陈维铅 ,李玉宏 ,薛仰全 ,李 涛 ,蔺栓保

（1.甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室，酒泉职业技术学院，甘肃酒泉 735000；2.酒泉新能源研究院，甘肃酒泉 735000）

1 概述

2017年8月，甘肃省人民政府办公厅发布了《关于河西戈壁农业发展的意见》，指出了大力发展河西地区戈壁农业，以戈壁日光温室、钢架大棚为载体，以农业废弃物为主要生产原料，采用基质栽培技术和高效节水技术，走出一条具有特殊河西戈壁农业发展通道，开创甘肃农业现代化建设新局面。在甘肃省政府的引导下，酒泉市及时部署，发布了《酒泉市关于加快发展戈壁农业的实施意见》，并编制了 《酒泉市20万亩戈壁农业发展规划（2017年-2022年）》，明确了全市戈壁农业发展的目标及重点工程[1]。戈壁生态农业是指利用戈壁滩、砂石地、沙化地、撂荒地、盐碱地等不适宜传统农业的搁置国土资源，以发展设施蔬菜、高品位瓜果为目标，采用标准化日光温室，将有机基质栽培技术、高效节水技术、设施种植技术等现代农业技术有机结合的戈壁生态循环农业[2]。酒泉总面积19.2万km2，全市戈壁荒滩1.7亿亩，占全市土地面积的70%，具有日照时间长、昼夜温差大等特点，种植蔬菜、瓜果产量高、品质好，大力发展戈壁农业具有广袤的土地资源和自然条件。建设标准化日光温室，打破传统耕作模式，将生态环保、高效灌溉、无土栽培技术等有机结合，推动农业发展产业升级，促进农村经济健康发展，助力乡村振兴战略，开创农民增收新路径，打开增收新渠道，帮助农户持续脱贫致富。

2 酒泉戈壁日光温室发展现状

早在1992年，酒泉就开展无土栽培技术的探索，从我国农业科研院引进有机生态无土栽培技术，种植瓜果、蔬菜等农作物。通过多年的实践，直到2005年，酒泉肃州区依托有机生态无土栽培技术，在非耕地荒漠戈壁滩上，修建日光温室，探索适宜河西地区戈壁、沙滩农业生产的日光温室结构和有机无土栽培技术体系。2010年，我国农业部设立专项，在荒漠戈壁、边境、沿海地区等非耕地区域发展农业利用技术集成与示范项目。甘肃农业科学院牵头，开展了“非耕地农业利用技术的集成与应用”项目研究工作，在河西地区有机无土栽培技术的基础上，建立了基质发酵与复配技术体系，利用农作物秸秆、牛羊粪等发酵有机基质，实现了农业废弃物的可再生利用，降低了无土栽培基质的成本。每亩日光温室需要基质67m3，可转化利用农作物秸秆、畜禽粪污、尾菜等农业废弃物125 m3，基质还田，提升土地肥力、改良土壤。与此同时，在酒泉肃州区总寨镇开展了戈壁日光温室整体示范，包括高效节水灌溉技术、温室墙体修建技术、不同瓜果、蔬菜有机基质配置技术等集成示范和推广应用，为大面积发展戈壁生态农业提供技术支撑[3]。2017年4月，甘肃省长唐仁健在考察酒泉肃州区非耕地生态农业时，首次将以戈壁日光温室为载体的现代农业概况为“戈壁农业”。之后，他称“戈壁农业”是甘肃广大科技工作者和基层农业技术人员集体智慧的结晶，是农业生产方式的革命性创举，是发展设施瓜果、蔬菜等特色农产品的新型农业发展业态，酒泉戈壁生态农业大规模发展迎来了新机遇[4]。

