张彩虹，姜鲁艳，刘 涛，刘 娜，王国强*

(1.新疆设施农业工程与装备研究中心，新疆乌鲁木齐 830091；2.新疆设施农业智能化管控技术重点实验室，新疆乌鲁木齐 830091;3.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐 830091)

新疆戈壁设施农业的快速推进带动了戈壁日光温室产业的迅速发展。然而，复杂的自然条件、落后的农业建筑设计与建造理念、薄弱的基础研究以及温室墙体材料及其构筑方式、温室作物栽培环境条件以及温室建筑结构体系等现代园艺设施农业建筑环境设计理论和方法缺乏，致使冬季戈壁日光温室环境低温高湿、作物生产效益低[1-2]。能耗大是制约新疆日光温室冬季瓜果蔬菜生产发展的主要因素，日光温室冬季生产(包括春提早、秋延晚)加温(北疆)或补充加温(南疆)基本依靠燃煤来实现，增加了生产成本，加大了对环境的污染，无法实现设施农业产业的良性循环。据统计，在北纬35°～43°地区温室冬季加热耗能费用约占总生产成本的30%～70%。一座温室(面积0.67 hm2)要实现越冬生产，一般在北疆(塔城地区)需煤6～8 t，在南疆(喀什地区)需煤3～4 t，煤资源浪费严重。为了节约能源，最大限度地利用能源，合理增加温室后墙蓄放热是实现日光温室越冬生产的有效途径[2-4]。新疆冬季气温低，探讨后墙蓄热性能、材料特性对于实现日光温室实现周年生产具有重要的实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料试验分别于2015年10月8日至2016年3月11日和2016年10月20日至2017年3月20日在乌鲁木齐西山农牧场戈壁日光温室内进行，试验地位于87.23°E 43.63°N。试验温室朝向均坐北朝南，东西延长，长度为25 m，跨度为8 m，脊高为3.76 m，北墙高度为2.46 m。前坡屋面采用0.12 mm厚的EVA薄膜；顶部通风口用来调控日光温室室内空气湿度和CO2浓度，开启时间为13:30—15:30；EVA薄膜外侧每天19:00至次日10:00铺设10 mm厚的毛毡保温被。2个温室北墙体的构筑方式不同，其中新型墙体日光温室的北墙采用新型日光温室主-被动式相变蓄热墙体(图1)，墙体内表面贴有40 mm厚的相变材料，中间层由砌块和砖构成，其中砌块的厚度为190 mm，砌块和砖中间设有150 mm厚的空气通道，砖的厚度为370 mm，墙体外表面为100 mm厚的聚苯板保温材料，墙体顶部敷设有长16 m、宽0.6 m的太阳能集热器，每天11:00—17:30太阳能集热器产生热空气并在高1.9 m处以0.22 m/s的速度送入墙体内部竖向空气通道，在高0.2 m处从墙体内部竖向空气通道流出；普通墙体日光温室的北墙采用普通墙体(图2)，由190 mm厚的砌块、370 mm厚的砖和100 mm厚的聚苯板保温材料组成。

图1 新型墙体Fig.1 New wall

图2 普通墙体Fig.2 The ordinary wall

1.2 试验设计供试番茄品种为金鹏1号。试验温室和对照温室面积均为200 m2。定植前深翻土壤，起垄覆膜。2015年试验于2015年9月5日播种，2016年试验于2016年9月12日播种，待幼苗长至四叶一心时选取长势一致的幼苗按照株行距70 cm、35 cm进行定植。番茄整个生育期2个试验温室均按照统一的栽培管理制度进行田间管理，每3～5 d浇灌1次相同质量的水，并随水施用相同质量的肥料。

1.3 测定指标与方法

1.3.1植株生长指标的测定。在定植30、40、50、60、70 d后，使用直尺(东佳01型卷尺，测量精度为±1 mm)测量作物株高；使用游标卡尺(上工星游标卡尺，测量精度为±0.05 mm)测量作物的茎粗[5-8]。

1.3.2果实产量及品质的测定。在果实成熟期，每个重复随机选取10株用天平(佰伦斯电子天平，测量精度为0.1 g)测量单果重及单株产量，并换算成平均产量。分别在2个试验温室的前屋面区、中部、后墙区选取大小和色泽一致的果实进行品质分析。果实可溶性固形物含量使用阿贝折射仪测定[9]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[9-10]，维生素C 含量采用钼蓝比色法测定[11-12]。

1.3.3叶片净光合速率的测定。在番茄开花坐果期选择某个晴天10：00—12:00使用LI-6400便携式光合作用仪测定叶片的净光合速率(Pn)，使用开放气路，空气流量为0.5 L/min，叶片温度25 ℃，叶室内相对湿度70%～75%，CO2浓度360 μmol/mol。测定时光强由强到弱，依次设定光量子通量密度[2 500、2 000、1 600、1 200、1 000、800、600、400、300、200、150、100、50、0 μmol/(m2·s)][13-16]。

