張琦琦 解涵 常文靜 李珊珊

摘 要：冬季溫度低是日光溫室生產(chǎn)上的重要限制因子，而作物對根際溫度的反應比對空氣溫度更加敏感且增溫成本更低，因而尋找節(jié)能、穩(wěn)定、低成本的土壤保溫及加熱措施意義重大。該文總結了日光溫室土壤保溫加熱的方法，保溫措施以不同的熱平衡途徑分類進行分析，加熱措施以不同的能源來源劃分進行分析，而后從原理、能源消耗、成本、穩(wěn)定性、增溫效果、未來發(fā)展等方面分析比較各方法的優(yōu)缺點。保溫與無土栽培結合，保溫與加熱措施結合，組合利用太陽能、地熱能等多種能源，研發(fā)成本低、穩(wěn)定性好、效果佳的保溫加熱模式是今后較好的日光溫室增溫模式。

關鍵詞：日光溫室；土壤；保溫；加熱

中圖分類號 S625.51 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）08-0063-06

1 引言

日光溫室的基本功能之一是提供作物冬季適宜生長的溫度條件。溫度是影響設施園藝作物生長的最為重要的環(huán)境因素之一[1]。雖然農(nóng)業(yè)設施的應用在一定程度上解決了生產(chǎn)中的溫度脅迫問題，但是高低溫脅迫危害依然嚴重，一直以來是日光溫室生產(chǎn)上的重要限制因素[2]。而對于中國北方的日光溫室，最亟待解決的是提高過冬期間日光溫室溫度。

日光溫室內(nèi)溫度調(diào)控分為空氣溫度調(diào)控和根系溫度調(diào)控，它們都是作物的生長重要限制因子。在實際生產(chǎn)中，由于栽培介質(zhì)的緩沖作用，根際溫度變化與氣溫變化規(guī)律相近但時間上相應延緩[3-4]，對作物生長影響更大[5]；且當空氣溫度適宜時，影響更明顯[6-7]。Yan[8]對黃瓜植株的研究表明，根系低溫嚴重抑制了黃瓜的生理活動，當根系溫度升高時，黃瓜植株逐漸恢復了正常的生長。適當?shù)母H溫度能夠促進作物對干物質(zhì)的吸收積累[9]，Walker的研究發(fā)現(xiàn)，在12～35℃范圍內(nèi)，根際溫度每降低1℃就能引起玉米生長量下降約20%[10]。此外，陳祎[11]的研究表明，根際加溫比傳統(tǒng)加溫更節(jié)能，曲梅[12]通過局部根際加溫調(diào)控比空氣全范圍加溫節(jié)能28%左右。因此，根際溫度加溫在溫室作物的溫度調(diào)控中具有重要的研究意義和價值。

日光溫室冬季要提高作物根際溫度，最重要的是對土壤（或基質(zhì)）進行保溫及加熱。為了解決日光溫室冬季土壤溫度低的問題，國內(nèi)學者做了許多研究，提出了許多解決方案。其中大多從單一方面提高土壤溫度，或注重溫度的提高[13]，或注重節(jié)能[14]，或注重耐用性[15]等。本文總結了前人對土壤（或基質(zhì)）進行保溫及加熱的研究現(xiàn)狀，并進行了展望。

2 日光溫室冬季土壤保溫方法研究

日光溫室熱量的主要來源是太陽輻射。而到達土壤表面或植物冠層的凈輻射，一部分流入或流出土壤，形成土壤熱通量，一部分用于加熱土壤和空氣（顯熱），另一部分用于土壤水分蒸發(fā)和作物蒸騰作用消耗（潛熱），如公式所示：Rn=G+L×ET+H。式中：Rn為凈輻射，G為土壤熱通量，L為潛在汽化熱，ET為蒸散量，L×ET為潛熱通量，H為顯熱通量[16]。

所以室內(nèi)土壤能量的得失主要有5個途徑[17]，一是表層土壤與溫室各部分的輻射傳熱，二是太陽輻射，三是表層土壤與空氣的對流熱傳導，四是相鄰土壤層間及各層間土壤的熱傳導，五是土壤表面冷凝水的潛熱。土壤保溫措施大都從這5個途徑出發(fā)，提高土壤蓄熱量，減少放熱量。

2.1 地面覆蓋保溫 目前許多試驗證明了覆蓋透明塑膜、黑色塑膜、黑色砂礫、瀝青乳液等[18]對土壤有較好的增溫效果，其增溫效應主要體現(xiàn)在提高地溫平均值和最大值[19]。增溫機制[20]為：隔絕了土壤與外界的水分交換，抑制了潛熱交換；減弱了土壤與外界的顯熱交換；覆蓋物（如地膜）及其表面附著的水層對長波反輻射有削弱作用而使夜間溫度下降減緩。對于覆蓋物來說，由于部分阻擋了太陽輻射及與溫室各部分的輻射傳熱，故白天相對裸地獲得的熱量較少，但是在夜晚，土壤放熱量卻大大減少。所以良好的保溫覆蓋物可以較好地進行白天蓄熱，又大大減少夜晚放熱。覆蓋物保溫特別是薄膜保溫使用方便，成本很低，增溫幅度取決于地面覆蓋材料的光譜透射率、土壤本身的物理熱特性及其外界環(huán)境的條件[21]，比如透明薄膜塑料比黑色薄膜塑料的保溫性更好。該方法一般可使地溫增加1～3℃。但是由于許多覆蓋物不可降解，故使用不當會產(chǎn)生污染。

