全 文 ：下挖深度对节能日光温室环境因子日变化
及空间分布的影响*
李清明1 摇 艾希珍1 摇 于贤昌2**
( 1山东农业大学园艺科学与工程学院, 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018; 2 中国农业科学院蔬菜花卉研究所,
北京 100081)
摘摇 要摇 对山东省泰安市下挖 0、0郾 5、1郾 0、1郾 5 m节能日光温室(不同下挖深度温室的结构参
数完全一致)太阳直射辐射能截获量进行分析,研究了 2009 年 12 月 20 日—24 日(冬至日前
后)和 2010 年 6 月 19 日—23 日(夏至日前后)温室环境因子日变化规律及其空间分布特点.
结果表明:随着下挖深度的增加,下挖壁面在温室内的阴影面积逐渐增加,进入室内的太阳直
射辐射逐渐由南向北迁移,地面辐射 /后墙辐射值逐渐减小;日光温室下挖深度在 0 ~ 1郾 0 m
时,下挖越深,温室气温和地温增温效果越显著、保温效果越好,下挖深度达 1郾 5 m 时增温效
果则显著下降、最低地温偏离度增大;下挖越深,温室内光照度越低、相对湿度越大.兼顾温室
的采光与保温性能,泰安地区 10 m跨度的下挖式日光温室的适宜下挖深度应不超过 1郾 0 m.
关键词摇 下挖深度摇 节能日光温室摇 环境因子摇 空间分布
文章编号摇 1001-9332(2011)08-2061-08摇 中图分类号摇 S626. 5摇 文献标识码摇 A
Effects of sunken depth of energy鄄saving solar greenhouse on the diurnal variation and spa鄄
tial distribution of environmental factors in the greenhouse. LI Qing鄄ming1, AI Xi鄄zhen1, YU
Xian鄄chang2 ( 1State Key Laboratory of Crop Biology, College of Horticulture Science and Engineer鄄
ing, Shandong Agricultural University, Tai爷an 271018, Shandong, China; 2 Institute of Vegetable
and Flower, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. ,2011,22(8): 2061-2068.
Abstract: Taking the energy鄄saving solar greenhouses with the same infrastructure but different
sunken depths (0, 0郾 5, 1郾 0, and 1郾 5 m) in Tai爷an of Shandong Province as test objects, this pa鄄
per analyzed the intercepted amount of direct solar radiation energy, and studied the diurnal varia鄄
tion and spatial distribution patterns of environmental factors in the greenhouses on winter solstice
(December 20-24, 2009) and summer solstice (June 19-23, 2010). With the increase of sunken
depth, the shadow areas in the greenhouses caused by sunken profiles increased gradually, the di鄄
rect solar radiation energy into the interior of the greenhouses shifted from south to north, and the
ratio of ground radiation to back wall radiation decreased gradually. Within the range of 0-1郾 0 m
sunken depth, the air temperature and soil temperature in the greenhouses increased significantly
with increasing sunken depth; but when the sunken depth was 1郾 5 m, the warming effect declined
significantly, and the deviation of the lowest soil temperature increased. The deeper the sunken
depth, the lower the light intensity and the higher the relative humidity in the greenhouses were. In
considering of both lighting and heat preservation, the appropriate sunken depth of energy鄄saving
sunlight greenhouses with a span of 10 m in Tai爷an region should be less than 1郾 0 m.
Key words: sunken depth; energy鄄saving solar greenhouse; environmental factor; spatial distribu鄄
tion.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2011BAD12B03)、现代农业产业技术体系建设专项(CARS鄄25鄄C鄄01)、山东省农业重大应用技术创新专项
[鲁财农指(2010)58 号]、山东农业大学博士后流动站项目(71999)和农业部园艺作物生物学与种质创制重点实验室项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: xcyu1962@ 163. com
2011鄄01鄄10 收稿,2011鄄05鄄18 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 8 月摇 第 22 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2011,22(8): 2061-2068
摇 摇 20 世纪 80 年代以来,中国北方地区迅速发展
起来的节能日光温室是有效利用太阳能的农业设施
类型,由于其透光率高、保温性能好、节约能源、建造
和运行成本低、经济效益高,适合我国当前农村经济
技术水平,现已成为我国北方农村脱贫致富最有效
的农业设施之一[1-2] . 伴随着能源的短缺和节能减
排形势的日趋严峻,节能日光温室将成为我国设施
园艺产业发展的必然选择[3] . 有关日光温室结构与
环境的研究在理论和应用上都取得了较大进展,形
成了具有中国特色的设施农业发展道路[4-6] .目前,
日光温室结构优化研究主要包括 3 方面:根据日光
温室采光设计理论确定最优采光屋面角和采光面形
状[7-8],研究结构设计以提高温室保温性能[9-12],保
证温室强度条件下研究最优结构设计以降低温室成
本[3,8] .
