日光温室基础保温围护对室内地温及番茄产量的影响.pdf

日光温室基础保温围护对室内地温及番茄产量的影响王正洪1于锡宏1，2 *蒋欣梅1，2 *李荣荣1王金华1王 波1吴凤芝1（1东北农业大学农业部东北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，黑龙江哈尔滨 150030；2林下经济资源研发与利用协同创新中心，黑龙江哈尔滨150040）摘 要为了减少温室内土壤有效热量从水平方向及垂直方向流失，以无保温基础作对照，在热阻值相同的前提下，设置外置、内置聚苯乙烯泡沫板（EPS）2 个处理，探究不同位置隔热层对温室地温及室内番茄产量的影响。结果表明无论隔热层内置还是外置，温室内平均地温均极显著高于对照。隔热层内置处理的保温效果优于外置处理，水平方向地温较外置处 理、对照平均提高 0.5、1.3℃；垂直方向地温显著高于外置处理（平均提升 0.6℃），极显著高于对照（平均提升 1.3℃），5～25cm 范围内随耕层深度增加增温幅度先增后减；番茄植株根系活力显著高于外置处理，极显著高于对照；番茄产量较外置处理、对照分别增产 10.9、29.1。综上，内置隔热层可有效提高温室内水平方向、垂直方向地温，不同位置地温均匀度更好，番茄根系活力和产量均显著提高。关键词日光温室；隔热层；地温；番茄；产量于植物的影响相对大于低气温的影响。因此，地温提升对植株生长意义重大，特别在秋延后或越冬栽培中常见低温、寡照天气，温室地温的提升更显得尤为重要。土壤在垂直方向和水平方向传导失热是土壤热量损失的主要途径，温室内土壤温度一般表层波动幅度较大，40～50 cm 土层处波动幅度已经极小，80cm 土层处趋于 0 ℃（新疆石河子地区），且垂直方向土壤热量流失很难避免（塔依尔 等，1999）。从理论上说，控制地温横向传导要比控制垂直传导更为容易和现实。根据日光温室结构特性，温室前沿是地温横向传导的主要路径（孙治强 等，2009）。为减少温室地温流失，早期多以在温室前沿及山墙基础外侧设置防寒沟，通过填充保温材料或酿热物等阻隔地温横向传导（白义奎，2004）。后期研究发现，温室基础外置苯板可有效阻隔土壤热量横向传导，浅层（10 cm）地温提升显著，且靠近温室前沿位置保温效果较好；哈尔滨地区基础隔热层外置的适宜深度为 1.1 m（刘在民 等，2008）。刘旭等（2014）研究表明，内置隔热层也可以有效阻隔温室地温流失，温室南侧基础边缘王正洪，男，硕士研究生，专业方向园艺设施工程，E-* 通讯作者（Corresponding，authors）于锡宏，男，教授，博士生导师，专业方向园艺设施设计及建造、蔬菜栽培与生理，E-；蒋欣梅，女，副教授，硕士生导师，专业方向蔬菜栽培与生理，E-收稿日期2016-12-29；接受日期2017-03-27基金项目 国家大宗蔬菜产业技术体系专项（CARS-25-C-08），黑龙江省应用技术研究与开发计划重大项目（GA15B104-2）节能日光温室是我国特有的温室结构类型，从 20 世纪 80 年代进入高速发展时期以来，全国节能日光温室面积逐年上升，为我国农业可持续发展做出了巨大的贡献。日光温室属半封闭系统，在冬季外界温度极低时，巨大的室内外温差使得温室土壤层具有明显的热岛效应，在一定含水率范围内高温土壤的导热率远大于常温土壤（陆森和任图生，2009），土壤热量不断向低温区域流失，导致温室地温过低；且冬季温室内均为冷水灌溉，更大大降低了地温，严重时还会产生冻根危害（郭建业等，2016）。Walker（1969）在有关玉米的研究中指出，在 12～35 ℃范围内，地温每升高 1 ℃植株生长便发生明显变化。Hori 等（1970）还指出，低地温对58新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 2017（5）58-63地温较对照提升 1～2 ℃。此外，从太阳能高效利用、空间热量向土壤热量转移等非温室结构角度，很多学者采用风媒贮热加温、主动式太阳能集热、土壤蓄热、水媒自主蓄放热等系统来提高温室地温（马承伟 等，1999；戴巧利 等，2009；方慧 等，2011；张义等，2012；梁浩等，2013；孙维拓等，2013），但因材料、配套设备等投入成本以及后期维护成本高，部分设计对表层土壤破坏严重，且占用有限温室空间，增加其他能源消耗等，导致推广受限。