0 引言
从目前的发展形势看,由于良好的经济性和广泛的适应性,日光节能温室在我国北方已经得到广泛的应用,并具有良好的发展前景[1].现代农业的高速发展对日光温室的建造成本、建造质量、管理经营、土地合理利用等方面有着更高的要求,而传统日光温室建造粗糙且跨度较小,导致土地利用率过低.所以,很多学者设想通过建造大跨度的日光温室来提高土地利用率和温室热容量,但是这些设想没有实践依据和理论依据作为支撑.在以丘陵山地为主的安塞地区建造山地日光温室,既能实现成本的大幅度降低,又能做到土地的合理利用.
随着日光温室进一步发展,国外学者 Fitz - Ro-driguez E[2]、López Hernández[3]、Kawashima H[4]、Y.Mahrer[5]等对温室微环境和温室性能进行了大量的研究.国内学者则开始投入到对日光温室的结构改造和性能优化的研究上.齐飞[6]、周长吉[7]等人对日光温室的结构以及日光温室的采光性能进行了优化研究并提出改善方案.管勇[8]、徐凡[9]等人对日光温室的热环境以及温室的微气候进行了模拟研究.
近年来,辽宁沈阳[10]、宁夏银川[11]、延安安塞等地相继建立了大跨度日光温室,最大跨度已经达到14m,但实际应用效果并不理想,所以日光温室跨度对其性能的影响,有待于进一步探究.本文通过对山地日光温室在 9、10、11. 5m 这 3 种不同跨度下的光照、湿度、温度、辣椒产量和经济效益等参数的分析,寻求适合延安安塞地区气候条件的最佳跨度.
1 试验方法
1. 1 试验温室
试验温室位于陕西省延安市安塞县高桥村山地日光温室试验园.园内有温室 36 座,其中 9m 温室为14 座,11. 5m 温室为 11 座,10m 温室为 11 座,总占地面积 36 250m².有 3 座温室供于试验(GH - 9,9m 跨度日光温室;GH -10,10m 跨度日光温室;GH -11. 5,11. 5m 跨度日光温室) .供试的山地日光温室均坐北朝南,东西延长,后墙为山体机打梯形后墙,在理论上为一个无限大的蓄热体,具有良好的蓄热保温效果;采光面为 PE 塑料薄膜,夜间用 2. 5cm 厚草苫保温;种植作物为辣椒,种植数量分别为:GH - 9 为 3 000 株,GH - 10 为 3 200 株,GH - 11. 5 为 3 600 株;于 2012年 12 月15 日前后定植,2013 年5 月30 日拉秧.表1为供试日光温室的结构参数.
1. 2 试验方法
1. 2. 1 试验仪器
本试验对于温室的温度、湿度和光照的测量均采用哈尔滨物格电子有限公司生产的监测仪器.温度监测使用测量精度为 0. 2℃ 的 8 路温度监测仪;湿度监测使用测量精度为 3% 的湿度环境监测仪;光照测量使用测量范围为 1 ~100 000lux 的监测仪器.
1. 2. 2 布点方法
1) 温度布点.在温室 1 /2 长度截面、辣椒冠层高度(即 1. 8m)、从南到北 1/4 跨度、2/4 跨度、3/4 跨度各布一个点.
在温室 1/2 跨度截面,从上到下 2. 8m、0. 8m 各布一个点;从东向西 1/4 长度、3/4 长度各布一个点;在地面 1/2 跨度、后墙 1/2 高度位置各布一个点; 在室外距离温室 3m、高 1. 8m 布一个点,作为室外参照点;共 10 个点.
2) 湿度布点.在温室 1 /2 长度截面、辣椒冠层高度、从南到北 1/4 跨度、2/4 跨度、3/4 跨度各布一个点.
3) 光照布点.在温室 1 /2 长度截面、辣椒冠层高度、从南到北 1/4 跨度、2/4 跨度、3/4 跨度各布一个点.
1. 2. 3 辣椒果实的生长和产量监测方法
在 3 座供试日光温室内,以株距 35cm、行距 50cm分别种植辣椒 3 000、3 200、3 600 株,从每座温室的同一种植区域分别选取 30 株辣椒,测量其果实生长参数和产量情况,以评价跨度对辣椒生长发育的影响.
1. 2. 4 温室经济效益的分析方法
对供试的 3 座日光温室内种植辣椒的总产量、总产值、净产值、土地利用率以及单位面积净产值等参数进行分析,以评价跨度对温室经济效益的影响.
