日光温室结构及环境条件对温室内光辐射的影响

来源:用户上传      作者:杨文雄 胡霞

　　摘    要：为提高温室中太阳光的利用率，笔者通过对日光温室结构、外界环境条件和室内植物对日光温室光环境的影响相关的文献资料进行归纳总结，明确了日光温室光照环境问题的复杂性。首先，温室本身的结构对温室内光辐射影响较大，需因地制宜合理设计;其次，外界的自然环境对温室内光辐射亦有较大影响，雾霾阴天等自然环境会减弱温室内的光辐射，不利于温室植物的生长;此外，室内植物增加了温室内光分布的复杂性，植株垂直高度上，由上及下，光辐射呈现下降趋势。因此，日光温室建造者和经营者应充分考虑上述多重影响因素，科学规划、合理利用、巧妙规避风险，以提高收益。
　　关键词：日光温室;光环境;影响因素;利用率
　　中图分类号：S625.1         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.11.001
　　Effects of Structure and Environmental Conditions of Solar Greenhouse on Light Radiation in Greenhouse
　　YANG Wenxiong， HU Xia
　　（Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442， China）
　　Abstract： In order to improve the utilization rate of sunlight in greenhouse， the author summarized the literature about the structure of greenhouse， the external environmental conditions and the impact of indoor plants on the light environment of solar greenhouse， and made clear the complexity of the sunlight environment in the greenhouse. Firstly， the structure of the greenhouse itself has a great impact on the light radiation in the greenhouse， so it needs to be designed reasonably according to local conditions. Secondly， the external environment should be considered. In addition， indoor plants increase the complexity of light distribution in greenhouse， and the light radiation presents a downward trend from top to bottom in vertical height of plants. Therefore， solar greenhouse builders and operators should fully consider the above multiple factors， scientific planning， rational use， clever risk aversion， in order to improve the income.
　　Key words： solar greenhouse; light environment; influencing factors; utilization rate
　　太陽辐射作为日光温室的主要能量来源及室内作物光合作用的唯一光源，对作物的产量和质量影响重大，故日光温室设计优先考虑如何最大限度地合理利用自然光。但日光温室结构、外界环境条件和室内植物对日光温室光环境均有重要影响，目前已有诸多研究报道。本文结合已有科研文献进行归纳总结，旨在为日光温室建设者和经营者提高室内太阳光的利用率提供参考。
　　1 日光温室结构对室内光辐射的影响
　　日光温室结构参数如跨度、屋脊高度、方位角、屋面曲线、山墙等均可直接影响室内光辐射强度及时间。
　　1.1 脊跨比