而常规人工加温的做法，不仅增加生产成本，降低农民生产积极性，而且还会带来温室内火灾、电热事故等安全隐患，特别是北方温室生产中经常发生此类事故。因此，如何通过简单、经济的保温措施及结构优化有效提高温室地温成为研究的热点。经过在各地考察及实践中发现，大多数温室进行施工设计时，基础建设存在很大的随意性，主要有以下几种情况一是不设置基础隔热层，土壤热量通过砖混基础不断散失到室外土壤中，温室内作物很容易因地温过低而引起冻根；二是设置外置基础隔热层，隔热层顶部为混凝土防护或者简单土壤埋设，而冬季北方室外土壤环境恶劣，对隔热层性能影响较大，外置隔热层顶部与基础间缝隙极易因水分渗入而严重影响保温性；三是设置内置基础隔热层，在下设深度范围内避免室内土壤和基础的接触；四是将隔热层或防护层设置于基础外侧与排水渠之间（与基础有一定距离），旨在防止排水对基础的破坏，但由于防护层距离基础较远，防护层对基础保温性影响极小。大量研究发现，隔热层位置对于温室墙体保温性的影响显著（亢树华 等，1992；白义奎 等，2002；佟国红 等，2003；李小芳和陈青云，2006；马承伟 等，2008；佟国红，2011；管勇 等，2013），且隔热层外置时温室保温及蓄热效果最好（佟国红，2011）。但是有关基础隔热层不同位置对温室内地温和蔬菜作物产量等的影响鲜见报道。本试验以常见保温材料聚苯乙烯板（EPS）作为隔热层材料，建筑节能中EPS常用尺寸作为热阻基准，研究了基础隔热层不同埋设位置（内置、外置）对温室地温以及番茄根系活力、产量等的影 响，旨在为改善温室内地温条件，以及为日光温室基础结构优化提供一定的理论依据。1 材料与方法1.1 试验设计试验于 2015 年 8 月至 2016 年 7 月在东北农业大学设施园艺工程中心进行，选用 1 栋未做基础处理的常规温室，温室长 50 m、跨度 6.5 m、脊高 3.2m、后墙高 2.3m；在温室东西两侧距山墙 10m 处，均用0.10 mm厚双层塑料膜（陶氏化学生产）隔 开，以避免山墙及操作间冷风干扰；中间每隔 10m再分别以同样方式做密封隔断（预留操作门），共计 3 段，膜底部埋深 40 cm。以常规不设基础隔热层为对照，设置隔热层外置、内置 2 个处理，隔热层下设深度取哈尔滨地区参考值 1.1 m，隔热层材料为聚苯乙烯泡沫板（EPS，购于河北华圣保温材料有限公司），各处理参数详见表1。温室无加温设施，施工时结构层中间的缝隙、板材间缝隙均用聚氨酯发泡剂封堵，以减少缝隙散热。温室地温测定时间为2015年10月至2016年6 月，采用锦州阳光气象科技公司生产的 TRM-WS型温室环境自动记录仪，仪器温度测量范围-40～80℃，地温精度 0.2 ℃，气温精度 0.1 ℃，数据记录时间间隔为 30min。供试番茄（ Lycopersicon esculentumMill.）品种为浙粉502，种子由东北农业大学设施工程与环境调控课题组提供，7月10日播种育苗，8月15日定植，单行、单干整枝，4穗果摘心，11月9日始收，12月26日拉秧。每处理内设4个番茄种植区，株距 40 cm，行距 70 cm，种植密度为 3.5表 1 各处理温室基础隔热层参数处理材料规格（长 宽 厚）mm密度kgm-3导热系数Wm-1K-1埋深m隔热层热阻m2KW-1基础总热阻m2KW-1对照（CK） 0.30外置 20001000100 18 0.041 1.1 2.44 2.74内置 20001000100 18 0.041 1.1 2.44 2.7459新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES株m-2。1.2 项目测定水平地温测定取各处理温室1/2截面上，1/4、1/2、3/4跨度处分别布点，在温室东西走向1/4、3/4 长度处各设等距重复测点（即同一跨度重复3次），测定温室内10 cm地温。外界进入冻土期后（10月28日）开始测定，选取10月28日至11 月 27 日的日平均地温，从两个角度进行分析对比，即不同处理温室同一位置地温的差异分析、同一处理不同位置间温室地温均匀度的比较分析。垂直地温测定取各处理温室 1/2 截面上，距前沿 1 m 处垂直方向 5、10、15、20、25 cm 深度分别布点，在温室东西走向 1/4、3/4 长度处各设等距重复测点（即同一深度重复 3 次）。选取 11 月 2日至 11 月 28 日的日平均地温及最低地温，进行单因素方差分析和差异显著性分析。