摘要：為探究日光溫室頂部下翻蓋式通風(fēng)口開張度大小對溫室微氣候及番茄生長發(fā)育的影響，為溫室生產(chǎn)調(diào)控提供參考。本研究設(shè)計(jì)日光溫室頂部下翻蓋開啟75°（A1處理）和45°（A2處理）2種通風(fēng)方式，以頂部卷簾通風(fēng)為對照（CK），對溫室內(nèi)光照、CO2濃度和溫度等環(huán)境因子及番茄生長狀況進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在典型晴天白天，A1、A2和CK溫室的平均溫度分別為26.3、27.5、28.9 ℃，平均濕度分別為50.0%、50.3%、50.9%，平均CO2濃度分別為870、765、708 μmol/mol，A1、A2、CK溫室室內(nèi)及室外平均光照度分別為33 327、25 261、22 674、40 140 lx。A1、A2溫室番茄的單株產(chǎn)量及品質(zhì)相較于CK有了極大的提升。通過利用Fluent軟件選擇合適的邊界條件，探究在自然通風(fēng)條件下不同頂部下翻蓋式通風(fēng)口開張度對室內(nèi)環(huán)境的影響。模擬A1、A2和CK溫室內(nèi)的氣流和溫度場分布特征，分析頂部下翻蓋式通風(fēng)口不同開度對日光溫室環(huán)境因子的影響，得出了A1處理溫室溫度和氣流變化均勻，對作物影響相對較??；A2處理溫室通風(fēng)效果相對較差，不符合夏季通風(fēng)需求；CK溫室底部氣流較大，在寒冷季節(jié)可能會對作物底部造成凍害。綜上，日光溫室頂部下翻蓋式通風(fēng)口開張度為75°時(shí)表現(xiàn)最好。

關(guān)鍵詞：日光溫室；下翻蓋式通風(fēng)口；頂通風(fēng)；計(jì)算流體力學(xué)；微氣候；番茄

中圖分類號：S625.5；S641.204" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）14-0229-07

收稿日期：2023-08-27

基金項(xiàng)目：寧夏回族自治區(qū)中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)（編號：2021FRD05018）。

作者簡介：胡 豪（1999—），男，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向?yàn)闇厥以O(shè)施環(huán)境調(diào)控。E-mail：1643769477@163.com。

通信作者：葛 靜，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣象學(xué)及設(shè)施環(huán)境調(diào)控。E-mail：gjxqgy@163.com。

日光溫室由于其優(yōu)良的保溫性能，能夠抵御惡劣天氣，使溫室內(nèi)作物正常生長，在我國北方蔬菜周年生產(chǎn)和供應(yīng)中得到了廣泛的應(yīng)用。日光溫室在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中占有舉足輕重的地位，其通風(fēng)問題更是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。通風(fēng)是蔬菜日光溫室生產(chǎn)上的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)措施［1］，自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)是溫室內(nèi)的2種通風(fēng)方式。自然通風(fēng)是指在風(fēng)壓和熱壓的影響下，使室內(nèi)外空氣流動，它能夠起到冷卻除濕、補(bǔ)充CO2的作用，并為溫室中的作物提供適合其生長的環(huán)境。機(jī)械通風(fēng)是一種使用風(fēng)扇等通風(fēng)設(shè)備，在室內(nèi)和室外形成壓力差，從而對空氣進(jìn)行強(qiáng)迫流動的通風(fēng)方法，它以額外的能量消耗來對溫室內(nèi)環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫室的通風(fēng)效率與其通風(fēng)結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，而不同的通風(fēng)口位置會在很大程度上影響到溫室內(nèi)的熱環(huán)境分布。目前，主流的日光溫室自然通風(fēng)口通常安裝在溫室后墻、前屋面和溫室屋脊3個區(qū)域［2-4］。嚴(yán)露露等通過溫室后坡墻體處開窗通風(fēng)方式的不同，研究了自然通風(fēng)下溫室內(nèi)環(huán)境因子和作物生長情況以及植物冠層溫度的變化［5］。謝迪等對日光溫室頂通風(fēng)的通風(fēng)面積大小與室內(nèi)溫濕度的變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明日光溫室內(nèi)的溫濕度與室外的風(fēng)速有很大的關(guān)系［6］。佟國紅等將日光溫室中的溫度環(huán)境認(rèn)為是動態(tài)變化過程，利用CFD模擬了典型晴天條件下溫室內(nèi)溫度隨外界環(huán)境變化的規(guī)律，優(yōu)化了溫室設(shè)計(jì)參數(shù)［7］。李永欣等將溫室自然通風(fēng)和遮陽網(wǎng)結(jié)合，對Venlo型玻璃溫室內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行測試，結(jié)果表明溫室內(nèi)部溫度明顯低于室外，室內(nèi)環(huán)境因子分布均勻，適合作物生長［8］。已有利用CFD技術(shù)研究日光溫室微氣候變化主要通過不同結(jié)構(gòu)溫室室內(nèi)熱環(huán)境模擬、溫室不同通風(fēng)方式的模擬，得出了提高日光溫室環(huán)境水平的通風(fēng)方式，以及通風(fēng)方式的不同對溫室內(nèi)部氣流場的影響［8-19］。

