我国日光温室小气候研究进展与展望

第卷第期年月西北农林科技大学学报（自然科学版）（）网络出版时间：：：网络出版地址：我国日光温室小气候研究进展与展望收稿日期基金项目公益性行业（气象）科研专项 “华北日光温室小气候资源高效利用技术研究 ”（）作者简介魏瑞江（），女，河北晋州人，正研级高工，硕士，主要从事设施农业气象研究。：魏瑞江，孙忠富（河北省气象科学研究所，河北石家庄；河北省气象与生态环境重点实验室，河北石家庄；中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京）摘要简要回顾了我国日光温室的发展历程，将日光温室小气候研究划分为个阶段：世纪年代的起步阶段、年代的探索发展阶段及世纪的快速发展阶段。从日光温室小气候监控、小气候变化规律、小气候模拟、温室内小气候与外界的关系、小气候预报、小气候对蔬菜生长发育的影响、小气候调控等个方面，介绍了日光温室小气候研究的主要成果和进展；从设施农业可持续发展及生产需求、农业气象业务发展需求、日光温室小气候研究存在的薄弱环节等方面，提出立足防灾减灾的日光温室小气候监测预测技术研究、立足气候资源优势的小气候高效利用技术研究、立足农业气象业务发展的小气候定量分析评估技术研究、立足节能降耗和低碳生产的小气候调控技术研究等，将是未来日光温室小气候研究的重点和热点。关键词日光温室；小气候；研究进展中图分类号文献标志码文章编号（），（，，；，，；，，）：：，，：，，，，，，，，，，，：；我国日光温室发展迅速，日光温室蔬菜生产给人们带来了可观的社会效益和经济效益。由于日光温室的相对封闭性，决定了其内部的小气候不同于外界环境的大气候，但实际又受到外界大气候的巨大影响。同时，日光温室内的小气候直接影响着温室内蔬菜的生长与发育，所以人们对日光温室小气候进行了较多研究。为了了解并借鉴前人的研究成果，以便于更好地开展相关研究和应用，本研究简要回顾了我国日光温室的发展历程，重点阐述了国内在日光温室小气候方面的研究进展，探讨了未来我国日光温室小气候研究的重点和方向，以期为设施农业防灾减灾、农业增产增收增效和农村经济可持续发展奠定基础。日光温室发展历程日光温室是以太阳能为主要能源，夜间采用活动保温被对前屋面保温，进行越冬生产的单屋面塑料薄膜温室。日光温室世纪年代初发源于辽宁海城，世纪年代末期经瓦房店传往山东、河北等地，后在东北、华北、西北等地区广泛应用。日光温室的发展经历了个阶段：一是初创时期，从世纪初开始，一直延续到世纪年代，主要是土木结构的玻璃温室；二是大规模发展初期，从世纪年代初期到末期，日光温室前屋面覆盖材料由玻璃改为塑料薄膜，实现了北纬地区在完全不加温的条件下，利用塑料日光温室进行越冬黄瓜的种植；三是全面提升与发展期，从世纪年代初期到世纪初期，日光温室面积快速发展，结构性能和配套技术也逐步优化和跟进，实现在最低气温地区，通过对温室进行少量加温而能够生产喜温果菜并获得高产；四是现代化发展期，从世纪初期开始至今，日光温室朝着自动化、机械化、规范化、无害化、标准化方向发展。有关日光温室小气候的研究也随着日光温室的兴起而开始。日光温室小气候研究进展日光温室小气候包括温度、湿度、接受到的太阳辐射、二氧化碳等。自世纪年代开始，针对日光温室小气候的研究就已经展开，可以分为个阶段：世纪年代的起步阶段、年代的探索发展阶段、世纪的快速发展阶段。小气候自动监控技术研究对日光温室内小气候的实时监控，是日光温室生产走向工业化、自动化、产业化的必由之路，是实现温室生产高产、优质、高效的关键，也是做好气象为设施农业服务这一工作的基础。