地溫加熱對日光溫室蔬菜根層土壤的升溫效應

賈宋楠 范鳳翠 劉勝堯 李志宏 趙楠 張哲 杜鳳煥 賈建明

摘要：利用太陽能電輔加熱系統通過地暖管熱水循環散熱直接對溫室土壤進行加溫，探究地暖管不同埋設深度對白天地溫的時空效應，優化加熱管埋設深度。結果表明，蔬菜根層地溫隨時間變化在空間上擴散形成類似上短軸下長軸的不規則橢圓球體。熱量由集熱中心向上傳遞顯著有效距離為5 cm，向下傳遞顯著有效距離為10 cm。地暖管最適埋設深度在10 cm處，可滿足華北區冬季晴天與陰霾天氣番茄、黃瓜生長所需的最適地溫。

關鍵詞：日光溫室;太陽能;地溫加熱;土壤溫度;時空效應

中圖分類號： S214.3;P468.0+21? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）21-0205-07

收稿日期：2020-09-15

基金項目：河北省現代農業產業技術體系創新團隊項目（編號：HBCT2018030205）;河北省農林科學院創新工程項目（編號：2019-3-3）;河北省農林科學院博士基金（編號：C19R1501）;河北省農林科學院農業信息與經濟研究所省級國際科技合作基地建設項目（編號：19396443D）。

作者簡介：賈宋楠（1987—），女，河北邢臺人，博士，副研究員，主要從事設施蔬菜資源高效利用研究。E-mail：594200801@qq.com。

通信作者：范鳳翠，博士，研究員，主要從事蔬菜資源高效利用及農業信息化研究。E-mail：njsffc@163.com。

土壤溫度是指地面以下作物根層土壤的溫度，日光溫室蔬菜主要根系一般在5～25 cm土層[1-2]，本試驗主要研究蔬菜根層土壤溫度。黃瓜根系生長適宜的土溫為20～25 ℃，番茄為20～22 ℃[3]。當土壤溫度持續較長時間低于地溫下限或高于地溫上限時，根系生理功能受到阻滯，水分、養分吸收困難，植物會發生枯萎現象（盡管土壤中水分充足）[3]。所以，地溫是影響蔬菜生長的重要因子。

北方保溫性較差的溫室在冬季連遇陰霾天或雨雪天，棚室氣溫及地溫較低，特別是每年的12月到翌年1月的地溫最低，導致果菜類根系不發達、長勢慢而影響植株正常生長[4]。提高日光溫室冬季地溫的措施包括采用地面覆蓋[5]、生物反應堆[6]、鋪設地熱線[7]、地中熱交換技術[8-9]、地下蓄熱[10]等方式。

近年來國內外研究人員將太陽能應用于日光溫室，改善室內環境。Bargach等用太陽能集熱器改善溫室內微氣候環境，可提早甜瓜收獲期、改善品質以及提高育苗溫室氣溫[11-12]。孫先鵬等開展了太陽能蓄熱聯合空氣源熱泵溫室加熱試驗研究，以此改善溫室內的空氣溫度、濕度等環境因素[13]。近年來，人們開始進行地溫加熱研究。馮前前等利用不同裝置的太陽能地溫系統對溫室土壤進行加熱提高冬季溫室地溫，結果表明，當散熱管埋深40 cm時地溫最高，且地溫值變化穩定[14-17]。李炳海等研究表明，蔬菜根層30 cm處埋設散熱管主要集中加熱了15～25 cm深度的土壤，對淺層土壤溫度影響較小[18]。

太陽能地暖管加熱對地溫的熱傳遞特性及地暖管埋設深度與蔬菜根層地溫關系的研究尚需豐富。本試驗從時間與空間上研究分析土體加熱形成的土壤溫度場分布特征，以及從蔬菜根土空間分析地暖管的鋪設深度。為日光溫室土體加熱系統對蔬菜根層地溫的影響提供理論依據，優化地暖管埋設深度。而且，本試驗將太陽能地溫加熱系統與電輔加熱配套，以解決冬季極端天氣日照不佳太陽能集熱效果差的問題，提高冬季溫室蔬菜生產。

1 溫室結構及參數

試驗于河北省農林科學院石家莊市鹿泉區大河鎮綜合試驗園區“冀優Ⅱ型”日光溫室內進行。該溫室長5 500 cm，內跨600 cm，矢高265 cm，混凝土骨架，前屋面與地面夾角62°，采光角18°，后屋面仰角40°。墻體結構為磚混37 cm厚磚墻，后墻培土150 cm。后墻內高200 cm，底寬200 cm，上寬 80 cm。采光面呈半卵圓形（琴弦式），主采光面角度25°～30°。夜間棉被覆蓋，9：00揭被，16：30蓋被。石家莊市地處華北區，屬溫帶半濕潤偏旱大陸性季風氣候，四季分明，日均氣溫13.6 ℃，日照時數 2 554 h，平均冬季時長130 d。經取土樣化驗，棚室內土壤為壤質石灰性褐土，土壤基礎理化性質均勻。

