不同类型日光温室气温对比分析

吴曼丽 张淑杰 孙立德

摘要：为评价辽宁地区典型日光温室保温蓄热性能，利用小气候仪观测的气温、太阳辐射等数据，对比分析不同类型日光温室内气温的日变化及逐时温度的变幅，研究低温期2种结构日光温室对蔬菜生长的影响。结果表明，2种结构日光温室内温度差异较大，土墙结构日光温室温度高于复合墙结构日光温室;不同天气条件下最低、最高、平均气温日变化都表现为日照时数越多，气温变化幅度越大;在日照时数大于3 h情况下，土墙温室白天蓄热和午后到夜间散热大于复合墙温室，在日照时数小于3 h的情况下，复合墙温室蓄热能力大于土墙结构温室，午后到夜间保温能力小于土墙温室，在一整天24 h循环过程中，土墙温室内的温度依然高于复合墙温室;不同生长季2种温室温度存在较大差异，土墙温室平均气温差值小于复合墙温室。综上所述，土墙温室保温和蓄热性能好于复合墙温室。

关键词：日光温室结构;气温;对比分析;土墙温室;复合墙温室

中图分类号： S625.5+1  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）11-0227-07

收稿日期：2019-06-21

基金项目：公益性行业（气象）科研专项（编号：GYHY201206024）;中国气象局沈阳大气环境研究所开放基金（编号：2018SYIAE05）;环渤海区域科技协同创新基金（编号：QYXM201501）。

作者简介：吴曼丽（1979—），女，吉林磐石人，硕士，高级工程师，主要从事天气预报分析及教学。E-mail：120078087@qq.com。

通信作者：张淑杰，硕士，研究员，主要从事应用气象研究。E-mail：zhangshujie_a@163.com。  日光温室以其结构简单、性能优良的优势，在我国北方地区迅速发展起来，特别是近年来在东北地区发展迅速[1]，日光温室作为反季节蔬菜生产设施，以其经济、高效、节能成为人们增加收入的重要手段之一[2]。但是受气候条件的影响，低温冻害经常发生，因此，我国学者针对日光温室结构及保温性能进行了深入的研究，并提出了一系列切实可行的优化方案[3-6]。日光温室结构优化及新型材料的研究和开发已经成为目前研究的优势领域，解决了土地利用率低、环境调控能力弱以及栽培系统配套差等关键问题。

辽宁省设施农业以不加温的日光温室为主，且在冬春季进行生产。研究表明，越冬种植蔬菜，特别是果菜类蔬菜，冬季的光照条件和低温及持续时间是发展日光温室的主要限制因子[7]，它提供的小气候条件限制了蔬菜的种植周期及蔬菜品种，日光温室作为冬春季蔬菜生长发育的场所，其保温性能特别重要。因此，很多专家针对日光温室结构及其保温性能进行了相关研究，主要涉及以下几个方面：一是节能型日光温室建筑设计理论与方法，从温室合理采光[8]、合理保温[9-10]和合理蓄热[11-12]方面开展设计理论方法的研究。二是日光温室墙体及其保温性能方面。日光温室墙体有2种，一种是土墙，另一种是复合墙体，针对土质墙体，王晓冬等通过对西北地区不同墙体厚度日光温室环境测试以及保温性能分析得出西北地区4个区域日光温室土墙的最佳厚度[4，6]。与土质墙体不同，日光温室复合墙体一般由2种或2种以上墙体材料组成，因此，对最佳的墙体组成及材料厚度的研究变得更加复杂。白义奎等针对东北地区[13-16]，李成芳等针对西北地区[17]，刘思莹等针对华北地区日光温室复合墙体的保温性能进行了相关研究[18-19]，表明不同复合材料及不同组合方式保温性能差异较大。三是温室内热环境研究[20-22]。以上研究涉及了温室结构、保温性能、热环境等方面，但是针对东北地区不同结构日光溫室室内小气候对比及其对蔬菜生长影响的分析还很少。本研究以辽宁省目前使用的2种典型日光温室为研究对象，在分析不同天气条件下日光温室生长季内温度变化规律的基础上，比较低温期不同结构日光温室对其内种植蔬菜的影响，以期为日光温室结构优化和蔬菜生产及其品种的选择提供参考。

1 研究地点及方法

1.1 研究地点

辽宁省朝阳市喀喇沁左翼蒙古族自治县（以下简称喀左县）地区属温带大陆性半干旱季风气候，四季分明、气候温和、降水集中、光照充足，是辽宁省设施农业生产示范区。年均气温9.3 ℃，最高气温32.7 ℃，最低气温-23.8 ℃，年均降水量 472.1 mm，年均无霜期208 d，年日照时数 2 692 h。

