，从而降低大棚温度的上升速度；夜晚，水可释放热量，帮助提高大棚温度。水体对空气温度变化的影响强度虽小，却具有一定的均匀性和持续性；特别是寒潮冰冻降临时，水分释放的热量对大棚空间升温作用非常明显，能减轻或避免烟苗冻伤。由此推测，若缺乏水分对系统温热的调节，烟苗将更易受冷害损伤。而这也将是限制湿润育苗、空气整根育苗等方法在我国很多烟区推广的原因。

由于烤烟育苗大棚内水分体积较大，其热容量较大，大棚其他部分的热量对水体的温热影响较小，水温变化主要受日照和气候的影响，全日和整个育苗期温度变幅都较小。单纯外界温度对提升水温的作用很小，只有在晴日充足光照条件下，由于空气、基质、水泥结构对水体导温强烈，才有相对较大的升温。晴日夜晚则由于辐射强烈，水温的降幅相对较大，白天吸收的热量大部分通过辐射散发出去。通常，晴日白天当系统其他部分温度迅速上升后，水体反而成为大棚内温度的最低点；但晴日夜晚或阴冷天气，当其他部分温度迅速下降后，水体因降温速度慢反而成为大棚内温度的最高点。从图2中可以看出，在低温寡照条件下，水温下降缓慢；只有在连续多日低温寡照，并伴有风雨条件下，水温下降幅度才相对较大。这是因为：（1）水的热容量大，自身的热量散失速度较慢，在外界热量来源中断时，水体热量通过苗盘底孔、基质、烟苗、空气、小棚膜等向外传导，而这个传导过程又因苗盘底孔与水体接触面积较小、从大棚中心到边缘、从底层到上层传导距离较长以及空气的导热率较小等原因，热量散失速度相对较慢，故需要较长一段时间才能使水体温度降幅达到较大程度；（2）水体热量通过地面传导时，由于池底土层在长期热量传导过程中形成了较大的保温层，降低了热量传导速度。因此，池底形成保温层后，水体热量更多是通过水泥结构与棚外延伸和大棚外围地面向空中散发；（3）刮风、下雨天气能加快水体及系统其他部分的热量散失，但刮风更倾向于加快水体通过棚膜向外传导热量，下雨则更倾向于加快水体通过水泥结构与棚外延伸及大棚外围地面向外传导热量。

1.5 大棚空间

空气的热容量极小，导热率低，导温率高，光照对空气直接升温的幅度极小，烤烟大棚空间温度主要受系统内其他部分温度和外界温度的影响，和基质表层温度一样是烤烟漂浮育苗系统中温度变化最快的部分。阴雨天气下，大棚空间温度主要受棚膜导温作用影响，数值接近气温；晴日光照强烈时，主要受基质表层热量扩散作用影响，温度上升迅速。刮风、下雨天气对大棚空间温度变化有一定影响，过道、池梗等水泥平面对大棚空间温度变化也非常明显。由于大棚空间与棚膜接触面积最大，大棚空间温度受外界温度影响显著，表现为日落前后大棚空间和水泥结构表面及基质表面的温度都迅速下降至接近外界温度。但在光照较强的条件下，大棚空间温度更接近基质表面温度。这是因为：光照较强的条件下，基质表层热量向下通过盘底孔传导至水体的速度受限，热量较多散发至大棚空间；同时，光照使棚膜内外面形成了加热层，从而阻碍了系统通过棚膜向外传导热量。

不同类型大棚中，随棚体面积和体积的增加，其体积与外围面积比值减小，增强了大棚空间的保温性能，升温和降温幅度趋于平缓。不同棚体结构中，随着系统结构内热容量大、导热率低的部分比例增加，保温性能也随着增强，大棚空间升温和降温幅度趋于平缓。

由于烤烟大棚空间温度上升主要依靠基质表面热量向空间的传导和对流，因此大棚空间温度一般都低于基质表面温度，且育苗前期温差较大，最高可能相差10℃以上。这是因为：（1）烟苗生长前期基质表层含水量较小，空气含量较大，热容量较小，且不被烟苗遮盖或被遮盖比例小；（2）基质与水体通过漂盘底孔进行热交换的面积较小，因而日出后温度上升较快，大棚空间温度上升速度滞后于基质表层上升速度；（3）这一时期敞棚后，大棚内外空气热量对流强烈，拉低了大棚空间温度，扩大了大棚空间和基质表层温差。育苗后期，基质表层含水量增加，气温度上升速度变缓，同时基质表层被烟苗覆盖，其与空气的热交换面积增大，再加上大棚空间温度随气温升高而上升，故基质表层温度与大棚空间温度的差异逐渐缩小。

