地温加热对日光温室蔬菜根层土壤的升温效应

贾宋楠 范凤翠 刘胜尧 李志宏 赵楠 张哲 杜凤焕 贾建明

摘要：利用太阳能电辅加热系统通过地暖管热水循环散热直接对温室土壤进行加温，探究地暖管不同埋设深度对白天地温的时空效应，优化加热管埋设深度。结果表明，蔬菜根层地温随时间变化在空间上扩散形成类似上短轴下长轴的不规则椭圆球体。热量由集热中心向上传递显著有效距离为5 cm，向下传递显著有效距离为10 cm。地暖管最适埋设深度在10 cm处，可满足华北区冬季晴天与阴霾天气番茄、黄瓜生长所需的最适地温。

关键词：日光温室;太阳能;地温加热;土壤温度;时空效应

中图分类号： S214.3;P468.0+21  文獻标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）21-0205-07

收稿日期：2020-09-15

基金项目：河北省现代农业产业技术体系创新团队项目（编号：HBCT2018030205）;河北省农林科学院创新工程项目（编号：2019-3-3）;河北省农林科学院博士基金（编号：C19R1501）;河北省农林科学院农业信息与经济研究所省级国际科技合作基地建设项目（编号：19396443D）。

作者简介：贾宋楠（1987—），女，河北邢台人，博士，副研究员，主要从事设施蔬菜资源高效利用研究。E-mail：594200801@qq.com。

通信作者：范凤翠，博士，研究员，主要从事蔬菜资源高效利用及农业信息化研究。E-mail：njsffc@163.com。

土壤温度是指地面以下作物根层土壤的温度，日光温室蔬菜主要根系一般在5～25 cm土层[1-2]，本试验主要研究蔬菜根层土壤温度。黄瓜根系生长适宜的土温为20～25 ℃，番茄为20～22 ℃[3]。当土壤温度持续较长时间低于地温下限或高于地温上限时，根系生理功能受到阻滞，水分、养分吸收困难，植物会发生枯萎现象（尽管土壤中水分充足）[3]。所以，地温是影响蔬菜生长的重要因子。

北方保温性较差的温室在冬季连遇阴霾天或雨雪天，棚室气温及地温较低，特别是每年的12月到翌年1月的地温最低，导致果菜类根系不发达、长势慢而影响植株正常生长[4]。提高日光温室冬季地温的措施包括采用地面覆盖[5]、生物反应堆[6]、铺设地热线[7]、地中热交换技术[8-9]、地下蓄热[10]等方式。

近年来国内外研究人员将太阳能应用于日光温室，改善室内环境。Bargach等用太阳能集热器改善温室内微气候环境，可提早甜瓜收获期、改善品质以及提高育苗温室气温[11-12]。孙先鹏等开展了太阳能蓄热联合空气源热泵温室加热试验研究，以此改善温室内的空气温度、湿度等环境因素[13]。近年来，人们开始进行地温加热研究。冯前前等利用不同装置的太阳能地温系统对温室土壤进行加热提高冬季温室地温，结果表明，当散热管埋深40 cm时地温最高，且地温值变化稳定[14-17]。李炳海等研究表明，蔬菜根层30 cm处埋设散热管主要集中加热了15～25 cm深度的土壤，对浅层土壤温度影响较小[18]。

太阳能地暖管加热对地温的热传递特性及地暖管埋设深度与蔬菜根层地温关系的研究尚需丰富。本试验从时间与空间上研究分析土体加热形成的土壤温度场分布特征，以及从蔬菜根土空间分析地暖管的铺设深度。为日光温室土体加热系统对蔬菜根层地温的影响提供理论依据，优化地暖管埋设深度。而且，本试验将太阳能地温加热系统与电辅加热配套，以解决冬季极端天气日照不佳太阳能集热效果差的问题，提高冬季温室蔬菜生产。

1 温室结构及参数

试验于河北省农林科学院石家庄市鹿泉区大河镇综合试验园区“冀优Ⅱ型”日光温室内进行。该温室长5 500 cm，内跨600 cm，矢高265 cm，混凝土骨架，前屋面与地面夹角62°，采光角18°，后屋面仰角40°。墙体结构为砖混37 cm厚砖墙，后墙培土150 cm。后墙内高200 cm，底宽200 cm，上宽 80 cm。采光面呈半卵圆形（琴弦式），主采光面角度25°～30°。夜间棉被覆盖，9：00揭被，16：30盖被。石家庄市地处华北区，属温带半湿润偏旱大陆性季风气候，四季分明，日均气温13.6 ℃，日照时数 2 554 h，平均冬季时长130 d。经取土样化验，棚室内土壤为壤质石灰性褐土，土壤基础理化性质均匀。

