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日光溫室基礎(chǔ)保溫圍護對室內(nèi)地溫及番茄產(chǎn)量的影響

2017-05-12 03:35王正洪于錫宏蔣欣梅李榮榮王金華吳鳳芝
中國蔬菜 2017年5期
關(guān)鍵詞:隔熱層外置日光溫室

王正洪 于錫宏,2* 蔣欣梅,2* 李榮榮 王金華 王 波 吳鳳芝

(1東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150030;2林下經(jīng)濟資源研發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,黑龍江哈爾濱 150040)

日光溫室基礎(chǔ)保溫圍護對室內(nèi)地溫及番茄產(chǎn)量的影響

王正洪1于錫宏1,2*蔣欣梅1,2*李榮榮1王金華1王 波1吳鳳芝1

(1東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150030;2林下經(jīng)濟資源研發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,黑龍江哈爾濱 150040)

為了減少溫室內(nèi)土壤有效熱量從水平方向及垂直方向流失,以無保溫基礎(chǔ)作對照,在熱阻值相同的前提下,設(shè)置外置、內(nèi)置聚苯乙烯泡沫板(EPS)2個處理,探究不同位置隔熱層對溫室地溫及室內(nèi)番茄產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明:無論隔熱層內(nèi)置還是外置,溫室內(nèi)平均地溫均極顯著高于對照。隔熱層內(nèi)置處理的保溫效果優(yōu)于外置處理,水平方向地溫較外置處理、對照平均提高0.5、1.3 ℃;垂直方向地溫顯著高于外置處理(平均提升0.6 ℃),極顯著高于對照(平均提升1.3 ℃),5~25 cm范圍內(nèi)隨耕層深度增加增溫幅度先增后減;番茄植株根系活力顯著高于外置處理,極顯著高于對照;番茄產(chǎn)量較外置處理、對照分別增產(chǎn)10.9%、29.1%。綜上,內(nèi)置隔熱層可有效提高溫室內(nèi)水平方向、垂直方向地溫,不同位置地溫均勻度更好,番茄根系活力和產(chǎn)量均顯著提高。

日光溫室;隔熱層;地溫;番茄;產(chǎn)量

節(jié)能日光溫室是我國特有的溫室結(jié)構(gòu)類型,從20世紀(jì)80年代進入高速發(fā)展時期以來,全國節(jié)能日光溫室面積逐年上升,為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出了巨大的貢獻。日光溫室屬半封閉系統(tǒng),在冬季外界溫度極低時,巨大的室內(nèi)外溫差使得溫室土壤層具有明顯的熱島效應(yīng),在一定含水率范圍內(nèi)高溫土壤的導(dǎo)熱率遠大于常溫土壤(陸森和任圖生,2009),土壤熱量不斷向低溫區(qū)域流失,導(dǎo)致溫室地溫過低;且冬季溫室內(nèi)均為冷水灌溉,更大大降低了地溫,嚴(yán)重時還會產(chǎn)生凍根危害(郭建業(yè) 等,2016)。Walker(1969)在有關(guān)玉米的研究中指出,在12~35 ℃范圍內(nèi),地溫每升高1 ℃植株生長便發(fā)生明顯變化。Hori等(1970)還指出,低地溫對于植物的影響相對大于低氣溫的影響。因此,地溫提升對植株生長意義重大,特別在秋延后或越冬栽培中常見低溫、寡照天氣,溫室地溫的提升更顯得尤為重要。