最初对温室内小气候的监控普遍采用人工方式，如用传统的温、湿度计记录温室内的温度和湿度，甚至仅凭生产操作人员的感觉，采用人工扒缝通风或多层覆盖的方法，达到控制室内温、湿度的目的。我国温室自动控制技术研究开始于世纪年代，在年代，中国农业科学院、中国农业大学、吉林工业大学、江苏理工大学等单位从不同角度研究了温室内的计算机控制与管理技术，这一阶段我国温室小气候的监控技术研究主要从消化吸收、简单应用向实用化、综合性研究应用阶段过渡和发展。进入世纪，一些农业科研院所和大学加大了对温室内小气候自动监控技术的研究，集传感技术、自动检测技术、通讯技术和微型计算机技术于一体，实现了对温室内小气候的自动监控。如中国农业科学院研制了温室小气候自动监控系统，并在技术上不断更新，先是基于和技术，通过总线与数字传感器连接，并与监控计算机构成温室现场监控系统，再通过无线通讯技术建立现场监控系统与互联网连接，将实时采集信息发送到数据服务器。针对总线传输距离相对较短、无法实现远程监测的问题，又研制了基于嵌入式和基于与的无线远程通信技术，解决了数据远程传输的技术问题。针对此方法需要安装大量传感器和终端设备，现场布线和设备安装搬移困难的不足，又研制了基于网络的温室环境远程监控系统，但网络系统使用的是一种低功耗近距离的通信技术，其信号相对较弱，抗干扰能力差。为了解决此问题，又研制了基于和的温室远程监控系统，采用更为先进的第三代移动通信技术，并运用虚拟技术搭建安全可靠的虚拟专用网络，对温室环境因子数据进行自动采集、远程传输、存储管理、网络发布、分析处理。近年来，物联网技术也被广泛应用到日光温室小气候的监控中。西北农林科技大学学报（自然科学版）第卷小气候变化规律研究日光温室的封闭性或半封闭性决定了温室内独特的小气候环境，掌握了温室内小气候的变化规律，才能有目的地合理开发和利用。由于日光温室内小气候与温室本身的结构、温室内种植作物的种类、外界气象条件和人为控制等有关，所以人们多是针对不同结构、不同天气状况、不同作物的温室内小气候进行研究。在结构上，有大跨度、厚墙体、砖墙体、半地下式和地平式等不同结构类型；在地域上，东起山东，西到新疆，南起江皖，北到黑龙江，适用不同地域的日光温室都有涉及；天气状况涉及晴天、多云、寡照、雨雪等天气；涉及的作物多以黄瓜、西葫芦、番茄、青椒、茄子等为代表的喜温果菜为主，少量涉及芹菜等比较耐寒的蔬菜；研究内容主要是针对温室内气温、地温、空气湿度、太阳辐射、二氧化碳气体等因子，从日、旬、月、生长季等角度研究其时间变化规律，从水平分布及垂直分布角度研究其空间变化规律。有研究表明，晴天和多云天气下温室内的气温、地温、空气相对湿度和接受到的太阳辐射存在明显的日变化，温室内最高气温一般能上升到以上，中部气温升高幅度大于南部和北部，白天南边高于北边，夜间则相反，温度在垂直分布上的变化要比水平分布剧烈得多；温室内空气相对湿度白天下降，一般能下降到，夜间则又升高；温室内接受到的太阳辐射南部高于北部，中部略高于东、西部，上层高于下层，上下层的差异比南北差异明显，太阳辐射量分布与作物冠层高度、累积叶面积指数和净光合速率均有一定的相关性。在阴、雪、雾等寡照天气下，温室内的气温、地温、空气相对湿度和接受到的太阳辐射日变化则不明显或无日变化，在冬季如果遇到长时间连续阴、雪、雾等寡照天气，温室内的气温则会降到以下，甚至更低，温室内空气相对湿度基本处于饱和状态，接受到的太阳辐射值很低，甚至为。温室内不同层次土壤温度明显不同，下层土壤温度变化幅度较上层小，且最高温出现的时间滞后于上层，地温在一天中几乎无变化。温室内的土壤温度存在边际效应，土壤边际温度界点在不同时期并不相同，郑州月下旬温室土壤边际温度界点距离温室南底脚，在最冷的月距南底脚，在月下旬距南底脚仅。