姜瑞洋，張維江，2，3*

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021）

寧夏固原市原州區(qū)的紅梅杏產(chǎn)業(yè)在政府與農(nóng)民的積極配合下為當(dāng)?shù)貛砹藢?shí)實(shí)在在的財(cái)富，得利于紅梅杏的抗寒和抗旱能力優(yōu)越，果肉多汁、甘甜可口，該產(chǎn)業(yè)最終發(fā)展為固原地區(qū)的高效支柱產(chǎn)業(yè)，成為老百姓脫貧致富的有效途徑[1]。多名研究者[2—7]指出霜凍災(zāi)害的發(fā)生對紅梅杏產(chǎn)業(yè)有不利影響。為此筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)了1961—2017 年以來寧夏地區(qū)發(fā)生的霜凍情況[8—13]：基于全球氣候變暖的大背景下，春季發(fā)生的霜凍對農(nóng)業(yè)的影響要高于秋季，尤其在寧夏南部山區(qū)尤為突出，春霜凍表現(xiàn)為發(fā)生頻率高、受災(zāi)強(qiáng)度大、受凍時(shí)間長等特點(diǎn)。因此對于當(dāng)?shù)匕l(fā)生的春霜凍災(zāi)害采取有效預(yù)防措施很重要。對于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶而言，實(shí)施高效和大規(guī)模的防霜凍措施需要承擔(dān)高額的經(jīng)濟(jì)成本，因此他們采用傳統(tǒng)的煙霧防霜法，該方法屬于短時(shí)間的應(yīng)急措施，具有一定的被動(dòng)性，以及受地形、風(fēng)力風(fēng)向、煙量及火勢合理控制的多重限制[14]。

本研究為尋找有效的經(jīng)濟(jì)型防霜凍措施，對常見的塑料大棚進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良，采用裝配式組合設(shè)計(jì)，建造了一種結(jié)構(gòu)簡單、體形小、負(fù)載輕、取材方便的裝配式輕型拱棚來進(jìn)行防霜凍試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在遭受霜凍的夜間棚內(nèi)溫度低于棚外溫度，持續(xù)時(shí)間長達(dá)10 h 之久，棚內(nèi)外最高溫差達(dá)3.4 ℃。一般紅梅杏初花期、盛花期和坐果期的受凍臨界溫度分別為-3.9，-2.2，-1.6 ℃[1]，而霜凍夜間發(fā)生時(shí)棚內(nèi)的溫度會(huì)低于初花期的臨界溫度。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，諸多學(xué)者[15—19]對塑料大棚內(nèi)小氣候的研究中均出現(xiàn)過棚內(nèi)溫度低于棚外溫度的現(xiàn)象，并將其稱為“溫度逆轉(zhuǎn)”或“逆溫現(xiàn)象”，在他們的研究中該現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間短且棚內(nèi)外溫差較小，對棚內(nèi)農(nóng)作物在短時(shí)內(nèi)受到的影響不大，故對該現(xiàn)象未作系統(tǒng)的研究。筆者選擇固原市原州區(qū)紅梅杏生產(chǎn)基地的裝配式輕型拱棚作為研究對象，對夜間棚內(nèi)“逆溫”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，可為今后采用溫棚設(shè)施預(yù)防霜凍技術(shù)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)場地位于寧夏固原市原州區(qū)申莊村的紅梅杏生產(chǎn)基地（北緯36°8′25″，東經(jīng)106°7′50″）。裝配式輕型拱棚采用冷彎鍍鋅鋼骨架，跨度2 m，長度60 m，頂高2.5 m，肩高1.5 m，棚頂為半徑1 m 的拱形設(shè)計(jì)，南北走向，如圖1 所示。覆蓋材料是以聚酯纖維為原材料經(jīng)熱壓黏合處理后形成的無紡布，其規(guī)格為200 g/m2，不透光且透氣性較差，不易結(jié)露，結(jié)實(shí)耐用。覆蓋方式為單層全面覆蓋，卷簾方式采用電動(dòng)卷簾機(jī)自動(dòng)卷簾。棚內(nèi)栽種兩年生紅梅杏。

圖1 裝配式輕型拱棚3D 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 儀器安裝與觀測

觀測儀選用邯鄲開發(fā)區(qū)清易電子科技有限公司生產(chǎn)的JL-17 型溫濕度記錄儀和JL-16-D1 型6 路土壤溫度計(jì)。棚內(nèi)外的溫濕度記錄儀（包括土壤溫度計(jì)）分別安裝在棚內(nèi)中間位置和距離棚西面裸地80 m 處，拱棚內(nèi)外溫濕度記錄儀安裝高度距離地面為1 m 和2 m 處各一個(gè)，土壤溫度計(jì)埋深分別為5，15，25，35，45，65 cm 處，試驗(yàn)階段設(shè)定溫濕度記錄儀和土壤溫度計(jì)每5 min 自動(dòng)記錄一次被測環(huán)境的溫度與空氣相對濕度。