近年来在山东寿光等地出现了厚墙大跨下挖式
机打土墙结构的节能日光温室,由于其保温性明显
优于普通日光温室[13],已成为该地区节能日光温室
的主流结构类型,而且在我国北方地区得到迅速推
广.但目前,对这种日光温室的结构和性能尚缺乏系
统研究,其内部环境因子变化规律亦鲜见报道. 因
此,本文在对不同下挖深度节能日光温室太阳直射
辐射能截获量分析的基础上,研究了温室环境因子
变化规律及其空间分布,为下挖式节能日光温室的
设计建造及栽培管理提供理论依据和技术参数.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 立地条件与供试温室
试验在山东省泰安市徐家楼 ( 35毅 38忆—
36毅28忆 N,116毅20忆—117毅59忆 E)日光温室内进行. 4
座供试日光温室室内地面分别下挖 0、0郾 5、1郾 0、1郾 5
m,其余结构参数均相同:坐北朝南,东西延长,长度
60 m,跨度 10 m,脊高 4郾 91 m,前屋面平均采光角
28郾 6毅,后屋面 45毅.前屋面塑料薄膜使用 EVA 长寿
无滴膜,夜间用 4 cm 厚草苫保温. 后墙为机打梯形
土墙,高 3郾 5 m、顶厚 1郾 5 m、底厚 3郾 0 m.
1郾 2摇 试验方法
分别于 2009 年冬至日前后 (12 月 20 日—
24 日)和 2010 年夏至日前后(6 月 19 日—23 日)对
4 座节能日光温室进行测定:每个温室从南到北分
别在温室 1 / 4 跨度、高 1郾 0 m 处设置 1 个测点,1 / 2
跨度、高 1郾 0 和 1郾 5 m 处各设置 1 个测点,3 / 4 跨
度、高 1郾 0、1郾 5 和 2 m处各设置 1 个测点;从东到西
分别在温室 1 / 4、1 / 2 和 3 / 4 长度处各设置 3 个测
点,分别用HOBO Pendant温度 /光强记录仪和 HOBO
U12 数据采集器(Onset Computer Corporation, USA)
测定光照度、空气温度和相对湿度.在每个温室南北
1 / 4、1 / 2 和 3 / 4 跨度处以及东西 1 / 4、1 / 2 和 3 / 4 长
度处各设置 1 个测点,将 Air / Water / Soil temperature
sensors (TMCx鄄HD)和 HOBO U12 数据采集器联用
测定 10 cm深土壤温度.所有测点数据均 30 min 记
录 1 次,用 HOBOware Software软件进行设置和数据
下载.室内气温偏离度(茁,即最高或最低气温与平
均气温之差,再与平均气温的比值)和地温偏离度
(酌,即最高或最低地温与平均地温之差,再与平均
地温的比值)参照文献[14]计算.
1郾 3摇 数据处理
文中环境因子数据采用 Microsoft Excel 2003 软
件进行统计分析,采用 SigmaPlot 10郾 0 软件作图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同下挖深度节能日光温室对太阳直射辐射
能的截获
到达温室上空的太阳总辐射由直射辐射和散射
辐射组成,二者进入温室的路径和比率均不同,即使
在采光材料完全相同的情况下,还有很多因素影响
其进入温室的比例[15] .假设在温室材料和平均采光
屋面角相同的情况下,直射辐射占同期总辐射能的
比率和直射辐射进入温室的比率相等,则同一时刻
进入温室的太阳总辐射相等. 就本试验中下挖深度
不同的日光温室而言,基于上述假设可以认为,同一
时刻进入温室的太阳总辐射相等,只是由于下挖深
度不同造成室内太阳总辐射能的空间分布发生变
化,导致室内光照度、空气温度、土壤温度和空气相
对湿度存在空间差异.
