大跨度薄膜温室温光特性研究及作物生长模型构建.pdf

8 杨建华 屈 怡 塔式皮棉加湿机在149团的应用 J 中国棉 花加工 2013 6 21 22 9 杨建华 李建民 皮棉加湿成套设备中试应用测试数据分析 J 中国棉花加工 2014 3 28 30 31 10 王晓明 棉花加工智能控制系统的研究与开发 D 济南 山 东大学 2008 11 许 刚 棉花加工智能化关键技术研究 D 济南 山东大 学 2009 12 左敬东 王 伟 常 勇 全自动超声波皮棉在线加湿系统设计 应用 J 中国棉花加工 2015 1 17 19 鲍彦达 郑琨鹏 李 兴 等 大跨度薄膜温室温光特性研究及作物生长模型构建 J 江苏农业科学 2021 49 7 190 197 doi 10 15889 j issn 1002 1302 2021 07 034 大跨度薄膜温室温光特性研究及作物生长模型构建 鲍 彦 达 郑 琨 鹏 李 兴 王 健 朱 小 磊 赵 喆 孙 锦 郭 世 荣 南京农业大学园艺学院 江苏南京210095 摘 要 研究大跨度薄膜温室在长江流域的适应能力 为生产实践提供理论指导 对比研究大跨度薄膜温室 LPG 和3连栋塑料温室 TPG 的室内空气温度 相对湿度 光照度变化 构建基于辐热积的作物生长模型 结果表明 冬季 LPG与TPG相比 日平均气温高1 6 最低气温高4 8 温度均匀度较优 光照度均匀度和相对湿度均匀度较差 夏季LPG的遮阳网展开后 比TPG日平均气温低3 0 平均相对湿度高5 5 平均光照度低11500lx LPG的温 度 光照度和相对湿度的均匀度均优于TPG 越冬茬作物优先级为草莓 蒌蒿 芹菜 莴笋 LPG夏茬作物优先级为 香菜 蕹菜 小白菜 苋菜 LPG冬季保温性能 夏季降温性能均优于TPG 可以满足长江流域栽培需要 建议冬季 栽培草莓 夏季栽培香菜 可获得最大经济效益 关 键 词 温室 空气温度 光照度 相对湿度 生长模型 大跨度薄膜温室 中 图 分 类 号 S625 1 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 1002 1302 2021 07 0190 08 收稿日期 2020 08 25 基金项目 国家重点研发计划 编号 2019YFD1001902 作者简介 鲍彦达 1996 男 河北承德人 硕士研究生 研究方向 为设施园艺工程 E mail 2019804204 通信作者 王 健 博士 副教授 研究方向为设施园艺工程研究 E mail wangjian 长江流域跨越全国19个省 市 自治区 和东 中 西部三大经济区 是我国最发达的地区之一 同时 长江流域耕地面积占我国耕地面积的1 4 农 业总产值占我国农业总产值的40 是我国最主要 的农业生产基地 1 3 该地区自然资源丰富 但地 处亚热带季风气候区 夏季气温高 降水多 冬季气 温低 光照少 塑料温室成为当地主要的园艺设 施 4 7 塑料温室在我国所有温室中占比最高 使 用范围最广 但其室内跨度小 棚脊低 工作空间 小 所以机械化程度低 不符合当今温室机械化发 展的需要 同时 塑料温室冬季保温性能较差 夏 季也易产生高温灾害 越冬 越夏生产都较为困难 近年来 一种汲取塑料温室和日光温室优点 便于 实现机械化作业的大跨度温室成为国内设施类型 的新形式 8 11 该温室跨度大 空间大 便于机械化 操作 满足现代化农业发展需求 本研究以大跨度薄膜温室 LPG 作为试验温 室 以相同面积的3连栋塑料温室 TPG 作为对照 温室 研究2种温室的室内空气温度 光照度和相对 湿度的变化特点 分析LPG在该地区的适应能力 并应用辐热积理论对8种温室栽培作物进行模拟 以期为该温室的环境调控和栽培管理提供理论 依据 1 材 料 与 方 法 1 1 试 验 温 室 