2 结果与分析
测试时间为 2012 年 12 月 19 日 -2013 年 3 月 25日,3 座日光温室的性能有明显差异.现选取自 2013年 1 月 13 日 0:00 -2013 年 1 月 17 号 0:00(共 5 天)3 座日光温室的测试参数( 气温、土壤温度、后墙温度、空气湿度等)及其在典型天气下的参数,予以分析,如图 1、图 2 所示.
2. 1 跨度对气温的影响
温度是日光温室最重要的环境因素.本试验从连续 5 天平均气温和典型天气气温两方面进行研究,对日光温室的温度环境进行全面的分析.图 1(a)所示为 3 种跨度温室气温的变化曲线,可见在同样的外界环境下它们温度变化的趋势一致,但变化幅度稍有不同.GH -10 的平均气温略高于其他温室,而且通过方差分析,GH -10 的气温波动幅度最小,热环境最为稳定.数据显示,各温室的平均气温如下:GH - 10为 21. 4℃,GH - 9 为 20. 2℃,GH - 11. 5 为 16. 1℃.GH - 10 气温最高,较 GH - 9 高 1 . 2 ℃ ,较 GH -11 . 5 高 5. 1℃ .从晚 8:00 到次日早上 10:00 是温室夜间的保温的过程,GH - 10 平均气温最高,较 GH- 9 高 1. 1℃ ,较 GH - 11. 5 高 5. 1℃ .
由图2(a)可以看出:在典型阴天,3 座温室的温度变化趋势基本相同,但 GH -10 平均气温明显高于 GH -9和 GH -11.5.数据显示,各温室的平均气温如下:GH -10 为 15. 9℃ ,GH - 9 为 15. 2℃ ,GH - 11. 5 为 11. 5℃ .
GH - 10 比 GH - 9 高 0. 7℃ ,比 GH - 11. 5 高 4. 4℃ .在夜间,GH -10 平均气温可以达到15.5℃,气温波动幅度为 ±0. 3℃,明显优于 GH -9 和 GH -11. 5.
由图 2(b)可以看出:在雪天,GH - 10 的平均气温高于 GH - 9 和 GH - 11. 5,为 13. 8℃ ,比 GH - 9高 0. 6℃,比 GH - 11. 5 高 3. 1℃.在夜间,GH - 10的平均温度为 12. 9℃,比 GH - 9 高 0. 6℃,比 GH -11. 5 高 2. 9℃ .综上所述,在各种天气条件下,GH -10 的气温较 GH - 9 和 GH - 11. 5 高且相对稳定,适宜作物生长,所以 10m 跨度的温室的热环境最佳.
2. 2 跨度对土壤温度的影响
作物根系生长较为适宜的土壤温度是 20 ~25℃,并且稳定的土壤温度对植物根系的生长更为有利.
从图 1(b)可以得出数据:GH -10 的平均土壤温度为21. 7℃,GH - 9 为 23. 4℃ ,GH - 11. 5 为 16. 2℃ .GH- 9 的平均温度高于 GH - 10,但 GH - 10 的波动幅度明显小于 GH -9,且全天在 20 ~ 25℃ 范围之内,适宜作物生长发育,所以 GH - 10 土壤温度条件优于 GH- 9.GH - 11. 5 的波动幅度与 GH - 10 相近,但平均温度过低,全天不在 20 ~25℃范围之内,所以 GH -10的土壤温度条件优于 GH - 11. 5.综上所述,10m 跨度的温室在 20 ~25℃范围之内且波动幅度相对较小,最适宜作物的生长.
2. 3 跨度对后墙的影响
温室后墙白天吸收太阳辐射,夜间放热,是稳定温室温度的重要因素.所以,后墙的蓄热保温能力对于日光温室的热环境的稳定起到非常重要的作用.
山地日光温室后墙有着自身明显的特点.在理论上,山地日光温室的后墙依托山体,可以认为是一个无限大的蓄热体.后墙温度的高低和温度升降的快慢在一定程度上反映了温室的保温蓄热性能的优劣.图 1(c)为连续 5 天 3 种跨度温室后墙温度变化曲线,可以看出 GH -10 的后墙温度明显高于其它两种温室.
