返回栈式加热炉在梨园中的应用效果试验*

蒋 卉，郭 鹏，郭献平，王东升，吴中营，李亚奇

（1 河南省农业科学院园艺研究所，郑州 450002）（2 河南农业大学园艺学院）

随全球气候变化加剧，果园低温灾害频发[1-2]。与其他天气灾害相比，果园低温灾害造成的经济损失更多[3]，其中梨园遭受低温灾害主要是霜冻。近年来暖春情形增多，气候变化导致梨花期和幼果期提前[4]，夜间2～4 h 的短时低温（-2～0 ℃）即可造成花序、柱头和果柄、幼果不同程度的伤害[5]，影响花量和坐果率，造成果实品质降低或大幅减产甚至绝产[6]。实时的低温灾害预警（中国天气网，http://www.weather.com.cn/alarm/）能提前做好防范措施。但因受品种、树龄、树势、物候期、临界低温、持续时间、地形地势等因素影响，防护时机较难及时预警[7]。

防御低温灾害的措施有多种，选育抗寒耐低温品种提高植株抗性[8-10]、补充树体营养[11]、喷施防冻剂[12]等也能提升树体抗冻能力，利用逆温层效应使用烟雾发生器[13]或防霜冻风机[14-16]提升果园近地温度，使用喷淋浇灌法、生草覆盖法和加热法等[17]。其中，加热法在国内外果园低温冻害防御中的应用历史悠久，传统方法常为燃烧麦草秸秆枯枝、煤炭等，提高近地温度形成暖温层[18]，但对环境污染严重。加热炉是加热法的改进，形成低能火焰式、锥式、返回栈式等类型。经直接用于加热形成暖温层，通过在反转层内与空气混合将空气直接或间接地对流到农作物，将剩余的能量通过直接辐射方式从加热器传递到植物，因此在冻害程度较严重的极端低温冻害事件中也有效。近年来返回栈式加热器开始在国内应用，氮氧化物排放量少，对环境污染较小，但在果园的应用效果参数知之甚少[19]。

为科学高效地提升梨园低温灾害防御能力，本研究在梨花期，选择类似辐射霜冻的夜间进行测试，记录了凌晨梨园加热炉点火后，单炉和群炉在不同火势下温度、湿度、水汽压差（Vapor pressure difference，VPD）和露点温度的变化情况。并对相关数据进行了统计分析，评估了在水平棚架式梨园中开启加热炉后，近地层气候变化规律、防护效果和有效防护范围，为加热炉在梨园中的应用和设备改进提供参考。

1 试验区概况及试验方案

1.1 试验区概况

试验在国家梨产业技术体系郑州综合试验站核心示范园基地（东经113°70′，北纬35°01′）进行，年春季平均气温为14.4 ℃，无霜期224 d。测试区域的梨种植模式为二主枝水平棚架模式，冠层高度为1.6～3.0 m，行株距为4 m×2 m，树龄12 年（2009年春种植）。测试时间和梨园实时温度变化如图1所示。

1.2 试验设备

防霜加热炉（史玛特TM加热器果园版）的结构和水平棚架模式栽培梨园的现场安装情况如图2 所示。

1.3 试验观测仪器

蓝牙温湿度计（成都佳锂科技有限公司）实时记录温度、湿度、水汽压差（Vapor pressure difference，VPD）和露点温度。蓝牙温湿度计校准误差±0.1 ℃以内，精确值为0.01 ℃。记录频率为1 min/次。

小型气象站（Vantage Pro2 Plus 无线自动气象站，Davis）位于测试区域外50 m 左右。实时记录温度、湿度、露点温度、风速等参数。记录频率为30 min/次。

1.4 单炉对梨园环境因子影响的试验方案

当日下午提前放置加热炉，并添加柴油30 L/炉（加热炉置于二主枝水平棚架内）；测试点如图3-A 所示。以炉体为起点，在加热炉以东直线方向上布置测试点，放置温湿度计，分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 m（图3-B）。