以泰安市冬至日(2009 年 12 月 22 日) 12:00
[太阳高度角(h)为 30郾 4毅]为例,对不同下挖深度日
光温室(跨度均为 10 m)的太阳直射辐射能截获与
分布情况进行比较.由图 1 和表 1 可以看出,冬至日
正午太阳直射辐射的总辐照宽度为 8738 mm(辐照
长度为 60 m),地平式温室中,辐照宽度为5060 mm
的直射辐射进入温室的室内地面,3678 mm 的直射
辐射进入温室的后屋面和后墙,分别占总辐照宽度
的 57郾 9%和 42郾 1% ,到达地面辐射与到达后墙辐射
的比值为 1郾 38;下挖 0郾 5 m 温室中,辐照宽度为
4629 mm的直射辐射进入室内地面,4109 mm 进入
后屋面和后墙, 分别占总辐照宽度的 53郾 0%
和47郾 0% ,到达地面辐射与到达后墙辐射的比值为
2602 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
图 1摇 不同下挖深度节能日光温室太阳直射辐射能截获与分布(以泰安市冬至日 12:00 为例)
Fig. 1摇 Direct solar radiation energy interception and distribution of energy鄄saving sunlight greenhouse with different sunken depths
(at 12:00 of winter solstice in Tai爷an City).
图中数据标高单位为米,其余为毫米 Units of elevation were meter (m), the rest were millimeter (mm). 玉:总辐照宽度 Total radiation width; 域:
地平式辐照比 Solar radiation ratio of horizontal; 芋:下挖 0郾 5 m辐照比 Solar radiation ratio of sunken 0郾 5 m; 郁:下挖 1郾 0 m辐照比 Solar radiation
ratio of sunken 1郾 0 m; 吁:下挖 1郾 5 m辐照比 Solar radiation ratio of sunken 1郾 5 m.
1郾 13;下挖 1郾 0 m 温室中,辐照宽度为 4198 mm 的
直射辐射进入室内地面,4540 mm 进入后屋面和后
墙,分别占总辐照宽度的 48郾 0%和 52郾 0% ,到达地
面辐射与到达后墙辐射的比值为 0郾 92;下挖 1郾 5 m
温室中,辐照宽度为 3767 mm 的直射辐射进入室内
地面,4972 mm进入后屋面和后墙,分别占总辐照宽
度的 43郾 1%和 56郾 9% ,到达地面辐射与到达后墙辐
射的比值为 0郾 76.另外,在下挖 0郾 5、1郾 0 和 1郾 5 m温
室的南部,下挖壁面分别形成了 0郾 85、 1郾 70 和
2郾 56 m宽的阴影区域. 说明随着温室下挖深度的增
加,室内阴影面积逐渐增加,进入室内的太阳直射辐
射能的空间分布发生变化,逐渐由南向北迁移,到达
地面辐射与到达后墙辐射的比值逐渐减小. 可以推
断,下挖深度不同的温室中,环境因子的时空分布也
会有所差异.
表 1摇 下挖深度对节能日光温室太阳直射辐射能空间分布
的影响
Table 1摇 Effects of sunken depths of sunlight greenhouse on
direct solar radiation energy distribution
下挖深度
Sunken
depth
(m)
下挖壁面
阴影长度
Shading length
(m)
室内地面辐
射 /总辐射
Percentage
of indoor
ground solar
radiation
to total
radiation
后墙(屋面)
辐射 /总辐射
Percentage
of back
wall solar
radiation
to total
radiation
地面辐射 /后
墙(屋面)
辐射
Ratio of
indoor ground
to back
wall
0 0 57郾 9 42郾 1 1郾 38
0郾 5 0郾 85 53郾 0 47郾 0 1郾 13
1郾 0 1郾 70 48郾 0 52郾 0 0郾 92
1郾 5 2郾 56 43郾 1 56郾 9 0郾 76
2郾 2摇 下挖深度对节能日光温室环境因子的影响
2郾 2郾 1 下挖深度对日光温室气温变化的影响摇 由图
2 可以看出,不同下挖深度温室的平均气温变化均
呈单峰曲线,2009 年冬至日 8:00 左右揭开草苫之
前平均气温降到最低值,13:00 左右达到最高值,下
挖深度越深,温室平均气温越高;2010 年夏至日
5:00左右日出之前平均气温降到最低值,13:00 左
右达到最高值,下挖深度越深,温室平均气温越低.
