0 引言
從目前的發展形勢看,由于良好的經濟性和廣泛的適應性,日光節能溫室在我國北方已經得到廣泛的應用,并具有良好的發展前景[1].現代農業的高速發展對日光溫室的建造成本、建造質量、管理經營、土地合理利用等方面有著更高的要求,而傳統日光溫室建造粗糙且跨度較小,導致土地利用率過低.所以,很多學者設想通過建造大跨度的日光溫室來提高土地利用率和溫室熱容量,但是這些設想沒有實踐依據和理論依據作為支撐.在以丘陵山地為主的安塞地區建造山地日光溫室,既能實現成本的大幅度降低,又能做到土地的合理利用.
隨著日光溫室進一步發展,國外學者 Fitz - Ro-driguez E[2]、López Hernández[3]、Kawashima H[4]、Y.Mahrer[5]等對溫室微環境和溫室性能進行了大量的研究.國內學者則開始投入到對日光溫室的結構改造和性能優化的研究上.齊飛[6]、周長吉[7]等人對日光溫室的結構以及日光溫室的采光性能進行了優化研究并提出改善方案.管勇[8]、徐凡[9]等人對日光溫室的熱環境以及溫室的微氣候進行了模擬研究.
近年來,遼寧沈陽[10]、寧夏銀川[11]、延安安塞等地相繼建立了大跨度日光溫室,最大跨度已經達到14m,但實際應用效果并不理想,所以日光溫室跨度對其性能的影響,有待于進一步探究.本文通過對山地日光溫室在 9、10、11. 5m 這 3 種不同跨度下的光照、濕度、溫度、辣椒產量和經濟效益等參數的分析,尋求適合延安安塞地區氣候條件的最佳跨度.
1 試驗方法
1. 1 試驗溫室
試驗溫室位于陜西省延安市安塞縣高橋村山地日光溫室試驗園.園內有溫室 36 座,其中 9m 溫室為14 座,11. 5m 溫室為 11 座,10m 溫室為 11 座,總占地面積 36 250m2.有 3 座溫室供于試驗\\(GH - 9,9m 跨度日光溫室;GH -10,10m 跨度日光溫室;GH -11. 5,11. 5m 跨度日光溫室\\) .供試的山地日光溫室均坐北朝南,東西延長,后墻為山體機打梯形后墻,在理論上為一個無限大的蓄熱體,具有良好的蓄熱保溫效果;采光面為 PE 塑料薄膜,夜間用 2. 5cm 厚草苫保溫;種植作物為辣椒,種植數量分別為:GH - 9 為 3 000 株,GH - 10 為 3 200 株,GH - 11. 5 為 3 600 株;于 2012年 12 月15 日前后定植,2013 年5 月30 日拉秧.表1為供試日光溫室的結構參數.
1. 2 試驗方法
1. 2. 1 試驗儀器
本試驗對于溫室的溫度、濕度和光照的測量均采用哈爾濱物格電子有限公司生產的監測儀器.溫度監測使用測量精度為 0. 2℃ 的 8 路溫度監測儀;濕度監測使用測量精度為 3% 的濕度環境監測儀;光照測量使用測量范圍為 1 ~100 000lux 的監測儀器.
1. 2. 2 布點方法
1\\) 溫度布點.在溫室 1 /2 長度截面、辣椒冠層高度\\(即 1. 8m\\)、從南到北 1/4 跨度、2/4 跨度、3/4 跨度各布一個點.
在溫室 1/2 跨度截面,從上到下 2. 8m、0. 8m 各布一個點;從東向西 1/4 長度、3/4 長度各布一個點;在地面 1/2 跨度、后墻 1/2 高度位置各布一個點; 在室外距離溫室 3m、高 1. 8m 布一個點,作為室外參照點;共 10 個點.
2\\) 濕度布點.在溫室 1 /2 長度截面、辣椒冠層高度、從南到北 1/4 跨度、2/4 跨度、3/4 跨度各布一個點.
3\\) 光照布點.在溫室 1 /2 長度截面、辣椒冠層高度、從南到北 1/4 跨度、2/4 跨度、3/4 跨度各布一個點.
