陳維鉛 ,李玉宏 ,薛仰全 ,李 濤 ,藺栓保

（1.甘肅省太陽能發(fā)電系統工程重點實驗室，酒泉職業(yè)技術學院，甘肅酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肅酒泉 735000）

1 概述

2017年8月，甘肅省人民政府辦公廳發(fā)布了《關于河西戈壁農業(yè)發(fā)展的意見》，指出了大力發(fā)展河西地區(qū)戈壁農業(yè)，以戈壁日光溫室、鋼架大棚為載體，以農業(yè)廢棄物為主要生產原料，采用基質栽培技術和高效節(jié)水技術，走出一條具有特殊河西戈壁農業(yè)發(fā)展通道，開創(chuàng)甘肅農業(yè)現代化建設新局面。在甘肅省政府的引導下，酒泉市及時部署，發(fā)布了《酒泉市關于加快發(fā)展戈壁農業(yè)的實施意見》，并編制了 《酒泉市20萬畝戈壁農業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2017年-2022年）》，明確了全市戈壁農業(yè)發(fā)展的目標及重點工程[1]。戈壁生態(tài)農業(yè)是指利用戈壁灘、砂石地、沙化地、撂荒地、鹽堿地等不適宜傳統農業(yè)的擱置國土資源，以發(fā)展設施蔬菜、高品位瓜果為目標，采用標準化日光溫室，將有機基質栽培技術、高效節(jié)水技術、設施種植技術等現代農業(yè)技術有機結合的戈壁生態(tài)循環(huán)農業(yè)[2]。酒泉總面積19.2萬km2，全市戈壁荒灘1.7億畝，占全市土地面積的70%，具有日照時間長、晝夜溫差大等特點，種植蔬菜、瓜果產量高、品質好，大力發(fā)展戈壁農業(yè)具有廣袤的土地資源和自然條件。建設標準化日光溫室，打破傳統耕作模式，將生態(tài)環(huán)保、高效灌溉、無土栽培技術等有機結合，推動農業(yè)發(fā)展產業(yè)升級，促進農村經濟健康發(fā)展，助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，開創(chuàng)農民增收新路徑，打開增收新渠道，幫助農戶持續(xù)脫貧致富。

2 酒泉戈壁日光溫室發(fā)展現狀

早在1992年，酒泉就開展無土栽培技術的探索，從我國農業(yè)科研院引進有機生態(tài)無土栽培技術，種植瓜果、蔬菜等農作物。通過多年的實踐，直到2005年，酒泉肅州區(qū)依托有機生態(tài)無土栽培技術，在非耕地荒漠戈壁灘上，修建日光溫室，探索適宜河西地區(qū)戈壁、沙灘農業(yè)生產的日光溫室結構和有機無土栽培技術體系。2010年，我國農業(yè)部設立專項，在荒漠戈壁、邊境、沿海地區(qū)等非耕地區(qū)域發(fā)展農業(yè)利用技術集成與示范項目。甘肅農業(yè)科學院牽頭，開展了“非耕地農業(yè)利用技術的集成與應用”項目研究工作，在河西地區(qū)有機無土栽培技術的基礎上，建立了基質發(fā)酵與復配技術體系，利用農作物秸稈、牛羊糞等發(fā)酵有機基質，實現了農業(yè)廢棄物的可再生利用，降低了無土栽培基質的成本。每畝日光溫室需要基質67m3，可轉化利用農作物秸稈、畜禽糞污、尾菜等農業(yè)廢棄物125 m3，基質還田，提升土地肥力、改良土壤。與此同時，在酒泉肅州區(qū)總寨鎮(zhèn)開展了戈壁日光溫室整體示范，包括高效節(jié)水灌溉技術、溫室墻體修建技術、不同瓜果、蔬菜有機基質配置技術等集成示范和推廣應用，為大面積發(fā)展戈壁生態(tài)農業(yè)提供技術支撐[3]。2017年4月，甘肅省長唐仁健在考察酒泉肅州區(qū)非耕地生態(tài)農業(yè)時，首次將以戈壁日光溫室為載體的現代農業(yè)概況為“戈壁農業(yè)”。之后，他稱“戈壁農業(yè)”是甘肅廣大科技工作者和基層農業(yè)技術人員集體智慧的結晶，是農業(yè)生產方式的革命性創(chuàng)舉，是發(fā)展設施瓜果、蔬菜等特色農產品的新型農業(yè)發(fā)展業(yè)態(tài)，酒泉戈壁生態(tài)農業(yè)大規(guī)模發(fā)展迎來了新機遇[4]。

