胡婧娟，樊贵盛

(1.太原理工大学环境科学与工程学院，太原 030024；2.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

在高海拔低温地区，日光温室在越冬期间内正常运作面临的一大难题是灌溉水水温偏低。由于水的比热大，灌溉水温度在一定程度上影响着灌溉后土壤温度，进而影响农作物的根系环境温度。根系环境温度的改变，会影响农作物根系对土壤矿物质营养的积累、分解和转化[1-3]，以及对土壤水分和养分的吸收[4]。如果灌溉水温度较低，会降低灌溉水中溶解氧的含量，影响作物根系对土壤水分和矿物质营养元素的吸收和利用，以致影响农作物的茎叶、果实等正常生长。针对这一突出问题，在季节性冻土地区，如果灌溉水是地表水，在日光温室内部设计并修建升温池来提高越冬期灌溉水水温[5]。地面灌溉水从水源地到日光温室作物的根系，需历经取水枢纽、输配水管(渠)道、蓄水池、升温池、作物根系土壤，最后到达作物根系。灌溉水由水源地到日光温室内部升温池的输送过程中，经过不断的热量吸收或者散失，会有不同程度的升温或降温。然而在整个越冬期内，日光温室灌溉水水源地温度、气温、输配水网环境温度、室内气温、室内地温等都随时间剧烈变化，所以，导致越冬期不同时期内灌溉水进棚温度、最低的可灌温度、所需的升温时间、适宜的灌溉时间各不相同。但是，目前关于季节性冻土地区越冬期温室大棚不同阶段最低的可灌温度、适宜的灌溉时间、所需的升温池升温时间等的研究还鲜有论述。

本文试图以黄土高原区离石区设施蔬菜示范基地日光温室群为载体，以试验实测数据为基础，利用水土系统热平衡和传导理论，分析研究越冬期温室大棚不同阶段内灌溉水最低的可灌温度、适宜的灌溉时间，并借助CFD经典软件FLUENT工具，模拟分析日光温室灌溉水升温过程及预测不同时期内灌溉水升温时间。提出包括越冬期日光温室可直接灌溉时间段、需升温期的最低可灌温度、需升温期的最短升温时间、适宜的灌溉时间在内的日光温室灌溉水升温灌溉管理技术，为越冬期间日光温室的正常运行提供技术保障。

1 材料与方法

1.1 日光温室与土壤

本试验日光温室位于山西省吕梁市离石区信义镇小神头村。该地区属典型的高海拔低温山区，海拔在1 300 m以上，年平均气温为8.9 ℃，最高气温35 ℃，最低气温-18 ℃，冬季寒冷少雪，春季较湿润且多风，夏季炎热，雨量集中，全区光能资源充足。设施蔬菜示范基地日光温室为RWS-10-5型高效节能日光温室。日光温室坐北朝南，东西向长60 m，南北向长8 m，后墙高4.0 m。后墙及山墙为厚捣土墙，土体取自当地，干容重为1.47 g/cm3，体积含水量为12.15%～45.00%。室内种植的植物为番茄。日光温室内的灌溉方式为膜下滴灌。

日光温室内土壤质地较轻，土壤的沙粒(0.05～1.00 mm)含量为55%～65.2%，粉粒(0.01～0.05 mm)含量为24.6%～33.9%，黏粒(<0.01 mm)含量为10.2%～17.5%。根据我国现行的土壤质地分类系统[6]，从耕作层到犁底层土壤质地均为沙质壤土。试验区土壤容重为1.27～1.40 g/cm3，土壤含水率为16.13%～18.96%。试验区土壤有机质含量较少，为1.82%～1.86%，pH值为7.5～7.7[7]，土壤总磷和总氮含量分别为7.93%～13.66%和0.46%。试验区土壤的全盐量为1 881.2～2 383.7 mg/kg。

1.2 灌溉水升温设施

试验区日光温室升温池为敞口地下长方形结构，蓄水池长2.8 m，宽1.75 m，深1.2 m。升温池储水部分建造在地面以下，蓄水位与地面齐平，可同时接受日光温室内空气热量和地热。采用砖石结构，池壁厚为0.12 m。M7.5水泥砂浆砌筑，池底及四周设土工膜防渗，为避免人误跌入升温池，升温池壁顶高出地面0.1 m。敞口地下升温池位于日光温室的东北角，升温池墙体距日光温室后墙和侧墙的距离分别为0.55 m和0.24 m。

