四种典型日光温室性能差异研究

于威，颉建明，唐大为，杨森，郑全浩

(1.兰州市农业技术研究推广中心，甘肃 兰州　730010；2.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州　730070)



四种典型日光温室性能差异研究

于威1，2，颉建明2，唐大为1，杨森1，郑全浩1

(1.兰州市农业技术研究推广中心，甘肃 兰州730010；2.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州730070)

摘要：【目的】 对Q1、A2、H1、H2四种日光温室不同天气下的气温、地温、湿度、太阳总辐射量、太阳辐射透过率、太阳辐射差值的日变化规律进行研究；并对12月、1月、2月日光温室内外最低温度、地温、湿度、升降温速率进行比较.【方法】 采用U12-012温湿度光照度记录仪,使用“五点法”测定温室内室温、地温、湿度、辐射度及透光率.【结果】 在日光温室室内日变化中，夜间最低室温由高到低排序为A2，Q1，H2，H1；Q1地温升温最快且温度最高；相对湿度由低到高排序是Q1H1>Q1>A2，降温速度排序为H2A2>H2>H1.【结论】 兰州市日光温室后土墙厚度应该在178 cm左右，下沉深度应控制在50 cm以内.

关键词：日光温室；温度；相对湿度；透光率；兰州市

设施农业是在充分利用自然环境条件的基础上，用人工控制环境因子如温度、光照、湿度、CO2等的方法来获得作物最佳生长条件，从而达到增加作物产量、改善品质、延长生长时间的目的.设施栽培的发展，不仅有利于合理开发利用国土、淡水、气候等资源，而且能不断提高劳动、技术、资金等有机结合的集约经营程度，从而获得最大的社会效益、经济效益和生态效益[1-2].许多学者对日光温室的环境特点及调控技术、高效节能日光温室小气候因子变化、日光温室环境参数的测定及夏季日光温室环境变化规律、外部环境气象条件对日光温室的影响等进行了研究[3- 10]；赵统利等[11]对4种天气条件下日光温室主要环境因子的日变化作了比较分析.刘克长等[12]对日光温室透光率、作物群体内部光照分布进行了研究；孙治强等[13]对黄淮改良型日光温室内不同部位的光照强度的日变化进行了研究；宋明军等[14]对甘肃省节能日光温室采光设计进行了分析与探讨.本试验对兰州地区4种典型结构日光温室的气温、地温、光照等进行分析，研究了4类温室环境因子的变化规律，以期为兰州市节能日光温室的的设计建造及栽培管理提供科学依据和技术参考.

1材料与方法

1.1试验地点

供试日光温室位于兰州市榆中县，试验地海拔1 480 m，年均降水量350 mm，蒸发量1 450 mm，年平均气温6.7 ℃，无霜期120 d.

1.2供试温室

选择兰州市推广使用的4种典型结构的日光温室，其主要结构参数见表1.各温室的保温覆盖材料均为保温被，测试温室栽培作物均为番茄.

表1　供试温室结构参数表

1.3试验方法

试验采用U12-012温湿度光照度记录仪，如图1所示，室内室温、地温(负10 cm)、湿度测量采用“五点法”测定，取其平均值.测量室内光照时选取2、4、5点，取其平均值.室外温度测点为每一座温室中部距温室前部2.0 m远处，高度为1.0 m.每个类型3 座温室室外3个测点平均值为当地的室外气温、地温、光照、湿度.图1中的1、2、3分别位于温室中部，4、5分别距温室前端和后墙1.0 m.各观测点每隔1 h测1次.测试时间为2011年10月15日～2012年3月1日.兰州地区最低气温一般出现在12月份至次年1月份，因此以12月份为例选择5 d晴天，5 d阴天数据分别求平均值，得出温度、湿度、地温、辐射度、透光率日变化曲线.选择12月、1月、2月气温较低的3个月作为比较对象，取每月温室内外最低气温平均值，得出日光温室内外最低空气温度差异.

透光率=△E室内/△E室外

式中：△E室内为温室内部平均光照度；△E室外为温室外部点平均光照度.

图1　观测点分布Fig.1　Distribution of observation points

K升=Tmax-T揭/△t

降温速率(K降)=Tmax-Tmin/△t′

式中：K升为升温速率，Tmax为最高温度；Tmin为最低温度；T揭为揭苫时温度；△t为从最高温度到揭苫时温度所用时间，min；△t′为从最高温度到最低温度所用时间，min.

1.4数据分析

运用EXCEL 2003、SPSS进行数据处理分析.

2结果与分析

2.1日光温室内环境日变化

2.1.1日光温室内气温日变化日光温室(以下简称温室)中光照是其获取能量的主要来源，光是温室内气候环境中的主导因子[15].温室的采光性能，受脊高、内跨、高跨比、后屋面高的影响[16].由图2可以看出，不同结构的温室室内温度日变化趋势基本一致，但日最低温度存在显著差异，晴天温室内气温波动较大，Q1、A2、H1、H2型温室日最高温度与最低温度差值分别为23.63，19.38，24.13 ℃、24.13 ℃，夜间最低气温排序为A2>Q1>H2>H1.阴天各温室室内气温波动相对较小，Q1在12∶00～14∶00波动较为明显，2 h温度上升了3.23 ℃，后迅速下降.