2.2 起壟保溫 起壟是一個簡便常用的農(nóng)藝操作，改變了微地形和作物生長的小氣候，增大了適宜作物生長的土層，使土層更加松軟，利于微生物活動，提高了有效養(yǎng)分，節(jié)水保墑，為作物生長創(chuàng)造了一個良好的生態(tài)環(huán)境[22-23]。壟作栽培的小氣候效應主要表現(xiàn)在提高地溫，降低周圍空氣相對濕度，加強作物近地面部通風透光，從而減輕病蟲害發(fā)生程度，使植株發(fā)育良好。除此之外，壟作栽培也改變了土壤的物理性質(zhì)。黃慶裕[22]等認為，壟作栽培可使土壤的通透性加強，還原性有毒物質(zhì)減少，同時土壤的蓄熱能力、導熱能力都比平畦和淹田低，從而使土溫、水溫提高快，作物生長健壯[24-26]。

除了可以使土壤增溫，有研究[27]表明土壤起壟后還可以降溫，增溫還是降溫主要取決于太陽輻射在土壟上的分布狀況。比如對于常見的南北向壟作，由于春季上午和下午的太陽高度角較低，陽光主要照射土壟的東、西面，輻射面積小，但是集中，壟溫度增高的快；中午則相反。

對于增溫土壟來說，其保溫增溫機制[28]主要有以下2點：一是由于起壟后土壤表面積發(fā)生了變化，改變了土壤接受太陽輻射能的面積、部位、角度，可以更充分地接受太陽能，達到增溫的效果。二是起壟調(diào)節(jié)了導熱性質(zhì)等，改變了局部土壤的熱物理性質(zhì)。起壟后，受太陽輻射部分的土壤體積增大，而且由于壟作的土壤較為疏松，故土壤的含水量、空氣含量也相應增大，土壤熱容量隨之增大[29]。綜上，起壟后，土壤的孔隙度和容重變小，導熱性降低，保溫性能增加。

土壟原材料豐富，材料成本較低，但目前日光溫室內(nèi)主要仍是人工起壟，人工成本較大；增溫土壟除了可以提高土壤溫度，還可以有效地協(xié)調(diào)小范圍的土、水、肥、氣、熱、光等關系。壟作的表面積相對平作更大，白天蓄熱量大而夜晚的散熱量也大，故土壟覆膜會減少夜間的散熱量，對增加土溫更加有效。土壟的蓄熱散熱量還受土壟含水率、孔隙度、土壤種類等影響，起壟時應綜合考慮。

2.3 防寒溝保溫 由于空氣的傳熱性能比土壤要小40～100倍[16]，所以除了減少土壤熱量向空氣中散失，冬季更要減少室內(nèi)土壤熱量向相鄰土壤層特別是向室外散失。防寒溝的作用正是阻止室內(nèi)土壤熱量的向外傳遞。防寒溝的保溫效果由填埋深度和厚度、保溫材料性能、填埋位置等決定。白義奎等[30]認為防寒溝埋深為0.8m是合理的（以超過當?shù)貎鐾翆由疃葹闇剩?。對于絕熱材料的選擇，應考慮含水率、導熱系數(shù)、整體性等能影響絕熱材料的絕熱性能的因素。故應該選擇吸濕性小、導熱系數(shù)小、整體性好的材料，比如聚苯板。填埋時溫室兩側山墻和后墻也應設置防寒溝。防寒溝建造成本相對前兩種較大，不過保溫效果良好。對于防寒溝的科學設置、溫度場分布、簡化施工等方面，國內(nèi)相關研究較少，但隨著對日光溫室圍護結構研究的深入，如采取多層異質(zhì)保溫墻體、新型覆蓋材料[31-33]，使得地面橫向傳熱占總傳熱的比例及其對日光溫室熱環(huán)境的影響越來越大，其研究也會越來越完善。