土壤在垂直方向和水平方向傳導(dǎo)失熱是土壤熱量損失的主要途徑,溫室內(nèi)土壤溫度一般表層波動幅度較大,40~50 cm土層處波動幅度已經(jīng)極小,80 cm土層處趨于0 ℃(新疆石河子地區(qū)),且垂直方向土壤熱量流失很難避免(塔依爾 等,1999)。從理論上說,控制地溫橫向傳導(dǎo)要比控制垂直傳導(dǎo)更為容易和現(xiàn)實。根據(jù)日光溫室結(jié)構(gòu)特性,溫室前沿是地溫橫向傳導(dǎo)的主要路徑(孫治強 等,2009)。為減少溫室地溫流失,早期多以在溫室前沿及山墻基礎(chǔ)外側(cè)設(shè)置防寒溝,通過填充保溫材料或釀熱物等阻隔地溫橫向傳導(dǎo)(白義奎,2004)。后期研究發(fā)現(xiàn),溫室基礎(chǔ)外置苯板可有效阻隔土壤熱量橫向傳導(dǎo),淺層(10 cm)地溫提升顯著,且靠近溫室前沿位置保溫效果較好;哈爾濱地區(qū)基礎(chǔ)隔熱層外置的適宜深度為1.1 m(劉在民 等,2008)。劉旭等(2014)研究表明,內(nèi)置隔熱層也可以有效阻隔溫室地溫流失,溫室南側(cè)基礎(chǔ)邊緣地溫較對照提升1~2 ℃。此外,從太陽能高效利用、空間熱量向土壤熱量轉(zhuǎn)移等非溫室結(jié)構(gòu)角度,很多學(xué)者采用風(fēng)媒貯熱加溫、主動式太陽能集熱、土壤蓄熱、水媒自主蓄放熱等系統(tǒng)來提高溫室地溫(馬承偉 等,1999;戴巧利 等,2009;方慧 等,2011;張義 等,2012;梁浩 等,2013;孫維拓 等,2013),但因材料、配套設(shè)備等投入成本以及后期維護成本高,部分設(shè)計對表層土壤破壞嚴(yán)重,且占用有限溫室空間,增加其他能源消耗等,導(dǎo)致推廣受限。而常規(guī)人工加溫的做法,不僅增加生產(chǎn)成本,降低農(nóng)民生產(chǎn)積極性,而且還會帶來溫室內(nèi)火災(zāi)、電熱事故等安全隱患,特別是北方溫室生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生此類事故。因此,如何通過簡單、經(jīng)濟的保溫措施及結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效提高溫室地溫成為研究的熱點。

經(jīng)過在各地考察及實踐中發(fā)現(xiàn),大多數(shù)溫室進行施工設(shè)計時,基礎(chǔ)建設(shè)存在很大的隨意性,主要有以下幾種情況:一是不設(shè)置基礎(chǔ)隔熱層,土壤熱量通過磚混基礎(chǔ)不斷散失到室外土壤中,溫室內(nèi)作物很容易因地溫過低而引起凍根;二是設(shè)置外置基礎(chǔ)隔熱層,隔熱層頂部為混凝土防護或者簡單土壤埋設(shè),而冬季北方室外土壤環(huán)境惡劣,對隔熱層性能影響較大,外置隔熱層頂部與基礎(chǔ)間縫隙極易因水分滲入而嚴(yán)重影響保溫性;三是設(shè)置內(nèi)置基礎(chǔ)隔熱層,在下設(shè)深度范圍內(nèi)避免室內(nèi)土壤和基礎(chǔ)的接觸;四是將隔熱層或防護層設(shè)置于基礎(chǔ)外側(cè)與排水渠之間(與基礎(chǔ)有一定距離),旨在防止排水對基礎(chǔ)的破壞,但由于防護層距離基礎(chǔ)較遠,防護層對基礎(chǔ)保溫性影響極小。大量研究發(fā)現(xiàn),隔熱層位置對于溫室墻體保溫性的影響顯著(亢樹華 等,1992;白義奎 等,2002;佟國紅 等,2003;李小芳和陳青云,2006;馬承偉 等,2008;佟國紅,2011;管勇 等,2013),且隔熱層外置時溫室保溫及蓄熱效果最好(佟國紅,2011)。但是有關(guān)基礎(chǔ)隔熱層不同位置對溫室內(nèi)地溫和蔬菜作物產(chǎn)量等的影響鮮見報道。

