王 君 李衍素 張愛(ài)民 孟 雷 張勝豐 于賢昌*

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京 100081；2 徐州市蔬菜研究所，江蘇徐州 221004；3 徐州市豐碩綠色農(nóng)業(yè)科技有限公司，江蘇徐州 221000）

徐州市地處黃淮海平原，光熱條件好，早春氣溫回升快，秋季晝夜溫差大，年平均氣溫14.2℃，年最低溫度通常出現(xiàn)在12 月至翌年2 月的深冬季節(jié)（中國(guó)天氣網(wǎng)，http：//www.weather.com.cn/cityintro/101190801.shtml），極端最低氣溫為-14.9～-5.2 ℃（劉瓔瑛 等，2003），但一般很少發(fā)生極端低溫天氣（張傳福和魏家鳳，2015），有利于設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展。截至2016 年末，全市溫室占地面積4 380 hm2，大棚占地面積2.955 萬(wàn)hm2（徐州市統(tǒng)計(jì)局，http：//tj.xz.gov.cn/tjj/tjgb/20180228/011_116 ebdb0-4ae7-4c28-b26e-e5865d672b6c.html），且 近年來(lái)設(shè)施蔬菜種植面積有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)。蔬菜保護(hù)地生產(chǎn)設(shè)施主要包括日光溫室（包括磚墻式和土墻式）、塑料拱棚（包括鋼架和竹木結(jié)構(gòu)）等（齊玉春和陳端生，1998；張傳福和魏家鳳，2015），其中越冬生產(chǎn)以日光溫室為主。越冬生產(chǎn)過(guò)程中，若遇長(zhǎng)期霧霾或陰雨天氣，溫室內(nèi)光照強(qiáng)度弱、溫度低，會(huì)降低蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)。采用輔助加溫和人工補(bǔ)光的措施可以改善溫室內(nèi)部溫光環(huán)境，但會(huì)大幅度增加設(shè)備以及運(yùn)行成本，降低生產(chǎn)效益。

近年來(lái)，大跨度塑料大棚因其具備栽培空間大、土地利用效率高、機(jī)械操作方便、建造成本低、室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)（周升 等，2016；方慧 等，2017；馬玲 等，2020），在北京、山東壽光、遼寧沈陽(yáng)、陜西楊凌、寧夏中部等地區(qū)獲得推廣應(yīng)用，被認(rèn)為是果菜類蔬菜越冬生產(chǎn)可供選擇的設(shè)施類型之一。大跨度塑料大棚在北方多地已被成功應(yīng)用，但不同地區(qū)、不同氣候條件下的大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)略有差別。

本試驗(yàn)在徐州地區(qū)建造了東西跨度22.0 m 的外保溫覆蓋大跨度塑料大棚（以下簡(jiǎn)稱塑料大棚），測(cè)定冬春季節(jié)設(shè)施內(nèi)部氣溫變化，并與徐淮地區(qū)較為普遍的60 cm 厚磚墻（混凝土砌磚）日光溫室溫度性能進(jìn)行比較，探討其在徐淮地區(qū)應(yīng)用的可行性，以期為徐淮地區(qū)引入結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型栽培設(shè)施，并在徐淮地區(qū)進(jìn)行番茄越冬茬生產(chǎn)輻射推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 外保溫覆蓋大跨度塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)

塑料大棚骨架采用熱鍍鋅低碳鋼材，東西單弧拱型屋頂；東西跨度22.0 m，開(kāi)間1.0 m，南北長(zhǎng)度100.0 m，立柱間距4.0 m，肩高2.1 m，頂高6.0 m，棚間距3.0 m。塑料大棚頂部均采用防老化防霧滴0.12 mm 聚烯烴塑料薄膜覆蓋，外保溫被材料為質(zhì)量1.2 kg·m-2的防水棉被。塑料大棚頂端兩側(cè)和下端兩側(cè)有南北走向的通風(fēng)口（圖1）。建造地點(diǎn)為江蘇省徐州市賈汪（蔬菜）綜合示范基地（117°37′E，34°41′N）。

