日光温室冬季番茄根际水循环换热系统性能研究

Study on the performance of rhizosphere water cycle heat exchange system for tomatoes in solar greenhouses in winter

摘要

为解决日光温室冬季生产中存在根际温度不足、热环境剧烈波动及传统加温方式能耗高等问题，构建了基于重力驱动的根际水循环换热系统（WCHES），利用田间对比试验和能量分析方法，对系统在冬季晴天与阴天条件下的根际温度调控性能、热缓冲特性及能耗效率进行了研究。结果表明：1）晴天条件下根际温度日温差较对照组降低18.7%，根际温度维持在最高实测值±1 ℃区间的时长延长31%，阴天条件下该时长延长54%，变异系数降幅达19.9%~29.8%，有效缓解了气温剧烈波动对根际微环境的冲击；2）系统形成了2.0~2.5 h的温度变化滞后效应，根际温度相对于水温滞后2.0~2.5 h，相对于气温滞后1.8~4.7 h，为作物根系提供了生理适应时间，推迟了根际低温胁迫的发生，系统缓冲效率晴天达18%、阴天达15%~20%，能耗比（COP）达6.7~8.8；3）系统显著促进了番茄生长发育并提升了产量，运行15 d后试验组株高、茎粗较对照组均有增加，单株果穗数增加20.6%，成熟果实数提升31.8%，总产量增幅达26.8%。本研究构建的基于重力驱动的水循环换热系统，通过高位水箱与低位水箱的水位差实现被动式蓄热与自流式热交换，采用水泵间歇运行策略大幅降低能耗，模块化结构便于集成改造，为提升北方日光温室冬季根际热缓冲能力、实现设施农业绿色低碳生产提供了重要的技术支撑与装备参考。

Abstract

To address the critical issues of insufficient rhizosphere temperature， drastic thermal fluctuations， and high energy consumption associated with conventional heating methods in winter solar greenhouse production， a gravity-driven rhizosphere water circulation heat exchange system （WCHES） was constructed. Field comparative experiments and energy analysis methods were conducted to evaluate the systems rhizosphere temperature regulation performance， thermal buffering characteristics， and energy efficiency under sunny and cloudy winter conditions. The results indicated that： 1） Under sunny conditions， the daily temperature range of rhizospheredecreased by 18.7% compared to the control group， while the duration maintaining rhizosphere temperature within ±1 °C of the maximum measured value was extended by 31%. Under cloudy conditions， this stable duration was increased by 54%， with the coefficient of variation of rhizosphere temperature decreasing by 19.9% to 29.8%， effectively mitigating the impact of drastic air temperature fluctuations on the rhizosphere microenvironment； 2） The system generated a temperature lag effect of 2.0-2.5 h， with rhizosphere temperature lagging behind water temperature by 2.0-2.5 h and air temperature by 1.8-4.7 h， providing critical physiological adaptation time for crop roots and delaying the onset of low-temperature stress. The system buffering efficiency reached 18% under sunny conditions and 15%-20% under cloudy conditions， with a coefficient of performance （COP） of 6.7-8.8； 3） The system significantly promoted tomato growth and enhanced yield.After 15 days of operation， the plant height and stem diameter of the experimental group increased compared to the control group. The number of ears per plant increased by 20.6%， the number of mature fruits increased by 31.8%， and the total yield increased by 26.8%. The gravity-driven water circulation heat exchange system achieves passive heat storage and self-flowing heat exchange through the water level difference between high-level and low-level tanks. Utilizing an intermittent pump operation strategy substantially reduces energy consumption， while the modular structure facilitates integration into existing solar greenhouses. This study provides important technical support and practical references for enhancing rhizosphere thermal buffering capacity in northern solar greenhouses during winter and advancing green， low-carbon production in protected agriculture.