对烤烟漂烰育苗系统温度的观测结果显示，白天大棚空间温度比基质表层温度高1～2℃或夜晚低1～2℃的现象经常出现。白天大棚空间温度比基质表层温度高的原因，除了受水泥结构和铁质材料影响拉升外，还可能与光照强度变化以及大棚空间温度变化滞后于基质表层温度变化等有关。夜晚大棚空间温度比基质表层温度低的原因，除了受水泥结构和铁质材料影响外，还可能与基质表层温度因下层热量传导或光照作用升高时，大棚空间温度变化滞后于基质表层温度变化有关。观测结果还显示，日出前后大棚空间温度比外界气温低1～2℃或以上的逆温现象经常存在，只要是晴日少云天气下就可能发生。这种现象除了受系统对外热量辐射强烈的影响外，还可能因为在日出光照较弱时，大棚由于透光率低，温度上升速度低于外界气温上升速度。

2 烤烟漂浮育设施系统热量分布与热量流动

2.1 烤烟漂浮育设施系统热量分布

按标准烤烟漂浮育苗大棚规格计算，理论上同一温度条件下大棚设施系统热量分布如下。

烤烟漂烰育苗苗盘规格一般为200孔、67 cm× 34 cm，单孔体积为27 cm3，大棚空间利用率为80%左右，基质的热容量为2.6 J/（cm3·℃），大棚基质每平方米上升1℃所需热量为（27×200）×2.6×80%÷（67×34）≈4.931 J。

烤烟漂烰育苗池水深一般为8 cm，水面积约为大棚面积80%左右，水的热容量为4.2 J/（cm3·℃），大棚水每平方米上升1℃所需热量为8×4.2×80%＝26.88 J。

烤烟漂烰育苗大棚空间高度350 cm，空气热容量为1.232×10-3J/（cm3·℃），大棚空气每平方米上升1℃所需热量为350×1.232×10-3=0.431 2 J。

烤烟漂烰育苗大棚水泥结构热量主要分布深度为10 cm，大棚水泥结构面积约占大棚空间面积20%，水泥结构热容量为4.324 J/（cm3·℃），大棚水泥结构每平方米上升1℃所需热量为10×20%×4.324=8.648 J。

大棚热量分布为：基质∶水∶空气∶水泥结构＝4.931∶26.88∶0.431 2∶8.648≈11.4∶62.3∶1∶20.1。对大棚热量分布了解，有助于分析设施系统内不同部位温度变化速度和变幅状况，同时明确设施系统内某一部分对其他部分的热量或温度的影响能力。

2.2 烤烟漂浮育设施系统热量流动

烤烟漂烰育苗系统热量流动包括系统内不同部位热量流动和系统与外界的热量辐射和传导。白天睛日时，系统内不同部位热量流动主要包括水泥平面和基质表面的热量向空间、基质、水体的传导或逆向传导；系统与外界热量传导主要包括棚膜和大棚地面与外界热传导以及系统对外的热辐射。

根据湖南省浏阳市秧田育苗工场不同部位温度最高变幅的记录显示，整个育苗期大棚苗池水温都在10℃以上（表2），因而推测湖南省浏阳市烤烟漂烰育苗系统整个育苗期池底与地下部分热传导主要为热量流出。但根据历史水温记载，2008年冰灾期该市中型育苗大棚的最低水温为5℃左右，表明连续低温条件下水体热量散失仍然很大，水温下降较大。

2.3 烤烟漂浮育设施系统热量来源和热量平衡

烤烟漂烰育苗系统热量主要来源为太阳光辐射，其次为井水和土壤热量传导，另外基质中有机质分解也有少量热量释放[7]。由于水的热容量较大，湖南省浏阳市井水温度在整个苗床期都在19℃左右。由此可知，井水是设施系统的主要热量来源之一。井水抽入大棚后，温度经历短时快速下降，下降到一定程度后，单日和整个苗床期变幅都较为平缓。而在池水和水泥结构温度低于土壤温度时，土壤能成为烤烟漂烰设施育苗系统源源不断的热量来源，并在某些情况下成为设施系统的主要热量来源。

