增温对农业生产影响的研究

农业增温技术作为一种提高作物产量的新型技术，属于先进技术和科学管理手段与农业生产相结合的范畴。农业增温技术是一种通过空气热对流、热辐射、土壤热传导（耕层土增温）、灌溉水增温等方式，使作物及作物所在的空气环境、根区土壤环境，所需的灌溉水、肥料等达到适宜温度，促进作物生理生长的技术。农业增温通过提高作物所在环境及作物所需要的水肥等营养元素的温度，改善了土壤中水、气、微生物等因素对作物的影响，为作物创造良好的生长条件。

一、空气增温技术在农业领域的应用

目前，空气增温的方式主要有冷热空气对流和温室墙体蓄放热两种。

（一）冷热空气对流增温方式

冷热空气对流增温是通过热风机或者各种新型设备，直接向温室内吹入热空气或者直接在温室内加入其他加热设备与普通风机相结合，提高温室空气温度。此类加温方法通过风机往室内吹热风，室内空气既有风机的强制对流，同时，又由于进入温室的热风温度与室内的空气温度存在一定的温差，引起热压自然对流，温室的四周受到围护结构的约束，在自然对流和强制对流并存的情况下，使得室内空气不可避免地引发湍流现象。童莉等通过模拟实验相结合，证明κ-ε湍流模型与实际增温时室内空气流动模型较为符合。湍流可加速传热，提高环境的均匀性，改善日光温室的温度。

现有研究多集中在风机类设备的种类、数量、风速、出风口温度、不同位置及高度的优化，设备与不同形态作物之间的搭配，以期获得最大增温面积和较高的加热效率，以及设备增温运行时，温室内升温速度、热辐射范围、温差及不同水平位置的温湿度变化规律等。江力研究了以柴油、甲醇、煤炭为燃料的热风炉在不同数量、不同风速下的加热效果。研究发现，两台热风炉相较一台热风炉，增温效果成倍数增长，但平均燃料消耗量显著降低；一定范围内热风炉风速越大温度越高，空气湿度越高温度则越低，高温度高风速的热风有利于降低室内湿度。袁丁开展了番茄气体增温试验，研究农艺措施和热风相配合对番茄顶部温度产生的影响。结果，“人字搭架+热风机”处理对番茄顶部的升温更为明显，节能37%。王强等研究了空气源热泵在冬季温室的加热效果。结果表明，典型晴天空气源热泵的平均性能系数（COP值）为1.76，与燃煤锅炉加温相比节能23.4%。

（二）温室墙体蓄放热增温方式

墙体不仅是温室的承重结构，也是维持温室内热平衡，保证温室气温的核心要素。太阳能是日光温室的主要能量来源。白天阶段，日光温室墙体吸收太阳的辐射能，并将部分太阳能转化成热能储存起来。夜间阶段，室内气温下降，墙体中蓄积的热量开始由墙体向温室内低温区域传递，改善室内温度的均匀性，提高空气温度。

吕福虎等通过实验研究了5种不同结构或保温方式的墙体对温室内气温的影响及气温的变化情况，得出后墙合理厚度在0.8～1.0 m，后墙内侧0～0.4 m区域为主要储放热层，应选用比热容较大的材料，0.4～1.0 m区域主要起隔热保温作用。周莹等利用ANSYS有限元分析软件，模拟研究了复合相变保温砂浆作为内保温砂浆，与日光温室墙体组合成复合相变保温墙体的传热过程。模拟结果表明，50 mm厚复合相变保温砂浆层为490 mm砖墙理想的内保温砂浆层，30 mm厚复合相变保温砂浆层为240 mm加气混凝土砌块墙理想的内保温砂浆层，二者均具有良好的保温蓄放热能力。耿东现将太阳能辅助加温系统悬挂在后墙上，使用墙体方式进行散热，记录不同时刻温度的变化。发现墙体散热方式对温室内气体加温效果明显，平均气温提高3.6 ℃。随着计算流体力学与数值传热学的不断发展，采用计算流体动力学（CFD）技术分析温室温度场的动态变化具有较高的准确度，对于温室设计及温度环境控制具有理论指导意义。鲍恩财等通过对传统主动蓄热墙体，回填装配式主动蓄热墙体，模块装配式主动蓄热墙体的日光温室进行冬季室内环境测试，发现无论是晴天或者阴天条件下，3种温室的温度均可达到11.3 ℃以上，且模块装配式的保温蓄热效果最好。王少杰等通过其课题组研发的可控式墙体热湿耦合试验台控制墙体两侧温度、相对湿度的不同，对于装配式土质夹心墙体的湿热迁移和蓄放热性能进行了计算分析。得出墙体内湿热迁移存在耦合，墙内热量释放存在滞后效应，最长可持续6 d+6.5 h，但以快速放热期（4 d+8 h内）所释放热量为主，占总放热量的85.64%～91.21%。马跃虹等研究了3种不同装配式墙体的保温蓄热性能。由试验数据可知，3种蓄热墙体体积、尺寸相同条件下，蓄热性能依次为：砌块填充沙土墙体〉砌块墙体〉砖墙体。