試驗(yàn)于2020 年3 月25 日開始至4 月30 日結(jié)束，期間根據(jù)氣象預(yù)報(bào)的夜間最低溫度來進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)預(yù)報(bào)最低溫度低于3 ℃或者發(fā)布霜凍預(yù)警時(shí)，開始試驗(yàn)。每次試驗(yàn)定于當(dāng)日18:00 落下棚布，翌日8:00卷起棚布，由于棚布卷起后棚內(nèi)環(huán)境與外界直接相通，因此本文對白天8:00 以后棚內(nèi)外的溫濕度變化不作分析。

1.3 試驗(yàn)方法

基于經(jīng)典傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)的理論將觀測數(shù)據(jù)作為已知量，運(yùn)用Matlab 軟件計(jì)算夜間棚內(nèi)外及棚內(nèi)地-氣間的熱量對流情況，計(jì)算棚內(nèi)外濕空氣的熱濕參數(shù)并比較其差異，建立相應(yīng)參數(shù)間的線性回歸方程。相關(guān)計(jì)算公式如下：

（1）自然對流傳熱。根據(jù)棚內(nèi)空氣所處空間的情況，本研究的對流傳熱過程屬于無限空間自然對流傳熱[20]。

式中：φ 為覆蓋面積A 上的熱流量，W；A 為棚布覆蓋的總面積，取378 m2；tw和tf分別為棚布內(nèi)壁表面溫度和棚內(nèi)空氣溫度，℃；h 為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K），其中h 依照《傳熱學(xué)》[20]計(jì)算。

（2）地-氣間的熱量交換。本文將依照孫忠富[21]的地-氣間的熱量交換計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算。

式中：φs為棚內(nèi)地面面積As上的熱流量，W；本文As取120 m2；ts和tf分別為土壤深度D 處的溫度和棚內(nèi)氣溫，℃；K 為土壤與空氣間的熱交換系數(shù)，計(jì)算公式為

式中：hci為地面與空氣間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；D 為土壤深度，本文取0.05 m；L 為土壤導(dǎo)熱率，W/（m·K）。

（3）空氣的飽和水汽壓。本文使用修正后的Tetens 公式[22]，計(jì)算公式為

式中：es為飽和水汽壓，hPa；t 為空氣溫度，℃。

（4）水汽密度。水汽密度指空氣中水蒸汽含量的物理量，計(jì)算公式為

式中：ρv為水汽密度，kg/m3；e 為實(shí)際水汽壓，Pa；Rv為水蒸氣氣體常數(shù)，取值為461.52 J/（kg·K）。

（5）定壓比熱容。本文采用杜翠鳳[23]的比熱容計(jì)算公式：

式中：Cp為濕空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；d 為濕空氣的含濕量，kg（水蒸氣）/kg（干空氣）。

（6）濕空氣的比焓：指1 kg 干潔空氣（不含水蒸汽）的焓與d kg 水蒸氣的焓之和。

式中：h 為濕空氣的比焓，kJ/kg；t 為空氣溫度，℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 棚內(nèi)外夜間溫度變化

試驗(yàn)期間（3 月25 日—4 月30 日）為了探究裝配式輕型拱棚夜間的保溫性能，本文共做了9 次試驗(yàn)。表1 是9 次夜間試驗(yàn)的匯總情況，均出現(xiàn)了棚內(nèi)“逆溫”現(xiàn)象，其中4 月11 日凌晨出現(xiàn)了霜凍現(xiàn)象，4月12—13 日、4 月25—26 日的“逆溫”現(xiàn)象最為典型，因此本文選取這三次過程的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 是4 月10—11 日、4 月12—13 日、4 月25—26 日12:00 至翌日12:00 的棚內(nèi)外1 m 高度溫度變化情況。下午18:00 落下棚布后，棚內(nèi)氣溫變化呈單峰形趨勢，通常到20:00 左右，棚內(nèi)溫度開始下降，最終出現(xiàn)棚內(nèi)“逆溫”現(xiàn)象。

