高原非耕地地区日光温室结构与热环境研究＊

邹志荣（西北农林科技大学，陕西杨凌 712199）

非耕地是指除耕地之外未被开垦的土地，或因地力条件差，不适于耕种或耕种后效益低，入不敷出，弃之不用的土地。主要类型有戈壁、滩涂、荒漠、盐碱地、山地、草甸等。统计表明，中国的沙漠、戈壁和沙漠化土地面积约130.8 万km2，在荒漠草原和干草原地带沙漠化土地面积约32.8万km2，共占国土总面积13.5%。其中国内在戈壁、荒漠、盐碱地地区的可供开发利用的土地面积至少约有3530 万hm2，占全国土地总面积的3.7%。这类非耕地土地资源开发程度低，开发潜力大。由于其不具备土壤耕作条件，大部分不适宜进行农业生产，但具有水源条件的各种非耕地区域，在国家法律法规保护范围内，可有效开发利用，尤其是在海拔高、天气寒冷的新疆、青海、甘肃、内蒙古、宁夏、陕西等西部地区，利用非耕地进行设施日光温室蔬菜有机生态型无土栽培，可大量节约耕地资源，具有较大的发展潜力。本课题组从2013 年以来在新疆、内蒙古、青海以及陕西等地开展了非耕地日光温室结构与热环境研究，取得了可喜成果，为开发利用非耕地日光温室蔬菜生产提供宝贵的经验。

非耕地日光温室结构建造

新型节能日光温室

西北戈壁地区由于其特殊的地理位置，大多数建筑材料材只能从外地采购，运输成本高，进而导致了日光温室建造成本增加。而另一方面，当地的砾石资源非常丰富。据研究，砾石热物理特性为密度2300 kg/m3，导热系数1.51 W/(m·K)，蓄热系数15.36 W/(m3·K)，具有一定的蓄热特性。因此，本研究根据砾石的热物理特性，以砾石作为后墙墙体主要蓄热材料，设计了一种新型节能日光温室，并试验探索研究了该种新型砾石后墙日光温室的性能及其实用性。

供试验的砾石后墙日光温室围护结构主要由铅丝石笼与砖块钢筋混凝土柱组成。网笼尺寸为长100 cm，高50 cm，宽50 cm，填充满直径约为10～25 cm 的砾石，网格为六边形（图1）。图2、图3 所示，铅丝的直径为0.2 cm。墙体每隔150 cm 铸造1 个截面积20 cm×20 cm 砖块钢筋混凝土柱，起支撑与承压作用。建造试验温室时，先修建砖块钢筋混凝土柱，然后在其间填入铅丝石笼，石笼与石笼、承重柱之间由铅丝铰接固定。砾石墙体厚100 cm，外层是10 cm 厚的EPS（聚苯乙烯）保温板。

图1 砾石墙体日光温室结构图/mm

图2 铅丝石笼示意图

图3 砾石墙体日光温室实况图

对照温室为普通砖墙温室，墙体采用了240 mm砖墙+120 mm 苯板+120 mm 砖墙的复合墙体。两座供试日光温室均位于陕西省杨凌示范区杨家庄，坐北朝南，东西延长，长度15 m，跨度9 m，脊高4.5 m，透明覆盖材料为PET 膜。

内蒙古、新疆、青海等地区非耕地日光温室类型

在内蒙古乌海示范点非耕地日光温室结构是9 m 跨，80 m 长，方位南偏东5°；脊高4.5 m；后墙高3.3 m，墙体采用1 m 厚砾石+10 cm 聚苯板（＞15 kg/m2），骨架采用钢管桁架结构，间距1 m，后屋面采用120 mm 彩钢夹芯板（图4）。

图4 内蒙古乌海示范点砾石日光温室

在新疆阿克陶示范点非耕地日光温室结构是9 m 跨，75 m 长，脊高5 m。后墙高4 m，120 mm 双面彩钢夹芯板轻质后屋面，增加了温室抗载荷能力。为了提高夜间温度，采用了西北农林科技大学研发的空气源主动蓄热技术（图5）。