Graphical abstract

关键词

日光温室 / 水循环系统 / 根际温度 / 缓冲性能

Key words

solar greenhouse / water circulating system / rhizosphere temperature / buffer performance

我国是设施园艺生产大国，设施园艺面积约为370万hm²，占世界设施园艺总面积的80%以上，其中日光温室约占所有设施类型的25%^［1］，是我国北方冬季农业生产的核心设施。日光温室依托太阳辐射吸收与保温设计，在缓解低温制约方面成效显著，但其本质仍是低成本、轻简化的生产载体，生产效率相对有限^［2］。在极端低温环境下，传统日光温室常依赖燃煤、燃油和电加热等主动加温方式应对根际温度不足、热环境不均等问题^［3-4］。这类加温设备不仅初期投入高，且运行能耗大，形成了“高耗能”与“低产出”的突出矛盾——较高的加热设备成本及持续能耗与日光温室自身有限的生产效率不相匹配，既加重了生产负担，也难以满足茄果类和叶菜类等高附加值作物的周年生产需求。

近年来，根际控温技术因直接作用于植物根系微环境，兼具节能与提质增效潜力，成为设施环境调控领域的研究热点。研究表明，根际温度调控可显著促进作物生长并提升产量。Bi等^［5］通过加热根区使黄瓜单果质量提升5.6%，产量显著增加，证实了根际热环境优化对作物生理代谢的积极影响；Kim等^［6］通过根区加热结合可再生能源整合，使用于加温温室的丙烷消耗减少65%，进一步证实根际控温在节能与增产中的协同作用；Bazgaou等^［7］开发的主动太阳能加热系统（ASHS）通过太阳能集热与水循环，使番茄冬季产量提升55%，且夜间根区温度提升了5~7 ℃，验证了太阳能驱动根区控温的可行性。基于水循环的根际控温技术（如主动蓄放热系统^［4，8］、水冷苗床^［9-11］等）因对环境温度有效的调控以及良好的经济适用性，在工程实践中得到广泛应用。Muramatsu等^［12］开发的根区环境控制系统（N.RECS）通过水介质精准调控根区温度，实现冬季花卉生长周期缩短15%、能耗减少30%，印证了水循环根际控温技术在经济作物中的普适价值。然而此类技术多依赖主动式水泵驱动热交换介质循环，存在能耗高、设备复杂等瓶颈。Myung等^［13］开发的空气源热泵根区换热系统，通过营养液与基质环绕双重水循环调控，使辣椒冬季产量提升78.7%，虽验证了水循环控温的有效性，但仍未解决持续能耗问题。Kawasaki等^［14］指出，根区和茎尖等敏感器官的局部控温可减少26%能耗，且不降低产量，这为低功耗根区调控提供了理论支撑。因此，开发低功耗且易运维的根际控温新范式，成为设施农业性能优化的迫切需求。

针对现有水循环控温技术在日光温室应用中存在的工程化设计不足、热力学效率评估缺失及动态环境定量分析薄弱等问题，本研究构建了基于重力驱动的根际水循环换热系统（WCHES），通过冬季晴天与阴天的田间试验，定量评估其根际温度调控能力、热缓冲性能及能耗特征，以期提升北方日光温室冬季根际热缓冲能力，降低能源依赖，为设施农业绿色生产提供技术支撑。

1　日光温室作物根际水循环换热系统

1.1　系统组成

日光温室作物根际水循环换热系统（以下简称系统）主要由高位水箱、低位水箱、水泵、内置水袋的栽培槽及连接的PVC管路构成，各组件协同形成闭环温控单元，为根际热交换提供结构支撑与动力保障（图1）。其中，高位水箱长宽高为1 400 mm×1 000 mm×1 200 mm，玻璃钢材质，摆放于温室西北角距离地面约3 m的高钢架平台上，是为水循环提供重力势能的核心储水单元，其水位稳定维持在1 m左右，对应蓄水容积约1.4 m³；为实现水体的抽取与输送，该水箱一侧顶端平面下10 cm处开设Φ32 mm管孔，供水泵从低位水箱抽水补入，底端平面上10 cm处则设置Φ50 mm出水管口，直接连接栽培槽进水管路以输送循环水。与之配套的低位水箱为圆柱形结构，摆放于温室西北角高位水箱下方地下平台内，作为承接换热后水体的关键储水部件，其水位控制在0.8 m左右，蓄水容积约1.46 m³，顶端预留系统回水口以接收经栽培槽换热后的水体。高低位水箱水位差约为4 m。水泵作为系统的辅助动力部件，额定输出功率为330 W、最大流速达2 m³/h，核心功能是通过间歇性运行将低位水箱的水体泵入高位水箱，以此维持两水箱间的水位差，保障自流式水循环的持续稳定。管路系统分为入水管路与回水管路，前者负责将高位水箱的水体输送至栽培槽以完成热交换，后者则承担换热后水体向低位水箱的回收功能，共同构建水体循环的流通路径。栽培槽作为根际热交换的直接载体，规格为4.00 m×0.15 m×0.20 m，每个栽培行配置2个；槽内下方设置水袋，中部通过支撑架固定4.0 cm宽、0.5 cm厚的隔板，既实现水袋与基质袋的物理隔离，又保障水袋与根际间的热交换效率，单个水袋的有效储水空间约为0.06 m³。