烤烟漂烰育苗设施系统热量散失途径主要有大棚膜传导和敞棚后空气对流传导，部分热量向地表深层或通过大棚外围地面向空间扩散，晴日夜晚通过辐射散发的热量是大棚热量损失的主要途径，系统白天储存在水体和水泥结构的热量大部分通过辐射散发出去。但在连续睛日天气下，一定时期内，烤烟漂烰育苗系统热量仍有增加，大棚内各部位的温度有所上升；在连续低温阴雨天气下，一定时期内，烤烟漂烰育苗系统热量减少，大棚内各部位的温度有所下降。

光照为烤烟漂浮育苗设施系统苗期绝最主要的热量来源，表现为同样气温条件下，晴日大棚内升温速度极显著高于同一温度下阴雨天气的温度。晴日天气9:00～16:00这段时间光照最强、热量最充足，由于热量向水体和水泥结构内部的传导受限，大棚空间、水泥结构表面和基质层面温度很快上升。水泥结构表面和基质层面温度变化迅速，表明温度变化可能主要在很浅的表层，系统整体实际热量增加非常有限。

在大棚空间、水泥结构表面和基质层面温度上升过快时，大棚必须敞棚，水泥结构表面和基质层面吸收的热量大部分通过空气对流扩散到棚外，因而设施系统在光热充足阶段的利用率并不高。但遇阴冷天气时，由于池底土壤的保温作用和水体的调温作用，系统热量损失也较缓慢。尽管烤烟漂浮育苗设施系统对日光热能利用率不高，但由于基质表层和水泥结构表层向下层热量传导受限，以及系统热能向土壤传导被显著削弱，所以日光热能首先在设施系统内传导，且更多地分布在大棚空间和基质表层，因此烤烟漂浮育苗烟苗获得的有效积温仍显著高于土床育苗[8]。

3 烤烟漂浮育设施系统内不同部位温热变化对烟苗生长的影响

3.1 基质温度和水温

基质是烟苗根系生长以及水分和养分吸收的主要场所，基质温度对根系生长速度以及对水分和养分吸收强度的影响显著。水温直接影响养分的溶解度和扩散程度，同时烟苗部分根系伸入水中直接与水体接触。烤烟漂浮育苗设施系统中，水温和基质温度的变化特点及其与大棚空间温度变化的相互作用使漂浮育苗的烟苗生长特点明显区别于传统土床育苗的烟苗[4]。在漂浮育苗烟苗的不同生长阶段，由于苗床前期大棚空间温度较低，水温和基质温度较高且较稳定，烟苗前期根系生长较快，茎、叶生长较慢，根冠比较大；苗床后期大棚空间温度升高，水温和基质温度上升缓慢，而且根系生长受空间限制，烟苗后期茎、叶生长较快，根系生长相对较慢，根冠比下降。不同气候条件下，当晴日气温迅速升高时，水温上升相对滞后，烟苗地上部分生长迅速，根系生长滞后，根冠比减小；而在阴冷多雨的气候下，水温相对较高，烟苗地上部分生长缓慢，根系生长相对增强，根冠比增加。根冠比的增加又为下一轮晴日地上部分快速生长打下基础。这样，烟苗经过一段低温后，在随后的晴日温度上升时快速生长。而在连续晴日高温天气下，烟苗在首轮快速生长后，由于根冠比降低，生长速度略有下降[9]。

3.2 基质表层温度

出苗期基质表层温度也能代表种子或烟苗所处的实际温度，因而基质表层温度过高容易降低出苗率或出苗整齐度，对大棚温度调控时也应以基质表层温度为标准。对浏阳市部分烤烟出苗率较低的漂浮育苗大棚进行调查分析，结果发现，这些大棚对温度的管理主要依据大棚空间温度来揭膜控温。然而，基质表层的实际温度在光照强烈时要高于大棚空间温度，并且温差较大；当基质表层温度过高时，正在发芽的种子可能因为高温损伤或高温引起失水而死亡，部分已经开裂的包衣种子可能因为失水而重新凝结停止发芽。

