柔性保温日光温室光环境分布特征及改善措施

Distribution characteristics and improvement measures of light environment of flexible thermal insulation solar greenhouse

摘要

针对柔性保温日光温室因其独特的构造形式和材质导致北侧存在弱光区域的问题，在春季不同天气条件下，采用理论分析和试验测试的方法分析柔性保温日光温室北侧弱光原因；通过增加温室前屋面覆盖薄膜雾度和在后墙增设反光膜2种措施对柔性保温日光温室光环境进行改善。结果表明： 1）柔性保温日光温室距北墙2.5和1.5 m处的日累积光量（DLI）仅为南侧测点（11.5 m处）18.78% ~21.42%和12.93% ~14.11%，南北分布极为不均，北侧弱光现象突出，主要原因为屋顶保温被遮光；2）将温室薄膜雾度从24.29%提升至43.94%，距北墙2.5和1.5 m处的DLI分别提升至南侧测点（11.5 m处）的27.63% ~70.43%和23.02% ~5.38%，表明提高薄膜雾度可以在一定程度上缓解温室北侧的弱光问题，增加北侧光量，减少南北光照的差异性；3）北墙面在增设反光膜后距北墙2.5及1.5 m处的光环境得到进一步改善，DLI分别提升至南侧测点（11.5 m处）的47.42% ~77.95%以及33.74% ~70.82%。散射光薄膜与北墙反光膜组合使用，可基本上解决柔性保温日光温室北侧弱光问题，其中，无论是散射光薄膜还是反光膜，晴天条件下对柔性保温日光温室北侧都有显著的增光效果。

Abstract

Because of the problem that there is a weak light area on the north side of the flexible thermal insulation solar greenhouse due to its unique structure and material， the reasons for the low light on the north side of the flexible thermal insulation solar greenhouse were analyzed by theoretical analysis and experimental testing methods under different weather conditions in spring. The light environment of the flexible thermal insulation solar greenhouse was improved by increasing the haze of the film covering film in front of the greenhouse and adding reflective film on the back wall. The results showed that： 1） The DLIs at 2.5 and 1.5 m from the north wall of the flexible thermal insulation solar greenhouse were only 18.78%-21.42% and 12.93%-14.11% of the south measurement point （11.5 m）. The distribution was extremely uneven in the north and south， and the weak light phenomenon on the north side was prominent， which was mainly due to the shading of the roof insulation. 2） The haze of the greenhouse film was increased from 24.29% to 43.94%， and the DLIs at 2.5 and 1.5 m from the north wall were increased from 27.63% to 70.43% and 23.02% to 35.38% at the south measurement point （11.5 m）， respectively， indicating that increasing the haze of the film could alleviate the problem of weak light on the north side of the greenhouse to a certain extent. It increased the amount of light on the north side； and reduced the difference between north and south illumination. 3） The light environment of the north wall at 2.5 and 1.5 m away from the north wall was further improved after the addition of reflective film， and the DLIs was increased from 47.42% to 77.95% and 33.74% to 70.82% of the south measuring point （11.5 m）， respectively. In conclusion， the combination of the scattered light film and the north wall reflective film can basically solve the problem of weak light on the north side of the flexible thermal insulation solar greenhouse. Both the scattered light film and the reflective film have a significant brightening effect on the north side of the flexible thermal insulation solar greenhouse under sunny conditions.

Graphical abstract

关键词

柔性保温日光温室 / 散射光 / 雾度 / 薄膜 / 反光膜

Key words

flexible insulated solar greenhouse / scattered light / haze / film / reflective film

近年来出现的柔性保温日光温室因其具有节约土地、降低成本等特点^［1-2］，在全国各地都得到了快速发展。太阳光是日光温室的主要能量来源，日光温室的采光问题尤为重要^［3-4］。太阳辐射分为直射辐射和散射辐射，晴天大部分为直射辐射。已有研究^［5-8］表明屋面的形状和角度对直射光入射率影响较大。后屋面的投影长度、保温被的收拢位置，以及温室骨架等遮挡拦截，都会导致光照分布不均等问题。现场调研发现，柔性保温日光温室由于其独特的结构形式使其北侧光环境较差，导致蔬菜苗期趋光性明显，叶菜长势较弱、后期商品率较低等问题。