2 材料与方法

2.1 太阳能+电辅土壤加温系统

该系统主要由太阳能+电辅集热系统、地热加温循环系统及控制系统3个部分组成（图1）。（1）太阳能集热系统。太阳能集热面积18 m2（3 m×6 m），电辅加热依设定的集热器水温及天气状况自动启动或关闭。（2）地热加温循环系统。采用PRT耐热聚乙烯管，管道直径20 mm，地热管做成U型，2管距离20 cm，平铺在种植垄下方土体不同深度，与主管道连接形成进水、回水循环系统。（3）控制系统。传感器感应土层温度，并将温度信号指示给控制器，由电磁阀自动调控热水在管道里循环，以此通过热水（控制加热水温40 ℃）循环来提高土壤温度。

地热循环系统根据太阳能水温和地温来控制循环，即当处理地温达到预设地温值20 ℃时，监测和控制该小区地温的传感器和电磁阀自动调控地热循环系统的运行。

2.2 试验方法

试验时间为2015年12月1日至2017年1月30日，在河北省石家庄市鹿泉区河北省农林科学院综合实验园区进行。每个试验小区为一个处理，小区垄宽40 cm，垄间宽80 cm，垄长400 cm，小区面积为4.8  m2（1.2 m×4.0 m）。每个小区两侧用阳光板及隔热垫纵向完全隔开，底部即地表以下50 cm处铺埋隔热垫，使各处理小环境相对独立。试验处理为散热管铺埋深度，共6个处理。处理Ⅰ：散热管铺埋于地下10 cm处;处理Ⅱ为15 cm处;处理Ⅲ为 20 cm 处;处理Ⅳ为25 cm处;处理Ⅴ为30 cm处;处理Ⅵ为对照，不做加温处理。重复3次，各处理散热管均铺埋于种植垄正下方，垄上覆地膜。试验区总面积为72  m2。试验布置见图2。

2.3 测定方法

系统于2015年12月4日运行。试验连续采集了2015年12月至2016年1月期间逐日的数据。每个处理垄不同深度埋设WatchDog B101纽扣地温自动记录仪，同时种植垄上插RM-004直角地温计。纽扣记录仪温度测量范围：-40～85 ℃，测量精度：±0.6 ℃（-15～65 ℃），尺寸：5 cm×5 cm。

由于地膜覆盖促使蔬菜根系分布浅层化，且主要根系分布层为0～25 cm土层范围，故本试验主要监测5～25 cm土层地温。

选取分析了晴天和阴天2个典型天气情况下地温的变化规律。晴天、阴天数据均选择2015年12月4日至2016年1月27日期间晴天、阴天的平均数据。晴天，环境温度为-4～8 ℃;阴霾天，环境温度为-4～4 ℃。

2.4 数据处理

数据选取09：00（卷帘前）、12：00、14：00、16：00（闭帘前）4个时间段进行分析，采用Excel 2016和DPS 2016统计软件进行分析，并在0.05显著水平及0.01极显著水平上进行多重比较。为使土壤温度分布特征直观可视，采用Auto CAD2006设计软件绘制地温空间分布模型剖面示意图。

3 结果与分析

3.1 不同天气条件下土体不加热地温变化

由图3可知，2种典型天气条件下，各土层温度在09：00—14：00为升温时段，之后稳定或下降。随着土层的加深，土壤增温过程表现出滞后性和缓慢性。蔬菜根系主要分布的土层为20～30 cm，晴天时只有5 cm土层地温达到黄瓜、番茄适宜地温 21 ℃;阴霾天，根系各层地温均低于20 ℃。需提高3～8 ℃才能使蔬菜主要根系层达到最适地温。