3.3 大棚空间温度

苗床后期大棚空间温度代表了烟苗地上部分所处的实际温度，由于漂浮育苗设施系统与传统土床在材料与结构方面的差异，导致设施系统的空间温度变化明显区别于传统土床，同时不同类型的大棚其抗寒表现也各不相同。土床育苗空间小，升温快，但由于与地面热交换强烈，升温幅度较小；而且由于地面热量持续迅速上升，对长期中、低度冰冻抵抗能力较强。连栋大棚由于棚体高，空间大，温度上升速度比中型大棚和土床慢，降温也慢，而且系统整体热量储存较大，抗中、短期较强冰冻能力较强。但由于棚体高，地面热量扩散快；大棚内水泥平面与外界相连，与外界热传导作用较强，大棚内靠近边缘的烟苗抵寒能力较差。中型大棚由于水泥平面都被大棚膜覆盖，棚体热储量较大，对中、短期轻度冰冻抵抗能力较强；但由于平面和空间小于连栋大棚，且地温影响较小，对短期较强冰冻抵抗能力较弱。例如2010年3月10日在最低温度-4℃的寒风冰冻中，几乎所有未盖小棚膜的中型大棚的烟苗都受到严重的冻伤，而所有未盖小棚膜的连栋大棚都只有大棚苗池边缘烟苗受到轻度冻伤。但是，最近发现即使在-2 ～ -1℃的轻度冰冻天气下，中型大棚极少有烟苗冻伤情况发生下，大部分未盖小棚膜或小棚膜覆盖不严的连栋大棚的周边部分烟苗都受到轻度冻伤；而在浏阳烤烟生产史上从未出现过土床育苗被严重冻伤的记录，这一现象值得思考。

4 烤烟漂浮育设施系统的温热调控

依靠人为措施来增加烤烟漂浮育苗设施系统内温度的成本是非常高昂的，以4 000 m2，可供133.3 hm2烟苗移栽的中型大棚为例，按大棚空间80%利用率、水深0.08 m、1 kW·h电可使1 m3水温增加1.16℃计算，如果一次使大棚水温增加5℃，理论上需要耗电为：4 000×80%×0.08×5÷1.16≈1 103 （kW·h）。考虑加热效率和加热过程中的热量损失，实际耗电量可能远远不止这一理论数值。加热大棚空气虽然理论上所需的耗电量显著低于加热水体，但加热过程及加热后热量损失的速度极快，成本依旧高昂。而太阳光热量按50%的效率计算，一天就可以使0.1 m深水升温21.3℃。因而增加烤烟漂浮育苗设施系统内温度只能立足在提高大棚光热能利用率和热效率以及增加大棚保温性能减少热量散失上。提高大棚光热能利用率的途径包括使用高透光防滴大棚膜材料、在大棚外安放反光材料等。提高大棚热效率的措施包括建造可升降式大棚，育苗前期降低大棚高度，以利于大棚空间快速升温，育苗后期升高大棚高度，以利控温保温；控制苗池水位，日常将苗池水位控制在较低高度，以利水温上升，温度过低时，提高水位，以增加大棚热量。而增加大棚保温性可以考虑在池底和大棚水泥结构与外界连接处放入隔热材料或大棚内套小棚等。

5 结 语

研究主要对漂浮育苗设施系统不同部位的温热变化规律进行了定性分析，但对漂浮育苗设施系统不同部位的温热变化规律及相关因子建立相应的数据模型还需要大量的试验观测。同时，漂浮育苗系统内温热变化还与大棚周围环境和气象因子等多个因素密切相关[10]，如大棚地势、水位、土壤性质、大棚周围光线反射以及风、雨等天气的影响。如果将所有因素纳入，建立漂浮育苗大棚温热变化系统理论，则不仅在漂浮育苗方面，对整个设施栽培温热控制都将有重要意义。

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（责任编辑：成 平）

Heating Characteristics and Their Influence on Tobacco Seedlings Growth within Flue-Cured Tobacco Floating Seedling Facility System

ZHU Kai-ling1，DUAN Shu-hui1，Li Liang-yong2，LI Li1, LIU Liang-jiao1，LI Jian-Yong1

（1. Tobacco Monopoly Bureau of Liuyang, Liuyang 410300, PRC; 2. Hunan Tobacco Corporation, Changsha 410004, PRC）

This study analyzes the heat nature, heat distribution, heat flowing and temperature changing characteristics at different positions in tobacco foating seedling facility system; investigates the thermal features’ infuence on tobacco seedling growth and cold resistance; and then sums up simple methods of regulating and controlling temperature and heat in the tobacco floating seedling for reference.

fue-cured tobacco; foating seedling; facility system; temperature and heat change; tobacco seedling growth

S572.043

A

1006-060X（2015）08-0122-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.08.037

2015-06-19

长沙市烟草专卖局（公司）资助项目（2014）

朱开玲（1964-），男，湖南浏阳市人，主要从事烤烟生产技术管理与研究工作。