2.4 其他土壤保溫措施 除了以上保溫作用較大且較為常用的方法外，還有幾種措施也會對土壤溫度有一定的保溫作用。一是中耕保溫。棚室內(nèi)土壤因為高強度種植而板結，太陽輻射難以進入根系土層，土層蓄熱能力小，致使土壤溫度低，易使作物根系受凍。板結土壤團粒結構少，進行適度中耕可優(yōu)化土壤結構[34]，既能抑制水分潛熱失能，又能控溫防凍，不足之處是這種方式保溫效果有限且人力成本較高，需要不定期的進行整地翻地。二是增施有機肥，在土壤中增施有機肥可以提高土壤對輻射的吸收能力。從加熱角度來說，由于一些有機肥分解后產(chǎn)生許多生物熱，可以小幅度提高土溫。三是掌握適宜的揭放簾時間與方法。趙清友[35]提出雙層保溫被不同步開閉以提高室內(nèi)溫度。冬季早晨天亮之后，首先揭開上層保溫被，過1h左右太陽出來后，再揭下層簾，可有效防止日光溫室膜內(nèi)側因溫度驟降而結冰，同時預防了早晨因揭簾不當而造成的熱量損失。下午放簾時間掌握在室溫最高時，放下底層保溫被保溫，待日落前將上層簾全部放下。較高的空氣溫度會向土壤的輻射和傳導更大熱量，增加了土壤的蓄熱量。土壤保溫的優(yōu)點首先是不需要額外的耗能，更加節(jié)能；其次，較少使用設施設備，成本低。缺點是不可控且升溫效果不太明顯。大部分時候，日光溫室冬季需要的熱量僅靠保溫遠遠不夠，需要對土壤加熱。

3 日光溫室冬季土壤加熱方法研究

由于土壤的熱傳導速度較慢，一般土壤表層的熱量要經(jīng)過3～4h才能傳到20cm深處，有研究[36]表明氣溫對地溫的影響只有2%，即當1m高處的氣溫為100℃時只能使地溫提高2℃。且日光溫室中土壤面積大，冬季加熱時間長，消耗能源會很大。所以是否使用穩(wěn)定而廉價的能源及節(jié)能、效果好、成本低的加溫設備是衡量日光溫室冬季土壤加熱方法優(yōu)劣的標準。根據(jù)加熱所利用能源種類的不同，可分為化石燃料加熱、電能加熱、太陽能加熱、地熱能加熱、生物質(zhì)能源、混合能源等土壤加熱方式。

3.1 利用化石燃料加熱土壤的方式 溫室供暖所采用的化石燃料熱源設備有燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃油熱風機等。其所采用的燃料是煤炭和柴油[37]，都是高污染的化石能源。使用燃煤鍋爐時一般在日光溫室采用單棟普通燃煤鍋爐熱水供暖的方式，需要人工夜間燒鍋爐。徐剛毅[38]在溫跨度7m，長度40m，熱負荷為75w/m2的傳統(tǒng)日光溫室，經(jīng)計算如采用燃煤鍋爐供暖，一日要產(chǎn)生0.42GJ熱量，則需燃煤0.03t（鍋爐的燃燒效率按70%計）。該方法雖然可控性強且增溫效果明顯，但由于能耗大、成本高、環(huán)境污染嚴重，目前使用化石燃料作為加熱土壤熱源已經(jīng)較少。

3.2 利用電能加熱土壤的方式 電能加熱土壤有以下幾種能量利用形式：

3.2.1 通過電熱器加熱冷水，再通過熱水管道加熱土壤 徐剛毅[38]通過采用新型電鍋爐供暖方式對日光溫室土壤加溫，將水加熱至40℃，可以使日光溫室的夜間最低的室內(nèi)氣溫提高2～3℃，地埋管深度為30cm，據(jù)地面5cm處的地溫最低，平均為12.6℃；15cm處地溫最高，平均溫度達到19.8℃。電鍋爐采暖具有節(jié)能、環(huán)保、可控等優(yōu)勢，在技術上和經(jīng)濟上是可行的。該方法的不足之處在于能源轉(zhuǎn)化過程中消耗較大，且當水溫接近土溫時，熱傳導速率大大減緩，將低溫水加熱到接近土溫的這部分的能源無法使用，成本高、溫度上升滯后。除了使用水管加熱土壤外，劉明池[39]使用電加熱棒加熱冷水，再將熱水通入多孔質(zhì)陶瓷管負壓栽培系統(tǒng)，通過多孔質(zhì)陶瓷管加熱土壤，該系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是能夠利用負壓自動調(diào)控土壤水分的同時，還能利用陶瓷管內(nèi)循環(huán)溫水調(diào)控土壤的溫度。而由于這種新型的陶瓷管本身含有大量微細毛細孔，利于水管放熱。試驗結果顯示，加溫處理的15cm深度處土壤白天和夜間平均溫度分別比對照高出2.7℃和1.2℃。

3.2.2 通過電熱元件直接加熱土壤 目前較為常見的是利用電加熱線加熱。肖日新[40]利用DV型電加溫線對土壤進行三線加熱，相較單線、雙線加熱，每消耗1W所提升的溫度更高。該系統(tǒng)在功率密度為25W/m2的情況下，能使根際土溫維持在20℃以上。張紅梅[13]使用一種日本生產(chǎn)的具有一定寬度的農(nóng)用發(fā)熱膜，這種發(fā)熱膜是由金屬發(fā)熱絲嵌入聚丙烯保護膜構成的。在溫控相同的條件下，發(fā)熱膜無論在育苗期還是植株生長期，耗電量都小于加溫線。其缺點是調(diào)控方面欠缺，所以在種子萌發(fā)出土后要及時降低晝夜溫度，防止作物徒長。除了線狀或帶狀加熱元件外，還有板狀加熱元件。碳纖維層壓復合導電發(fā)熱板[41]具有熱效率高、發(fā)熱均勻、耐腐蝕、便于自動化控制等優(yōu)點[42]。趙云龍[15]等分析比較了電熱線與碳晶電熱板加熱土壤的效果發(fā)現(xiàn)，電熱線以自身為輻散中心呈線性散熱；而碳晶電熱板散熱形式為面狀，相同功率下其表面溫度較低，降低了對植物根系的傷害[43]。對于用電能加熱土壤的方法，技術成熟可行，加溫效果明顯且可控。但是由于成本較高，能耗較大，一般用于早熟促成栽培或是育苗等對溫度敏感的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。對土壤的加熱總體較為均勻，且土壤升溫速度較快，受天氣因素影響小。電熱加熱土壤，能源利用率主要取決于電熱元件電轉(zhuǎn)化熱的效率，故使用時應選用效率高的電熱元件。