图5 新疆阿克陶示范点非耕地日光温室

在青海互助县示范点非耕地日光温室结构是10 m 跨，100 m 长，脊高4.5 m。后墙高3.3 m，墙体采用1 m 厚砾石+10 cm 聚苯板（＞15 kg/m2），骨架采用钢管桁架结构（图6）。

图6 青海互助县非耕地日光温室

非耕地日光温室温度性能

传统的日光温室墙体是利用土壤、砖块、复合材料等建造。对于砾石一类的石块墙体是否具有较好的蓄放热功能，是否保证冬季温室果菜类喜温性蔬菜正常生产还是一个需要探讨的问题。笔者团队分别在陕西、内蒙古等地做了试验，得出以下结论。

在陕西杨凌试验条件下，新型砾石墙体日光温室与普通砖墙温室相比，室内温度有较大幅度的提高，典型天气晴天（2015 年1 月22日）、阴天（2015 年1 月25 日）、雪天（2015年1 月28 日）天分别平均提高4.0℃、5.0℃、3.2℃(图7)。

图7 典型天气晴天（2015 年1 月22 日）、阴天（2015 年1 月25 日）、雪天（2015 年1 月28 日）天室内温度差日变化曲线

整个试验期间（2014 年12 月27 日～2015年1 月31 日）室温平均提高4.3℃，最低气温提高3.2℃。从墙体内温度看，新型砾石墙体日光温室在试验期间与普通砖墙温室相比，由于砾石墙体内缝隙多，空气自然对流强，墙体内不同深度的温度均有提高。只有晴天开启保温被后表面温度差最大，其他时间40 cm 处温度提高最显著。

砾石温室墙体内在0 cm、20 cm、40 cm 处的温度比普通砖墙内温度晴天（2015 年1 月22日）平均提高6.7℃、7.4℃、9.8℃，阴天（2015年1 月25 日）平均提高4.0℃、5.3℃、6.4℃，雪天（2015 年1 月28 日）平均提高2.8℃、3.9℃、4.8℃。通过实验对比分析，新型砾石后墙墙体具有良好的蓄热能力，提高温室内的气温，与对照普通砖墙相比土建基础可以节约造价25%。

从表1 中可知，两种日光温室种植番茄单果重与单株产量差异性显著。砾石温室内种植的番茄单果重和单株产量较高，普通节能砖墙温室内种植的番茄单果重和单株产量最低。相比普通节能砖墙温室，砾石蓄热墙体温室提高35%，说明砾石温室更利于作物生长，产量增加明显。因此，经过对数据的初步分析，砾石后墙温室蓄热保温性能较传统砖墙温室有明显提升，具有良好的蓄热性能，是砂石丰富地区温室后墙建造优先考虑的材料。

表1 不同温室对番茄产量的影响

在内蒙古乌海示范点2016 年1 月1 日～27日期间测定结果表明，砾石墙体的日光温室平均温度比原有的砖墙温室1.09～3.92℃（表2）。

表2 内蒙古乌海不同日光温室温度比较

2016 年期间是示范温室主要种植作物为番茄比较单位面积产量为砾石温室番茄产量为5966 kg/667 m2，砖墙温室番茄产量为5340 kg/667 m2，提高产量11.7%。

总结

原料资源

研究表明砾石、草泥、秸秆等材料是非耕地地区较为丰富的原料资源。供试验的砾石后墙日光温室围护结构主要由铅丝石笼与砖块钢筋混凝土柱组成，其方法简单易行，结构合理，便于推广应用。

蓄热性能

通过实验对比分析，新型砾石后墙墙体具有良好的蓄热能力，提高温室内的气温，比对照的普通砖墙温室的室温平均提高4.3℃，最低气温提高3.2℃。与对照普通砖墙相比土建基础可以节约造价25%。

种植效果

在陕西和内蒙古两地开展番茄种植比较，分别比当地砖墙温室番茄产量提高35% 和11.7%。所以，砾石后墙温室是西部高原非耕地温室建造优先考虑的类型。