田東坤，宋衛(wèi)堂，王平智，程杰宇，梁 超，趙淑梅

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引 言

保溫型塑料大棚是近年來在生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的一種大棚形式，結(jié)合了傳統(tǒng)日光溫室和塑料大棚兩者的優(yōu)點(diǎn)。該類大棚與日光溫室相比，具有建設(shè)成本低、土地利用率高等特點(diǎn)，而與傳統(tǒng)塑料大棚相比，又具有作業(yè)空間大、保溫性能好等優(yōu)勢(shì)，因此在全國各地得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古、山東等地的部分保溫型大棚中實(shí)現(xiàn)了不加溫條件下番茄、辣椒等蔬菜的越冬生產(chǎn)，同時(shí)調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，保溫型大棚近年來在西藏拉薩、日喀則等高寒高海拔地區(qū)也開始推廣，可以說該類大棚正在成為中國園藝設(shè)施的發(fā)展趨勢(shì)之一。然而，目前該類型大棚的設(shè)計(jì)建造、環(huán)境調(diào)控等主要依靠經(jīng)驗(yàn)，尚缺乏相關(guān)的理論指導(dǎo)。為促進(jìn)該類設(shè)施的科學(xué)發(fā)展，亟需開展其熱環(huán)境的形成機(jī)制、變化規(guī)律及影響因素等的理論研究。而在大棚類設(shè)施中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不具有蓄熱能力，土壤是其唯一的蓄熱體和放熱熱源，因此，分析土壤的溫度分布、變化規(guī)律、以及土壤的蓄熱放熱特性，就成為該類大棚熱環(huán)境研究的關(guān)鍵。

關(guān)于溫室設(shè)施土壤溫度，前人做了較多的探索與研究。其中，在土壤溫度變化規(guī)律方面，李天來等研究了作物對(duì)遼沈型I日光溫室土壤溫度日變化的影響，結(jié)果表明，不同天氣條件下棚內(nèi)表層土壤的日變化可以擬合為正弦函數(shù)。范愛武等利用多孔介質(zhì)中的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型對(duì)不同環(huán)境條件下的土壤溫度日變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，土壤溫度主要受室內(nèi)空氣溫度和土壤表面截獲的輻射能的影響，且這種影響隨著土壤深度的增加而減?。缓斡甑葘?duì)遼沈I型日光溫室室內(nèi)土壤溫度變化的影響因素進(jìn)行了研究，認(rèn)為太陽總輻射、室內(nèi)外氣溫、室外風(fēng)速都是影響溫室土壤溫度的主要因素，并建立了這4個(gè)要素與室內(nèi)地表溫度之間的非線性回歸方程；Smerdon等、賈紅等認(rèn)為氣溫是土壤溫度變化的主要影響因素，并分別對(duì)不同深度土壤溫度的年變化和日變化進(jìn)行了研究，建立了氣溫與淺層土壤溫度的關(guān)系模型、室內(nèi)不同深度土壤與室外氣溫的線性回歸方程；Chalhoub等分析了土壤含水率對(duì)土壤溫度變化規(guī)律的影響，并建立了相關(guān)的土壤溫度預(yù)測(cè)模型；Naranjo等對(duì)淺層土壤的熱特性進(jìn)行了研究，將土壤中的熱擴(kuò)散視為一維瞬態(tài)通量，并利用正弦、半無限和有限差分法等不同模型模擬了短期和長(zhǎng)期土壤溫度變化情況。在土壤蓄放熱方面，Barbara對(duì)土壤熱特性及地面中的熱量傳遞進(jìn)行了研究，并依據(jù)地面溫度分布的Carslaw-Jaeger方程，建立了基于地表熱平衡方程的地表熱平衡數(shù)學(xué)模型。王雙瑜等對(duì)不同地區(qū)、不同構(gòu)造參數(shù)的日光溫室的土壤熱流量及土壤溫度狀況進(jìn)行了測(cè)試和分析，結(jié)果表明，土壤熱流量與室內(nèi)溫度高低不成正相關(guān)，并建立了夜間室內(nèi)土壤平均傳熱量與室內(nèi)外溫差之間的關(guān)系式。李建設(shè)等認(rèn)為日光溫室地面溫度及吸放熱量與太陽輻射有關(guān)，針對(duì)此進(jìn)行了測(cè)定與分析，分析結(jié)果表明，太陽輻射和地面吸放熱量有密切關(guān)系。Faiziev等認(rèn)為太陽能的積累在溫室土壤中進(jìn)行，并根據(jù)溫室平均土壤溫度、溫室土壤在0.15～0.30 m深度的溫度變化以及太陽能在土壤中的積累，建立了用于計(jì)算日光溫室地面熱量積累的模型。