3.3 利用太陽能加熱土壤的方式 太陽輻射能是一種廉價的清潔能源，但是太陽能直接加熱土壤技術上較難實現(xiàn)，一般以太陽能為能源加熱土壤需要借助介質(zhì)，目前較為常見的方法是利用太陽能加熱氣相（如空氣）或液相（如水）介質(zhì)，再將介質(zhì)的熱能通過管道等設備傳遞給土壤。

早在20世紀80年代，國內(nèi)就有一批科技工作者利用太陽能提高溫室地溫[44]。蔣錦標[45]和葉景學[46]都采用空氣作為介質(zhì)蓄放太陽能給地溫加熱。張海蓮[47]在青海進行太陽能的熱效果研究，設計了不同埋深的地熱管。王順生[48]將太陽能集熱器和蓄熱水箱置于日光溫室內(nèi)，白天集熱，夜間散熱。劉圣勇等[49]利用太陽能真空管集熱器對太陽能集熱，使用保溫蓄熱水箱蓄熱，通過循環(huán)水泵和地下散熱器向土壤傳熱，平均地溫比對照煤爐加熱系統(tǒng)的溫室提高了4.4℃，產(chǎn)量提高比高達21%，甚至更高。于威[50]也用同樣原理在深淺雙層埋管方式的基礎上，設計了分開深淺雙層埋管為各自獨立的加溫系統(tǒng)，探討了埋管深度對土壤增溫效果的影響，結果表明地下0.8m深地埋管道較0.4m深在陰天將發(fā)揮更大效果。而在晴天日二者差別不大。馬彥霞等[51]設置了3個埋管深度即地下20cm深處埋散熱管、地下25cm深處埋散熱管、地下30cm深處埋散熱管，對日光溫室土壤進行加熱試驗，結果表明散熱管埋在地下25cm處時效果最好，對西瓜的生長和品質(zhì)有很大提高。除了用太陽能直接加熱液相，也可以從空氣中提取太陽能，即使用空氣源熱泵熱水器。即利用熱泵技術將空氣中低品位的熱量轉(zhuǎn)移到熱水中，從而加熱熱水，再用熱水加熱土壤。

影響該方法效率的因素主要有太陽能吸收能力，對介質(zhì)的保溫能力以及散熱能力等。該方法節(jié)能環(huán)保，晴天時效果良好，是當前日光溫室長期對土壤加熱的主要方法。但是其加熱性能受環(huán)境影響很大，比如空氣源熱泵熱水機組[52]的制熱能力和產(chǎn)水量隨著環(huán)境溫度的降低而降低。當陰天或低溫天氣，該方法的效果將大打折扣，不穩(wěn)定。加熱效果方面雖然不如電加熱加熱幅度大，但是主要能源為太陽能，可大大減少成本。

3.4 利用生物質(zhì)能加熱土壤的方式 生物質(zhì)能是一種通過有氧發(fā)酵及厭氧發(fā)酵來處理畜禽糞便、秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的生態(tài)環(huán)保的可再生能源。在有氧條件下通過好氧微生物的作用可使有機固體廢棄物達到穩(wěn)定化（形成腐殖質(zhì)）、減量化（有機物降解）、無害化（病原性生物失活），并轉(zhuǎn)變?yōu)榱己玫耐寥栏牧紕┖陀袡C肥。英國的G.Irvine等[53]研究表明Deerdykes堆肥裝置在15d的堆肥周期內(nèi)可產(chǎn)生7 000～10 000kJ/kg的可利用熱，并對提取熱的方法進行了全面研究，設計出一種氣水換熱器，得到43℃以上的熱水，并從經(jīng)濟性角度分析了分解熱回收利用是可行的。根據(jù)反應物含固率的不同分為濕式和干式，為厭氧消化兩種方式。傳統(tǒng)的發(fā)酵技術一般釆用濕式厭氧發(fā)酵技術即將稻稈等有機固體廢棄物與人畜糞便等有機物混合，在厭氧微生物的作用下產(chǎn)生沼氣。但濕式厭氧發(fā)酵技術的應用范圍和地域因其耗能高、反應物預處理成本高而受到限制。沼氣發(fā)酵時會產(chǎn)生大量的熱能，韓成付[54]在平均溫度31.6℃進風條件下對玉米秸稈好氧分解產(chǎn)熱特性研究發(fā)現(xiàn)，出風溫度峰值達57.9℃，平均產(chǎn)熱速率為3.0W/kg（以濕重計），折合單位容積反應器產(chǎn)熱速率為501.6W/m3，7d可回收總熱量為342.7MJ。故在綜合農(nóng)業(yè)園區(qū)，日光溫室利用發(fā)酵余熱加熱土壤。美國和英國等國家已有農(nóng)場在利用稻稈和畜禽糞便進行好氧堆肥的同時，采用換熱器或熱粟等方式回收好氧堆肥反應過程中產(chǎn)生的生物熱，進行供暖和供熱的報道。