本試驗以常見保溫材料聚苯乙烯板(EPS)作為隔熱層材料,建筑節(jié)能中EPS常用尺寸作為熱阻基準(zhǔn),研究了基礎(chǔ)隔熱層不同埋設(shè)位置(內(nèi)置、外置)對溫室地溫以及番茄根系活力、產(chǎn)量等的影響,旨在為改善溫室內(nèi)地溫條件,以及為日光溫室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2015年8月至2016年7月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施園藝工程中心進行,選用1棟未做基礎(chǔ)處理的常規(guī)溫室,溫室長50 m、跨度6.5 m、脊高3.2 m、后墻高2.3 m;在溫室東西兩側(cè)距山墻10 m處,均用0.10 mm厚雙層塑料膜(陶氏化學(xué)生產(chǎn))隔開,以避免山墻及操作間冷風(fēng)干擾;中間每隔10 m再分別以同樣方式做密封隔斷(預(yù)留操作門),共計3段,膜底部埋深40 cm。以常規(guī)不設(shè)基礎(chǔ)隔熱層為對照,設(shè)置隔熱層外置、內(nèi)置2個處理,隔熱層下設(shè)深度取哈爾濱地區(qū)參考值1.1 m,隔熱層材料為聚苯乙烯泡沫板(EPS,購于河北華圣保溫材料有限公司),各處理參數(shù)詳見表1。溫室無加溫設(shè)施,施工時結(jié)構(gòu)層中間的縫隙、板材間縫隙均用聚氨酯發(fā)泡劑封堵,以減少縫隙散熱。

溫室地溫測定時間為2015年10月至2016年6月,采用錦州陽光氣象科技公司生產(chǎn)的TRM-WS型溫室環(huán)境自動記錄儀,儀器溫度測量范圍-40~80℃,地溫精度±0.2 ℃,氣溫精度±0.1 ℃,數(shù)據(jù)記錄時間間隔為30 min。

表1 各處理溫室基礎(chǔ)隔熱層參數(shù)

供試番茄(Lycopersicon esculentumMill. )品種為浙粉502,種子由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施工程與環(huán)境調(diào)控課題組提供,7月10日播種育苗,8月15日定植,單行、單干整枝,4穗果摘心,11月9日始收,12月26日拉秧。每處理內(nèi)設(shè)4個番茄種植區(qū),株距40 cm,行距70 cm,種植密度為3.5株·m-2。

1.2 項目測定

水平地溫測定:取各處理溫室1/2截面上,1/4、1/2、3/4跨度處分別布點,在溫室東西走向1/4、3/4長度處各設(shè)等距重復(fù)測點(即同一跨度重復(fù)3次),測定溫室內(nèi)10 cm地溫。外界進入凍土期后(10月28日)開始測定,選取10月28日至11月27日的日平均地溫,從兩個角度進行分析對比,即不同處理溫室同一位置地溫的差異分析、同一處理不同位置間溫室地溫均勻度的比較分析。

垂直地溫測定:取各處理溫室1/2截面上,距前沿1 m處垂直方向5、10、15、20、25 cm深度分別布點,在溫室東西走向1/4、3/4長度處各設(shè)等距重復(fù)測點(即同一深度重復(fù)3次)。選取11月2日至11月28日的日平均地溫及最低地溫,進行單因素方差分析和差異顯著性分析。

根系活力:外界進入凍土期后,選擇11月1日、11月11日、11月21日進行隨機破壞性取樣,各處理每小區(qū)每次取3株番茄植株,采用TTC法(王學(xué)奎,2006)測定根系活力。

產(chǎn)量:各處理每小區(qū)隨機選取10株番茄植株進行測產(chǎn),冬季番茄果實轉(zhuǎn)色較慢,采收間隔時間為10 d,分別于11月9日、11月19日、11月29日、12月9日共采收4次,以各小區(qū)總產(chǎn)量為重復(fù)進行產(chǎn)量差異顯著性分析,并折算667 m2產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)前期采用Excel 2003軟件進行初步整理、作圖,后期采用SAS 9.2統(tǒng)計軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室基礎(chǔ)保溫圍護不同埋設(shè)位置對溫室內(nèi)水平方向地溫的影響