1. 2. 3 辣椒果實的生長和產量監測方法
在 3 座供試日光溫室內,以株距 35cm、行距 50cm分別種植辣椒 3 000、3 200、3 600 株,從每座溫室的同一種植區域分別選取 30 株辣椒,測量其果實生長參數和產量情況,以評價跨度對辣椒生長發育的影響.
1. 2. 4 溫室經濟效益的分析方法
對供試的 3 座日光溫室內種植辣椒的總產量、總產值、凈產值、土地利用率以及單位面積凈產值等參數進行分析,以評價跨度對溫室經濟效益的影響.
2 結果與分析
測試時間為 2012 年 12 月 19 日 -2013 年 3 月 25日,3 座日光溫室的性能有明顯差異.現選取自 2013年 1 月 13 日 0:00 -2013 年 1 月 17 號 0:00\\(共 5 天\\)3 座日光溫室的測試參數\\( 氣溫、土壤溫度、后墻溫度、空氣濕度等\\)及其在典型天氣下的參數,予以分析,如圖 1、圖 2 所示.
2. 1 跨度對氣溫的影響
溫度是日光溫室最重要的環境因素.本試驗從連續 5 天平均氣溫和典型天氣氣溫兩方面進行研究,對日光溫室的溫度環境進行全面的分析.圖 1\\(a\\)所示為 3 種跨度溫室氣溫的變化曲線,可見在同樣的外界環境下它們溫度變化的趨勢一致,但變化幅度稍有不同.GH -10 的平均氣溫略高于其他溫室,而且通過方差分析,GH -10 的氣溫波動幅度最小,熱環境最為穩定.數據顯示,各溫室的平均氣溫如下:GH - 10為 21. 4℃,GH - 9 為 20. 2℃,GH - 11. 5 為 16. 1℃.GH - 10 氣溫最高,較 GH - 9 高 1 . 2 ℃ ,較 GH -11 . 5 高 5. 1℃ .從晚 8:00 到次日早上 10:00 是溫室夜間的保溫的過程,GH - 10 平均氣溫最高,較 GH- 9 高 1. 1℃ ,較 GH - 11. 5 高 5. 1℃ .
由圖2\\(a\\)可以看出:在典型陰天,3 座溫室的溫度變化趨勢基本相同,但 GH -10 平均氣溫明顯高于 GH -9和 GH -11.5.數據顯示,各溫室的平均氣溫如下:GH -10 為 15. 9℃ ,GH - 9 為 15. 2℃ ,GH - 11. 5 為 11. 5℃ .
GH - 10 比 GH - 9 高 0. 7℃ ,比 GH - 11. 5 高 4. 4℃ .在夜間,GH -10 平均氣溫可以達到15.5℃,氣溫波動幅度為 ±0. 3℃,明顯優于 GH -9 和 GH -11. 5.
由圖 2\\(b\\)可以看出:在雪天,GH - 10 的平均氣溫高于 GH - 9 和 GH - 11. 5,為 13. 8℃ ,比 GH - 9高 0. 6℃,比 GH - 11. 5 高 3. 1℃.在夜間,GH - 10的平均溫度為 12. 9℃,比 GH - 9 高 0. 6℃,比 GH -11. 5 高 2. 9℃ .綜上所述,在各種天氣條件下,GH -10 的氣溫較 GH - 9 和 GH - 11. 5 高且相對穩定,適宜作物生長,所以 10m 跨度的溫室的熱環境最佳.
2. 2 跨度對土壤溫度的影響
作物根系生長較為適宜的土壤溫度是 20 ~25℃,并且穩定的土壤溫度對植物根系的生長更為有利.
從圖 1\\(b\\)可以得出數據:GH -10 的平均土壤溫度為21. 7℃,GH - 9 為 23. 4℃ ,GH - 11. 5 為 16. 2℃ .GH- 9 的平均溫度高于 GH - 10,但 GH - 10 的波動幅度明顯小于 GH -9,且全天在 20 ~ 25℃ 范圍之內,適宜作物生長發育,所以 GH - 10 土壤溫度條件優于 GH- 9.GH - 11. 5 的波動幅度與 GH - 10 相近,但平均溫度過低,全天不在 20 ~25℃范圍之內,所以 GH -10的土壤溫度條件優于 GH - 11. 5.綜上所述,10m 跨度的溫室在 20 ~25℃范圍之內且波動幅度相對較小,最適宜作物的生長.