3.2 土体加热对根层地温的时空效应

3.2.1 地暖管埋深10 cm处对根层地温的影响

3.2.1.1 不同根层地温的时间变化

晴天，室外气温为-4～8 ℃，室内温度为14～36 ℃。由图4可知，晴天地暖加热系统可使5～25 cm土层平均地温达到21 ℃。5～10 cm土层地温在地暖管加热及太阳辐射作用下升温幅度较大。15～25 cm土层地温变化较平缓。

阴霾天，室外气温为-4～4 ℃，室内温度为11.8～12.5 ℃。阴霾天气地温变化主要源于地暖管加热，不同土层温度通过加温储热升温，09：00时20～25 cm土层地温即达到番茄、黄瓜适温范围（20～25 ℃），深层地温显著高于浅层地温。

3.2.1.2 不同根层地温的空间变化

由图5可知，晴天、阴霾天时地温传递规律大體一致。地温增温变化与对照（不加温）相比，阴霾天时以10 cm处为热源扩散中心点，温度向上传递到5 cm处，较对照地温升高了13%，向下传递到15 cm处地温升高了29%。可见，土体向下传递热量高于向上传递热量。从20～25 cm土层地温升幅值可得出，由10 cm处热源中心向下传递到20 cm的地温升幅达57%，而 25 cm 土层地温提高60%与20 cm地温提高57%相比升幅不明显，认为10 cm为向下有效传递半径。为直观表达温度传导特征，用Auto CAD2006设计软件绘制地温空间分布剖面模型，初步认为蔬菜根层地温在空间上的扩散形成类似上短轴下长轴的不规则椭圆球体。如图5所示，类不规则椭圆球体内的球体大小表示不同根层传递热量的多少。

3.2.2 地暖管埋深15 cm对根层地温的影响

3.2.2.1 不同根层地温的日变化

晴天时通过加温可使根层土壤平均温度达到番茄、黄瓜适温21 ℃;阴霾天时地暖管加热可使地温平均达到19 ℃。通过加温比对照提高2～7 ℃。由图6-b可知，12：00之后，阴霾天 20～25 cm土层地温达到适温。热量由热源中心 15 cm 处向周围传递，20与25 cm层升温最快。

3.2.2.2 不同根层地温的空间变化

由图7可看出，阴霾天时，15 cm处为热源扩散中心，温度向上传递地温提高2～3 ℃，提高了13%～17%;温度向下传递地温升高了28%～44%。可见，土体向下传递热量高于向上传递热量。15 cm处热源扩散中心向下传递到达25 cm土层的温度升幅最大。同“3.2.1.2”节，绘制根层地温空间分布模拟图，可见，根层地温在空间上的扩散形成一个类似上轻下重的储热球体，该球体空间剖面示意如图7所示。

3.2.3 地暖管埋深20 cm对根层地温的影响

3.2.3.1 不同根层地温的日变化

如图8所示，晴天加温，12：00以后根层平均地温达到适温21 ℃，且不同根层温差小;阴霾天加温，在12：00以后 25 cm 地温升高达到适温，其他各层地温均未达到，且不同根层地温差较大。通过加温平均地温比对照提高3.7 ℃。阴霾天加热系统对地温的影响，表现出深层地温高于浅层地温。

3.2.3.2 不同根层地温的空间变化

由图9可见，阴霾天时，20 cm处为热源扩散中心，温度向上传递到15 cm处地温比对照升高了23%，明显高于10、5 cm 处12%的升幅;温度向下传递到25 cm处地温升高了46%。说明，接近散热中心的根层升温高，且土壤温度向上传递显著有效距离为5 cm。同“3.2.1.2”节，绘制根层地温空间分布剖面模拟图，如图9所示。

3.2.4 地暖管埋深25 cm对根层地温的影响

3.2.4.1 不同根层地温的日变化

由图10可知，地暖管埋深在25 cm处，晴天时，浅层地温升温快;阴霾天时，地暖管周围20～25 cm处地温升温快。16：00时20～25 cm土层地温才达到适温线。阴霾天气地暖管地温加热系统对各层地温起主要作用，表现出土壤热导性向下传。

3.2.4.2 不同根层地温的空间变化

由图11可以看出，25 cm处为热源扩散中心，阴霾天温度向上传递到 20 cm 处地温升高了31%，15 cm处地温升高了26%，10 cm处温度升高了20%，5 cm处温度升高了14%。由此说明，近热源中心的地温升温幅度高于远热源中心的地温。同“3.2.1.2”节，绘制不同根层地温空间分布剖面模型，见图11。