從圖1可以看出,在水平方向距溫室前沿同一距離處,不論外置還是內(nèi)置處理,保溫效果均極顯著優(yōu)于對照,其中內(nèi)置處理平均地溫最高,在1/4、1/2、3/4跨度處分別比外置處理顯著或極顯著增加0.6、0.3、0.4 ℃。不同隔熱層位置對溫室1/4、3/4處地溫影響的差異較大,達到顯著水平;而對溫室中部地溫影響的差異較小。

從圖2可以看出,內(nèi)置處理不同跨度處平均地溫差異不大,溫度波動范圍在0.3 ℃以內(nèi);外置處理變化較大,中部地溫最高,比1/4跨度處高0.5 ℃,差異達極顯著水平。說明隔熱層內(nèi)置有效減小了溫室地溫在水平方向分布的不均衡性,溫室內(nèi)水平地溫均勻度更好。對照的地溫均勻度也較好,但是整體地溫水平較低。

圖1 溫室基礎(chǔ)保溫圍護不同埋設(shè)處理的室內(nèi)同一位置水平地溫差異

圖2 溫室基礎(chǔ)保溫圍護相同埋設(shè)處理的室內(nèi)不同位置水平地溫差異

2.2 溫室基礎(chǔ)保溫圍護不同埋設(shè)位置對溫室內(nèi)垂直方向地溫的影響

由圖3可知,5~25 cm土層范圍內(nèi),內(nèi)置處理的溫室平均地溫顯著或極顯著高于外置處理和對照,較外置處理增溫幅度為0.4~1.0 ℃,平均提高0.6 ℃;較對照增溫幅度達1.1~1.5 ℃,平均提高1.3 ℃,其中10 cm處增溫幅度達到最大值1.5 ℃??傮w來看,5~25 cm土層范圍內(nèi)隨深度增加,內(nèi)置處理較外置處理的地溫差異、處理與對照間的地溫差異均呈先增加后減少的趨勢,其中20 m處最為明顯。表明隔熱層位置顯著影響著5~25 cm深度范圍內(nèi)的耕層地溫,且不同深度差異不同,隨深度增加差異性減小。

從圖3還可以看出,表層土壤平均溫度并非高于下部溫度甚至低于下部溫度,這是由于溫室蓋上保溫被后室內(nèi)氣溫驟減,室內(nèi)墻體、土壤特別是表層土壤等溫度稍高的地方會不斷向空氣補充熱能,導(dǎo)致土壤表層溫度迅速下降,而深層土壤升溫和降溫速度慢,整體溫度平均值較表層略高。

圖3 溫室基礎(chǔ)保溫圍護不同埋設(shè)處理的室內(nèi)不同深度平均地溫差異

由圖4可知,5~25 cm土層范圍內(nèi),內(nèi)置處理最低地溫均極顯著高于對照,較對照平均增加1.2℃;顯著或極顯著高于外置處理,平均提高0.8 ℃。除20 cm外,外置處理均極顯著高于對照,增溫幅度0.3~0.7 ℃,平均提高0.4 ℃。由此可見,設(shè)置基礎(chǔ)隔熱層可有效提高溫室內(nèi)最低地溫,緩解冬季地溫不足的生產(chǎn)現(xiàn)狀;且隔熱層內(nèi)置時,效果更為顯著。

圖4 溫室基礎(chǔ)保溫圍護不同埋設(shè)處理的室內(nèi)不同深度最低地溫差異

2.3 溫室基礎(chǔ)保溫圍護不同埋設(shè)位置對溫室內(nèi)番茄根系活力及產(chǎn)量的影響

從表2可以看出,隨著冬季外界氣溫降低土壤逐漸進入凍土期,溫室內(nèi)地溫隨之下降,處理及對照番茄植株根系活力整體均呈下降趨勢,且總是內(nèi)置>外置>對照。天氣情況顯示,11月1~11日僅有3 d晴天,其余均為霧霾、陰天,9日為降雪,外界溫度降溫幅度較大,因此11月11日測定時各處理番茄植株根系活力均明顯降低,但是內(nèi)置處理下降較為平緩,說明隔熱層內(nèi)置有效緩解了低地溫對番茄植株生長的影響;11月21日測定時,內(nèi)置處理番茄植株根系活力仍極顯著高于對照,顯著高于外置處理。