试验在南京农业大学白马教学科研基地 31 37 N 119 10 E 进行 试验温室见图1 a 南 北走向 长度48 m 跨度20m 面积960 m 2 肩高 1 8m 脊高6m 外遮阳网高7m 除门外温室整体 覆盖塑料薄膜 温室东西两侧对称配备底通风和顶 通风 通风口宽度均为1m 通风面积192m 2 温室 配备有外遮阳系统及保温被 夏季试验期间外遮阳 网日间打开 夜间合拢 冬季试验期间 保温被日间 卷起 夜间展开 对照温室见图1 b 总长32m 跨 0 9 1 江苏农业科学 2021年第49卷第7期 度30m 顶高5 5m 肩高3 5m 面积960m 2 温室 整体覆盖塑料薄膜 沿塑料温室长度方向设置有2 个侧通风口 3个顶通风口 其中侧通风口宽2m 顶 通风口宽0 8m 通风面积204 8m 2 2种温室在夏 季试验期间通风口全部打开状态 1 2 试 验 方 法 冬季试验时间为2020年1月10 30日 夏季 试验时间为2020年6月10 30日 试验期间测量 室外 LPG和TPG室内的空气温度 光照度和相对 湿度 试验布点见图2 仪器为山东建大仁科电子科 技有限公司的光照度温湿度三合一变送器 光照度 量程为0 200000lx 精确度为 7 响应时间 为0 1s 温度量程为 40 60 精度为 0 5 室温为25 条件下 响应时间 18 s 风速为 1m s情况下 湿度量程为0 80 精度为 3 5 95 25 响应时间 6s 1m s风速 利用江苏省南京市溧水区气象局统计资料和 气象学划分标准确定试验期间的天气类型 典型晴 天为降水量 0mm 云量1 2成 日照时数 7h 典型阴天为降水量 0mm 云量9 10成 日照时 数 2 h 冬季以每日08 00 作为日界 日间为 08 00 16 30 夜间为16 30至次日08 00 夏季以 每日08 00为日界 日间为08 00 18 00 夜间为 18 00至次日08 00 12 通过冬季及夏季试验期间测量获得的LPG空 气温度 光照度数据进行预选作物累积辐热积的计 算 结合市场价格为LPG内的生产栽培进行理论 指导 1 9 1 江苏农业科学 2021年第49卷第7期 1 3 数 据 分 析 理 论 温室室内气温 光照度和相对湿度的均匀度采 用以下公式 13 计算 B T T min T avg 100 1 B I I min I avg 100 2 B U U min U avg 100 3 式中 B T B I B U 分别为室内气温均匀度 室内光照 度均匀度 室内相对湿度均匀度 T min I min U min 分别 为室内测点中最低的气温 光照度 相对湿度 T avg I avg U avg 分别为室内每个测点的平均气温 平均光照 度 平均相对湿度 相对热效应 RET 为作物在实际温度条件下 生长速率相当于在最适宜温度件下生长速率的比 例 RTE与温度 T 的关系 14 为 RTE T 0 T T b T T b T ob T b T b T T ob 1 T ob T T ou T m T T m T ou T ou T T m 0 T T L m 4 式中 RTE T 是温度为T时的相对热效应 T b 为生长 下限温度 T m 为生长上限温度 T ob 为生长的最 适温度下限 T ou 为生长的最适温度上限 每日相对热效应和日总光合有效辐射的乘积 即为日辐热积 14 DTEP i RTE i j 24 PAR i 5 式中 DTEP i 表示第i天的日辐热积 RTE i j 为 第i天第j小时的相对热效应 PAR i 表示第i天到 达温室的日总光合有效辐射 mol m 2 d 累积辐热积 TEP 由每日辐热积累积得到 计 算公式 14 如下 TEP i n i m DTEP i 6 式中 TPE i 表示选定作物从第m天到第n天的累 