上述研究對(duì)象主要為日光溫室，而保溫型塑料大棚構(gòu)造與日光溫室不同，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫能力相對(duì)較弱，且不具有蓄熱放熱能力，因此土壤溫度變化規(guī)律及蓄放熱特性方面就會(huì)存在差異，日光溫室研究結(jié)論不能完全適用。鑒于此，本文在借鑒前人研究方法的基礎(chǔ)上，通過在嚴(yán)寒地區(qū)保溫型塑料大棚的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究棚內(nèi)土壤溫度日變化規(guī)律和蓄放熱特性，以期為相關(guān)塑料大棚土壤傳熱機(jī)理及棚內(nèi)熱環(huán)境機(jī)理模型研究提供依據(jù)，為保溫型大棚在高嚴(yán)寒地區(qū)的推廣提供理論支撐，為進(jìn)一步在高寒高海拔地區(qū)的研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)大棚

在嚴(yán)寒地區(qū)，日光溫室的越冬生產(chǎn)比較普遍，而使用保溫型大棚進(jìn)行越冬生產(chǎn)，無疑是一個(gè)挑戰(zhàn)。所以在部分嚴(yán)寒地區(qū)，保溫型塑料大棚往往會(huì)借鑒日光溫室的特點(diǎn)，比如采用東西屋脊走向，兩側(cè)山墻為土墻，基礎(chǔ)無防寒措施，屋面覆蓋保溫被等措施；同時(shí)在種植安排和保溫被管理上加以配合，比如，春夏茬種植時(shí)，南北兩側(cè)保溫被每日正常開閉，整棟大棚種植作物；秋冬茬種植時(shí)，為提高大棚的保溫性能，北側(cè)保溫被不打開，南側(cè)保溫被根據(jù)天氣情況打開或關(guān)閉，且棚內(nèi)北側(cè)不種植，僅南側(cè)種植。本文試驗(yàn)所選用的即是這種較為典型的生產(chǎn)性保溫型塑料大棚，見圖1。

圖1 試驗(yàn)大棚Fig.1 Experimental tunnel

該大棚建成于2017年，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市寧城縣，地理位置為東經(jīng)118°9′，北緯41°7′，平均海拔1 000 m，屬于中海拔嚴(yán)寒地區(qū)；大棚屋脊東西走向，長(zhǎng)度140 m，跨度16 m，脊高4.7 m；試驗(yàn)期間，棚內(nèi)南側(cè)種植作物為番茄，9月定植，采用土壤栽培，灌溉方式為滴灌；北側(cè)保溫被固定保溫，南側(cè)保溫被根據(jù)天氣情況，一般上午8:30左右揭開，下午17:00左右關(guān)閉。通風(fēng)口位于大棚頂部，寬度為1 m，晴天11:50左右打開，14:00左右關(guān)閉。

