李建波,閆云飛,*,高 偉,申開明,張承華,李鈉鉀,江厚龍,汪代斌

1 重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室,重慶 400044 2 重慶煙草科學(xué)研究所,重慶 400715

我國寒冷地區(qū)目前作物設(shè)施主要為塑料大棚、日光溫室。塑料大棚是以塑料薄膜為采光面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施,是中國南方地區(qū)植物栽培的主要設(shè)施類型,具有透光好、建造方便等優(yōu)點[1—2]。與日光溫室相比,大棚沒有墻壁作為保溫蓄熱體,其保溫性能差[3—4]。同時由于氣候、地理位置等因素,直接利用溫室自身內(nèi)部環(huán)境往往不能為作物提供最佳生長環(huán)境。土壤溫度是影響作物生長發(fā)育的關(guān)鍵因素之一,且與溫室內(nèi)空氣溫度相比,調(diào)控土壤溫度對于作物發(fā)芽、出苗等生長更加直接有效[5—6]。馬忠明等[7]通過不同覆膜種植試驗發(fā)現(xiàn),不同覆膜方式下土壤溫度平均提高3.3 ℃。閆曉俊等[8]針對杉木幼苗設(shè)置了大氣增溫和土壤增溫雙因子試驗研究,結(jié)果表明土壤增溫對冬季葉片凈光合作用速率有顯著促進作用,有利于幼苗正常生長。對比以往的土壤增溫方式,生物質(zhì)發(fā)酵技術(shù)可通過分解作物秸稈、稻殼等,從而釋放出大量熱量和二氧化碳,不僅能提升土壤肥力[9],還能夠提高秋冬季節(jié)溫室棚內(nèi)土壤溫度,實現(xiàn)煙草、番茄、黃瓜、西瓜等作物的反季節(jié)栽培,對于冬季溫室作物生長具有重要意義[10—12]。肖金鑫等[13]研究發(fā)現(xiàn),釀熱發(fā)酵產(chǎn)熱使得單層膜覆蓋的大跨度的溫室平均地溫比普通日光溫室高1.4—2.0 ℃,在室外最低氣溫為-14.3 ℃的極端天氣下,釀熱溫室內(nèi)夜間溫度仍不低于5.3 ℃,高于對照組3.8 ℃,有利于作物的正常生長。孔政等[14]通過調(diào)節(jié)發(fā)酵池產(chǎn)熱,維持大棚溫度的穩(wěn)定,其增溫時間長、增溫效果顯著提高。Poblete等[15]和Neugebauer等[16]將太陽能溫室與堆肥方式相結(jié)合形成了溫室堆肥系統(tǒng),結(jié)果表明該系統(tǒng)的土壤溫度明顯高于其他對照組,所研究的堆肥樣品有機質(zhì)含量均降低,溫室內(nèi)的溫度得到了保持,種子萌發(fā)和根系生長均得到促進。

以溫室成分和氣象條件,國內(nèi)外學(xué)者進行了數(shù)值模擬的方法來研究溫室環(huán)境的變化規(guī)律。張艷等[17]建立了溫室的三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型,對日光溫室內(nèi)淺層土壤溫度場進行了分析,發(fā)現(xiàn)不同深度土壤溫度變化趨勢一致；隨著土壤深度增加,溫度波動變小。Zhang等[18]和Taki等[19]對溫室建立了動態(tài)數(shù)學(xué)模型,對溫室內(nèi)各表面屬性、內(nèi)部溫度場進行分析,研究發(fā)現(xiàn)不同溫室表面太陽能輻射比例不一樣。對比不同類型的日光溫室,發(fā)現(xiàn)東西方向布置的單跨溫室在寒冷季節(jié)接受的太陽輻射最大。Zhang等[20]和Wang等[21]利用計算流體力學(xué)(CFD)模擬動態(tài)的太陽熱負荷對溫室溫度場的影響,優(yōu)化了溫室內(nèi)部溫度環(huán)境,結(jié)果表明室內(nèi)溫度與太陽輻射變化規(guī)律一致。