积辐热积 mol m 2 使用Excel2016对数据进行整理分析 使用 Origin2018作图 2 结 果 与 分 析 2 1 冬 季 温 室 内 环 境 分 析 长江流域冬季连续降水 光照不足 空气湿度 大是制约温室发展的重要因素 本研究选择2020 年1月18 24日时段 连续降水 对LPG和TPG 内的小气候进行监测分析 2 1 1 室内空气温度分析 由图3可知 日间2种 温室内部的气温差异较小 相差在0 00 2 89 区 间内 夜间LPG室内平均气温高于TPG温室 2种 温室之间温度差异最高可达5 70 LPG的夜间 保温性能较优 可满足耐寒蔬菜的越冬栽培 经查1月18日为典型阴天 1月20日为典型 晴天 温室在冬季典型天气条件下气温日变化情 况见图4 温室内外的气温均具有相似的变化趋势 由图4可知 典型阴天条件下 LPG全天平均气 温比TPG高1 6 比室外高5 2 随着太阳高 度角增加 阴天温室内逐渐出现散射光 光照度忽 强忽弱 2种温室内日间气温出现了较大的波动 但 是最高气温同时出现在14 00 TPG最高温度比 LPG高0 5 由于TPG没有任何保温措施 当光 照度下降时 室内气温快速下降 在16 30大跨薄膜 温室展开保温被后 2种温室内部气温差逐渐增大 在19 00以后 LPG的气温比TPG气温高2 以 上 当室外气温达到最低气温 1 4 时 LPG 和TPG内部气温分别为4 9 0 5 2 9 1 江苏农业科学 2021年第49卷第7期 典型晴天条件下 随着光照度增加 LPG和TPG 内部气温迅速上升 由于TPG遮挡物相对于LPG 少 透光率高 最高温度比LPG高1 4 当光照 度减弱 室内气温下降速度快 大跨薄膜温室保温 被展开 TPG没有任何保温措施 2种温室内部气温 差值逐渐增大 在19 00至次日07 00 LPG的气 温比TPG平均高5 1 在此阶段 LPG与TPG在 07 00时温差最小 为2 1 在21 00出现最大温 差 为6 1 当室外气温达到最低气温 0 8 时 LPG和TPG内部气温分别为8 0 2 1 2 1 2 室内光照度分析 由图5可知 LPG TPG 和室外的最高光照度分别为29 8 45 0 67 1 klx LPG的平均光照度比TPG低1 9klx 1月18日为典型阴天 1月20日为典型晴天 由图6可知 典型晴天 典型阴天室内外变化趋势一 致 由于LPG外遮阳在合拢时仍有较大的遮阴面 积 光照度表现为室外 TPG LPG 2 1 3 室内相对湿度分析 由图7可知 试验期间 室外的平均相对湿度为91 5 LPG和TPG的平均 相对湿度分别为96 0 91 9 在日间 LPG的 相对湿度高于TPG 夜间未打开通风口 2种温室相 3 9 1 江苏农业科学 2021年第49卷第7期 对湿度相差较小 都接近饱和 由图8可知 典型天气下相对湿度与气温的日 变化规律呈现出相反的变化趋势 典型阴天条件下 随着太阳高度角的增加 阴 天温室内逐渐出现散射光 光照度忽强忽弱 因而2 个温室内日间的相对湿度随着空气温度的变化也 出现了较大的波动 但是最低相对湿度同时出现在 14 00 TPG最低相对湿度比LPG低 随着室外太 阳辐射的减弱 空气温度的降低 室内的相对湿度 开始升高 在19 00以后 2种温室内的相对湿度基 本接近饱和 并且在日出之前 变化幅度很小 典型晴天条件下 日间随着太阳高度角的增 加 空气温度逐渐上升 温室室内的相对湿度呈现 出 单峰 抛物线式下降 TPG最低相对湿度比LPG 低 12 00达到最低值后 2种温室的室内相对湿度 开始上升 在21 00接近饱和后开始稳定 无论是 晴天还是阴天 随时间的变化 LPG室内的相对湿 度始终高于室外和TPG 这是由于LPG相较于TPG 的密闭性高 室内的湿度在不打开通风口的情况下 很难排出 2 