日光温室冬季土壤保温加热研究现状与展望

日光温室冬季土壤保温加热研究现状与展望作者：张琦琦解涵常文静李珊珊来源：《安徽农学通报》2017年第08期摘要：冬季温度低是日光温室生产上的重要限制因子，而作物对根际温度的反应比对空气温度更加敏感且增温成本更低，因而寻找节能、稳定、低成本的土壤保温及加热措施意义重大。

该文总结了日光温室土壤保温加热的方法，保温措施以不同的热平衡途径分类进行分析，加热措施以不同的能源来源划分进行分析，而后从原理、能源消耗、成本、稳定性、增温效果、未来发展等方面分析比较各方法的优缺点。

保温与无土栽培结合，保温与加热措施结合，组合利用太阳能、地热能等多种能源，研发成本低、稳定性好、效果佳的保温加热模式是今后较好的日光温室增温模式。

关键词：日光温室；土壤；保温；加热中图分类号 S625.51 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）08-0063-061 引言日光温室的基本功能之一是提供作物冬季适宜生长的温度条件。

温度是影响设施园艺作物生长的最为重要的环境因素之一[1]。

虽然农业设施的应用在一定程度上解决了生产中的温度胁迫问题，但是高低温胁迫危害依然严重，一直以来是日光温室生产上的重要限制因素[2]。

而对于中国北方的日光温室，最亟待解决的是提高过冬期间日光温室温度。

日光温室内温度调控分为空气温度调控和根系温度调控，它们都是作物的生长重要限制因子。

在实际生产中，由于栽培介质的缓冲作用，根际温度变化与气温变化规律相近但时间上相应延缓[3-4]，对作物生长影响更大[5]；且当空气温度适宜时，影响更明显[6-7]。

Yan[8]对黄瓜植株的研究表明，根系低温严重抑制了黄瓜的生理活动，当根系温度升高时，黄瓜植株逐渐恢复了正常的生长。

适当的根际温度能够促进作物对干物质的吸收积累[9]，Walker的研究发现，在12～35℃范围内，根际温度每降低1℃就能引起玉米生长量下降约20%[10]。

此外，陈祎[11]的研究表明，根际加温比传统加温更节能，曲梅[12]通过局部根际加温调控比空气全范围加温节能28%左右。

因此，根际温度加温在温室作物的温度调控中具有重要的研究意义和价值。

日光温室冬季要提高作物根际温度，最重要的是对土壤（或基质）进行保温及加热。

为了解决日光温室冬季土壤温度低的问题，国内学者做了许多研究，提出了许多解决方案。

其中大多从单一方面提高土壤温度，或注重温度的提高[13]，或注重节能[14]，或注重耐用性[15]等。

本文总结了前人对土壤（或基质）进行保温及加热的研究现状，并进行了展望。

2 日光温室冬季土壤保温方法研究日光温室热量的主要来源是太阳辐射。

而到达土壤表面或植物冠层的净辐射，一部分流入或流出土壤，形成土壤热通量，一部分用于加热土壤和空气（显热），另一部分用于土壤水分蒸发和作物蒸腾作用消耗（潜热），如公式所示：Rn=G+L×ET+H。

式中：Rn为净辐射，G为土壤热通量，L为潜在汽化热，ET为蒸散量，L×ET为潜热通量，H为显热通量[16]。

所以室内土壤能量的得失主要有5个途径[17]，一是表层土壤与温室各部分的辐射传热，二是太阳辐射，三是表层土壤与空气的对流热传导，四是相邻土壤层间及各层间土壤的热传导，五是土壤表面冷凝水的潜热。

土壤保温措施大都从这5个途径出发，提高土壤蓄热量，减少放热量。

2.1 地面覆盖保温目前许多试验证明了覆盖透明塑膜、黑色塑膜、黑色砂砾、沥青乳液等[18]对土壤有较好的增温效果，其增温效应主要体现在提高地温平均值和最大值[19]。

增温机制[20]为：隔绝了土壤与外界的水分交换，抑制了潜热交换；减弱了土壤与外界的显热交换；覆盖物（如地膜）及其表面附着的水层对长波反辐射有削弱作用而使夜间温度下降减缓。

