日光温室冬季土壤保温加热研究现状与展望

摘 要：冬季温度低是日光温室生产上的重要限制因子，而作物对根际温度的反应比对空气温度更加敏感且增温成本更低，因而寻找节能、稳定、低成本的土壤保温及加热措施意义重大。该文总结了日光温室土壤保温加热的方法，保温措施以不同的热平衡途径分类进行分析，加热措施以不同的能源来源划分进行分析，而后从原理、能源消耗、成本、稳定性、增温效果、未来发展等方面分析比较各方法的优缺点。保温与无土栽培结合，保温与加热措施结合，组合利用太阳能、地热能等多种能源，研发成本低、稳定性好、效果佳的保温加热模式是今后较好的日光温室增温模式。

关键词：日光温室；土壤；保温；加热

中图分类号 S625.51 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）08-0063-06

1 引言

日光温室的基本功能之一是提供作物冬季适宜生长的温度条件。温度是影响设施园艺作物生长的最为重要的环境因素之一[1]。虽然农业設施的应用在一定程度上解决了生产中的温度胁迫问题，但是高低温胁迫危害依然严重，一直以来是日光温室生产上的重要限制因素[2]。而对于中国北方的日光温室，最亟待解决的是提高过冬期间日光温室温度。

日光温室内温度调控分为空气温度调控和根系温度调控，它们都是作物的生长重要限制因子。在实际生产中，由于栽培介质的缓冲作用，根际温度变化与气温变化规律相近但时间上相应延缓[3-4]，对作物生长影响更大[5]；且当空气温度适宜时，影响更明显[6-7]。Yan[8]对黄瓜植株的研究表明，根系低温严重抑制了黄瓜的生理活动，当根系温度升高时，黄瓜植株逐渐恢复了正常的生长。适当的根际温度能够促进作物对干物质的吸收积累[9]，Walker的研究发现，在12～35℃范围内，根际温度每降低1℃就能引起玉米生长量下降约20%[10]。此外，陈祎[11]的研究表明，根际加温比传统加温更节能，曲梅[12]通过局部根际加温调控比空气全范围加温节能28%左右。因此，根际温度加温在温室作物的温度调控中具有重要的研究意义和价值。

日光温室冬季要提高作物根际温度，最重要的是对土壤（或基质）进行保温及加热。为了解决日光温室冬季土壤温度低的问题，国内学者做了许多研究，提出了许多解决方案。其中大多从单一方面提高土壤温度，或注重温度的提高[13]，或注重节能[14]，或注重耐用性[15]等。本文总结了前人对土壤（或基质）进行保温及加热的研究现状，并进行了展望。

2 日光温室冬季土壤保温方法研究

日光温室热量的主要来源是太阳辐射。而到达土壤表面或植物冠层的净辐射，一部分流入或流出土壤，形成土壤热通量，一部分用于加热土壤和空气（显热），另一部分用于土壤水分蒸发和作物蒸腾作用消耗（潜热），如公式所示：Rn=G+L×ET+H。式中：Rn为净辐射，G为土壤热通量，L为潜在汽化热，ET为蒸散量，L×ET为潜热通量，H为显热通量[16]。

所以室内土壤能量的得失主要有5个途径[17]，一是表层土壤与温室各部分的辐射传热，二是太阳辐射，三是表层土壤与空气的对流热传导，四是相邻土壤层间及各层间土壤的热传导，五是土壤表面冷凝水的潜热。土壤保温措施大都从这5个途径出发，提高土壤蓄热量，减少放热量。

2.1 地面覆盖保温 目前许多试验证明了覆盖透明塑膜、黑色塑膜、黑色砂砾、沥青乳液等[18]对土壤有较好的增温效果，其增温效应主要体现在提高地温平均值和最大值[19]。增温机制[20]为：隔绝了土壤与外界的水分交换，抑制了潜热交换；减弱了土壤与外界的显热交换；覆盖物（如地膜）及其表面附着的水层对长波反辐射有削弱作用而使夜间温度下降减缓。对于覆盖物来说，由于部分阻挡了太阳辐射及与温室各部分的辐射传热，故白天相对裸地获得的热量较少，但是在夜晚，土壤放热量却大大减少。所以良好的保温覆盖物可以较好地进行白天蓄热，又大大减少夜晚放热。覆盖物保温特别是薄膜保温使用方便，成本很低，增温幅度取决于地面覆盖材料的光谱透射率、土壤本身的物理热特性及其外界环境的条件[21]，比如透明薄膜塑料比黑色薄膜塑料的保温性更好。该方法一般可使地温增加1～3℃。但是由于许多覆盖物不可降解，故使用不当会产生污染。

2.2 起垄保温 起垄是一个简便常用的农艺操作，改变了微地形和作物生长的小气候，增大了适宜作物生长的土层，使土层更加松软，利于微生物活动，提高了有效养分，节水保墒，为作物生长创造了一个良好的生态环境[22-23]。垄作栽培的小气候效应主要表现在提高地温，降低周围空气相对湿度，加强作物近地面部通风透光，从而减轻病虫害发生程度，使植株发育良好。除此之外，垄作栽培也改变了土壤的物理性质。黄庆裕[22]等认为，垄作栽培可使土壤的通透性加强，还原性有毒物质减少，同时土壤的蓄热能力、导热能力都比平畦和淹田低，从而使土温、水温提高快，作物生长健壮[24-26]。

除了可以使土壤增温，有研究[27]表明土壤起垄后还可以降温，增温还是降温主要取决于太阳辐射在土垄上的分布状况。比如对于常见的南北向垄作，由于春季上午和下午的太阳高度角较低，阳光主要照射土垄的东、西面，辐射面积小，但是集中，垄温度增高的快；中午则相反。

对于增温土垄来说，其保温增温机制[28]主要有以下2点：一是由于起垄后土壤表面积发生了变化，改变了土壤接受太阳辐射能的面积、部位、角度，可以更充分地接受太阳能，达到增温的效果。二是起垄调节了导热性质等，改变了局部土壤的热物理性质。起垄后，受太阳辐射部分的土壤体积增大，而且由于垄作的土壤较为疏松，故土壤的含水量、空气含量也相应增大，土壤热容量随之增大[29]。综上，起垄后，土壤的孔隙度和容重变小，导热性降低，保温性能增加。

土垄原材料丰富，材料成本较低，但目前日光温室内主要仍是人工起垄，人工成本较大；增温土垄除了可以提高土壤温度，还可以有效地协调小范围的土、水、肥、气、热、光等关系。垄作的表面积相对平作更大，白天蓄热量大而夜晚的散热量也大，故土垄覆膜会减少夜间的散热量，对增加土温更加有效。土垄的蓄热散热量还受土垄含水率、孔隙度、土壤种类等影响，起垄时应综合考虑。

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