数据表明,各温室后墙均温如下:GH -10 为25.1℃,GH - 9 为 24. 7℃ ,GH - 11. 5 为 20. 9℃ .GH - 10 的后墙温度最高,较 GH - 9 高 0. 4℃ ,较 GH - 11. 5m高 5. 2℃.同时,从图 1 可以看出:GH - 9 和 GH - 10的后墙温度升降速率基本相同,明显快于 GH - 11. 5.综上,10m 跨度山地温室的后墙蓄热保温性能最佳.
2. 4 跨度对温室湿度的影响
在日光温室中,相对湿度长时间高于 75% ,容易导致虫害的发生;而长时间低于 40% ,会因为湿度过低抑制植物的生长.所以,适宜的相对湿度对于植物生长非常重要.图 1(d)所示为连续 5 天 3 个跨度温室的相对湿度数据.数据显示了各温室的空气湿度均值:GH -9 为 74% ,GH - 10 为 70% ,GH - 11. 5 为81% .GH - 10 空气湿度最低,较 GH - 9 低 4% ,较GH - 11. 5 低 11% ,平均值保持在 40% ~ 75% 范围内;且在全天温度高于 20℃的时间内,GH -10 的平均相对湿度最低,为 53% ,较 GH - 9 低 4. 5% ,较 GH -11. 5 低 12% .所以,10m 跨度日光温室可以更好地防治因高湿引起的病害.
2. 5 跨度对光照强度的影响
植物的生长发育和光合作用需要良好的光照条件,所以较好的光照强度和透光率是日光温室的重要环境因素,也是作物生长发育的重要保障.辣椒的光补偿点为 15 000lux,光照强度长时间达不到光补偿点辣椒会出现植株徒长,茎秆瘦长、叶片薄、花蕾果实发育不良及落花、落果、落叶等不良现象,所以充足的光照条件对辣椒的生长发育起到非常重要的作用.图 3所示为 3 座温室在典型晴天条件下的光照强度.图 3(a)所示为2013 年1 月11 日、图3(b)为2013 年1 月13 日、图 3( c) 为 2013 年 1 月 15 日 3 座日光温室的光照强度.由图 3 可以看出:在有效光照时间方面(光照强度大于 15 000lux),时间范围都为 10:00 -15:00 之间,GH - 9 和 GH - 10 的有效光照时间大致相同,比 GH - 11. 5 长 30min 左右;在光照强度方面,GH - 10 光照强度最强,GH - 9 次之,GH - 11. 5 光照条件最差;在平均透光率方面,GH - 9 为 82% ,GH -10 为 87% ,而 GH - 11. 5m 为 76% ,GH - 10m 的透光率最好.综合分析,10m 跨度的山地日光温室的光照条件最适合辣椒的生长发育.
2. 6 跨度对辣椒果实生长和产量的影响
由表 2 可以看出:在果实生长方面,GH - 10 的平均单果质最高,为 88. 4g,较 GH - 9 高 2. 2g,较 GH -11. 5 高 4. 6g;平均坐果数最多,为 37. 2 个,较 GH - 9多1.4 个,较 GH -11. 5 多 1. 9 个;落花率最低,为 10.
9% ,较 GH - 9 低 1. 3% ,较 GH - 11. 5 低 3. 9% .在试验区辣椒产量方面,供试的 30 株辣椒的前期产量和总产量分别如下:GH - 10 为 45 004 、170 830kg/hm2,GH - 9 为 4 1 1 9 7 、1 6 0 2 5 4 kg / hm²,GH - 1 1 . 5为 38 744、153 669kg/hm².其中,GH -10 最高,分别较 GH -9 高 7. 1% 和 6. 2% ,较 GH - 11. 5 高 13. 9%和 10. 1% .综上分析,10m 跨度日光温室的辣椒从果实生长和产量方面均优于 9m 和 11. 5m,是最适宜辣椒生长发育的温室类型.
2. 7 跨度对日光温室经济效益的影响
日光温室在蔬菜反季节栽培上得到了广泛的应用,为广大农民创造了丰厚的效益.本文调查分析了3 座越冬种植辣椒的日光温室的投入产出情况,并进行了经济效益统计,如表 3 所示.表 3 表明,3 座温室资金投入情况为 GH -11. 5 > GH -10 > GH -9.这是因为温室跨度越大,其建造面积和积植面积越大,在种苗、施肥、喷药、棚膜、草帘以及人工费等方面的投入就会越大;但是相应的种植面积越大,种植作物也越多,分别是:GH - 9 为 3 000 株,GH - 10 为 3 200株,GH -11. 5 为 3 600 株.种植作物越多,产量越高、产值越大,分别是:GH - 9 为 10 628kg、63 768 元,GH- 10 为 11 942kg、71 652 元,GH - 11. 5 为 12 306kg、73 325 元,随跨度的增长呈现线性增长关系.在净产值方面,由于温室性能以及施肥操作等方面的差异,并未随跨度的增大呈现线性增长关系,而是 GH - 10净产值最高,为 39 852 元;GH - 11. 5 次之,为 37 925元;GH -9 最差为 33 968 元.