2. 3 跨度對后墻的影響
溫室后墻白天吸收太陽輻射,夜間放熱,是穩定溫室溫度的重要因素.所以,后墻的蓄熱保溫能力對于日光溫室的熱環境的穩定起到非常重要的作用.
山地日光溫室后墻有著自身明顯的特點.在理論上,山地日光溫室的后墻依托山體,可以認為是一個無限大的蓄熱體.后墻溫度的高低和溫度升降的快慢在一定程度上反映了溫室的保溫蓄熱性能的優劣.圖 1\\(c\\)為連續 5 天 3 種跨度溫室后墻溫度變化曲線,可以看出 GH -10 的后墻溫度明顯高于其它兩種溫室.
數據表明,各溫室后墻均溫如下:GH -10 為25.1℃,GH - 9 為 24. 7℃ ,GH - 11. 5 為 20. 9℃ .GH - 10 的后墻溫度最高,較 GH - 9 高 0. 4℃ ,較 GH - 11. 5m高 5. 2℃.同時,從圖 1 可以看出:GH - 9 和 GH - 10的后墻溫度升降速率基本相同,明顯快于 GH - 11. 5.綜上,10m 跨度山地溫室的后墻蓄熱保溫性能最佳.
2. 4 跨度對溫室濕度的影響
在日光溫室中,相對濕度長時間高于 75% ,容易導致蟲害的發生;而長時間低于 40% ,會因為濕度過低抑制植物的生長.所以,適宜的相對濕度對于植物生長非常重要.圖 1\\(d\\)所示為連續 5 天 3 個跨度溫室的相對濕度數據.數據顯示了各溫室的空氣濕度均值:GH -9 為 74% ,GH - 10 為 70% ,GH - 11. 5 為81% .GH - 10 空氣濕度最低,較 GH - 9 低 4% ,較GH - 11. 5 低 11% ,平均值保持在 40% ~ 75% 范圍內;且在全天溫度高于 20℃的時間內,GH -10 的平均相對濕度最低,為 53% ,較 GH - 9 低 4. 5% ,較 GH -11. 5 低 12% .所以,10m 跨度日光溫室可以更好地防治因高濕引起的病害.
2. 5 跨度對光照強度的影響
植物的生長發育和光合作用需要良好的光照條件,所以較好的光照強度和透光率是日光溫室的重要環境因素,也是作物生長發育的重要保障.辣椒的光補償點為 15 000lux,光照強度長時間達不到光補償點辣椒會出現植株徒長,莖稈瘦長、葉片薄、花蕾果實發育不良及落花、落果、落葉等不良現象,所以充足的光照條件對辣椒的生長發育起到非常重要的作用.圖 3所示為 3 座溫室在典型晴天條件下的光照強度.圖 3\\(a\\)所示為2013 年1 月11 日、圖3\\(b\\)為2013 年1 月13 日、圖 3\\( c\\) 為 2013 年 1 月 15 日 3 座日光溫室的光照強度.由圖 3 可以看出:在有效光照時間方面\\(光照強度大于 15 000lux\\),時間范圍都為 10:00 -15:00 之間,GH - 9 和 GH - 10 的有效光照時間大致相同,比 GH - 11. 5 長 30min 左右;在光照強度方面,GH - 10 光照強度最強,GH - 9 次之,GH - 11. 5 光照條件最差;在平均透光率方面,GH - 9 為 82% ,GH -10 為 87% ,而 GH - 11. 5m 為 76% ,GH - 10m 的透光率最好.綜合分析,10m 跨度的山地日光溫室的光照條件最適合辣椒的生長發育.
2. 6 跨度對辣椒果實生長和產量的影響
由表 2 可以看出:在果實生長方面,GH - 10 的平均單果質最高,為 88. 4g,較 GH - 9 高 2. 2g,較 GH -11. 5 高 4. 6g;平均坐果數最多,為 37. 2 個,較 GH - 9多1.4 個,較 GH -11. 5 多 1. 9 個;落花率最低,為 10.