目前为止，酒泉市戈壁生态农业面积达到9万亩，肃州区规划建设总寨、东洞、西洞3个万亩戈壁农业产业园，已建成戈壁日光温室6000座，银达镇戈壁农业产业园建成戈壁日光温室1350座，肃州区戈壁农业面积累计超过2.5万亩。玉门市规划建设2万亩戈壁农业生产基地，包括玉门镇麻良滩现代戈壁农业、赤金镇戈壁温室韭菜产业基地、清泉乡戈壁温室人生果产业基地、下西号镇戈壁蔬菜产业园、黄闸湾镇戈壁蔬菜产业园、柳河镇戈壁蔬菜产业园、花海大畅河戈壁蔬菜产业园等8个千亩戈壁农业产业园；柳湖乡已建成100亩戈壁日光温室，150亩钢架拱棚，清泉乡建成戈壁日光温室1032座，玉门戈壁农业面积达1.4万亩。瓜州县12个乡镇规划建设13个以日光温室、钢架大棚、特色林果为主的戈壁农业产业园，建成日光温室1215座3000亩，钢架大棚1080座1185亩，全县戈壁农业面积达1.8万亩，与深圳阳光庄园、广州汇源果业、广州顺德凤凰优选等大型果蔬企业建立战略合作协议，签订戈壁蜜瓜种植1250亩，棚均收入2～3万元，户均一座致富棚，戈壁农业特色产业收入，占到农户人均收入的30%。金塔县规划建设30个百亩节水示范园区，日光温室1.26万亩，特色林果0.95万亩，钢架拱棚2万亩。敦煌戈壁农业产业园，建成两座戈壁日光玻璃温室12亩（8400m2），戈壁日光温室404座。

酒泉戈壁农业出现了良好的发展趋势，打破了传统农业的发展模式，在戈壁荒滩资源丰富，水资源紧缺的条件下转变农业生产方式，发展农业经济的新业态，符合国家相关生态资源保护政策，充分利用国土资源、日照资源，修复生态环境，具有良好的社会前景和重要的战略意义。酒泉市培育以日光温室为主的高效蔬菜、优质林果、特色中药材等优势特色产业面积达到221万亩，每亩年收入2.5～3万元，是传统种植的10倍以上。

3 戈壁日光温室冻害问题分析

酒泉属内陆干旱地区，气候特点是干燥少雨，年平均气温7.5℃，年平均最低气温1℃，最低气温达-32℃。冬季（11月份至次年3月份）平均最低气温在-6℃至-15℃，冬至前半个月到冬至后半个月气温最低，白天气温-10℃以下，夜间-20℃以下，冬至前后，日照时间最短，仅有8h，如遇到连续阴雪天气，无法揭去棉被采暖，温室内温度低至5℃～0℃以下。要保持农作物正常生长，温室内温度应保持在12℃以上，果蔬类农作物冻害临界温度在5～8℃，叶菜类冻害临界温度在1～3℃。日光温室低温冻害对农作物的影响因低温程度、持续时间长短、果蔬生育期的不同而异，不同农作物抵抗冻害的程度也不同。一般情况下，黄瓜在15℃以下生长缓慢，在12℃以下开始落花，10℃以下新成代谢失调，冻害临界温度在7～8℃，植株停止生长。辣椒在15℃以下生长缓慢，13℃以下开始落花，9℃以下新成代谢停止，6～7℃以下表皮组织受到冻害，-2～1℃植株枯死。茄子在16℃以下生长缓慢，14℃开始落花，10℃以下新成代谢失调，7～8℃表皮组织受损，-2～1℃植株枯死。番茄在1℃以下生长发育受阻，当温度低于8℃番茄生长缓慢，当温度低于5℃以下时生长停止，-2～1℃霜冻即可冻死。西瓜、甜瓜等在15℃以下雌花不能正常开放，13℃以下开始落花，9℃以下新成代谢失调，6～7℃以下表皮组织受到冻害，0～1℃植株枯死[5]。因此，冬季酒泉地区干燥寒冷，冻害问题成为影响戈壁农业生产和大规模发展的瓶颈问题，解决戈壁日光温室冬季冻害问题迫在眉睫。

4日光温室增温防冻技术

在冬季生产，戈壁日光温室常会遇到大风、降温、持续阴雪等天气，若防护不当，会导致日光温室破损、冻害，造成农作物减产甚至绝收。日光温室在我国北方地区发展较早，应用广泛，人们对其冬季保暖、增温防冻、冻后处理方面积累了大量的经验和措施，主要有加强温室防寒管理、合理浇水、挖防寒沟、填埋稻草、架设取暖设施等[6]。