圖1 外保溫覆蓋大跨度塑料大棚結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以同一基地內(nèi)當(dāng)?shù)卦O(shè)施蔬菜越冬生產(chǎn)常用的60 cm 厚磚墻日光溫室作為對(duì)照，塑料大棚作為處理。日光溫室骨架采用無(wú)支柱鍍鋅花梁結(jié)構(gòu)，北墻墻體材料為混凝土砌磚（390 mm × 190 mm × 190 mm），墻體內(nèi)側(cè)有1 cm 厚內(nèi)粉，外側(cè)有1 cm 厚外粉，墻體整體厚60 cm，高2.5 m，屋脊高3.5 m，東西長(zhǎng)度85.0 m，南北跨度12.0 m，前后間距8.0 m。日光溫室棚膜和保溫被材料與塑料大棚一致。二者均安裝了定時(shí)控制的通風(fēng)系統(tǒng)，每日通風(fēng)時(shí)間為9：30—15：00。塑料大棚在東西兩側(cè)有上通風(fēng)口和下通風(fēng)口，下通風(fēng)口最低、最高位置分別距離地面0.4 m 和1.5 m；東西兩側(cè)上通風(fēng)口寬度各為1.3 m，上通風(fēng)口最低、最高位置距地面的垂直高度分別為5.9 m 和6.3 m。日光溫室頂部通風(fēng)口寬度1.0 m。在試驗(yàn)期間，塑料大棚和日光溫室均僅開(kāi)啟頂部通風(fēng)。根據(jù)天氣情況，保溫被揭放時(shí)間和通風(fēng)時(shí)間會(huì)略作調(diào)整。風(fēng)口處覆蓋40 目的防蟲(chóng)網(wǎng)。

番茄栽培品種為中果型的粉迪，栽培密度為2 381 株 ·（667 m2）-1，于2019 年12 月20 日定植，2020 年5 月15 日拉秧，栽培管理措施均一致。

1.3 空氣溫濕度記錄儀布置與溫濕度測(cè)定

溫濕度測(cè)定時(shí)間為2020 年1 月8 日至3 月31日。室外放置1 臺(tái)空氣溫濕度自動(dòng)記錄儀（RC-4HA/C，江蘇精創(chuàng)電氣股份有限公司，精度：溫度為0.1℃，濕度為3% RH）。為方便比較日光溫室和塑料大棚的溫濕度性能，選取設(shè)施內(nèi)溫濕度變化受外界影響相對(duì)一致的地點(diǎn)安放空氣溫濕度自動(dòng)記錄儀：在日光溫室內(nèi)部距離前底角6.5 m、距離東西墻體各28.0 m 處分別放置1 臺(tái)空氣溫濕度自動(dòng)記錄儀（圖2-A）；在塑料大棚內(nèi)部距離東西兩側(cè)底角6.5 m、距離南側(cè)立柱50.0 m（南北長(zhǎng)度正中間）分別放置1 臺(tái)空氣溫濕度自動(dòng)記錄儀（圖2-B）。此位置測(cè)定結(jié)果既能反映不同設(shè)施的溫濕度情況，也不影響蔬菜正常生長(zhǎng)。各溫濕度記錄儀探頭距地面高度均為1.5 m，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為15 min，取兩側(cè)采集數(shù)據(jù)的平均值。為減小或避免太陽(yáng)輻射對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響，將記錄儀外置傳感器探頭用鋁箔紙進(jìn)行包裹，但保證底部能夠正常通風(fēng)。

圖2 日光溫室和塑料大棚溫濕度自動(dòng)記錄儀分布位置

1.4 產(chǎn)量測(cè)定

按照商品果大小和顏色要求，定期對(duì)番茄成熟果實(shí)進(jìn)行采收，將拉秧前所有采收果實(shí)產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，折算成每667 m2產(chǎn)量。

1.5 土地利用率

按照溫室建筑面積與土地總面積的比值計(jì)算土地利用率（周長(zhǎng)吉和劉晨霞，2009）。

土地利用率（%）=有效種植面積（m2）/土地總面積（m2）× 100

1.6 建造成本

日光溫室建造成本，包括溫室骨架、壓膜線、塑料薄膜、外保溫被、內(nèi)保溫幕、防蟲(chóng)網(wǎng)和卷膜卷被系統(tǒng)、土建和磚墻、用工費(fèi)以及其他費(fèi)用（周升等，2016）。塑料大棚建造成本主要包括骨架、卷簾卷被系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、土建、用工費(fèi)及其他費(fèi)用。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 塑料大棚和日光溫室內(nèi)外氣溫極值和平均值變化

塑料大棚日平均氣溫、日最低氣溫和日最高氣溫與日光溫室變化趨勢(shì)基本一致（圖3～5）。當(dāng)外界日平均氣溫在-0.5～3.5 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，塑料大棚內(nèi)日平均氣溫與日光溫室之差維持在 ± 0.5 ℃范圍內(nèi)；當(dāng)外界氣溫上升后，日光溫室與塑料大棚日平均氣溫差值大于0.5 ℃，試驗(yàn)期間二者溫差最高達(dá)5.0 ℃（圖3 和表1）。

