下沉式日光温室气温和土温时空变化特征研究

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摘 要：为了分析日光温室内气温和土温的时间和空间变化特征，在宝坻区设施农业园区土墙围护结构下沉式日光温室内分别于中部和东部近门处设置2组气温观测，观测点垂直分布5个高度点，距地面0～2.0 m，间隔0.5 m，每组从南至北设置5组，距南屋面交线1.7～9.5 m，间隔1.7 m。在温室中央进行地温观测，深度分别为0.1，0.2，0.3，0.4 m，试验结果显示，温室内气温空间分布不均，南北向最高气温分布在温室中间，南北逐渐降低，温差为1.6～3.0 ℃；垂直向最高气温分布在0.5～1.5 m，温度差为1.8～5.4 ℃，近门处气温最低。土温变化较小，基本能满足蔬菜生长需求。建议靠近操作间20 m范围内种植耐低温蔬菜为宜。

关键词：日光温室；气温；土温；时间变化；空间分布

中图分类号： S625 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.05.015

节能型日光温室以其建筑成本低、运行能耗少的特点迅速成为北方冬季蔬菜生产的主体[1-3]。然而，由于日光温室主要依赖于自然光，一般内部无加热设施，在蔬菜生产过程中，温度一直是冬季棚室生产的关键制约因素[4-5]。若果菜在生长过程遭遇低温，果菜的品质及产量均会受到严重影响，严重时还可能绝收。温室生产季节内，棚室内气象环境明显受外界大气条件影响[6]，在多云、晴天、连续低温阴天等不同天气类型状况下，温室气温和地温的时间变化和空间分布呈现不同特征，所以，分析温室内气温和土温时空变化规律，对指导日光温室生产减轻低温灾害意义重大。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验地概况 试验于2011—2012年在天津市宝坻区城关镇圣人庄村（39.73°N，117.28°E）的二代节能日光温室内进行。试验地地处华北平原东北端，属暖温带半湿润大陆季风型气候，冬季月平均最低温出现在1月，多年平均最低温度-10.9 ℃，极端最低温度-27.4 ℃。

1.1.2 棚室概况 试验温室是东、西和北3面为土墙围护结构的日光温室，钢架结构，温室地面下沉0.5 m，东山墙建有出入门，连接操作间。棚室东西走向，东西长100 m，南北跨度8.5 m，脊高4.5米，后屋面投影1.2 m，墙体为下宽上窄的梯形，底端宽度3.5 m，顶端宽度2 m，后屋面为木板加柴草泥土保温层，冬季覆盖稻草草苫保温，草苫厚度5 cm，电动卷帘机作动力。

1.2 试验设计

自2011年12月1日—2012年2月29日，分别于温室中央剖面，温室中部，温室近门处隔间设置观测点。

在温室中央剖面处，从南向北、从下到上安放U盘式温度记录仪（仪器型号：LITE5032P，测量范围：-40～80 ℃，精确度：0.3 ℃，产地：以色列，生产厂商：Fourtec），仪器安装空间分布见图1。由南至北每隔1.7 m安置1组仪器，并依次编组A、B、C、D、E；每组仪器垂直间隔0.5 m，距地面距离分别为0，50，100，150，200 cm；数据采集间隔1 h。

于温室中部安装DZN1型农田小气候观测仪（气温测量范围：-40～50 ℃，精确度：±0.2 ℃；土壤温度测量范围：-40～80 ℃，精确度：±0.4 ℃；生产厂商：天津气象仪器厂，产地：中国），分别测定温室中部1.5 m处，土壤10，20，40 cm深度处的温度，数据采集间隔10 min。

在温室近门处的隔间剖面正中，设置垂直向观测组（编组F组），自地面起每隔0.5 m布设一个U盘式温度记录仪（同上）。数据采集间隔为1 h。

2 结果与分析

2.1 温室内气温时间变化规律

从整个生长季看，温室内最高温变幅较大，2011年12月1日—2012年2月29日最高温变幅30.4 ℃，最低13.1 ℃，最高43.5 ℃；最低温变化平缓，观测期内变幅9.8 ℃，只有连续寡照达3 d以上最低温才开始出现显著下降趋势，如：2011年12月4日—6日、2012年1月16日—20日（图2）。最高温主要受日照影响，日照百分率越高棚室内白天所能达到最高温的数值也越大。2011年12月1日—2012年2月29日的91 d内，晴天56 d，少云及多云天气15 d，寡照20 d，其中连续低温寡照共有2次。

由图3可知，棚室内最高温主要受日照影响[7]，寡照天气条件下棚室内所能达到的最高温也较低，图3-a为2012年1月16日至1月19日的连续4 d日照百分率低于20%，日间棚室内最高温低于15 ℃，随着寡照天气持续，温室最低温度逐渐下降，平均每日下降0.5 ℃；温室内约在13：00—

14：00时温度达到最大值，8：00—9：00时温度出现最小值。连续晴天温室内最高温及最低温均不断提高，最高温平均每日提高1.2 ℃，最低温平均每日提高0.4 ℃；温室内约在14：00时温度达到最大值，8：00—09：00时温度出现最小值（图3-b），晴阴天交替则更显著地体现天气类型对温室内温度的显著影响（图3-c）。温室内约在14：00时温度达到最大值，8：00—9：00时温度出现最小值。

2.2 温室内土壤温度时间变化规律

如图4所示，随着深度加深，温度的总变幅逐渐变小[8]，10 cm土壤地温全生长季变幅32.1 ℃，20 cm地温处变幅12.0 ℃，40 cm地温变幅4.3 ℃；从土壤温度日变化看，10 cm土壤处地温日较差较大，达30.1 ℃；20 cm地温日较差为6.9 ℃；40 cm地温处地温日变化最大值为1.2 ℃，土壤最高温与最低温几乎相等，该处土壤温度主要受外界气象条件时序变化影响。

由图5可见，土壤温度受日照影响显著，寡照天气条件下，棚室内最高地温较低，图5-a为2012年1月16日至1月19日的连续4 d日照百分率低于20%，日间棚室内最高地温低于15 ℃，随着寡照天气持续，最低温度不断下降，平均每日下降0.5 ℃；寡照日约14：00时地温达到最大值，9：00—10：00时出现最小值。连续晴天温室内最高地温及最低地温均不断提高，最高地温平均每日提高1.5 ℃，最低地温平均每日提高0.5 ℃；晴天10 cm地温处约在13：00时温度达到最大值，9：00时出现最小值，见图5-b。晴阴天交替则更显著地体现天气类型对温室内地温的显著影响（图5-c）。约在13：00—14：00时地温达到最大值，9：00—10：00时出现最小值。

2.3 温室内气温空间变化规律

温室内不同高度从南至北的最高温度分布存在相异的分布规律（表1）：（1）近地表空气，由南到北最高温存在双峰分布，即由南到北存在“两高两低”的分布——距南侧1.7 m处（A组）温度较高，3.4 m处（B组）温度较低，5.1 m（C组）及6.8 m（D组）处温度最高，距南端8.5 m处（E组，后墙墙面）温度较低；（2）距地表0.5 m空气层，最高温由南到北分布分别为：1.7 m处（A组）高、3.4 m处（B组）低、5.1 m处（C组）高、6.8 m（D组）及8.5 m（E组）处低；（3）距地面1.0 m处，由南至北温度呈递增趋势，其中6.8 m处温度与后墙面温度相近；（4）距地面1.5 m处，最高温由南至北呈“N”型分布，其中1.7 m（A组）与3.4 m（B组）处最高温相近；（5）距地面2.0 m处，由南至北温度呈递增趋势，在靠近后屋面处最高温度达到最大。

温室内不同高度从南至北的最低温度分布存在相异的分布规律（表2）：（1）近地表空气，最低温由南到北呈先下降后上升式分布——距南侧1.7 m处（A组）温度较高，3.4 m处（B组）温度最低，此点以北温度不断升高；（2）距地表0.5 m空气层，最低温由南到北呈“N”型分布，1.7 m处（A组）较低、3.4 m（B组）与5.1 m（C组）处温度较高、6.8 m（D组）较低、8.5 m（E组）处再次增高；（3）距地面1.0 m处，最低温由南至北呈递增趋势，这与最高温的温度分布较一致；（4）距地面1.5 m处，最高温由南至北呈增-减-增的规律分布，其中5.1 m（C组）与8.5 m（A组）处最低温较高；（5）距地面2.0 m处，由南至北温度呈“V”型分布，C组与A组处最低温的温度值较大。

棚室中央处温度较高，靠近开门位置的隔间温度较低，表明开门处热量损失较严重，增温保温性能均较差；同时，棚室内温度分布不均必将导致内部湍流发展，所以若考虑内部温度变化和分布必须考虑湍流作用的存在。

3 结论与讨论

本研究通过试验观测数据，分析日光温室内气温、土温的时空分布特征，结果表明，温室内温度空间分布不均，在距温室南端5.1 m处温度较高，南北向温度高温度差为1.6～3.0 ℃；垂直向温度差为1.8～5.4 ℃，近门处隔间垂直向温差可达8.1 ℃。

参考文献：

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[4] 孙智辉.冬季强低温天气对日光温室作物的影响[J].气象科技，2004，32（2）：126-131.

[5] 宋明军，郭晓东.双连栋节能日光温室的设计建造及其温光性能观测[J].河南农业科学，2005（9）：79-82.

[6] 孙洁，耿增鹏，史海峰，等.日光温室环境的综合调控管理[J].山西农业科学，2008（7）：55-60.

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