1.2　系统运行方式及逻辑

该系统的核心组成部分是用于承载水袋与椰糠基质袋的栽培槽，高位水箱与低位水箱的水位差形成重力势能梯度，该势能转化为水流的动能，为水循环提供被动动力，无需依赖持续主动泵体驱动，水袋置于椰糠基质袋下方与作物根际区域直接接触进行高效热交换。

系统运行逻辑的核心在于利用重力势能驱动水体循环，并依托水位传感实现水泵的智能启停，从而构建了一个低功耗的热交换闭环（图2）。其过程可解析为3个依序衔接的阶段：首先，高位水箱中的水体在重力作用下自然流入栽培槽水袋；随后，流经水袋的水体通过与作物根际的直接接触进行高效热交换，从而实现根区温度的调节；完成热交换的水体最终经回水管路汇入低位水箱。

水泵的控制策略是整个系统实现低能耗运行的关键，其启停严格遵循预设的水位阈值（图3）：启动条件：当高位水箱水位低于设定低位，且低位水箱水位高于设定低位时，水泵方启动，将水输送至高位水箱；关闭条件：一旦高位水箱水位达到设定高位，水泵立即关闭；保护性停机：若低位水箱水位降至设定低位，水泵亦会关闭，待回水使其水位回升至低位以上，并同时满足高位水箱仍需补水的条件时，水泵才重新启动。通过阀门将高位水箱出水口平均流速控制在约0.46 m³/h，可实现水泵每日仅间歇性运行数次，单次运行时长约13 min，极大地降低了系统能耗。

2　试验方案

试验于宁夏回族自治区银川市金凤区利思现代农业产业园（38°60′ N，106°24′ E）56号日光温室内进行，温室长128 m，跨度 12 m，北墙高4 m，脊高5.2 m，后坡屋面构造为聚苯材料复合墙体，前屋面为钢架结构，前屋面透明覆盖材料为聚氯乙烯无滴膜，外涂遮光剂。温室内樱桃番茄于2024年9月2日定植，选用‘釜山88’樱桃番茄进行无土栽培，栽培基质为椰糠条。系统运行前先对比了空水袋栽培槽与仅在基质袋底部放置泡沫垫层这2种栽培方式下番茄根际温度的动态变化，旨在析出栽培槽槽体结构及内部空水袋空气层所带来的物理隔热与缓冲效应。正式试验将温室中部9行有水循环的栽培槽作为试验组，9行内部不放置水袋的栽培槽作为对照组。栽培行约8 m长，间距1.5 m，故试验组和对照组的栽培面积为96 m²。

2.1　根际温度、温室室温及水温测定

在对照组和试验组自西向东数第5行栽培槽内基质几何中心位置深度5 cm处放置2个温度传感器探头（JLBT-01，成都佳锂科技有限公司）。探头经防水防锈处理，测量精度±0.2 ℃，测量范围为-20~125 ℃，每5 min记录1次，温度数据取均值，水温传感器探头布置于栽培槽水袋中部与根际温度传感器平面位置相同（同型号温度计）。温室内空气温度使用购自深圳市天蓬科技有限公司的温度记录仪T2601测量，精度±0.2 ℃，范围为-20~125 ℃，每5 min记录一次。水泵耗电量使用电能表记测。

2.2　室外气温及太阳辐射值补充

数据均来自国家气象信息中心-中国气象数据网银川气象站（53614）站点的逐小时记录数据。

2.3　WCHES系统热缓冲性能分析

试验期间，1 d定义为从该天的07：00至次日07：00，如2024年12月10日定义为12月10日07：00至12月11日07：00。

根际温度温差计算公式如下：

∆T_{\mathrm{s}}=T_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}（1）

式中：ΔT_s为定义1 d内根际最高温与最低温的温差，℃；T_max、T_min分别为最高温度和最低温度，℃。

缓冲效率计算公式如下：

\eta =\mathrm{1}-\frac{\Delta T_{\mathrm{\tau }}}{∆T_{\mathrm{\lambda }}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（2）