图2　日光温室内气温日变化Fig.2　Changing curve of temperature in the greenhouses

2.1.2日光温室内相对湿度日变化由图3可知，温室内相对湿度日变化规律与空气温度的日变化规律呈负相关.晴天温室内相对湿度变化幅度较大，一日内各温室相对湿度的最低值均出现在14∶00左右，中午时段相对湿度与早晚相对湿度间存在极显著差异.Q1、A2、H1、H2最高相对湿度比各自最低相对湿度分别高53.55%、54.57%、42.23%和40.63%.平均相对湿度排序为Q1

图3　日光温室内相对湿度日变化Fig.3　Changing curve of relative humidityin the greenhouses

2.1.3日光温室内地温日变化如图4所示，晴天各温室10 cm 深处土壤温度( 以下简称地温) 均呈现先下降后升高再下降的变化规律.各温室的最低地温均出现在10∶00左右，Q1、A2、H1、H2最高地温出现时间分别为16∶00、18∶00、16∶00和18∶00.其中Q1在10∶00～16∶00之间曲线斜率最大，说明Q1地温升温最快.A2地温变化幅度最小.阴天平均地温除Q1在16∶00左右略有明显升高外，地温整体呈下降趋势.Q1、A2、H1、H2各温室相同时间晴天与阴天平均地温差值分别为：0.88、2.07、2.45、0.88 ℃.

图4　日光温室内地温日变化Fig.4　Changing curve of ground temperaturein the greenhouses

2.1.4日光温室内太阳总辐射度日变化由图5可以看出，一日内各温室太阳总辐射最大值基本出现在13∶00左右，这与刘克长等[12]的研究结果基本一致.但Q1总辐射度最高值出现在12∶00，出现时间最早且持续时间最长.A2总辐射度最高值出现在14∶00，最高值出现时间最晚，且总辐射度下降速度最快.H2总辐射度最小，H2与Q1最高总辐射度的差值为98.45 W/m2.一日内各温室平均太阳总辐射度存在显著差异.

图5　日光温室内总辐射量日变化Fig.5　Changing curve of radiation in the greenhouse

2.1.5外界与日光温室内辐射差值日变化由图6可以看出，太阳辐射差值日变化大致呈“M”型.一日内温室内外太阳辐射差值在早、中、晚3个时段相对较低，10∶00～11∶00达到一次高峰，16∶00左右达到最大值.各温室一日内平均太阳辐射差值存在显著差异.其中Q1一日内平均太阳辐射的差值最小，H2一日内平均太阳辐射差值最大，两者差值为72.99 W/m2.

图6　外界与日光温室内辐射差值日变化Fig.6　Changing curve of solar radiation differencebetween inside and outside the greenhouse

2.1.6日光温室透光率日变化由图7可以看出，各温室透光率一日内整体变化趋势一致，均是早、晚较低，12∶00～14∶00 达到最高值.Q1透光率最大值出现最早、持续时间最长，且透光率最高.A2最大值出现最晚，但最大透光率与Q1基本相同.H2的最大透光率值最小，比Q1的最大透光率低21.79%.

2.2日光温室升降温速率比较

升降温速率的数值反映了温室升降温速度的快慢.4类温室的升温、降温速率均存在显著差异，升温速率排序为：H2>H1>Q1>A2，降温速率排序为：H2

图7　日光温室透光率日变化Fig.7　Changing curve of ransmission ratioin the greenhouse

图8　日光温室升降温速率的比较Fig.8　The comparison of the up and downtemperature rate in the greenhouse

2.3日光温室最低空气温度比较

分析2011年冬季最冷时期12月～2012年2月数据发现，室外平均空气最低温度为-8.55 ℃.Q1温室内平均最低温度为6.28 ℃，最低温度在5 ℃以下的天数有23 d；H1温室内平均最低温度为5.09 ℃，最低温度在5 ℃以下的天数有29 d；H2温室内平均最低温度为6.03 ℃，最低温度在5 ℃以下的天数有27 d；A2温室内平均最低温度为6.61 ℃，最低温度在5 ℃以下的天数有21 d.由图9可以看出，1月份室外温度最低，平均温度为-10.25 ℃，比12月和2月分别降低了1.55 ℃和3.55 ℃.但Q1、A2、H1、H2各温室1月的平均最低温度分别比12月降低了0.93、0.18、0.75和0.83 ℃；分别比2月降低了2.47、0.71、1.74和2.44 ℃.

图9　外界与日光温室最低温度的比较Fig.9　The comparison of the lowest temperatureinside and outside the greenhouse

2.4日光温室空气相对湿度比较

从图10可以看出，随着时间的推移，各温室空气相对湿度均呈下降趋势.2月份室外空气湿度相对较低，分别比12月份和1月份下降了18.74%和13.13℃%.Q1、A2、H1、H2各温室内2月的相对空气湿度分别比12月降低了14.45%、16.26%、15.18%和16.09%；分别比1月降低了14.63%、12.70%、11.07%和14.27%.每个月各温室间相对空气湿度差异显著.