2 材料與方法

2.1 太陽能+電輔土壤加溫系統

該系統主要由太陽能+電輔集熱系統、地熱加溫循環系統及控制系統3個部分組成（圖1）。（1）太陽能集熱系統。太陽能集熱面積18 m2（3 m×6 m），電輔加熱依設定的集熱器水溫及天氣狀況自動啟動或關閉。（2）地熱加溫循環系統。采用PRT耐熱聚乙烯管，管道直徑20 mm，地熱管做成U型，2管距離20 cm，平鋪在種植壟下方土體不同深度，與主管道連接形成進水、回水循環系統。（3）控制系統。傳感器感應土層溫度，并將溫度信號指示給控制器，由電磁閥自動調控熱水在管道里循環，以此通過熱水（控制加熱水溫40 ℃）循環來提高土壤溫度。

地熱循環系統根據太陽能水溫和地溫來控制循環，即當處理地溫達到預設地溫值20 ℃時，監測和控制該小區地溫的傳感器和電磁閥自動調控地熱循環系統的運行。

2.2 試驗方法

試驗時間為2015年12月1日至2017年1月30日，在河北省石家莊市鹿泉區河北省農林科學院綜合實驗園區進行。每個試驗小區為一個處理，小區壟寬40 cm，壟間寬80 cm，壟長400 cm，小區面積為4.8? m2（1.2 m×4.0 m）。每個小區兩側用陽光板及隔熱墊縱向完全隔開，底部即地表以下50 cm處鋪埋隔熱墊，使各處理小環境相對獨立。試驗處理為散熱管鋪埋深度，共6個處理。處理Ⅰ：散熱管鋪埋于地下10 cm處;處理Ⅱ為15 cm處;處理Ⅲ為 20 cm 處;處理Ⅳ為25 cm處;處理Ⅴ為30 cm處;處理Ⅵ為對照，不做加溫處理。重復3次，各處理散熱管均鋪埋于種植壟正下方，壟上覆地膜。試驗區總面積為72? m2。試驗布置見圖2。

2.3 測定方法

系統于2015年12月4日運行。試驗連續采集了2015年12月至2016年1月期間逐日的數據。每個處理壟不同深度埋設WatchDog B101紐扣地溫自動記錄儀，同時種植壟上插RM-004直角地溫計。紐扣記錄儀溫度測量范圍：-40～85 ℃，測量精度：±0.6 ℃（-15～65 ℃），尺寸：5 cm×5 cm。

由于地膜覆蓋促使蔬菜根系分布淺層化，且主要根系分布層為0～25 cm土層范圍，故本試驗主要監測5～25 cm土層地溫。

選取分析了晴天和陰天2個典型天氣情況下地溫的變化規律。晴天、陰天數據均選擇2015年12月4日至2016年1月27日期間晴天、陰天的平均數據。晴天，環境溫度為-4～8 ℃;陰霾天，環境溫度為-4～4 ℃。

2.4 數據處理

數據選取09：00（卷簾前）、12：00、14：00、16：00（閉簾前）4個時間段進行分析，采用Excel 2016和DPS 2016統計軟件進行分析，并在0.05顯著水平及0.01極顯著水平上進行多重比較。為使土壤溫度分布特征直觀可視，采用Auto CAD2006設計軟件繪制地溫空間分布模型剖面示意圖。

3 結果與分析

3.1 不同天氣條件下土體不加熱地溫變化

由圖3可知，2種典型天氣條件下，各土層溫度在09：00—14：00為升溫時段，之后穩定或下降。隨著土層的加深，土壤增溫過程表現出滯后性和緩慢性。蔬菜根系主要分布的土層為20～30 cm，晴天時只有5 cm土層地溫達到黃瓜、番茄適宜地溫 21 ℃;陰霾天，根系各層地溫均低于20 ℃。需提高3～8 ℃才能使蔬菜主要根系層達到最適地溫。

3.2 土體加熱對根層地溫的時空效應

3.2.1 地暖管埋深10 cm處對根層地溫的影響

3.2.1.1 不同根層地溫的時間變化

晴天，室外氣溫為-4～8 ℃，室內溫度為14～36 ℃。由圖4可知，晴天地暖加熱系統可使5～25 cm土層平均地溫達到21 ℃。5～10 cm土層地溫在地暖管加熱及太陽輻射作用下升溫幅度較大。15～25 cm土層地溫變化較平緩。