由圖2 可知，4 月10 日除18:00 至20:00 外，棚內(nèi)溫度變化趨勢與棚外一致，10 日20:00 至11 日6:00棚內(nèi)溫度始終低于棚外溫度，此時(shí)段棚內(nèi)外的平均溫度分別為-0.3 ℃和1.2 ℃，平均溫差1.5 ℃，最低溫度均出現(xiàn)在11 日6:00，分別為-6.2 ℃和-3.7 ℃，棚內(nèi)最低溫度比棚外低2.5 ℃。7:00 左右太陽升起后溫度回暖，棚內(nèi)外溫度均有上升趨勢，8:00 卷起棚膜。通過觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，棚內(nèi)溫度易受棚外溫度的影響，由于夜間溫度持續(xù)下降，棚內(nèi)溫度較棚外提前低于0 ℃，且持續(xù)6 h，棚外則持續(xù)了4 h。根據(jù)固原市氣象臺(tái)發(fā)布的關(guān)于4 月11 日凌晨霜凍災(zāi)害預(yù)警，分析4 月10—11 日夜間至翌日凌晨棚內(nèi)外溫度的變化情況可以看出棚內(nèi)受凍情況明顯高于棚外，表現(xiàn)為受凍強(qiáng)度大且持續(xù)時(shí)間長。為能夠清楚地表述在霜凍期間棚內(nèi)受凍強(qiáng)度高于棚外這一現(xiàn)象，本文引用文獻(xiàn)[24]中的“危害積溫”，即計(jì)算棚內(nèi)外逐時(shí)低于紅梅杏初花期（4 月上旬處于紅梅杏的初花期）臨界溫度（-3.4 ℃）的有害溫度累計(jì)值，如圖3 所示的棚內(nèi)外溫度曲線與臨界溫度以下形成的面積部分，即棚內(nèi)溫度低于低溫危害的臨界溫度危害積溫量（19.3 ℃·h）大于棚外的危害積溫量（13.2 ℃·h）。

圖2 棚內(nèi)外1 m 高度溫度對比

圖3 4 月11 日凌晨棚內(nèi)外逐時(shí)危害積溫示意圖

4 月12—13 日和4 月25—26 日夜間至翌日凌晨棚內(nèi)外溫度變化趨勢與4 月10—11 日一致，均在當(dāng)日20:00 至翌日6:00 內(nèi)出現(xiàn)了“逆溫”現(xiàn)象。4 月12—13 日和4 月25—26 日夜間棚內(nèi)平均溫度分別為3 ℃和2.7 ℃，棚外平均溫度均為4.9 ℃，棚內(nèi)與棚外的平均溫差分別為1.9 ℃和2.2 ℃。結(jié)合以上分析及表1 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總發(fā)現(xiàn)，采用裝配式組合設(shè)計(jì)搭建的輕型單膜拱棚在夜間的保溫性能較差，“逆溫”現(xiàn)象普遍發(fā)生。

表1 試驗(yàn)期夜間出現(xiàn)“逆溫”現(xiàn)象匯總

除此之外，對比4 月10—11 日、4 月12—13 日、4 月25—26 日夜間棚內(nèi)外高度2 m 與1 m 的溫度變化發(fā)現(xiàn)：棚內(nèi)高度2 m 的溫度略低于1 m 溫度，溫差均小于1 ℃，而且這三次過程棚內(nèi)高度1 m 與2 m 逐時(shí)溫差平均值均不高于0.4 ℃，棚內(nèi)高度1 m 的溫度與2 m 溫度基本一致；而棚外高度2 m 的溫度大于高度1 m 溫度，與棚內(nèi)不同，這三次過程夜間棚外高度1 m 與2 m 平均溫差分別為0.82，0.7，2.1 ℃，均高于棚內(nèi)。

2.2 夜間棚內(nèi)外相對濕度的變化

圖4 是4 月10—11 日、4 月12—13 日、4 月25—26 日當(dāng)日12:00 至翌日12:00 棚內(nèi)外相對濕度變化情況。由圖4 可知，隨著太陽的下落，溫度降低，棚內(nèi)外相對濕度均逐漸升高，10 日18:00 至22:00棚內(nèi)相對濕度增長速度明顯高于棚外，22:00 棚內(nèi)外相對濕度分別為88%，50.7%，相差37.3%，22:00 以后棚內(nèi)相對濕度趨于穩(wěn)定，但依然有輕微上升趨勢。11 日凌晨棚內(nèi)外相對濕度最高值分別為96%和74.7%，出現(xiàn)時(shí)間為棚內(nèi)4:00 和棚外6:00，棚內(nèi)明顯早于棚外。7:00 以后隨著太陽的出現(xiàn)，溫度逐漸上升，棚內(nèi)外相對濕度開始下降，8:00 以后棚布全面卷起，棚內(nèi)外相對濕度恢復(fù)一致。4 月10 日18:00 至翌日8:00 棚內(nèi)外相對濕度的平均值分別為81.97%與54.27%，相差27.7%。