在日光溫室自然通風(fēng)作用下，通風(fēng)口位置和結(jié)構(gòu)會對溫室內(nèi)部溫濕度等環(huán)境因子產(chǎn)生影響。目前缺少日光溫室頂部下翻蓋式通風(fēng)口開張度對溫室微氣候影響的相關(guān)研究，本試驗(yàn)探討了日光溫室頂部下翻蓋式通風(fēng)口開張度的變化及其與溫室內(nèi)環(huán)境因子和番茄生理指標(biāo)的關(guān)系，以期為日光溫室通風(fēng)調(diào)控過程中的除濕和熱量耗散提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試溫室

寧夏是一個典型的大陸性氣候區(qū)，年均溫度約8.5 ℃，降水量200 mm，光照時(shí)間超過2 610 h，年平均風(fēng)速為1.0～7.0 m/s。試驗(yàn)地點(diǎn)在寧夏銀川市賀蘭縣金貴鎮(zhèn)新起點(diǎn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)備有限公司（38.50°N，106.42°E）。試驗(yàn)溫室為寧夏第三代新型裝配式節(jié)能日光溫室，溫室坐北朝南，東西走向。東西長為60 m，南北跨度10 m，后墻為厚度0.5 m、高3.6 m的異質(zhì)復(fù)合保溫蓄熱墻體，脊高5.3 m，種植區(qū)寬為8.5 m，溫室西側(cè)配備操作間。溫室內(nèi)用PO膜分為面積相等的3個區(qū)域，溫室覆蓋棚膜為單層PO膜，外面覆蓋保溫被。采用上下通風(fēng)方式，上通風(fēng)為均勻分布在每個隔斷溫室的7個下翻蓋式通風(fēng)口，開啟方式為安裝鏈條式開窗機(jī)推動（電流1.2 A，推拉力400 N，行程800 mm）。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2個處理，下翻蓋式通風(fēng)口開張度為75°的溫室為A1處理（圖1-a），下翻蓋式通風(fēng)口開張度為45°的溫室為A2處理（圖1-b），對照（CK）為頂通風(fēng)采用卷簾通風(fēng)。3個溫室通風(fēng)口的面積相同，下翻蓋式通風(fēng)口形狀為矩形，長1.1 m、寬0.6 m，面積為0.66 m2，相鄰下翻蓋式通風(fēng)口間距為110 cm，對照溫室的頂部通風(fēng)口長20 m、寬13.2 cm。在距地高度0.6 m處，設(shè)置寬 40 cm、長60 m的前屋面底部通風(fēng)口，所有通風(fēng)口處均有52目防蟲網(wǎng)。通風(fēng)口開啟時(shí)間和面積與對照溫室相同，對照溫室和試驗(yàn)溫室除了頂部通風(fēng)口結(jié)構(gòu)不同其余部分均相同。

試驗(yàn)期間選取天氣狀況良好，日光溫室頂部下翻蓋式通風(fēng)口開度的二分之一、全開。以2023年3月25日日光溫室室內(nèi)外實(shí)測數(shù)據(jù)作為邊界條件，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，風(fēng)速1.8 m/s。建立日光溫室內(nèi)環(huán)境因子的CFD計(jì)算模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、DO湍流模型進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格生成及邊界條件設(shè)置采用ANSYS Workbench 2022R1的SpaceClaim軟件進(jìn)行幾何建模。網(wǎng)格采用ANSYS Workbench 2022R1中的Mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對進(jìn)出風(fēng)口進(jìn)行加密處理。