式中：η为系统的缓冲效率，%；∆T_τ是试验组温差，℃；∆T_λ是对照组温差，℃。

通过计算根际温度的变异系数（CV）来评价温度变化的波动程度，变异系数越小波动程度越小。变异系数计算公式如下：

\mathrm{C}\mathrm{V}=\frac{\sigma }{\mu }\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（3）

式中：μ是根际的平均温度，℃；σ是根际温度的标准差。

系统储/放热量计算公式如下：

Q_{\mathrm{S}}=\rho \times V\times c_{\mathrm{w}}\times \left(T_{\mathrm{h}}-T_{\mathrm{l}}\right)（4）

式中：Q_S为系统储热量，J；ρ为水的密度，kg/m³；V为系统内水的体积，m³，已知高位水箱和低位水箱中的水体积共为2.86 m³，试验组水袋中水总体积约为0.54 m³，管路中水体积约为0.35 m³，系统内总水量约3.75 m³；c_w是水的比热容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T_h是系统集/散热期的最高水温，℃；T_l系统集/散热期的最低水温，℃。

系统向根际散热的有效散热量计算公式如下：

\begin{array}{l}{Q}_{\mathrm{e}}=m_{\mathrm{e}}\times c_{\mathrm{e}}\times \\ [(T_{\mathrm{e},\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}}-T_{\mathrm{e},\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{d}})-(T_{\mathrm{c},\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}}-T_{\mathrm{c},\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{d}})]\end{array}（5）

式中：Q_e为有效散热量，指系统实际传递到基质根际中的热量，MJ；m_e为试验区内基质与植株根系的总的质量，约为630 kg；c_e为根际基质的比热容，取3.5 kJ/（kg·℃）；T_e，start、T_e，end分别为散热期开始和结束时试验组的根际温度，℃；T_c，start、T_c，end分别为同一散热期开始和结束时对照组的根际温度，℃。

结合水泵能耗值计算系统能耗比，即定义系统进行一次散热的散热量与1 d内水泵电能消耗的比值为系统的能耗比（COP），计算不同天气条件下的系统能耗比。计算公式如下：

\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}=\frac{Q_{\mathrm{S}}}{E}（6）

式中：Q\mathrm{S}是系统进行1次散热的散热量，MJ；E是1 d内水泵的电能消耗量，MJ。

2.4　数据分析

通过SPSS 27软件进行相关分析确定系统内水温度、空气温度和对照组根际温度变化与试验组根际温度变化的滞后时间，使用SPSS 27对数据进行显著性分析（P<0.05），使用WPS Excel软件进行描述性统计，使用Origin软件进行数据图绘制。

2.5　番茄生长指标及产量测定

于系统开始运行后第15天使用精度为1 mm的卷尺测量株高；使用精度为0.01 mm的游标卡尺测量第1果穗下方2 cm处直径，记为茎粗。运行后第15天采收试验组与对照组番茄果实，使用精度为1 g的磅秤称得质量。系统于12月11日开始运行，运行前（12月10日）测定2组番茄茎粗（试验组10.21 mm±0.52 mm，对照组10.18 mm±0.48 mm）、株高（试验组172.3 cm±8.6 cm，对照组171.8 cm±9.2 cm）无显著差异（P>0.05）。

3　结果与分析

3.1　栽培槽温控性能初步验证

3.1.1　2种不同栽培槽对番茄根际温度的影响

为评估系统核心组件——集成水袋的栽培槽结构对根际热环境的调控作用，试验前期重点对比了空水袋栽培槽（水袋未充水）与仅在基质袋底部放置泡沫栽培槽这2种栽培槽番茄根际温度的动态变化特征（图4）。