1.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為2019年12月17日—2020年1月30日，測(cè)試內(nèi)容包括棚內(nèi)土壤熱流密度及不同深度土壤溫度、棚內(nèi)外氣溫和太陽輻射。測(cè)點(diǎn)布置情況如圖2所示。1）棚內(nèi)土壤熱流密度及土壤溫度：在大棚中部位置，沿跨度方向距大棚南側(cè)屋面底腳1.5、4、12、14、15.5 m處布置5個(gè)土壤熱流密度和土壤溫度測(cè)點(diǎn)（分別為1、2、3、4、5號(hào)），其中土壤溫度測(cè)點(diǎn)深度分別為0、0.05、0.15、0.30、0.50 m；2）棚內(nèi)空氣溫度：將試驗(yàn)大棚沿長(zhǎng)度方向4等分形成3個(gè)中間測(cè)試斷面，其中，在兩端測(cè)試斷面的大棚跨中位置分別布置1個(gè)距地面1.5 m高的溫度測(cè)點(diǎn)；在中間斷面再沿大棚跨度方向4等分，然后在中間3個(gè)等分點(diǎn)上也分別布置1個(gè)距地面1.5 m高的溫度測(cè)點(diǎn)；3）棚內(nèi)太陽輻射：在大棚長(zhǎng)度方向的中間斷面，在該斷面距大棚南側(cè)底腳4、8、12 m處分別布置1個(gè)太陽輻射測(cè)點(diǎn)，其高度在作物冠層頂部；4）室外氣象測(cè)點(diǎn)：在大棚南側(cè)，設(shè)置一個(gè)室外測(cè)點(diǎn)，測(cè)試內(nèi)容包括太陽輻射、距地面1.5 m高度處空氣溫度、以及土壤表面熱流密度及0、0.05、0.15、0.30、0.50 m深度的土壤溫度。

圖2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of test points

溫度傳感器采用國產(chǎn)T型熱電偶（上海南浦儀表廠，精度為±0.5 ℃）；熱流密度傳感器采用HFP01熱流量板（Hukseflux公司，荷蘭，精度為±50 mV/(W·m)）；以上數(shù)據(jù)均由34970A數(shù)據(jù)采集器（Campbell Scientific公司，美國)采集；太陽輻射傳感器采用太陽總輻射探頭傳感器（Onset Computer Crop公司，美國，精度為±10 W/m)，由HOBO數(shù)據(jù)采集器（Onset Computer Crop公司，美國）采集。所有數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行全天測(cè)試，數(shù)據(jù)采集間隔為10 min。

1.3 土壤傳熱量計(jì)算方法

大棚土壤是由固體、液態(tài)水、水蒸氣和空氣構(gòu)成的多孔混合物，其熱形成過程包括導(dǎo)熱、對(duì)流、蒸發(fā)凝結(jié)等多個(gè)過程。為了合理簡(jiǎn)化土壤熱平衡計(jì)算方程，作出如下假設(shè)：1）土壤在一定深度以下為恒溫層；2）忽略棚內(nèi)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面/作物冠層與土壤表層之間的輻射換熱；3）不考慮土壤水分運(yùn)移引起的熱量傳遞。根據(jù)傳熱學(xué)中經(jīng)典熱傳導(dǎo)公式和文獻(xiàn)資料[7,19,24-27]，以及對(duì)棚內(nèi)土壤溫度變化規(guī)律及傳熱的分析，得出白天和夜間棚內(nèi)土壤的熱量收支項(xiàng)主要包括：土壤吸收的太陽輻射熱、土壤與棚內(nèi)空氣的對(duì)流換熱和土壤的地中傳熱。土壤地中傳熱包括沿土壤深度方向的縱向傳熱和沿水平方向的橫向傳熱，其中，橫向傳熱又包括跨度和長(zhǎng)度2個(gè)方向，但由于大棚的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跨度，所以本研究的橫向傳熱僅考慮跨度方向。

因此，白天棚內(nèi)土壤熱量平衡簡(jiǎn)化方程可表示為

夜間棚內(nèi)土壤熱量平衡估算方程可表示為

式中為土壤吸收的太陽輻射能量，W；為棚內(nèi)空氣與土壤對(duì)流換熱量，W；為土壤沿垂直方向的縱向地中傳熱量，W；為土壤沿大棚跨度方向的橫向地中傳熱量，W。

根據(jù)牛頓冷卻定律可知，從棚內(nèi)空氣到土壤表面的對(duì)流換熱量可由式（3）計(jì)算：

式中為對(duì)流換熱表面面積，m；為棚內(nèi)空氣與土壤表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m·℃)；為棚內(nèi)空氣溫度，℃；為棚內(nèi)土壤表層溫度，℃。