　　跨度是指温室南侧底角起至后墙内侧之间的宽度。适宜的跨度可保证室内作物有足够的生长空间，目前一般在6～12 m范围内，受多种因素影响存在地域差异。邹平等[1]研究表明吐鲁番地区日光温室跨度在7 m时室内光照条件明显优于8，9 m的日光温室，其有效光照时间最长但波动也大;而金鲜华等[2]研究发现山地日光温室跨度为10 m光照度最好。屋脊高度是指屋脊到温室地面的垂直距离，一般在3.2～3.4 m范围内，有研究表明随着脊高的增加，温室地面的日射总量透过率及辐照度都略微减小[3]。屋脊高度与跨度相互制约，故实际生产中常用二者的比值即脊跨比进行调整，脊跨比合适，采光角度就合理，一般为1∶2.5。周长吉等[3]研究发现当脊跨比由0.43增加到0.57，日射总量透射率降低约6%，辐照度减少约1%;李晓豁[4]研究亦表明温室采光量大小随脊跨比的增加而减小。
　　1.2 方位角
　　日光温室方位角对温室采光量影响较大，一般为正南，方位角为0°，根据地区气候特点和地形，会有所不同。林川渝[5]通过测试不同方位模拟温室的透光率日分布情况、总透光率分布情况及光照强度日累计值分布情况，提出了建造日光温室的适宜方位范围为真子午169°24′～172°24′。该参数的确定存在较大的地域差异，宋希强等[6]研究表明北京地区日光温室的建筑朝向在南偏西15°～20°时采光量较高;白义奎等[7]研究表明沈阳地区温室方位在南偏西5°～6°时进光量最大，较正南向温室进光量增加0.3%;宋明军等[8]研究认为甘肃地区日光温室方位角可取0°～8°，最大不超过10°;刘仍臣[9]认为晋北地区日光温室方位应该选择朝南偏西5°为宜。日光温室方位角还与种植模式有关，张利华等[10]研究认为秋延迟种植模式的日光温室方位角宜西偏7°～9°，越冬种植模式日光温室方位角宜西偏6°～8°，春提早种植模式日光温室方位角宜西偏8°～10°，方位角西偏角度随着纬度增加而减少。 　　1.3 屋面曲线形式
　　日光温室屋面曲线形式有圆、抛物线、椭圆，双曲线、幂函数、三角函数、对数函数、摆线或二种曲线的组合等多种类型。生产实践中，还要考虑是否方便制作、实用性等问题，一般选用双圆、直线与圆弧组合的曲线形式，而椭圆的选择相对较少。不同的形式，其温室进光量不同，但总体差异有限。轩维艳[11]建立了日光温室采光屋面曲线数学模型，发现温室采光效果随采光屋面弧度的增加而变差，但太阳光入射率的变化幅度相当小，最多不会超过3%。李家宁等[12]研究表明不同屋面形状的日光温室内光环境指标差异不大，总平均透过率最大相差1.4%，但屋面倾角对进光量有显著影响，透光量随着屋面倾角的增大而增加，且增加的部分主要集中在墙面上。王梅等[13]研究表明，半地下立窗型日光温室前屋面的曲线类型可以在立窗+圆弧面、立窗+椭圆面和立窗+抛物线面3种采光面中任选其一。而有些学者则认为屋面曲线对温室光环境有较大影响：张锁峰等[14]研究表明，设计的1/7幂函数骨架曲线的有效日总辐射照度最大，采旋光性能明显优于对照温室骨架曲线;王静等[15]研究表明圆-抛物面温室虽然提高了透光率，南北方向上光照度也较单斜面、抛物面均匀，但室内光照度仍远低于室外，且南北方向上光照度仍有明显差异。还有学者除了考虑进光量，还考虑实用性的影响：王朝栋等[16]模拟研究三次样条函数、圆弧、椭圆、抛物线4种曲线形日光温室前屋面的进光量情况，结果显示，四者进光量分别为40 467，
　　39 451，39 306，35 845 kJ，他认为4种曲线形日光温室前屋面中，以三次样条函数形日光温室前屋面进光量最大，且更具实用性;高志奎等[17]建立日光温室采旋光性能的数学模型，以保定地区为例运算模型圆弧面的平均采光率最高，但实用性最差，椭圆面和抛物线面在方程参数优化后表现相近，但平均采光率最低;程杰宇等[18]研究认为双圆组合、直线与圆弧组合是符合日光温室光性能需求的，而且方便生产加工制作。
　　1.4 其他参数
　　山墙作为日光温室的主体构造之一，其作用主要是与北墙、前后屋面构成温室围护结构。由于日光温室长度一般远大于跨度，山墙对温室内光环境的影响往往被研究者忽略，而实际上，山墙至少会在两方面对温室内的光环境产生影响，一是山墙在温室地面产生阴影，导致温室地面光辐射的不均匀性，二是山墻本身也会接受光辐射，从而在夜间放热，对温室保温起到一定作用。李小芳等[19]研究表明温室长度为26 m时，山墙体内侧接受的太阳直接辐射日总量占全天室内的9.7%，因此，不能忽略山墙受到光辐射后的蓄热放热作用;温室长度越小，阴影率越大，为了减少温室阴影率对温室光照环境的影响，温室长度不宜低于30 m。宝卫通等[20]对酒泉肃州区非耕地日光温室的山墙热通量进行实时监测，发现夜间山墙北部夜间放热量偏低，说明山墙北部在白天接受较少的太阳辐射。因此须加强山墙北部的蓄热保温设计，如山墙内表面用水泥加黑色颜料涂黑，可增强墙体吸收光辐射的能力。