由表 2 可以看出,2009 年 12 月 20 日—24 日,
温室最低气温、最高气温和平均气温均随下挖深度
的增加而增加.与地平式温室相比,下挖 0郾 5、1郾 0 和
1郾 5 m温室的最低气温分别提高 1郾 7 益、2郾 5 益和
2郾 9 益,最高气温分别提高 1郾 0 益、2郾 0 益和 2郾 8 益,
日均气温分别提高 0郾 8 益、1郾 2 益和 1郾 5 益,且下挖
深度越深,最低气温偏离度越小,逸15 益持续时间
越长而臆8 益持续时间越短. 2010 年 6 月 19 日—23
日,温室最高气温、最低气温和平均气温变化规律与
冬至日相反,均随下挖深度的增加而降低.与地平型
温室相比,下挖 0郾 5、1郾 0 和 1郾 5 m 温室的最高气温
分别降低了 3郾 5 益、4郾 2 益和 4郾 3 益,最低气温分别
降低了 0郾 1 益、0郾 3 益和 0郾 4 益,日均气温分别降低
了 0郾 7 益、1郾 8 益和 2郾 5 益 . 随下挖深度的增加,最
高气温偏离度先降后增,但均低于地平式温室,
臆30 益持续时间延长而逸35 益持续时间缩短.
摇 摇 2009 年 12 月 20 日—24 日,各温室气温从南到
北、从下到上均呈增加趋势,即温室北部气温高于南
部、上部气温高于下部;2010 年 6 月 19 日—23 日,
36028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李清明等: 下挖深度对节能日光温室环境因子日变化及空间分布的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
各温室气温从南到北逐渐降低、从上到下逐渐增加,
即温室南部气温高于北部、上部气温高于下部(表
3).另外,室内平均气温变量[驻T / 驻D(益·m-1),指
室内气温变量与下挖深度增量的比值]随下挖深度
的增加呈现先增加后减少的趋势.冬至日前后,下挖
0郾 5 m温室的气温较地平式温室增加 0郾 8 益,下挖
1郾 0 m温室的气温较下挖 0郾 5 m 温室增温 1郾 4 益,
保温效果渐增,而下挖 1郾 5 m 温室的气温仅较下挖
1郾 0 m温室增加 0郾 6 益,增温效果有所下降.夏至日
前后,下挖 0郾 5 m 温室的气温较地平式温室降温
1郾 4 益,下挖 1郾 0 m 温室的气温较下挖 0郾 5 m 温室
降低 2郾 2 益,降温效果渐增,而下挖 1郾 5 m温室的气
温仅较下挖 1郾 0 m 温室降低 1郾 4 益,降温效果有所
下降.说明在 0郾 5 ~ 1郾 0 m 范围内下挖越深,温室保
温效果越好,但超过 1郾 0 m 后,增温效果逐渐下降,
考虑到温室建造成本和土地利用率等因素,建议下
图 2摇 不同下挖深度下日光温室气温、地温、光照强度和相对湿度的日变化
Fig. 2摇 Diurnal variation of air temperature, soil temperature, light intensity and relative humidity in sunlight greenhouse under differ鄄
ent sunken depths.
4602 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
挖深度不宜过深.
2郾 2郾 2 下挖深度对日光温室地温变化的影响摇 冬至
日和夏至日,各温室 10 cm深处土壤温度(以下简称
地温)都呈现先降后升再降的变化规律(图 2).冬至
日,各下挖深度温室的最低地温均出现在 10:30 左
右,而最高地温则随下挖深度的增加而提前,下挖
0、0郾 5、1郾 0 和 1郾 5 m温室最高地温出现时间分别为
19:00、18:30、17:00 和 17:30,说明随下挖深度的增
加,平均地温显著升高,而且升温速度较快.夏至日,
各下挖深度温室地温的变化规律比较一致,最低地
温均出现在 8:00 左右,最高地温均出现在 17:30 左
右,随下挖深度增加平均地温呈降低趋势.