1.3.4温度测定。室内空气温度、墙体不同位置温度、10 cm深度土壤温度均使用防辐射处理的T型热电偶进行测定，其测量精度为±0.5 ℃，并由1台数据采集仪(Agilent 34972A,美国)、1台电脑和配套软件进行记录，参数测试间隔均为5 min。

1.4 数据统计与分析使用Excel 2010软件进行数据整理及绘图,使用SPSS 19统计软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 太阳能主-被动式相变蓄热墙体对温室内空气温度的影响由于试验跨度时间较大，选取2016年2月27日10:00至2月28日10:00一个完整蓄放热周期的温室空气温度进行分析。从图3可以看出，在太阳能集热器主动供热前(11:00前)，由于2个温室均是由太阳辐射被动式加热，室内空气温度随着太阳辐射的增加而增加；在太阳能集热器主动蓄热开启(11:00)以后，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室的室内空气温度升高速率进一步提高；13:00，温室内空气温度为38.54 ℃，高于普通墙体日光温室(32.05 ℃)；13:30，2个温室顶部通风口开启，室内空气温度均有所降低，但是太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室内空气温度为34.52 ℃，高于普通墙体日光温室(28.65 ℃)；13：30至15:30日光温室通风口关闭，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室室内空气温度均高于普通墙体日光温室；15:30至19:00(温室关帘时)，2个温室室内空气温度均随着太阳辐射的降低而降低，但是太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室室内空气温度均高于普通墙体日光温室。

在2个温室关帘(2月27日19:00)以后，温室室内空气温度逐渐下降，但是太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室内空气温度下降速率小于普通墙体日光温室，2个试验温室的室内空气温度差值随着时间的增加而逐渐变大，从关帘时的0.32 ℃逐渐扩大到第2天揭帘时(2月28日10:00)的1.38 ℃。整个试验期间太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室室内空气温度均高于普通墙体日光温室。

图3 太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室和普通墙体日光温室室内空气温度的比较Fig.3 The comparison of indoor air temperature between solar energy active-passive heat-storage wall greenhouse and ordinary wall sunlight greenhouse

2.2 太阳能主-被动式相变蓄热墙体对温室内土壤温度的影响从图4可以看出，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室室内土壤温度在整个试验期间均高于普通墙体日光温室。早上开帘时(2月27日10:00)，2个试验温室室内土壤温度基本相同，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室室内土壤温度为20.30 ℃，普通墙体日光温室为20.25 ℃。随着太阳辐射的增加和室内空气温度的升高，2个试验温室的土壤温度均逐渐上升，下午关帘以后2个试验温室室内土壤温度逐渐降低。通过分析一天的室内土壤温度数据发现，在开帘期间(2月27日10:00—19:00)，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室的土壤温度较普通墙体温室最大值高1.81 ℃、最小值高0.34 ℃、平均值高0.99 ℃；在关帘期间(2月27日19:00至2月28日10:00)，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室的土壤温度较普通墙体日光温室最大值高1.14 ℃、最小值高0.49 ℃、平均值高0.79 ℃。

图4 太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室和普通墙体日光温室室内土壤温度的比较Fig.4 Comparison of indoor soil temperature between solar energy active-passive thermal-storage wall greenhouse and ordinary wall sunlight greenhouse

此外，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室室内土壤温度上升反应时间也比普通墙体温室迅速，且上升持续时间也较长。太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室的土壤温度10:30时温度开始上升，18:30达到最大值，为26.54 ℃；普通墙体温室的土壤温度12:30开始升高，17:30达到最大值(25.48 ℃)，较太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室的土壤温度开始上升时间晚2 h，峰值到达时间提前1 h，上升持续时间缩短3 h。

2.3 太阳能主-被动式相变蓄热墙体对番茄生长的影响从图5可以看出，在定植40～90 d，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室番茄的株高均高于普通墙体日光温室，并且随着时间的增长，2个试验温室番茄株高的差值整体上呈现递增的趋势。在定植40 d时，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室番茄株高为55.84 cm，而较普通墙体温室(49.70 cm)提高了6.14 cm；在定植80 d时，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室番茄株高为157.14 cm，普通墙体温室番茄株高为107.94 cm。整个生育时间内，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室的平均株高较普通墙体日光温室高26.07%。

图5 太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室和普通墙体日光温室番茄株高和茎粗的比较Fig.5 Comparison of plant height and stem thickness of tomato between solar energy active-passive thermal-storage wall greenhouse and ordinary wall sunlight greenhouse