圖4 棚內(nèi)外相對濕度的比較

4 月12—13 日和4 月25—26 日棚內(nèi)外相對濕度變化情況與4 月10—11 日變化趨勢一致，均在18:00 開始棚內(nèi)相對濕度明顯上升，且上升幅度大于棚外，4 月13 日和4 月26 日凌晨棚內(nèi)相對濕度的最大值均高于其棚外最大值，差值分別為34.3%和47.9%，并且同一時(shí)段內(nèi)（18:00 至翌日8:00）棚內(nèi)相對濕度的平均值均高于棚外的平均值，差值分別為39.74%和40.38%。

2.3 夜間棚內(nèi)外濕空氣熱濕參數(shù)的比較

基于工程熱力學(xué)的理論，將夜間的觀測數(shù)據(jù)作為已知條件，計(jì)算出棚內(nèi)外高度1 m 處濕空氣的水汽密度、定壓比熱容、比焓、實(shí)際水汽壓、飽和水汽壓以此來追溯“逆溫”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。對比4 月10—11 日、4 月12—13 日、4 月25—26 日夜間濕空氣的熱濕參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，雖然各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值不同，但是它們隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，因此本文以4月10—11 日為代表作具體分析。

（1）水汽密度的比較。圖5 是4 月10 日12:00至11 日12:00 的棚內(nèi)外水汽密度隨時(shí)間的變化情況，可以明顯看出，當(dāng)棚布在18:00 落下以后，棚內(nèi)的水汽密度迅速上升，而棚外的水汽密度基本無變化，20:00 棚內(nèi)水汽密度達(dá)到最大值為0.005 6 kg/m3，之后呈下降趨勢，而棚外水汽密度的最大值為20:00的0.003 1 kg/m3。4 月10 日18:00 至翌日8:00 棚內(nèi)水汽密度總是維持在高于棚外的水平，棚內(nèi)外水汽密度的平均值分別為0.004 2 kg/m3和0.003 kg/m3，8:00以后棚布卷起，棚內(nèi)外的水汽密度保持一致。

圖5 4 月10—11 日棚內(nèi)外水汽密度的變化情況

（2）定壓比熱容的比較。圖6 是4 月10 日12:00至11 日12:00 的棚內(nèi)外濕空氣定壓比熱容的變化情況，18:00 棚膜覆蓋后，棚內(nèi)空氣的比熱容迅速升高，20:00 達(dá)到最高值1.015 2 kJ/（kg·℃），隨后開始下降，至11 日6:00 達(dá)到最低值1.010 2 kJ/（kg·℃）；而棚外空氣比熱容的最大值與最低值分別為20:00 的1.010 7 kJ/（kg·℃）和翌日7:00 的1.009 6 kJ/（kg·℃）。

圖6 4 月10—11 日棚內(nèi)外濕空氣比熱容的變化情況

可能受棚外環(huán)境氣候的影響，在11 日6:00 出現(xiàn)了棚內(nèi)外空氣比熱容一致的短暫異常現(xiàn)象，而后開始升高且回到了高于棚外比熱容的狀態(tài)，觀察4月12—13 日、4 月25—26 日的數(shù)據(jù)均未出現(xiàn)此現(xiàn)象，因此本文不作具體分析。8:00 卷起棚布以后，棚內(nèi)外定壓比熱容一致。

盡管存在異?，F(xiàn)象，但在棚膜覆蓋的整個(gè)過程中，棚內(nèi)濕空氣定壓比熱容總體高于棚外，4 月10日18:00 至翌日8:00 棚內(nèi)外濕空氣定壓比熱容的平均值分別為1.012 7 kJ/（kg·℃）和1.010 4 kJ/（kg·℃）。究其原因，在棚膜覆蓋以后，由于棚內(nèi)空氣的水汽密度升高，因此改變了濕空氣的比熱容。本文篩選了7 d 的觀測資料分別計(jì)算出了逐時(shí)水汽密度與比熱容的77 個(gè)數(shù)據(jù)，用Matlab 的regress 函數(shù)建立了棚內(nèi)水汽密度（x）與比熱容（y）的一元線性回歸方程（圖7）：y=1.949 6x+1.004 4，相關(guān)系數(shù)為0.998 8。采用F 檢驗(yàn)法檢驗(yàn)回歸效果的顯著性，在信度為0.01時(shí)，F(xiàn) 值等于37 092.69，F(xiàn)0.01=6.985 4，F(xiàn)＞F0.01，達(dá)到極顯著水平。由圖7 可知，當(dāng)空氣中水汽密度越大則比熱容就會(huì)變大。

