农大V 型日光温室越冬性能研究

张振兴，张玉锦，李 宁，李恭峰，高亚新，李青云

（河北农业大学园艺学院 河北保定 071001）

我国是农业大国，在农业发展过程中，设施农业占有较大比重。日光温室是我国现阶段在园艺生产过程中使用最广泛、数量最多的农业设施，也是中国北方地区冬春季节的主要栽培设施类型[1]。日光温室的墙体是集蓄热、保温、隔热为一体的温室围护结构，是日光温室重要的组成部分[2]。日光温室墙体材料的发展经历了3 个时期，即单一材料墙体阶段、复合异质墙体阶段、新型材料应用初期阶段[3]。

在日光温室墙体发展过程中，土质墙体具有良好的蓄热保温性能，但建造费工，占地面积大，且对耕层土壤改变较大，在地下水位高的地区建造受限，受以上因素限制，正在逐渐失去政策支持；砖墙占地面积虽小，但成本上升，建造费工，环保性差。随着科技和产业的发展，人们越来越关注便于标准化建造、机械化作业和智能化管理的新型墙体结构日光温室，如用聚苯板、草砖、棉被等材料建造的组装式温室[4-10]。张立芸等[11]的研究发现，用加气混凝土砌块替代实心黏土砖所建造的温室具有节能环保等特点。李成芳等[12]分析了日光温室墙体绝热层的位置，发现外贴聚苯保温板的经济性能和热工性能好于中间夹保温板的复合墙体。陈端生[13]的研究表明，墙体外层用加气砖可将室内气温提高0.5～0.8 ℃。马承伟等[14]对复合构造墙体材料分析得出，内侧材料注重蓄热性，应为导热良好（即保温性差）的材料，而选用保温性好、蓄热性差的材料则是错误的做法，外侧注重保温性，应选用保温性良好（即比热容与密度较高）的材料。

顾金寿[15]通过对复合相变墙体材料在温室大棚后墙中的应用研究发现，复合相变材料具有潜热性，与显热储能相比，其蓄热储能密度更高，蓄放热范围更小，实际效果更好。除此之外，相变温度范围能够为农作物带来良好的生长环境，将其运用在温室大棚后墙的砌筑上能够将太阳能进行合理利用，使温室全天都处于适合作物生长的环境中，还能够在一定程度上保护生态环境，是促进农业发展、保护社会环境的重要举措。张勇等[16]通过对新型相变材料蓄放热性能测试及在温室内的应用研究发现，将相变材料应用到温室的建造中，可利用其蓄放热特点实现太阳热能地点、时间的转移，其贮热方式是相变潜热储热，与显热式贮热相比，潜热式贮热可以储存更多的热量，且相变过程近似等温。程素香[17]研究发现，将相变材料用于温室，不但能够帮助温室高效利用洁净可再生的太阳能资源，节约不可再生能源，减少环境污染，而且可以减小温室内部温度变化幅度，有利于维持温室内部温度稳定，有效提高温室蓄热能力和保温性能，增加室内温度的自调节功能，有利于给作物提供一个舒适的生长环境，提高经济效益。

在大力发展节地型现代园艺设施背景下，笔者所在课题组创制了由聚氨酯隔热层、相变材料蓄热层为后墙结构的组装式全钢架日光温室，暂定名农大V 型温室。为探明农大V 型日光温室的环境性能，以生产越冬果菜的砖土复合墙为对照，监测了农大V 型日光温室越冬生产番茄期间的温度参数，分析其越冬保温和升温能力，旨在探讨该温室在冀中南地区设施蔬菜生产中的实用性。