1.2 研究方法

试验日光温室位于喀左县小河湾村（41°06′47″N，119°45′43″E）和公营子镇水泉乡（41°19′28″N，119°52′34″E），海拔分别为298、269 m。日光温室坐北朝南，具体结构见表1，温室前面为单面弧状，覆盖相同的透光材料，薄膜外覆盖草苫子和双层保温被，日出后揭开，日落前后盖上。温室无供暖设施，无照明设备，2个通风口位置为棚顶和棚前角，半自动放风方式，采用滴灌浇水。温室内种植作物为番茄和辣椒（表2），主要观测项目为作物各发育期（播种、出苗、开花、结果、采摘）的开始期、普遍期和末期出现日期。田间管理主要记录整地、移栽、灌水、施肥、喷药、铲趟、除草、采摘的时间和措施。

日光温室内小气候监测采用锦州阳光科技发展有限公司生产的TRM-ZS3型设施小气候观测仪，气温、相对湿度的观测精度分别为0.1 ℃、2%，每隔10 min采集1次数据，仪器安装在温室中部，传感器距离地面 1.0 m，观测项目为气温、相对湿度、太阳总辐射等。天气型划分：日照时数≥6 h为晴天;3 h≤日照时 数<6 h为多云天;0 h≤日照时数<3 h为阴天;0 h<日照时数<3 h且同时白天有降水为降水天。气温和相对湿度的日平均值取1 d内144个数据的平均值，气温和相对湿度的日最高、最低值取144个数据中的最高、最低值。剔除明显错误的数据和缺测的数据，取2个日光温室生产季的数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 不同结构日光温室生长季气温逐日变化

将降水天与阴天合并为阴雨天进行分析，由图1可知，对于2个生长季而言，在3种天气条件下，无论最高气温、最低气温还是平均气温大体上都是土墙温室大于复合墙温室。对于最高气温而言，晴天、多云天、阴雨天土墙温室分别比室外高20.4、18.0、13.2 ℃，复合墙温室比室外分别高 16.2、142、8.4 ℃;对于最低气温而言，晴天、多云天、阴雨天土墙温室分别比室外高14.8、13.2、9.8 ℃，复合墙温室分别比室外高106、9.2、6.7 ℃;对于平均气温而言，晴天、多云天、阴雨天土墙温室分别比室外高15.1、13.1、10.1 ℃，复合墙温室分别比室外高 11.0、9.3、6.5 ℃（表3）。从波动性看，2种结构日光温室晴天和多云天变化比较平稳，阴雨天波动性较大。从2个季节的分布来看，温度变化趋势大致相同，2012—2013年生长季室外气温低于2013—2014年生长季。2012—2013年生长季室外最低气温极值达到-22.9 ℃，且2012年12月至2013年2月中旬大部分时间室外最低气温低于 -15 ℃，2012年11月下旬至2013年1月上旬土墙温室内最低气温在10 ℃以上变化，能够满足作物生长需要，复合墙温室内最低气温低于5 ℃，发生了低温冻害;2013—2014年生长季2个温室内最低气温都在10 ℃以上变化，能够满足作物生长需要。由此可见，2种结构日光温室保温性能差异较大，不同季节变化差异也较大，土墙结构温室明显好于复合墙温室。

2.2 不同结构日光温室对温度变化的响应

在实测数据中选取低温冻害最容易发生的12月7日（多云天）、9日（晴天）、12日（阴天）、14日（降水天）数据进行温室内逐时温度变化情况对比分析。图2给出了4种天气条件下2种结构日光温

室内温度和总辐射的变化情况，在4种天气条件下，晴天和多云天日光温室内温度有明显的日变化，白天在掀帘后（08：00—09：00）受到光照的影响，温度迅速升高，13：00左右到达高点，然后缓慢下降，16：00—17：00 盖帘后下降更加缓慢，晴天的温度升幅明显大于多云天，阴天和降水天由于天空有云覆盖，光照度比较弱，温室内温度日变化不明显，温度缓慢升高，升幅较小，然后又缓慢下降，降水天由于不掀帘或只掀一会儿，温度处于持续下降状态。

从温室结构看，在4种天气条件下，2种温室光照条件基本相同，土墙温室内平均温度高于复合墙温室，二者温度差值从高到低分别为晴天、多云天、阴天、降水天。在温度升降幅上都是晴天>多云 天> 阴天，在早上掀帘后温度急剧升高，当温度达到最高点时，晴天、多云天、阴天土墙温室温度升幅分别为23、17.1、5.0 ℃，复合墙温室温度升幅分别为20.5、15.2、9.1 ℃;当温度达到最高点后，温度持续下降到最低点，晴天、多云天、阴天土墙温室温度降幅分别为 20.4、16.5、4.1 ℃，复合墙温室温度降幅分别为18.4、15.9、9.4 ℃（表4）。针对12月的数据进行分析，发现在日照时数大于3 h情况下土墙温室白天蓄热能力和午后到夜间的散热大于复合墙温室;在日照时数小于3 h情况下复合墙温室蓄热能力大于土墙结构温室，午后到夜间保温能力小于土墙温室;降水天气条件下温室不掀帘，温度处于持续下降状态，二者温度下降情况相同。