圖7 棚內(nèi)空氣水汽密度與比熱容關(guān)系趨勢圖

由于棚內(nèi)濕空氣的比熱容大于棚外，則棚內(nèi)單位質(zhì)量的空氣每降低1 ℃所失去的熱量要比棚外的多。表2 是4 月10—11 日、4 月12—13 日、4 月25—26 日棚內(nèi)外空氣每降低1 ℃所失去的平均熱量。

4.4 提高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和品牌號(hào)召力 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是培育知名品牌的前提和基礎(chǔ)。只有實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系作為前提，才能引導(dǎo)種植戶更好地栽培大櫻桃、規(guī)劃大櫻桃栽種的種類和數(shù)量，并為他們提供有效的市場信息指導(dǎo)。政府通過開展農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范生產(chǎn)和“三品一標(biāo)”認(rèn)證，可以大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營水平，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和市場競爭力。政府要積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，充分發(fā)揮煙臺(tái)大櫻桃協(xié)會(huì)的作用，加快制定一系列有關(guān)煙臺(tái)大櫻桃內(nèi)在品質(zhì)、加工性能、分等分級(jí)、包裝新鮮和安全衛(wèi)生的標(biāo)準(zhǔn)和條例，針對福山大櫻桃種植戶制定簡單易懂的認(rèn)證程序，逐步建立煙臺(tái)福山大櫻桃的標(biāo)準(zhǔn)化體系、質(zhì)量安全監(jiān)測體系和可追溯體系。

表2 棚內(nèi)外空氣每降低1 ℃失去的平均熱量

（3）比焓的比較。本文通過觀測數(shù)據(jù)計(jì)算了夜間棚內(nèi)外濕空氣的比焓，用來對比棚內(nèi)外單位質(zhì)量的空氣所含有的熱量。圖8 是4 月10 日12:00 至11日12:00 的棚內(nèi)外濕空氣的比焓變化情況。由圖8可知，18:00 棚膜覆蓋后棚內(nèi)空氣的比焓開始上升，達(dá)到最大值23.41 kJ/kg 以后開始下降，而棚外空氣比焓隨著溫度的下降而降低，4 月10 日18:00 至翌日8:00 棚內(nèi)外濕空氣比焓的平均值分別為11.59 kJ/kg和9.46 kJ/kg。

圖8 4 月10—11 日防霜棚內(nèi)外濕空氣比焓變化情況

由于受外部環(huán)境的影響，4 月11 日6:00 棚內(nèi)濕空氣比焓低于棚外，觀察4 月12—13 日、4 月25—26 日的數(shù)據(jù)均為棚內(nèi)濕空氣的比焓高于棚外。究其原因，4 月11 日6:00 棚內(nèi)水汽密度與棚外基本一致，導(dǎo)致棚內(nèi)外實(shí)際水汽壓相差很小，所以棚內(nèi)外濕空氣的含濕量基本一致，分別為0.002 8 kg（水）/kg（干）和0.002 7 kg（水）/kg（干），而根據(jù)比焓的計(jì)算公式可知，在含濕量一定的情況下，溫度越低，比焓越小，因此出現(xiàn)了棚內(nèi)焓值低于棚外的現(xiàn)象。

工程中常常根據(jù)濕空氣比焓的變化來判斷空氣中熱量得失情況，比焓增加表示得到熱量，反之失去熱量[25]。表3 是4 月10—11 日、4 月12—13 日、4 月25—26 日棚內(nèi)外濕空氣在降溫過程中的平均失熱量，可以明顯看出在夜間溫度降低的情況下，棚內(nèi)的失熱量均高于棚外，因此棚內(nèi)的蓄熱量不足，溫度低于棚外，出現(xiàn)了“逆溫”現(xiàn)象。

表3 棚內(nèi)外空氣在降溫過程中的平均失熱量

（4）棚內(nèi)外實(shí)際水汽壓與飽和水汽壓的比較。本文將實(shí)測的溫度和相對濕度作為已知量計(jì)算出棚內(nèi)外的實(shí)際水汽壓、飽和水汽壓來進(jìn)行比較和分析。