对于覆盖物来说，由于部分阻挡了太阳辐射及与温室各部分的辐射传热，故白天相对裸地获得的热量较少，但是在夜晚，土壤放热量却大大减少。

所以良好的保温覆盖物可以较好地进行白天蓄热，又大大减少夜晚放热。

覆盖物保温特别是薄膜保温使用方便，成本很低，增温幅度取决于地面覆盖材料的光谱透射率、土壤本身的物理热特性及其外界环境的条件[21]，比如透明薄膜塑料比黑色薄膜塑料的保温性更好。

该方法一般可使地温增加1～3℃。

但是由于许多覆盖物不可降解，故使用不当会产生污染。

2.2 起垄保温起垄是一个简便常用的农艺操作，改变了微地形和作物生长的小气候，增大了适宜作物生长的土层，使土层更加松软，利于微生物活动，提高了有效养分，节水保墒，为作物生长创造了一个良好的生态环境[22-23]。

垄作栽培的小气候效应主要表现在提高地温，降低周围空气相对湿度，加强作物近地面部通风透光，从而减轻病虫害发生程度，使植株发育良好。

除此之外，垄作栽培也改变了土壤的物理性质。

黄庆裕[22]等认为，垄作栽培可使土壤的通透性加强，还原性有毒物质减少，同时土壤的蓄热能力、导热能力都比平畦和淹田低，从而使土温、水温提高快，作物生长健壮[24-26]。

除了可以使土壤增温，有研究[27]表明土壤起垄后还可以降温，增温还是降温主要取决于太阳辐射在土垄上的分布状况。

比如对于常见的南北向垄作，由于春季上午和下午的太阳高度角较低，阳光主要照射土垄的东、西面，辐射面积小，但是集中，垄温度增高的快；中午则相反。

对于增温土垄来说，其保温增温机制[28]主要有以下2点：一是由于起垄后土壤表面积发生了变化，改变了土壤接受太阳辐射能的面积、部位、角度，可以更充分地接受太阳能，达到增温的效果。

二是起垄调节了导热性质等，改变了局部土壤的热物理性质。

起垄后，受太阳辐射部分的土壤体积增大，而且由于垄作的土壤较为疏松，故土壤的含水量、空气含量也相应增大，土壤热容量随之增大[29]。

综上，起垄后，土壤的孔隙度和容重变小，导热性降低，保温性能增加。

土垄原材料丰富，材料成本较低，但目前日光温室内主要仍是人工起垄，人工成本较大；增温土垄除了可以提高土壤温度，还可以有效地协调小范围的土、水、肥、气、热、光等关系。

垄作的表面积相对平作更大，白天蓄热量大而夜晚的散热量也大，故土垄覆膜会减少夜间的散热量，对增加土温更加有效。

土垄的蓄热散热量还受土垄含水率、孔隙度、土壤种类等影响，起垄时应综合考虑。

2.3 防寒沟保温由于空气的传热性能比土壤要小40～100倍[16]，所以除了减少土壤热量向空气中散失，冬季更要减少室内土壤热量向相邻土壤层特别是向室外散失。

防寒沟的作用正是阻止室内土壤热量的向外传递。

防寒沟的保温效果由填埋深度和厚度、保温材料性能、填埋位置等决定。

白义奎等[30]认为防寒沟埋深为0.8m是合理的（以超过当地冻土层深度为准）。

对于绝热材料的选择，应考虑含水率、导热系数、整体性等能影响绝热材料的绝热性能的因素。

故应该选择吸湿性小、导热系数小、整体性好的材料，比如聚苯板。

填埋时温室两侧山墙和后墙也应设置防寒沟。

防寒沟建造成本相对前两种较大，不过保温效果良好。

对于防寒沟的科学设置、温度场分布、简化施工等方面，国内相关研究较少，但随着对日光温室围护结构研究的深入，如采取多层异质保温墙体、新型覆盖材料[31-33]，使得地面横向传热占总传热的比例及其对日光温室热环境的影响越来越大，其研究也会越来越完善。