已有研究对改善日光温室光环境提出了一些简便的方法：1）采用散射光薄膜作为日光温室的覆盖材料，散射光薄膜可以将一部分直射光转化为散射光^［9］，可以弱化入射角等因素对透过率的影响，弱化因上述遮挡因素导致的阴影，从而使日光温室光分布在空间上更加均匀^［10］，还可以促进作物生长、提升作物的产量^［10-11］ 和品质^［12-16］；2）在温室墙面或后屋面布置反光膜，反光膜通过反射自然光线来提升作物冠层光照度，具有张挂简便、成本低等优点，是一种有效的温室光环境调控手段^［17-18］。上述研究为散射光覆盖材料和反光膜可以改善日光温室的光环境提供了理论依据，但在柔性保温日光温室光环境改善的领域缺乏采用散射光覆盖材料和反光膜的相关研究。

本研究拟采用理论分析和试验测试的方法，定量分析柔性保温日光温室光环境分布特征，阐明其弱光原因及区域，并从新材料应用的角度，针对性地探索改进措施，以期为日光温室光环境的改进与提升提供技术方案。

1　材料与方法

1.1　试验温室

试验柔性保温日光温室位于北京市顺义区绿奥蔬菜合作社（116.87 °（E），40.10 °（N））基地，该基地建于2021年，同期建设结构相同的柔性保温日光温室10栋，本研究选择其中南北相邻的2栋。温室长为104 m，跨度12.5 m，脊高5.3 m，种植作物为叶菜。温室室内外情况见图1。温室墙体及屋顶的围护材料均采用加厚柔性黑色保温被，内外表面为黑色针刺毡。为便于保温被安装，温室后屋面及后墙合二为一形成向南倾斜的弧面，保温被卷起时一般放置于温室前屋面定通风口的上方。前屋面保温被采用中卷式卷被机构。

选用的2栋温室，一栋作为基础对照温室，透光覆盖材料选用普通PO膜。另一栋作为试验处理温室，从改善光环境角度，采用2种措施：1）选用同样材质及厚度但雾度较高的散射光薄膜作为透光覆盖材料，雾度（Haze）为散射光的透射光强占总透射光强的百分数^［19］，薄膜参数见表1。2）在散射光薄膜应用的基础上，为进一步探讨反光膜的增光效果，将散射光薄膜温室分为东西两个区域，其中在西侧约一半长度的区域内，增设了北墙反光膜；为了保证东西两侧温度环境一致，中间不做物理分隔，保证空气的自然对流。反光膜为聚酯镀铝材质，安装于北墙面，距地面高度0.5 m，安装的反光膜总高度为1.5 m，实际安装效果见图2。

1.2　测试内容及方法

为研究柔性保温日光温室内南北方向的光分布特征，采用试验进行现场测定，测定指标为光合有效光量子流密度（PPFD），测试时间为2023年4月1日—4月30日。在试验温室东西长度方向上分为安装和未安装反射膜的2个区域，分别取相应区域的中间断面作为测试断面；对照温室在中部避开固定保温被遮阴影响的位置取1个测试断面。3个测试断面测点布置方案相同，即沿南北方向共设4个光合有效辐射测点，总计12个测点：测点1、测点5和测点9与北墙的距离为1.5 m；测点2、测点6和测点10距北墙2.5 m；测点3、测点7和测点11距北墙6.5 m；测点4、测点8和测点12距北墙11.5 m，所有测点高度为叶菜顶端，距地面约0.5 m。光合有效辐射传感器型号为RS-GH-N01-AL，精度±5%，测量范围0 ~2 500 μmol/（m² ·s），由济南仁智测控技术有限公司生产；数据通过采集模块进行采集，采集时间间隔为10 min，最后通过型号为485-4G的无线通讯模块上传至昆仑中大云平台，进行数据存储和下载。

2　结果与讨论

2.1　温室南北向光分布特征

由于冬季太阳高度角较低，北侧屋面和保温被遮光问题较小，但早春季太阳辐射逐渐增强，太阳高度角也逐渐增大，温室的光分布问题更为突出，因此这里主要选取4月19日—4月21日连续3 d的数据进行分析。虽然未做天空云量测试，但根据测试的太阳辐射情况，这3 d具有比较明显的晴天、阴天及多云天天气特征，因此在后面的分析中，为便于阐述，定性地将其分别称为晴天、阴天和多云天气。对照温室南北方向各测点的光合有效光量子密度（PPFD）测试结果见图3，可见：无论天气情况如何，温室南侧11.5 m处（测点4）和温室跨中6.5 m处（测点3）都能获得良好的光照环境，晴天最高可达800~900 μmol/（m²·s）；与之相比，温室北侧2.5 m处（测点2）全天PPFD <200 μmol/（m²·s），尤其是北侧1.5 m处（测点1），即种植区北侧边缘位置，全天PPFD基本都低于100 μmol/（m²·s），弱光问题极为突出；与南侧2个测点相比，北侧2个测点的数值瞬时波动很小，说明该区域受到天空云量或者骨架遮光等的遮阴影响较少，因此也表明该区域日间仅能接收到少量的散射光。