盡管日光溫室數(shù)值模擬得到了大量的研究,但是對于小型溫室棚的內(nèi)環(huán)境模擬研究較少,特別是小型溫室棚與發(fā)酵產(chǎn)熱增溫聯(lián)用的數(shù)值模擬研究較少。該聯(lián)用系統(tǒng)有效提高了溫室土壤利用率,并保證了溫室良好的保溫性能。因此,本文以重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗基地小型塑料溫室棚為載體,采用溫室棚室內(nèi)外土壤、空氣溫度數(shù)據(jù)的試驗跟蹤測量,并對溫室棚內(nèi)空氣及土壤層溫度場進行三維非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬,探究了溫室棚內(nèi)溫度場分布規(guī)律,在此基礎(chǔ)上分析了生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)熱對溫室棚內(nèi)土壤溫度場的影響,以期為高海拔寒冷地區(qū)煙草幼苗尋找其合適栽培環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗溫室

試驗溫室位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗基地(東經(jīng)106°25′45″,北緯29°49′18″),試驗日期為2020年12月20日至2021年1月10日。試驗溫室采用塑料薄膜覆蓋的框架結(jié)構(gòu),長4 m,寬1 m,高0.6 m,溫室外覆蓋層材料為0.15 mm厚的PE膜。日光小型溫室棚內(nèi)每隔1 m建有12 cm×12 cm×6 cm的釀熱槽,其深度為12 cm,內(nèi)埋設(shè)物為稻殼,如圖1所示。

圖1 溫室棚的結(jié)構(gòu)圖及其實物圖Fig.1 Structural diagram of the greenhouse shed and its physical drawing

1.2 試驗方法

針對煙苗移栽后溫度的測量,項目組采用遠程溫度測量儀測量各組中的溫度變化狀況。無溫室棚試驗組設(shè)置兩個溫濕度測量儀分別測量空氣溫度及土壤溫度,其中測量土壤溫度時,將測量儀的探頭套上防塵套后插入煙苗根部附近的土壤中。溫室棚內(nèi)同樣采用兩個溫濕度測量儀檢測棚內(nèi)空氣的溫度及棚內(nèi)土壤溫度,同時采用直尺對煙苗的徑高(H)進行測量,如圖2所示。試驗保持全天候溫度監(jiān)控,溫濕度測量儀每10 min記錄一次數(shù)據(jù)以確保其精度。

圖2 試驗測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test measurementa：溫室棚的搭建示意； b：溫室棚內(nèi)、外溫濕度的測量； c：溫室棚外煙苗的高度測量； d：溫室棚內(nèi)煙苗的高度測量

2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

圖3 溫室棚模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Greenhouse shed model meshing

選取溫室內(nèi)空氣區(qū)域(1 m×1 m×0.6 m)和底部土壤長方體區(qū)域(1 m×1 m×0.3 m)為計算域。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算域進行離散化處理,在溫室兩側(cè)對網(wǎng)格進行加密處理,如圖3所示,以保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后,選取模型的節(jié)點數(shù)為339625,網(wǎng)格數(shù)為356328。

2.2 控制方程

溫室在日光的照射下其內(nèi)部條件會發(fā)生微小變化,涉及到空氣的低速流動,能量的交換與傳遞。采用控制體積法進行分析,相關(guān)控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

式中,Sm為分散相到連續(xù)相的質(zhì)量,ρ表示密度,ui表示i方向上的速度,xi為i方向上的微元體長度。

動量守恒方程：

(2)

式中,p表示靜壓,τij表示了應(yīng)力張量,gi表示在i方向上的體積力,Fi表示在i方向上的外部體積力。

能量守恒方程：

(3)

式中,T表示熱力學(xué)溫度,cp代表比熱容,u表示速度,λ為導(dǎo)熱系數(shù),ST為內(nèi)熱源項。

2.3 太陽輻射模型及邊界條件

采用太陽射線追蹤模型,適用于三維模型,能夠計算進入計算域的太陽射線的輻射影響。射線追蹤方法基于光線跟蹤算法來模擬太陽輻射的動態(tài)變化。太陽輻射對溫室內(nèi)微環(huán)境分布的影響與太陽方位角和溫室地理位置、季節(jié)、時間及晴朗指數(shù)密切相關(guān)。為真實地模擬以上因素的影響,采用Solar Ray Tracing計算方法,通過Solar calculator 設(shè)定試驗地區(qū)的地理位置(106°25′45″E,29°49′18″N)、時區(qū)(+8)、計算域方向以及晴朗指數(shù)。給定具體時間,可計算出當(dāng)時的太陽輻射強度。

