相變蓄熱墻體對(duì)日光溫室熱環(huán)境及乳瓜生長(zhǎng)發(fā)育的影響

任佳楠　張亞紅　付玉芳　俞婷

摘要：為了研究復(fù)合相變墻體對(duì)日光溫室熱環(huán)境及乳瓜生長(zhǎng)發(fā)育的影響，以北墻為土搗墻的日光溫室為對(duì)照，對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)（熱通量、北墻內(nèi)表面溫度、氣溫、土壤溫度）及乳瓜生長(zhǎng)參數(shù)（葉片、莖、果實(shí)的生長(zhǎng)狀況）進(jìn)行比較。結(jié)果表明：溫室北墻涂抹40mm相變材料可提升墻體吸放熱的性能，且白天蓄熱和夜間放熱通量均高于對(duì)照溫室。墻體內(nèi)表面溫度呈現(xiàn)出相變涂層溫室好于對(duì)照溫室，最高增加0.4℃。試驗(yàn)期間，相變涂層溫室的旬平均氣溫總是高于對(duì)照溫室，最高增加0.3℃，且溫室內(nèi)最高溫度呈現(xiàn)出相變涂層溫室小于對(duì)照溫室，所以相變材料放熱使得室內(nèi)溫度略高于對(duì)照溫室，室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度大大減少。相變涂層溫室的日均土壤溫度高于對(duì)照溫室，最高增加5.7℃。2個(gè)溫室乳瓜的株高均與日均氣溫、日均土壤溫度呈極顯著正相關(guān)，且相變涂層溫室處理的相關(guān)系數(shù)大于對(duì)照處理。在整個(gè)生育期，相變涂層溫室內(nèi)的乳瓜株高較對(duì)照溫室增加12.7%，莖粗增加1.5%，葉面積增加2.9%。與對(duì)照溫室相比，相變涂層溫室內(nèi)乳瓜維生素C含量、總糖含量、橫寬分別增加41.9%、27.9%、9.8%。該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)寧夏日光溫室后墻墻體材料和相變溫室種植作物選擇提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合相變蓄熱墻體;日光溫室;熱環(huán)境;乳瓜;生長(zhǎng)發(fā)育

中圖分類號(hào)：S626;S642.204文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）04-0164-06

作者簡(jiǎn)介：任佳楠（1991—），女，陜西靖邊人，碩士研究生，主要從事設(shè)施園藝環(huán)境調(diào)控研究。E-mail：214858364@qq.com。

通信作者：張亞紅，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝環(huán)境等科學(xué)與科研工作。E-mail：zhyhcau@sina.com。

蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育受很多因素的影響，其中溫度、濕度、光照、CO2濃度是最重要的因素，適宜的溫度對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育各個(gè)階段尤為重要。日光溫室利用溫室效應(yīng)，可以使蔬菜在寒冷的冬季不受凍、不發(fā)生寒害，生長(zhǎng)發(fā)育良好[1]。日光溫室北墻作為吸收和儲(chǔ)存太陽(yáng)能并為溫室增溫的載體，對(duì)調(diào)控和改善溫室蔬菜生長(zhǎng)的熱環(huán)境尤為重要。

目前，關(guān)于日光溫室墻體增溫的研究主要是使用復(fù)合相變材料。按照相變材料的儲(chǔ)/釋能理論，將日光溫室后墻墻體改造為相變墻體，使它兼有保溫及蓄熱的功能，白天室內(nèi)溫度較高時(shí)，材料吸收并貯存熱量;夜間室內(nèi)溫度較低時(shí)，釋放熱量，使得日光溫室太陽(yáng)輻射能源的利用率大幅度提高，室內(nèi)晝夜溫差減小，最低溫度提高并減少熱量損失，通過(guò)熱量調(diào)節(jié)功能對(duì)現(xiàn)有熱環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控[2-4]?，F(xiàn)在大多數(shù)科研工作者把研究重點(diǎn)放在相變墻體溫室的材料、結(jié)構(gòu)等方面來(lái)提升溫室熱環(huán)境[5-8]，而對(duì)基于此類材料墻體下植物生長(zhǎng)發(fā)育的研究較少。因而，本試驗(yàn)以溫室北墻為土搗墻為對(duì)照，探究溫室北墻涂抹40mm復(fù)合相變材料對(duì)乳瓜蒸騰及生長(zhǎng)發(fā)育的影響，為科學(xué)評(píng)價(jià)復(fù)合相變材料的適用性提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在寧夏園藝產(chǎn)業(yè)園科研溫室進(jìn)行，為了便于比較研究，將溫室中部用雙層透明陽(yáng)光板（間隔500mm）隔開(kāi)（即由東向西約40m處），等分成2個(gè)溫室區(qū)域，即相變涂層溫室（T）和對(duì)照溫室（CK）。相變涂層溫室北墻采用噴漿工藝將相變材料即石蠟類固-液相變材料（主要成分石蠟、石墨、高密度聚乙烯）、炭黑粉、水泥砂漿按一定比例用混凝土噴涂機(jī)混勻噴涂40mm，然后人工夯實(shí)抹平（圖1）。