陰霾天，室外氣溫為-4～4 ℃，室內溫度為11.8～12.5 ℃。陰霾天氣地溫變化主要源于地暖管加熱，不同土層溫度通過加溫儲熱升溫，09：00時20～25 cm土層地溫即達到番茄、黃瓜適溫范圍（20～25 ℃），深層地溫顯著高于淺層地溫。

3.2.1.2 不同根層地溫的空間變化

由圖5可知，晴天、陰霾天時地溫傳遞規律大體一致。地溫增溫變化與對照（不加溫）相比，陰霾天時以10 cm處為熱源擴散中心點，溫度向上傳遞到5 cm處，較對照地溫升高了13%，向下傳遞到15 cm處地溫升高了29%?？梢?，土體向下傳遞熱量高于向上傳遞熱量。從20～25 cm土層地溫升幅值可得出，由10 cm處熱源中心向下傳遞到20 cm的地溫升幅達57%，而 25 cm 土層地溫提高60%與20 cm地溫提高57%相比升幅不明顯，認為10 cm為向下有效傳遞半徑。為直觀表達溫度傳導特征，用Auto CAD2006設計軟件繪制地溫空間分布剖面模型，初步認為蔬菜根層地溫在空間上的擴散形成類似上短軸下長軸的不規則橢圓球體。如圖5所示，類不規則橢圓球體內的球體大小表示不同根層傳遞熱量的多少。

3.2.2 地暖管埋深15 cm對根層地溫的影響

3.2.2.1 不同根層地溫的日變化

晴天時通過加溫可使根層土壤平均溫度達到番茄、黃瓜適溫21 ℃;陰霾天時地暖管加熱可使地溫平均達到19 ℃。通過加溫比對照提高2～7 ℃。由圖6-b可知，12：00之后，陰霾天 20～25 cm土層地溫達到適溫。熱量由熱源中心 15 cm 處向周圍傳遞，20與25 cm層升溫最快。

3.2.2.2 不同根層地溫的空間變化

由圖7可看出，陰霾天時，15 cm處為熱源擴散中心，溫度向上傳遞地溫提高2～3 ℃，提高了13%～17%;溫度向下傳遞地溫升高了28%～44%?？梢?，土體向下傳遞熱量高于向上傳遞熱量。15 cm處熱源擴散中心向下傳遞到達25 cm土層的溫度升幅最大。同“3.2.1.2”節，繪制根層地溫空間分布模擬圖，可見，根層地溫在空間上的擴散形成一個類似上輕下重的儲熱球體，該球體空間剖面示意如圖7所示。

3.2.3 地暖管埋深20 cm對根層地溫的影響

3.2.3.1 不同根層地溫的日變化

如圖8所示，晴天加溫，12：00以后根層平均地溫達到適溫21 ℃，且不同根層溫差小;陰霾天加溫，在12：00以后 25 cm 地溫升高達到適溫，其他各層地溫均未達到，且不同根層地溫差較大。通過加溫平均地溫比對照提高3.7 ℃。陰霾天加熱系統對地溫的影響，表現出深層地溫高于淺層地溫。

3.2.3.2 不同根層地溫的空間變化

由圖9可見，陰霾天時，20 cm處為熱源擴散中心，溫度向上傳遞到15 cm處地溫比對照升高了23%，明顯高于10、5 cm 處12%的升幅;溫度向下傳遞到25 cm處地溫升高了46%。說明，接近散熱中心的根層升溫高，且土壤溫度向上傳遞顯著有效距離為5 cm。同“3.2.1.2”節，繪制根層地溫空間分布剖面模擬圖，如圖9所示。

3.2.4 地暖管埋深25 cm對根層地溫的影響

3.2.4.1 不同根層地溫的日變化

由圖10可知，地暖管埋深在25 cm處，晴天時，淺層地溫升溫快;陰霾天時，地暖管周圍20～25 cm處地溫升溫快。16：00時20～25 cm土層地溫才達到適溫線。陰霾天氣地暖管地溫加熱系統對各層地溫起主要作用，表現出土壤熱導性向下傳。

3.2.4.2 不同根層地溫的空間變化

由圖11可以看出，25 cm處為熱源擴散中心，陰霾天溫度向上傳遞到 20 cm 處地溫升高了31%，15 cm處地溫升高了26%，10 cm處溫度升高了20%，5 cm處溫度升高了14%。由此說明，近熱源中心的地溫升溫幅度高于遠熱源中心的地溫。同“3.2.1.2”節，繪制不同根層地溫空間分布剖面模型，見圖11。