圖3 日光溫室和塑料大棚內(nèi)外日平均氣溫

1 月日光溫室和塑料大棚日最低氣溫均出現(xiàn)在1月18日，分別為6.5 ℃和7.8 ℃（圖4和表1）。1、2、3 月日光溫室平均日最低氣溫分別為9.9、12.6、14.0 ℃，塑料大棚平均日最低氣溫分別為10.0、12.1、13.0 ℃。說(shuō)明在徐州地區(qū)，若不遭遇外界連續(xù)低溫的極端天氣，深冬和早春季節(jié)塑料大棚能夠維持棚內(nèi)最低氣溫在10 ℃左右，達(dá)到磚墻日光溫室的保溫性能。

圖4 日光溫室和塑料大棚內(nèi)外日最低氣溫

塑料大棚日最高氣溫明顯低于日光溫室（圖5和表1）。1、2、3 月日光溫室平均日最高氣溫分別為26.4、26.5、29.1 ℃，塑料大棚平均日最高氣溫分別為21.3、24.0、24.0 ℃。

圖5 日光溫室和塑料大棚內(nèi)外日最高氣溫

表1 日光溫室和塑料大棚內(nèi)外氣溫變化

2.2 典型天氣下日光溫室和塑料大棚內(nèi)空氣溫濕度日變化

從圖6 可以看出，日光溫室和塑料大棚內(nèi)部氣溫變化趨勢(shì)基本相同，從15：00 開(kāi)始設(shè)施內(nèi)氣溫整體上均呈下降趨勢(shì)，一直持續(xù)到次日早上8：30。多云天氣日光溫室和塑料大棚氣溫均在12：00 左右達(dá)到峰值；晴天天氣在13：00 左右達(dá)到峰值。塑料大棚由于通風(fēng)口大于日光溫室，晴天內(nèi)部峰值氣溫明顯低于日光溫室，因此在下午覆蓋保溫被時(shí)塑料大棚內(nèi)氣溫要低于日光溫室。但17：00 覆蓋保溫被后，日光溫室和塑料大棚內(nèi)氣溫短時(shí)回升后出現(xiàn)持續(xù)的降溫，2020 年1 月12 日17：00—24：00 日光溫室氣溫略高于塑料大棚0.4～1.8 ℃；而0：00—8：30 日光溫室氣溫低于塑料大棚1.5～2.1 ℃。

圖6 日光溫室和塑料大棚在冬季典型天氣下氣溫日變化

試驗(yàn)地區(qū)空氣相對(duì)濕度較高（圖7），夜間相對(duì)濕度達(dá)到80%以上。塑料大棚和日光溫室內(nèi)空氣相對(duì)濕度隨時(shí)間變化趨勢(shì)整體一致，設(shè)施在通風(fēng)過(guò)程中空氣濕度出現(xiàn)下降，尤其是在晴天；而塑料大棚內(nèi)空氣相對(duì)濕度明顯高于日光溫室，多云天氣二者差值在6.7～15.6 百分點(diǎn)范圍波動(dòng)，晴天在7.1～43.0 百分點(diǎn)范圍波動(dòng)，在白天二者差距被明顯拉大，其主要原因?yàn)榘滋烊展鉁厥覂?nèi)氣溫明顯高于塑料大棚，而通常溫度升高會(huì)造成空氣相對(duì)濕度下降。

圖7 日光溫室和塑料大棚在冬季典型天氣下空氣相對(duì)濕度日變化

2.3 番茄產(chǎn)量

截至2020 年5 月15 日拉秧，塑料大棚和日光溫室番茄每667 m2產(chǎn)量分別為4 585 kg 和4 545 kg，塑料大棚番茄產(chǎn)量并沒(méi)有降低。

2.4 土地利用率和建造成本

為防止前棟遮陰，日光溫室前后棟間距為8.0 m，土地利用率僅為48.5%；而塑料大棚的棚間距僅為3.0 m，土地利用率高達(dá)84.0%，較日光溫室增加了35.5 百分點(diǎn)。

