陕西杨凌温室内外太阳辐射特性分析.pdf

p分类号S482.299学校代码10712U D C632研究生学号2012054061密级公开2017 届 在 职 攻 读 硕 士 学 位 研 究 生 学 位 （ 毕 业 ） 论 文陕西杨凌温室内外太阳辐射特性分析类型农业推广领域、方向设施园艺研究生张淑娟指导教师杨振超副教授完成时间2017年9月中国陕西杨凌研究生学位论文的独创性声明本 人 声 明 所 呈 交 的 职 教 硕 士 学 位 论 文 或 硕 士 专 业 学 位 论 文 是 我 个 人 在 导 师 指 导 下独 立 进 行 的 研 究 工 作 及 取 得 的 研 究 结 果 ； 论 文 中 的 研 究 数 据 及 结 果 的 获 得 完 全 符 合 学 校 关 于 规 范 西 北 农 林 科 技 大 学 研 究 生 学 术 道 德 的 暂 行 规 定 ,如 果 违 反 此 规 定 ， 一 切 后果 与 法 律 责 任 均 由 本 人 承 担 。尽 我 所 知 ， 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 的 地 方 外 ， 论 文 中 不 包 含 其 他 人 已 经 发 表或 撰 写 过 的 研 究 结 果 ， 也 不 包 含 其 他 人 和 自 己 本 人 已 获 得 西 北 农 林 科 技 大 学 或 其 它 教 育机 构 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 事 对 本 研 究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已在 论 文 的 致 谢 中 作 了 明 确 的 说 明 并 表 示 了 谢 意 。研 究 生 签 名 时 间 年 月 日导师指导研究生学位论文的承诺本 人 承 诺 我 的 硕 士 专 业 学 位 研 究 生 张 淑 娟 所 呈 交 的 硕 士 学 位 论 文 是 在 我 指导 下 独 立 开 展 研 究 工 作 及 取 得 的 研 究 结 果 ， 属 于 我 现 岗 职 务 工 作 的 结 果 ， 并 严 格 按 照 学校 关 于 规 范 西 北 农 林 科 技 大 学 研 究 生 学 术 道 德 的 暂 行 规 定 而 获 得 的 研 究 结 果 。 如 果违 反 学 校 关 于 规 范 西 北 农 林 科 技 大 学 研 究 生 学 术 道 德 的 暂 行 规 定 ， 我 愿 接 受 按 学 校有 关 规 定 的 处 罚 处 理 并 承 担 相 应 导 师 连 带 责 任 。导 师 签 名 时 间 年 月 日关于研究生学位论文使用授权的说明本 学 位 论 文 的 知 识 产 权 归 属 西 北 农 林 科 技 大 学 。 本 人 同 意 西 北 农 林 科 技 大 学 保 存 或向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 纸 质 版 和 电 子 版 ， 允 许 论 文 被 查 阅 和 借 阅 ； 同 意 西 北农 林 科 技 大 学 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 授 权 汇 编 录 入 中 国 优 秀 硕 士 学 位 论 文 全文 数 据 库 和 中 国 学 位 论 文 全 文 数 据 库 进 行 出 版 ， 并 享 受 相 关 权 益 。本 人 保 证 ， 在 毕 业 离 开 （ 或 者 工 作 调 离 ） 西 北 农 林 科 技 大 学 后 ， 发 表 或 者 使 用 本 学位 论 文 及 其 相 关 的 工 作 成 果 时 ， 将 以 西 北 农 林 科 技 大 学 为 第 一 署 名 单 位 ， 否 则 ， 愿 意 按 中 华 人 民 共 和 国 著 作 权 法 等 有 关 规 定 接 受 处 理 并 承 担 法 律 责 任 。任 何 收 存 和 保 管 本 论 文 各 种 版 本 的 其 他 单 位 和 个 人 包 括 研 究 生 本 人 未 经 本 论 文作 者 的 导 师 同 意 ， 不 得 有 对 本 论 文 进 行 复 制 、 修 改 、 发 行 、 出 租 、 改 编 等 侵 犯 著 作 权 的行 为 ， 否 则 ， 按 违 背 中 华 人 民 共 和 国 著 作 权 法 等 有 关 规 定 处 理 并 追 究 法 律 责 任 。（ 保 密 的 学 位 论 文 在 保 密 期 限 内 ， 不 得 以 任 何 方 式 发 表 、 借 阅 、 复 印 、 缩 印 或 扫 描复 制 手 段 保 存 、 汇 编 论 文 ）研 究 生 签 名 时 间 年 月 日导 师 签 名 时 间 年 月 日陕西杨凌温室内外太阳辐射特性分析摘要2015年3月至12月期间在陕西杨凌西北农林科技大学南校区模型温室使用光谱分析仪PS-300型测定春分、夏至、秋分、冬至时节阴晴天EVA塑料薄膜大棚、聚碳酸酯板模型温室、浮法玻璃模型温室及室外的全天太阳辐射光谱，通过杨凌区不同季节和不同材料覆盖下温室内外太阳辐射光谱特性，分析探讨了季节和使用材料不同时对于温室内不同波段光谱的影响与联系。主要结论有①在春分和秋分时节，云层对于温室内光合有效辐射（PAR）及总辐射的影响较大，在典型阴天的情况下一般只为典型晴天的50左右，在冬至时节，云层对于温室内PAR及总辐射的影响微小，典型晴天仅比典型阴天多；②温室内不同波段光谱在秋分开始下降到冬至，之后呈上升趋势至春分，其中冬至时总辐射为夏至时的15.51；③EVA塑料薄膜、聚碳酸酯板及浮法玻璃三种材料中，EVA塑料薄膜的PAR透光性能最为优秀，其次是浮法玻璃，最后为聚碳酸酯板。紫外光透光性能与室外对照组相比比值结果为浮法玻璃＞EVA塑料薄膜＞聚碳酸酯板，影响因素中，远红光透光性能聚碳酸酯板≥EVA塑料薄膜＞玻璃，差距较小。