1.5 群炉对梨园环境因子影响的试验方案

根据单炉测试结果，采用加热炉隔行交替放置、顺行距离炉距为12 m，每667 m2放置8 个炉，加热炉放置方法如图3-A 所示。根据周围炉数量（4、3、2 个或1 个）与四周炉距离不同（4 m 或6 m），设置7 类监测点，分别为I 类（1 号）、II 类（2、3 号）、III 类（4、5、6、7 号）、IV 类（8、12、16、20 号）、V 类（9、13、17、22 号）、VI类（10、14、18、23 号）、VII 类（11、15、19、21 号），24 号温度计置于离测试区100 m 左右的梨树冠层处，记为对照（CK）（图4）。

1.6 数据分析

使用Excel 2019 和OriginPro 2019b 软件进行数据分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 防霜加热炉单炉对梨园环境因子的影响

2.1.1 单炉升温初期对梨园环境的影响

加热炉开启后，升温过程中，随着时间的推移，温度、湿度、VPD 和露点温度等环境因子的变化趋势符合Boltzamann 函数y＝A2＋［（A1－A2）/（1＋e（x-x0）/dx）］分布，其中x为点火后持续时间，y为相应的环境因子指标，A1、A2、x0、dx 等参数值如表1 所示。

表1 单炉点火初期环境因子随时间变化的Boltzamann函数参数值

如图5 所示，加热炉开启5～10 min 开始升温，15～20 min 快速增加，25～30 min 趋于平衡，达到热平衡的时间随着距离的增加而延长。1、2、3、4、5、6 m 处的温度分别增加21.85、6.35、5.75、1.88、1.52、1.80 ℃，表明单炉在6 m 范围内能产生1.5 ℃以上的增温。加热炉开启后湿度快速下降，大火时1 m 处的湿度降幅为57.29%，2～3 m 处湿度降幅为29.66%～31.70%，4～6 m 处的湿度降幅为12.77%～14.56%。1 m 处的VPD 增幅达到1 188.18%，2～3 m处VPD 增幅为178.99%～180.80%，4～6 m 处的VPD 增幅为32.03%～43.11%。1 m 处的露点温度增幅为89.35%，2～3 m 处的露点温度增幅为21.83%～41.65%，4～6 m 处露点温度增幅为13.30%～15.20%。表明加热炉开启后，1 m 处的露点温度急剧增加，4～6 m 处仍有小幅增加，表明加热炉有效影响范围为＞6 m。但大火时加热炉1 m 范围内环境因子变化较大，可能导致此范围梨花器组织失水较快，且对其生理代谢有一定影响。

图5 单炉点火初期1～6 m 内环境因子随时间的变化趋势

2.1.2 单炉稳定期不同距离对环境的影响

在不同火势情况下温度趋于平衡后，各项环境因子指标随距离的变化与自然条件趋势一致，温度、湿度、VPD 和露点温度等变化趋势均符合Exponetial 函数y＝y0＋A×e（R0×x）分布，其中x为测试点距炉的距离，y为相应的环境因子值，y0、A、R0等参数值如表2 所示。

表2 单炉稳定期环境因子随距离变化的Exponetial函数参数值

由图6 可以看出，火势大小影响温度增幅，大火较中火1 m 处高6.95～10.57 ℃，2～3 m 处高1.05～1.44 ℃，4～6 m 处高-0.09～0.72 ℃，表明火势增大后大幅增加了1 m 内的温度，而对热量的扩散范围与中火一致。火势大小影响湿度降幅，大火较中火1 m 处低7.00%～9.12%，2～3 m 处低1.87%～3.96%，4～6 m 处低-0.50%～1.93%。火势大小影响VPD增幅，大火较中火1 m处高1.26～2.13 kPa，2～3 m 处高0.09～0.18 kPa，4～6 m 处高-0.04～0.06 kPa。火势大小影响露点温度增幅，大火较中火1 m 处高2.86～4.21 ℃，2～3 m 处高0.59～1.69 ℃，4～6 m 处高0.05～0.62 ℃。表明离炉越近环境因子变化越剧烈，4～6 m 处VPD 和露点温度与自然环境趋于一致。此外，50 cm 处温度较自然温度增加32 ℃左右，进一步证明加热炉在静风环境下的热扩散能力有限。在实际应用时应考虑环境因子剧烈变化对梨树花器生长发育的影响。