1.3 灌溉水源与越冬期水温

日光温室试验园区灌溉水水源为三川河中的小东川河的浅层地表水。在河道滩地人工开凿一口潜水井，河水经地下河床砂卵石介质进入潜水井中，然后通过输水管道自流到日光温室东北高程为1 000 m的一座容量为300 m3的蓄水池中，再由已经铺设好的干管和支管将灌溉水输送到每个温室的升温池中。越冬期间，地表河水温度变化为-3.5～2.6 ℃，潜水井水温度变化为6.1～7.2 ℃，进棚水温变化为5.20～8.10 ℃，最高温度8.1 ℃出现在2013年11月9日，最低温度5.20 ℃出现在2014年1月14日。日光温室内种植的作物为番茄，番茄正常生长所能耐受的最低温度为10 ℃[8]。

1.4 试验方案

试验开始于2013年11月，2014年3月底结束。

监测目标：获取整个越冬期内灌溉水温及其相关参数、指标的变化过程。

监测内容：进棚水温、升温池内水温、气温、室内地温在整个越冬期内的变化过程。

监测频次：在历时5个月的越冬期内，每隔7～10 d测试一次；在每个监测日，每2 h监测一次，其测试时间点分别为0∶00、2∶00、4∶00、6∶00、8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00、20∶00、22∶00和24∶00。中午12∶00-14∶00由于气温变化幅度较大，增大观测频率，每小时观测一次。

监测方法与仪器设备：气温采用温度计(WNY03，误差±0.1 ℃)直接测定。地温的测试点位于日光温室中部，地温采用热敏电阻与直角五支组地温计(误差±0.1 ℃)相结合的方法，0～0.4 m范围内的土壤温度用五支组地温计测量，0.40～1.40 m范围内的土壤温度用热敏电阻测量。日光温室升温池灌溉水水温的测量采用温度计与热敏电阻(电阻值误差±0.5 Ω)相结合的测量方法。用UT-56型数字万用表测量即时的热敏电阻值后，利用公式换算成温度值。UT-56型数字万用表测量电阻时量程为200 Ω～20 MΩ，其测量精度为±(0.8%+5)。经公式(1)将实测阻值转换为温度值，精确度达到0.02 ℃，完全能满足本实验的研究要求。

(1)

式中：Rx，R25为实时实测电阻和温度为25 ℃时的电阻值，Ω；x为实时温度值，℃；B为常数，一般取3 000。

1.5 CFD模型简介

CFD (Computational Fluid Dynamics)即计算流体力学，是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科，在日光温室内的应用较为广泛。目前，CFD软件集中用来模拟分析日光温室内不同类型、不同通风形式下温室内的气流状况[9-12]，通风条件下温室内的温度场和湿度场[13-15]以及墙体材料对日光温室的影响[16-18]。2017年，胡婧娟[19]等首次利用CFD软件模拟预测了升温池内灌溉水的升温过程，并取得了良好的模拟精度。

使用CFD建立的灌溉水升温模型计算出的模拟值和试验的实测值相比，相关系数都在0.96以上，绝对误差的最大值都小于1.64 ℃，相对误差的均值都在5.46%以下，用CFD模拟灌溉水在升温池中的升温过程是切实可行的。所以，本文利用此模型计算越冬期不同时期内升温池灌溉水升温到适宜植物正常生长温度所需的时间。

2 结果与分析

越冬期间，日光温室室内地温、灌溉水进棚水温都在不断变化。灌溉水经过滴灌系统进入植物根部的过程中，由于灌溉水与土壤温度存在温差，会出现一个热量传递的过程。热量传递结束后逐渐达到平衡，这时灌溉水和土壤温度基本一致和相对稳定。只要平衡后的温度大于植物正常生长所需的最低温度，此时的灌溉水水温就能达到要求，即灌溉水进入日光温室后不需要升温即可进行灌溉；另一种情况是灌溉后，根系周围的温度不能达到植物正常生长所需的最低温度，即在这个时间段内需要对灌溉水进行升温，由于越冬期的不同时期地温不同，所需的灌溉水升温后的最低温度也不同，导致升温时间也不同。本文就以整个越冬期的室内地温、进棚水温为依据，以半个月为单位，分析计算越冬期各旬可直接灌溉时间段、需升温期各旬最低可灌温度、需升温期各旬升温最短时间。