根據(jù)傳熱學(xué)中經(jīng)典熱傳導(dǎo)公式，可求得土壤縱向地中傳熱量計(jì)算公式為

式中為土壤沿深度方向傳熱面積，m；為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)，一般取值0.86；為土壤溫度穩(wěn)定層厚度，m；分別為土壤上、下層表面溫度，℃。

土壤橫向地中傳熱量計(jì)算公式為

式中為橫向傳熱面積，m；為土壤橫向?qū)嵯禂?shù)，W/(m·℃)，一般取值0.47；分別為棚內(nèi)和棚外土壤溫度，℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，并利用Matlab軟件編寫計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。

1.5 誤差分析

考慮到試驗(yàn)測(cè)試儀器的不確定性，對(duì)測(cè)試過程中的測(cè)量誤差進(jìn)行了分析。土壤和空氣溫度的測(cè)量誤差來源于數(shù)據(jù)采集器和T型熱電偶。在試驗(yàn)測(cè)試前，將數(shù)據(jù)采集器和熱電偶分別在-30 、-10 、0 、20 和40 ℃溫度下進(jìn)行了標(biāo)定。在-30～40 ℃溫度范圍內(nèi)，該誤差為±0.2 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 縱向土壤溫度變化及傳熱特性分析

2.1.1 縱向土壤溫度日變化規(guī)律

將晴天時(shí)棚內(nèi)不同深度土壤溫度測(cè)點(diǎn)的平均值進(jìn)行分析，其日變化規(guī)律如圖3所示。棚內(nèi)淺層土壤溫度與氣溫變化趨勢(shì)大體一致，均呈單峰曲線。從早上9:00左右到下午17:00左右保溫被處于打開狀態(tài)，棚內(nèi)氣溫均高于土壤溫度，說明空氣中的熱量是從空氣向土壤流動(dòng)，加之太陽輻射的影響，土壤處于蓄熱狀態(tài)；其余時(shí)間，棚內(nèi)氣溫低于棚內(nèi)地表溫度，土壤向空氣釋放熱量，此時(shí)土壤處于放熱狀態(tài)。土壤作為不加熱大棚的唯一熱量來源，起到了在低溫時(shí)，維持棚內(nèi)氣溫的作用。

圖3 晴天時(shí)棚內(nèi)氣溫及土壤溫度日變化Fig.3 Diurnal variation of air temperature and soil temperature in sunny days

深度為0、0.05、0.15 m處的土壤溫度最高值時(shí)間分別出現(xiàn)在13:30、13:50、18:30左右，溫度值分別為23.1、18.1、15.1 ℃，最低值分別出現(xiàn)在8:20、9:10、9:30左右，溫度值分別為10.9、12.0、13.4 ℃。表明隨著土壤深度的增加，土壤溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間依次延遲，這是因?yàn)橥寥赖臒崛萘枯^大，加之熱量從土壤表層向深層傳遞需要一定的時(shí)間。另外，從不同深度土壤的溫度波動(dòng)情況來看，隨著土壤深度的增加，土壤溫度日變化趨勢(shì)逐漸減緩，0、0.05、0.15、0.30、0.50 m處的土壤溫度日變化幅度分別為16.2、8.6、2.0、0.9和0.8 ℃，即0.30 m深度以下的土壤溫度變化幅度已經(jīng)小于1.0 ℃。