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在寧夏園藝產(chǎn)業(yè)園科研開(kāi)發(fā)區(qū)（106°33′E、38°58′N）進(jìn)行，溫室坐北朝南，東西延長(zhǎng)，長(zhǎng)度80m，跨度10.0m，脊高4.3m，后墻高3.7m，底座寬2.5m，收口0.5m，東西山墻及北墻中部為1.5m厚土梯形搗墻。溫室棚膜使用EVA-I型長(zhǎng)壽無(wú)滴膜。試驗(yàn)采用寧夏天緣種苗有限公司育成的乳瓜品種迷你3號(hào)，于2019年4月25日定植，試驗(yàn)時(shí)間為2019年5月1日至7月31日。

1.3測(cè)定方法

1.3.1溫室內(nèi)環(huán)境的測(cè)定

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位于2個(gè)溫室中央墻面、棚室中心，安裝墻體表面溫度傳感器、熱通量傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器等。墻體傳感器位于墻體內(nèi)表面，距地面垂直高度1.85m處（即墻體中部），空氣溫濕度傳感器位于棚室中心，高1.5m，土壤傳感器位于棚室中心，深10cm處。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用CR10X、CR800數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)傳感器（美國(guó)Campbellsci公司生產(chǎn)），每10min采集1次數(shù)據(jù)。

1.3.2黃瓜生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

每處理隨機(jī)選擇12株進(jìn)行掛牌標(biāo)記，自黃瓜定植（緩苗15d）后，每隔14d測(cè)量其株高、莖粗、葉面積。株高用卷尺測(cè)量，量取植株莖基部到主莖頂端生長(zhǎng)點(diǎn)的自然長(zhǎng)度;莖粗用電子游標(biāo)卡尺量取莖基部2cm處;葉面積測(cè)量選擇已標(biāo)記的植株3張葉，用卷尺測(cè)量葉長(zhǎng)、葉寬，計(jì)算葉面積。

1.3.3乳瓜品質(zhì)的測(cè)定

盛果期各處理隨機(jī)采10個(gè)樣測(cè)定乳瓜果實(shí)的品質(zhì)?？扇苄怨绦挝锖坑檬殖质綌?shù)顯糖度計(jì)測(cè)定（TD-45）;可溶性總糖含量用H2SO4-蒽酮比色法測(cè)定;有機(jī)酸含量用酸堿滴定法測(cè)定;維生素C含量用鉬藍(lán)比色法測(cè)定;硝酸鹽含量用硫酸-水楊酸法[9]測(cè)定。

1.3.4乳瓜產(chǎn)量的測(cè)定

記載每次的采收日期，各處理的乳瓜產(chǎn)量按小區(qū)田間實(shí)測(cè)計(jì)。記錄各小區(qū)每次采收果實(shí)的質(zhì)量及數(shù)量，計(jì)算平均單果質(zhì)量和平均單株產(chǎn)量，最后折合成單位面積產(chǎn)量。

1.4數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2007及Origin7.5軟件處理，用SPSS17.0進(jìn)行差異顯著性分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同溫室熱通量對(duì)比

熱通量可以反映溫室后墻的吸放熱能力。由表1可知，相變涂層溫室后墻累計(jì)蓄熱通量較普通溫室多76175.5W/m2，累計(jì)放熱通量相變涂層溫室較普通溫室提高61338.9W/m2。由此可知，溫室北墻添加相變材料提高了墻體吸放熱的能力。

由圖2可知，白天對(duì)照溫室后墻熱通量為138.1W/m2，相變涂層溫室蓄熱通量為338.1W/m2，較普通溫室提高1.4倍。白天普通溫室北墻內(nèi)表面熱流量峰值出現(xiàn)在14：30，為41.6W/m2;相變涂層溫室北墻內(nèi)表面熱流量峰值出現(xiàn)在11：30，為64.1W/m2，比普通溫室高22.5W/m2，且峰值出現(xiàn)時(shí)間提前3h。夜間普通溫室和相變涂層溫室墻體內(nèi)表面放熱熱通量平均為20.6、31.5W/m2，相變涂層溫室比普通溫室高出10.9W/m2，表明日光溫室北墻經(jīng)相變材料噴涂后，白天蓄熱通量和夜間放熱通量均高于普通溫室。