表 4 为 3 座温室的土地利用率情况.从表 4 可知:随跨度的增大,土地利用率呈线性增长关系;但由于山地日光温室后墙底部过宽,3 座温室的土地利用率并不高,最高为 GH -11. 5,仅为 52. 9% .
温室的单位面积净产值能直观地反应 3 座温室的经济效益情况,是衡量温室性能的重要指标.从表4 中可以看出:GH - 10 单位面积净产值最高,为 20.71 元 / ㎡;GH - 9 次之,为 19. 17 元 / ㎡;GH - 11. 5 最差,为 17. 44 元/m².综合分析,10m 跨度山地日光温室投入适中、净产值最高、单位面积净产值最高,是适宜在安塞地区推广的温室类型.
3 结语
本研究供试的 3 座不同跨度的山地日光温室在同样的天气条件下,室内的微环境、辣椒果实生长、辣椒产量以及经济效益有明显的差异.结论如下:10m跨度温室的气温最高,土壤温度相对稳定,后墙平均温度最高,相对湿度最小,光照强度最强,透光率最高,辣椒果实生长状况最佳,产量最高,经济效益最好.综上比较,10m 跨度山地日光温室综合性能最佳,其跨度结构最适宜于延安安塞地区冬季设施作物的生长.
以上数据可以初步确定适宜安塞地区建造山地日光温室的最佳跨度范围.在 9 ~ 11. 5m 的范围内,当跨度小于 10m 时,日光温室的性能随着跨度的增加会趋于更优;但当跨度大于 10m 后,随着跨度的增大日光温室性能会逐渐变差,会出现 11. 5m 跨度温室性能明显劣于 9m 跨度温室性能的现象.本研究得出结论与前人研究的结论相一致,揭示了温室性能随跨度的增加先优后劣的现象.本试验仅为初步探究,望在以后的试验中能有进一步的发现,得到跨度对温室性能影响的更深层次的理论.
参考文献:
[1] 周长吉,王应宽. 中国现代温室的主要型式及其性能[J].农业工程学报,2001,17(1):16 -21.
[2] Fitz - Rodriguez E,Nelkin J,Kubota C,et al. Use of dispos-able film sensor for analyzing uniformity of daily light integralinside a greenhouse[J]. Acta Horticulturae,2011,893(1):517 - 524.
[3] López Hernández,Juan Carlos ,Pérez - Parra,et al. Evolu-tion of Greenhouse Structures[J]. Plasti - culture,2006,125:8 -17.
[4] Kawashima H,Nonaka M. Characteristics of the Thermal En-vironment in Sloping Greenhouses [J]. Acta Horticu - ltu-rae,2000,519:181 - 190.
[5] Y Mahrer,R Avissar. A numerical simulation of the green-house microclimate[J]. Mathematics and Computers in Sim-ulation,1984,26(3):518 - 524.
[6] 齐飞,童根树. 连栋温室钢结构框架稳定设计方法[J]. 农业工程学报,2009,25(9):202 -209.
[7] 周长吉,孙山,吴德让. 日光温室前屋面采光性能的优化[J]. 农业工程学报,1993,9(4) :58 - 61.
[8] 管勇,陈超,韩云全,等. 相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善[J]. 农业工程学报,2012,28(10):194 -201.
[9] 徐凡,马承伟,刘洋,等. 天津一种典型砖墙日光温室热环境现状的测试与分析[J]. 中国农业大学学报,2013,18(4):188 - 195.
[10] 张泽民,王双喜. 大跨度无支柱日光节能温室性能的研究[J]. 内蒙古农业大学学报,2007,28(3):11 -14.
[11] 郭文忠,杨冬艳,曲继松,等. 宁夏 NKWS - Ⅲ型日光温室设计建造及冬季温光环境特征[J]. 北方园艺,2010,(15):12 -15.
