外保温覆盖大跨度塑料大棚在徐淮地区番茄越冬生产上的实践

王 君 李衍素 张爱民 孟 雷 张胜丰 于贤昌*

（1 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081；2 徐州市蔬菜研究所，江苏徐州 221004；3 徐州市丰硕绿色农业科技有限公司，江苏徐州 221000）

徐州市地处黄淮海平原，光热条件好，早春气温回升快，秋季昼夜温差大，年平均气温14.2℃，年最低温度通常出现在12 月至翌年2 月的深冬季节（中国天气网，http：//www.weather.com.cn/cityintro/101190801.shtml），极端最低气温为-14.9～-5.2 ℃（刘璎瑛 等，2003），但一般很少发生极端低温天气（张传福和魏家凤，2015），有利于设施园艺产业发展。截至2016 年末，全市温室占地面积4 380 hm2，大棚占地面积2.955 万hm2（徐州市统计局，http：//tj.xz.gov.cn/tjj/tjgb/20180228/011_116 ebdb0-4ae7-4c28-b26e-e5865d672b6c.html），且 近年来设施蔬菜种植面积有不断扩大的趋势。蔬菜保护地生产设施主要包括日光温室（包括砖墙式和土墙式）、塑料拱棚（包括钢架和竹木结构）等（齐玉春和陈端生，1998；张传福和魏家凤，2015），其中越冬生产以日光温室为主。越冬生产过程中，若遇长期雾霾或阴雨天气，温室内光照强度弱、温度低，会降低蔬菜产量和品质。采用辅助加温和人工补光的措施可以改善温室内部温光环境，但会大幅度增加设备以及运行成本，降低生产效益。

近年来，大跨度塑料大棚因其具备栽培空间大、土地利用效率高、机械操作方便、建造成本低、室内环境稳定等优势（周升 等，2016；方慧 等，2017；马玲 等，2020），在北京、山东寿光、辽宁沈阳、陕西杨凌、宁夏中部等地区获得推广应用，被认为是果菜类蔬菜越冬生产可供选择的设施类型之一。大跨度塑料大棚在北方多地已被成功应用，但不同地区、不同气候条件下的大棚结构参数略有差别。

本试验在徐州地区建造了东西跨度22.0 m 的外保温覆盖大跨度塑料大棚（以下简称塑料大棚），测定冬春季节设施内部气温变化，并与徐淮地区较为普遍的60 cm 厚砖墙（混凝土砌砖）日光温室温度性能进行比较，探讨其在徐淮地区应用的可行性，以期为徐淮地区引入结构简单、经济实用的新型栽培设施，并在徐淮地区进行番茄越冬茬生产辐射推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 外保温覆盖大跨度塑料大棚结构参数

塑料大棚骨架采用热镀锌低碳钢材，东西单弧拱型屋顶；东西跨度22.0 m，开间1.0 m，南北长度100.0 m，立柱间距4.0 m，肩高2.1 m，顶高6.0 m，棚间距3.0 m。塑料大棚顶部均采用防老化防雾滴0.12 mm 聚烯烃塑料薄膜覆盖，外保温被材料为质量1.2 kg·m-2的防水棉被。塑料大棚顶端两侧和下端两侧有南北走向的通风口（图1）。建造地点为江苏省徐州市贾汪（蔬菜）综合示范基地（117°37′E，34°41′N）。

图1 外保温覆盖大跨度塑料大棚结构示意图

1.2 试验设计

以同一基地内当地设施蔬菜越冬生产常用的60 cm 厚砖墙日光温室作为对照，塑料大棚作为处理。日光温室骨架采用无支柱镀锌花梁结构，北墙墙体材料为混凝土砌砖（390 mm × 190 mm × 190 mm），墙体内侧有1 cm 厚内粉，外侧有1 cm 厚外粉，墙体整体厚60 cm，高2.5 m，屋脊高3.5 m，东西长度85.0 m，南北跨度12.0 m，前后间距8.0 m。日光温室棚膜和保温被材料与塑料大棚一致。二者均安装了定时控制的通风系统，每日通风时间为9：30—15：00。塑料大棚在东西两侧有上通风口和下通风口，下通风口最低、最高位置分别距离地面0.4 m 和1.5 m；东西两侧上通风口宽度各为1.3 m，上通风口最低、最高位置距地面的垂直高度分别为5.9 m 和6.3 m。日光温室顶部通风口宽度1.0 m。在试验期间，塑料大棚和日光温室均仅开启顶部通风。根据天气情况，保温被揭放时间和通风时间会略作调整。风口处覆盖40 目的防虫网。

番茄栽培品种为中果型的粉迪，栽培密度为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 空气温湿度记录仪布置与温湿度测定