試驗棚位于室外,其溫度為4—8 ℃,溫度較低,棚與環(huán)境存在對流換熱,忽略薄膜導(dǎo)熱,空氣視為理想氣體。溫室的覆蓋層、地面均按照壁面邊界條件處理。溫室內(nèi)外的能量通過覆蓋層以對流、熱傳導(dǎo)和輻射三種形式進行熱交換。設(shè)定覆蓋層為半透明材質(zhì),覆蓋層的熱邊界條件為熱對流傳導(dǎo)類型,以實現(xiàn)覆蓋層內(nèi)外空氣的熱交換[22]。地表面與溫室內(nèi)空氣和土壤層均存在熱量傳遞,將地表面設(shè)置為流固耦合面,下部土壤長方體的側(cè)面設(shè)置為第三類邊界條件。夜間,考慮土壤長方體底部向外傳熱的熱流密度為1 W/m2[23]；生物質(zhì)發(fā)酵材料選用稻殼。材料物性參數(shù)[17,24—25]如表1。

3結(jié)果與討論3.1田間試驗

試驗為探究溫室棚和發(fā)酵產(chǎn)熱聯(lián)用對土壤溫度的影響,對2020年12月20日至30日各組溫度進行測量,每隔一天處理一次數(shù)據(jù),如圖4所示。試驗1—6的外界環(huán)境變量相同,其中,試驗1為空白對照組,僅施加有機肥和水,無溫室棚；試驗2在施加等量肥料和水的條件下,增添了適量生根劑,無溫室棚；試驗3在施加等量有機肥、水、生根劑條件下,埋設(shè)了適量稻殼,無溫室棚。試驗4施加等量有機肥、水的條件下,增設(shè)了溫室棚；試驗5在施加等量有機肥、水的條件下,增添了等量生根劑,有溫室棚；試驗6施加等量有機肥、水、生根劑的條件下,埋設(shè)了等量稻殼,有溫室棚。

表1 材料的物性參數(shù)

圖4 12月20—30日各試驗組溫度變化曲線圖Fig.4 Temperature variation curves of each test group from 20 to 30 December

溫室棚的存在使得土壤溫度得到了有效提升,平均提高了3.5 ℃,這對春冬季或高海拔地區(qū)煙苗移栽具有積極作用。太陽輻射量對棚內(nèi)外溫度有較大影響,從圖4中可以明顯看到,各組試驗溫度隨時間呈先增后減的趨勢,在中午12:00—14:00達到最高溫度(此時太陽輻射量較大)。除了降雨天氣時外界太陽輻射量小而導(dǎo)致棚內(nèi)外土壤溫度和棚內(nèi)空氣溫度相差較小外,其余時間棚內(nèi)空氣溫度均大大高于土壤溫度,最大溫差高達20 ℃左右。這由于稻殼堆肥產(chǎn)熱有效地提高了溫室棚內(nèi)夜間溫度,其主要原因為：晴天溫室棚吸收太陽輻射量,且溫室棚薄膜透光率較大,吸收的熱量直接通過對流換熱與輻射傳給空氣。溫室棚內(nèi)部土壤溫度則是通過與棚內(nèi)空氣進行自然對流換熱后再將熱量通過導(dǎo)熱的方式傳導(dǎo)深層土壤,本試驗所測土壤溫度為距離壟平面10 cm的位置,由于土壤熱導(dǎo)率較低,導(dǎo)致所測點溫度也較低,同時還可以發(fā)現(xiàn),土壤熱容量較大,單日內(nèi)的溫度梯度遠小于棚內(nèi)空氣的溫度梯度。此外,利用稻殼堆肥產(chǎn)生的熱量,可以有效提升土壤溫度,但提升幅度有限,僅為平均1.4 ℃左右。耦合稻殼堆肥和溫室棚研究發(fā)現(xiàn),對比空白試驗組,通過稻殼堆肥釀熱可使溫室棚內(nèi)日平均氣溫提高4.2 ℃,日最低氣溫平均提高4.6 ℃。溫室棚內(nèi)土壤溫度平均提高3.5 ℃且溫室棚中土壤的平均溫度低于10 ℃的天數(shù)明顯減少。在有溫室棚的試驗中,埋設(shè)稻殼的棚內(nèi)空氣溫度和土壤溫度均高于未埋設(shè)稻殼的溫室棚,表明溫室棚和稻殼堆肥耦合作用可進一步提升土壤溫度。