2.1.2 土壤蓄熱層厚度確定

參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[24,28-32]，采用溫差法來確定大棚土壤蓄熱層的厚度。根據(jù)前述土壤傳熱公式及相關(guān)文獻(xiàn)[31]，在保溫被打開或關(guān)閉期間，不同深度土壤的溫差越大，說明土壤在白天蓄熱或夜間放熱越多；反之，在上述期間，不同深度土壤的溫差越小，則說明土壤在白天蓄熱或夜間放熱越少。在日光溫室研究中，通常采用溫差法計(jì)算墻體蓄熱層厚度，認(rèn)為當(dāng)打開與關(guān)閉保溫被時(shí)刻墻體的溫差低于1 ℃時(shí)，該部分墻體在白天蓄熱或夜間放熱量非常有限，所以將溫差設(shè)定為1 ℃。該方法可以借鑒，但對(duì)于保溫型塑料大棚來說，每一份熱量都極為重要，且由于其跨度和長(zhǎng)度尺度較大，1 ℃以下的溫差所傳遞的熱量也應(yīng)考慮，但鑒于所選用熱電偶的最高精度為0.5 ℃，因此將大棚土壤蓄熱層定義為溫度波幅大于0.5 ℃的部分。

根據(jù)上述分析，溫度波幅與土壤深度密切相關(guān)，因此二者的關(guān)系可以描述為

式中α為不同深度土壤溫度波幅（=1,2,…,），℃；為土壤深度，m；分別方程系數(shù)和冪指數(shù)。

取1月1—7日、11日不同天氣條件下0～0.50 m深度不同測(cè)點(diǎn)的土壤溫度平均值，對(duì)其溫度波幅進(jìn)行擬合，得出溫度波幅的遞減方程其結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，大棚土壤溫度波幅隨土壤深度的增加，呈乘冪函數(shù)遞減；冪指數(shù)的絕對(duì)值，晴天＜多云天＜陰天；而方程系數(shù)，晴天＞多云天＞陰天；結(jié)合不同天氣條件下棚內(nèi)外平均氣溫、棚內(nèi)外氣溫差和棚內(nèi)太陽輻射等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冪指數(shù)和方程系數(shù)的變化規(guī)律均與棚內(nèi)平均氣溫和太陽輻射的變化趨勢(shì)一致，由此可推斷：大棚土壤溫度波幅遞減規(guī)律受棚內(nèi)平均氣溫和太陽輻射的影響。再利用式（6）進(jìn)一步模擬計(jì)算0.50～1.0 m深度土壤溫度波幅變化。由模擬結(jié)果可知，在0～0.10 m深度范圍，土壤的溫度變化幅度最大；在0.30 m處，土壤溫度波幅開始小于1 ℃，與前述測(cè)試結(jié)果一致；因此，根據(jù)前述土壤蓄熱層的定義，可確定大棚土壤蓄熱層的平均厚度約為0.55～0.80 m。綜合分析不同天氣條件下土壤溫度波幅遞減方程和蓄熱層厚度變化規(guī)律可知，土壤溫度波幅遞減方程的冪指數(shù)的絕對(duì)值、方程系數(shù)的值越大，土壤蓄熱層越厚。

表1 不同天氣條件下土壤溫度波幅遞減方程Table 1 Decreasing equation of soil temperature amplitude under different weather conditions

2.2 橫向土壤溫度變化及傳熱特性分析

2.2.1 橫向土壤溫度日變化規(guī)律

由于大棚的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于跨度，所以橫向土壤溫度與傳熱分析，僅關(guān)注大棚跨度方向。由于測(cè)點(diǎn)3位于走道附近，所以重點(diǎn)關(guān)注其余幾個(gè)測(cè)點(diǎn)其結(jié)果，典型晴天條件下試驗(yàn)大棚沿跨度方向由北到南各測(cè)點(diǎn)的土壤溫度日變化規(guī)律如圖4所示。從圖4中可以看出，大棚的橫向土壤溫度日變化較明顯。以大棚中間過道為界，將大棚分為南北兩區(qū)，那么在靠近南北區(qū)屋面底腳處日變化幅度最大，最大可達(dá)24.8 ℃，兩區(qū)中部的土壤溫度變化幅度相對(duì)較小，最大值為9.3 ℃。由此可以看出，棚內(nèi)靠近邊界處的土壤溫度受室外條件影響較大，即土壤邊際效應(yīng)明顯。

圖4 晴天時(shí)土壤溫度沿大棚跨度方向日變化Fig.4 Diurnal variation of soil temperature along tunnel span in sunny days