1 材料与方法

1.1 试验温室

供试日光温室分别为农大V 型相变集热蓄热墙全组装日光温室（以下简称农大V 型温室）、砖土复合墙温室（CK），位于河北省邯郸市怡康农业园区内。农大V 型温室棚体由全钢架支撑，前屋面和后坡为装配式热镀锌几字钢桁架，桁架间距1 m。桁架在屋脊处设拉杆1 道，前屋面桁架设拉杆6 道，拉杆固定在下弦上。后墙和山墙设方钢立柱支撑，方钢（直径10 cm）间距2 m。后墙方钢立柱与后坡桁架之间设1 根方钢檩连接固定。后墙中间为方钢，直径10 cm，外设厚度10 cm 水泥隔墙板，墙板外喷涂聚氨酯保温，厚度5 cm，在聚氨酯外喷水泥砂浆保护层；在钢架内部固定厚度10 cm 的水泥隔墙板，隔墙板高2.95 m，在墙板的孔内封装2.7 kg·m-2相变材料，相变材料总量615.5 kg。山墙内部为方钢，外设厚度10 cm 水泥隔墙板，墙板外喷涂聚氨酯3 cm 厚，在聚氨酯外喷水泥砂浆保护层，其剖面图见图1。2 种温室具体参数见表1。

表1 2 种类型日光温室结构与参数

图1 农大V 型日光温室剖面

2 种温室内种植作物均为番茄（冀番11 号，由邯郸市农业局提供），于2021 年10 月23 日定植，土壤栽培，大行距80 cm，小行距40 cm，株距35 cm，农大V 型温室种植1800 株，砖土复合墙温室种植1240 株。田间管理同常规生产，由技术员统一指导管理。

1.2 测定指标及方法

2021 年11 月中旬至2022 年2 月下旬采用RC-4HA/C 温湿度记录仪（江苏精创电气股份有限公司）测定气温，采用杭州智拓仪器记录地温。测量精度均为0.1 ℃，间隔30 min 自动采集数据1次。在温室1/2 跨度，由东向西1/4 长度、1/2 长度、3/4 长度，番茄冠层高度（即1.5 m），分别放置一个温湿度计以记录温室内气温数据，并在温室1/2 长度，由南向北1/4 跨度、3/4 跨度，地下10 cm 处放置地温仪监测地温；在室外距离温室3 m 远、高1.5 m 处放置温度计监测室外气温。温室内气温及地温测点分布如图2 所示。

图2 温室气温及地温测点分布

指标计算：

上午升温值=b-a1，下午降温值=b-a2，夜间降温值=a2-a1（T+1），昼增温值=c1-c2，夜增温值=d1-d2。式中，a1：揭苫前气温；b：中午12：00 气温；a2：盖苫时气温；c1：温室白天最高气温；c2：室外白天最高气温；d1：温室夜间最低气温；d2：室外夜间最低气温；T：当天的气温；T+1：次日的气温。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2016 处理数据，SPSS 23统计分析。

2 结果与分析

2.1 2种类型温室的气温和有效积温比较

2.1.1 日平均气温和有效积温 由表2 可以看出，2021 年11 月中旬至12 月上旬，农大Ⅴ型温室的日平均气温较高，在13.95～16.97 ℃之间，比室外高6.36～8.35 ℃，且与砖土复合墙温室（CK）没有差异；2021 年12 月中旬至2022 年2 月下旬，农大Ⅴ型温室的日平均气温始终低于CK，其中1 月下旬最低，为7.89 ℃，比室外高7.97 ℃，但比CK 低2.24 ℃，差异显著，其他时期的日平均气温比CK低2.24～6.04 ℃，但均在10 ℃以上。

表2 2 种类型温室日平均气温及旬积温比较

温室的有效积温情况能充分反映温室的保温蓄热情况。旬积温方面，2021 年11 月中旬至12 月上旬，2 种类型温室有效积温差异不大，而12 月中旬至2022 年2 月下旬，农大Ⅴ型温室的有效积温始终低于CK，其中1 月下旬有效积温最少，为23.19 ℃，比CK 少35.70 ℃，其他时期的有效积温比CK 少22.35～60.94 ℃。

