葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中定植板覆蓋率對環(huán)境熱效應(yīng)的影響

山 西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018， 46（ 6）： 957-961 Journal of Shanxi Agricultural Sciences葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中定植板覆蓋率對環(huán)境熱效應(yīng)的影響杜莉雯 ，溫祥珍 ，馬宇婧 ，李亞靈（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西 太谷 030801）摘 要 ：日光溫室中晝夜溫差大，不穩(wěn)定的環(huán)境不利于植物生長，因此，研制一種自身環(huán)境穩(wěn)定的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)具有實(shí)用價值 。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究所研制了一種葉菜水培生產(chǎn)系統(tǒng)，利用營養(yǎng)液來緩沖系統(tǒng)中熱變化，試驗(yàn)測試了定植板不同覆蓋率下的熱變化規(guī)律 。結(jié)果表明，營養(yǎng)液可以吸收儲存一定熱量，并對附近環(huán)境起到調(diào)節(jié)作用， 100%， 75%和 50%定植板覆蓋率的營養(yǎng)液平均最高溫度分別為 27.3， 28.3， 29.6；平均日較差分別為4.8， 5.5， 7.7，減少定植板的覆蓋率可以使?fàn)I養(yǎng)液吸收更多熱量，但在夜間也會損失較多的熱量 。在冬季使用時，白天可以通過增加液面裸露面積以吸收較多太陽能，晚上增加定植板數(shù)量以減少熱量散失；在夏季使用時，可以選擇 100%的定植板覆蓋率，營養(yǎng)液溫度不會太高 。3 個覆蓋率生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方 10 cm處氣溫差異不大，平均溫度分別為 22.9， 23.7， 23.5；平均空氣相對濕度分別為 50.5%， 70.6%和 74.9%，且隨覆蓋率減少而增大 。關(guān)鍵詞 ：覆蓋率；營養(yǎng)液溫度；儲熱量；氣溫；相對濕度中圖分類號 ：S625.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ：A 文章編號 ：1002-2481（ 2018） 06-0957-05Effects of Planted Plates Coverage on the EnvironmentalThermal in Leaf Vegetable Production SystemDULiwen， WENXiangzhen， MAYujing， LI Yaling（ College ofHorticulture， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， China）Abstract： The dayand night temperature difference in the greenhouse is large, and the unstable environment is not favorable totheplants growing in it. Therefore, it is of practical value to develop a leaf vegetable production system with stable environment. A leafyvegetables hydroponic production system is developed by Institute of Agricultural Engineering, Shanxi Agricultural University, usingnutrient solution to buffer thermal changes in the system, and the thermal change rule of planted plates under different coverage rate istested. The results showthat the nutrient solution can absorb some heat and regulate the surrounding environment. The average highesttemperature are 27.3, 28.3, 28.3, respectively, and the average difference were 4.8, 5.5, 5.5, respectively, in nutrients temperature,when the coverage ofthe planted plates are 100%， 75% and 50%. Reducing the coverage ofthe planted plates allows nutrients to absorbmore heat, but also loses more calories at night. When used in winter, it can absorb more solar energy by increasing the exposed areaduring the day and increase the number of planted plates at night to reduce the heat loss. When