二、土壤增温技术在农业领域的应用

土壤温度的高低可直接影响植物的生长发育。植株根系是植物的三大营养器官之一，植株根系不仅对植物的生长起支撑作用，还吸收和输送养分、水分、感受和识别逆境信号。同时，在植株根系细胞内，通过复杂的生物化学反应，调节整株植株的生长、发育和代谢过程。适宜的土壤温度，不仅有利于植株根系的生长，还有利于土壤中微生物的活动，同时促进了土壤中肥料、有机物质的分解，土壤温度与土壤呼吸呈明显的正相关关系。大部分植株在土壤温度最适范围内，随着温度的上升，植株地上部分及地下部分的生长量也在增加。在一些昼夜温差较大的地区或者反季节生产的温室中，作物可能受到轻冷害或冻害。因此，在一定范围内提高土壤的温度能保证作物的正常生长，提高产量。目前，土壤增温主要有地膜增温、秸秆生物反应堆增温等方式。

（一）地膜增温方式

目前，针对地膜的研究多集中于生物可降解地膜和地膜与垄作相结合。生物可降解地膜可根据作物的生长特性，通过工艺配比逐步衰减诱导期。在保温、保墒的同时，经光、土壤微生物等降解成CO2和H2O，解决聚乙烯材料带来的“白色污染”问题。邓浩亮等探究了6种不同种植方式下，春玉米各生育期土层剖面的水热状况。试验结果得出，与露地平作相比，地膜覆盖处理具有增温效应，全生育期土壤平均增温2.42 ℃，而秸秆覆盖处理表现为降温效应，平均降温0.36 ℃，且该调节效应主要表现在苗期，随后温度调节效应逐渐减弱。王斌等通过试验探究了全生物降解地膜和普通聚乙烯（PE）地膜对甜菜试验区土壤温度的影响，在甜菜生育期（6—10月），降解膜处理与PE地膜在膜下5 cm、15 cm和25 cm土壤的平均温度变化趋势基本一致，并无显著差异。贾浩、丁宏伟、孟玉等均开展了降解膜对加工番茄、棉花、玉米生长的影响试验，得出降解膜增温显著，降解周期短。

（二）秸秆生物反应堆增温方式

秸秆生物反应堆技术是一项利用作物秸秆等廉价农作物废弃资源，经过撒施菌种腐熟发酵后，产生热量和CO2的秸秆还田技术。秸秆反应堆的应用可以提高作物的产量和品质，是一项现代农业生物工程的创新技术，该技术的开发利用具有重要的经济效益和生态效益。陈立新等通过试验研究了有无秸秆生物反应堆对温室环境的影响。结果证明，秸秆生物反应堆的低温明显高于对照，且对于15 cm土层的低温影响最为明显。王昊等在宁夏平吉堡温室中研究了水稻秸秆和玉米秸秆生物反应堆对土壤温度的影响，试验结果表明，使用秸秆生物反应堆可以有效提高低温，解决温室低温的问题。土壤温度变化规律为30 cmgt;20 cmgt;10 cm，说明秸秆生物反应堆产生热量并会向上逐步传导。