2.1.2 最高气温和最低气温 由表3 可以看出，在整个测量期间，农大Ⅴ型温室的最高气温一直高于CK 与室外气温，其中11 月下旬气温最高，为31.61 ℃，比CK 高5.74 ℃，比室外高11.75 ℃，其他时期的最高气温较CK 高1.60～5.95 ℃，较室外高7.07～14.99 ℃；最低气温方面，12 月上旬农大Ⅴ型温室为7.75 ℃，较CK 高0.99 ℃；其他时期农大Ⅴ型温室的最低气温均明显低于CK，其中2 月上旬最低，为3.88 ℃，比CK 低6.67 ℃，12 月中旬至2 月下旬较CK 低2.99～8.16 ℃，除11 月中旬与12 月上旬外差异显著。农大Ⅴ型温室的最低气温一直高于室外，温差为6.37～9.42 ℃。

表3 2 种类型温室日最高气温、最低气温比较

2.1.3 地温的平均值和最高值、最低值 由表4 可以看出，11 月中旬至12 月上旬，农大V 型温室的日平均地温、最高地温和最低地温与CK 相比，差异不显著。12 月中旬至2 月下旬的日平均地温、最高地温和最低地温较CK 相比分别低2.20～5.93 ℃、2.25～5.02 ℃、2.25～5.02 ℃，差异显著。农大V 型温室的日平均地温与CK 相比低0.46～5.93 ℃（11 月中旬、12 月上旬除外），最高地温与CK 相比，低0.62～7.62 ℃（11 月中旬、12 月上旬除外），最低地温与CK 相比低0.09～5.02 ℃（11 月中旬除外）。其中2 月下旬差距最大，农大V 型温室的日平均地温为11.43℃，与CK 相比低5.93 ℃；最高地温为12.24 ℃，与CK 相比低7.62 ℃；最低地温为10.29 ℃，与CK 相比低5.02 ℃。由此可以看出，农大V 型温室的地温保温和升温能力低于砖土复合墙温室，在12 月中旬至2 月下旬差距较为显著。

表4 2 种类型温室日平均地温、最高地温和最低地温比较

2.2 2 种类型温室气温在10 ℃及20 ℃以上的时间

由表5 可以看出，11 月中旬、12 月上旬农大Ⅴ型温室气温在10 ℃以上的时间较长，与CK 相比无明显差异；其他时期农大Ⅴ型温室气温在10 ℃以上的时间明显少于砖土复合墙温室，较CK 少46.66～137.34 h，差异显著。整个观测期间，农大Ⅴ型温室气温在10 ℃以上的时间共1 274.18 h，旬均115.84 h；砖土复合墙温室共2 199.33 h，旬均199.94 h。

由表5 可知，11 月中旬至1 月上旬，以及1 月下旬，农大Ⅴ型温室气温在20 ℃以上的时间多于CK，较CK 多2.17～17.17 h，差异显著；而1 月中旬以及整个2 月份，农大Ⅴ型温室气温在20 ℃以上的时间少于CK，较CK 少1.33～11.00 h，差异显著。

表5 2 种类型温室气温在10 ℃及20 ℃以上的时间比较

2.3 2 种类型温室的昼夜温度变化

2.3.1 上午升温值、下午降温值及夜间降温值由表6 可以看出，在整个观测期间，农大Ⅴ型温室的上午升温值、下午降温值及夜间降温值（12月上旬和中旬除外）均高于砖土复合墙温室。11月中旬至2 月下旬，农大Ⅴ型温室的上午升温值与CK 相比，高2.32～11.96 ℃；农大Ⅴ型温室的下午降温值与CK 相比，高1.43～8.69 ℃，差异显著；农大Ⅴ型温室的夜间降温值与CK 相比，低1.26～5.29 ℃，12 月上旬和12 月中旬除外。