used in summer, it can choose 100percent of the plant plate coverage, so that the nutrient solution won't be too hot. The temperature difference of 10 cm above the plantedplate of production system is not large, the average temperature are 22.9, 23.7, 23.5 , respectively, and the air relative humidity are50.5%, 70.6%, 74.9%, respectively, increases with the decrease ofcoverage.Key words： coverage rate; the temperature ofnutrient solution; thermal storage capacity; air temperature; relative humidity收稿日期 ：2018- 03- 06基金項(xiàng)目 ：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（ 61233006）；山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（ FT201402- 05）作者簡介 ：杜莉雯（ 1991-），女，山西太谷人，在讀碩士，研究方向：設(shè)施園藝 。溫祥珍為通信作者 。doi:10.3969/j.issn.1002-2481.2018.06.22水具有較大的比熱容，許多學(xué)者考慮用水來儲熱并逐漸應(yīng)用于各個領(lǐng)域，最初的水蓄熱用來供暖和發(fā)電，后來逐漸應(yīng)用到溫室生產(chǎn)中，以水為蓄放熱的載體來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境 。1981 年， WOSTER1在俄亥俄州的農(nóng)業(yè)研究和發(fā)展中心建造了一個收集和儲存太陽能的池塘用于溫室供暖 。1998 年，ALl- HUSSAINI 等2在溫室內(nèi)建造了蓄熱水池，水池深 520 cm，水池內(nèi)表面涂黑，水池中裝滿一定濃度的鹽水，外面覆上透明塑料膜，利用蓄熱水池蓄集的熱量加熱溫室，起到較好的加熱效果 。日本的河野德羲3在 1986 年研究了水蓄熱型太陽能溫室的熱特性 。DICKINSON等4建議用淺層太陽能池儲存熱量 。KISHORE 等5進(jìn)行了太陽能水池持續(xù)熱提取的試驗(yàn)和分析研究 。還有一些研究，將裝有水的桶放在溫室地板上使其被動蓄熱，水桶白天吸收太陽能，晚上將熱量釋放到周圍環(huán)境6-10。太陽能作為957 山 西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 6 期表 1 不同定植板覆蓋率對營養(yǎng)液溫度的影響 覆蓋率100%75%50%平均溫度24.525.225.3最高溫度27.328.329.6日較差4.85.57.7最低溫度22.522.721.9注：數(shù)據(jù)為 5 月 26 日至 7 月 8 日每天平均溫度與極端溫度的平均值 。表 3 同 。一種取之不盡 、用之不竭的新型清潔能源，其開發(fā)利用越來越受到廣泛關(guān)注，如何儲存和使用這種能源是一個重要的挑戰(zhàn)11-12，因此，建造一個低成本的系統(tǒng)來收集和儲存太陽能是非常有必要的 。為了給日光溫室蔬菜種植提供穩(wěn)定的生長環(huán)境，降低生產(chǎn)成本，本試驗(yàn)研制了一種葉菜水培生產(chǎn)系統(tǒng)，采用聚苯乙烯泡沫板（聚苯板具有隔熱效果13）作周邊結(jié)構(gòu)以減少熱量的散失，利用營養(yǎng)液來緩沖系統(tǒng)中的熱變化，由于裸露液面的多少會對系統(tǒng)內(nèi)熱性能產(chǎn)生一定的影響，因此，進(jìn)行了不同定植板覆蓋率對葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)熱環(huán)境的影響試驗(yàn)，以期找出適合該系統(tǒng)的定植板覆蓋率，通過不同季節(jié)對定植板覆蓋率的調(diào)整及各項(xiàng)管理措施，將設(shè)施內(nèi)的生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)到蔬菜作物生育的最適條件，從而使蔬菜生產(chǎn)達(dá)到高產(chǎn) 、優(yōu)質(zhì)的目的14。1 材料和方法1.1 葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)（圖 1），位于山西太谷（北緯3742，東經(jīng) 11255）山西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究所 。葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)長 6 m，寬 5.4 m，高 0.4 m。將熱鍍鋅角鋼焊接成 6 m0.4 m 和 5.4 m0.4 m這 2 種長方形框，在每個長方形框每隔 1.5 m 處用長 0.4 m的熱鍍鋅扁鐵固定，用來提高溫室框架的穩(wěn)定程度和抗壓能力 。然后將上述 2 種長方形框分別作為葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的長和寬，用外六角彩鋼瓦釘拼接起來組成積液栽培池框架，將 4 cm 厚的聚苯板嵌入角鋼槽作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，塑料薄膜平鋪生產(chǎn)系統(tǒng)底部，用卡簧和卡槽固定在周邊結(jié)構(gòu)上，形成一個簡易的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng) 。