1 4 室内小气候均匀度分析 由表1可知 在晴 天 LPG的室内气温均匀度和相对湿度均匀度分别 比TPG高2 1百分点 0 5百分点 但光照度的均匀 度比TPG低6 3百分点 在阴天 LPG室内气温的 均匀度要高于TPG 但相对湿度和光照度的均匀度 都低于TPG 表1 冬 季 典 型 天 气 条 件 下2 种 温 室 小 气 候 的 均 匀 度 天气 指标 均匀度 LPG TPG 典型晴天 温度 96 7 94 6 光照度 86 7 93 0 相对湿度 98 2 97 7 典型阴天 温度 98 8 95 1 光照度 93 6 97 2 相对湿度 97 6 98 4 注 冬季晴天为1月20日 阴天为1月18日 2 2 夏 季 温 室 内 环 境 分 析 长江流域夏季连续阴雨 高温高湿 光照度低 本研究选择2020年6月20 26日 梅雨季 对 LPG和TPG室内小气候进行分析 2 2 1 室内空气温度分析 由图9可知 夏季6月 20 23日均为典型阴天 室外的平均气温为22 8 TPG与LPG室内空气温度变化趋势一致 TPG和 LPG的平均气温均为24 7 在6月24日和6月 4 9 1 江苏农业科学 2021年第49卷第7期 25日 LPG未打开遮阳网 由于TPG通风面积大 室 内气温下降较快 TPG平均气温比LPG低0 88 6月26日LPG遮阳网打开 在大跨薄膜温室展开外 遮阳后 2种温室内部气温差逐渐增大 LPG空气温 度较TPG平均低7 0 最高温差可达11 4 2 2 2 室内光照度分析 夏季试验期间温室内外 光照度变化见图10 室外 TPG LPG光照度具有相 同的变化趋势 6月20日至6月25日LPG未展开 遮阳网 但由于外遮阳在合拢时仍有较大的遮阴面 积 TPG平均光照度为8500lx 比LPG高2100lx 6 月 26 日遮阳网打开 TPG 平均光照度为 19300lx 比LPG高11500lx 2 2 3 室内相对湿度分析 试验期间相对湿度变 化趋势见图11 相对湿度与空气温度的变化呈相反 的趋势 且TPG与LPG空气温度越高的相对湿度越 低 6 月20 日至6 月25 日 LPG 相对湿度为 85 0 TPG比LPG平均相对湿度高1 12百分点 到6月26日LPG遮阳网展开 空气温度大幅度降 低 平均相对湿度为81 5 比TPG高5 5百分点 2 2 4 室内小气候均匀度分析 根据公式 1 和 3 进行计算 得出典型阴天空气温度和相对湿度 的均匀度 由表2可知 在夏季典型阴天LPG的空 气温度均匀度 光照度均匀度 相对湿度均匀度均 5 9 1 江苏农业科学 2021年第49卷第7期 表2 夏 季 典 型 天 气 条 件 下2 个 温 室 小 气 候 的 均 匀 度 天气 指标 均匀度 LPG TPG 典型阴天 温度 97 88 97 41 光照度 81 70 54 47 相对湿度 96 80 96 40 注 夏季6月20 23日均为典型阴天 比TPG高 分别高0 47百分点 27 23百分点 0 40 百分点 2 3 作 物 生 长 模 型 构 建 依据LPG冬夏温光数据 构建作物生长模型 越冬茬选择芹菜 莴笋 蒌蒿 草莓 夏茬选择小白 菜 苋菜 蕹菜 芫荽共8种作物构建生长模型 15 所选作物的三基点温度见表3 16 23 表3 蔬 菜 生 长 的 三 基 点 温 度 蔬菜类型 下限温度 最适温度 上限温度 芹菜 4 15 20 26 莴笋 5 12 20 24 蒌蒿 4 17 23 25 草莓 10 18 25 30 小白菜 4 20 30 35 苋菜 10 23 27 35 蕹菜 10 25 35 40 芫荽 5 18 28 40 结合冬季监测期间测得的温光数据及预选蔬 菜的温度三基点计算结果见表4 由于辐热积的大 小与作物的产量呈正比 从充分利用温光资源方面 