张琦琦 解涵 常文静 李珊珊

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）08-0063-06

1 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]。虽然农业設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。而由于这种新型的陶瓷管本身含有大量微细毛细孔，利于水管放热。试验结果显示，加温处理的15cm深度处土壤白天和夜间平均温度分别比对照高出2.7℃和1.2℃。

3.2.2 通过电热元件直接加热土壤 目前较为常见的是利用电加热线加热。肖日新[40]利用DV型电加温线对土壤进行三线加熱，相较单线、双线加热，每消耗1W所提升的温度更高。该系统在功率密度为25W/m2的情况下，能使根际土温维持在20℃以上。张红梅[13]使用一种日本生产的具有一定宽度的农用发热膜，这种发热膜是由金属发热丝嵌入聚丙烯保护膜构成的。在温控相同的条件下，发热膜无论在育苗期还是植株生长期，耗电量都小于加温线。其缺点是调控方面欠缺，所以在种子萌发出土后要及时降低昼夜温度，防止作物徒长。除了线状或带状加热元件外，还有板状加热元件。碳纤维层压复合导电发热板[41]具有热效率高、发热均匀、耐腐蚀、便于自动化控制等优点[42]。赵云龙[15]等分析比较了电热线与碳晶电热板加热土壤的效果发现，电热线以自身为辐散中心呈线性散热；而碳晶电热板散热形式为面状，相同功率下其表面温度较低，降低了对植物根系的伤害[43]。对于用电能加热土壤的方法，技术成熟可行，加温效果明显且可控。但是由于成本较高，能耗较大，一般用于早熟促成栽培或是育苗等对温度敏感的生产环节。对土壤的加热总体较为均匀，且土壤升温速度较快，受天气因素影响小。电热加热土壤，能源利用率主要取决于电热元件电转化热的效率，故使用时应选用效率高的电热元件。

3.3 利用太阳能加热土壤的方式 太阳辐射能是一种廉价的清洁能源，但是太阳能直接加热土壤技术上较难实现，一般以太阳能为能源加热土壤需要借助介质，目前较为常见的方法是利用太阳能加热气相（如空气）或液相（如水）介质，再将介质的热能通过管道等设备传递给土壤。

早在20世纪80年代，国内就有一批科技工作者利用太阳能提高温室地温[44]。蒋锦标[45]和叶景学[46]都采用空气作为介质蓄放太阳能给地温加热。张海莲[47]在青海进行太阳能的热效果研究，设计了不同埋深的地热管。王顺生[48]将太阳能集热器和蓄热水箱置于日光温室内，白天集热，夜间散热。刘圣勇等[49]利用太阳能真空管集热器对太阳能集热，使用保温蓄热水箱蓄热，通过循环水泵和地下散热器向土壤传热，平均地温比对照煤炉加热系统的温室提高了4.4℃，产量提高比高达21%，甚至更高。于威[50]也用同样原理在深浅双层埋管方式的基础上，设计了分开深浅双层埋管为各自独立的加温系统，探讨了埋管深度对土壤增温效果的影响，结果表明地下0.8m深地埋管道较0.4m深在阴天将发挥更大效果。而在晴天日二者差别不大。马彦霞等[51]设置了3个埋管深度即地下20cm深处埋散热管、地下25cm深处埋散热管、地下30cm深处埋散热管，对日光温室土壤进行加热试验，结果表明散热管埋在地下25cm处时效果最好，对西瓜的生长和品质有很大提高。除了用太阳能直接加热液相，也可以从空气中提取太阳能，即使用空气源热泵热水器。即利用热泵技术将空气中低品位的热量转移到热水中，从而加热热水，再用热水加热土壤。

影响该方法效率的因素主要有太阳能吸收能力，对介质的保温能力以及散热能力等。该方法节能环保，晴天时效果良好，是当前日光温室长期对土壤加热的主要方法。但是其加热性能受环境影响很大，比如空气源热泵热水机组[52]的制热能力和产水量随着环境温度的降低而降低。当阴天或低温天气，该方法的效果将大打折扣，不稳定。加热效果方面虽然不如电加热加热幅度大，但是主要能源为太阳能，可大大减少成本。