塑料大棚初始建造成本為194.3 元·m-2，對(duì)照磚墻日光溫室建造成本約為200 元·m-2，兩種類型設(shè)施的初始建造成本比較接近。

3 討論

低溫是制約設(shè)施果菜類蔬菜越冬生產(chǎn)的重要瓶頸問(wèn)題，蔬菜栽培時(shí)設(shè)施內(nèi)最低氣溫不得小于10 ℃，而塑料大棚通常不能達(dá)到該氣溫臨界值。因此，多采用日光溫室來(lái)保障越冬蔬菜生產(chǎn)。但鑒于徐淮地區(qū)發(fā)生極端低溫天氣的情況較少（張傳福和魏家鳳，2015），因此在大跨度塑料大棚基礎(chǔ)上，考慮加上外覆蓋，探索該設(shè)施類型是否能夠滿足徐州地區(qū)蔬菜的越冬生產(chǎn)。在本試驗(yàn)中，從測(cè)量之日2020 年1 月8 日起，至3 月31 日共計(jì)84 d，其中陰天和多云天氣共占31.0%，陰天或多云天氣持續(xù)最長(zhǎng)的時(shí)間為4 d。測(cè)定期間外界日最低溫度在-5.9～10.0 ℃范圍變化，塑料大棚內(nèi)最低氣溫基本可以達(dá)到當(dāng)?shù)氐湫痛u墻日光溫室的保溫性能。但若遇極端低溫或連續(xù)陰雨天氣，設(shè)施蔬菜仍有處于溫光逆境的風(fēng)險(xiǎn)，需配備輔助加熱設(shè)備以保證塑料大棚蔬菜正常生產(chǎn)。

在試驗(yàn)過(guò)程中，為方便對(duì)比和管理，日光溫室和塑料大棚揭開(kāi)保溫被和通風(fēng)的時(shí)間是一致的。隨著外界氣溫升高，中午日光溫室內(nèi)部出現(xiàn)近40 ℃的短時(shí)高溫，相同環(huán)境下塑料大棚內(nèi)氣溫低于日光溫室的主要原因是塑料大棚頂部通風(fēng)口寬1.3 m，日光溫室僅寬1.0 m，塑料大棚通風(fēng)面積和通風(fēng)量顯著大于日光溫室。另外，定時(shí)揭開(kāi)保溫被的措施造成設(shè)施內(nèi)早上揭開(kāi)保溫被后氣溫略有下降以及下午覆蓋保溫被后氣溫略有回升，在今后實(shí)際操作中應(yīng)將定時(shí)控制改進(jìn)為結(jié)合作物的溫度需求，根據(jù)設(shè)施內(nèi)實(shí)時(shí)氣溫來(lái)調(diào)控通風(fēng)系統(tǒng)和保溫被覆蓋/揭開(kāi)，以利于冬春季節(jié)最大程度利用太陽(yáng)輻射能來(lái)提高設(shè)施內(nèi)氣溫。

土壤導(dǎo)熱系數(shù)受土壤質(zhì)地、容重、含水量等因素影響，范圍在0.75～2.35 W·m-1·K-1（鄧小茜 等，2013），北墻混凝土砌磚導(dǎo)熱系數(shù)為0.68～1.02 W ·m-1·K-1，墻體導(dǎo)熱能力較土壤并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，且墻體較薄，蓄熱能力也遠(yuǎn)不如土壤。南北走向大跨度非對(duì)稱塑料大棚內(nèi)光照強(qiáng)度及光照均勻度均高于日光溫室（武瑩和李建明，2019），而土壤熱量主要取決于太陽(yáng)輻射量（邢述彥，2004），因此，白天塑料大棚土壤貯存的熱量會(huì)高于日光溫室，這可能是盡管塑料大棚的散熱面大于日光溫室，但沒(méi)有出現(xiàn)塑料大棚夜間氣溫顯著低于日光溫室的主要原因。由于日光溫室通風(fēng)量小，晴天溫室內(nèi)氣溫明顯高于塑料大棚，覆蓋保溫被后的起始?xì)鉁馗撸▓D6），通常易引起當(dāng)天晚上前半夜的溫度會(huì)略高于塑料大棚，但后半夜隨著塑料大棚土壤中貯存的熱量不斷釋放，則出現(xiàn)后半夜氣溫略高于日光溫室的情況（圖6）。

本試驗(yàn)中塑料大棚是南北走向，解決了前后設(shè)施間遮陰的問(wèn)題，極大地提高了土地利用率，增加了生產(chǎn)效益。另外，塑料大棚內(nèi)部空間開(kāi)闊，方便進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)，易實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，便于蔬菜生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、集約化管理。

4 結(jié)論

外保溫覆蓋大跨度塑料大棚保溫性能良好，在1—3 月非連續(xù)低溫，且外界日最低溫度在-5.9 ℃以上時(shí)，能基本保證棚內(nèi)氣溫維持在10 ℃左右，基本達(dá)到對(duì)照60 cm 厚磚墻典型日光溫室的保溫效果，且不會(huì)降低番茄產(chǎn)量。同時(shí)該塑料大棚還解決了日光溫室土地利用效率低、空間狹小不利于機(jī)械化操作等問(wèn)題，可降低人工成本，促進(jìn)農(nóng)民增收，在徐淮地區(qū)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。