在積液池中注入等量的營養(yǎng)液，深度約 21.5 cm，容量為 7 m3。試驗(yàn)采用多孔聚苯板作定植板（厚 5 cm、162 孔），置于液面上方，試驗(yàn)中定植蔥苗 。1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)置 3 個處理： A.定植板覆蓋率 100%，即定植板與定植板之間緊密貼合，完全覆蓋營養(yǎng)液面（圖 1- A）； B.定植板覆蓋率 75%，即相鄰定植板之間相距 10 cm，定植板覆蓋的液面積 / 生長箱總液面積 =75%（圖 1- B）； C.定植板覆蓋率 50%，即相鄰定植板之間距離 30 cm（圖 1- C） 。3 個處理的生產(chǎn)系統(tǒng)按東西向并列排放，使其光環(huán)境基本一致 。1.3 測定項(xiàng)目及方法使用多路溫度儀（型號為 TEA- 005C，河北邯鄲益盟電子有限公司生產(chǎn)）分別對 3 個生產(chǎn)系統(tǒng)液表面下 5 cm 深處的營養(yǎng)液溫度和定植板上方 10 cm處的空氣溫度進(jìn)行測定；使用歐寶（型號為 HOBOU12- 013） 分別對 3 個生產(chǎn)系統(tǒng)液面上方 10 cm處溫度和空氣相對濕度進(jìn)行檢測 、記錄，儀器每 0.5 h采集一次數(shù)據(jù)，于 2016 年 5 月 26 日至 7 月 8 日進(jìn)行測定 。2 結(jié)果與分析2.1 營養(yǎng)液溫度變化情況2.1.1 營養(yǎng)液溫度日變化 試驗(yàn)對不同定植板覆蓋率的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中營養(yǎng)液溫度進(jìn)行了觀測 。從營養(yǎng)液溫度的整體變化趨勢（圖 2）看， 3 種覆蓋率下營養(yǎng)液溫度變化趨勢基本一致 。分析營養(yǎng)液溫度的升溫和降溫速度， 100%， 75%， 50%這 3 種覆蓋率的升溫速度分別為 0.5， 0.7， 0.9/h，降溫速度分別為 0.3， 0.4， 0.5/h。說明通過增加液面的裸露面積可以提高營養(yǎng)液在白天的升溫速度，使?fàn)I養(yǎng)液吸收較多的熱量；但晚上的降溫速度也會加快，釋放較多的熱量 。由表 1 可知，在觀測日內(nèi)，營養(yǎng)液的平均溫度隨定植板覆蓋率的減少而增大， 100%定植板覆蓋率溫度最低， 75%和 50%的定植板覆蓋率平均溫度958 杜 莉雯等：葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中定植板覆蓋率對環(huán)境熱效應(yīng)的影響相差不大；營養(yǎng)液的最高溫度隨定植板覆蓋率的減少而增加， 50%定植板覆蓋率溫度最高， 100%定植板覆蓋溫度最低，三者之間相差 1左右；最低溫度隨覆蓋率的減少而降低；日較差隨覆蓋率的減少而增大 。2.1.2 不同天氣條件下營養(yǎng)液溫度變化情況 試驗(yàn)分析了陰晴天氣下不同定植板覆蓋率的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中營養(yǎng)液溫度，從表 2 可以看出，晴天不同定植板覆蓋率間的營養(yǎng)液溫度差異較陰天明顯，且整體溫度高于陰天 。陰天營養(yǎng)液平均溫度為 23，晴天營養(yǎng)液平均溫度為 25.7，高于陰天 2.7；營養(yǎng)液最高溫陰天為 25.4，晴天為 29.6，高出陰天 4.2；營養(yǎng)液最低溫陰天為 21.1，晴天為22.9，高出陰天 1.8；營養(yǎng)液溫度日較差陰天為 4.2，晴天為 6.7，高于陰天 2.5。表 2 陰天和晴天營養(yǎng)液溫度情況 注：晴天數(shù)據(jù)取自 6 月 2022 日，陰天數(shù)據(jù)取自 6 月 23， 24， 26 日 。圖 3 同 。圖 3 記錄了陰天與晴天條件下觀測日內(nèi)營養(yǎng)液的溫度變化趨勢情況，其中，左側(cè)為晴天變化情況，右側(cè)為陰天變化情況 。由圖 3 可知，無論陰晴天， 3 種覆蓋率下營養(yǎng)液溫度變化趨勢基本一致，陰天營養(yǎng)液溫度低于晴天且變化幅度小于晴天 。2.2 氣溫變化情況試驗(yàn)對生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方 10 cm 處植株冠層內(nèi)的氣溫變化進(jìn)行了連續(xù)觀測 。從表 3 和圖 4 可以看出，在觀測日內(nèi)， 3 個覆蓋率生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方 10 cm 處植株冠層內(nèi)氣溫變化均表現(xiàn)為隨覆蓋率的減少氣溫趨于穩(wěn)定，趨勢基本一致且差異不大 。定植板間裸露的液面白天吸熱，夜間放熱，會對附近氣溫起到一定調(diào)節(jié)作用，但因?yàn)橄到y(tǒng)處于開放狀態(tài)，受外界的影響較大，所以系統(tǒng)間的差異并不太大 。2.3 空氣相對濕度變化情況試驗(yàn)對生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方 10 cm 處植株冠層內(nèi)的相對空氣濕度變化進(jìn)行了觀測，表 4 為平均空氣相對濕度及極端空氣相對濕度值 。