图10　日光温室相对湿度的比较Fig.10　The comparison of relative humidityin the greenhouse

2.5日光温室地温比较

兰州市日光温室主要进行蔬菜生产，因此地温的临界温度应为12 ℃.由图11可以看出，4类温室3个月的平均地温均在12 ℃以上，12月、1月、2月3个月平均地温排序均为 ：Q1>A2>H2>H1.Q1、H2、A2分别比H1的平均地温高2.49、0.82和2.18 ℃.此结果可能与温室下沉深度有关，随着下沉深度的增加地温相应升高.但A2比Q1下沉深度多0.5 m，3个月的平均地温却比Q1低0.3 ℃.可能由于A2下沉过深遮挡温室前端地面太阳辐射，造成地面大面积阴影，影响了地面吸热.1月室外地温最低，分别比12月和2月低3.30℃和5.16℃.

图11　日光温室地温的比较Fig.11　The comparison of ground temperaturein the greenhouse

A2温室内地温变化幅度最小，其次是H2，变化幅度最大的是H1.Q1在3个月中地温始终高于其他3类温室.

3讨论与结论

1)4类典型结构日光温室在各项指标分析中整体规律基本一致.在综合评价后，Q1温室无论在气温、地温、光照、升降温速率等方面优势比较明显.但在墙体厚度上可以加以优化，兰州市冻土层平均厚度为98 cm，按50 cm厚墙体内层是对温室环境贡献最大储热和放热层的理论[17-18]，再加30 cm的缓冲层，兰州市日光温室后土墙厚度应该在178 cm左右.

2)日光温室下沉一定深度有利于温室内部的保温，使地温、气温较为稳定.但是下沉过深会导致温室前半部分采光受到影响，使得温室后半部阳光辐照度变高，有利于后墙体的蓄热.由试验结果可知，A2下沉深度比Q1多50 cm，无论在气温、地温、升温速率、室内辐照度、透光率上均逊色于Q1.因此兰州市节能日光温室下沉深度最好控制在50 cm之内.

3)理论上空气相对湿度应与空气温度呈反比.但是1月各温室内平均空气温度较12月和2月略有下降，空气相对湿度却呈现下降趋势.这可能与农事操作有关，1月是兰州市气温最低的月份，在这个月往往以减少灌溉次数和减少灌水量来解决由于灌溉而引起的气温、地温降低的问题.因此在1月份相对湿度的降低有可能与减少灌溉次数和减少灌水量有关.H1和H2在1月均保持高湿状态，这与温室空间结构有一定关系，此类温室空间较小，后屋面角相对较小，影响了室内空气纵向流动，导致气体与外界得不到很好的交换.

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(责任编辑赵晓倩)

Differences in performance of four sunlight greenhouse in Lanzhou

YU Wei1，2,XIE Jian-ming2,TANG Da-wei1,YANG Sen1,ZHENG Quan-hao1

(1.Lanzhou Agricultural Technology Research and Promotion Center,Lanzhou 730010,China;2.College of Hortculture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：【Objective】 The daily variation law of air temperature,ground temperature,humidity ,total solar radiation,solar transmittance and solar radiation difference of four kinds of greenhouse was studied in different weather,comparing the lowest temperature,ground temperature,humidity,up- and -down temperature rate inside and outside the greenhouse in December,January and February.【Method】 Using U12-02 temperature-humidity- illuminance recorder to measure room temperature,ground temperature,humidity,radiosity and solar transmittance inside the greenhouse by five plot methods.【Result】 The lowest room temperature at night was in the decreasing order of A2,Q1,H2 and H1,the ground temperature of Q1 rose fastest reaching the highest.The sort of the relative humidity from high to low was Q1,A2,H2 and H1.Transmittance of Q1 was the highest.The total radiosity of Q1 appeared earliest,and lasted for the longest time.The heating rate order from the high to low was H2,H1,Q1,A2,and the sort of cooling rate took on the opposite change law.According to the cyclical changes inside and outside the greenhouse,the average daily minimum temperature of A2 was the highest.Average ground temperature of the four greenhouse were all above 12 ℃.The sort of monthly average ground temperature was in decreasing order of Q1,A2,H2 and H1.【Conclusion】 The thickness of back earth wall should keep about 178 cm and sunken depth within 50 cm of the greenhouse in Lanzhou area.

Key words：solar greenhouse；temperature；relative humidity；light transmittance；Lanzhou area

通信作者：颉建明，男，教授，博士，博士生导师，主要从事蔬菜学和设施园艺学的教学和研究.E-mail：xiejianming@gsau.edu.cn

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203002);甘肃省农业科技创新项目(GNCX2013-37).

收稿日期：2015-03-17；修回日期：2015-05-12

中图分类号：S 625.1

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)03-0077-06

第一作者：于威(1983-)，女，硕士，农艺师，主要从事蔬菜栽培、设施农业生产及日光温室建造结构的研究.E-mail：yuwei831@126.com