表4 為4 月10 日18:00 至翌日8:00 棚內(nèi)外實(shí)際水汽壓e 和飽和水汽壓es隨時(shí)間的變化情況。18:00棚布覆蓋后棚內(nèi)實(shí)際水汽壓與棚外相比明顯升高，20:00 達(dá)到最大值7.17 hPa，之后棚內(nèi)的實(shí)際水汽壓隨著溫度的降低而降低，翌日6:00 達(dá)到了最小值3.65 hPa。與棚內(nèi)相比，棚外的實(shí)際水汽壓變化平緩，最大值與最小值分別為21:00 的4.02 hPa 和翌日7:00 的3.19 hPa。10 日18:00 至翌日8:00 棚內(nèi)外實(shí)際水汽壓的平均值分別為5.45 hPa 和3.68 hPa，由此可知在棚布覆蓋后，棚內(nèi)實(shí)際水汽壓的變化幅度與大小均高于棚外的實(shí)際水汽壓。

表4 4 月10—11 日棚內(nèi)外實(shí)際水汽壓和飽和水汽壓的比較

棚內(nèi)外溫度的變化直接影響著飽和水汽壓的變化，當(dāng)棚布覆蓋以后，棚內(nèi)的飽和水汽壓隨著溫度的升高而升高，19:00 達(dá)到最大值13.12 hPa，之后隨著棚內(nèi)溫度的降低，飽和水汽壓也開始下降，翌日6:00達(dá)到最小值3.84 hPa，此時(shí)間段內(nèi)棚內(nèi)飽和水汽壓的減少率為71%。棚外環(huán)境溫度的變化趨勢異于棚內(nèi)，18:00 以后棚外的飽和水汽壓隨溫度的持續(xù)降低而降低，同一時(shí)段內(nèi)棚外飽和水汽壓最大值為18:00 的12.78 hPa，最小值為翌日6:00 的4.65 hPa，減少率為64%，因此夜間棚內(nèi)飽和水汽壓的降低速率高于棚外。

另外，觀察棚內(nèi)飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓的變化情況后發(fā)現(xiàn)，從10 日20:00 開始實(shí)際水汽壓越來越接近于飽和水汽壓，到翌日4:00 棚內(nèi)兩者間的接近程度達(dá)到最大，實(shí)際水汽壓和飽和水汽壓分別為4.49 hPa 和4.68 hPa，相差0.19 hPa。棚外在11 日6:00兩者數(shù)值的接近程度才達(dá)到最大，實(shí)際水汽壓和飽和水汽壓分別為3.47 hPa 和4.65 hPa，相差1.18 hPa，接近程度小于棚內(nèi)。

2.4 夜間棚內(nèi)外的熱量交換

本文根據(jù)經(jīng)典傳熱學(xué)的理論分析夜間棚內(nèi)外熱量的得失情況。為了簡化棚內(nèi)外對流換熱過程的計(jì)算，作以下假設(shè)：①忽略夜間棚內(nèi)紅梅杏樹對棚內(nèi)外熱量交換的影響；②忽略棚內(nèi)土壤5 cm 深度向下的傳熱過程；③忽略棚內(nèi)外土壤、紅梅杏樹、棚布的熱輻射過程；④夜間棚內(nèi)溫度易受棚外環(huán)境氣候的影響，因?yàn)榕锊嫉臒岫栊暂^小，所以將此次傳熱過程視為穩(wěn)態(tài)傳熱[26]；⑤由于棚布厚度小，其熱阻近似為零，所以假定棚布內(nèi)外表面的溫度相等[27]；⑥夜間棚內(nèi)外高度1 m 和2 m 處的溫度各有差異，為了方便分析棚內(nèi)外對流換熱過程，又考慮到不同高度的溫度對對流換熱的影響，因此計(jì)算了同一時(shí)刻棚內(nèi)高度1 m 與2 m 溫度的平均值與棚外高度1 m 與2 m溫度的平均值作為邊界條件。

2.4.1 夜間棚內(nèi)外通過覆蓋材料的熱量交換 表5是4 月10—11 日、4 月12—13 日、4 月25—26 日夜間至翌日凌晨棚內(nèi)外通過棚布的熱量交換情況，本文根據(jù)熱流量的正負(fù)來判斷棚內(nèi)熱量的收支，正值為棚內(nèi)吸收熱量，負(fù)值為輸出熱量。