目前為止，酒泉市戈壁生態(tài)農業(yè)面積達到9萬畝，肅州區(qū)規(guī)劃建設總寨、東洞、西洞3個萬畝戈壁農業(yè)產業(yè)園，已建成戈壁日光溫室6000座，銀達鎮(zhèn)戈壁農業(yè)產業(yè)園建成戈壁日光溫室1350座，肅州區(qū)戈壁農業(yè)面積累計超過2.5萬畝。玉門市規(guī)劃建設2萬畝戈壁農業(yè)生產基地，包括玉門鎮(zhèn)麻良灘現代戈壁農業(yè)、赤金鎮(zhèn)戈壁溫室韭菜產業(yè)基地、清泉鄉(xiāng)戈壁溫室人生果產業(yè)基地、下西號鎮(zhèn)戈壁蔬菜產業(yè)園、黃閘灣鎮(zhèn)戈壁蔬菜產業(yè)園、柳河鎮(zhèn)戈壁蔬菜產業(yè)園、花海大暢河戈壁蔬菜產業(yè)園等8個千畝戈壁農業(yè)產業(yè)園；柳湖鄉(xiāng)已建成100畝戈壁日光溫室，150畝鋼架拱棚，清泉鄉(xiāng)建成戈壁日光溫室1032座，玉門戈壁農業(yè)面積達1.4萬畝。瓜州縣12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃建設13個以日光溫室、鋼架大棚、特色林果為主的戈壁農業(yè)產業(yè)園，建成日光溫室1215座3000畝，鋼架大棚1080座1185畝，全縣戈壁農業(yè)面積達1.8萬畝，與深圳陽光莊園、廣州匯源果業(yè)、廣州順德鳳凰優(yōu)選等大型果蔬企業(yè)建立戰(zhàn)略合作協議，簽訂戈壁蜜瓜種植1250畝，棚均收入2～3萬元，戶均一座致富棚，戈壁農業(yè)特色產業(yè)收入，占到農戶人均收入的30%。金塔縣規(guī)劃建設30個百畝節(jié)水示范園區(qū)，日光溫室1.26萬畝，特色林果0.95萬畝，鋼架拱棚2萬畝。敦煌戈壁農業(yè)產業(yè)園，建成兩座戈壁日光玻璃溫室12畝（8400m2），戈壁日光溫室404座。

酒泉戈壁農業(yè)出現了良好的發(fā)展趨勢，打破了傳統農業(yè)的發(fā)展模式，在戈壁荒灘資源豐富，水資源緊缺的條件下轉變農業(yè)生產方式，發(fā)展農業(yè)經濟的新業(yè)態(tài)，符合國家相關生態(tài)資源保護政策，充分利用國土資源、日照資源，修復生態(tài)環(huán)境，具有良好的社會前景和重要的戰(zhàn)略意義。酒泉市培育以日光溫室為主的高效蔬菜、優(yōu)質林果、特色中藥材等優(yōu)勢特色產業(yè)面積達到221萬畝，每畝年收入2.5～3萬元，是傳統種植的10倍以上。