根系活力外界进入冻土期后，选择11月1日、11 月 11 日、11 月 21 日进行随机破坏性取样，各处理每小区每次取3株番茄植株，采用TTC法 （王学奎，2006）测定根系活力。产量各处理每小区随机选取 10 株番茄植株进行测产，冬季番茄果实转色较慢，采收间隔时间为 10 d，分别于 11 月 9 日、11 月 19 日、11 月 29日、12月9日共采收4次，以各小区总产量为重复进行产量差异显著性分析，并折算 667m2产量。1.3 数据处理试验数据前期采用Excel 2003软件进行初步整理、作图，后期采用 SAS 9.2 统计软件进行方差 分析。2 结果与分析2.1 温室基础保温围护不同埋设位置对温室内水平方向地温的影响从图1可以看出，在水平方向距温室前沿同一距离处，不论外置还是内置处理，保温效果均极显著优于对照，其中内置处理平均地温最高，在1/4、1/2、3/4跨度处分别比外置处理显著或极显著增加 0.6、0.3、0.4℃。不同隔热层位置对温室1/4、3/4处地温影响的差异较大，达到显著水平；而对温室中部地温影响的差异较小。从图 2 可以看出，内置处理不同跨度处平均地温差异不大，温度波动范围在 0.3 ℃以内；外置处理变化较大，中部地温最高，比1/4跨度处高0.5℃，差异达极显著水平。说明隔热层内置有效减小了温室地温在水平方向分布的不均衡性，温室内水平地温均匀度更好。对照的地温均匀度也较好，但是整体地温水平较低。2.2 温室基础保温围护不同埋设位置对温室内垂直方向地温的影响由图3可知，5～25 cm土层范围内，内置处理的温室平均地温显著或极显著高于外置处理和对照，较外置处理增温幅度为 0.4～1.0 ℃，平均提高0.6℃ ；较对照增温幅度达 1.1～1.5 ℃，平均提高1.3℃，其中 10 cm 处增温幅度达到最大值 1.5 ℃。总体来看，5～25 cm 土层范围内随深度增加，内置处理较外置处理的地温差异、处理与对照间的地温差异均呈先增加后减少的趋势，其中 20 m 处最为图 2 温室基础保温围护相同埋设处理的室内不同位置 水平地温差异Ÿ s \U
4šB4š-l  y4š“U‹,UŒC C CC“B“B“B“B“B“B“BC“C图 1 温室基础保温围护不同埋设处理的室内同一位置 水平地温差异图柱上不同小写字母表示差异显著（ P ＜ 0.05），不同大写字母表示差异极显著（ P ＜ 0.01）；下图同。Ÿ s \U
CCCC“U‹,UŒ B4š 4šDDCCC“B“B“B“D60新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES明显。表明隔热层位置显著影响着5～25 cm深度范围内的耕层地温，且不同深度差异不同，随深度增加差异性减小。从图 3 还可以看出，表层土壤平均温度并非高于下部温度甚至低于下部温度，这是由于温室盖上保温被后室内气温骤减，室内墙体、土壤特别是表层土壤等温度稍高的地方会不断向空气补充热能，导致土壤表层温度迅速下降，而深层土壤升温和降温速度慢，整体温度平均值较表层略高。由图4可知，5～25 cm土层范围内，内置处理最低地温均极显著高于对照，较对照平均增加 1.2℃；显著或极显著高于外置处理，平均提高 0.8℃。除 20 cm 外，外置处理均极显著高于对照，增温幅度 0.3～0.7 ℃，平均提高 0.4 ℃。由此可见，设置基础隔热层可有效提高温室内最低地温，缓解冬季地温不足的生产现状；且隔热层内置时，效果更为显著。2.3 温室基础保温围护不同埋设位置对温室内番茄根系活力及产量的影响从表 2 可以看出，随着冬季外界气温降低土壤逐渐进入冻土期，温室内地温随之下降，处理及对照番茄植株根系活力整体均呈下降趋势，且总是内置＞外置＞对照。天气情况显示，11月1～11日仅有 3d 晴天，其余均为雾霾、阴天，9 日为降雪，外界温度降温幅度较大，因此 11 月 11 日测定时各处理番茄植株根系活力均明显降低，但是内置处理下降较为平缓，说明隔热层内置有效缓解了低地温对番茄植株生长的影响；11 月 21 日测定时，内置处理番茄植株根系活力仍极显著高于对照，显著高于外置处理。从表2还可以看出，内置处理番茄产量较外置处理和对照分别显著增产10.9、极显著增产29.1，外置处理较对照显著增产16.4。