图6 单炉稳定期环境因子随距离变化的趋势

2.1.3 单炉稳定期对梨园环境的影响

环境因子趋于平衡后，与自然环境因子形成较稳定的差值。从图7 可以看出，中火时1～6 m 处分别增温15.32～18.71、5.23～5.99、4.69～5.23、2.00～2.18、1.74～2.02、1.93～2.06 ℃；大火时1～6 m 处分别增温24.09～25.53、7.24～7.95、6.52～6.80、2.01～2.16、1.66～2.23、2.07～2.23 ℃；7～10 m 处仍有极小幅度的增温。中火1～6 m 处的湿度分别降低了47.97%～52.80%、20.61%～23.58%、19.52%～23.51%、10.60%～11.79%、9.31%～11.04%、9.41%～10.84%；大火1～6 m 处的湿度分别降低了53.52%～55.93%、20.13%～23.35%、20.01%～22.39%、2.14%～4.57%、1.46%～3.65%和2.03%～4.62%。中火和大火1 m 处VPD 的增幅很大，分别增加了1.63～2.26 kPa 和3.40～3.78 kPa，对梨花器的生理代谢将产生较大的影响；2～3 m 处的VPD，大火时为0.45～0.58 kPa，中火时为0.28～0.41 kPa；4～6 m 处的VPD，中火时为0.008～0.011 kPa，大火时为0.039～0.088 kPa，与自然条件区域一致。中火和大火1 m 处露点温度分别增加了1.97～3.30 ℃和3.65～5.53 ℃；2～3 m 处露点温度大火时增加了1.38～3.03 ℃，中火时增加了0.99～2.06 ℃；4～6 m 处的露点温度，大火时增加了0.95～1.64 ℃，中火时增加了0.96～1.14 ℃。表明火势为中火、大火时，宜将植株与火源距离保持在1 m 以外，为保证炉群范围内的有效防护，火源与植株距离需在4～6 m 以内；或通过降低火势减小对花器的影响。

图7 单炉稳定期对环境的影响

2.2 群炉对梨园环境因子的影响

2.2.1 点火至熄火不同时期群炉范围内外对温度的影响

从图8 可以看出，在点火阶段群炉范围内即产生了升温，完成点火后30 min 左右各区域的温度均达到平衡状态，进入稳定期。炉群中心温度增加4.5～5.0 ℃，炉群边缘温度增加2.0～3.5 ℃，炉群外0～6 m 范围内增温0.5～2.0 ℃，炉群外6～12 m范围内增温0～0.5 ℃。该结果表明，群炉热辐射范围较单炉增加。熄火后与自然温度维持温差的时间为30～60 min。因此，需在冻害发生前30 min 内完成点火，自然温度稳定回升至霜点以上才能熄火。此外，还可以利用群炉效应交替点火，形成群防效应。

图8 群炉点火至熄火阶段群炉范围内外温度的变化（中火）

2.2.2 稳定期群炉范围内外湿度、VPD 和露点温度变化情况

为评估中火稳定期群炉对梨园各项环境因子的影响，实时监测了群炉内外各区域与自然条件下的湿度差、VPD 差和露点温度差（图9）。结果表明，群炉中心湿度降低了10%左右，VPD 升高了0.3 kPa 左右，露点温度提高了1.6 ℃左右，可能对梨花器生长发育产生影响，但整体影响不大。