材料本身为核心影响源，结构遮光等为次要影响源；④全天PAR及总辐射波动曲线，冬至最为平滑，整体呈正态分布图案的形状，早晚变化明显，正午12时达到极值。秋分时曲线同样平滑，极值为下午1时，同时在上午10时出现大幅上升，下午4时出现大幅下降趋势直至。春分极值为下午2时，同秋分一样在上午10时及下午4时产生大幅度变化，且能在上午10时至下午4时一直保持较高水准，对于光合作用最有利；⑤总体PAR变化来看，夏至最高，秋分略大于春分，三者均远大于冬至，晴天的日变化曲线呈单峰型极值较高且比较平滑，阴天的日变化曲线极值较低波动比较大，多由于云层间断遮挡所致。关键词陕西杨凌；温室；光合有效辐射（PAR）；光谱分析ANALYSISONSOLARRADIATION39;SCHARACTERISTICSINSIDEANDOUTSIDEOFTHEGREENHOUSEAROUNDTHESHAANXIYANGLINGAREAABSTRACTFrom March to December in 2015, the plastic film greenhouse, PC greenhouse, Floatglass greenhouse and outdoor of the South Campus of NorthwestA③EVAplastic film PAR transmission perance was themost outstanding, followed by the float glass, and finally for the polycarbonate plate.Ultraviolet light transmittance compared with the outdoor control group The results for thefloat glassgt; EVA plastic filmgt; polycarbonate, the impact of factors, far-red light translucentperancepolycarbonatesheet≥EVAplasticfilmgt;glass,thegapissmall.Material itselfis the core of the impact of sources, such as structural shading is the secondary source ofinfluence;④PARalldayandthetotalradiationwavecurve,themostsmoothwintersolstice,the overall shape was normal distribution pattern, sooner or later obvious changes, reachingnoonat 12o39;clock.Theautumnequatorial curve isalsosmooth,withtheextremeat 1pm anda sharp rise at 10 a.m., with a sharp downward trend at 4 a.m. The vernal equinox value at200pm,withthesamefallscore,changedgreatlyat10a.m.and400p.m.,andremainedatahigh level between 10a.m. and4 p.m.for themost favorable photosynthesis.⑤The overallPAR change From the point of view of summer solstice, the autumnal equinoxes were higherthan the equinoxes, all of them were much larger than that of the winter solstice. The dailyvariationcurvesofthesunnydayweresinglepeakedextremumandsmoother,andthediurnalexcursioncurveshadthelowerextremes,Duetointermittentcloudscausedbyobstruction.K ey words Shaanxi Yangling; greenhouse; photosynthetically active radiation PAR;spectralanalysis目录第一章文献综述.....................................................................................................................11.1我国设施农业发展现状及问题....................................................................................11.2太阳辐射光谱特性的研究与应用................................................................................11.3国内外研究概况............................................................................................................21.4本论文研究目的及意义................................................................................................3第二章材料与方法.................................