进一步将测试数据进行统计，计算光合有效光量子密度的日累积量（DLI），结果见表2。如果以南侧测点（11.5 m处）的DLI为100%，温室跨中测点的光量与南侧基本持平或略有下降，但是距北墙2.5和1.5 m处，3天日DLI仅为南侧的18.78% ~21.42%和12.93% ~14.11%，无论从光量和波动范围，更加直观地阐明了北侧2.5 m以北很难接收到直射辐射，全天基本处于弱光区域，这也直接揭示了生产调研中发现的北侧作物生长受限的主要原因。

为阐明导致这一分布特征的原因，本研究结合温室剖面形状、尺寸以及保温被收拢放置位置（图4）等进行分析。

通常，太阳高度角（h）是某地太阳光线与通过该地与地心相连的地表切面的夹角，随太阳赤纬角和太阳时角的变化而变化，计算公式^［20］为：

\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}h=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\phi \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\sigma \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega +\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\sigma（1）

式中：φ为北纬纬度，（°）；ω为太阳时角，（°）；σ为太阳赤纬。σ和ω的计算公式为：

\sigma =\mathrm{23.45}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\mathrm{360}(n-\mathrm{172})/\mathrm{365})（2）

式中：n为从1月1日起至试验当天的时间，d。

\omega =\mathrm{15}(t-\mathrm{12})（3）

式中：t为真太阳时。

根据北京地区的地理纬度，计算得到4月21日中午太阳高度角为61°，此时直射光因屋顶保温被的遮挡而无法直射到距北墙2.5 m以内区域，因此导致了该区域成为弱光区，可见保温被的卷放位置对确保温室北侧的光环境至关重要，这一点在生产管理中往往被忽视。其他时段直射光线虽然会照射到北侧，但是保温被下面有1.2 m宽的通风口，其网状防兜水底板和防虫网等结构也会遮光；此外，传统日光温室，无论土墙还是砖墙，都是平整的表面，且颜色相对较浅，具有一定的反光特性，但是该柔性保温温室的特殊构造形式及壁面粗糙的黑色针刺毡材质表面，均无法起到反光作用，相反还有一定的吸光效果，这无疑加剧了温室北侧的弱光环境。

2.2　散射光薄膜对温室光分布的改善效果

为改善现有温室整体光分布的均匀性，减少遮光影响、增加北侧光量，首先探讨散射光薄膜的应用效果，同样选择4月19日—4月21日连续3天的试验温室数据进行分析，结果见图5。可以看出，温室北侧2个测点的光照环境得到显著改善，其中2.5 m处测点6在中下午的部分时段，瞬时光照水平高甚至基本可以接近跨中水平，而北侧1.5 m处测点5，日间最高光照水平也高于400 μmol/（m² ·s）。

各测点光照日累积值DLI见表3。仍以南侧11.5 m处测点日累计光量为100%进行分析，温室跨中6.5 m处的DLI值为南侧的106.25%~117.38%，光照水平超过南侧；同时，北侧的2.5 m和1.5 m处，累计光量也得到了提升，分别达到南侧的27.63%~70.43%和23.03%~35.38%，表明增加薄膜雾度可以显著改善温室北侧的光照环境，南北光照的差异性减少，均匀性提升，其中晴天改善效果更为突出。

2.3　反光膜对温室北侧的增光效果

虽然增加透光面薄膜的雾度，改善了温室部分的光环境，但是粗糙黑色针刺毡材质的表面会弱化这种改进效果，因此进一步探索了增设后墙反光膜的效果。

反光膜设置在试验温室的西侧，图6示出试验温室西侧散射光薄膜与反光膜共同作用下的温室南北方向PPFD分布。可以看出，在试验温室西部区域，由于反光膜的设置，北侧1.5 m处测点9的光照日变化规律发生了显著改变，在晴天和多云天气条件下上午接近中午的一段时间内，PPFD最高水平可以达到温室跨中和南侧的光照水平；而2.5 m处测点10虽然下午也呈现出了部分时段达到跨中和南侧光照水平的现象，但整体上表现为全天光照水平更加均衡。