由于發(fā)酵本身也需要維持較高溫度，甚至有時還需要加熱，所以發(fā)酵過程中能提取的能量有限。除了利用發(fā)酵產(chǎn)生的熱量，在我國東北地區(qū)還利用燃池進行日光溫室土壤加熱。燃池是一種利用以生物質(zhì)為主的各種價格低廉廢棄物的加溫方法，可持續(xù)供熱、且均勻穩(wěn)定。研究表明[55]，燃池可以顯著提高地溫，在縱向距燃池中心0.5m、1.5m、3.5m、7.5m溫度測點試驗數(shù)據(jù)表明，分別提高了26.88℃、9.06℃、1.76℃、1.76℃；燃池對空氣的提溫效果也很顯著，平均溫度提高了3.6℃。不足的是傳熱過程中溫度梯度很大，范圍比較窄，影響加溫效果。

使用生物質(zhì)能源加熱溫室土壤的方法具有可持續(xù)性，最大的問題在于穩(wěn)定性和持續(xù)性差，控制溫度難度大。而對原材料要求較多，一是需要發(fā)酵、燃燒原料，二是發(fā)酵時的環(huán)境要求較嚴格，三是配套設施較多。

3.5 利用地熱能加熱土壤的方式 這里的地熱能包括非地熱井田區(qū)域的較深層次的土壤所擁有的低位熱能以及地熱井田的高位熱能。張玉瑾等[56]利用溫度采集系統(tǒng)測得青島即墨市土壤初始溫度分布，結果顯示，0～20m淺層土壤隨著深度的增加，溫度逐漸上升，20～90m時土壤溫度穩(wěn)定在14℃左右，達到了恒溫；90～103m，土壤溫度又有一定幅度的上升，最高為16℃左右，其溫度在冬季高于地表，可以用于加熱表層土壤。而溫室由于其自身的蓄熱效應被認為是利用淺層地能最有效的設施之一，冬季通過熱泵技術和夏季蓄積的熱量可以加熱溫室。方慧[57]等采用地面供暖方式，將加熱管置于地表以下，然后以整個地面作為散熱面加熱溫室。該試驗主要目的是為了加熱室內(nèi)空氣，但該方法也應用于加熱表層土壤。除了利用深層土壤所擁有的低位熱能，一些擁有豐富地熱資源、地熱井田的地區(qū)可以利用溫度較高的地熱能建設地熱溫室?？簶淙A[58]研究1985年于海城市東四方臺西地鄭家街建設的地熱溫室，發(fā)現(xiàn)進水口平均溫度可達88.2℃，在放熱量為250.92～292.74kJ/m2的情況下，試驗溫室氣溫可與室外造成32℃溫差。而在進水溫度為72℃時，加熱土壤，10～30cm的土壤溫度均在20℃以上，黃瓜增產(chǎn)58.3%。

天然的地熱活動區(qū)只有在特定的區(qū)域才可以使用，不過加熱效果特別好，加熱效率高，成本低，穩(wěn)定性好，唯一缺點就是對施工要求很高。一般地區(qū)只能利用較深層土壤自身的低位熱能對冬季淺層土壤進行加熱，由于兩者溫差不大，加熱效果往往不盡人意，反而是加熱室內(nèi)空氣效果較好。不過土壤的蓄放熱能力較好，具有很大利用潛力。

3.6 利用混合能源加熱土壤的方式 太陽能、生物質(zhì)能、地熱等新能源有來源不穩(wěn)定，能量不足等缺點，而來源穩(wěn)定的化石燃料及電能對環(huán)境污染較大且耗能嚴重，對于這一點，許多學者選擇將兩種或多種能源組合運用，取得了很好的加熱效果。