從表2還可以看出,內(nèi)置處理番茄產(chǎn)量較外置處理和對照分別顯著增產(chǎn)10.9%、極顯著增產(chǎn)29.1%,外置處理較對照顯著增產(chǎn)16.4%。說明隔熱層內(nèi)置在顯著提升溫室地溫的同時,也極顯著增加了溫室內(nèi)番茄產(chǎn)量,增產(chǎn)效果明顯。

表2 溫室基礎(chǔ)保溫圍護不同埋設(shè)位置對溫室內(nèi)番茄植株根系活力及產(chǎn)量的影響

3 結(jié)論與討論

日光溫室的太陽能截獲量是可以平衡自身熱損失量的(吳毅明 等,1992),只是由于溫室圍護結(jié)構(gòu)保溫性不足使得溫室有效熱量大量散失,導(dǎo)致室內(nèi)冷害或凍害的發(fā)生(張勇 等,2015)。溫室內(nèi)土壤溫度直接影響著植株根系活力及其對水分、養(yǎng)分的吸收,以及根際微生物環(huán)境等,進而影響地上部生長及植株體整體營養(yǎng)狀況和產(chǎn)量,在一定范圍內(nèi)隨溫度升高這種影響呈遞增關(guān)系(John & Aref,1995;Mark & Gregory,1998;宋廣樹 等,2012),且地溫對于植物根系生長及養(yǎng)分吸收的影響往往比氣溫更大(Walker,1969;Kim et al.,2011)。番茄根系生長極限低溫為8 ℃,適宜溫度為20~22 ℃,但北方冬季番茄生產(chǎn)即使加溫條件下適宜溫度也很難達到,在長時間非適宜溫度下,地溫每升高1 ℃對于植株生長意義重大。本試驗將隔熱層埋設(shè)不同位置后發(fā)現(xiàn),內(nèi)置處理的水平平均地溫和垂直方向平均地溫及最低地溫均顯著高于外置處理,地溫均勻度更好,有效減緩了外界連續(xù)降溫引起的低地溫條件對番茄植株根系活力的影響,番茄產(chǎn)量較外置處理和對照顯著提高,這和前人關(guān)于提高根際地溫可有效促進植株根系生長、增加產(chǎn)量的結(jié)論基本一致(王國良 等,2001;劉明池和徐剛毅,2005;宋廣樹 等,2012)。外置和內(nèi)置隔熱層均有效提高了溫室內(nèi)地溫,這和前人設(shè)置基礎(chǔ)隔熱層可有效提高地溫的研究結(jié)果基本一致(劉在民 等,2008;楊軍 等,2012;劉旭 等,2014)。關(guān)于隔熱層內(nèi)置保溫效果較外置更顯著,推測原因可能如下:① 常見溫室外置保溫基礎(chǔ)施工時,保溫材料頂部會進行砂漿處理或土壤掩埋,較基礎(chǔ)有一定下磣深度,因此設(shè)施內(nèi)部土壤、溫室混凝土基礎(chǔ)頂部、室外土壤間形成的溫度差,使得前沿基礎(chǔ)及外置隔熱層頂部形成很長的冷橋面,熱量會沿此途徑不斷向室外流失;② 根據(jù)傳熱學(xué)(陸森和任圖生,2009),熱量優(yōu)先從高溫體向低溫體傳遞,基礎(chǔ)導(dǎo)熱系數(shù)一般高于溫室土壤,非內(nèi)置處理的熱量隨基礎(chǔ)向下散失的速率高于土壤本身熱量垂直傳遞的速率,且冬季透明覆蓋薄膜內(nèi)側(cè)不斷有流滴下流,更加劇了前沿基礎(chǔ)濕度及其散熱能力;③ 和墻體蓄熱作用不同,溫室基礎(chǔ)的主要作用是承重、保溫,基礎(chǔ)內(nèi)不需要蓄積熱量,但體積較大的混凝土、磚混基礎(chǔ)本身就是一個很大的熱載體,吸收著很大一部分土壤熱量。內(nèi)置處理切斷了橫向傳熱途徑,避免了溫度較高的室內(nèi)耕層土壤和基礎(chǔ)的直接接觸,減少了通過基礎(chǔ)散失的熱量及基礎(chǔ)本身對土壤熱量的吸收,因此在整體平均地溫、最低地溫以及地溫均勻度上表現(xiàn)最佳,但具體傳熱機理還有待細化研究。雖然本試驗中基礎(chǔ)隔熱層內(nèi)置地溫效果表現(xiàn)最好,但是隔熱層內(nèi)置較外置失去了對溫室基礎(chǔ)凍融循環(huán)的保護。鑒于此,今后將進行相同熱阻值下隔熱層內(nèi)外分層圍護對溫室基礎(chǔ)保溫性的試驗研究。此外,本試驗選取的保溫材料為EPS保溫板,但建筑保溫中還存在性能優(yōu)于EPS的新型保溫材料,新型保溫材料應(yīng)用會對溫室地溫及整體保溫性能的影響也有待于進一步研究。