3 戈壁日光溫室凍害問題分析

酒泉屬內陸干旱地區(qū)，氣候特點是干燥少雨，年平均氣溫7.5℃，年平均最低氣溫1℃，最低氣溫達-32℃。冬季（11月份至次年3月份）平均最低氣溫在-6℃至-15℃，冬至前半個月到冬至后半個月氣溫最低，白天氣溫-10℃以下，夜間-20℃以下，冬至前后，日照時間最短，僅有8h，如遇到連續(xù)陰雪天氣，無法揭去棉被采暖，溫室內溫度低至5℃～0℃以下。要保持農作物正常生長，溫室內溫度應保持在12℃以上，果蔬類農作物凍害臨界溫度在5～8℃，葉菜類凍害臨界溫度在1～3℃。日光溫室低溫凍害對農作物的影響因低溫程度、持續(xù)時間長短、果蔬生育期的不同而異，不同農作物抵抗凍害的程度也不同。一般情況下，黃瓜在15℃以下生長緩慢，在12℃以下開始落花，10℃以下新成代謝失調，凍害臨界溫度在7～8℃，植株停止生長。辣椒在15℃以下生長緩慢，13℃以下開始落花，9℃以下新成代謝停止，6～7℃以下表皮組織受到凍害，-2～1℃植株枯死。茄子在16℃以下生長緩慢，14℃開始落花，10℃以下新成代謝失調，7～8℃表皮組織受損，-2～1℃植株枯死。番茄在1℃以下生長發(fā)育受阻，當溫度低于8℃番茄生長緩慢，當溫度低于5℃以下時生長停止，-2～1℃霜凍即可凍死。西瓜、甜瓜等在15℃以下雌花不能正常開放，13℃以下開始落花，9℃以下新成代謝失調，6～7℃以下表皮組織受到凍害，0～1℃植株枯死[5]。因此，冬季酒泉地區(qū)干燥寒冷，凍害問題成為影響戈壁農業(yè)生產和大規(guī)模發(fā)展的瓶頸問題，解決戈壁日光溫室冬季凍害問題迫在眉睫。

4日光溫室增溫防凍技術

在冬季生產，戈壁日光溫室常會遇到大風、降溫、持續(xù)陰雪等天氣，若防護不當，會導致日光溫室破損、凍害，造成農作物減產甚至絕收。日光溫室在我國北方地區(qū)發(fā)展較早，應用廣泛，人們對其冬季保暖、增溫防凍、凍后處理方面積累了大量的經驗和措施，主要有加強溫室防寒管理、合理澆水、挖防寒溝、填埋稻草、架設取暖設施等[6]。

4.1 管理保溫

適宜的溫室結構、精確的管理措施能有效降低、緩解戈壁溫室的凍害問題。首先，建造標準型日光溫室，寬度8～10m，脊高3.8～4.2m，后屋面水平投影1.2～1.4m，主采光屋面半徑為4.5m的圓弧，后屋面仰角40°，長度80m，是抵御寒冷的前提保障。其次，高效、精確的管理能有效抵御寒冷，及時關注天氣情況，遇到持續(xù)陰雪天氣加蓋好保溫棉被，又要注重及時補光，植被在低溫下也進行光合作用，防止因長時間缺乏光合作用而導致代謝失調。在溫室內溫度允許或不影響農作物生長的情況下，早拉、晚放棉被，較大限度的延長光照時間，增加溫度的熱量存儲，增強農作物的抗逆性，抵抗蟲害，防御低溫。再次，合理的澆水施肥，控制澆水施肥，要量少次多，水溫最好在12℃以上。水分比空氣比熱高，散熱慢，冬季白天較好天氣（20℃以上）可通過灌水提高，室內土壤含水適量，可預防晚上凍害。但是，冬季陰雨天氣，室內溫度較低，不適宜灌水。最后，中耕保溫，若溫室內地面板結，白天太陽光照射進入耕作層熱氣受阻，土壤蓄熱較少，加之板結土壤裂縫大、團粒結構差，熱量散失較快，容易造成農作物凍害。進行中耕或淺耕，破壞地面板結裂縫，降低地下水氣散發(fā)，可預防凍害問題。