温湿度测定时间为2020 年1 月8 日至3 月31日。室外放置1 台空气温湿度自动记录仪（RC-4HA/C，江苏精创电气股份有限公司，精度：温度为0.1℃，湿度为3% RH）。为方便比较日光温室和塑料大棚的温湿度性能，选取设施内温湿度变化受外界影响相对一致的地点安放空气温湿度自动记录仪：在日光温室内部距离前底角6.5 m、距离东西墙体各28.0 m 处分别放置1 台空气温湿度自动记录仪（图2-A）；在塑料大棚内部距离东西两侧底角6.5 m、距离南侧立柱50.0 m（南北长度正中间）分别放置1 台空气温湿度自动记录仪（图2-B）。此位置测定结果既能反映不同设施的温湿度情况，也不影响蔬菜正常生长。各温湿度记录仪探头距地面高度均为1.5 m，数据采集时间间隔为15 min，取两侧采集数据的平均值。为减小或避免太阳辐射对测量准确性的影响，将记录仪外置传感器探头用铝箔纸进行包裹，但保证底部能够正常通风。

图2 日光温室和塑料大棚温湿度自动记录仪分布位置

1.4 产量测定

按照商品果大小和颜色要求，定期对番茄成熟果实进行采收，将拉秧前所有采收果实产量进行统计，折算成每667 m2产量。

1.5 土地利用率

按照温室建筑面积与土地总面积的比值计算土地利用率（周长吉和刘晨霞，2009）。

土地利用率（%）=有效种植面积（m2）/土地总面积（m2）× 100

1.6 建造成本

日光温室建造成本，包括温室骨架、压膜线、塑料薄膜、外保温被、内保温幕、防虫网和卷膜卷被系统、土建和砖墙、用工费以及其他费用（周升等，2016）。塑料大棚建造成本主要包括骨架、卷帘卷被系统、通风系统、土建、用工费及其他费用。

1.7 数据处理

采用Excel 2010 软件对试验数据进行整理并作图。

2 结果与分析

2.1 塑料大棚和日光温室内外气温极值和平均值变化

塑料大棚日平均气温、日最低气温和日最高气温与日光温室变化趋势基本一致（图3～5）。当外界日平均气温在-0.5～3.5 ℃范围内变化时，塑料大棚内日平均气温与日光温室之差维持在 ± 0.5 ℃范围内；当外界气温上升后，日光温室与塑料大棚日平均气温差值大于0.5 ℃，试验期间二者温差最高达5.0 ℃（图3 和表1）。

图3 日光温室和塑料大棚内外日平均气温

1 月日光温室和塑料大棚日最低气温均出现在1月18日，分别为6.5 ℃和7.8 ℃（图4和表1）。1、2、3 月日光温室平均日最低气温分别为9.9、12.6、14.0 ℃，塑料大棚平均日最低气温分别为10.0、12.1、13.0 ℃。说明在徐州地区，若不遭遇外界连续低温的极端天气，深冬和早春季节塑料大棚能够维持棚内最低气温在10 ℃左右，达到砖墙日光温室的保温性能。

图4 日光温室和塑料大棚内外日最低气温

塑料大棚日最高气温明显低于日光温室（图5和表1）。1、2、3 月日光温室平均日最高气温分别为26.4、26.5、29.1 ℃，塑料大棚平均日最高气温分别为21.3、24.0、24.0 ℃。

图5 日光温室和塑料大棚内外日最高气温

表1 日光温室和塑料大棚内外气温变化

2.2 典型天气下日光温室和塑料大棚内空气温湿度日变化

从图6 可以看出，日光温室和塑料大棚内部气温变化趋势基本相同，从15：00 开始设施内气温整体上均呈下降趋势，一直持续到次日早上8：30。多云天气日光温室和塑料大棚气温均在12：00 左右达到峰值；晴天天气在13：00 左右达到峰值。塑料大棚由于通风口大于日光温室，晴天内部峰值气温明显低于日光温室，因此在下午覆盖保温被时塑料大棚内气温要低于日光温室。但17：00 覆盖保温被后，日光温室和塑料大棚内气温短时回升后出现持续的降温，2020 年1 月12 日17：00—24：00 日光温室气温略高于塑料大棚0.4～1.8 ℃；而0：00—8：30 日光温室气温低于塑料大棚1.5～2.1 ℃。