首先，太陽能與地熱能組合優(yōu)缺互補。太陽能熱泵在天氣情況好的季節(jié)（夏季）供熱量較大，但是需熱量較小，天氣情況差的季節(jié)（冬季）供熱量較小，但是需熱量較大，而地源熱泵由于土壤溫度常年穩(wěn)定，其供需熱量規(guī)律恰好相反；地源熱泵可以彌補太陽熱泵受天氣影響的缺點，太陽能熱泵可以彌補地源熱泵供熱不足的缺點，提高土壤源熱泵的COP[59]。目前其在溫室的應用主要集中在加熱空氣，土耳其太陽能協(xié)會的Onder Ozgener[60]采用內(nèi)徑為32mm，埋深為50m的垂直U型地埋管太陽能輔助地源熱泵用于溫室供熱系統(tǒng)的運行性能研究。這個系統(tǒng)設計安裝在土耳其的伊茲密爾市法治大學太陽能協(xié)會，根據(jù)2004年1月20至3月31日的供暖測試發(fā)現(xiàn)，土壤熱提取速率平均為57.78W/m，結果顯示，單一的中央供能系統(tǒng)（不依賴其他供能系統(tǒng)）在環(huán)境溫度很低的情況下不能滿足溫室的熱損失。戴巧利[61]利用主動式太陽能集熱/土壤蓄熱系統(tǒng)對日光溫室進行加溫，與自然輻照溫室相比地溫平均升高2.3℃，蓄熱量達228.9～319.1MJ，加熱效果顯著。王侃宏[62]設計了太陽能輔助加熱土壤源熱泵系統(tǒng)，試驗顯示熱泵COP埋管出口水溫變化成正比，太陽能加熱之后COP提高到3，效果很好。

其次，太陽能空氣集熱-土壤蓄熱組合也得到應用。戴巧利[63]設計的溫室增溫系統(tǒng)，是這兩者組合的恰當應用。當太陽輻射能透過透明蓋板后，其能量被鍍有選擇性涂層的吸熱板吸收，加熱工質(zhì)（空氣）然后送到地下管道，通過空氣將熱量傳給地下土壤，最后將帶有尾熱的空氣送入溫室加溫。加熱效果顯著：可將溫室內(nèi)氣溫提高3℃左右，提高土壤溫度2.5℃左右。在夜間可進一步提高室內(nèi)溫度，平均提高4℃左右。混合能源可以互相彌補各自能源的不足，不過加熱效果仍有待提高，合理控制設備成本會有較好的應用前景。

4 總結與展望

在日光溫室的能源利用方面，隨著日光溫室室內(nèi)空氣保溫加熱技術的發(fā)展與完善，土壤保溫與加熱的地位越來越高。目前常用的土壤保溫技術如覆膜、起壟、設防寒溝等技術成熟、操作簡單，成本低，但是需要一定的人力，所以適合日光溫室生產(chǎn)的起壟覆膜機械有待研發(fā)與推廣。為了將冬季日光溫室土壤溫度提升至適宜作物生長的范圍，在土壤保溫的基礎上，發(fā)展合理、節(jié)能、穩(wěn)定的土壤加熱系統(tǒng)很有必要。除了化石燃料及電能等高耗能、高成本能源外，凡利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及推廣的各種可再生的清潔能源都可以利用，不過其中低位能源較多。其中空氣源主要來自太陽輻射能，因受自然天氣的影響而致使運行不平穩(wěn)均勻。正是因為受天氣制約，致使棚室需熱期與供熱期的嚴重不匹配，這也是空氣熱泵亟需解決的問題；水源因區(qū)域、水質(zhì)和蓄能量差別使其難以大面積推廣應用；太陽能因隨季節(jié)變難以保證均勻穩(wěn)定；地源熱因前期建造工程復雜、成本較大，換熱器COP較低且隨使用逐漸降低[64]，制約其大范圍推廣。因此，有必要開發(fā)利用混合能源的日光溫室土壤加熱系統(tǒng)。以可再生能源為主，在作物對溫度需求敏感時期可補充使用化石燃料、電能等的模式具有很好的推廣價值。

日光溫室中，傳統(tǒng)的土壤種植將逐漸被無土栽培取代。無土栽培具有以下優(yōu)點[65]：提高水分、養(yǎng)分利用效率；良好的解決了傳統(tǒng)土壤栽培中難以解決的水肥氣熱矛盾。無土栽培是解決設施土壤連作障礙最有效的方法。但基質(zhì)的蓄熱保溫性能劣于土壤，冬季暴露在空氣中的基質(zhì)溫度過低。傅國海[66]設計了一種起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培模式，土壟包被基質(zhì)栽培槽，并通過塑料膜與基質(zhì)隔離，利用土壤良好的蓄熱保溫性能來提高根際夜間溫度。在此栽培基礎上，利用主動蓄放熱系統(tǒng)[67]等其他土壤加熱系統(tǒng)，可能會有很好的增溫效果。

參考文獻

[1]Dodd I C，He J，Turnbull C G，et al.The influence of supra optimal root-zone temperatures on growth and stomatal conductance in Capsicum annuum L[J].Exp.Bot，2000，51：239-248.

[2]李文，楊其長，張義，等.日光溫室主動蓄放熱系統(tǒng)應用效果研究[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2013，34（5）：557-562.

[3]Nielsen K F.Roots and root temperature.In：CARSON，E.W （ed.）：The Plant Root and its Environment[J].University Press of Virginia Charlottenville，1974：293-295.

[4]任志雨，王秀峰.根際溫度對黃瓜幼苗礦質(zhì)元素含量及根系吸收功能的影響[J].山東農(nóng)業(yè)大學學報：自然科學版，2003，34（3）：351-355.