说明隔热层内置在显著提升温室地温的同时，也极显著增表 2 温室基础保温围护不同埋设位置对温室内番茄植株根系活力及产量的影响处理根系活力/ μgg-1h-1产量/kg（667m2）-111-01 11-11 11-21对照（CK） 37.571.30cC 28.111.34cC 25.311.27cB 4179.40241.26cB外置 43.381.34bB 32.191.12bB 31.330.99bA 4865.41338.34bAB内置 47.460.37aA 41.440.74aA 35.851.34aA 5397.23360.09aA注表中同列数据后不同小写字母表示差异显著（ P ＜ 0.05），不同大写字母表示差异极显著（ P ＜ 0.01）。加了温室内番茄产量，增产效果明显。3 结论与讨论日光温室的太阳能截获量是可以平衡自身热损失量的（吴毅明 等，1992），只是由于温室围护结构保温性不足使得温室有效热量大量散失，导致室内冷害或冻害的发生（张勇 等，2015）。温室内土壤温度直接影响着植株根系活力及其对水分、养分的吸收，以及根际微生物环境等，进而影响地上部生长及植株体整体营养状况和产量，在一定范围图 3 温室基础保温围护不同埋设处理的室内不同深度 平均地温差异Ÿ s \U
KnDNDDDDDCCCCC“B“B“B“B“B““U‹,UŒ B4š 4š图 4 温室基础保温围护不同埋设处理的室内不同深度 最低地温差异,z \U
KnDN“U‹,UŒ B4š 4šDDDDCC“CCCCB“B“B“B“B“61新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES内随温度升高这种影响呈递增关系（John Aref，1995；Mark Gregory，1998；宋广树 等，2012），且地温对于植物根系生长及养分吸收的影响往往比气温更大（Walker，1969；Kim etal.，2011）。番茄根系生长极限低温为 8℃，适宜温度为 20～22℃，但北方冬季番茄生产即使加温条件下适宜温度也很难达到，在长时间非适宜温度下，地温每升高 1 ℃对于植株生长意义重大。本试验将隔热层埋设不同位置后发现，内置处理的水平平均地温和垂直方向平均地温及最低地温均显著高于外置处理，地温均匀度更好，有效减缓了外界连续降温引起的低地温条件对番茄植株根系活力的影响，番茄产量较外置处理和对照显著提高，这和前人关于提高根际地温可有效促进植株根系生长、增加产量的结论基本一致（王国良等，2001；刘明池和徐刚毅，2005；宋广树 等，2012）。外置和内置隔热层均有效提高了温室内地温，这和前人设置基础隔热层可有效提高地温的研究结果基本一致（刘在民 等，2008；杨军 等，2012；刘旭 等，2014）。关于隔热层内置保温效果较外置更显著，推测原因可能如下① 常见温室外置保温基础施工时，保温材料顶部会进行砂浆处理或土壤掩埋，较基础有一定下碜深度，因此设施内部土壤、温室混凝土基础顶部、室外土壤间形成的温度差，使得前沿基础及外置隔热层顶部形成很长的冷桥面，热量会沿此途径不断向室外流失；② 根据传热学（陆森和任图生，2009），热量优先从高温体向低温体传递，基础导热系数一般高于温室土壤，非内置处理的热量随基础向下散失的速率高于土壤本身热量垂直传递的速率，且冬季透明覆盖薄膜内侧不断有流滴下流，更加剧了前沿基础湿度及其散热能力；③ 和墙体蓄热作用不同，温室基础的主要作用是承重、保温，基础内不需要蓄积热量，但体积较大的混凝土、砖混基础本身就是一个很大的热载体，吸收着很大一部分土壤热量。内置处理切断了横向传热途径，避免了温度较高的室内耕层土壤和基础的直接接触，减少了通过基础散失的热量及基础本身对土壤热量的吸收，因此在整体平均地温、最低地温以及地温均匀度上表现最佳，但具体传热机理还有待细化研究。虽然本试验中基础隔热层内置地温效果表现最好，但是隔热层内置较外置失去了对温室基础冻融循环的保护。鉴于此，今后将进行相同热阻值下隔热层内外分层围护对温室基础保温性的试验研究。此外，本试验选取的保温材料为 EPS 保温板，但建筑保温中还存在性能优于 EPS 的新型保温材料，新型保温材料应用会对温室地温及整体保温性能的影响也有待于进一步研究。参考文献白义奎，王铁良，姜传军，袁芳．2002．外墙聚苯板复合墙体在日光温室中的应用．房材与应用，30（1）27-29．白义奎，刘文合，柴宇，车忠仕，佟国．2004．防寒沟对日光温室横向地温的影响．沈阳农业大学学报，35（1）595-597．