進(jìn)一步對(duì)大棚測(cè)試期間典型天氣條件下的土壤溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，南區(qū)整體土壤溫度變化幅度小于北區(qū)，但其最低值和平均值卻均高于北區(qū)，表明南區(qū)土壤溫度較為穩(wěn)定。結(jié)合圖4，詳細(xì)對(duì)比南北邊界處土壤溫度數(shù)值，靠近南屋面底腳處的地表溫度波動(dòng)最大，最高溫度為21.9 ℃，低于北區(qū)邊界處的33.6 ℃，二者溫差為11.7 ℃；而南區(qū)邊界處的最低溫度，則高于北區(qū)2.5 ℃，且平均溫度也高于北區(qū)0.8 ℃；南區(qū)中部的土壤最高溫度低于北區(qū)3.7 ℃，最低溫度高于北區(qū)2.3 ℃，平均溫度高于北區(qū)0.6 ℃。分析其原因，應(yīng)該主要在于白天南區(qū)種植作物的遮擋，使棚內(nèi)空氣溫度和太陽輻射對(duì)南區(qū)地表溫度的直接影響減弱，從而導(dǎo)致地表及不同深度土壤溫度的最高值小于無種植作物的北區(qū)；到了夜間，同樣由于種植作物的遮擋以及自身作為內(nèi)熱源，則導(dǎo)致了其周邊土壤的散熱速率較慢，因此南區(qū)土壤溫度的最低值高于北區(qū)。另外，從表2中可以看出，南區(qū)0.30 m處的土壤溫度波幅已經(jīng)在0.5 ℃左右，而北區(qū)0.5 m處的土壤溫度波幅仍大于0.5 ℃，結(jié)合前文對(duì)蓄熱層厚度的分析，可以推斷作物種植模式和生育階段等對(duì)土壤沿深度方向的日變化和大棚蓄熱層厚度的影響較大。

大棚的橫向傳熱主要是由棚內(nèi)向棚外的熱量損失。從圖4中可以看出，棚內(nèi)不同深度土壤溫度全天均高于棚外同一深度土壤溫度，0～0.50 m范圍4個(gè)測(cè)點(diǎn)處棚內(nèi)外土壤溫度平均溫差分別為25.5、20.9、17.9、14.5和12.7 ℃，表明棚內(nèi)土壤橫向傳熱全天均處于熱量散失狀態(tài)。

表2 晴天大棚內(nèi)南北區(qū)土壤溫度變化比較Table 2 Comparison of ground temperature changes in south and north of the tunnel in sunny day

2.2.2 橫向土壤傳熱量計(jì)算

根據(jù)式（1）～（5）編程求解土壤傳熱量，同時(shí)為更加值觀，將大棚土壤傳熱量換算成單位地面的傳熱量。結(jié)果顯示，在典型天氣條件下（1月1—7日）大棚土壤全天總熱損失量為922.6～1 229.4 W/m，其中縱向地中傳熱損失為362.1～838.4 W/m，土壤與棚內(nèi)空氣對(duì)流換熱損失為270.7～332.8 W/m，土壤橫向地中傳熱損失為120.3～227.7 W/m，三者分別占總熱損失的39.2%～68.2%，22.0%～36.1%，9.8%～24.7%。在上述3項(xiàng)熱損失中，橫向傳熱關(guān)注的較少，但實(shí)際上，這部分熱損失是可以通過工程手段加以控制的。

若將上述土壤橫向地中傳熱損失量用于提升棚內(nèi)土壤溫度，則根據(jù)式（7）可以計(jì)算出棚內(nèi)土壤平均溫升幅度：

式中為棚內(nèi)土壤提升的平均溫度，℃；為土壤體積，m；為土壤濕容重，kg/m；為土壤比熱容，W/(kg·℃)。

大棚土壤體積取值為1 120 m，土壤濕容重取值為1 530 kg/m，土壤比熱容取值為0.58W/(kg·℃)，則計(jì)算可得=0.3～0.5 ℃，即理論上若能阻隔土壤橫向傳熱，棚內(nèi)土壤平均溫度可提升0.3～0.5 ℃。由此可見，若能采取有效措施，阻止土壤橫向傳熱，對(duì)提升大棚熱環(huán)境是非常有益的。