圖5 各試驗組煙苗平均莖高及平均葉片數(shù)統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical graph of average stem height and average leaf number of tobacco leaves in each experimental group

煙苗生長高度和葉片數(shù)是直接反應(yīng)煙苗生長情況的重要參數(shù)。因此,本研究分別對各試驗組中煙苗莖高和葉片數(shù)進行統(tǒng)計 (每7天統(tǒng)計一次),如圖5所示。由于煙苗在移栽和生長過程中難以控制其莖高和葉片數(shù)統(tǒng)一,所以試驗中采用每個試驗組的平均莖高和平均葉片數(shù)作為煙苗生長的評價指標。相比于埋設(shè)稻殼的無溫室棚試驗組,試驗3的煙苗莖高和葉片數(shù)量每周的增量相差較小,即無溫室棚時,埋設(shè)稻殼對煙苗生長作用不明顯。在21 d后,試驗3的煙苗平均莖高從移栽時的7.5 cm增高到10.5 cm,平均葉片數(shù)從6片增長到9片。而埋設(shè)稻殼的溫室棚中煙苗莖高和葉片數(shù)增長值最大,每組平均莖高從移栽時的7.8 cm增長到12 cm,平均葉片數(shù)從5片增長到11片。其原因主要是溫室棚和稻殼產(chǎn)熱耦合作用提升了土壤溫度,為煙苗的生長發(fā)育提供良好的環(huán)境。

3.2 數(shù)值模型驗證

數(shù)值模型的驗證以2020年12月25日的試驗數(shù)據(jù)為基準,模擬分析時也選取該日的太陽輻射量。土壤試驗溫度為棚地表面以下10 cm處的土壤層平均溫度,空氣試驗溫度為棚地表面以上10 cm處的空氣層平均溫度。模擬溫度為數(shù)值模擬得到的棚內(nèi)同一土壤/空氣層的平均溫度,試驗溫度和模擬溫度均選取整點進行觀測。如圖6所示為棚內(nèi)溫度場的對比,模擬值與試驗值吻合較好。溫室棚內(nèi)溫度場的模擬值與試驗值保持相同的變化趨勢,土壤溫度模擬值與試驗值的絕對誤差在1.8 ℃以內(nèi),空氣溫度模擬值與試驗值的絕對誤差在3.8 ℃以內(nèi)。檢驗結(jié)果表明,模擬值與試驗值之間雖然存在一定的偏差,但均在合理的誤差范圍內(nèi),總體吻合良好,建立的數(shù)值模型具有一定的可行性和合理性,可用于棚內(nèi)溫度場的模擬。

圖6 棚內(nèi)土壤、空氣溫度場的對比Fig.6 Comparison of soil and air temperature fields in the shed

一天中,小型溫室棚內(nèi)土壤溫度與空氣溫度變化趨勢相同。在9:00—16:00時段,室內(nèi)溫度急劇升高并在16:00時左右達到峰值,在17:00—20:00范圍內(nèi)急劇降低。這是因為白天太陽輻射存在,使得溫室不斷吸收并積蓄熱量而迅速升溫,傍晚太陽輻射消失,溫室與外界存在較大的溫差,熱量散失明顯。此外,可以發(fā)現(xiàn)在半夜到第二天凌晨(24:00—8:00),室內(nèi)溫度下降較為緩慢并在8:00時左右溫度降到最低。此時段無太陽輻射,且溫室與環(huán)境之間的溫差較小,因此溫室散失熱量但不顯著,表現(xiàn)出緩慢下降的趨勢。

3.3 不同土壤層溫度變化

溫度對煙草生長和發(fā)育具有重要影響,適宜的土壤溫度有利于煙草的正常生長并提高煙葉的品質(zhì)。煙草是一種喜溫作物,整個生育期要求比較高的溫度。煙草生長發(fā)育最適宜的溫度是25—28 ℃,地上部在8—38 ℃的溫度范圍內(nèi)都能生長,地下部分在7—43 ℃之間都能生長[26]。溫度過低和過高都不利煙草植株的生長,在零下1—2 ℃的環(huán)境中煙株就會死亡[26]。因此煙苗移栽到大田時,必須保證10 cm深的土層溫度在9 ℃以上。一般認為,晝夜溫差的存在對于煙株生長發(fā)育是有利的[26]。煙草幼苗期根系較短,在土壤中分布范圍較小,其大部分根系分布在距地表20 cm左右的土壤層。因此,本文通過分析不同深度(-3 cm、-5 cm、-7 cm、-10 cm、-15 cm、-20 cm)土壤層溫度的變化情況,以探究溫室棚土壤溫度對煙草生長期的作用和影響。