表5 夜間防霜棚內(nèi)外通過棚膜的熱量交換

由表5 可知，棚布覆蓋后棚內(nèi)熱量向外界散熱，歸因于棚內(nèi)地面沒有太陽輻射的補(bǔ)償，因而地面輻射開始向棚內(nèi)空氣散失熱量，與此同時(shí)，20:00 之前棚外太陽輻射隨太陽高度角的減小而降低，但并未完全消失，因此作用在棚布外表面的太陽輻射處于被棚布吸收的狀態(tài)，導(dǎo)致棚布外表面溫度較高，在內(nèi)外補(bǔ)溫的條件下，棚內(nèi)溫度升高并保持較高的狀態(tài)，因此出現(xiàn)了短時(shí)內(nèi)棚內(nèi)熱量向外界散熱的現(xiàn)象，這三次過程棚內(nèi)向外散熱量最大值分別為805.5，12 766.5，8 133.2 W。20:00 左右當(dāng)太陽高度角為0，太陽輻射也隨之消失，因此該現(xiàn)象結(jié)束，隨著環(huán)境溫度的降低，棚內(nèi)溫度低于棚外，出現(xiàn)了棚外周圍的熱量以對流方式反向棚內(nèi)供熱，并且棚內(nèi)外溫差越大則棚外向棚內(nèi)提供的熱量越多，這三次過程內(nèi)棚外向棚內(nèi)傳熱最大值分別為2 888.6，2 540.8，5 897.6 W。

2.4.2 夜間棚內(nèi)地-氣間熱量交換 4 月10—11日、4 月12—13 日、4 月25—26 日這三次過程18:00至翌日8:00 棚內(nèi)1 m 高度的平均溫度分別為1.3，5.6，6.2 ℃，2 m 高度的平均溫度分別為0.9，5.2，5.8 ℃，土壤5 cm 深處的平均溫度分別為9.1，12.0，17.0 ℃，均表現(xiàn)為夜間土壤5 cm 深度的溫度大于棚內(nèi)高度1，2 m 處溫度。

表6 是這三次過程夜間棚內(nèi)地-氣間熱量交換情況，其中正值為棚內(nèi)吸收土壤熱量，負(fù)值則相反。由表6 可知，除4 月10 日外，4 月12 日與4 月25日由于棚布覆蓋后地表以上溫度高于土壤深度5 cm 處溫度，因此土壤吸收熱量。20:00 左右，隨著環(huán)境溫度降低棚內(nèi)溫度迅速下降，但土壤溫度下降過程較緩慢，因此土溫高于棚內(nèi)高度1，2 m 處的溫度，此時(shí)土壤向上輸送熱量。在此期間，土壤深度5 cm 處與高度1 m 處的溫差小于與高度2 m 處的溫差，所以土壤向高度2 m 處輸送的熱量較高。相比較，棚外通過覆蓋材料向棚內(nèi)的傳熱量均遠(yuǎn)小于地-氣間傳熱量，這三次過程兩者的傳熱量平均相差2 721.16 W。這主要是由于4 月份農(nóng)事活動(dòng)等人為因素導(dǎo)致土壤的含水量較高，增加了土壤的熱容量，白天在太陽輻射的作用下土壤吸收了大量的熱量，而夜間降溫過程中熱量散失緩慢，因此溫度高于空氣溫度。

表6 夜間防霜棚內(nèi)土壤-空氣間熱量交換

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）夜間棚內(nèi)相對濕度高于棚外，這是因?yàn)榕锊几采w后，棚內(nèi)沒有了太陽輻射而導(dǎo)致地面開始向上散熱，同時(shí)棚布外表面又吸收太陽輻射，因此在內(nèi)外補(bǔ)溫的情況下，棚內(nèi)溫度迅速升高，基于以上原因加劇了棚內(nèi)土壤與紅梅杏在高溫條件下的蒸發(fā)與蒸騰作用，所以棚內(nèi)水汽密度與實(shí)際水汽壓升高導(dǎo)致棚內(nèi)相對濕度上升。加之棚膜的透氣性和透水性較差[28]，阻礙了棚內(nèi)空氣與外界的對流，使得棚內(nèi)水汽含量高于外界，導(dǎo)致整晚棚內(nèi)的相對濕度高于棚外。

（2）裝配式輕型拱棚采用規(guī)格200 g/m2土工布覆蓋，試驗(yàn)結(jié)果表明，基于單層覆蓋情況下其保溫性較差，因此在夜間不論有霜凍或溫度不太低的情況下，棚內(nèi)“逆溫”現(xiàn)象普遍發(fā)生，這與楊棟[31]的研究結(jié)果相符。