由表 4 可以看出,2009 年 12 月 20 日—24 日,
温室最低地温、最高地温和平均地温均随下挖深度
的增加而增加.与地平式温室相比,下挖 0郾 5、1郾 0 和
1郾 5 m温室的最低地温分别提高了 0郾 5 益、1郾 1 益和
1郾 2 益,最高地温分别提高了 0郾 3 益、1郾 1 益 和
1郾 5 益,平均地温分别提高了 0郾 5 益、1郾 2 益 和
1郾 4 益,且下挖深度越深,最低地温偏离度越大.
2010 年 6 月 19 日—23 日,温室内最高地温、最低地
温和平均地温均随下挖深度的增加而降低. 与地平
式温室相比,下挖 0郾 5、1郾 0 和 1郾 5 m 温室的最高地
温分别降低了0郾 2 益、0郾 3 益和 1郾 0 益,最低地温分
别降低了0郾 2 益、0郾 3 益和 0郾 5 益,平均地温分别降
低了0郾 2 益、0郾 4 益和 0郾 6 益,下挖深度越深,最高地
温偏离度有减小趋势.
2009 年 12 月 20 日—24 日,各温室内 10 cm深
处地温从南到北均呈升高趋势,2010 年 6 月 19
日—23 日,表现为从南到北逐渐降低(表 5). 冬至
日前后,平均地温变量[驻T / 驻D(益·m-1),指室内
地温变量与下挖深度增量的比值]随下挖深度的增
加呈先增加后减小的趋势,下挖 0郾 5 m 温室的平均
地温较地平式增加 1郾 0 益,下挖 1郾 0 m 较 0郾 5 m 增
加 1郾 4 益,保温效果渐增,而下挖 1郾 5 m较 1郾 0 m仅
表 2摇 下挖深度对日光温室气温的影响
Table 2摇 Effects of sunken depths of air temperature in sunlight greenhouse
下挖深度
Sunken
depth
(m)
2009鄄12鄄20—2009鄄12鄄24
最高气温
Maximum
air
temperature
(益)
最低气温
Minimum
air
temperature
(益)
平均气温
Average
air
temperature
(益)
最低气温
偏离度
Deviation
of minimum
air temperature
(% )
逸15 益
持续时间
Duration
of 逸15 益
(h)
臆8 益
持续时间
Duration
of 臆8 益
(h)
2010鄄06鄄19—2010鄄06鄄23
最高气温
Maximum
air
temperature
(益)
最低气温
Minimum
air
temperature
(益)
平均气温
Average
air
temperature
(益)
最高气温
偏离度
Deviation of
maximum
air temperature
(% )
臆30 益
持续时间
Duration
of 臆30 益
(h)
逸35 益
持续时间
Duration
of 逸35 益
(h)
0 27郾 3 9郾 2 12郾 3 47郾 0 5郾 8 7郾 6 49郾 9 19郾 1 30郾 0 39郾 8 13郾 8 7郾 9
0郾 5 28郾 3 10郾 9 12郾 7 42郾 4 6郾 0 5郾 4 46郾 4 19郾 0 29郾 3 36郾 9 13郾 9 7郾 8
1郾 0 29郾 3 11郾 7 13郾 4 42郾 2 6郾 5 2郾 8 45郾 7 18郾 8 28郾 2 38郾 2 15郾 0 6郾 4
1郾 5 30郾 1 12郾 1 13郾 7 36郾 5 7郾 6 0郾 0 45郾 6 18郾 7 27郾 5 39郾 6 15郾 9 5郾 0
表 3摇 下挖深度对日光温室气温空间分布的影响
Table 3摇 Effects of sunken depths on spatial distribution of air temperature in sunlight greenhouse (益)
下挖深度
Sunken
depth (m)
2009鄄12鄄20—2009鄄12鄄24
1 / 4 Sp 1 / 2 Sp 3 / 4 Sp 1郾 0 m H 1郾 5 m H 2郾 0 m H
2010鄄06鄄19—2010鄄06鄄23
1 / 4 Sp 1 / 2 Sp 3 / 4 Sp 1郾 0 m H 1郾 5 m H 2郾 0 m H
0 12郾 1 12郾 3 12郾 4 12郾 0 12郾 4 12郾 6 30郾 6 29郾 9 29郾 4 29郾 2 29郾 6 30郾 4
0郾 5 12郾 5 12郾 8 12郾 9 12郾 5 12郾 6 13郾 0 30郾 0 29郾 3 28郾 7 28郾 3 29郾 1 29郾 5
1郾 0 13郾 3 13郾 4 13郾 5 13郾 2 13郾 5 13郾 6 28郾 7 28郾 4 27郾 6 27郾 6 28郾 0 28郾 4
1郾 5 13郾 5 13郾 8 13郾 8 13郾 5 13郾 7 13郾 9 28郾 1 27郾 4 27郾 1 27郾 0 27郾 3 27郾 7
Sp:跨度 Span; H:高 Height. 下同 The same below.