日光温室内浓度日变化曲线通常呈不规则 “”形，有时呈不规则 “”形，表现为昼间下降夜间升高的变化趋势；幼苗期群体光合较弱，土壤呼吸旺盛，温室内浓度较高；结果期群体光合旺盛，土壤呼吸衰竭，亏缺严重；亏缺最严重季节为低温寡照的月至翌年月。小气候模拟研究对日光温室小气候进行模拟，可以更好地了解温室小气候形成的机理，也可为温室小气候的调控提供决策依据。国内对日光温室小气候的模拟起步于世纪年代，模拟方法主要有依据能量和物质平衡的物理模型法、计算流体力学（）模型法，主要涉及对温室内温度、湿度和辐射等因子的模拟。利用能量和物质平衡的物理模型法进行模拟的比较多，如利用稳态传热理论建立温室内气温数值模拟模型；在考虑温室内作物对温室内热环境影响的基础上，建立了日光温室内的温度预测数学模型；根据日光温室内空气和北墙、东墙、西墙、后屋面、前屋面覆盖材料、土壤的能量和物质守恒原理，建立了日光温室热环境的动态数学模拟模型；在考虑日光温室内的太阳辐射、对流换热、辐射换热、热传导、自然通风和水分相变带来的潜热对日光温室热环境影响的基础上，建立了日光温室热环境模拟模型；在考虑温室建筑参数改变对温室内各表面太阳辐射照度影响的基础上，建立了温室内各表面太阳辐照度模拟模型；在考虑温室内直接辐射、散射辐射及作物生长对辐射的影响的基础上，对温室光环境进行模拟和分析等。这些模型从不同角度对温室内的小气候进行了模拟，物理意义明确，但涉及的参数较多，而影响日光温室内小气候的因子多且繁杂，如果参数设定不好，就会给模拟带来误差。计算流体动力学（）技术对于模拟温室内的气流场及温度场的变化具有强大的功能及准确性，在模拟过程中考虑了温室各组成部分的温度随时间和空间变化的动态过程。目前应用流体动力学模型进行的模拟研究尚比较少，仅见中国农业大学、吉林大学等单位利用中非稳态方法求解控制方程，模拟晴天温室内温度的动态变化过程和空气流动，并对日光温室土壤温度分布的边际效应进行了数值模拟。温室内小气候与外界气象条件的关系研究日光温室内小气候虽然受人为环境控制，但温室内的小气候环境也受到温室外气象条件的很大影响。影响温室内小气候的主要气象因子有温室外的第期魏瑞江，等：我国日光温室小气候研究进展与展望日照时数、气温、空气湿度、云量、风力及温室内的基础温度等。天空云量越少，温室在白天接受的太阳辐射就越多，温室内光照强度随着天空云量的增加而减弱。在晴好天气条件下，温室内的小气候条件能够满足蔬菜生长发育的需求，但当温室外气象条件达到一定程度时，温室内的小气候环境便不能满足温室内植物生长发育的需求并受到一定的影响，如当连续无日照时，蔬菜生长速度减缓，开始落花、落果，无日照时间持续越长，蔬菜受影响越重；当温室外最低气温降到并持续，或下持续，或下持续，或下持续，蔬菜就会受到低温冷害，且低温持续时间越长冷害程度就越严重；当温室外风力达到以上时，就有可能对温室造成风灾；日降雪量达到以上时就可能造成雪灾。由于各地外界气象条件不同，有的区域适宜发展日光温室，有的区域则不适宜发展，不同区域日光温室遭受灾害的风险也不同，如河北省石家庄中部、邢台中部、邯郸大部以及保定、衡水两市局部在冬季发生低温寡照灾害的风险较大；鲁北、鲁西北北部、鲁中北部以及半岛内陆地区遭受低温冷害风险较大，半岛东部沿海、鲁西南、鲁南及鲁东南沿海区域风险相对较小，山东其他地区属于中度风险区；天津市月至翌年月遭受低温灾害的风险最大。温室小气候预报技术研究及时、准确地对温室内小气候进行预报，有助于农业生产部门及时采取有效措施，有目的地进行温室管理和调控。日光温室内小气候预报的主要内容有温度（气温、地温）、湿度、接受到的太阳辐射及空气二氧化碳浓度的动态变化等，预报时效有日、月、季等不同时间尺度。