3.2.5 地暖管埋深30 cm处对根层地温的影响

3.2.5.1 不同根层地温的日变化

如图12所示，晴天时加温措施可使平均地温达到24 ℃，阴霾天时加温措施可使20～25 cm土层地温达到适温21 ℃，其他各土层地温均低于适温，不同根层地温差较大。30 cm 处为散热中心，热量由此向上传递对 25 cm 土层地温作用较大，对其他层次地温作用较小。图12所示的地温特征曲线表明阴霾天气时土壤热量向下比向上传递多。

3.2.5.2 不同根层地温的空间变化

由图13可看出， 30 cm处为热源扩散中心， 温度向上传递，阴霾天5～25 cm 土层地温较对照分别提高了18%、25%、31%、38%、54%。通过方差分析25 cm土层升温值显著高于其他各层升温值，温度向上传递显著有效距离为5 cm。由此说明，接近热源中心的地温升幅大，距离热源中心远的土层升温小。同“3.2.1.2”节，绘制不同根层地温空间分布剖面模型，见图13。

3.3 地暖管不同埋设深度对根层地温的日效应

3.3.1 地暖管不同埋设深度对根层地温的方差分析

由表1可知，与对照相比通过土体加热提高地温效果显著。晴天时，地暖管埋深10 cm处与30 cm处0～25 cm根层日均温极显著高于对照，且分别较对照提高了4.54和4.62 ℃，达到蔬菜生长适宜的地温。阴霾天时，各处理区根层日均温度均显著高于对照，只有10 cm与30 cm处根层日均温度达到蔬菜生长适宜的地温下限20 ℃。

3.3.2 地暖管不同埋设深度对根层地温的回归分析

分析2种天气条件下地暖管不同埋深与根层平均日温的关系，可知蔬菜主要根系层平均地温随地暖管埋深增加呈现先降低后升高的趋势。

建立2种典型天气条件下蔬菜根层地温与地暖管埋深的回归模型，如式（1）、式（2）所示：

Y晴天=0.015 9x2-0.631 6x+27.955 0，R2=0.998 6;（1）

Y阴霾天=0.016 8x2-0.674 8x+25.446 0，R2=0.897 1。（2）

式中：Y晴天、Y阴霾天分别表示晴天、阴霾天蔬菜根层平均地温对地暖管埋深的效应函数。由回归方程式（1）和式（2）中一次项系数可知，地暖管埋深对不同天气根层地温具有显著负效应，且对阴霾天根层地均温的影响大于晴天根层地温。

4 讨论与结论

太阳能地温加热系统提高土壤温度效果显著[18-19]。晴天时，太阳辐射对地温的作用要大于地暖管的加温作用;阴霾天时，地暖管的加温效果较显著。关于散热管不同埋深对夜间土壤温度的影响以及地温变化对作物生长影响的研究正在进一步探索。

地温时空变化方面，热源稳定情况下，蔬菜根层温度平缓升温且随深度增加热量积累增加，土壤热传导性向下传递。地温增加量随时间变化在空间上扩散形成近似上短轴下长轴的不规则椭圆球体。

在热源埋深方面，已有研究表明埋管深度越深，土壤表层温度越低;随着散热管埋深增加，对根区温度场影响减弱，在蔬菜根层30 cm处埋设散热管，结果显示热能主要集中加热了15～25 cm深的土壤[19-20]。本研究发现热源埋深在10与30 cm处均可使地温达到番茄、黄瓜生长适宜地温，但埋深在30 cm处达到适温的根土空间较埋深在10 cm处的范围小。土体加热系统运行时，离散热管越远地温变化越滞后。

本研究发现了在光照较弱或阴霾气候条件下，通过电辅加热来提高太阳能地温加热系统内循环水的水温，可以有效提高整套系统的工作稳定性和实际增温效果，保证地温维持在适温，以防因地温低而影响当季蔬菜种植生产[21]。

日光温室土体加热对阴霾天日均地温升温的影响大于晴天。蔬菜根层土壤温度传递表现出向下传导趋势。“冀优Ⅱ型”日光温室全覆膜种植模式下，地暖管埋设深度在10 cm处，可满足冬季晴天、雾霾天气条件下番茄、黄瓜根系生长所需的最适地温20～25 ℃。

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