2.2不同溫室墻體溫度比較

如圖3所示，普通溫室和相變涂層溫室墻體內(nèi)表面和墻內(nèi)0.3m的溫度均表現(xiàn)為相變涂層溫室優(yōu)于普通溫室。相變涂層溫室和普通溫室墻體內(nèi)表面的月平均溫度分別為25.5、25.3℃，相差0.2℃;相變涂層溫室和普通溫室墻內(nèi)0.3m處的月平均溫度分別為24.8、24.4℃，相差0.4℃。

2.3不同溫室空氣溫度變化

由于試驗(yàn)期處于夏季，室外氣溫較高，夜間溫度已基本滿足乳瓜生長(zhǎng)所需要求。傳統(tǒng)日光溫室白天溫度較高，需要降溫。從表2中可以看出，普通溫室最高氣溫比相變涂層溫室平均高出1.2℃。在整個(gè)試驗(yàn)期，相變涂層溫室的旬平均氣溫總是高于普通溫室，最高可提高0.3℃。由此可見(jiàn)，相變材料對(duì)溫室氣溫具有消峰填谷作用，可促進(jìn)植株健康生長(zhǎng)。

2.4不同溫室土壤溫度變化

由圖4可知，相變涂層溫室與普通溫室平均土壤溫度差異明顯。5月時(shí)，普通溫室的平均土壤溫度為19.8℃，相變涂層溫室的為24.8℃，比普通溫室高5.0℃;6月時(shí)，普通溫室的平均土壤溫度為19.9℃，相變涂層溫室的為25.6℃，比普通溫室高5.7℃。與普通溫室相比，5月相變涂層溫室土壤深10cm溫度累計(jì)高80.2℃，6月累計(jì)高91.3℃。

2.5不同墻體對(duì)乳瓜生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

2.5.1對(duì)乳瓜株高的影響

由圖5可知，在乳瓜幼苗期，不同處理對(duì)乳瓜株高無(wú)顯著影響，由于相變溫室地溫累計(jì)比對(duì)照溫室高，在乳瓜開(kāi)花結(jié)果期，相變溫室的乳瓜株高顯著高于對(duì)照溫室的乳瓜。在6月30日，相變涂層溫室乳瓜株高為251.0cm，普通溫室乳瓜株高為222.8cm，較相變溫室乳瓜株高矮28.2cm，且相變溫室乳瓜生長(zhǎng)速度為0.044m/d，普通溫室乳瓜生長(zhǎng)速度為0.038m/d。說(shuō)明溫室后墻涂抹相變材料有助于提升地溫和減少氣溫?cái)_動(dòng)，因而提高植物的生長(zhǎng)速率。

2.5.2對(duì)乳瓜莖粗的影響

植株的莖不僅起到支撐植株地上部分的作用，而且還起到輸送營(yíng)養(yǎng)的作用[10]。由圖6可知，不同處理的乳瓜莖粗在生長(zhǎng)初期差異顯著，且相變涂層溫室乳瓜莖粗高于普通溫室，但隨著時(shí)間的推移，莖粗增加得不明顯?？傮w來(lái)看，相變涂層溫室的乳瓜莖粗與普通溫室差異不顯著。

2.5.3對(duì)乳瓜葉面積的影響

由圖7可知，整個(gè)試驗(yàn)期不同的處理對(duì)乳瓜葉面積影響不顯著。普通溫室乳瓜葉面積的增長(zhǎng)速度為5.97cm2/d，而相變溫室乳瓜葉面積增長(zhǎng)速度為6.49cm2/d，較普通溫室多增長(zhǎng)0.52cm2/d。

2.6溫室乳瓜生長(zhǎng)指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

從表3可以看出，不同處理乳瓜的株高、莖粗、葉面積均與環(huán)境因子呈正相關(guān)。2個(gè)處理乳瓜株高均與日均氣溫、日均土壤溫度呈極顯著相關(guān)，且T處理的相關(guān)系數(shù)大于CK處理。對(duì)于莖粗，CK與日均土壤溫度、夜間放熱通量呈顯著相關(guān)，而T處理與其呈極顯著相關(guān)。對(duì)于葉面積，CK與日均氣溫、日均蓄熱通量呈顯著相關(guān)，T處理僅與日均氣溫呈顯著相關(guān)。