2.1 室内地温和进棚水温的变化特性

日光温室种植的蔬菜根系大多分布在距地表0.5 m土壤层次之内，蔬菜的计划湿润层厚度为0.4 m，分析以旬为跨度的室内地温变化规律时，采用0.6 m内的土壤为研究层次。并且计算灌溉水与土壤热量平衡时，为偏于安全考虑，土壤温度应选用各层次土壤温度的最低值。0.6 m范围内的室内地温最低值和进棚水温变化过程见图1。

图1 越冬期气温、温室内地温和进棚水温的季节变化过程图Fig.1 Seasonal changes of air temperature, soil temperature and water temperature coming into the greenhouse in wintering period

由图1可以看出：

(1)室内地温、进棚水温和气温具有相似的季节变化规律。在整个越冬期内，气温、室内地温和进棚水温都呈现先降低后升高的趋势，且峰值、谷值同期。其不同点表现在日平均气温的变化幅度远大于室内地温、进棚水温的变化幅度。变化趋势的相似，说明室内地温和进棚水温受气温的影响和控制。

(2)越冬期间，无论地温还是进棚水温都存在不满足灌溉温度要求期。室内地温在越冬期的大部分时间内均大于10 ℃，但在1月10日至1月31日低于10 ℃；而进棚水温在整个越冬期间均小于10 ℃，变化范围为5.20～8.10 ℃，都达不到灌溉所需的最低水温要求。

(3)在整个越冬期内，室内地温最低值均大于进棚水温。由图1可以看出：室内地温最低值曲线始终位于进棚水温之上，表明室内地温最低值均大于进棚水温，也说明灌溉时温度梯度的方向是土壤→灌溉水，也就是热量传递的方向。也就是在灌溉过程中，室内土地土壤向灌溉水传导热量，使灌溉水温度上升，直到2者温度相等，达到热量平衡。

2.2 越冬期进棚水可直接灌溉时间段的确定

番茄植株及其根系正常生长所需的最低温度为10 ℃。越冬期各个时期室内地温不同，进棚水温也不同，只要灌溉水与土壤温度达到平衡后大于10 ℃，认为灌溉水水温适宜灌溉，以此标准来划定越冬期进棚水可直接灌溉时间段。即以热量平衡方程为基础，计算越冬期各时期土壤与灌溉水平衡后的温度，以此来确定越冬期可直接灌溉时间段。计算中假定：灌溉水从地表到作物根部的时间足够长，在到达作物根部时可以与土壤达到热量平衡。热量平衡方程为：

c水m水(t平-t水)=c土m土(t土-t平)

(2)

式中：c水、c土分别为灌溉水与土壤的比热容，J/(kg·℃)；m水、m土分别为灌溉水与土壤的质量，根据土壤类型，灌溉后含水率按33%计算，灌溉前的土壤平均含水率为17.4%，适宜土壤含水率的上限为33%，根据土壤类型选择，所以在公式中，m水/m土=0.156；t水、t土、t平分别为灌溉水初始温度、土壤初始温度、平衡温度，℃。

根据式(2)计算得出灌溉后的土壤温度见表1。从表1可以看出：

(1)进棚地面灌溉水全天无需升温可直接灌溉时期为11月整月；需在温室升温池升温后方可进行灌溉的时期为12月中旬到次年3月中旬，其中12月上旬、3月下旬，灌溉水在全天的部分时段内需要进行升温后灌溉。