4.1 管理保温

适宜的温室结构、精确的管理措施能有效降低、缓解戈壁温室的冻害问题。首先，建造标准型日光温室，宽度8～10m，脊高3.8～4.2m，后屋面水平投影1.2～1.4m，主采光屋面半径为4.5m的圆弧，后屋面仰角40°，长度80m，是抵御寒冷的前提保障。其次，高效、精确的管理能有效抵御寒冷，及时关注天气情况，遇到持续阴雪天气加盖好保温棉被，又要注重及时补光，植被在低温下也进行光合作用，防止因长时间缺乏光合作用而导致代谢失调。在温室内温度允许或不影响农作物生长的情况下，早拉、晚放棉被，较大限度的延长光照时间，增加温度的热量存储，增强农作物的抗逆性，抵抗虫害，防御低温。再次，合理的浇水施肥，控制浇水施肥，要量少次多，水温最好在12℃以上。水分比空气比热高，散热慢，冬季白天较好天气（20℃以上）可通过灌水提高，室内土壤含水适量，可预防晚上冻害。但是，冬季阴雨天气，室内温度较低，不适宜灌水。最后，中耕保温，若温室内地面板结，白天太阳光照射进入耕作层热气受阻，土壤蓄热较少，加之板结土壤裂缝大、团粒结构差，热量散失较快，容易造成农作物冻害。进行中耕或浅耕，破坏地面板结裂缝，降低地下水气散发，可预防冻害问题。

4.2 传统保温措施

增温与排湿是日光温室预防冻害的关键。传统的增温方式主要有[7]：（1）采用保温性能较好的棉被，阴雪天加盖好保暖覆盖物，晴天时早晚及时揭开或盖好棉被，防冻与通风有效结合，锻炼植株的抗逆性提高农作物抵御寒冷的能力。（2）温室内架设千瓦灯，在短日照或者持续阴雪天气条件下，通过电灯补光增温，增加光照辐照度，提升室内温度；阴天或早晚通过电灯给农作物补光3～4h，可提高产量10%～30%，缩短营养生长期，促进农作物生长，缓解低温冻害。（3）在温室前挖深50m、宽40m的防寒沟，清洁棚膜增温增光，棚内加挂二层被等措施，可提高室内温度2～3℃。（4）建立标准蓄水池，采用膜下滴灌，即可节约水资源，又可降低温室湿度。（5）在温室内后墙，挂上反光幕，也能起到增光、提温的作用，减少低温冻害的发生。（6）添加换气扇，在室内温度降低时，及时通风排湿，降低温室内湿度，增强植被抗冻能力。（7）叶面喷营养素抗寒，冬季气温低、光照弱，根部吸收能力差，可通过叶面喷洒光合微肥，补充营养，提高植被抗寒性能。（8）有条件地区，温室内通暖气，安装燃烧化石燃料的热风炉、热水炉等，在极寒天气可有效预防植被冻害问题。（9）在高寒、戈壁地区，可通过架设电加热元件，在持续阴雪天气给温室增温，帮助农作物度过低温天气。

当温室内农作物受到冻害后，可通过以下措施进行补救[8]：（1）阴雪天过后，温室蔬菜受到冻害，不能立即闭棚升温，要缓慢升高室内温度，避免因温度骤变而导致蔬菜受冻组织坏死。（2）及时剪去受冻茎叶和果实，喷洒营养液，有利于农作物恢复生长。（3）使用生根粉和4%农抗120水剂混合灌根，可促进根系再生；叶面喷洒植物动力2003营养剂1000倍液，15恶毒灵水剂500～800倍液，防止冻害后蔓延腐生菌。（4）利用10%的速克烟剂或45%的百菌清烟剂，以防病虫害发生。（5）若受到冻害严重，植被立即枯萎，无法补救。