圖7為未埋設(shè)稻殼時不同深度土壤層溫度日變化曲線和不同深度土壤層的平均溫度變化。從圖7中可以看出,不同深度的土壤層溫度場變化狀況是一致的,均呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢。在凌晨(24:00—8:00)土壤溫度緩慢下降；在8:00時附近溫度(8.2—9.5 ℃)最低。在此時段沒有太陽輻射,使溫室棚無熱量輸入；且溫室與環(huán)境存在對流、輻射換熱,溫室對外有熱量損失。但因為土壤溫度與周圍溫度之間的溫差較白天來說要小很多,換熱強度不大,所以土壤溫度呈現(xiàn)出緩慢下降的情況。在9:00—16:00范圍內(nèi),土壤溫度急劇升高并達到峰值(9.5—18.5 ℃),而在一天的16:00后,土壤溫度急劇降低(18.5—11.3 ℃)。白天,溫室棚吸收并積蓄了太陽輻射的能量,其內(nèi)溫度均升高,且隨著太陽輻射的加強,溫度攀升速率更加明顯；16:00后太陽輻射強度逐漸減弱,溫室棚吸收的熱量逐漸減少,且此時溫室棚與室外環(huán)境之間的溫差較大,導(dǎo)致溫室棚散失熱量較為顯著,其內(nèi)溫度急劇下降。隨著土壤深度的增加,溫度場的波動幅度和平均溫度均逐漸減小,越靠近地表土壤層的日溫度差越大,溫度場變化也越明顯[27]。

圖7 未埋設(shè)稻殼時不同土壤層溫度的變化Fig.7 Variation in temperature in different soil layers without buried rice hulls

圖8為未埋設(shè)稻殼時溫室棚截面在不同時刻的溫度分布,圖9為未埋設(shè)稻殼時不同時刻的溫度場情況。從圖8和圖9中可看出,溫室內(nèi)部中心即土壤與空氣接觸區(qū)域的溫度較高,四周溫度明顯低于中心溫度,且土壤溫度明顯高于空氣溫度。這因為溫室棚與周圍環(huán)境存在著對流換熱、淺層土壤向深層土壤導(dǎo)熱,熱量從溫室棚向深層土壤以及周圍環(huán)境進行傳遞,但土壤導(dǎo)熱能力低于空氣的對流換熱且土壤的比熱容遠遠高于空氣的比熱容,故中心土壤溫度較高。對比8:00和16:00時刻的溫度分布情況,可看出16:00時溫室的整體溫度明顯高于8:00時的溫度,正因白天太陽輻射的存在,使得溫室溫度明顯升高。夜間無太陽輻射時,有較好蓄熱能力的土壤可維持著溫室溫度。在垂直方向上,隨著土壤深度的增加,溫度逐漸遞減,當(dāng)深度達到20 cm時土壤的溫度達到最低且全天波動幅度最小,這表明在煙草根系所處的土壤層區(qū)域可維持較好的溫度,展現(xiàn)了溫室良好的保溫和蓄熱能力,為煙苗在低溫條件下提供了良好的生長溫度,有利于煙苗越冬生長。根據(jù)溫度分布變化的情況來看,夜晚土壤層溫度較低而白天土壤層溫度較高,使得煙草根系生長的土壤區(qū)域存在著明顯的晝夜溫差,有助于提高煙葉的品質(zhì)。

圖8 未埋設(shè)稻殼時溫室棚截面不同時刻的溫度分布云圖Fig.8 Temperature distribution clouds at different moments in the cross-section of the greenhouse shed without buried rice hulls

圖9 未埋設(shè)稻殼時不同時刻溫度分布云圖Fig.9 Cloud map of temperature distribution at different moments without buried rice hulls