晴天条件下泡沫栽培槽上番茄根际最高温度29.94 ℃、最低温度19.85 ℃，温差10.09 ℃；系统栽培槽番茄根际最高温度27.78 ℃、最低温度21.49 ℃，温差6.29 ℃。阴天条件下泡沫栽培槽上作物根际最高温度23.97 ℃、最低温度18.92 ℃，温差5.05 ℃；系统栽培槽作物根际最高温度21.71 ℃、最低温度19.27 ℃，温差2.44 ℃。如图5所示，晴天条件下系统栽培槽根际最高温度从14：50持续到19：50，共5 h；泡沫栽培槽根际最高温度从14：30持续到16：40，共2.2 h。阴天条件下系统栽培槽根际最高温度从13：10持续到19：00，共5.8 h；泡沫栽培槽根际最高温度从13：30持续到17：40，共4.2 h。系统栽培槽中作物根际温度变化速率及温差均显著小于泡沫栽培槽（P<0.05），2种栽培槽在晴、阴天条件下的根际温度温差均达显著水平。这些结果初步证明，集成水袋的系统栽培槽结构能够有效增强根际环境的热缓冲能力，抑制根际温度的剧烈波动。

3.1.2　栽培中水对番茄根际温度的影响

为深入探究系统栽培槽中水对热缓冲性能的贡献，试验进一步对比了栽培槽内水袋不充水、充水静止与充水流动3种状态下的番茄根际温度表现（图6）。3组曲线的波峰和波谷都呈现“不充水”>“静止”>“流动”的情况。与完全不充水状态相比，即使在无循环条件下，在水袋充水但不流动的情况下，仍可显著降低根际温度的波动幅度，这表明水体自身已具备相当的热容缓冲效应。而在实现槽内水袋水循环后，根际温度的稳定性和均匀性得到进一步提升，其缓冲效果明显优于仅充入静止水的状态。证明水流运动有效促进了槽内热量的传递与交换，显著提高了水温的空间均匀性（恒温性），从而增强了整体的热缓冲性能。

3.2　根际水循环换热系统性能分析

将一日内24 h进行时段划分，集热期为最低根际温度出现的时间到最高温度出现的时间，散热期为最高温度到第二天最低温度的时间。选取2024年12月19日—12月21日这3 d为连续晴天，2024年12月24日—12月26日这3 d为连续阴天。

3.2.1　根际温度

晴天温室空气温度呈现剧烈波动特征：最高温度超30 ℃，最低温度低于10 ℃，3 d空气温度的平均温差达到了25.95 ℃，形成强扰动的温室内部空气热环境。在此条件下，试验组与对照组的根际温度表现差异显著（P<0.05）：从平均温度看，晴天条件下试验组的平均根际温度为（15.12±2.75） ℃，对照组的平均温度为（14.67±3.14） ℃。从图像上看，试验组根际温度的波峰与波谷均晚于对照组，试验组的波谷均高于对照组且波峰与波谷的距离也小于对照组，证明在根际温度变化上WCHES系统的确起到了削峰填谷的作用。从温差看，试验组3 d的根际温度日最低为11.94、11.76和10.64 ℃，最高为20.17、18.69和19.83 ℃，日温差分别为8.23、6.93和9.19 ℃；对照组根际温度最低为11.07、10.74和9.85 ℃，最高21.13、19.48和20.96 ℃，日温差分别为 10.06、8.74和11.11 ℃，试验组温差较对照降低约18.70%。从高温稳定性看，试验组根际温度3 d内维持在最高实测值±1 ℃区间的平均时长约为3.8 h，较对照组（2.9 h）增加约31%。综上，在晴天温室空气温度剧烈波动的强扰动热环境下，WCHES系统展现出显著的根际温度稳定调控效能（图7）：通过“抬升平均温度、降低日温差、延缓温度变化、削峰填谷平滑波动”的多维协同作用，有效平抑了空气温度变化对根际微环境的冲击。同时，系统延长了高温稳定时段，进一步强化了根际热环境的可控性，为番茄根系生长营造了温和、持续且稳定的热环境，充分印证了其在晴天强波动热环境条件下对根际温度的核心稳定价值。