3.4 利用生物质能加热土壤的方式 生物质能是一种通过有氧发酵及厌氧发酵来处理畜禽粪便、秸秆等农业废弃物的生态环保的可再生能源。在有氧条件下通过好氧微生物的作用可使有机固体废弃物达到稳定化（形成腐殖质）、减量化（有机物降解）、无害化（病原性生物失活），并转变为良好的土壤改良剂和有机肥。英国的G.Irvine等[53]研究表明Deerdykes堆肥装置在15d的堆肥周期内可产生7 000～10 000kJ/kg的可利用热，并对提取热的方法进行了全面研究，设计出一种气水换热器，得到43℃以上的热水，并从经济性角度分析了分解热回收利用是可行的。根据反应物含固率的不同分为湿式和干式，为厌氧消化两种方式。传统的发酵技术一般釆用湿式厌氧发酵技术即将稻秆等有机固体废弃物与人畜粪便等有机物混合，在厌氧微生物的作用下产生沼气。但湿式厌氧发酵技术的应用范围和地域因其耗能高、反应物预处理成本高而受到限制。沼气发酵时会产生大量的热能，韩成付[54]在平均温度31.6℃进风条件下对玉米秸秆好氧分解产热特性研究发现，出风温度峰值达57.9℃，平均产热速率为3.0W/kg（以湿重计），折合单位容积反应器产热速率为501.6W/m3，7d可回收总热量为342.7MJ。故在综合农业园区，日光温室利用发酵余热加热土壤。美国和英国等国家已有农场在利用稻秆和畜禽粪便进行好氧堆肥的同时，采用换热器或热粟等方式回收好氧堆肥反应过程中产生的生物热，进行供暖和供热的报道。

由于发酵本身也需要维持较高温度，甚至有时还需要加热，所以发酵过程中能提取的能量有限。除了利用发酵产生的热量，在我国东北地区还利用燃池进行日光温室土壤加热。燃池是一种利用以生物质为主的各种价格低廉废弃物的加温方法，可持续供热、且均匀稳定。研究表明[55]，燃池可以显著提高地温，在纵向距燃池中心0.5m、1.5m、3.5m、7.5m温度测点试验数据表明，分别提高了26.88℃、9.06℃、1.76℃、1.76℃；燃池对空气的提温效果也很显著，平均温度提高了3.6℃。不足的是传热过程中温度梯度很大，范围比较窄，影响加温效果。

使用生物质能源加热温室土壤的方法具有可持续性，最大的问题在于稳定性和持续性差，控制温度难度大。而对原材料要求较多，一是需要发酵、燃烧原料，二是发酵时的环境要求较严格，三是配套设施较多。

3.5 利用地热能加热土壤的方式 这里的地热能包括非地热井田区域的较深层次的土壤所拥有的低位热能以及地热井田的高位热能。张玉瑾等[56]利用温度采集系统测得青岛即墨市土壤初始温度分布，结果显示，0～20m浅层土壤随着深度的增加，温度逐渐上升，20～90m时土壤温度稳定在14℃左右，达到了恒温；90～103m，土壤温度又有一定幅度的上升，最高为16℃左右，其温度在冬季高于地表，可以用于加熱表层土壤。而温室由于其自身的蓄热效应被认为是利用浅层地能最有效的设施之一，冬季通过热泵技术和夏季蓄积的热量可以加热温室。方慧[57]等采用地面供暖方式，将加热管置于地表以下，然后以整个地面作为散热面加热温室。该试验主要目的是为了加热室内空气，但该方法也应用于加热表层土壤。除了利用深层土壤所拥有的低位热能，一些拥有丰富地热资源、地热井田的地区可以利用温度较高的地热能建设地热温室。亢树华[58]研究1985年于海城市东四方台西地郑家街建设的地热温室，发现进水口平均温度可达88.2℃，在放热量为250.92～292.74kJ/m2的情况下，试验温室气温可与室外造成32℃温差。而在进水温度为72℃时，加热土壤，10～30cm的土壤温度均在20℃以上，黄瓜增产58.3%。

天然的地热活动区只有在特定的区域才可以使用，不过加热效果特别好，加热效率高，成本低，稳定性好，唯一缺点就是对施工要求很高。一般地区只能利用较深层土壤自身的低位热能对冬季浅层土壤进行加热，由于两者温差不大，加热效果往往不尽人意，反而是加热室内空气效果较好。不过土壤的蓄放热能力较好，具有很大利用潜力。