2.3 土壤蓄放熱特性分析

2.3.1 土壤熱流量日變化

從土壤的熱流量日變化可以更好地闡明土壤對(duì)棚內(nèi)氣溫的影響，取各測(cè)點(diǎn)土壤熱流量的平均值進(jìn)行分析，圖5為不同天氣條件下土壤熱流量日變化，正值表示土壤從周圍吸收的熱量，負(fù)值表示土壤向棚內(nèi)空氣釋放熱量。如圖5所示，無論晴天還是陰天，棚內(nèi)土壤熱流量的總體趨勢(shì)是一致的。土壤熱流量在上午9:00左右開始表現(xiàn)為正值，說明此時(shí)土壤開始蓄熱，土壤溫度開始上升。土壤蓄熱開始后，蓄熱量迅速增大，這與表層土壤溫度變化趨勢(shì)一致，在中午12:00左右達(dá)到熱流量最大值。下午17:00左右開始直到次日上午9:00左右，土壤熱流量表現(xiàn)為負(fù)，說明土壤作為熱源開始向棚內(nèi)空氣散熱，這與縱向土壤溫度變化規(guī)律相同。觀察土壤熱流量的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，土壤在夜間向棚內(nèi)供給的熱量較穩(wěn)定，沒有明顯的峰值或波動(dòng)出現(xiàn)。

圖5 不同天氣條件下土壤熱流量日變化Fig.5 Diurnal variation of soil heat flux under different weather conditions

選取1月2－3日晴天、1月6日多云天、1月7日和11日陰天作為典型天氣，對(duì)不同天氣條件下土壤蓄放熱性能的各參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。在晴好天氣條件下，9:20－15:50為土壤蓄熱階段，日累積蓄熱量為1 577～1 730 W，土壤熱流量最大值為94 W/m；在多云天氣條件下，9:40－15:50為土壤蓄熱階段，日累積蓄熱量為1 149 W，土壤熱流量最大值為60 W/m；在陰天條件下，9:40－14:50為土壤蓄熱階段，日累積蓄熱量為373～293 W，土壤熱流量最大值為25 W/m。晴天與多云天的蓄放熱時(shí)間差異不大，但其瞬時(shí)蓄放熱流量值差異較大，因此晴天土壤日累積蓄熱量比多云天多37.2%～50.6%左右，日累積放熱量比多云天多44.7%～64.3%左右；晴天的最大蓄熱流量和日累積蓄熱量均是陰天的4倍以上；與蓄熱性能相比，晴天與陰天的土壤放熱性能差異較小。由此可知，天氣條件對(duì)土壤的蓄放熱性能影響較大，且不同天氣條件下土壤蓄放熱性能主導(dǎo)影響因素不同。

表3 土壤蓄放熱性能參數(shù)Table 3 Correlation coefficient between each element and soil heat storage and release

2.3.2 土壤蓄放熱特性的相關(guān)性分析

由于土壤蓄放熱影響因素較多，本文參考相關(guān)文獻(xiàn)[35]并結(jié)合前文的分析，選擇太陽輻射、棚內(nèi)外溫差、表層土壤與棚內(nèi)氣溫溫差3要素，將其與土壤熱流量進(jìn)行相關(guān)性分析，嘗試不同因素對(duì)土壤蓄放熱特性的影響。分析計(jì)算的相關(guān)系數(shù)，如表4所示。從表4中可以看出，在不同天氣條件下，土壤的蓄熱階段和放熱階段主導(dǎo)影響因素不同。

表4 土壤蓄放熱與各要素相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between soil heat storage and release and various factors