表 4摇 下挖深度对日光温室 10 cm深地温的影响
Table 4摇 Effects of sunken depths on 10 cm鄄deep soil temperature in sunlight greenhouse
下挖深度
Sunken
depth
(m)
2009鄄12鄄20—2009鄄12鄄24
最高地温
Maximum soil
temperature
(益)
最低地温
Minimum soil
temperature
(益)
平均地温
Average soil
temperature
(益)
最低地温偏离度
Deviation of
minimum soil
temperature
(% )
2010鄄06鄄19—2010鄄06鄄23
最高地温
Maximum soil
temperature
(益)
最低地温
Minimum soil
temperature
(益)
平均地温
Average soil
temperature
(益)
最低地温偏离度
Deviation of
minimum soil
temperature
(% )
0 13郾 6 11郾 9 12郾 7 5郾 8 28郾 6 24郾 2 26郾 1 15郾 6
0郾 5 13郾 9 12郾 4 13郾 2 6郾 1 28郾 4 24郾 0 25郾 9 15郾 4
1郾 0 14郾 7 13郾 0 13郾 9 6郾 7 28郾 3 23郾 9 25郾 7 15郾 4
1郾 5 15郾 1 13郾 1 14郾 1 7郾 2 27郾 6 23郾 7 25郾 5 14郾 1
56028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李清明等: 下挖深度对节能日光温室环境因子日变化及空间分布的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 5摇 不同下挖深度对日光温室 10 cm 深地温空间分布的
影响
Table 5摇 Effects of sunken depths on spatial distribution of
10 cm鄄deep soil temperature in sunlight greenhouse
下挖深度
Sunken depth
(m)
2009鄄12鄄20—2009鄄12鄄24
1 / 4 Sp 1 / 2 Sp 3 / 4 Sp
2010鄄06鄄19—2010鄄06鄄23
1 / 4 Sp 1 / 2 Sp 3 / 4 Sp
0 12郾 4 12郾 6 12郾 9 26郾 5 26郾 0 25郾 9
0郾 5 12郾 9 13郾 3 13郾 5 26郾 4 26郾 1 25郾 3
1郾 0 13郾 5 14郾 0 14郾 3 26郾 0 25郾 9 25郾 2
1郾 5 13郾 9 14郾 2 14郾 3 25郾 7 25郾 6 25郾 2
增加 0郾 4 益,增温效果明显下降.而夏至日前后随下
挖深度的增加,降温效果相同,均降低 0郾 4 益 . 对温
室内地温而言,夏季高温季节温室下挖越深,温降越
大,地温越稳定,越有利于作物根系生长发育;对冬
季保温性而言,在 0郾 5 ~ 1郾 0 m 范围内下挖越深,温
室保温效果越好,下挖深度达 1郾 5 m 时的增温效果
显著下降,而且最低地温偏离度随下挖深度的增加
而增大.
2郾 2郾 3 下挖深度对日光温室光照度变化的影响摇 由
图 2 可以看出,冬至日和夏至日温室光照强度均随
下挖深度的增加而降低,冬至日和夏至日最高光照
强度分别出现在 13:00 左右和 12:00 左右. 夏至日
各时刻的光照强度均高于冬至日,由于夏季不需要
盖草苫保温,使夏至日接受的光照时间明显多于冬
至日. 2009 年 12 月 20 日—24 日和 2010 年 6 月 19
日—23 日,各温室的平均光照强度从南到北、从上
到下均呈逐渐减弱的趋势,且下挖深度越深,13:00
时平均光照强度越低;冬至日下挖 0郾 5、1郾 0 和 1郾 5
m温室的平均光照强度较地平式温室分别降低了
9郾 7% 、16郾 1%和 20郾 7% ,夏至日分别降低了 6郾 5% 、
17郾 0%和 18郾 8% (表 6).