图9 稳定期群炉范围内外湿度、VPD 和露点温度的变化

2.2.3 群炉中火平衡期测试点周围炉数量与温度增幅的关系

单炉测试结果表明，加热炉4～6 m 处的温度增幅极小，趋近于自然条件。为保证群炉范围内各区域均呈有效增温，故设置炉距4～6 m，每667 m2放置6～8 个炉。为分析群炉内部的叠加效应，根据4～6 m 内加热炉的数量将测试点分为IV 类（见1.5）。测试结果表明（图10），周围加热炉数量越多升温越高。中火时，I 类升温5 ℃左右，II 类升温1.0～4.2 ℃，III 类升温1.0～4.5 ℃（受微风的影响，西南方向的温度增幅偏高），IV 类升温0～1.8 ℃（单炉中火时此距离升温2.5 ℃左右）。表明4～6 m 的距离摆放加热炉具有叠加效应，可保证防护范围内增温效果。受自然风的影响会吹散一部分热量，扩大热传递面积，因此在风口处应适当增加加热炉数量。

图10 群炉中火平衡期周围炉数量与温度增幅的关系

2.3 返回栈式加热炉能源消耗成本与防护效率

对测试过程中的大火、中火燃柴油使用量和燃烧时间进行了估算（表3）。大火、30 L 柴油燃烧时间为4 h 左右，中火、30 L 柴油燃烧时间为7 h左右，每667 m2成本分别为275.4 元/h 和157.2 元/h，使用小火的成本约为36.6 元/h。为提高加热炉防霜效果，在实际应用中，建议采用4～6 m 间隔的炉距摆放，根据气温降低幅度选择火势大小。也可采用循环、间隔方式点燃加热炉，增加热扩散能力和范围，同时提高燃油利用效率，降低能耗单位面积和时间内的能耗成本。

表3 返回栈式加热炉能源消耗成本与防护效率

3 讨论与结论

国外加热炉的研发起步较早，经过数代的更迭和改进，形成多项专利技术和相应环保措施[1-4]。为应对果园极端冻害，近年来加热炉开始在我国果园防霜冻中使用，具有较好的热传递效率和稳定性。Evans 等[19]研究表明，返回栈式加热炉燃烧柴油释放物硫氧化物排放量为0.06 kg/h，氮氧化物排放量极少，对环境污染较小。与传统以废旧轮胎、麦草秸秆、木屑为燃料的燃烧法相比，加热炉法更为环保、安全系数更高、热量辐射面积更广、点火更快速简便。本研究结果表明，返回栈式加热炉升温速度较快（热平衡时间为25～30 min），群防辐射区域较广（区域外12 m 左右），可调控增温幅度（0～5.0 ℃）大，不受静风、逆温层等特定环境要求的影响，在极端冷害时可能更有效。与其他较环保的防霜设备相比，例如烟雾发生器、防霜风机等，加热炉设备成本相对较低，燃料消耗量可根据实际需求调控，不需在静风、逆温层等特定环境条件下使用，但较烟雾发生器和防霜风机的热传播速度慢，存在防护范围有限等缺陷。通过多方式联防可能可以弥补相互不足，但其有效性有待进一步验证。

本研究试验型号的返回栈式加热炉，在水平棚架式梨园应用中还存在一些缺陷。例如：炉体过高，点火、控制火势和熄火等都需要人工完成。中心区域温湿度变化极大、热扩散速度和扩散范围有限，可能对棚架式栽培梨树生长、开花、坐果等产生影响。建议降低炉体高度，利用群炉效应增加热辐射范围和流动性，以间隔点火、中小火交替等方式减少燃料热量损耗和成本。通过改进设备能量传递方式也能提升防护效率，例如Evans 等在2009 年设计的脉冲射流加热器，弥补了返回栈式加热炉近距离温度过高的缺陷[19]，但国内还未有类似设备。