3.6 利用混合能源加热土壤的方式 太阳能、生物质能、地热等新能源有来源不稳定，能量不足等缺点，而来源稳定的化石燃料及电能对环境污染较大且耗能严重，对于这一点，许多学者选择将两种或多种能源组合运用，取得了很好的加热效果。

首先，太阳能与地热能组合优缺互补。太阳能热泵在天气情况好的季节（夏季）供热量较大，但是需热量较小，天气情况差的季节（冬季）供热量较小，但是需热量较大，而地源热泵由于土壤温度常年稳定，其供需热量规律恰好相反；地源热泵可以弥补太阳热泵受天气影响的缺点，太阳能热泵可以弥补地源热泵供热不足的缺点，提高土壤源热泵的COP[59]。目前其在温室的应用主要集中在加热空气，土耳其太阳能协会的Onder Ozgener[60]采用内径为32mm，埋深为50m的垂直U型地埋管太阳能辅助地源热泵用于温室供热系统的运行性能研究。这个系统设计安装在土耳其的伊兹密尔市法治大学太阳能协会，根据2004年1月20至3月31日的供暖测试发现，土壤热提取速率平均为57.78W/m，结果显示，单一的中央供能系统（不依赖其他供能系统）在环境温度很低的情况下不能满足温室的热损失。戴巧利[61]利用主动式太阳能集热/土壤蓄热系统对日光温室进行加温，与自然辐照温室相比地温平均升高2.3℃，蓄热量达228.9～319.1MJ，加热效果显著。王侃宏[62]设计了太阳能辅助加热土壤源热泵系统，试验显示热泵COP埋管出口水温变化成正比，太阳能加热之后COP提高到3，效果很好。

其次，太阳能空气集热-土壤蓄热组合也得到应用。戴巧利[63]设计的温室增温系统，是这两者组合的恰当应用。当太阳辐射能透过透明盖板后，其能量被镀有选择性涂层的吸热板吸收，加热工质（空气）然后送到地下管道，通过空气将热量传给地下土壤，最后将带有尾热的空气送入温室加温。加热效果显著：可将温室内气温提高3℃左右，提高土壤温度2.5℃左右。在夜间可进一步提高室内温度，平均提高4℃左右。混合能源可以互相弥补各自能源的不足，不过加热效果仍有待提高，合理控制设备成本会有较好的应用前景。

4 总结与展望

在日光温室的能源利用方面，随着日光温室室内空气保温加热技术的发展与完善，土壤保温与加热的地位越来越高。目前常用的土壤保温技术如覆膜、起垄、设防寒沟等技术成熟、操作简单，成本低，但是需要一定的人力，所以适合日光温室生产的起垄覆膜机械有待研发与推广。为了将冬季日光温室土壤温度提升至适宜作物生长的范围，在土壤保温的基础上，发展合理、节能、稳定的土壤加热系统很有必要。除了化石燃料及电能等高耗能、高成本能源外，凡利于农业生产及推广的各种可再生的清洁能源都可以利用，不过其中低位能源较多。其中空气源主要來自太阳辐射能，因受自然天气的影响而致使运行不平稳均匀。正是因为受天气制约，致使棚室需热期与供热期的严重不匹配，这也是空气热泵亟需解决的问题；水源因区域、水质和蓄能量差别使其难以大面积推广应用；太阳能因随季节变难以保证均匀稳定；地源热因前期建造工程复杂、成本较大，换热器COP较低且随使用逐渐降低[64]，制约其大范围推广。因此，有必要开发利用混合能源的日光温室土壤加热系统。以可再生能源为主，在作物对温度需求敏感时期可补充使用化石燃料、电能等的模式具有很好的推广价值。

日光温室中，传统的土壤种植将逐渐被无土栽培取代。无土栽培具有以下优点[65]：提高水分、养分利用效率；良好的解决了传统土壤栽培中难以解决的水肥气热矛盾。无土栽培是解决设施土壤连作障碍最有效的方法。但基质的蓄热保温性能劣于土壤，冬季暴露在空气中的基质温度过低。傅国海[66]设计了一种起垄内嵌式基质栽培模式，土垄包被基质栽培槽，并通过塑料膜与基质隔离，利用土壤良好的蓄热保温性能来提高根际夜间温度。在此栽培基础上，利用主动蓄放热系统[67]等其他土壤加热系统，可能会有很好的增温效果。

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（责编：张宏民）