2郾 2郾 4 不同下挖深度对日光温室内相对湿度变化的
影响摇 由图 2 可以看出,无论冬至日还是夏至日,温
室内相对湿度均随下挖深度的增加而增加,其变化
规律与温度的日变化相反.冬季为了保温,白天通风
时间较短并且夜间需要覆盖草苫,因此冬至日温室
内处于高湿的时间较长,各时刻的相对湿度均高于
夏至日,而且空气温度相差越大的时刻,相对湿度的
差异也越显著. 2009 年 12 月 20 日—24 日和 2010
年 6 月 19 日—23 日,各温室的平均相对湿度从南
到北、从上到下均呈逐渐增加的趋势(表 7).下挖深
度越深,平均相对湿度越高,冬至日下挖 0郾 5、1郾 0 和
1郾 5 m温室的平均相对湿度较地平式温室分别升高
了 3郾 1% 、4郾 6%和 6郾 2% ,夏至日分别升高了 3郾 1% 、
4郾 7%和 7郾 6% .
表 6摇 不同下挖深度下日光温室光照强度的空间分布
Table 6摇 Spatial distribution of light intensity in sunlight greenhouse under different sunken depths (滋mol·m-2·s-1)
下挖深度
Sunken
depth
(m)
2009鄄12鄄20—2009鄄12鄄24 13:00
1 / 4
Sp
1 / 2
Sp
3 / 4
Sp
1郾 0 m
H
1郾 5 m
H
2郾 0 m
H
平均
Average
2010鄄06鄄19—2010鄄06鄄23 12:00
1 / 4
Sp
1 / 2
Sp
3 / 4
Sp
1郾 0 m
H
1郾 5 m
H
2郾 0 m
H
平均
Average
0 709 688 650 661 684 702 682 833 787 741 753 786 821 787
0郾 5 643 617 588 587 614 648 616 787 738 683 687 743 779 736
1郾 0 618 561 537 553 570 592 572 694 652 614 622 660 678 653
1郾 5 574 550 499 519 534 571 541 667 648 603 609 651 658 639
表 7摇 不同下挖深度下日光温室相对湿度的空间分布
Table 7摇 Spatial distribution of relative humidity in sunlight greenhouse under different sunken depths (%)
下挖深度
Sunken
depth
(m)
2009鄄12鄄20—2009鄄12鄄24
1 / 4
Sp
1 / 2
Sp
3 / 4
Sp
1郾 0 m
H
1郾 5 m
H
2郾 0 m
H
平均
Average
2010鄄06鄄19—2010鄄06鄄23
1 / 4
Sp
1 / 2
Sp
3 / 4
Sp
1郾 0 m
H
1郾 5 m
H
2郾 0 m
H
平均
Average
0 83郾 0 83郾 2 84郾 3 85郾 2 83郾 1 82郾 2 83郾 5 68郾 2 68郾 6 69郾 3 67郾 8 68郾 7 69郾 7 68郾 7
0郾 5 84郾 1 86郾 7 87郾 6 88郾 7 85郾 8 83郾 8 86郾 1 68郾 8 71郾 4 72郾 3 68郾 9 70郾 8 72郾 7 70郾 8
1郾 0 85郾 9 87郾 3 88郾 6 89郾 1 87郾 0 85郾 8 87郾 3 71郾 3 71郾 5 72郾 9 71郾 0 71郾 4 73郾 2 71郾 9
1郾 5 87郾 5 88郾 8 89郾 9 90郾 3 88郾 9 86郾 9 88郾 7 73郾 2 73郾 9 74郾 5 72郾 9 73郾 8 74郾 9 73郾 9
3摇 讨摇 摇 论
科学合理的采光屋面和保温蓄热构造是节能日
光温室应具备的最基本条件[16] . 张峰等[17]用某时
刻太阳的具体位置来计算此时刻下挖壁面在室内所
产生的阴影区域面积,然后以室内采光率为约束条
件计算得到不同地区的适宜下沉深度,结果表明,纬