從表 4可以看出， 100%， 75%和 50%的定植板覆蓋率空氣相對濕度分別為 50.5%， 70.6%和 74.9%，其中，表 3 不同定植板覆蓋率氣溫情況 覆蓋率 /%1007550平均溫度22.923.723.5最高溫度38.736.536.1日較差25.121.721.3最低溫度13.614.814.7表 4 不同定植板覆蓋率相對濕度情況 %覆蓋率 /%1007550平均相對濕度50.570.674.9最大相對濕度64.280.483.7日較差30.421.719.3最小相對濕度33.858.764.475%25.729.023.35.750%26.331.622.59.1100%25.028.222.85.450%22.925.820.45.4溫度平均溫度最高溫度最低溫度溫差100%22.924.921.43.575%23.325.421.53.8陰天 晴天959 100%定植板覆蓋率平均相對濕度較 75%定植板覆蓋率低近 20 百分點(diǎn) 。平均相對濕度 、最大濕度 、最小濕度均表現(xiàn)出隨定植板覆蓋率的減少而增大；相對濕度日較差隨定植板覆蓋率的減少而減少，這是因?yàn)?100%的定植板覆蓋率一定程度上阻止了水分的蒸發(fā) 。圖 5 為葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方 10 cm 處植株冠層內(nèi)的空氣相對濕度變化趨勢，從圖 5 和表 4可以看出， 3 種覆蓋率生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)空氣相對濕度有著較大差異，但變化趨勢基本一致 。2.4 氣溫與液溫的關(guān)系由圖 6 可知，營養(yǎng)液溫度顯著低于氣溫的變化幅度，表明營養(yǎng)液溫度變化較氣溫穩(wěn)定，且營養(yǎng)液溫度極值出現(xiàn)時間滯后于氣溫 。在觀測日內(nèi)， A， B， C等 3 個處理營養(yǎng)液最低溫出現(xiàn)時間分別為 5： 30，5： 00， 5： 00，氣溫在 4： 00 溫度最低，液溫最低溫出現(xiàn)時間較氣溫分別滯后 1.5， 1， 1 h； A， B， C 等 3 個處理營養(yǎng)液最高溫出現(xiàn)在 12： 0015： 00，氣溫最高溫出現(xiàn)在 12： 0013： 30，營養(yǎng)液最高溫較氣溫滯后 1.5 h。3 討論我國水蓄熱應(yīng)用在溫室生產(chǎn)的研究起步較晚 。王順生等15利用集熱器提高水溫，用水儲存的熱量加熱溫室土壤，取得了較好的效果 。方慧等16提出了日光溫室淺層土壤水媒蓄放熱及熱泵加溫的節(jié)能增溫思路，以水為蓄熱介質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，取得了很好的效果 。張義等17以水為介質(zhì)進(jìn)行熱量的蓄積與釋放，設(shè)計(jì)了水幕簾蓄放熱裝置提高溫室內(nèi)溫度 。郭建業(yè)等18研發(fā)了一種日光溫室水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)以水為蓄放熱載體提高北方地區(qū)冬季日光溫室內(nèi)的溫度 。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種以營養(yǎng)液為蓄放熱載體的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，營養(yǎng)液可以起到吸儲熱的作用，通過增加液面的裸露率，可以使?fàn)I養(yǎng)液在白天吸收更多熱量，但在夜間釋放熱量也較多 。因此，在實(shí)際生產(chǎn)時，為了提高營養(yǎng)液的儲熱量，在夜間應(yīng)該增加定植板的數(shù)量以減少熱量的散失，尤其是在冬季 。在夏季生產(chǎn)時，為了避免營養(yǎng)液溫度過高，可選擇 100%的定植板覆蓋率 。唐凱等19研究了不同苯板覆蓋率對水面蒸發(fā)的影響得出，5 月至 9 月下旬有覆蓋材料的水溫低于無覆蓋材料，與本試驗(yàn)結(jié)果一致 。需要指出的是，由于本試驗(yàn)處于高溫時期，葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)處于開放狀態(tài)，受外界影響，營養(yǎng)液對系統(tǒng)內(nèi)氣溫的熱緩沖效應(yīng)會受到一定影響，因此，在今后的試驗(yàn)中，可以研究系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)時的熱環(huán)境 。4 結(jié)論本試驗(yàn)結(jié)果表明，營養(yǎng)液能夠吸收儲存一定的熱量，并對周圍環(huán)境起到一定的調(diào)節(jié)作用 。栽培中減少定植板的覆蓋率，可以使?fàn)I養(yǎng)液白天吸收更多熱量，但夜間也會損失較多的熱量 。因此，在冬季使用時，白天可以通過增加液面裸露面積以吸收較多太陽能，晚上增加定植板數(shù)量以減少熱量散失；在夏季使用時，可以選擇 100%的定植板覆蓋率，使?fàn)I養(yǎng)液溫度不會太高 。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，受裸露液面增大的影響，空氣相對濕度隨定植板覆蓋率減少有增大的趨勢 。試驗(yàn)期間，設(shè)施處于通風(fēng)狀態(tài)，受外界影響較大；生產(chǎn)系統(tǒng)定植板上方 10 cm處氣溫差異不大 。山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 6 期960 （上接第 933 頁 ）作系統(tǒng)生命周期評價 J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報， 2015， 34（ 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