1.2 室內(nèi)作物

試驗(yàn)材料為番茄品種伊亞，為雜交一代粉果番茄，果實(shí)球形，單果重210～290 g，中早熟品種。定植日期為2023年3月19日，起壟種植，每壟2行，壟寬0.8 m，溝寬0.7 m，行距0.3 m，株距 0.35 m，單蔓整枝，留5穗果打頂，南北方向種植。試驗(yàn)時(shí)間為2023年3月19日至7月20日，田間管理按高產(chǎn)栽培要求進(jìn)行，每個試驗(yàn)溫室基肥為高濃度通用復(fù)合肥10 kg，鋅腐酸磷酸二銨10 kg，微生物菌劑 30 kg；追肥為滴灌水溶肥，試驗(yàn)溫室和對照溫室均采用水肥一體機(jī)進(jìn)行滴灌。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)測定

各溫室測點(diǎn)布置相同，詳見圖2。

（1）室內(nèi)采用紫藤氣象站采集系統(tǒng)（來自北京紫藤連線科技有限公司），特點(diǎn)是測量精度高，性能可靠，響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高?？梢詼y定空氣溫度（范圍：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃）、空氣濕度（范圍：0～100%，精度：±3%）、光照度（范圍：0～200 klx，精度：±5%）、CO2濃度（范圍：0～5 000 μmol/mol，精度：±50 μmol/mol）和土壤溫度（范圍：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃）。

（2）室外采用戴維斯氣象站測量數(shù)據(jù)，測定空氣溫度（范圍：-18～60 ℃，精度：±0.5 ℃）、空氣濕度（范圍：0～100%，精度：±3%）、光照度（范圍：0～320 klx，精度：±5%）。

（3）溫濕度傳感器（來自兆泰盛電子科技有限公司），可以測定空氣溫度（范圍：-40～60 ℃，精度：±0.3 ℃）、空氣濕度（范圍：0～100%，精度：±3%）。

（4）土壤溫度傳感器（來自浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司），可以測定土壤溫度（范圍：-20～70 ℃，精度：±0.5 ℃）。

（5）風(fēng)速風(fēng)向傳感器（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司），可以測定風(fēng)速（測量范圍：0～60 m/s，測量分辨率0.1 m/s）、風(fēng)向（測量范圍：0°～360°，風(fēng)向分辨率：3°）。

1.3.2 生理指標(biāo)測定

3個溫室內(nèi)番茄緩苗期后測定株高、莖粗、SPAD值等生長指標(biāo)。在番茄盛果期測定可溶性總糖、維生素C含量，分別采用 H2SO4-蒽酮比色法、鉬藍(lán)比色法測定。番茄單株產(chǎn)量的測定，在溫室內(nèi)隨機(jī)標(biāo)記5株，將多次采收的重量進(jìn)行測算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 27.0進(jìn)行單因素方差分析，用Origin 2018軟件進(jìn)行作圖，用Fluent軟件進(jìn)行日光溫室環(huán)境模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室下翻蓋式通風(fēng)口不同開張度對室內(nèi)環(huán)境因子的影響分析

2.1.1 典型天氣下不同開張度對室內(nèi)空氣溫度的影響

由圖3-a可知，在典型晴天，A1、A2、CK溫室溫度迅速上升，3個溫室內(nèi)溫度與室外溫度變化趨勢基本一致，晝高夜低，在13：00溫度達(dá)到最高值，分別為35.1、36.3、38.6、30.5 ℃，CK溫室的氣溫比A1和A2溫室分別高3.5、2.3 ℃。白天A1、A2、CK溫室的平均溫度分別為26.3、27.5、28.9 ℃，與室外相比分別高了3.0、4.2、5.6 ℃。由圖3-b可知，在典型陰天，3個溫室和室外的溫度變化趨勢基本相同，A1、A2和CK溫室溫度平均升溫速率較典型晴天低，陰天全天溫室氣溫都比室外高，在14：00溫度達(dá)到最高，A1、A2、CK溫室及室外溫度最大值分別為19.9、21.2、22.4、18.0 ℃，CK溫室分別比A1、A2溫室高 2.5、1.2 ℃。典型陰天，全天A1、A2、CK溫室及室外平均溫度分別為14.0、14.5、15.5、12.2 ℃，CK溫室分別比A1、A2溫室及室外平均溫度高1.5、1.0、3.3 ℃。基于以上數(shù)據(jù)分析，不管在晴天或者陰天情況下，A1溫室的通風(fēng)降溫效果比A2溫室和CK溫室的通風(fēng)降溫效果好，A2溫室的通風(fēng)效果比CK溫室好，CK溫室表現(xiàn)最差。