（3）夜間棚內(nèi)外濕空氣在相同時(shí)間內(nèi)的熱濕參數(shù)可比性較強(qiáng)，棚內(nèi)水汽密度、實(shí)際水汽壓、定壓比熱容、比焓基本上均高于棚外，而棚內(nèi)飽和水汽壓低于棚外。棚布覆蓋后，棚內(nèi)土壤與紅梅杏在高溫條件下的蒸發(fā)與蒸騰作用增強(qiáng)，同時(shí)棚內(nèi)水汽密度也隨之快速增加，因此使得定壓比熱容與實(shí)際水汽壓均上升且高于棚外。飽和水汽壓隨溫度的變化而變化，相同時(shí)間內(nèi)由于棚內(nèi)溫度低于棚外，因此棚內(nèi)飽和水汽壓也低于棚外。

（4）18:00 棚布覆蓋后，棚內(nèi)溫度高于棚外溫度，由于棚布的保溫性太差，棚內(nèi)熱量向外界大量散失，20:00 左右出現(xiàn)棚內(nèi)“逆溫”現(xiàn)象，棚內(nèi)開始向外界吸收熱量，與此同時(shí)棚內(nèi)土壤溫度依然高于空氣溫度，所以不斷向空氣輸送熱量，基于以上原因棚內(nèi)高度1 m 與2 m 間的溫差較小，可視為棚內(nèi)溫度在高度方向上分布均勻，而棚外高度1 m 與2 m 間的溫差大。

3.2 討論

（1）目前對日光溫室及塑料大棚內(nèi)溫度變化規(guī)律的研究較為成熟，而對棚內(nèi)“逆溫”現(xiàn)象的研究較少。夜間棚內(nèi)處于較為封閉的狀態(tài)，因此導(dǎo)致棚內(nèi)溫度變化的因素較為復(fù)雜，并非單一因素所致。本文結(jié)合濕空氣熱濕參數(shù)的變化來探討“逆溫”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理：由于棚內(nèi)水汽密度的增加，改變了棚內(nèi)濕空氣定壓比熱容，所以棚內(nèi)外在共同的降溫過程中棚內(nèi)失熱量高于棚外。同時(shí)基于單模覆蓋的拱棚其儲(chǔ)熱量不足，保溫效果不理想，所以使用該設(shè)備對于春季有效預(yù)防霜凍還需進(jìn)一步改進(jìn)或通過給棚內(nèi)增加熱源以提高棚內(nèi)溫度。

（2）夜間棚內(nèi)相對濕度較高，并且長時(shí)間基本處于飽和狀態(tài)，但相同時(shí)段內(nèi)，棚內(nèi)水汽密度與實(shí)際水汽壓均有下降趨勢，與相對濕度的變化趨勢相反。夜間棚內(nèi)實(shí)際水汽壓的降低歸因于水汽密度的下降，而水汽密度的下降與棚內(nèi)植物（紅梅杏）的蒸騰生理過程有關(guān)，夜間植物的蒸騰過程依然存在，只是較白天相對較少[32]。夜間影響植物蒸騰快慢的因素較為復(fù)雜，除植物固有的基因因素外，還有環(huán)境因素的影響，如水汽壓差、溫度、土壤水分、CO2濃度等[33]?；谂飪?nèi)溫度的降低與水汽壓差的變化特征，夜間棚內(nèi)植物蒸騰作用降低，因此水汽密度有下降趨勢；同樣基于棚內(nèi)溫度的下降，使得飽和水汽壓下降并且接近于實(shí)際水汽壓，因此出現(xiàn)了棚內(nèi)相對濕度升高，而水汽密度與實(shí)際水汽壓下降的現(xiàn)象。

（3）本文開展的試驗(yàn)主要集中在夜間低溫條件下，并且試驗(yàn)地的霜凍天氣僅出現(xiàn)了1 次（其余均為較低溫天氣），因此可供研究棚內(nèi)“逆溫”現(xiàn)象的樣本資料較少，研究存在一定的局限性。本研究從棚內(nèi)外水汽密度與定壓比熱容等主要熱濕參數(shù)的比較來闡述棚內(nèi)“逆溫”現(xiàn)象的產(chǎn)生原因并得出結(jié)論，但對該結(jié)論的驗(yàn)證往后還需作進(jìn)一步的研究，如在不同天氣類型（晴天、多云天、陰雨天等）條件下對棚內(nèi)外各氣象要素與熱濕參數(shù)的變化進(jìn)行全面的比較與總結(jié)。

（4）本研究主要基于固原市原州區(qū)4 月份氣候條件下對裝配式輕型拱棚這種特定類型的溫棚開展試驗(yàn)，因此試驗(yàn)所得結(jié)論不具有普遍代表性，所以今后將針對不同地理位置、不同類型的溫棚及易發(fā)生霜凍的季節(jié)（春、秋季）等情況下對棚內(nèi)溫度變化規(guī)律及“逆溫”現(xiàn)象作更深入的研究。