讨论LPG中冬季蔬菜种植优先顺序为莴笋 蒌蒿 芹菜 草莓 表4 冬 季 不 同 作 物 累 积 辐 热 积 及 相 对 经 济 效 益 蔬菜类型 累积辐热积 MJ m 2 累积辐热积与单价的乘积 MJ 元 m 2 芹菜 25188471 35 78084261 18 莴笋 34540556 50 44902723 45 蒌蒿 29342540 40 293425403 99 草莓 16743852 35 333202661 80 根据江苏无锡朝阳股份有限公司和苏州市南 环桥市场发展股份有限公司2020年1月30日的蔬 菜批发平均价格 芹菜3 1元 kg 莴笋1 3元 kg 蒌蒿10 0元 kg 草莓19 9元 kg 在综合蔬菜单 价和累积辐热积后 LPG温室最适宜种植草莓 其 次是蒌蒿 依据夏季监测期间测得的温光数据及预选蔬 菜的温度三基点 通过公式 5 7 获得不同蔬菜 的累积辐热积 查得江苏无锡朝阳股份有限公司 和苏州市南环桥市场股份有限公司于2020年6月 30日的蔬菜批发平均价格 小白菜3 9元 kg 苋菜 3 75元 kg 蕹菜5 8元 kg 芫荽12元 kg 通过计 算经济效益相对值 由表5可知 从充分利用光热资源方面讨论 LPG中蔬菜种植优先顺序为蕹菜 芫荽 小白菜 苋 菜 在综合蔬菜单价和累积辐热积后 LPG夏季最 适宜种植芫荽 可获得最高的经济效益 其次为种 植蕹菜 小白菜 苋菜 表5 夏 季 不 同 作 物 累 积 辐 热 积 及 相 对 经 济 效 益 蔬菜类型 累积辐热积 MJ m 2 累积辐热积与单价的乘积 MJ 元 m 2 小白菜 142105610 50 554211880 93 苋菜 129766460 86 486624228 23 蕹菜 167567159 31 971889523 99 芫荽 151867062 64 1822404751 63 3 讨 论 与 结 论 以LPG作为试验温室 以TPG作为对照温室 研究冬季 夏季温室室内环境因子的变化情况 试 验结果表明冬季试验期间 LPG与TPG相比 平均 气温高1 6 最低温度高4 8 典型阴天条件 下 LPG的平均气温比TPG高1 6 典型晴天条 件下 LPG的平均气温比连栋塑料温室高2 4 典 型晴天和典型阴天 LPG的室内空气温度的均匀度 均优于TPG LPG的平均光照度 最高光照度与连栋 塑料温室相比分别低3 0 15 2klx 典型晴天和典 型阴天 LPG室内光照度均匀度均较TPG差 LPG 比TPG平均相对湿度高4 1百分点 最低湿度高 12 8百分点 典型阴天条件下LPG相对湿度均匀度 比TPG表现差 典型晴天表现较好 夏季试验期 间 未展开遮阳网时 LPG 比 TPG 平均气温高 0 43 平均相对湿度低1 12百分点 平均光照度 低2 1klx 在展开遮阳网后LPG比TPG平均气温 低3 0 平均相对湿度高5 5百分点 平均光照度 低11 5klx 典型阴天条件下 LPG的温度均匀度 光照度均匀度 相对湿度均匀度分别比TPG高0 47 百分点 27 23百分点 0 40百分点 基于辐热积的作物生长模型表明 在仅考虑温 6 9 1 江苏农业科学 2021年第49卷第7期 光资源充分利用的条件下 夏茬建议种植蕹菜 其 次为芫荽 小白菜 苋菜 越冬茬建议种植莴笋 其 次为蒌蒿 芹菜 草莓 综合考虑市场因素为LPG 作物栽培作出更科学 合理 经济的指导 结合累积 辐热积及作物单价后 夏茬建议种植芫荽 其次为 蕹菜 小白菜 苋菜 越冬茬建议种植草莓 其次为 蒌蒿 芹菜 莴笋 我国温室类型具有地域性差异 北方园艺设施 以日光温室为主 南方园艺设施以塑料大棚居多 由于长江流域地区气候的特殊性 我国北方的日光 温室不适宜在该地区大规模发展 塑料大棚环控能 力差 5 6 在该地区仍难以找到节省能源消耗又可 实现越冬 