图6 日光温室和塑料大棚在冬季典型天气下气温日变化

试验地区空气相对湿度较高（图7），夜间相对湿度达到80%以上。塑料大棚和日光温室内空气相对湿度随时间变化趋势整体一致，设施在通风过程中空气湿度出现下降，尤其是在晴天；而塑料大棚内空气相对湿度明显高于日光温室，多云天气二者差值在6.7～15.6 百分点范围波动，晴天在7.1～43.0 百分点范围波动，在白天二者差距被明显拉大，其主要原因为白天日光温室内气温明显高于塑料大棚，而通常温度升高会造成空气相对湿度下降。

图7 日光温室和塑料大棚在冬季典型天气下空气相对湿度日变化

2.3 番茄产量

截至2020 年5 月15 日拉秧，塑料大棚和日光温室番茄每667 m2产量分别为4 585 kg 和4 545 kg，塑料大棚番茄产量并没有降低。

2.4 土地利用率和建造成本

为防止前栋遮阴，日光温室前后栋间距为8.0 m，土地利用率仅为48.5%；而塑料大棚的棚间距仅为3.0 m，土地利用率高达84.0%，较日光温室增加了35.5 百分点。

塑料大棚初始建造成本为194.3 元·m-2，对照砖墙日光温室建造成本约为200 元·m-2，两种类型设施的初始建造成本比较接近。

3 讨论

低温是制约设施果菜类蔬菜越冬生产的重要瓶颈问题，蔬菜栽培时设施内最低气温不得小于10 ℃，而塑料大棚通常不能达到该气温临界值。因此，多采用日光温室来保障越冬蔬菜生产。但鉴于徐淮地区发生极端低温天气的情况较少（张传福和魏家凤，2015），因此在大跨度塑料大棚基础上，考虑加上外覆盖，探索该设施类型是否能够满足徐州地区蔬菜的越冬生产。在本试验中，从测量之日2020 年1 月8 日起，至3 月31 日共计84 d，其中阴天和多云天气共占31.0%，阴天或多云天气持续最长的时间为4 d。测定期间外界日最低温度在-5.9～10.0 ℃范围变化，塑料大棚内最低气温基本可以达到当地典型砖墙日光温室的保温性能。但若遇极端低温或连续阴雨天气，设施蔬菜仍有处于温光逆境的风险，需配备辅助加热设备以保证塑料大棚蔬菜正常生产。

在试验过程中，为方便对比和管理，日光温室和塑料大棚揭开保温被和通风的时间是一致的。随着外界气温升高，中午日光温室内部出现近40 ℃的短时高温，相同环境下塑料大棚内气温低于日光温室的主要原因是塑料大棚顶部通风口宽1.3 m，日光温室仅宽1.0 m，塑料大棚通风面积和通风量显著大于日光温室。另外，定时揭开保温被的措施造成设施内早上揭开保温被后气温略有下降以及下午覆盖保温被后气温略有回升，在今后实际操作中应将定时控制改进为结合作物的温度需求，根据设施内实时气温来调控通风系统和保温被覆盖/揭开，以利于冬春季节最大程度利用太阳辐射能来提高设施内气温。

土壤导热系数受土壤质地、容重、含水量等因素影响，范围在0.75～2.35 W·m-1·K-1（邓小茜 等，2013），北墙混凝土砌砖导热系数为0.68～1.02 W ·m-1·K-1，墙体导热能力较土壤并没有优势，且墙体较薄，蓄热能力也远不如土壤。南北走向大跨度非对称塑料大棚内光照强度及光照均匀度均高于日光温室（武莹和李建明，2019），而土壤热量主要取决于太阳辐射量（邢述彦，2004），因此，白天塑料大棚土壤贮存的热量会高于日光温室，这可能是尽管塑料大棚的散热面大于日光温室，但没有出现塑料大棚夜间气温显著低于日光温室的主要原因。由于日光温室通风量小，晴天温室内气温明显高于塑料大棚，覆盖保温被后的起始气温高（图6），通常易引起当天晚上前半夜的温度会略高于塑料大棚，但后半夜随着塑料大棚土壤中贮存的热量不断释放，则出现后半夜气温略高于日光温室的情况（图6）。

本试验中塑料大棚是南北走向，解决了前后设施间遮阴的问题，极大地提高了土地利用率，增加了生产效益。另外，塑料大棚内部空间开阔，方便进行机械化作业，易实现农机与农艺相结合，便于蔬菜生产标准化、集约化管理。

4 结论

外保温覆盖大跨度塑料大棚保温性能良好，在1—3 月非连续低温，且外界日最低温度在-5.9 ℃以上时，能基本保证棚内气温维持在10 ℃左右，基本达到对照60 cm 厚砖墙典型日光温室的保温效果，且不会降低番茄产量。同时该塑料大棚还解决了日光温室土地利用效率低、空间狭小不利于机械化操作等问题，可降低人工成本，促进农民增收，在徐淮地区具有广阔的推广应用前景。