表6 2 种类型温室上午升温值、下午降温值及夜间降温值比较

2.3.2 昼夜增温值比较 由表7 可以看出，在深冬季节，农大Ⅴ型温室的昼增温值始终高于CK，农大Ⅴ型温室昼均增温10.90 ℃，CK 昼均增温7.08 ℃，昼均增温较CK 高3.82 ℃，11 月中旬至2 月下旬，农大Ⅴ型温室的昼增温值与CK 相比，高1.60～5.95 ℃；而在夜增温值方面，除12 上旬外，农大Ⅴ型温室始终低于CK，农大Ⅴ型温室夜均增温8.10 ℃，CK 夜均增温12.41 ℃，夜均增温较CK 低4.31 ℃。

表7 2 种类型温室昼夜增温值比较

2.4 晴天不同温室温度日变化比较

为比较2 种温室在不同月份晴天时温度变化情况，在11 月、12 月上旬、1 月、2 月各选取一个晴天（11 月17 日、12 月8 日、1 月18 日、2 月19 日）为代表，分析晴天不同类型温室和室外的气温日变化规律。由图3～6 可以看出，2 种温室的温度日变化情况与室外基本相同，即白天的气温较高，而夜间气温维持在一个比较低的水平，但不同月份2 种类型温室温度高低情况不同。由图3 可见，11 月份晴天时2 种温室夜间温度无明显差异，但农大Ⅴ型温室白天温度高于CK；由图4 可知，12 月上旬晴天时农大Ⅴ型温室夜间和上午温度略高于CK，下午温度低于CK，夜间温度2 种温室差距不大；由图5～6 可见，1 月份、2 月份晴天时农大Ⅴ型温室夜间和下午温度明显低于CK。

图3 11 月典型晴天温室温度日变化

图4 12 月上旬典型晴天温室温度日变化

图5 1 月晴天温室温度日变化

2.5 2种类型温室番茄最早成熟时间与产量比较

由表8 可知，在笔者的研究中，农大Ⅴ型温室番茄最早成熟时间为2022 年2 月18 日，砖土复合墙温室（CK）番茄最早成熟时间为2022 年2 月6日。农大Ⅴ型温室番茄单果质量较CK 低4.50 g，差异不显著；单株结果数较CK 少1 个，差异不显著；折合667 m2产量较CK 少708.32 kg，差异不显著。

表8 2 种类型温室对番茄最早成熟时间和果实产量的影响

图6 2 月典型晴天温室温度日变化

3 讨论与结论

在一定的范围内，温室的平均气温越高，越有利于蔬菜的生长。蔬菜的生长需要温度的积累，蔬菜各器官生长发育均需要一定范围的积温，冬季的有效积温多少直接影响温室蔬菜的产量，有效积温越高越有利于产量的提高。温室的最高温度反映温室的升温能力，最低温度反映温室的保温能力，两者差值体现温室的温差大小，不同作物生长习性不同，对环境要求不同，有些作物喜大温差，而有些作物喜小温差，大温差利于喜温果菜植株生长和果实发育。同样，地温的高低影响作物的生长发育，同时也可以在一定程度上反映温室升温保温性能。栽培环境气温高于10 ℃时果菜类蔬菜才能正常生长，低于10 ℃果菜生长缓慢甚至停止生长，当气温达到20 ℃以上的时候，果菜类蔬菜进入快速生长阶段，开始大量积累有机物。