定量分析來看,溫室棚地表下20 cm左右的土壤層區(qū)域溫度高于8 ℃,10 cm以上的土壤層溫度均高于10.6 ℃,溫室棚內(nèi)土壤層溫度最高可達18.5 ℃。溫室棚土壤溫度均處于適宜煙苗生長的溫度范圍內(nèi),棚內(nèi)移栽的煙草幼苗可正常生長并不存在抑制作用。在8:00—16:00時段土壤溫度急劇上升,更有利于煙草幼苗的生長。不同深度的土壤層晝夜溫差區(qū)別明顯,靠近地表的土壤晝夜溫差最大,隨土壤深度增加逐漸減小。深度在10 cm以上的土壤層存在明顯的晝夜溫差(2—9 ℃),這有利于煙苗生長。

3.4 埋設(shè)稻殼對土壤溫度場的影響

煙草是喜溫植物,其生長要求最低溫度是10—13 ℃,溫度逐漸上升,生長加快,所以必須保證土壤10 cm深處的土溫穩(wěn)定在10 ℃以上(最好在13 ℃以上)并逐漸有上升的趨勢時進行移栽,才有利于煙苗生長[28]。提高煙草生長的土壤溫度能激發(fā)土壤微生物大量繁殖及土壤中氮、碳、磷等循環(huán)有關(guān)的一些酶類的活性明顯提高, 從而促進了土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán), 使土壤肥力得到補充和提高,對促進煙草正常生長、實現(xiàn)煙草反季節(jié)栽培及其高海拔寒冷地區(qū)的種植具有重要意義[29]。埋設(shè)稻殼發(fā)酵產(chǎn)熱是提升土壤溫度的一種簡潔有效的方法,且稻殼發(fā)酵具有成本低、可再生、節(jié)約資源、對環(huán)境無污染等優(yōu)點[30—32]。因此,通過對比埋設(shè)稻殼與未埋設(shè)稻殼時不同深度(-3 cm、-5 cm、-7 cm、-10 cm)土壤層溫度,可以探究埋設(shè)稻殼對煙草生長期土壤溫度場的影響和作用。

圖10 埋設(shè)稻殼時不同土壤層的溫度變化及溫差對比Fig.10 Comparison of temperature changes and temperature differences between different soil layers with buried rice hulls

稻殼埋設(shè)深度為12—18 cm, 故對地表以下10 cm區(qū)域的土壤層溫度及其平均溫度進行分析。從圖10可看出,各個土壤層溫度變化趨勢相同,且與未埋設(shè)稻殼時一致,溫度呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的趨勢。不同深度的地溫隨土壤深度的增加均呈現(xiàn)出下降的趨勢,從下降的幅度上看,未埋設(shè)稻殼的溫室地溫下降得略大一些。這是由于白天土壤通過吸收太陽輻射出的大量熱量,一部分反射到空氣中,另一部分則儲存在土壤中,儲存在土壤中的熱量在夜晚起到保溫的作用。而深層土壤受到太陽輻射的影響較小,儲存的熱量也相對較少,所以地溫會隨著土壤深度的增加而減小。埋設(shè)稻殼的溫室在同一時刻均比未埋設(shè)稻殼的地溫高,在距壟臺表面越近地溫升高幅度越大。從圖10可看出,越接近地表,兩者的溫差就越大。這是因為埋設(shè)的稻殼起到了保溫和熱量補給的作用。為證明埋設(shè)的稻殼的作用,研究對溫室內(nèi)環(huán)境的溫度分布云圖進行了分析。

圖11 埋設(shè)稻殼時溫室棚截面不同時刻的溫度分布云圖Fig.11 Cloud plot of temperature distribution at different moments in the cross-section of the greenhouse shed with buried rice hulls