2.4 其他土壤保温措施除了以上保温作用较大且较为常用的方法外，还有几种措施也会对土壤温度有一定的保温作用。

一是中耕保温。

棚室内土壤因为高强度种植而板结，太阳辐射难以进入根系土层，土层蓄热能力小，致使土壤温度低，易使作物根系受冻。

板结土壤团粒结构少，进行适度中耕可优化土壤结构[34]，既能抑制水分潜热失能，又能控温防冻，不足之处是这种方式保温效果有限且人力成本较高，需要不定期的进行整地翻地。

二是增施有机肥，在土壤中增施有机肥可以提高土壤对辐射的吸收能力。

从加热角度来说，由于一些有机肥分解后产生许多生物热，可以小幅度提高土温。

三是掌握适宜的揭放帘时间与方法。

赵清友[35]提出双层保温被不同步开闭以提高室内温度。

冬季早晨天亮之后，首先揭开上层保温被，过1h左右太阳出来后，再揭下层帘，可有效防止日光温室膜内侧因温度骤降而结冰，同时预防了早晨因揭帘不当而造成的热量损失。

下午放帘时间掌握在室温最高时，放下底层保温被保温，待日落前将上层帘全部放下。

较高的空气温度会向土壤的辐射和传导更大热量，增加了土壤的蓄热量。

土壤保温的优点首先是不需要额外的耗能，更加节能；其次，较少使用设施设备，成本低。

缺点是不可控且升温效果不太明显。

大部分时候，日光温室冬季需要的热量仅靠保温远远不够，需要对土壤加热。

3 日光温室冬季土壤加热方法研究由于土壤的热传导速度较慢，一般土壤表层的热量要经过3～4h才能传到20cm深处，有研究[36]表明气温对地温的影响只有2%，即当1m高处的气温为100℃时只能使地温提高2℃。

且日光温室中土壤面积大，冬季加热时间长，消耗能源会很大。

所以是否使用稳定而廉价的能源及节能、效果好、成本低的加温设备是衡量日光温室冬季土壤加热方法优劣的标准。

根据加热所利用能源种类的不同，可分为化石燃料加热、电能加热、太阳能加热、地热能加热、生物质能源、混合能源等土壤加热方式。

3.1 利用化石燃料加热土壤的方式温室供暖所采用的化石燃料热源设备有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃油热风机等。

其所采用的燃料是煤炭和柴油[37]，都是高污染的化石能源。

使用燃煤锅炉时一般在日光温室采用单栋普通燃煤锅炉热水供暖的方式，需要人工夜间烧锅炉。

徐刚毅[38]在温跨度7m，长度40m，热负荷为75w/m2的传统日光温室，经计算如采用燃煤锅炉供暖，一日要产生0.42GJ热量，则需燃煤0.03t（锅炉的燃烧效率按70%计）。

该方法虽然可控性强且增温效果明显，但由于能耗大、成本高、环境污染严重，目前使用化石燃料作为加热土壤热源已经较少。

3.2 利用电能加热土壤的方式电能加热土壤有以下几种能量利用形式：3.2.1 通过电热器加热冷水，再通过热水管道加热土壤徐刚毅[38]通过采用新型电锅炉供暖方式对日光温室土壤加温，将水加热至40℃，可以使日光温室的夜间最低的室内气温提高2～3℃，地埋管深度为30cm，据地面5cm处的地温最低，平均为12.6℃；15cm处地温最高，平均温度达到19.8℃。

电锅炉采暖具有节能、环保、可控等优势，在技术上和经济上是可行的。

该方法的不足之处在于能源转化过程中消耗较大，且当水温接近土温时，热传导速率大大减缓，将低温水加热到接近土温的这部分的能源无法使用，成本高、温度上升滞后。

除了使用水管加热土壤外，刘明池[39]使用电加热棒加热冷水，再将热水通入多孔质陶瓷管负压栽培系统，通过多孔质陶瓷管加热土壤，该系统最大的优点就是能够利用负压自动调控土壤水分的同时，还能利用陶瓷管内循环温水调控土壤的温度。