各测点日累积光量DLI见表4。仍然将温室南侧的光照作为100%，6.5、2.5及1.5 m处3天日累计光照水平分别是南侧的89.97%~107.79%、47.42%~74.26%以及33.74%~70.82%，与单纯散射光薄膜条件下的光照环境相比，跨中位置基本上没有增幅，而北侧的2个测点增幅显著，其中1.5 m处最大增幅达1倍以上，温室南北的光分布更加均匀，这一方面说明反光膜的影响范围主要集中在北侧，另一方面也表明采用散射光薄膜和北墙反光膜的措施，可基本上解决柔性保温日光温室北侧弱光问题。这一点在后期生产跟踪调研中也得到了印证，即温室生产者反映温室北侧区域的蔬菜苗期趋光性得到明显改善，且作物长势良好、采收时商品率提升至90%以上。

试验温室东西两侧在2种薄膜覆盖条件下，南侧测点的日间光照有所差异，分析原因如下：一是测点所处位置与温室骨架的关系有所差异，二是测点对应前屋面薄膜污染程度可能不同。但是整体光照水平是一致的。

为阐明反光膜能够影响的距离，结合温室剖面形状、尺寸及图7所示的反光膜作用示意图进行分析。以4月21日为例，上午08：00 时太阳高度角为 30°，此时反射的直射光线覆盖范围是距北墙1.30 ~2.53 m；上午09：00 时太阳高度角为 41°，此时反光膜刚好被保温被遮挡，只能反射散射光；到下午15：00时太阳高度角为 41°，直射光线又可以照射到反光膜，可见在该日条件下反光膜作用距离主要在距北墙1.3 ~2.5 m范围。根据上述分析，4月21日到夏至这段时间随着北京正午太阳高度角逐渐增大，反光膜受直射光照射的时间逐渐缩短，夏至到冬至随着北京正午太阳高度角逐渐减小，反光膜受直射光照射的时间逐渐增多。

3　结 论

本研究针对新型柔性保温日光温室生产中存在的问题，开展了温室内光环境分布特征及其改进措施的春季试验研究，主要得到以下结论：

柔性保温日光温室由于其特殊的剖面形式、保温被管理方式以及所用材质，导致其内部南北方向光照环境分布不均的问题，根据测试结果分析，温室跨中及以南区域，均能获得良好的光照环境，日间光照水平基本持平，晴天光合有效光量子密度PPFD最高达800~900 μmol/（m² ·s），与之相比，温室北侧2.5和1.5 m测点处的日累积光量，仅为南侧区域的18.78%~21.42%和12.93%~14.11%，北侧弱光问题极为突出。

作为改进措施，首先选择散射光薄膜作为温室的透光覆盖材料。结果显示，在薄膜材质、厚度、透光率相同的条件下，将雾度从24.29%提升到43.94%，温室跨中及北侧日累积光量DLI均有提升，其中跨中位置的光量提升至南侧106.25%~117.38%，高于南侧；北侧的2.5和1.5 m处光环境也得到明显改善，DLI值达到南侧的27.63%~70.43%和23.02%~35.38%，表明增加薄膜雾度可以在一定程度上缓解温室北侧的弱光问题，增加北侧光量，减少南北光照的差异性减少，其中晴天改善效果更为突出。

考虑到北侧光环境水平仍有提升空间，以及北侧墙体材料的特点，在散射光薄膜的基础上进一步探索了增设反光膜的措施。结果显示，散射光薄膜与北墙面反光膜共同作用下，北侧2.5及1.5 m处的光环境得到进一步改善，不同天气下的DLI值水平分别提升至南侧的47.42%~77.95%以及33.74%~70.82%，表明采取以上措施，可基本上解决柔性保温日光温室北侧弱光问题。

本试验的目的主要聚焦在阐明柔性保温日光温室的光环境分布特征，明确温室弱光区的现状，以及所提出的改进措施的增光效果，并没有考虑环境改进对作物生长和品质的影响，这一点将在后续研究中进行探讨。

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基金资助

国家自然科学基金项目(U20A2020)

现代农业产业技术体系北京市创新团队项目(BAIC01-2024)