圖11為埋設(shè)稻殼時溫室棚截面不同時刻的溫度分布,圖12為埋設(shè)稻殼時不同時刻溫度分布云圖。從圖11和圖12中可看出,溫室內(nèi)溫度分布與未埋設(shè)稻殼時的溫度分布有些相似之處,溫室內(nèi)部中心區(qū)域溫度較高,而周圍邊界處存在熱量散失使其溫度較低。但是,埋設(shè)稻殼的溫室中稻殼發(fā)酵產(chǎn)熱使得稻殼埋設(shè)局部區(qū)域的土壤溫度明顯偏高,較高溫度的等溫線下移使得大部分土壤區(qū)域都處于較高的溫度范圍,這也正是煙苗根系所在區(qū)域。這充分證明,埋設(shè)的稻殼起到了保溫和熱量補給的作用。在白天,溫室吸收了太陽輻射的能量,同時稻殼發(fā)酵產(chǎn)熱也為溫室提供能量,使得埋設(shè)稻殼的溫室整體溫度高于未埋設(shè)稻殼的溫室。夜晚,不存在太陽輻射的情況下,稻殼提供的熱量補給使得夜間土壤維持在較高的溫度,并且同樣在煙草根系生長的土壤區(qū)域存在著明顯的晝夜溫差,有助于煙苗在低溫環(huán)境下生長、提高煙葉的品質(zhì)。

圖12 埋設(shè)稻殼時不同時刻溫度分布云圖Fig.12 Cloud map of temperature distribution at different moments with buried rice hulls

從圖11、圖12可看出,12:00—16:00 時段在一天中太陽輻射最強,埋設(shè)稻殼的溫室地溫隨土壤深度的變化速率與未埋設(shè)稻殼的略有不同,埋設(shè)稻殼的溫室土溫在該時段上升速度明顯提高。定量的分析看,埋設(shè)稻殼的溫室與未埋設(shè)稻殼的相比,其土壤溫度提高了0.5—6.5 ℃,深度10 cm范圍內(nèi)的土壤層最低溫度提高了1.1 ℃,最高溫度提高了5.5 ℃。同時,土壤層溫度的晝夜溫差提高了4.8—5 ℃,各土壤層平均溫度提高了2.3 ℃以上。這表明,埋設(shè)稻殼可以提高和維持溫室內(nèi)土壤溫度,對土壤溫度具有調(diào)節(jié)作用。埋設(shè)稻殼提高了土壤溫度,提高了棚內(nèi)土壤的晝夜溫差,有利于促進煙草正常生長、實現(xiàn)煙草反季節(jié)栽培及其高海拔寒冷地區(qū)的種植。

4 結(jié)論

本文通過試驗和數(shù)值模擬的方法,研究了移栽煙苗的溫室棚內(nèi)溫度場變化規(guī)律。建立了生物質(zhì)發(fā)酵增溫型溫室棚的試驗組及其三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型,對棚內(nèi)土壤及空氣溫度場進行了試驗數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬,同時根據(jù)試驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模型的準確性,并探究了埋設(shè)稻殼與否對溫室棚不同深度土壤層溫度的影響,得到相關(guān)結(jié)論如下：

(1)試驗組中埋設(shè)稻殼的溫室棚內(nèi)土壤溫度平均提高3.5 ℃,且溫室棚中平均溫度低于10 ℃的天數(shù)明顯減少。埋設(shè)稻殼的溫室棚中煙苗莖高和葉片數(shù)增長值最大,平均莖高從移栽時的7.8 cm增長到了12 cm,葉片數(shù)從平均5片增長到了11片,均大于未埋設(shè)稻殼試驗組。

(2)利用CFD方法得到的溫度模擬值與試驗值保持相同的變化趨勢,土壤溫度的絕對誤差在1.8 ℃以內(nèi),空氣溫度的絕對誤差在3.8 ℃以內(nèi)。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。

(3)數(shù)值模擬表明溫室棚內(nèi)不同深度的土壤層溫度變化情況一致,均呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢。不同深度的地溫隨土壤深度的增加均呈現(xiàn)出下降的趨勢。地表下20 cm左右的土壤層區(qū)域溫度均高于8 ℃,10 cm以上的土壤層溫度均高于10.6 ℃。溫室棚土壤溫度均處于合適煙苗生長的溫度范圍內(nèi),且土壤溫度存在一定的晝夜溫差,有利于煙苗正常生長。

(4)數(shù)值模擬中埋設(shè)稻殼的溫室土壤層溫度變化情況與未埋設(shè)稻殼的溫室一致。但其土壤層平均溫度、最低溫度至最高溫度以及晝夜溫差較未埋設(shè)稻殼相比,分別提升了2.3 ℃、1.1—5.5 ℃、4.8 ℃。埋設(shè)稻殼可以提高和維持溫室內(nèi)土壤溫度,對土壤具有保溫和熱量補給的作用。