9% ,較 GH - 9 低 1. 3% ,較 GH - 11. 5 低 3. 9% .在試驗區辣椒產量方面,供試的 30 株辣椒的前期產量和總產量分別如下:GH - 10 為 45 004 、170 830kg/hm2,GH - 9 為 4 1 1 9 7 、1 6 0 2 5 4 kg / hm2,GH - 1 1 . 5為 38 744、153 669kg/hm2.其中,GH -10 最高,分別較 GH -9 高 7. 1% 和 6. 2% ,較 GH - 11. 5 高 13. 9%和 10. 1% .綜上分析,10m 跨度日光溫室的辣椒從果實生長和產量方面均優于 9m 和 11. 5m,是最適宜辣椒生長發育的溫室類型.
2. 7 跨度對日光溫室經濟效益的影響
日光溫室在蔬菜反季節栽培上得到了廣泛的應用,為廣大農民創造了豐厚的效益.本文調查分析了3 座越冬種植辣椒的日光溫室的投入產出情況,并進行了經濟效益統計,如表 3 所示.表 3 表明,3 座溫室資金投入情況為 GH -11. 5 > GH -10 > GH -9.這是因為溫室跨度越大,其建造面積和積植面積越大,在種苗、施肥、噴藥、棚膜、草簾以及人工費等方面的投入就會越大;但是相應的種植面積越大,種植作物也越多,分別是:GH - 9 為 3 000 株,GH - 10 為 3 200株,GH -11. 5 為 3 600 株.種植作物越多,產量越高、產值越大,分別是:GH - 9 為 10 628kg、63 768 元,GH- 10 為 11 942kg、71 652 元,GH - 11. 5 為 12 306kg、73 325 元,隨跨度的增長呈現線性增長關系.在凈產值方面,由于溫室性能以及施肥操作等方面的差異,并未隨跨度的增大呈現線性增長關系,而是 GH - 10凈產值最高,為 39 852 元;GH - 11. 5 次之,為 37 925元;GH -9 最差為 33 968 元.
表 4 為 3 座溫室的土地利用率情況.從表 4 可知:隨跨度的增大,土地利用率呈線性增長關系;但由于山地日光溫室后墻底部過寬,3 座溫室的土地利用率并不高,最高為 GH -11. 5,僅為 52. 9% .
溫室的單位面積凈產值能直觀地反應 3 座溫室的經濟效益情況,是衡量溫室性能的重要指標.從表4 中可以看出:GH - 10 單位面積凈產值最高,為 20.71 元 / ㎡;GH - 9 次之,為 19. 17 元 / ㎡;GH - 11. 5 最差,為 17. 44 元/m2.綜合分析,10m 跨度山地日光溫室投入適中、凈產值最高、單位面積凈產值最高,是適宜在安塞地區推廣的溫室類型.
3 結語
本研究供試的 3 座不同跨度的山地日光溫室在同樣的天氣條件下,室內的微環境、辣椒果實生長、辣椒產量以及經濟效益有明顯的差異.結論如下:10m跨度溫室的氣溫最高,土壤溫度相對穩定,后墻平均溫度最高,相對濕度最小,光照強度最強,透光率最高,辣椒果實生長狀況最佳,產量最高,經濟效益最好.綜上比較,10m 跨度山地日光溫室綜合性能最佳,其跨度結構最適宜于延安安塞地區冬季設施作物的生長.
以上數據可以初步確定適宜安塞地區建造山地日光溫室的最佳跨度范圍.在 9 ~ 11. 5m 的范圍內,當跨度小于 10m 時,日光溫室的性能隨著跨度的增加會趨于更優;但當跨度大于 10m 后,隨著跨度的增大日光溫室性能會逐漸變差,會出現 11. 5m 跨度溫室性能明顯劣于 9m 跨度溫室性能的現象.本研究得出結論與前人研究的結論相一致,揭示了溫室性能隨跨度的增加先優后劣的現象.本試驗僅為初步探究,望在以后的試驗中能有進一步的發現,得到跨度對溫室性能影響的更深層次的理論.
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