戴巧利，左然，李平，张志强，苏文佳，于海群．2009．主动式太阳能集热/土壤蓄热塑料大棚增温系统及效果．农业工程学报，25（7）164-168．方慧，杨其长，梁浩，王烁．2011．日光温室浅层土壤水媒蓄放热增温效果．农业工程学报，27（5）258-263．管勇，陈超，凌浩恕，韩云全，闫全英．2013．日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析．农业工程学报，29（21） 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reducethesoilheatlossfrombothhorizontalandverticaldirection，this studytooknoheatinsulationpanelservedasthecontrast，and setexternalandbuilt-inthermalinsulationmaterial（EPS）treatments，on thepremiseofsamevalueoffoundation’s thermalresistance，to exploretheeffectsofinsulationpanelwithdifferentpositiononsoiltemperatureandtomatoyieldingreenhouse．The resultsshowedthatboth2treatmentshadsignificanthigherheatpreservationeffectsthanthatofthecontrast．The insulationeffectofthebuilt-inheatinsulationpanelwasbetterthanthatoftheexternalinsulation，and thesoiltemperatureincreased0.5℃and1.3℃onaverage inhorizontaldirectioncomparedwithexternalinsulationpanelandthecontrastgroup．Ground temperatureinverticaldirectionwassignificantlybetterthanthatoftheexternal（lifting 0.6℃ byaverage），which wassignificantlyhigherthanthatofthecontrast（lifting 1.3℃ byaverage）. Within5-25cm，thewarmingamplitudesfirstincreasedandthendecreasedalongwiththetopsoildepthincreasing． Thetomatorootsystemactivitywassignificantlybetterthanthatoftheexternalinsulationpanelandextremesignificantlyhigherthanthatofthecontrast．The tomatoyieldwasincreasedby10.9and29.1，respectivelythanthatoftheexternalinsulationpanelandthecontrast．In summary，the built-ininsulationpanelcouldeffectivelyimprovetheindoorsoiltemperatureinbothhorizontalandverticaldirection，keep thetemperatureuniityatdifferentlocations，andmaintaintherootsystemactivity，tomatoyieldbothinimprovedposition．Key wordsSolargreenhouse；Heatinsulationpanel；Groundtemperature；Tomato；Yield63新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 研究论文中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES