天山北麓东段地区冬季蔬菜日光温室效能改进探讨

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇天山北麓东段地区冬季蔬菜日光温室效能改进探讨范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

新疆昌吉州东部的吉木萨尔、奇台、木垒县（通称昌吉东三县）位于天山北麓东段（N43°06'～45°38'；E 85°34'～91°32'），准噶尔盆地东南缘，主要人口聚居地与耕地海拔分布700～2000 m，南部天山脊线海拔≥4000 m，属典型的中温带大陆性干旱气候，年日照时数为2800～3100 h，年均气温5～7 ℃，年降水量130～400 mm，年蒸发量2320 mm[1]。2007年以来，当地农业部门利用准噶尔盆地冬季大气逆温带分布，积极推广发展保温卷帘日光温室蔬菜生产取得了显著成效[2]。4年来约建立大棚温室1350 公顷，使秋冬季10月～翌年3月果、叶类蔬菜生产能力达3万余吨，有效丰富了乌鲁木齐市及周边地区冬季蔬菜的市场供给，促进农民增收。然而，在发展昌吉州东三县冬季蔬菜生产的实践中，一些特殊的地域性因素，使日光温室生产效能受到限制。本文通过对相关问题的探讨研究，拟对温室性能的改良提供些许有益的建言。

温室的选址

在保障交通、土地、水源以及便利生产管理等因素外，选址要尽可能充分利用准噶尔盆地冬季逆温层增温保暖作用，以及盆地低地阴霾、阴雾层之上的太阳辐射。通常，盆地冬季逆温稳定层海拔1200～1800 m[3-4]，即冬季拂晓前逆温层平均底高（阴雾、阴霾或低云层之上）和顶高（逆温结束拐点）之间，其冬季大气垂直逆温强度可达1.06 ℃/100m[5]。考虑到天山森林带分布下限为1700 m[3]，建议选址的适宜高层在1200～1600 m，在此高层内应尽量就高不就低。这种选择除考虑逆温层增温因素外，同时也兼顾太阳辐射能获取。由于准噶尔盆地冬季的冷湖效应[6]，12月～1月受逆温底层阴霾与阴雾天气影响，盆地低部太阳辐射总量550 MJ/m2，日照百分率50%，仅相当天山北坡中山逆温带冬季辐射总量720 MJ/m2与日照率65%的76.4%、76.9%[1，3]。在逆温层内，海拔越高，大气越洁净、云量越低。逆温层沿天山北坡高层的基本植被类型为山地草原带，主要植被群落由蒿属（Artemisia sp.）等荒漠植物组成，介于山基部的荒漠带与山地森林带之间[7]，在选址时可依此进行生态参照；或选择苹果（Malus pumila）（平均最低气温≥-15 ℃）一般不易受冻的环境。此外，在选址时，还应注意避免在与冬季盛行S山谷风[3]一致的南北向的谷坡地建棚，以免直面寒风加剧温室散热。一般，冬季积雪较厚地段为理想避风环境，同时对土壤具保温作用。

适宜棚距的确定

为保证在“冬至”日太阳高度角最低时，日光温室能获得最多太阳辐射，必需保持棚间互不遮阳。根据当地冬至正午时的太阳高度角与棚脊高h，棚间距经验测算公式为：

公式省略精算式的太阳高度角、方位角、时角，及保温被（草苫）卷高等参数，在坡度P=0°时，误差由后屋面与后墙宽（约3.5 m）得以补偿，取K≈1.0；当P>0°，误差补偿不足，取K>1.0；若P

温室的补光与增温

昌吉州东三县地处新疆日光温室的“次适宜区（补光加温）” [8]，冬季光、热的匮乏成为日光温室蔬菜生产的最大障碍。因而，补光与保温成为改进日光温室设计的主要方向，其中以提高日光能利用率最具生产实际意义。