2.3 低温期不同结构日光温室温度变化及其对蔬菜生长的影响

2012—2013年、2013—2014年2个生长季土墙温室种植辣椒，复合墙温室种植番茄，其中，2012—2013年生長季复合墙温室在12月至次年1月期间发生了低温冻害，因此对容易发生低温冻害的12月至次年1月期间的温度进行分析，发现2个生长季低温期温度变化起伏较大（图3）。从最高气温看，土墙温室在30 ℃左右变化，2个生长季相差0.2 ℃（表5）， 复合墙温室在25 ℃左右变化， 2个生长季

相差2.8 ℃，发生低温冻害的2012—2013年生长季最高气温波动幅度较大，12月14日降到了10 ℃以下。从最低气温看，土墙温室在10 ℃左右变化，2个生长季相差0.8 ℃，大部分时间在10 ℃以上，能够满足蔬菜生长需求，因此没有发生低温冻害;复合墙温室在5 ℃左右变化，2个生长季相差 2.3 ℃，2013—2014年生长季发生了低温冻害;从逐时温度变化看，土墙温室气温明显高于复合墙温室气温，大部分时间相差达5 ℃及以上（图4），说明土墙温室的保温和蓄热性能都要高于复合墙温室，土墙温室气温都在10 ℃以上变化，复合墙温室气温在 5 ℃ 上下变化（图4），其中2012—2013年生长季低温期（12月）大部分时间在5 ℃以下，7—9日、15日、17—20日、24日≤5 ℃持续时间达10 h以上（表6），14—16日为连续阴天，期间到其后连续出现≤5 ℃ 持续10 h以上的情况，最长持续时间出现在14日白天至15日上午期间，持续时间长达18 h，整个12月期间温度大部分时段不能满足棚内蔬菜番茄生长需要，生长缓慢甚至停止生长，于1月中旬气温回升后表现为果实大量脱落，叶片皱缩发黄，发生重度低温冻害，产量损失达到50%以上。

3 结论与讨论

本研究以辽宁地区2种典型日光温室为研究对象，分析了不同天气条件下日光温室生长季内温度变化规律，比较了低温期2种结构日光温室温度变化对其内种植蔬菜的影响。研究结果表明，受日光温室结构的影响，温室内温度相差较大，土墙结构温室保温蓄热性能好于复合墙温室。

从2个生长季3种天气条件下日光温室内平均、最高、最低气温的变化看，都是土墙温室高于复合墙温室，3种温度都表现为晴天>多云天>阴雨天，晴天和多云天变化比较平稳，阴雨天波动性较大，受温室外温度变化的影响，2012—2013年生长季温度低于2013—2014年生长季。

从气温日变化来看，晴天和多云天温度有明显的日变化，阴天和降水天变化不明显。08：00掀帘后温度急速上升，到13：00—14：00达到最大，然后下降，16：00—17：00盖帘后温度缓慢下降到掀帘前达到最低值。2种结构温室内平均气温从高到低依次为晴天、多云天、阴天、降水天，晴天相差10.2 ℃，土墙温室、复合墙温室白天升幅分别为23.0、20.5 ℃， 午后到夜间降幅分别为20.4、18.4 ℃; 多云天2种温室相差为7.7 ℃，土墙温室和复合墙温室白天升幅分别为17.1、15.2 ℃，夜间降幅分别为16.5、15.9 ℃;阴天2种温室相差7.1 ℃;降水天气条件下温室不掀帘，温度处于持续下降状态，二者温度下降情况相同。从温度升降幅说明在日照时数大于3 h情况下，土墙温室白天蓄热和午后到夜间散热大于复合墙温室，在日照时数小于3 h情况下，复合墙温室蓄热能力大于土墙结构温室，午后到夜间保温能力小于土墙温室。在一整天24 h循环过程中，土墙温室内的温度依然高于复合墙温室，说明土墙温室保温和蓄热性能好于复合墙温室。

从低温期温度变化对作物生长发育的影响看，2个生长季无论从最高气温还是最低气温都是土墙温室差值小于复合墙温室， 说明温室内温度受外界温度影响较大，特别是保温蓄热能力差的日光温室。从逐时温度变化看，土墙温室气温明显高于复合墙温室，大部分时间相差达5 ℃及以上，说明土墙温室的保温和蓄热性能好于复合墙温室，其中复合墙温室在2012—2013年生长季低温期（12月）大部分时间在5 ℃以下，期间连续出现≤5 ℃持续低温时段，最长持续时间达到18 h，14日最高气温也低于10 ℃，温度条件不能满足作物生长所需，发生严重低温冻害，产量损失达50%以上。

综上所述，不同结构日光温室保温性能相差很大，不同季节差异也较大，因此各地区应综合考虑本地极端温度出现的时间、强度和频率，在建造温室时尽量避免低温的影响，同时针对现有温室在生产中存在的问题优化温室结构，达到既节约建造成本又满足蔬菜生产需求的目的。

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