(2)越冬期内，进棚灌溉水温度可直接灌溉与否遵循以下变化过程：灌溉水无需升温可直接灌溉→全天部分时段可直接灌溉→全天不可直接灌溉→全天部分时段可直接灌溉。这种变化过程由越冬期的气候所决定。在越冬期的初期和末期，气温、地温、进棚水温都处在一个相对较高的水平，并且这个时期的土壤和灌溉水之间的温度差也大于其他时期，在进棚水温和温度差都较大的情况下，灌溉水进入土壤进行热量平衡时，接受的热量多，灌溉水温度升高幅度大，平衡之后土壤和水的温度可以达到农作物正常生长所需的最低温度。在越冬期的中期，气温、地温、进棚水温都处于下降过程中，且土壤与灌溉水之间的温度差也变小，在进棚水温和温度差都较小的情况下，灌溉水进入土壤进行热量平衡时，接受的热量少，灌溉水温度升高幅度小，平衡之后土壤和水的温度难以达到或达不到农作物正常生长所需的最低温度要求。

表1 灌溉后土壤温度 ℃

(3)一日内部分不可直接灌溉时间段多出现在早上和上午。出现这种现象的原因是，受气温日变化规律的影响，进棚水温和地温呈现以日为周期余弦变化规律[20]，进棚水温和表层土壤温度在早上8∶00左右达到日最低值，在中午13∶00左右达到日最高值，所以在早晨和上午，地温和进棚水温都较低的情况下，达到热量平衡后，灌溉水水温不能达到农作物正常生长所需的最低温度，不可直接灌溉。

2.3 灌溉水需升温期最低可灌温度的确定

根据以上分析，12月中旬到3月中旬，灌溉后土壤温度不能达到作物需求的最低温度，在不升温的状况下，全天均不可灌溉，需要对灌溉水进行升温后方可灌溉。据2.2节所述的能量守恒原理、假定和计算方法，计算得到灌溉水需升温期各旬灌溉水最低可灌温度见表2。

表2 灌溉水需升温期最低可灌温度表 ℃

由表2可知，越冬期内每日内每个时间段的地温不同，得出的灌溉水各旬灌溉水最低可灌温度也不相同。若进棚水温在升温池进行升温后可以达到整日内各个时间段的最低可灌温度，则可以在一日内的任何时间进行灌溉。所以计算灌溉水需升温期最低可灌温度时，偏于安全考虑，以及保证升温的效果以及灌溉能顺利进行，选取灌溉水每日所有时间段中要求最高温度作为此日的最低可灌温度。则12月16日至12月31日、1月1日至1月15日、1月16日至1月31日、2月1日至2月15日、2月15日至2月28日、3月1日至3月15日，灌溉水需升温期最低可灌温度分别为8.5、10.8、9.8、9.1、8.0、7.5 ℃。最低可灌溉的最高值出现在1月上旬和中旬，最低可灌溉的最低值出现在2月下旬和3月上旬。

2.4 灌溉水升温时间的确定

灌溉水升温时间，指的是灌溉水从进入升温池开始，在太阳辐射、气温、地温热传导的作用下，升温到最低可灌温度所需的时间。本文利用笔者由CFD经典软件FLUENT建立的日光温室升温池内灌溉水升温模型对灌溉水升温时间进行模拟预测[19]，计算出灌溉水需升温期的升温时间见表3。

表3 灌溉水需升温期升温时间Tab.3 Warming up time of irrigation temperature in warming up period

由表3可见，在越冬期灌溉水需升温期间，不同时间段需要不同的升温时间，灌溉水升温所需的时间变化为5～51 h。在越冬期的初期和末期(12月和次年3月中、下旬)升温时间变化为5～8 h，在越冬期中期(1月上旬到2月下旬)升温时间变化为24～51 h。其中，1月灌溉水需升温时间最长，分别为51 h和47 h。升温时间较长原因有2个：一是进棚水温低。与其他时期相比，将进棚水温提升至可灌温度所需的热量较多。二是灌溉水与补热源间温度差减小。灌溉水水温能够升高，主要靠接受来自太阳辐射、与之相接触的土壤以及空气的热量，1月份室内地温以及气温均处于相对较低的状况，温度差也较小。根据傅里叶导热定律[21]可知，单位面积单位时间内传递热量的多少主要取决于导热系数和温度梯度，所以在导热系数一定的情况下，地温、气温与水温之间的温度梯度小，单位面积单位时间内传递的热量少，导致所需的升温时间长。