应用反光膜补光的利弊

冬季日光温室中常见因光照严重不足（有效日照5～6 h/d），致使蔬菜枝叶展姿呈单一向南。通常，改善光照最有效方法是在温室北墙悬挂反光幕（仅限冬季，春秋不宜）。据研究，采用反光膜后（甘肃酒泉N39°45'、H 1520m），晴天午间温室内平均光照增强15.5%，气温与0～5 cm土温分别提升1.6 ℃、1.2 ℃，黄瓜、番茄较对照增产7.5%～15%；但凌晨棚内气温、土温分别低于对照0.7～1.1 ℃、1.5 ℃，因而在1月易造成寒害[9]。对此，通常解释是由于后墙贮热不足[9-10]。但依据能量守恒定律，在日间入射光能与夜间热量逃逸条件基本相同下，将夜间气温降幅低于对照归咎于后墙贮热不足并不客观。因反射光能在日间同样可贮存于地面与作物，具体表现为日间日光温室内气温、土温高于对照。笔者认为，日间光照、气温、土温的增强与提高，促进棚内作物光合作用与蒸腾作用导致耗能增加，因光合作用为化学贮能反应，而作物蒸腾与地面蒸发更是物理吸热（500 kcal/L）过程。不过，也有认为，反光膜在日间引起的升温会加剧换气失热。据研究，换气失热占温室夜间失热量比例最低为5.6%[11]，且日间悬挂反光膜引起增温幅度仅1.6 ℃，同时，空气热容量仅为土壤的1/2000与水1/4000[12]，若与对照同条件换气，其失热不足引起夜间明显降温。另外，反射光在午间形成升温，也加剧大棚保温膜内外温差梯度，使贯流热耗散增大。总之，在自然光能有限条件下，改善光照所增进产能必须以热量交换为代价。因而，悬挂反光膜的“利”、“弊”成为日光温室生产中最具争议的热点之一。

根据挂反光膜温室内气温在凌晨低于对照1.1 ℃[9]。木垒N43°50'冬季太阳入射角较甘肃酒泉N39°45'更低，因而推测应用反光膜在日间补光增温与夜间降温幅度将更显著，为生产安全，我们宽限预设降低2.0 ℃。如果日光温室设计保温能力为室内外温差35 ℃，悬挂反光膜后降为33 ℃，室温要求≥8 ℃，反推算温室外极端最低气温应分别≥-25 ℃、-27 ℃。木垒历年日最低气温≤-20℃日数为19.4 天[13]，按其出现机率5.315%、年均温5.0 ℃、年日较差12 ℃，据近正态（边缘）分布推算，日均最低温-1.0 ℃，标准差11.76 ℃，年最低气温≤-25℃、≤-27 ℃日数约7.5 天、4.9 天，二类温室需加热天数仅差2.6 天。由此，在管理上只需在最低气温≤-25 ℃的1月中下旬卸下反光膜即可，而不必一味排斥反光膜。

另一方面，为避免地面蒸发耗量、降低空气湿度，可进行地膜覆盖。

选择合适的栽培作物

利用物种生态适应性也不失为解决温度不足的经济方法，如，豆科（Leguminosae）的豌豆（荚、苗），藜科（Chenopodiaceae）的菠菜，十字花科（Brassicaceae）的甘蓝类、白菜类、芥菜类、叶用萝卜类，百合科 （Liliaceae）蒜苗、韭菜，伞形科（Umbelliferae）芹菜、香菜，菊科（Compositae）茼蒿、莴苣类、紫背天葵，葫芦科（Cucurbitaceae）西葫芦，锦葵科（Malvacea）冬寒菜（冬葵）等等均对温度要求较低，适宜冬季日光温室生产。特别是紫背天葵是一种富含维生素A原、黄酮类化合物、风味特殊的营养保健蔬菜，耐荫并可抵抗≥-5.0 ℃低温[14]，可引种与试销。同时，为便利运销，冬季宜选择对光温要求相对较低，不耐贩运叶菜类种植，慎选对光温要求较高的果菜类。

利用生物能增温

秸秆自然发酵堆肥是一种农村普及技术[16]。在温室可直接将秸秆隔行堆入（浅埋）畦沟或均匀排列浅穴堆沤，将作物秸秆用1%～2%尿素液浸透，调节C：N=25：1，每100 kg秸秆约补纯氮1.4 kg[15]，并混入适量食草动物畜粪（含有益微生物）堆沤与稀泥抹堆密封，使其自然缓慢发酵放热。一般，7 m×50 m规格温室堆沤所需秸秆干量≥3 吨[17]，日约释放15～20 kg标准煤热。自然堆沤优点是简单，放热持续时间长；缺点是放热过程难以控制。一般，增加透气与湿度可促放热，但浇水需于晴日午间进行。秸秆堆沤不宜添加鸡粪、猪粪或饼肥等含蛋白较高的有机肥，因蛋白质腐解会释放含硫的有害气体，在温室中蓄积危害。