2.1.2 典型天氣下不同開張度對室內(nèi)空氣濕度的

影響

高濕是日光溫室的普遍特點(diǎn)。由圖4-a可知，在典型晴天，室外濕度一直比A1、A2、CK 3個試驗(yàn)溫室的濕度高，在早晨室外濕度及3個溫室的濕度達(dá)到最大值并開始下降，最大值分別為79.3%、72.9%、74.2%和76.0%，平均濕度分別為57.8%、50.0%、50.3%和50.9%。由圖4-b可知，典型陰天，3個溫室濕度和室外濕度變化趨勢基本相同，從07：00后濕度開始大幅度下降，14：00時(shí)濕度達(dá)到最低。A1、A2、CK溫室及室外的平均濕度分別為75.8%、77.8%、77.0%和80.7%。典型陰天白天A1、A2、CK溫室及室外平均濕度分別為58.6%、61.3%、58.0%和65.1%，陰天晚上19：00至次日早上07：00平均濕度分別為90.2%、91.8%、93.2%和93.9%。通過分析表明，CK溫室的濕度白天低晚上高，相比之下A1、A2溫室的環(huán)境濕度更加有利于番茄生長。

2.1.3 典型天氣下不同開張度對室內(nèi)CO2濃度的影響

由圖5-a可知，在典型晴天，3個溫室的CO2濃度在通風(fēng)口關(guān)閉后開始遞增，在08：00時(shí)日光溫室通風(fēng)口打開前達(dá)到最大值，A1、A2和CK溫室最大CO2濃度分別為1 279、1 095、1 052 μmol/mol。A1溫室CO2濃度極值分別比A2、CK溫室極值高184、227 μmol/mol，A1、A2和CK溫室的平均CO2濃度分別為870、765、708 μmol/mol。日出后溫室內(nèi)番茄開始進(jìn)行光合作用，在08：00—16：00 CO2濃度開始下降，在 16：00 時(shí)，A1、A2和CK溫室的CO2濃度達(dá)到最小值，分別為456、425、395 μmol/mol，A1溫室的最小值分別比A2、CK溫室高31、61 μmol/mol。由此可見，在典型晴天下A1、A2的CO2濃度優(yōu)于CK溫室，A1溫室優(yōu)于A2溫室。由圖5-b可知，典型陰天，同一時(shí)刻CO2濃度沒有典型晴天濃度變化大，在08：00時(shí)CO2濃度達(dá)到最大，A1、A2和CK溫室濃度分別為 1 620、1 560、1 518 μmol/mol，A1溫室最大值分別比A2、CK溫室高60、102 μmol/mol。08：00后光照加強(qiáng)、通風(fēng)口打開，番茄開始進(jìn)行光合作用，濃度急劇下降，在 13：00 時(shí)濃度達(dá)到最小值，A1、A2和CK溫室最小值分別為510、450、436 μmol/mol。通過以上數(shù)據(jù)表明，與A2、CK溫室相比，A1溫室內(nèi)CO2濃度是相對最高的，有利于白天番茄光合作用的進(jìn)行。

2.1.4 典型天氣下不同開張度對室內(nèi)光照度的影響

由圖6-a可知，在典型晴天，08：00—20：00各溫室光照度變化趨勢基本一致，A1溫室室內(nèi)光照度最高為 59 600 lx，A2、CK溫室及室外光照度最高分別為46 800、45 630、71 020 lx，室外光照度在14：00時(shí)分別比A1、A2、CK溫室高11 420、24 220、25 390 lx。A1、A2、CK溫室室內(nèi)及室外平均光照度分別為33 327、25 261、22 674、40 140 lx。由圖6-b可知，在典型陰天，A1、A2、CK溫室光照度最大分別為 22 720、20 170、19 652 lx，A1溫室光照度最大值僅比A2、CK溫室高2 550、3 068 lx，陰天光照度差距較小，通過以上數(shù)據(jù)分析可知，A1、A2溫室室內(nèi)的光照度優(yōu)于CK溫室，A1溫室光照度優(yōu)于A2溫室，說明在典型晴天室外光照好的情況下日光溫室下翻蓋式通風(fēng)口開張度75°比開張度45°時(shí)好。