4.2 傳統保溫措施

增溫與排濕是日光溫室預防凍害的關鍵。傳統的增溫方式主要有[7]：（1）采用保溫性能較好的棉被，陰雪天加蓋好保暖覆蓋物，晴天時早晚及時揭開或蓋好棉被，防凍與通風有效結合，鍛煉植株的抗逆性提高農作物抵御寒冷的能力。（2）溫室內架設千瓦燈，在短日照或者持續(xù)陰雪天氣條件下，通過電燈補光增溫，增加光照輻照度，提升室內溫度；陰天或早晚通過電燈給農作物補光3～4h，可提高產量10%～30%，縮短營養(yǎng)生長期，促進農作物生長，緩解低溫凍害。（3）在溫室前挖深50m、寬40m的防寒溝，清潔棚膜增溫增光，棚內加掛二層被等措施，可提高室內溫度2～3℃。（4）建立標準蓄水池，采用膜下滴灌，即可節(jié)約水資源，又可降低溫室濕度。（5）在溫室內后墻，掛上反光幕，也能起到增光、提溫的作用，減少低溫凍害的發(fā)生。（6）添加換氣扇，在室內溫度降低時，及時通風排濕，降低溫室內濕度，增強植被抗凍能力。（7）葉面噴營養(yǎng)素抗寒，冬季氣溫低、光照弱，根部吸收能力差，可通過葉面噴灑光合微肥，補充營養(yǎng)，提高植被抗寒性能。（8）有條件地區(qū)，溫室內通暖氣，安裝燃燒化石燃料的熱風爐、熱水爐等，在極寒天氣可有效預防植被凍害問題。（9）在高寒、戈壁地區(qū)，可通過架設電加熱元件，在持續(xù)陰雪天氣給溫室增溫，幫助農作物度過低溫天氣。

當溫室內農作物受到凍害后，可通過以下措施進行補救[8]：（1）陰雪天過后，溫室蔬菜受到凍害，不能立即閉棚升溫，要緩慢升高室內溫度，避免因溫度驟變而導致蔬菜受凍組織壞死。（2）及時剪去受凍莖葉和果實，噴灑營養(yǎng)液，有利于農作物恢復生長。（3）使用生根粉和4%農抗120水劑混合灌根，可促進根系再生；葉面噴灑植物動力2003營養(yǎng)劑1000倍液，15惡毒靈水劑500～800倍液，防止凍害后蔓延腐生菌。（4）利用10%的速克煙劑或45%的百菌清煙劑，以防病蟲害發(fā)生。（5）若受到凍害嚴重，植被立即枯萎，無法補救。

4.3 新型保溫措施

近年來，日光溫室冬季保溫與太陽能集熱、太陽能光伏發(fā)電、風能制熱、空氣動能等相結合，成了國內外學者的研究熱點。李志浩[9]采用太陽能集熱和光伏發(fā)電相結合的方式，設計了一套溫室太陽能供暖系統，利用平板集熱器吸收太陽輻射，將熱量通過熱循環(huán)泵存儲在地下蓄熱池，再由熱風機散熱系統將蓄水池內的熱量以對流的形式擴散到溫室內，提高室內溫度。光伏發(fā)電系統為熱水循環(huán)動力裝置、熱水散熱裝置、控制系統等提供電能，多余的電能并入電網。楊康[10]提出了一種采用風能攪拌致熱裝置為溫室增溫供暖，風力機采集風能，將風能通過傳動軸輸送至制熱器，帶動主軸上的轉子葉片攪動液體工質做湍流運動，葉片與劇烈運動的液體工質相互摩擦、碰撞，以熱能的形式釋放出來，使得致熱工質溫度升高，通過散熱裝置將熱量釋放到溫室內。劉曉勤[11]等人，設計了一種雙熱源混聯式太陽能熱泵溫室供暖系統，太陽能集熱供暖系統可單獨運行加熱蓄熱水箱或者直接向溫室供暖，空氣動能泵（熱泵）以壓縮空氣作為熱源發(fā)生器，加熱蓄熱水箱，獲得高溫熱水，供暖水箱中的水通過風機盤管向溫室供暖。蔣綠林[12]等人，將太陽能集熱技術、熱泵技術、土壤儲能技術相結合，設計了一套溫室大棚多熱源供暖系統，當太陽能集熱板溫度與溫室外溫度差大于5℃以上，太陽能集熱供熱系統作為高溫熱源為溫室和土壤蓄熱系統提供熱能。當溫室內溫度小于25℃，地源（土壤）熱泵供暖系統作為低溫熱源為溫室供暖，大于30℃，地源熱泵供暖系統停止。當溫室溫度達到上限（35℃以上），地源熱泵制冷系統抽取溫室內的熱量將其存儲于土壤下面的集熱管內，降低溫室內溫度。