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Effects of Different Heat Preservation Structure of Foundation on Ground Temperature and Tomato Yield in Solar Greenhouse

WANG Zheng-hong1,YU Xi-hong1,2*,JIANG Xin-mei1,2*,LI Rong-rong1,WANG Jin-hua1,WANG Bo1,WU Feng-zhi1

(1KeyLaboratoryofBiologyandGeneticImprovementofHorticulturalCrops,NortheastRegion,MinistryofAgriculture,NortheastAgricultureUniversity,Harbin150030,Heilongjiang,China;2CollaborativeInnovationCenterfor DevelopmentandUtilizationofForestResources,Harbin150040,Heilongjiang,China)

To reduce the soil heat loss from both horizontal and vertical direction,this study took no heat insulation panel served as the contrast,and set external and built-in thermal insulation material(EPS)treatments,on the premise of same value of foundation’s thermal resistance,to explore the effects of insulation panel with different position on soil temperature and tomato yield in greenhouse.The results showed that both 2 treatments had significant higher heat preservation effects than that of the contrast.The insulation effect of the built-in heat insulation panel was better than that of the external insulation,and the soil temperature increased 0.5 ℃ and 1.3 ℃ on average in horizontal direction compared with external insulation panel and the contrast group.Ground temperature in vertical direction was significantly better than that of the external(lifting 0.6 ℃ by average),which was significantly higher than that of the contrast(lifting 1.3 ℃ by average). Within 5-25 cm,the warming amplitudes first increased and then decreased along with the topsoil depth increasing.The tomato root system activity was significantly better than that of the external insulation panel and extreme significantly higher than that of the contrast.The tomato yield was increased by 10.9% and 29.1%,respectively than that of the external insulation panel and the contrast.In summary,the built-in insulation panel could effectively improve the indoor soil temperature in both horizontal and vertical direction,keep the temperature uniformity at different locations,and maintain the root system activity,tomato yield both in improved position.

Solar greenhouse;Heat insulation panel;Ground temperature;Tomato;Yield

王正洪,男,碩士研究生,專業(yè)方向:園藝設(shè)施工程,E-mail:15776768758@163.com

*通訊作者(Corresponding,authors):于錫宏,男,教授,博士生導(dǎo)師,專業(yè)方向:園藝設(shè)施設(shè)計及建造、蔬菜栽培與生理,E-mail:yxhong001@163.com;蔣欣梅,女,副教授,碩士生導(dǎo)師,專業(yè)方向:蔬菜栽培與生理,E-mail:jxm0917@163.com

2016-12-29;接受日期:2017-03-27

國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(CARS-25-C-08),黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃重大項目(GA15B104-2)

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