................................................................................42.1试验材料........................................................................................................................42.2试验方法........................................................................................................................42.2.1试验设计..............................................................................................................42.2.2取样方法与测定项目..........................................................................................42.2.3试验数据处理与分析..........................................................................................6第三章结果与分析.................................................................................................................73.1不同材料覆盖下温室内外太阳辐射光谱特性............................................................73.1.1室外太阳辐射光谱特性......................................................................................73.1.2EVA塑料薄膜覆盖下大棚太阳辐射光谱特性.................................................93.1.3聚碳酸酯板温室太阳辐射光谱特性................................................................113.1.4浮法玻璃温室太阳辐射光谱特性....................................................................133.1.5不同材料覆盖下温室内外太阳辐射光谱特性结论........................................143.2不同季节温室外太阳辐射光谱特性..........................................................................153.2.1春分室外太阳辐射光谱特性............................................................................153.2.2夏至室外太阳辐射光谱特性............................................................................153.2.3秋分室外太阳辐射光谱特性............................................................................163.2.4冬至室外太阳辐射光谱特性............................................................................173.2.5不同季节温室外太阳辐射光谱特性结论........................................................18第四章讨论与结论...............................................................................................................204.1讨论..............................................................................................................................204.2结论..............................................................................................................................21参考文献...................................................................................................................................22致谢...................................................................................................................................26作者简介...................................................................................................................................27第一章文献综述1第一章文献综述1.1我国设施农业发展现状及问题设施农业是采用现代农业工程技术，机械技术和管理技术来改善局部环境，达到调控目的（费振国2010）。