2.5 日光温室灌溉水升温管理技术

日光温室灌溉水升温管理技术包括灌溉制度、灌溉水需升温期和非升温期的划定、需升温期的最低可灌温度、升温时间以及灌溉时间。

2.5.1 灌溉制度

(1)设计灌水定额由下式进行计算:

m设=0.1ZP(θmax-θmin)/η

(3)

式中：Z为计划湿润土层深度，蔬菜取0.4 m；P为设计土壤湿润比，蔬菜取80%；θmax、θmin分别为适宜土壤含水率上、下限(占土壤体积的百分数)，根据土壤类型，取33%和26.4%；η为灌溉水有效利用系数，按0.95计。

由上式计算得设计灌水定额为22.2 mm，取22 mm。

(2)设计灌水周期由下式进行计算：

T=(m设/E0)η

(4)

式中：E0为设计耗水强度，在越冬期间日耗水强度较低，按2.0 mm/d计。

由上式计算得设计灌水周期T=7.3 d，取7 d。

(3)一次灌水延续时间由下式进行计算：

t=m设SeSc/q滴

(5)

式中：Se为滴头间距，取30 cm；Sc为毛管间距，取平均值60 cm；q滴为滴头设计流量，2 L/h。

由上式计算得：当种植行播作物时一次灌水延续时间为1.98 h。

日光温室内的升温水池容量约为5.88 m3，而整个日光温室一次灌溉所需水量约为9.2 m3，所以1池水不够同时灌溉整个日光温室，需要分为2次来进行轮灌，将日光温室内种植区平均分为2部分，东西向0～30 m为第1灌水区，30～60 m为第2灌水区，第1池水通过第1条支管来灌溉第1区，第2池水通过第2条支管来灌溉第2区。敞口地下长方形升温池中的灌溉水水量均不能满足所有作物的灌溉水量，需要分2次进行轮灌。

2.5.2 可直接灌溉时间段、最低可灌温度、升温时间、灌溉时间

灌溉水需升温期和非升温期的划定、需升温期的最低可灌温度、升温时间以及灌溉时间汇总见表4。统一设定灌溉水进入升温池的时间为上午11∶00，此时段气温地温都较高，有利于提升灌溉水的升温速率。

表4 越冬期适宜灌溉时间汇总Tab.4 The comparison of suitable irrigation time in wintering period

在实际的种植、灌溉、生产过程中，要严格按照表4规定的时间进行灌溉。在不需升温可直接灌溉时段，要在可灌时段进行灌溉；在灌溉水需升温时段，灌溉水必须在升温池按照表4中规定时间进行升温后，方可灌溉，实际升温时间可大于等于表中规定升温时间。

3 结 论

(1)以越冬期日光温室内地温和进棚水温为基础，利用热量平衡方程，计算出灌溉水进入根系时的温度值，划分了越冬期间灌溉水可直接灌溉时间段和需升温时间段。河流地面灌溉水无需升温可直接灌溉时期为11月整月，需在温室升温池升温后方可进行灌溉的时期为12月中旬到次年3月中旬。

(2)利用热量平衡原理，计算出灌溉水需升温期，进棚水温在通过与土壤进行热量交换后达到作物正常生长温度所需的最低可灌温度。灌溉水需升温期间，可灌溉的最低温度为7.5～10.8 ℃，最低可灌溉的最高值出现在1月上旬和中旬，最低可灌溉的最低值出现在2月下旬和3月上旬。

(3)利用CFD经典软件FLUENT灌溉水升温模型，计算出了灌溉水在越冬期需升温时间段的升温时间。河流地面灌溉水需升温期间，不同时间段需要不同的升温时间，灌溉水升温所需的时间变化为5～51 h，从1月上旬到2月下旬升温时间变化为24～51 h，12月和次年3月中、下旬升温时间变化为5～8 h。

(4)提出了日光温室灌溉水升温灌溉管理技术。升温灌溉管理技术包括灌溉制度以及灌溉时间等技术。在越冬期，在对棚内作物进行灌溉时，要严格遵守灌溉水放水时间、灌溉制度、可直接灌溉时期、升温时间以及灌溉时间的规定，以达到作物安全生产的目的。

计算结果可以推广到高海拔低温地区的设施农业应用中，具有重要的实践意义，能为高海拔低温地区设施农业灌溉水管理提供理论依据和技术保障。

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