三、灌溉水增温技术在农业领域的应用

灌溉水温对作物的生长发育，尤其是作物根系对土壤矿物质营养积累的分解和转化，以及土壤水分和养分的吸收利用都有着重要影响，它是土壤肥力的重要影响因素之一。实践表明，适宜的灌溉水温变化与调节对促进作物正常生长具有重要作用。灌溉水温较低，会显著降低耕层土的温度和土壤中各种酶的活性，抑制根系正常生理与生长，减弱土壤呼吸，使作物产生水分胁迫和低温胁迫，甚至会产生冻害，造成减产。灌溉水温度的降低通常会降低作物根系对矿质离子的主动吸收。同时，水温越低，水中溶解氧的量越少，水中含氧量降低会影响植株根系对土壤水分和矿物营养元素的吸收，影响植株正常生长。因此，在一定范围内，对灌溉水进行增温可有效提高灌溉水中的溶氧量，提高土中微生物和酶的活性，增强土壤呼吸和根系活力，进而促进作物的生理生长，提高产量。目前，灌溉水的增温措施主要有渠道增温、晒水池增温等方式。

（一）渠道增温方式

赵玉荣等就三江平原灌溉水温度低提出，通过改进渠道结构，可以提高灌溉水温度。为了在输水过程中利用太阳辐射来加温，输水渠道应尽量采用宽浅式渠道，并把渠道坡降改缓，降低流速，增加灌溉水在渠道中的流动时间。曹印龙等通过研究渠道水温与其流程、流速、气温的关系，得出结论：气温越高，流程越长，水温越高；流速越快，晒水时间短，水温越低。赵高磊等通过对渠道的原型观测，渠道灌溉水增温的主要时间段为8：00—18：00，且12：00增温达到最大值；探究了影响渠道增温的不同因素，得出气温、相对湿度、太阳辐射为影响增温的主要因素。基于渠道增温的进一步措施是主灌渠覆膜增温。塑料薄膜保温效果好，透光性强，对太阳辐射吸收性好且可减少水分蒸发，从而达到保温效果。齐远东发现覆膜60 m，可有效提高水温2～3 ℃。但覆膜成本较高，耗费人力成本较多且使用寿命短，一般可使用一年左右，因此仅有少部分地区使用。

（二）晒水池增温方式

尹彦霞对晒水池增温机理进行了研究，指出太阳辐射—水—土壤是一个连续体，晒水池水体的水温主要取决于太阳能有效辐射、水及土壤之间的热交换。门宝辉等对晒水池静水和动水两种状态下晒水池的升温机理进行了研究，并构建了水温的预测公式，通过实验验证最大误差为9.6%。吕海峰等运用褐色系统理论，建立了井灌水稻区晒水池内的水温模拟模型GM（0.2），该模型模拟精度为一级，模拟精度高。曹印龙等针对三江平原井水灌溉温度较低的问题，通过田间试验研究了晒水池增温与其影响因素间的关系，结果表明，气温、晒水池面积、水深是影响晒水池水温的主要因素，尤其水温与气温的关系最为显著。杜国明等以资源三号遥感卫星数据空间影像，全国第二次土地利用调查数据作为主数据源，提取黑龙江省农垦建三江分局七星农场晒水池用地数据，分析晒水池用地分布格局。得出结论，晒水池最好位于水田独立灌溉小区的最高处，晒水池的灌溉半径应控制在300 m以内。根据三江平原地下水的最高和最低温度以及灌溉需要的温度，确定晒水池用地规模占服务水田面积的比例范围应控制在0.74%～0.89%。胡倩娟研究了温室用地下浅式晒水池与地上深式晒水池之间的增温速度、规律及效果。通过试验数据发现，地下浅式晒水池较地上深式晒水池增温速率快，且不随室温剧烈波动，稳步升温。