关于下陷畦面的保暖作用

为了增强温室大棚的保暖作用，在高纬度地区，许多温室采取一种畦面下陷方式，即将温室的畦面较地表降低50～80 cm。显然，这一设计在太阳入射角最低“冬至～立春”，日间会在温室前部畦面形成一个宽为坑深2.4～1.6倍阴影区，降低了畦面有效光照。它之所以能不断被仿效原因：①在其他条件同等情况下，采用畦面下陷方式可有效阻断温室前缘（南端）土壤热传导。②在畦面下挖后增加了后墙蓄热面积。若后墙高2.5米与下陷0.5 m，则后墙蓄热面增加20%，有效提升温室对太阳能的蓄放缓冲能力。由于外来热源并无增减，后墙蓄热提升来自前畦面日照阴影的亏损，即以牺牲前畦面光照为代价，其效果与后墙悬挂反光膜效果相反。当然，也降低前畦面的光合作用与蒸腾、蒸发的热耗。③在中高纬度日光温室的次适宜区，地面下陷设计实属一种在冬季光、热资源极度匮乏条件下，以及对温室失热原因不详，而采取的一种无奈与保守的选择，以至顾此失彼。

目前，温室地面下陷保温方法虽在生产中仍有应用，但学术界对此已有较一致认识，不仅《GB 19165-2003 日光温室和塑料大棚结构与性能要求》未予采用，而且在相关教科书的“日光温室的保温”章节中也未予采纳[23-24]。当然，如果从工程造价上讲，畦面下陷挖出的土方用于夯垒后墙经济可行，那么这一方法尚有可取之处，否则得不偿失。

关于防寒沟或保温填充物（泡沫EPS板材）埋深，理论上认为应达最大冻土层深（GB/T 19165-2003 日光温室和塑料大棚结构与性能要求），这对纬度大于N40°地区而言是不实际的，因当地冻土层一般深≥1.2 m，且出现时间较气温最低1月滞后2月时于3月。适宜深度应为1月冻土层深（木垒0.8 m），易于积雪环境可再浅至0.6 m，2月起光温条件得以改善则不必再思虑冻土影响。另外，用细煤粉与粘土的混合物抹黑后墙，可提高后墙在日间对太阳辐射吸收率20%～30%[3]。

育苗温室的除雪与除尘

由于冬季蔬菜生产的育苗环节对温度要求高（≥15 ℃），在冬季蔬菜集中产地，一般配套建设连栋玻璃育苗温室。新疆是中国连栋温室热负荷高值区，最大热负荷≥300 W/m2[25]。针对昌吉州东三县冬季12～2月降雪（降水，下同）20 mm，年均沙尘暴4～5 天的气候特点[26]，为保证生产，温室除配备必要供暖设备外，还应设计有冬季除雪与春夏季除尘装置。然而，在新疆已引进现代温室的配套设施中，除加温、通风降温、灌溉施肥、补光、生防等5类系统外，均无配备除雪、除尘系统[27]。以往温室除雪常采用较为耗能的电热或热水融雪法，其投资和运行费用均较高。按标准煤热量5000 kcal/kg推算，要溶解1 公顷玻璃温室上-14.7 ℃、19 mm降雪（奇台站12月～2月），热效率30%，至少需多耗1010 吨标煤。目前，国内设计的“整体输送式温室屋面除雪装置” [28]较好地解决这一问题，主要设计思路在温室屋面上方安装活动幕布，展开时幕布接雪，收起时将雪传送到温室边缘落地，实现除雪。除雪装置投资68 元/公顷，运行费用仅驱动电机耗电，1 公顷温室除雪耗费仅约25 元/h。该设计装置的更大优点是具备兼容性，只要配备沙尘暴传感器即可兼作沙尘暴的除尘装置，实现一举两得。当然，这一设计的抗风能力还有待智能化改进。

小结与讨论

温室设备逆自然气候变化为作物提供适生的环境，而对于不同地域千差万别的自然气候，日光温室不存在万全永逸的设计，必须遵循“保温度、增光照”的原则。由于日光能向热能转换性（高谱能向低谱能）优于逆向热能向光能的转换，因而，在中、高纬度地区冬季日光温室改良设计中，在保证基本温、光条件基础上，应优先改善“光照”，而“保温”改进方面应加速研究秸秆发酵增温技术的实用化，以及新型保温、透光材料与低廉外源太阳能的开发应用。

本文部分观点仍有待生产试验的进一步验证。

参考文献

[1] 新疆气象信息中心.新疆地面气候资料日值数据集（1951-2009）.2010.http：//.