4.3 新型保温措施

近年来，日光温室冬季保温与太阳能集热、太阳能光伏发电、风能制热、空气动能等相结合，成了国内外学者的研究热点。李志浩[9]采用太阳能集热和光伏发电相结合的方式，设计了一套温室太阳能供暖系统，利用平板集热器吸收太阳辐射，将热量通过热循环泵存储在地下蓄热池，再由热风机散热系统将蓄水池内的热量以对流的形式扩散到温室内，提高室内温度。光伏发电系统为热水循环动力装置、热水散热装置、控制系统等提供电能，多余的电能并入电网。杨康[10]提出了一种采用风能搅拌致热装置为温室增温供暖，风力机采集风能，将风能通过传动轴输送至制热器，带动主轴上的转子叶片搅动液体工质做湍流运动，叶片与剧烈运动的液体工质相互摩擦、碰撞，以热能的形式释放出来，使得致热工质温度升高，通过散热装置将热量释放到温室内。刘晓勤[11]等人，设计了一种双热源混联式太阳能热泵温室供暖系统，太阳能集热供暖系统可单独运行加热蓄热水箱或者直接向温室供暖，空气动能泵（热泵）以压缩空气作为热源发生器，加热蓄热水箱，获得高温热水，供暖水箱中的水通过风机盘管向温室供暖。蒋绿林[12]等人，将太阳能集热技术、热泵技术、土壤储能技术相结合，设计了一套温室大棚多热源供暖系统，当太阳能集热板温度与温室外温度差大于5℃以上，太阳能集热供热系统作为高温热源为温室和土壤蓄热系统提供热能。当温室内温度小于25℃，地源（土壤）热泵供暖系统作为低温热源为温室供暖，大于30℃，地源热泵供暖系统停止。当温室温度达到上限（35℃以上），地源热泵制冷系统抽取温室内的热量将其存储于土壤下面的集热管内，降低温室内温度。

上述日光温室（温室大棚）新型供暖系统，在日照充足、风力稳定的条件下，才能够为温室提供稳定的热源。但是，冻害问题往往在凌晨或者持续阴雪天气发生，新型供暖系统受自然因素的影响较大，难以有效满足戈壁日光温室供暖需求。太阳能集热、风能集热、压缩空气动能等供暖系统复杂、运营维护困难、设施成本较高，难以大面积推广应用。随着戈壁日光温室的大规模发展，探索了多种冬季供暖系统，都无法满足供暖需求，难以有效解决戈壁日光温室冬季冻害问题。

5 生物质热风炉

生物质能作为仅次于太阳能、风能的第三大清洁可再生能源，其开发利用受到了各国政府的高度重视。我国对生物质热风炉的开发利用开展了一定的实践工作，但是目前为止，还没有一款专门应用于日光温室增温防冻的热风炉，如图1所示。

图1 生物质热风炉总体结构图

文章提出了一种以生物质颗粒为燃料、性能可靠、节能环保的热风炉，有效解决戈壁生态农业冬季冻害问题。该生物质颗粒燃料热风炉以同轴心双层钢套筒为炉膛，以镀锌多级循环套筒为换热装置，以分布式热风收集输送循环为散热系统。主要结构包括燃烧室、换热装置、散热装置、自动给料装置、自动点火装置，以及自动控制系统，总体结构如图1所示，实物如图2所示。热风炉采用散热与排烟双循环系统，炉膛助燃空气与室内加热空气通过双循环管道隔离开，室外空气从进风管进入炉膛助燃后形成烟气再从排烟管道排出室外；室内冷空气从炉膛侧壁口进入换热装置（混流箱）后形成热空气通过散热管道排向温室另一端，热风出口安装引风机，使混流箱及散热管道内形成负压，迫使室内冷空气从炉膛侧壁进入散热装置，实现温室内空气循环加热，提高热能利用效率。温室外排烟口处安装排烟引风机，使炉膛及排烟管道形成负压，有效预防了烟气从排烟管道遗漏温室而影响农作物正常生长的问题。

图2 热风炉实物图

6 展望

戈壁日光温室集有机生态无土栽培技术、高效节水灌溉技术、设施种植技术等现代农业技术于一体，是广大科技工作者集体智慧的结晶，在甘肃省政府的大力支持下，酒泉戈壁农业得到了大规模的发展。但是酒泉地区冬季干燥寒冷，持续阴雨天气，冻害问题成为影响戈壁温室正常生产的重要因素，急需开发一款成本低、操作简单、增温防冻效果明显、使用性能好的戈壁日光温室增温防冻装置，为戈壁农业的健康发展保驾护航。本文作者提出了一种生物质颗粒热风炉，结构简单、操作方便、成本低廉，有望大规模应用于戈壁日光温室冬季增温防冻。在后续推广应用过程中，根据实际应用效果，需进一步分析该热风炉热效率，改进换热结构，优化控制系统，不断提升使用性能，有效解决解决戈壁农业冬季冻害问题。