阴天温室空气温度最高温度并未超过25 ℃，最低温度同样低于10 ℃，3 d的空气温度平均温差达到了19.43 ℃，温室内部空气热环境波动相对温和。从平均温度看试验组与对照组的根际温度表现差异显著（P<0.05），试验组的平均根际温度为12.84 ℃±2.78 ℃，对照组的平均温度为13.61 ℃±2.72 ℃。试验组平均温度稍低于对照组。从图像上看（图7），阴天条件对于系统根际温度的影响与在晴天条件下不同，系统性能依赖水体储热，连续阴天初期（24 日）储热不足会导致短期低温滞后，后续储热积累后逐步发挥缓冲作用。在24日试验组第一次波谷出现时间与对照组波谷出现时间接近且根际温度低于对照组，随后的波峰在出现时间上与晴天条件下相同但波峰温度高于对照组；在25日，由于对照组无缓冲介质，根际温度直接响应环境波动（辐射、气温），根际温度波动更剧烈，出现了第一次大波峰17.87 ℃（14：00左右），紧接着温度下降又上升出现了第二次波峰16.67 ℃（17：00左右），试验组根际温度变化幅度弱于对照组；26日虽然试验组最低温度出现晚于对照组，但试验组与对照组最高温度出现时间接近，对照组最高温度高于试验组。从温差看，试验组3 d的根际最低温度分别为7.18、10.08和10.39 ℃，最高温度分别为16.65、16.95和17.70 ℃，日温差为9.47、6.87和7.31 ℃；对照组3 d的根际最低温度分别为8.03、9.24和9.83 ℃，最高温度分别为15.76、17.87和18.47 ℃，日温差为7.73、8.63和8.64 ℃。虽然试验组平均温差较对照组略微提高但从高温稳定性看，试验组根际最高实测值±1 ℃区间的稳定持续时间为5.4 h，超过对照组（3.5 h）约54%。阴天条件下WCHES系统受储热不足影响初期根际平均温度略低，但通过“蓄热积累-波动缓冲-稳定时长延长”的动态调控，有效缓解了阴天环境波动对根际的冲击，充分印证了其在阴天温和波动热环境中的核心稳定价值。

3.2.2　根际热缓冲能力及能量分析

WCHES系统利用水的高比热特性，储存和释放热量以提升根际热缓冲能力。通过式（2）计算系统缓冲效率，基于连续3 d晴天与阴天数据：晴天条件下，系统缓冲效率平均为18.7%（3日值分别为18%、21%和17%）；阴天条件下，25日和26日缓冲效率为20%和15%（24日数据因环境波动超系统缓冲能力未计入）。集热与散热分析表明，系统在晴天集热期平均时长5.4 h，水温平均上升10.57 ℃，集热量平均约165.97 MJ；散热期平均时长17.8 h，水温平均下降11.65 ℃，散热量平均约182.92 MJ。阴天条件下，集热期平均时长4.0 h，水温平均上升9.28 ℃，集热量平均约140.49 MJ；散热期平均时长17.3 h，水温平均下降8.94 ℃，散热量平均约140.28 MJ。这印证了系统“迅速集热、缓慢放热”的特点（表1）。基于式（5）计算有效散热量，晴天条件下平均为3.01 MJ，阴天条件因初期储热不足，部分日期无法计算有效值，体现系统对环境依赖性强。

基于SPSS软件（时域范围±12 h，步长0.1 h）的互相关分析进一步揭示了WCHES系统在热传递过程中具有明显的环境自适应滞后特性。在晴天条件下，根际温度变化相对于系统水温存在2.5 h的滞后（r=0.731），这主要源于水体热惯性与栽培基质热阻的共同作用；而相对于空气温度变化的滞后时间则延长至4.7 h（r=0.794），反映出热量在“空气-水体-根系”路径中的传递需经历更长时间。在阴天条件下，由于云层削弱了太阳辐射的波动，根际温度变化相对于水温的滞后缩短至2.0 h（r=0.821），相对于空气温度的滞后时间也减少至1.8 h（r=0.770）。这种温度变化的滞后效应为作物根系在温度下降初期提供了关键的生理适应时间，有助于减轻根际低温或亚低温胁迫对植株造成的伤害与生长抑制。

3.2.3　水循环换热系统能耗效率分析

对比不同天气条件下系统的集热和散热情况，系统在晴天集热量较阴天高约18.1%，但散热时长无显著差异，表明不同天气条件对系统的集热量影响不显著。水泵每日能耗约为20.8 MJ，经式（6）计算，系统晴天条件下的COP值约为8.8，阴天条件下系统的COP值约为6.7。

3.3　水循环换热系统对番茄生长、产量的影响

系统运行15 d后，试验组番茄的营养生长与生殖生长初期指标均显著优于对照组（P<0.05）。营养生长方面，试验组番茄茎粗均值为12.07 mm，较对照组（11.41 mm）提升 5.8%；株高均值达213.6 cm，较对照组（188.3 cm）提升13.4%，植株长势更为健壮。果穗发育方面，试验组平均单株果穗数达8.2穗，显著高于对照组的6.8 穗/株，为果实产量积累奠定了基础。试验组成熟果实数达29个/m²，最大单果质量为28.6 g，本次采收果实质量为518.8 g/m²；对照组对应指标分别为22个/m²、25.3 g和410.9 g/m²。与对照组相比，试验组采收果实数量提升31.8%，产量增幅达26.8%，充分体现了WCHES系统对番茄结果数量、单果质量及总产量的协同提升效应。