　　除此之外，日光温室覆盖材料不同，透光率不同。徐增汉等[21]研究了0.06 mm厚度PVC薄膜，厚度分别为1.5，2.5，3.2 mmPC耐力板，两种安装方式不同的5.4 mm厚PC阳光板，及分别为立筋纵向和立筋横向安放和两种厚度（0.5，1.5 mm）的PE软材等8种材料在不同时段不同倾角下的透光率，其中0.5 mm厚PE软材透光率最大，5.4 mm厚PC阳光板透光率最小;王楠等[22]对5种多功能EVA膜和19种不同特性的PE膜共计24种日光温室常用透光覆盖材料的辐射透过性能进行测试研究，结果表明在400～2 300 nm波长范围内，所有材料的辐射透过率均在80%以上。
　　2 外界环境条件对日光温室光辐射的影响
　　阴天会减弱日光温室内的光辐射，且温室不同部位的光照差异大。张亚红等[23]研究发现：晴天时，日光温室土质梯形墙体表面太阳辐射总量为8.117 MJ·m-2，地面为8.280 MJ·m-2，地面值略高于墙体，差异不显著;阴天时，墙体与地面太阳辐射总量分别为 0.984，2.068 MJ·m-2，地面太阳辐射总量显著高于墙体太阳辐射总量。郑健等[24]研究发现晴天和阴天太阳总辐射和光合有效辐射日变化趋势一致，阴天比晴天小。郜庆炉等[25]研究认为日光温室光照度因天气条件各有不同，而且不同部位的光照差异也很大，无论是晴天还是阴天，在南北水平方向，由温室南沿至后墙，光照度逐渐减少，近后墙处最低。Cutforth等[26]研究太阳辐射状况时发现总辐射与降水量呈负相关，即降水量越多，总辐射越低，降水量越少，总辐射越大。
　　外界雾霾天气导致太阳辐射减弱，从而减少温室内的太阳辐射。邵振艳等[27]研究了大气污染对我国华北重点城市总辐射的影响，结果表明太阳总辐射随着PM10浓度的增大而减小。朱志辉[28]研究了北京地区太阳辐射的情况发现大气污染会明显削弱太阳辐射，城市化和工业化是大气污染加重的主要原因。林爽斌[29]证实了大气污染对太阳直接辐射的削弱作用。黑河污染较小，太阳辐射削弱最小，相比于黑河，哈尔滨的大气污染使太阳直接辐射削弱了25.3%，佳木斯削弱了14.2%。
　　3 日光温室的光辐射与室内植物之间的关系
　　作物冠层内的光分布状况受冠层结构、叶面积的垂直分布以及作物品种等因素的影响。张亚红等[30]、白青等[31]认为日光温室内太阳总辐射量南部明显高于北部。张敏[32]认为随着油松冠层高度的下降，太阳总辐射量逐渐减小。李艳大等[33]、Hirose[34]得出水稻冠层最大分层叶面积指数出现在0.6 m相对高度处，冠层内平均光合有效辐射透光率从顶部向下递减。陈景玲等[35]使用植物冠层分析仪测定荆条孤立冠层叶面积指数和透光率，发现植物孤立冠层相比均匀冠层，植物透光率呈现更加显著的不均匀性。曲佳等[36]研究日光温室西红柿群体的太阳总辐射量分布规律，结果表明，在西红柿盛果期，日光温室内的太阳总辐射量南部明显高于北部，平均高出200 W·m-2以上，中部略高于东、西部，太阳总辐射量在植株群体内垂直方向上随冠层高度的下降而减少，越靠近冠层底部太阳总辐射量衰减的日变化越不明显，随着冠层高度的降低，累积叶面积指数增大，太阳总辐射量减小。 　　日光温室的光辐射与室内植物之间的关系，还可以用数学模型的方式进行模拟。Thevenard等[37]、Yang等[38]在研究日光温室作物群体结构的基础上，建立了温室黄瓜行内太阳辐射传输模型。温维亮等[39]开发了基于辐射度-图形学结合模型的作物冠层光分布计算系统，但系统在模拟大规模作物冠层光分布时比较困难。Hervé Rey等[40]研究表明，茎秆吸收的辐射占总辐射的比例小于5%，但在进行精确光分布模拟时，其作用不能忽略。
　　4 结论与建议
　　综上所述，对于室外太阳辐射、温室的光环境和日光温室内的光照等各方面，国内外学者均开展了大量研究，其研究结果对于日光温室内光照环境研究和设计具有重要的指导意义：温室本身的结构对温室内光辐射影响较大，需因地制宜、结构合理;外界的自然环境对温室内光辐射亦有较大影响，雾霾阴天等自然环境会减弱温室内的光辐射，不利于温室植物的生长;室内植物增加了温室内光分布的复杂性，植株垂直高度上，由上及下，光辐射呈现下降趋势。这就需要温室建造者和经营者在充分了解当地地质环境、气候条件、植物生长特性和经济发展水平的基础上，因地制宜、科学规划、合理利用、巧妙规避风险，合理安排农时，最大限度发挥温室本身的功效，充分利用光照条件，合理布局温室作物种类及种植密度，获取最大收益。
　　但由于温室光照环境问题的复杂性，许多方面仍然有较多未完全解决的问题。由于光辐射在温室内传播规律的复杂性以及影响因素众多，其中还有较多尚未探明的问题，例如阴天的光辐射模拟，散射辐射的大小与传播规律，透明覆盖材料对直射光的散射作用（雾度）的问题等等，这些问题都有待科研工作者继续研究。
　　
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