度越高则适宜的下沉深度越小.李清明等[18]通过对
6602 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
大跨度日光温室的下挖深度优化设计,提出了山东
省(24毅25忆—38毅23忆 N)日光温室的合理采光时段屋
面角为 30郾 4毅 ~ 34郾 6毅,下挖壁面在室内产生的阴影
率不宜超过 15% ,跨度为 10 ~ 12 m 日光温室的适
宜下挖深度在 0郾 8 ~ 1郾 1 m. 本试验结果表明,泰安
地区日光温室的下挖深度在 0郾 5 ~ 1郾 0 m范围内,温
室增温保温效果随下挖深度的增加而显著增加,原
因可能是由于节能日光温室地面下挖后可在很大程
度上阻断后墙、山墙的传热散热,使蓄热系数和保温
比增加,缝隙放热和土壤横向传热的热量损耗减少,
热容量较大[13],与马志虎等[19]、李海涛等[20]的研究
结果相似.值得一提的是,尽管室内阴影面积随着温
室下挖深度的增加而增加,但进入室内的太阳直射
辐射能却由南向北迁移,到达后墙的太阳直射辐射
能比例增加(图 1),意味着下挖式日光温室后部光
照条件明显改善,既有利于后部作物的生长,又能使
后墙贮存更多的热量. 同时下挖式高效节能日光温
室的走道大多设置在温室南部,正好可以避免下挖
壁面形成的阴影对作物的影响,从而解决了下挖式
温室采光与保温之间的矛盾.
适宜的下挖深度不但取决于温室所处的地理纬
度、温室采光屋面角和方位角、温室结构以及温室建
筑材料自身阴影率等,还与当地气候资源、地下水埋
深、土壤质地和冻土层深度等诸多因素有关.本试验
结果表明,随着下挖深度的增大,温室内阴影面积也
增大(图 1,表 1),下挖深度达 1郾 5 m时,平均光照度
减弱、湿度增加,增温保温效果显著下降,且最低地
温偏离度也随着下挖深度的增加而增大. 较高的相
对湿度容易导致叶片表面结露,滋生番茄灰霉病等
真菌类病害[21],还可造成蒸腾速率过低,导致作物
中钙元素的亏缺,从而引起作物发育异常[22] .目前,
部分下挖式温室在采光屋面南部地平面处采用二次
下挖技术,这样在室内下挖深度相同的情况下,可相
应降低南部下挖遮荫壁面的高度,从而减少室内阴
影区域面积,增加室内进光量. 综上,泰安地区下挖
式日光温室适宜的下挖深度以不超过 1郾 0 m为宜.
尽管下挖式日光温室有建设速度快、投资低、蓄
热保温性能好以及室内空间大、缓冲能力强等许多
优点,但目前也存在墙体过厚、土地利用率低、土壤
破坏大、排水困难等诸多问题.以山东寿光为代表的
下挖式节能日光温室的部分下挖深度达 1郾 5 m 以
上,其侧墙和后墙由土墙堆砌压实而成,由于下挖过
深造成土方量大,加上机械施工等原因,温室墙体过
厚,一般墙底厚可达 6 ~ 7 m,导致建造成本增加,土
地利用率仅约 40% [23] . 每 667 m2的下挖式日光温
室下挖 1郾 0 m的土方量刚好建造温室后墙和侧墙,
其建造成本约 1郾 2 万元,下挖 1郾 5 m 时不但增加了
挖土成本,而且增加了余土运输的费用,成本增加到
2郾 0 万元左右.
在确定下挖深度时不能盲目照搬,必须因地制
宜,根据纬度、地下水埋深、土壤质地等进行科学论
证和设计,根据自身特点确定合理的施工规范,综合
考虑影响因素,兼顾采光、蓄热保温和荷载性能,切
忌盲目追求深挖、厚墙和大跨度.影响下挖式节能日
光温室优化设计的因素相当复杂,其适宜的墙体厚
度、跨度以及高跨比、长度等结构参数都有待进一步
进行理论分析和试验验证,对其保温设计、建筑材料
和结构受力等方面也有待进一步研究,以促进我国
设施园艺产业的持续健康发展.
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作者简介 摇 李清明,男,1974 年生,博士,副教授. 主要从事
设施环境调控与栽培生态生理方面的教学与科研工作.
E鄄mail: gslqm@ sdau. edu. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
8602 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