[5]Miao M，Zhang Z，Xu X，et al.Different mechanisms to obtain higher fruit growth rate in two cold-tolerant cucumber （Cucumis sativus L.） lines under low night temperature[J].Sci.Hortic，2009，119：357-361.

[6]Tahir I，Nakata N，Yamaguehi T，et a1.Influence of high shoot and root-zone temperatures on growth of three wheat genotypes during early vegetative stages[J].Journal of Agronomy and Crop Science，2008，194（2）：141-151

[7]Ambebe T F，Dang Q L，Li J.Low soil temperature inhibits the effect of high nutrient supply on photosynthetic response to elevated carbon dioxide concentration in white birch seedlings[J].Tree Physiology，2010，30（2）：234-243.

[8]閆秋艷，段增強，李汛，等.根際溫度對黃瓜生長和土壤養(yǎng)分利用的影響[J].土壤學報，2013，50（4）：752-760.

[9]王國良，吳竹華，湯庚國，等.根際加溫對無土栽培非洲菊冬季產(chǎn)花的影響[J].園藝學報，2001，28（2）：144-148.

[10]Walker J M.One-degree increments in soil temperatures affect maize seedling behavior[J].Soil Science Society of America Journal，1969，33（5）：729-736.

[11]陳祎.植物根際加熱降低溫室能源消耗[J].農(nóng)業(yè)工程技術：溫室園藝，2008（3）：20-20.

[12]曲梅，馬承偉，李樹海，等.地面加熱系統(tǒng)溫室熱環(huán)境測定與經(jīng)濟分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19（1）：180-183.

[13]張紅梅，金海軍，丁小濤，等.不同加溫裝置對冬季黃瓜育苗和生長的影響.中國瓜菜，2012，25（4）：12-15.

[14]王永維，苗香雯，崔紹榮，等.溫室地下蓄熱系統(tǒng)蓄熱和加溫性能[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2005，36（1）：75-78.

[15]趙云龍，于賢昌，李衍素，等.碳晶電地熱系統(tǒng)在日光溫室番茄生產(chǎn)中的應用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013（7）：131-138.

[16]秦耀東.土壤物理學[M].北京：高等教育出版社，2003：133.

[17]孟力力，楊其長，Gerard.P.A.Bot，等.日光溫室熱環(huán)境模擬模型的構建[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（1）：164-170.

[18]隋紅建，曾德超.地面覆蓋應用與研究的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].農(nóng)業(yè)工程學報，1990，6（4）：26-34.

[19]潘渝，郭謹，李毅.地膜覆蓋條件下的土壤增溫特性[J].水土保持研究，2002，9（2）：130-134.

[20]王樹森，鄧根云.地膜覆蓋增溫機制的研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學，1991，24（3）：74-78.

[21]李成華，馬成林，張德駿.地面覆蓋材料的光譜透射率及其對土壤溫度的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報，1996，12（4）：155-158.

[22]黃慶裕.水稻壟作栽培的關鍵技術及其效應分析[J].廣西農(nóng)業(yè)科學，1995，4：151-152.

[23]戴德.高寒山區(qū)冷浸田水稻半旱式免耕壟作增產(chǎn)機理[J].安徽農(nóng)業(yè)，1998，3：7.

[24]張俊田.油菜壟作栽培技術[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，1993，11：10-11.

[25]汪忠華.橫坡分帶壓茬壟作玉米的增產(chǎn)效應和對土壤肥力的影響研究[J].耕作與栽培，1993，1：57-62.

[26]柯有恒，李再剛.壟作水稻增產(chǎn)效應試驗初報[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，1989，10（3）：55-56.

[27]郭仁卿，梁陟光，劉漢中.壟作對土壤熱狀況的影響.土壤肥料，1991（3）：23-25.

[28]王旭清，王法宏，任德昌，等.作物壟作栽培增產(chǎn)機理及技術研究進展[J].山東農(nóng)業(yè)科學，2001（3） ：41-44.

[29]邵明安，王全九，黃明斌.土壤物理學[M].北京：高等教育出版社，2006：171-172.

[30]白義奎，劉文合，柴宇，等.防寒溝對日光溫室橫向地溫的影響[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2004（Z1）：595-597.

[31]陳瑞生，鄭海山，劉步洲.日光溫室氣象環(huán)境綜合研究-墻體、覆蓋物熱效應研究初報[J].農(nóng)業(yè)工程學報，1990，6（2）：77-81.

[32]周長吉.綴鋁膜保溫幕保溫性能測試分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，1994，15（3）：191-195.

[33]白義奎，王鐵良，李天來，等.綴鋁箔聚苯板空心墻體保溫性能理論研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19（3）：190-195.

[34]劉海俠，王樂濤.冬季日光溫室防寒保暖措施[J].西北園藝（蔬菜），2014（6）：25-26.

[35]趙清友.日光溫室增溫防寒技術研究[J].園藝與種苗，2012（3）：37-38.

[36]阮雪珠，孔令凱.防寒溝-溫室節(jié)能的有效措施[J].農(nóng)業(yè)工程，1983（4）.