使用较多的方法为统计回归、神经网络、季节性时间序列以及利用能量平衡原理建立预报模型等。应用神经网络方法对温室内小气候进行预报，多是在对日光温室小气候实测数据进行分析的基础上，建立以影响温室内小气候的室外气象要素及管理情况作为神经网络的输入量，以温室内的温度、湿度等为输出量的神经网络模型，对温室内的温度、湿度进行预测。也有研究应用季节性时间序列模型的理论和方法，建立温室内日湿度（）模型，对日光温室内的空气湿度进行预报。应用统计回归方法对温室内小气候进行预报则是采用相关、聚类、判别等方法，分析温室内温度、湿度等预报因子与温室外的大气环流特征等宏观因子或与逐时、逐日、逐月的温度、湿度、日照、风力、云量等地面气象要素的关系，建立预报模型，。近年来有研究利用自回归移动平均方法对多元回归模型进行修订来预报温室内的气温、空气湿度和地温。也有不少研究应用能量平衡法，考虑温室内作物的蒸腾、土壤蒸发、覆盖层内表面凝结和闭膜后的冷风渗透以及太阳辐射、热交换、热传导、自然通风和水分相变等对温室小气候的影响，建立温室内温度、湿度及太阳辐射等的预测模型；根据质量平衡原理，构建适用于北方干旱、寒冷地区的典型日光温室内二氧化碳浓度的动态预测模型。上述方法各具优缺点，如基于神经网络、季节性时间序列等构建的预报模型，虽然预报精度较高，但由于温室内种植的植物生长特性差异较大，缺乏应用的广适性；通过能量平衡原理构建的预报模型机理性强，但相关参数繁杂或难以获得，进而影响其推广应用；采用统计回归方法构建的预报模型较前两者具有比较优势，且预报时效较长。在研究过程中，可以根据研究的侧重点选择不同的方法。小气候对蔬菜生长发育的影响研究日光温室内蔬菜生长发育离不开其小气候环境。温室小气候对蔬菜生长发育的影响研究主要涉及对蔬菜根茎叶生长、果实发育、产量、品质的影响，对氮、磷、钾矿物质吸收、光合作用、生理功能等的影响以及对种植制度的影响等。在适宜的小气候范围内，随温度和光照强度的增加，番茄的株高、茎粗、叶片生长、地上部和根系鲜质量、干物质积累量均相应增加，影响春茬番茄果实日增质量的限制因子是温差和光强，秋茬番茄果实日增质量的最大限制因子是平均气温，温室蔬菜干物质生产和分配还与辐热积有关，但如果温室内小气候处于高温、亚高温、低温、亚低温、弱光及其组合等条件下时，蔬菜生长发育则会受到影响。亚适温弱光处理的黄瓜单株叶面积和干物质量均明显减小。夜间低温抑制了番茄幼苗根系对氮、磷、钾、钙、镁元素的吸收。当进入到温室内的光照强度是自然光的（晴天中午光强（）时，其对番茄植株生长和产量无显著影响，当光照强度继续下降至（）以下时，产生的弱光胁迫使番茄植株的生长量、干物质积累和产量显著降低。弱光条件下使黄瓜化西北农林科技大学学报（自然科学版）第卷瓜率明显增加，产量平均降低左右，黄瓜功能叶片光合产物输出比率显著降低。在最低气温、透光率的低温寡照处理下，番茄净光合速率、气孔导度、叶绿素含量等指标均有所下降，当低温寡照处理后，各项指标可迅速恢复至对照水平；低温寡照处理，虽会对番茄产生一定影响，但各项指标依然可以恢复；但低温寡照处理后，即使将番茄植株置于良好的环境中，各项指标的恢复也不明显。不同茬口温室内的温光条件影响蔬菜干物质和氮、磷、钾的累积量及其在植株各器官的分配比例，冬春茬较秋冬茬利于蔬菜根系发育和对氮、磷、钾的吸收分配。如秋冬茬番茄干物质和氮、磷、钾的累积吸收量分别为冬春茬番茄的，和。延长通风时间与增施使黄瓜平均光合速率分别提高和（），可促进光合产物的积累。对结瓜初期和结瓜盛期的日光温室黄瓜施用气肥，产量分别比对照增产和。日光温室内的小气候对种植制度也有影响。