2.2 不同開張度下溫室內(nèi)流場和溫度場分布模擬

日光溫室通風(fēng)換氣對溫室內(nèi)溫濕度變化有著重要影響，溫室內(nèi)氣流流動可以使得溫室內(nèi)部溫濕度發(fā)生變化。溫室頂部下翻蓋式通風(fēng)口的優(yōu)勢是抵擋冬季寒冷氣流對于風(fēng)口下方作物的凍害，保證溫室內(nèi)部整體環(huán)境變化穩(wěn)定。從A1、A2、CK 3個溫室在沿著溫室x軸10.1 m東西方向處氣流分布矢量圖（圖7）可以看出，A1溫室通風(fēng)形式氣流和溫室中部形成的渦流流速快，溫室底部中間位置的氣流速度也加快，氣流在溫室內(nèi)呈順時(shí)針方向流動，底部通風(fēng)口上方形成明顯渦流。A2溫室頂部通風(fēng)形式氣流流速平穩(wěn)，底部通風(fēng)處形成的渦流流速小，氣流主要從底部通風(fēng)口進(jìn)入，主要沿著溫室底部及后墻上行從頂部風(fēng)口流出， 造成頂部下翻蓋式通風(fēng)

口處氣流復(fù)雜。CK溫室底部、后墻區(qū)域和頂部棚膜區(qū)域氣流流速快，在寒冷季節(jié)會對作物產(chǎn)生凍害。

從A1、A2、CK 3個溫室在X軸10.1 m東西方向處溫度分布云圖（圖8）可以看出，在溫室頂部和后墻區(qū)域溫度較高是由于棚膜直接參與太陽輻射和后墻散熱造成的。A1溫室氣流運(yùn)動活躍，降溫效果明顯，適合寧夏地區(qū)夏季通風(fēng)要求。A2溫室氣流平緩，溫度變化較小，滿足在冬季及極端情況下通風(fēng)換氣需求。CK溫室底部溫度有變化，對作物緩苗期存在影響。

2.3 不同開張度對番茄生長、品質(zhì)、產(chǎn)量的影響

從表1可知，A1溫室番茄株高顯著小于A2、CK溫室，而莖粗、SPAD值、單果重、單株產(chǎn)量和可溶性總糖含量顯著大于A2和CK。A1、A2溫室單株果數(shù)、可溶性固形物含量、維生素C含量均大于CK溫室，但是差異不顯著。A1溫室內(nèi)番茄單株產(chǎn)量比A2、CK溫室分別高了3.3%、12.0%，A1溫室通風(fēng)效果良好。

3 討論與結(jié)論

本次試驗(yàn)采用的是寧夏銀川地區(qū)第三代新型裝配式日光溫室，其后墻保溫性能相對較好，試驗(yàn)設(shè)置為頂部下翻蓋式通風(fēng)口與底部通風(fēng)相結(jié)合，對溫室內(nèi)溫度及氣流場的變化有明顯影響，這與王新忠等的研究結(jié)果［9，20-21］基本一致。高溫持續(xù)時(shí)間和光照度會對番茄的品質(zhì)及可溶性糖含量產(chǎn)生影響［22-24］。有研究表明，通風(fēng)口的形狀和開張度會對室內(nèi)通風(fēng)有一定影響，通過采用CFD對溫室內(nèi)部環(huán)境模擬的方式可以看出溫室內(nèi)部通風(fēng)效果的差異，考慮到冬季寧夏地區(qū)冷風(fēng)風(fēng)速、日光溫室保溫和通風(fēng)的情況，與CK溫室通風(fēng)相比，A1和A2溫室下翻蓋式通風(fēng)口是合理的［25］。本次試驗(yàn)忽略了3個溫室間PO膜隔斷帶來的影響，主要研究了溫室內(nèi)部的微氣候變化，溫室通風(fēng)效果優(yōu)劣取決于溫室通風(fēng)口的位置、面積和結(jié)構(gòu)，后期要研究不同時(shí)段的開張度大小和底部通風(fēng)口不同寬度的組合。

本研究結(jié)果顯示，典型晴天，A1、A2、CK溫室的平均溫度分別為26.3、27.5、28.9 ℃，平均濕度分別為50.0%、50.3%、50.9%，平均CO2濃度分別為870、765、708 μmol/mol，A1、A2、CK溫室室內(nèi)及室外平均光照度分別為33 327、25 261、22 674、40 140 lx。以上數(shù)據(jù)說明了A1、A2溫室的溫濕度、光照、CO2濃度均優(yōu)于CK溫室，能夠?yàn)榉焉L提供良好的環(huán)境。日光溫室頂部下翻蓋式通風(fēng)口開度大小對溫室內(nèi)的氣流和溫度分布有明顯影響，不同的開度大小對室內(nèi)環(huán)境的熱交換作用不同，A1、A2溫室單株番茄產(chǎn)量比CK溫室分別高了12.0%、8.4%。

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