四、研究展望

针对增温的对象和使用方法，工作人员将增温分为空气增温技术、土壤增温技术和灌溉水增温技术。这三种增温技术各有利弊，有不同的应用方式和特点。

空气增温多见于日光温室中，在我国北方及西北寒区，夜晚的温度难以满足温室中作物正常的生理生长。目前研究多集中在以下几方面：一是直接加热空气方式的加热效果及优化；二是各种高温度、高效率风机的研制；三是改变温室墙体材料或结构方式的不同材料的应用及实际应用时产生的加热效果；四是改变温室材料或结构的方式，墙体厚度与不同材料之间的适应关系；五是改变温室材料或结构的方式，对目前新兴的装配式温室墙体进行设计优化。

通过空气增温能够使温室内空气达到一个较为适宜作为生长的温度，但也存在一些问题。通过空气增温措施虽然能使温室内气温达到一个较为良好的数值，使作物的地上部分处在一个较为适宜的环境内，但空气增温对于作物的地下部分增温有限，作物根系部分仍处在一个较低温度的环境中。如何通过空气增温的方式使得土壤也能获得热量达到较为适宜的温度，是空气增温的一个重要研究方向。目前，将两种空气增温方式相结合，新的蓄热能力更强材料的寻找，新设备新风机的研制也需要进一步研究。在研究方法方面，现有研究多集中在纯试验或纯模拟方面，将模拟与试验同步进行的研究较少。因此，建议研究者多使用模拟与实验相结合的方法。

对于土壤增温技术，目前常见的研究多集中在以下几方面：一是探究地膜与垄作不同结合方式的土壤增温效果及对作物的影响；二是生物可降解地膜的应用及生物可降解地膜与普通PE地膜对土壤增温效果的差异；三是各种自研发的地中换热设备对于土壤/根区增温效果的研究；四是对冷热负荷比进行分析，研究地源热泵的可行性；五是对于秸秆生物反应堆的增温效果和温度变化规律以及对土壤的影响；六是各种自研发设备直接对根区进行增温的增温效果。

目前仍存在以下问题：大部分根区增温措施还是在温室和实验室中，无法应用到大田，或应用到大田将大兴土木，产生高昂的人工成本。针对这一问题，如何将目前现有的增温措施，采取较为经济的方式，应用到大田的实际生产中，是土壤/根区增温技术研究的一个重点方向；开发适用于大田增温的新型设备也是促进土壤/根区增温发展的有效途径之一。现有加热措施还存在一个普遍问题，即加热效果不均匀。不管是地源热泵的加热方式，还是地中换热或秸秆生物反应堆都存在加热效果不均的问题，在增温处土壤温度普遍偏高，但稍远离温度便会大幅下降。在保证增温温度的前提下，需要联合流体力学、农业水土工程、环境科学、土壤学等多个交叉学科，综合研究土壤增温后土壤温度的分布及变化规律。除地膜增温方式外，其他增温方式均研究较少，如地源热泵虽然能对土壤进行加热，但根据热力学第一定律，地下深层的温度会有所下降。深层土壤温度下降，对作物、微生物、土壤环境是否会产生影响，仍需要进一步探究。

对于灌溉水的增温，现有的研究方向主要集中在渠道增温和晒水池增温的研究上。目前，针对灌溉水增温方面的文献并不多，多是在研究增温后的灌溉水对于作物的影响方面。根据目前文献总结出如下亟待研究的问题：一是对于渠道及晒水池的研究多有地域性，针对我国不同地区气候条件，符合我国大部分地区的渠道、晒水池增温模式还需要进一步研究；二是渠道、晒水池等增温方式，都是通过太阳能辐射直接对水进行增温，增温效果差，太阳能利用率不高且水容易蒸发，造成水资源浪费，但目前对灌溉水专用的增温设备研究较少，需要对灌溉水增温设备进行设计与优化。

基金项目：杨凌职业技术学院科技创新项目（项目编号：ZK21-06），杨凌职业技术学院教育教学改革项目（项目编号：JG22009）。

作者简介：贾浩（1993—），男，甘肃山丹人，硕士，助教，主要从事节水灌溉理论与技术研究。