3.2.5 地暖管埋深30 cm處對根層地溫的影響

3.2.5.1 不同根層地溫的日變化

如圖12所示，晴天時加溫措施可使平均地溫達到24 ℃，陰霾天時加溫措施可使20～25 cm土層地溫達到適溫21 ℃，其他各土層地溫均低于適溫，不同根層地溫差較大。30 cm 處為散熱中心，熱量由此向上傳遞對 25 cm 土層地溫作用較大，對其他層次地溫作用較小。圖12所示的地溫特征曲線表明陰霾天氣時土壤熱量向下比向上傳遞多。

3.2.5.2 不同根層地溫的空間變化

由圖13可看出， 30 cm處為熱源擴散中心， 溫度向上傳遞，陰霾天5～25 cm 土層地溫較對照分別提高了18%、25%、31%、38%、54%。通過方差分析25 cm土層升溫值顯著高于其他各層升溫值，溫度向上傳遞顯著有效距離為5 cm。由此說明，接近熱源中心的地溫升幅大，距離熱源中心遠的土層升溫小。同“3.2.1.2”節，繪制不同根層地溫空間分布剖面模型，見圖13。

3.3 地暖管不同埋設深度對根層地溫的日效應

3.3.1 地暖管不同埋設深度對根層地溫的方差分析

由表1可知，與對照相比通過土體加熱提高地溫效果顯著。晴天時，地暖管埋深10 cm處與30 cm處0～25 cm根層日均溫極顯著高于對照，且分別較對照提高了4.54和4.62 ℃，達到蔬菜生長適宜的地溫。陰霾天時，各處理區根層日均溫度均顯著高于對照，只有10 cm與30 cm處根層日均溫度達到蔬菜生長適宜的地溫下限20 ℃。

3.3.2 地暖管不同埋設深度對根層地溫的回歸分析

分析2種天氣條件下地暖管不同埋深與根層平均日溫的關系，可知蔬菜主要根系層平均地溫隨地暖管埋深增加呈現先降低后升高的趨勢。

建立2種典型天氣條件下蔬菜根層地溫與地暖管埋深的回歸模型，如式（1）、式（2）所示：

Y晴天=0.015 9x2-0.631 6x+27.955 0，R2=0.998 6;（1）

Y陰霾天=0.016 8x2-0.674 8x+25.446 0，R2=0.897 1。（2）

式中：Y晴天、Y陰霾天分別表示晴天、陰霾天蔬菜根層平均地溫對地暖管埋深的效應函數。由回歸方程式（1）和式（2）中一次項系數可知，地暖管埋深對不同天氣根層地溫具有顯著負效應，且對陰霾天根層地均溫的影響大于晴天根層地溫。

4 討論與結論

太陽能地溫加熱系統提高土壤溫度效果顯著[18-19]。晴天時，太陽輻射對地溫的作用要大于地暖管的加溫作用;陰霾天時，地暖管的加溫效果較顯著。關于散熱管不同埋深對夜間土壤溫度的影響以及地溫變化對作物生長影響的研究正在進一步探索。

地溫時空變化方面，熱源穩定情況下，蔬菜根層溫度平緩升溫且隨深度增加熱量積累增加，土壤熱傳導性向下傳遞。地溫增加量隨時間變化在空間上擴散形成近似上短軸下長軸的不規則橢圓球體。

在熱源埋深方面，已有研究表明埋管深度越深，土壤表層溫度越低;隨著散熱管埋深增加，對根區溫度場影響減弱，在蔬菜根層30 cm處埋設散熱管，結果顯示熱能主要集中加熱了15～25 cm深的土壤[19-20]。本研究發現熱源埋深在10與30 cm處均可使地溫達到番茄、黃瓜生長適宜地溫，但埋深在30 cm處達到適溫的根土空間較埋深在10 cm處的范圍小。土體加熱系統運行時，離散熱管越遠地溫變化越滯后。

本研究發現了在光照較弱或陰霾氣候條件下，通過電輔加熱來提高太陽能地溫加熱系統內循環水的水溫，可以有效提高整套系統的工作穩定性和實際增溫效果，保證地溫維持在適溫，以防因地溫低而影響當季蔬菜種植生產[21]。

日光溫室土體加熱對陰霾天日均地溫升溫的影響大于晴天。蔬菜根層土壤溫度傳遞表現出向下傳導趨勢?！凹絻灑蛐汀比展鉁厥胰材しN植模式下，地暖管埋設深度在10 cm處，可滿足冬季晴天、霧霾天氣條件下番茄、黃瓜根系生長所需的最適地溫20～25 ℃。

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