[37]白義奎.日光溫室燃池-地中熱交換系統(tǒng)研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學，2007.

[38]徐剛毅，劉明池，李武，等.電鍋爐供暖日光溫室土壤加溫系統(tǒng)[J].中國農(nóng)學通報，2011，27（14）：171-174.

[39]劉明池，徐剛毅.陶瓷管負壓控溫栽培系統(tǒng)在番茄日光溫室冬季生產(chǎn)中的應用效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21（09）：186-188.

[40]肖日新，丁茁荑，劉虎，等.果菜類蔬菜特早熟栽培技術[C]//中國園藝學會首屆青年學術討論會論文集.1994.

[41]譚羽非，趙登科.碳纖維電熱板地板輻射供暖系統(tǒng)熱工性能測試[J].煤氣與熱力，2008，28（5）：26-28.

[42]楊小平，榮浩鳴，沈曾民.碳纖維面狀發(fā)熱材料的性能研究[J].高科技纖維與應用，2000，25（3）：39-42+48.

[43]張海橋.碳晶電熱板系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)的實驗及模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[44]李秀敏.利用太陽能提高溫室地溫的研究[J].自然資源研究，1987（1）：45-49.

[45]蔣錦標，趙冬梅，才豐.太陽能地下熱交換在日光溫室的應用[J].遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院學報，2001（1）：7-8.

[46]葉景學，張廣臣，李凱，等.保護地實用型太陽能地中熱交換裝置設計與使用[J].北方園藝，2001（2）：5-7.

[47]張海蓮，熊培桂，趙利敏，等.溫室地下蓄集太陽熱能的效果研究[J].西北農(nóng)業(yè)學報，1997，6（1）：54-57.

[48]王順生，馬承偉，柴力龍，等.日光溫室內(nèi)置式太陽能集熱調(diào)溫裝置試驗研究[J].農(nóng)機化研究，2007，2（2）：130-133.

[49]劉圣勇，張杰，張百良.太陽能蓄熱系統(tǒng)提高溫室地溫的試驗研究[J].太陽能學報，2003，24（4）：461-465.

[50]于威，王鐵良，劉文合，等.太陽能土壤加溫系統(tǒng)在日光溫室土壤加溫中的應用效果研究[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學報，2010，41（2）：190-194.

[51]馬彥霞，石建業(yè)，張旦，等.太陽能土壤加熱系統(tǒng)在西瓜反季節(jié)栽培中的應用[J].長江蔬菜，2012（20）：35-36.

[52]李曉虹，封海輝，劉克福，等.空氣源熱泵熱水機組應用能效評價研究[J].給水排水，2016，42（3）：86-90.

[53]G.Irvine，E.R.Lamont，B.Antizar-Ladislao.Energy from Waste：Reuse of Compost Heat as a Source of Renewable Energy[J].International Journal of Chemical Engeineering，2010（10）：1-10.

[54]韓成付.有機固廢高效好氧-厭氧聯(lián)合反應能源回收與利用研究[D].南京：南京理工大學，2013.

[55]王鐵良，白義奎，劉文合.燃池在日光溫室加熱的應用實驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2002，18（4）.

[56]張玉瑾.土壤源熱泵長期運行土壤溫度場研究[D].青島：青島理工大學，2010.

[57]方慧，楊其長，孫驥，等.地源熱泵在日光溫室中的應用[J].西北農(nóng)業(yè)學報，2010，19（4）：196-200.

[58]亢樹華，孫玉華，吳學恩.地熱溫室結構和加熱保溫設備的研究[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學，1987（3）：28-32.

[59]郭長城，石惠嫻，朱洪光，等.太陽能-地源熱泵聯(lián)合供能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011（S2）：356-362.

[60]Onder Ozgener.Arif Hepbasli.Performance analysis of a Solar-assisted ground-source heat pump system for greenhouse heating：an experimental study[J].Building and Environment，2005，40：1040-1050.

[61]戴巧利，左然，李平，等.主動式太陽能集熱/土壤蓄熱塑料大棚增溫系統(tǒng)及效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（07）：164-168.

[62]王侃宏，畢文峰，喬華，等.太陽能輔助加熱土壤源熱泵系統(tǒng)理論分析[J].河北建筑科技學院學報（自然科學版），2005，22（1）：10-14.

[63]戴巧利.主動式太陽能空氣集熱-土壤蓄熱溫室增溫系統(tǒng)的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2009.

[64]管巧麗.太陽能-蓄熱與地源熱泵供熱水系統(tǒng)的TRNSYS模擬與研究[D].天津：天津大學，2009.

[65]關紹華，熊翠華，何迅，等.無土栽培技術現(xiàn)狀及其應用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013，23：133-135.

[66]傅國海，劉文科.日光溫室4種起壟覆膜方式對甜椒幼苗生長的影響[J].農(nóng)業(yè)工程，2015，5（4）：67-70.

[67]孫維拓，楊其長，方慧，等.主動蓄放熱-熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)在日光溫室的應用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，（19）：168-177.

（責編：張宏民）