通过对观测期间的数据进行统计分析，分别对2 种类型温室的日平均温度、旬积温、日最高气温、日最低气温、日均气温在10 ℃及20 ℃以上的小时数、上午升温值、下午降温值及夜间降温值以及昼夜增温值进行比较，发现CK 保温性能更佳，棚温变化慢，温度更为稳定，温差相对较小，适宜种植小温差管理的作物；农大Ⅴ型温室相比于CK 温度变化快，温差大，适宜种植大温差管理的作物。不同温室升温保温性能的差异最终体现在作物的生长发育情况上，而作物的最早成熟时间和产量的高低是温室性能的直观体现，通过对2 种类型温室的番茄最早成熟时间和果实产量的比较，发现农大Ⅴ型温室较CK 番茄成熟晚12 d 左右，单果质量和单株结果数略低，但也能够满足越冬生产需求。综合来看，农大Ⅴ型日光温室在冀中南地区具备越冬生产能力，在推广中具备可行性，但仍有改进空间，后续通过一系列结构参数改进或栽培技术的改进，可进一步提升其性能，进而提升其在冀中南地区越冬生产的能力。

与农大Ⅴ型温室进行对照的砖土复合墙温室在冀中南地区深冬生产能力稳定，已经过多年实际生产检验，而在该研究过程中2 种类型温室虽在深冬季节保温性能存在一定差异，但都能为果菜生长提供基本的生长环境，保证作物的正常生长；并且农大Ⅴ型温室内部跨度大，空间大，因此更能满足时下机械化操作对温室的要求。研究认为农大Ⅴ型温室在冀中南地区推广具有可行性，但由于农大Ⅴ型温室跨度大，散热面积大，夜间散热较多，这影响了它的整体保温性能，导致温室夜间温度较低，因此在冀中南地区推广时建议越冬生产选择番茄尤其是樱桃番茄、西葫芦等果菜中要求温度稍低的种类；或者从茬口上进行调整，采用秋冬茬和冬春茬1年2 茬生产，使生长期避开温度最低的1 月；或者在种植过程中采取额外的增温措施（如覆盖二膜、夜间燃烧增温块等）或改善管理措施（如晚揭苫、早盖苫等），以此来提升温室的温度，保证作物的正常生长[18-23]。

目前，从蓄热材料的发展来看，相变材料仍是发展的重点。相变材料具有较高的热能储存密度，且在相变过程中相变潜热较大，相变温度恒定，在控制体系温度方面具有优异特性[24-26]。相变潜热值较大、无毒、无泄漏、无腐蚀等现象、且原材料来源广泛、价格便宜等[27-28]。并且，与CK 相比，农大Ⅴ型温室还具有以下优势：（1）便于机械化操作。农大Ⅴ型温室建造时预留侧门，便于大型机械进入；农大Ⅴ型温室距前屋面底角 1 m 处棚架高度1.6 m，较距前屋面底角1 m 处棚架高度1 m 的CK更加便于操作。（2）用工成本低。由于农大Ⅴ型温室便于机械化操作，因此在深翻时可采用大型机械，而CK 在靠近前屋面底角2 m 处大型机械就不能操作，需要人工深翻，并且农大Ⅴ型温室开关风口等操作均为电动控制，因此较CK 而言人工费用更低。（3）土地利用率（栽培面积/建造面积）高。农大Ⅴ型温室土地利用率为96.58%，而CK 只有88.04%。（4）昼夜温差大，有利于喜温果菜植株生长和果实发育，昼夜温差大会减少作物夜间的不必消耗，增加同化物的积累，有助于果实品质提升。（5）农大Ⅴ型温室配有补光灯等设施，在连续阴天条件下可为作物补光，并且农大Ⅴ型温室的设计更便于物联网系统的配置，提升温室智能化水平。（6）国家政策大力支持。近年来国家禁止破坏耕层，农大Ⅴ型温室在建造过程中无需打基层、无需取土施工，因此不会破坏耕层，而CK 在建造过程中需要打基层、需要破坏耕层取土，因此在社会发展过程中，砖土复合墙温室将逐渐被淘汰，农大Ⅴ型温室这一类不用砖土等建造材料的新型温室将成为新的发展方向。

综合来看，农大Ⅴ型温室可满足冀中南地区果菜越冬生产需求，符合我国日光温室改建升级的发展趋势，具备在冀中南地区推广的可行性。