[2] 熊祖华，丁明，田荣燕.发展昌吉州东三县逆温带设施农业的思考[J].新疆农业科技，2008，183（6）：17.

[3] 张学文，张家宝.新疆气象手册[M].北京：气象出版社，2006：85-336.

[4] 徐德源.新疆坡地逆温资源特征与开发利用[J].新疆气象，1992，（1）：5-9.

[5] 刘增强，郑玉萍，李景林.乌鲁木齐市低空大气逆温特征分析[J].干旱地区，2007，30（3）：350-356.

[6] 奥银焕，陈玉春，吕世华.准噶尔盆地冬季一个例低空风、温、湿场的数值模拟[J].高原气象，2005，24（2）：160-165.

[7] 娄安如，张新时.新疆天山中段植被分布规律的初步研究[J].北京师范大学学报，1994，30（4）：540-545.

[8] 吕国华，王洪礼，史为民.新疆节能日光温室发展中的问题探讨[J].石河子农学院学报，1996，35（3）：5-10.

[9] 崔庆法，曹春晖，胡小进，等.日光温室内反光膜补光的实践与理论探析[J].中国农业生态学报，2005，13（13）：82-84.

[10] 王静，崔庆法，林茂兹.不同结构日光温室光环境及补光研究[J].农业工程学报，2002，18（4）：86-89.

[11] 邹志荣，李建明，王乃彪.日光温室温度变化与热量状态分析[J].西北农业学报，1997，6（1）：58-60.

[12] 崔学明.农业气象学[M].北京：高等教育出版社 2006：40-48.

[13] 昌吉回族自治州农业局.昌吉州土壤[M].乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社，1993：17-25.

[14] 孙世海，李树和，王萱.紫背天葵及其日光温室栽培技术[J].天津农学院学报，2001，8（2）：33-34.

[15] 毕于运，寇建平，王道龙.中国秸秆资源综合利用技术[M].北京：中国农业科技出版社，2008：40-158.

[16] 丰南县农科所.“八改”高温沤肥法.河北农业科技，1978，（4）：28.

[17] 司俐，张伶，黄国明.内置式秸秆反应堆在大棚蔬菜生产上的应用和管理[J].现代农业科技，2007，（23）：70-72.

[18] 隋文志，胡广民，.北方寒区生物质热能沼气池越冬产气技术研究[J].中国沼气，2009，27（6）：34-37.

[19] 宋自彪.冬季沼气池管理4要点[J].农村沼气，1993，47（1）：12.

[20] 王艳芹，刘英.不同措施对北方地区冬季户用沼气池料液温度及产气量的影响[J].中国沼气，2010，28（5）：31-33.

[21] 郭建清.大气污染物硫化氢对人体和动植物的毒害作用[J].污染防治技术，1990，3（4）：40-41.

[22] 高国训， 靳力争， 郭富常.节能日光温室温度分布及其变化[J].天津农业科学，2007，7（1）：33-36.

[23] 张福墁.设施园艺学[M].北京：中国农业大学出版社，2001：58-164.

[24] 胡繁荣.设施园艺（第二版）[M].上海：上海交通大学出版社，2008：25-78.

[25] 张亚红，张亚卫，陈端生，陈青云.中国连栋温室室外设计温度确定及最大热负荷分布[J].农业现代化研究，2007，28（2）：241-244.

[26] 常涛，张静，王晓梅.2006年春季南北疆沙尘暴的气候预测[J].新疆气象，2006，29（1）：14-16.

[27] 孙全洪.新疆地区现代温室引进推广研究[硕士论文] [D].西安：西北农林科技大学，2004.

[28] 周增产，王纲，田真.整体输送式温室屋面除雪装置[J].农业机械学报，2005，36（5）：144-149.

作者简介：徐磊，男，1977年5月，高级农艺师，专业方向：蔬菜技术推广。通信作者：李健，男，1956年8月，推广研究员，专业方向：园艺技术推广。