越夏生产的温室类型 冬季试验期间 LPG的相对湿度高于TPG 这可 能是由于LPG温室配备了外遮阳系统 虽然在冬季 未展开遮阳网 但其在合拢时仍有较大的遮阴面 积 导致LPG平均光照度低于TPG 间接致使日间 LPG气温低于TPG 而相对湿度与空气温度成反比 这个问题一方面可以通过优化外遮阳系统解决 另 一方面可能是由于LPG通风口的通风除湿效率较 低 须要进一步优化通风口设计 可基于CFD理论 进行模拟 探索LPG通风口的最佳大小及位置 夏 季试验期间 LPG在展开遮阳网后温度降低的同 时 相对湿度较高 也须要对通风口进行优化 改良 其通风除湿的性能 根据模型对生产实践进行理论指导时 不可忽 略农产品价格波动较大 时效性强 在考虑经济效 益的同时 也要注重尽可能地充分利用温光资源 在使用基于辐热积的作物生长模型进行科学预测 的同时也要结合生产实践经验 进行最有利的生产 规划 参 考 文 献 1 张 杰 CMIP3 5和CCLM模式对长江流域气温与降水的模拟 及预估 D 南京 南京信息工程大学 2013 2 秦年秀 姜 彤 许崇育 长江流域径流趋势变化及突变分析 J 长江流域资源与环境 2005 14 5 589 594 3 高昌海 刘新平 21世纪长江流域农业发展趋势及对策研究 J 长江流域资源与环境 2000 9 2 229 236 4 李式军 郭世荣 朱为民 长江流域设施蔬菜产业高效生产模式 J 长江蔬菜 2013 3 22 25 5 邓玲黎 李百军 毛罕平 长江中下游地区温室内温湿度预测模 型的研究 J 农业工程学报 2004 20 1 263 266 6 别之龙 长江流域设施蔬菜产业发展现状与思考 J 长江蔬 菜 2018 8 24 29 7 孟力力 鲍恩财 夏礼如 等 不同新型日光温室结构在江苏省苏 北地区的性能测试分析 J 江苏农业科学 2020 48 19 238 244 8 王殿友 我国塑料大棚的类型及特点 J 农业科技与装备 2012 8 49 50 52 9 周长吉 我国目前使用的主要温室类型及性能 三 J 农村 实用工程技术 2000 3 8 9 10 周长吉 周博士考察拾零 七十五 大跨度保温塑料大棚的实 践与创新 上 J 农业工程技术 2017 37 34 20 27 11 周长吉 周博士考察拾零 七十六 大跨度保温塑料大棚的实 践与创新 下 J 农业工程技术 2018 38 1 38 43 12 杨艳超 刘寿东 薛晓萍 莱芜日光温室气温变化规律研究 J 中国农学通报 2008 24 12 519 523 13 中华人民共和国农业部 日光温室效能评价规范 NY T 1553 2007 S 北京 中国标准出版社 2007 14 李永秀 罗卫红 温室蔬菜生长发育模型研究进展 J 农业工 程学报 2008 24 1 307 312 15 韩爱武 长江流域蔬菜周年生产茬口安排讨论 J 安徽农学 通报 2017 23 11 77 80 16 王国强 张天柱 陈小文 等 芹菜立体管道栽培技术 J 长江 蔬菜 2020 13 14 15 17 王 娟 光温胁迫对莴笋生长发育的影响 D 杭州 浙江大 学 2007 13 18 管建国 宋佩扬 蒌蒿的生物学特性与经济栽培 J 安徽农业 大学学报 1998 25 1 63 19 许士礼 草莓高效栽培新技术 J 农业开发与装备 2012 6 136 20 李 军 防虫网覆盖塑料大棚小气候模拟模型研究 D 南 京 南京农业大学 2009 21 汪李平 长江流域塑料大棚苋菜栽培技术 J 长江蔬菜 2019 8 17 21 22 张雪彬 黄小燕 三亚热带地区蕹菜种植技术 J 长江蔬菜 2017 7 21 23 23 马锦波 四季香葱栽培技术及病虫害防治 J 农民致富之友 2017 2 185 7 9 1 江苏农业科学 2021年第49卷第7期