日光温室使冬、秋、春三季的积温和的活动积温显著增加，尤其在冬季增加更明显，充足的热量可以增加温室内作物的复种潜力和复种指数。温室小气候的调控技术研究因为日光温室蔬菜生产是反季节生产，为了给温室内创造一个良好的小气候环境，需要对温室内的温度、湿度、太阳辐射、二氧化碳浓度等小气候进行调控，调控技术及应用效果在很大程度上决定着温室蔬菜生产的成败和生产效益的高低。目前，针对日光温室内小气候进行调控的方法很多。对温度的调控主要采用保温、增温、变温等方式，如用草帘、棉被、无纺布等多层覆盖，内设保温幕及用地面加热系统、地源热泵系统、地中热交换系统、太阳能蓄热系统增温等。研究表明，草帘的保温能力一般为，棉被为，双层草帘为，保温幕使温室内气温在晴天夜间平均提高；地面加热系统可使温室内温度水平分布均匀，南北方向上差异在左右；地源热泵系统可增温左右，平均相对湿度降低；地源热泵系统也可用于夏季温室降温；地中热交换系统可使土壤温度提高左右，气温平均提高；太阳能蓄热系统可提高温室内夜间气温，提高地温。还有研究表明，采用秸秆生物反应堆技术可提高地温，并使蔬菜上市提早，蔬菜增产；利用水的吸热与放热原理，建造水幕帘，可使日光温室夜间温度提高以上，作物根际温度提高以上，与电加热方式相比，该系统的节能率达以上；应用基于热泵的日光温室浅层土壤水媒蓄放热方法，可使温室内气温、土壤温度分别较对照平均升高和；或者建造温室时选择合适的材料作为温室的墙体，也可以增加温室的增温、保温效果。对温室内光照环境的调控多采取补光、张挂反光膜等措施。补光程度达到某一阈值，才会对甜瓜果实糖分积累和蔗糖酶活性的变化产生较大影响，如在陕西杨凌地区，冬季补光（）的效果并不明显，补光（）即可获得较为明显的效果。张挂反光膜可补充温室内后墙附近的光照度，可以缩小温室内南北方向上光照度的差异，有效改善温室内整体的光环境，提高蔬菜产量。另外，采用涂覆型无滴消雾棚膜，能消除或减轻温室内的雾气，达到无雾或轻雾的防雾效果，增加棚膜的透光性。对温室内湿度的调控主要是滴灌、地膜或稻草覆盖、化学吸水除湿和热交换除湿等技术。地膜覆盖能使空气相对湿度降低，稻草覆盖能降低，覆膜滴灌则能降低。对温室内浓度的调控主要是通过通风或增施气肥，或使用秸秆生物反应堆等达到增加温室内的目的。前人还注重对小气候调控机理的研究，如沈阳农业大学建立了温室地基稳态传热的数学模型，利用热分析软件对未设防寒沟和设置防寒沟种情况进行了有限元分析，得出在温室前底脚沿地基深度方向设置防寒沟具有良好的保温效果，可以提高温室内土壤的温度，从理论上论证了防寒沟的效果。还有研究采用流体数值分析软件，建立了温室空气的传热及流动模型，发现温室内地面下沉时，日光温室调节小气候的性能最好。日光温室小气候研究展望国内目前在温室小气候方面有了一定的研究基础，为设施农业的发展做出了积极的贡献。根据设施农业可持续发展与生产需求及农业气象业务发展需求，针对日光温室小气候研究方面存在的薄弱环节，本研究认为日光温室小气候的研究应在以下方面有所加强。第期魏瑞江，等：我国日光温室小气候研究进展与展望立足防灾减灾的日光温室小气候监测预测技术日光温室蔬菜生产受外界气象条件的影响，制约蔬菜稳定生产的主要因子就是气象灾害，尤其在气候变暖背景下，极端天气事件的增加，使设施农业生产面临着更严重的威胁。同时，日光温室蔬菜生产存在一定的脆弱性，抗御气象灾害的能力较差，所以防灾减灾尤为重要。加强日光温室小气候监测预报技术研究，建立多学科相融合的小气候监测体系，获取稳定、准确的高质量、高频次的小气候监测数据，并结合温室内作物生长发育和未来天气预报，建立长、中、短期小气候预报技术，实时掌控小气候的动态变化，对有目的地调控温室小气候、合理开发利用温室小气候及温室管理有非常重要的意义。