上述日光溫室（溫室大棚）新型供暖系統，在日照充足、風力穩(wěn)定的條件下，才能夠為溫室提供穩(wěn)定的熱源。但是，凍害問題往往在凌晨或者持續(xù)陰雪天氣發(fā)生，新型供暖系統受自然因素的影響較大，難以有效滿足戈壁日光溫室供暖需求。太陽能集熱、風能集熱、壓縮空氣動能等供暖系統復雜、運營維護困難、設施成本較高，難以大面積推廣應用。隨著戈壁日光溫室的大規(guī)模發(fā)展，探索了多種冬季供暖系統，都無法滿足供暖需求，難以有效解決戈壁日光溫室冬季凍害問題。

5 生物質熱風爐

生物質能作為僅次于太陽能、風能的第三大清潔可再生能源，其開發(fā)利用受到了各國政府的高度重視。我國對生物質熱風爐的開發(fā)利用開展了一定的實踐工作，但是目前為止，還沒有一款專門應用于日光溫室增溫防凍的熱風爐，如圖1所示。

圖1 生物質熱風爐總體結構圖

文章提出了一種以生物質顆粒為燃料、性能可靠、節(jié)能環(huán)保的熱風爐，有效解決戈壁生態(tài)農業(yè)冬季凍害問題。該生物質顆粒燃料熱風爐以同軸心雙層鋼套筒為爐膛，以鍍鋅多級循環(huán)套筒為換熱裝置，以分布式熱風收集輸送循環(huán)為散熱系統。主要結構包括燃燒室、換熱裝置、散熱裝置、自動給料裝置、自動點火裝置，以及自動控制系統，總體結構如圖1所示，實物如圖2所示。熱風爐采用散熱與排煙雙循環(huán)系統，爐膛助燃空氣與室內加熱空氣通過雙循環(huán)管道隔離開，室外空氣從進風管進入爐膛助燃后形成煙氣再從排煙管道排出室外；室內冷空氣從爐膛側壁口進入換熱裝置（混流箱）后形成熱空氣通過散熱管道排向溫室另一端，熱風出口安裝引風機，使混流箱及散熱管道內形成負壓，迫使室內冷空氣從爐膛側壁進入散熱裝置，實現溫室內空氣循環(huán)加熱，提高熱能利用效率。溫室外排煙口處安裝排煙引風機，使爐膛及排煙管道形成負壓，有效預防了煙氣從排煙管道遺漏溫室而影響農作物正常生長的問題。

圖2 熱風爐實物圖

6 展望

戈壁日光溫室集有機生態(tài)無土栽培技術、高效節(jié)水灌溉技術、設施種植技術等現代農業(yè)技術于一體，是廣大科技工作者集體智慧的結晶，在甘肅省政府的大力支持下，酒泉戈壁農業(yè)得到了大規(guī)模的發(fā)展。但是酒泉地區(qū)冬季干燥寒冷，持續(xù)陰雨天氣，凍害問題成為影響戈壁溫室正常生產的重要因素，急需開發(fā)一款成本低、操作簡單、增溫防凍效果明顯、使用性能好的戈壁日光溫室增溫防凍裝置，為戈壁農業(yè)的健康發(fā)展保駕護航。本文作者提出了一種生物質顆粒熱風爐，結構簡單、操作方便、成本低廉，有望大規(guī)模應用于戈壁日光溫室冬季增溫防凍。在后續(xù)推廣應用過程中，根據實際應用效果，需進一步分析該熱風爐熱效率，改進換熱結構，優(yōu)化控制系統，不斷提升使用性能，有效解決解決戈壁農業(yè)冬季凍害問題。