作物茎粗是表征作物生长情况的另一个指标[17]。从图5可以看出，在测试期间太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室的作物茎粗明显高于普通墙体日光温室。其中，40、50、60 d时新型墙体日光温室的番茄茎粗较普通墙体日光温室分别增加44.21%、42.81%、26.51%。70 d以后，2个试验温室番茄茎粗的差值逐渐减小，但是太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室番茄茎粗仍高于普通墙体日光温室，分别高15.34%、14.44%和9.40%。究其原因，可能是室外温度逐渐升高，室内热环境需求的热量逐渐减少，从而逐渐弱化太阳能主-被动式相变蓄热墙体的热工性能发挥效果，逐渐使得2个日光温室番茄茎粗的差值逐渐减小。

2.4 太阳能主-被动式相变蓄热墙体对番茄叶片净光合速率的影响试验测定选择在晴天10：00—12:00进行。从图6可以看出，当光量子通量密度为0～600 μmol/(m2·s)时，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室与普通墙体日光温室番茄的净光合速率(Pn)差异不显著，但均随着温度的升高而呈逐渐增大的趋势。当光量子通量密度为800 μmol/(m2·s)后太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室番茄叶片净光合速率与普通墙体日光温室存在显著差异，平均值提高28.14%。该试验结果表明，太阳能主-被动式相变蓄热墙体提高了温室环境温度，在同等光照强度条件下促进番茄植株净光合速率的提高。

图6 太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室和普通墙体温室番茄叶片净光合速率的比较Fig.6 Comparison of net photosynthetic rate of tomato leaves between solar energy active-passive thermal-storage wall greenhouse and ordinary wall greenhouse

2.5 太阳能主-被动式相变蓄热墙体对番茄产量的影响从图7可以看出，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室的最高日产量和总产量均比普通墙体日光温室高，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室番茄最高日产量133.02 kg，总产量1 327.19 kg；普通墙体日光温室番茄最高日产量为114.64 kg，总产量为1 036.79 kg。太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室番茄总产量较普通墙体日光温室提高28.0%。此外，新型墙体太阳能主-被动式相变蓄热墙体还可以缩短日光温室果实的成熟期。太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室在3月25日开始果实成熟，日产量为0.69 kg；4月5日再次果实成熟，日产量为1.04 kg；普通墙体温室第一次果实成熟发生在4月10日。太阳能主-被动式相变蓄热墙体可以缩短果实生长周期12 d。

图7 太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室和普通墙体温室番茄产量的比较Fig.7 Comparison of tomato yield between solar energy active-passive thermal-storage wall greenhouse and ordinary wall greenhouse

2.6 太阳能主-被动式相变蓄热墙体对番茄果实品质的影响从表1可以看出，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室和普通墙体日光温室在可溶性糖含量、可溶性固形物含量、VC含量以及番茄红素含量等方面均无显著差异。这可能是因为在相同的管理条件下光照、水肥等条件均匀一致，3 ℃左右的温度对番茄生长发育的影响较大，但对番茄果实营养品质的影响不明显。

3 讨论

(1)前人研究结果表明，日光温室墙体热工性能的目的是维持室内热环境的舒适性。其中，室内空气温度是表征室内热环境舒适性的一个重要参数，直接影响作物的光合作用、蒸腾作用等生理作用[18-19]。在一定范围内，室内空气温度越高，室内环境舒适性越强[20]，墙体的热工性能越好。太阳能主-被动式相变蓄热墙体不仅可以有效提高白天室内空气温度，而且可以有效改善夜晚室内空气温度，且随着时间的增长，改善效果越来越明显。

表1 蓄热墙体对番茄营养品质的影响

(2)日光温室种植的主要目的是通过提高室内热环境，改善作物的生长情况，进而提高作物的产量[21-23]。新型墙体可以有效提高室内空气温度、土壤温度和墙体内表面温度，增加作物舒适生长时间和日有效积温。该试验结果表明，由于新型墙体具有更佳的热工性能，可为作物生长营造更舒适的热环境，从而促进作物株高、茎粗等生长指标的增长，提高作物净光合速率，促进光合产物的积累，提高作物产量。

4 结论

(1)太阳能主-被动式相变蓄热墙体不仅对日光温室室内土壤温度有明显的提升作用，而且对土壤温度的上升持续时间也有显著的改善作用。太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室的土壤温度较普通墙体温室最大值高1.14 ℃、最小值高0.49 ℃、平均值高0.79 ℃。太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室内空气温度均高于普通墙体日光温室，最大值高6.81 ℃，最小值高0.32 ℃，平均值高2.99 ℃。

(2)太阳能主-被动式相变蓄热墙体由于具有更佳的热工性能，可为作物生长营造更为舒适的热环境，从而促进作物株高的增长。太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室番茄叶片净光合速率与普通墙体日光温室存在显著差异。整个生育测试期间，太阳能主-被动式相变蓄热墙体温室番茄的平均株高较普通墙体日光温室高26.07%，总产量提高28.0%。