立足气候资源优势的小气候高效利用技术日光温室蔬菜生产涉及生物工程、农业工程、环境工程等多个领域，在结构相对稳定的前提下，温室内蔬菜生长发育受温室内小气候和温室外大气候的共同影响。全国各地气候资源不同，根据气候资源的时空分布特点，从区域优势、气候资源优势角度出发，在充分考虑温室的气候适宜性、气候生产潜力、气候灾害风险的基础上，研究小气候高效利用技术，解决在哪种、种什么、怎么种的问题，趋利避害，这是保障设施农业可持续发展的基本前提，也是设施农业发展的重要途径之一。立足农业气象业务发展的小气候分析评估技术目前我国针对大田作物的农业气象情报和预报服务业务已普遍展开，也已经纳入业务化、常态化，定时制作农业气象旬报、月报、季报、年报和产量趋势预报，分析评价气象条件对农作物的影响，预测农作物气象产量，在农事关键季节和气象灾害发生的前中后期进行跟踪服务，为政府部门、生产部门进行决策提供依据。而对于设施农业的气象服务仅仅依赖于科研成果的转化，还没有形成成熟实用的定量化评估方法，也没有达到规范化和业务化的程度。随着各地设施农业的发展，针对设施农业的气象服务刻不容缓，设施内小气候是否适宜蔬菜生长发育和产量形成，影响程度如何，都需要定量化的分析评估技术，并纳入农业气象业务，使农业气象业务向设施农业迈进。立足节能降耗、低碳生产的小气候调控技术一般瓜类、茄果类蔬菜二氧化碳饱和点浓度为左右，而日光温室内白天在日出后至上午放风前二氧化碳浓度往往不足，远远不能满足设施蔬菜光合作用对二氧化碳的需要。所以研究利用二氧化碳施肥技术和开发 “碳基肥料 ”不仅可以提高农作物的产量，而且还可以大幅度减少二氧化碳来发展低碳农业。另外，沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用而生成的一种可燃性混合气体，发展农村沼气，建设生态型温室蔬菜生产，既可为农民提供高品质的清洁能源，同时能够减少农药化肥的污染，保护环境，促进设施农业增产增收和农村经济持续发展。结语本研究回顾了我国日光温室的发展历程，较系统地总结了我国日光温室小气候方面的主要研究成果，并阐述了我国日光温室小气候未来的研究重点和方向。我国在日光温室小气候方面取得了丰硕的研究成果，这些成果已极大地促进了设施农业的发展，设施农业已经成为农民增收、农业增产的支柱产业，对蔬菜的周年供应起到了重要的支撑作用，未来还有更多的配套研究需要探索。参考文献周长吉，杨振声准确统一 “日光温室 ”定义的商榷农业工程学报，（）：， “ ” ，（）：（）李天来我国日光温室产业发展现状与前景沈阳农业大学学报，（）：，（）：（）应向民分布式网络控制系统在温室工程中的应用研究北京：中国农业大学，：，（）孙忠富，曹洪太，李洪亮，等基于和的温室环境信息采集系统的实现农业工程学报，（）：，，，，（）：（）李秀红，孙忠富，肖春华，等基于嵌入式技术的农业环境远程监控系统实现农业工程学报，（）：，，，西北农林科技大学学报（自然科学版）第卷，（）：（）段志超，杜克明，孙忠富，等基于和的农业环境无线远程监控系统农业网络信息，（）：，，，，（）：（）韩华峰，杜克明，孙忠富，等基于网络的温室环境远程监控系统设计与应用农业工程学报，（）：，，，，（）：（）梁居宝，杜克明，孙忠富基于和的温室远程监控系统的设计与实现中国农学通报，（）：，，，（）：（）阎晓军，王维瑞，梁建平北京市设施农业物联网应用模式构建农业工程学报，（）：，，（），（）：（）黎贞发，王铁，宫志宏，等基于物联网的日光温室低温灾害监测预警技术及应用农业工程学