2.7不同溫室乳瓜品質(zhì)及產(chǎn)量比較

由表4可知，不同試驗(yàn)條件下，乳瓜果實(shí)品質(zhì)在可溶性固形物含量、總酸含量、縱長(zhǎng)指標(biāo)上差異不顯著，但在維生素C含量、總糖含量及橫寬指標(biāo)上差異顯著。T溫室乳瓜維生素C、總糖含量、橫寬指標(biāo)顯著高于CK，較CK分別增加41.9%、27.9%、9.8%。對(duì)于產(chǎn)量，T溫室略高于CK溫室，但差異不顯著?？傮w而言，相變涂層溫室所得果實(shí)品質(zhì)優(yōu)于普通溫室，這與相變材料增加溫室內(nèi)部光照和溫度有關(guān)。

3討論與結(jié)論

本研究統(tǒng)計(jì)了5—7月3個(gè)月普通溫室與相變涂層溫室的蓄放熱通量，結(jié)果顯示，溫室北墻涂抹40mm相變材料可以提高墻體吸放熱的能力，而且白天蓄熱和夜間放熱通量均高于普通溫室。不同溫室墻體內(nèi)表面至墻內(nèi)0.3m厚的溫度均表現(xiàn)為相變涂層溫室優(yōu)于普通溫室，最高可高0.4℃。在整個(gè)試驗(yàn)期間，相變涂層溫室的旬平均氣溫總是高于普通溫室，最高可增加0.3℃，且溫室內(nèi)最高溫度表現(xiàn)出相變涂層溫室小于普通溫室，由此可見(jiàn)相變材料放熱使其室內(nèi)溫度略高于普通溫室，室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度大大減少，舒適度提高。相變涂層溫室的日均土壤溫度大于普通溫室，最高可高5.7℃。這與前人的研究結(jié)果[11]基本一致。

通過(guò)對(duì)乳瓜整個(gè)生育周期的觀察和測(cè)定，相變涂層溫室處理對(duì)乳瓜的株高有顯著影響，而對(duì)莖粗、葉面積影響不顯著。這與前人研究結(jié)果[12]一致，即應(yīng)用復(fù)合相變蓄熱材料的溫室，可明顯提高蔬菜生長(zhǎng)的環(huán)境。相變涂層溫室處理的乳瓜維生素C含量、總糖含量、橫寬指標(biāo)顯著高于對(duì)照，較對(duì)照分別增加41.9%、27.9%、9.8%。對(duì)于產(chǎn)量，相變涂層溫室處理略高于對(duì)照，差異不顯著。這與封美琦等的研究結(jié)果[13]一致。綜上所述，與普通溫室相比，相變涂層溫室能夠?qū)厥业臒岘h(huán)境進(jìn)行改善，從而影響蔬菜的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，建議對(duì)普通溫室后墻進(jìn)行改造，改善溫室熱環(huán)境，提高蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳超，果海鳳，周瑋.相變墻體材料在溫室大棚中的實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30（3）：287-293.

[2]李明，周長(zhǎng)吉，丁小明，等.日光溫室聚苯乙烯型磚復(fù)合墻保溫蓄熱性能[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（1）：200-205.

[3]張寅平.相變貯能：理論和應(yīng)用[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1996：125-130.

[4]管勇，陳超，李琢，等.相變蓄熱墻體對(duì)日光溫室熱環(huán)境的改善[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（10）：194-201.

[5]孫心心，鄒志榮，王宏麗，等.新型復(fù)合相變墻日光溫室性能實(shí)測(cè)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（3）：168-170.

[6]KumariN，TiwariGN，SodhaMS.Effectofphasechangematerialpassivethermalheatingofagreenhouse[J].InternationalJournalofEnergyResearch，2006，30（4）：221-236.

[7]NajjarA，HasanA.ModelingofgreenhousewithPCMenergystorage[J].EnergyConversionandManagement，2008，49（11）：3338-3342.

[8]BerrougF，LakhalEK，ElOmariM，etal.Thermalperformanceofagreenhousewithaphasechangematerialnorthwall[J].EnergyandBuildings，2011，43（11）：3027-3035.

[9]張志良，瞿偉菁.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].3版.北京：高等教育出版，2003：128-131.

[10]姜在民，賀學(xué)禮.植物學(xué)[M].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)出版社，2009：119.

[11]李鵬，張亞紅，白青，等.基于日光溫室相變材料的梯形墻體熱特性分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2019，40（10）：620-629.

[12]韓云全，陳超，管勇，等.復(fù)合相變蓄熱墻體材料對(duì)日光溫室熱環(huán)境及番茄生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].中國(guó)蔬菜，2012（18）：99-105.

[13]封美琦，張亞紅.日光溫室后墻張掛不同材料對(duì)室內(nèi)乳瓜生長(zhǎng)特性及品質(zhì)的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（27）：13300-13303.