为动植物生产提供相对而言最适宜的空气、光照、温度、湿度、水、肥等环境条件，从而充分利用土壤、气候和动植物的潜在能力，达到延长生长季节及反季节，提高资源的利用率，提高作物产量，改善作物品质，增加收益（马希荣2009），最终达到科技含量高，产品附加值高，土地生产率高和劳动生产率高的现代农业。设施农业打破了传统农业的一般局限性，摆脱了长期存在于农业生产中的地区、区域和季节的限制，能够根据生产、生活和市场需要人为调控农业生产方向，为现代农业的发展提供了一条多样化的出路。设施农业因其科技含量高、作用明显而成为当今世界各国大力发展的一项高新技术产业，其发展程度高低与否成为衡量一个国家或地区的农业现代化水平的重要标志（谢方田2008），为农业现代化的进程带来了强大的动力和无比广阔的发展前景，是解决农业的发展、资源及环境三大基本问题的协调手段和基本途径。我国是设施农业大国，自20世纪80年代起，设施农业以前所未有的腾飞态势发展起来。1982年为0.7万hm，1999年已达139.6万hm，2002年达到200万hm，2004年达到250hm，2010年更是超过330万hm。与1980年相比增长了近400倍，总面积世界第一。据农业部全国农业技术推广服务中心的预测，到2030年，全国温室面积将达到2010年总面积的两倍，足以看出发展势头之强劲，市场之广阔，潜力之巨大。我国设施蔬菜生产总量虽居世界首位，但设施环境综合调控及自动化水平还较落后（霍文娟2008）。目前，在我国普遍应用的是塑料大棚、日光温室及连栋温室，以及少量技术先进的智能温室和大型温室，其中塑料大棚占其中的绝大多数。大部分设施内环境管理还主要是基于传统生产经验的、各环境因素单独调控的方法。未能达到环境影响因子间的统筹调控，自动化程度较低，主要依靠人工调控是设施农业管理的普遍现象。1.2太阳辐射光谱特性的研究与应用光照强度是影响园艺植物光合作用的重要生态因子（种培芳2008），其对温室环境中的作物产量及品质有重要的影响。光是温室作物进行光合作用、形成温室内温度、湿度环境条件的能源，要改变温室内的温、湿度条件，首先要调节进入其中的光量，虽然光合作用也和光谱有关，但在以自然光为主要光源的温室，光量仍然是影响光合作用的第一因素（邹志荣2008）。日光温室内的太阳辐射量还受温室结构参数、温室覆盖物等的影响。因此，研究温2陕西杨凌区温室内外太阳辐射特性分析室内外太阳总辐射量变化规律及温室太阳辐射利用效率对于促进提高温室生产具有显著意义，同时为如何改善作物生长环境提供了理论依据。目前，关于温室采光结构、光照时空变化规律作物群体内光照分布、光环境模拟等的研究较为深入，但对温室内太阳辐射利用效率变化规律、净辐射变化规律等的相关研究报道较少。光合有效辐射Photo-syntheticallyActiveRadiation，PAR是指波长范围为400700nm能为植被进行光合作用的那部分太阳辐射（张云林2002）。PAR是形成生物量的基本能源，控制着陆地生物有效光合作用的速度，直接影响到植被的生长、发育、产量与质量；同时，PAR也是重要的气候资源，影响着地表与大气环境物质、能量交换，也是反映全球气候变化主要驱动因子（董泰锋蒙继华等2011）。因此，PAR的估算，对于定量估算光合作用，有助于探索绿色植被的起源、生物利用太阳能的机理等重大理论问题，有助于提高全球生态系统的碳估算精度，维护国家利益，也直接关系到农业产量的形成并是进一步提高产量的依据，这对全球大气CO2浓度升高、全球变暖、粮食安全等全球环境和人类生存问题的研究及解决有着重要的实际应用价值（董泰锋蒙继华等2011）。1.3国内外研究概况光是植物生长的能量来源，是首要条件，光合作用就是实现光能转变为化学能这一变化的反应。光合作用是植物之所以被称为食物链的生产者的原因，它们能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。通过食用，食物链的消费者可以吸收到植物及细菌所贮存的能量，效率为1020左右。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是它们赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环，光合作用是必不可少的。而光和有效辐射则是光合作用中能为植物进行光合作用的那部分太阳辐射，对于植物在光合作用上的影响是十分巨大的。Montheith在早期的研究中提出了著名的Montheith公式（MontheithJL1972），认为在非胁迫条件下，净初级生产力NPPNet PrimaryProduction与植被吸收的光合有效辐射APAR呈明显的线性关系。在众多的生态过程模型、作物生产模型中，植被净初级生产量是PAR的函数，光合有效辐射是这些模型的重要数据源，并可为模型提供校正与验证数据刘新安范辽生等2011。国内，董振国等（董振国1983）、王炳忠等（王炳忠1988）、周允华等（周允华1996）、张运林等（张运林2002）的研究表明PAR在时间、空间上均呈现明显变化特征，且受到气压、海拔、云等因素的影响。作为影响植物生长的主要生态因子，PAR是陆地生态系统碳循环模型、植被生产力计算模型与生态系统大气间CO2交换模型等生态模型的关键变量。Monteith认为，在非胁迫条件下NPP植被与大气间交换的生物量与吸收的PARAPAR成线性关系，而APAR可以表示为PAR与吸收系数fPAR的乘积，因此PAR在时间与空间上的变化/p