在白天蓄熱階段，無論晴天、多云天還是陰天條件下，土壤蓄熱流量均表現(xiàn)為受表層土壤與棚內(nèi)氣溫差的影響最大。其中，晴天條件下，土壤蓄熱與各要素的相關(guān)系數(shù)差異較小，說明太陽輻射、棚內(nèi)外溫差以及空氣與土壤表面溫差，均具有較大影響；但在多云和陰天條件下，表層土壤與棚內(nèi)氣溫差對(duì)蓄熱量的影響力顯著提升，說明在太陽輻射較弱的條件下，土壤與空氣對(duì)流換熱是主導(dǎo)傳熱方式。因此可以推斷，在不同天氣條件下，對(duì)土壤蓄熱量影響的差異性首先體現(xiàn)在表層土壤與棚內(nèi)氣溫差上，然后體現(xiàn)在太陽輻射上，這應(yīng)該是作物層遮擋導(dǎo)致太陽輻射影響力下降的緣故；陰天條件下太陽輻射影響力有一定提升，應(yīng)該是陰天散射光為主，作物遮擋影響下降所致。

在夜晚放熱階段，無論何種天氣，土壤夜晚放熱量也主要受表層土壤與棚內(nèi)氣溫差的影響，這與其白天蓄熱階段相同。但在晴天條件下，土壤放熱還與棚內(nèi)外氣溫差有較強(qiáng)的相關(guān)性，這是因?yàn)榍缣鞎r(shí)棚內(nèi)外氣溫差更大，因此對(duì)土壤放熱量的影響更大；相比較而言，多云天與陰天條件下，土壤放熱與棚內(nèi)外溫差的相關(guān)性較小。

綜合分析，在不同天氣條件下，影響土壤蓄熱量和放熱量的主導(dǎo)因素是表層土壤與棚內(nèi)氣溫差，而棚內(nèi)外氣溫差影響最小。

3 結(jié) 論

1）研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度波幅隨深度的增加呈乘冪函數(shù)遞減規(guī)律，且不同天氣條件下遞減方程的冪指數(shù)的絕對(duì)值，晴天＜多云天＜陰天；而方程系數(shù)，晴天＞多云天＞陰天；根據(jù)溫差法，分析確定在測(cè)試地區(qū)大棚土壤的蓄熱層平均厚度約為0.55～0.80 m。

2）在測(cè)試條件下，棚內(nèi)土壤橫向地中傳熱全天處于失熱狀態(tài)，其熱損失占總熱損失的9.8%～24.7%，若將此部分熱量用于提升棚內(nèi)土壤溫度，理論上可將棚內(nèi)土壤平均溫度提高0.3～0.5 ℃。

3）天氣條件不影響土壤熱流量的變化趨勢(shì)，但是影響土壤的蓄放熱性能。晴天土壤日累積蓄放熱量比多云天多37.2%～64.3%左右，日累積放熱量比多云天多44.7%～64.3%左右；晴天的最大土壤熱流量值和日累積蓄熱量均是陰天的4倍以上；與蓄熱性能相比，晴天與陰天的土壤放熱性能差異較小。

4）土壤表層與氣溫差是影響土壤蓄放熱量的主導(dǎo)因素，其相關(guān)系數(shù)為0.73～0.99；其次是室外太陽輻射，其相關(guān)系數(shù)為0.61～0.87；影響最小的是棚內(nèi)外氣溫差，其相關(guān)系數(shù)為0.25～0.74，表明大棚內(nèi)土壤的蓄放熱均以對(duì)流傳熱方式為主。

本研究旨在通過保溫型塑料大棚的土壤溫度和蓄放熱特性的初步分析，了解保溫型大棚在中緯度嚴(yán)寒地區(qū)的土壤溫度情況，為構(gòu)建更準(zhǔn)確的土壤二維傳熱模型、闡明大棚土壤邊際效應(yīng)及土壤傳熱機(jī)制提供研究基礎(chǔ)，為保溫型塑料大棚在高寒高海拔地區(qū)的應(yīng)用推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。當(dāng)然，影響保溫型塑料大棚土壤溫度變化及蓄放熱特性的因素還有較多，諸如大棚規(guī)格、通風(fēng)方式、種植作物種類、模式和生育階段等的影響，這些內(nèi)容將在今后的研究中進(jìn)一步豐富和深入。