4　讨论与结论

4.1　讨论

本研究构建的日光温室番茄根际水循环控温系统与历史研究中的主动式根区调控技术（如 WCSCS^［15］、ARTS^［16］、主动蓄放热系统^［17］）相比，在技术路径与性能表现上既有共性特征，也存在显著差异。WCHES系统通过重力驱动水循环与水体蓄热特性，实现了根际温度的“削峰填谷”。这一低功耗特性与Soussi等^［18］提出的“近零能耗温室”技术路径高度契合，通过被动式重力驱动与间歇性能耗，减少对外部能源的依赖，符合设施农业绿色低碳转型趋势。WCHES系统与柯行林等^［4］提出的主动蓄放热系统依赖水泵持续运行的模式不同，WCHES通过高位水箱与低位水箱的水位差驱动水流，仅需间歇性启动水泵，每日的单位面积能耗低至0.03 kWh/m²，体现了被动式设计在节能性上的突破，为低成本根际温控装备研发提供了全新路径。

本研究提出的根际水循环换热系统目前仍处于初步探索阶段，重点在于验证其热缓冲性能，并初步证实了重力驱动水循环在稳定根际温度方面的可行性。该系统的高位水箱与低位水箱共同发挥类似动物血液循环中“心脏”的功能，是驱动水循环的核心部件。水泵依据水位差实现间歇性启停——仅在高位水箱水位不足且低位水箱水位充足时才启动，模拟心脏的节律性收缩与舒张，避免持续能耗，体现出低功耗的“生物仿生”特性。系统通过“心房-心室”式的水位差驱动机制和“动脉-静脉”式的管路布局，构建出一个低能耗、自维持的温控循环：低位水箱作为“心房”，负责接收经热交换后的回水（类似静脉血回流），水泵则将水提至高处的“心室”——高位水箱，储存重力势能作为系统动力。与生物心室不同，高位水箱依靠重力被动释能。进水主管（动脉）将水体输送至栽培槽中的水袋“毛细血管”网络，水袋紧贴根际，通过直接接触实现热交换——白天吸收富余热量储水（如动脉血供氧），夜间释放热量维持根温（如静脉血回流代谢）。回水管路（静脉）则将冷却后的水体送回低位水箱，形成“蓄热-放热”的闭环循环。

目前系统虽通过水箱水位变化控制水泵启停，但仅依靠水位变化无法灵活控制循环启停。系统产生的2.0~2.5 h温度滞后效应表明，系统通过水体温差缓冲有效延缓了低温胁迫的发生，进一步印证了水作为高比热介质的缓冲功能，为作物应对夜间低温提供了时间窗口，与李胜利等^［9-11］提及的水冷苗床降低根际温度、避免夏季高温胁迫的思路相似，本研究聚焦在作物冬季根际低温缓冲，同样是为了减少温度变化对作物根系造成的毒害。

4.2　结论

本研究设计并验证了基于重力驱动的日光温室根际水循环换热系统，为北方冬季日光温室根际热环境稳定调控提供了一套高效节能的新技术方案。WCHES系统可有效平抑根际温度剧烈波动，晴天条件下根际温度日温差较对照组降低18.7%，根际温度维持在最高实测值±1 ℃的时长延长31%；阴天条件下该稳定时长延长54%，根际温度变异系数降幅达19.9%~29.8%，实现了根际温度的“削峰填谷”；形成了2.0~2.5 h的温度变化滞后效应，推迟根际温度下降进程，晴天规避根际临界低温伤害，阴天可延长根际有效生长时长，显著减轻了冬季低温对作物的生长抑制；WCHES系统采用重力驱动为主、水泵间歇运行的模式，仅需间歇性启停水泵维持水位差即可保障水循环持续进行，系统性能系数达6.7~8.8，较传统主动式温控系统提升约3倍^［19-20］，大幅降低了日光温室冬季温控的运行成本；通过稳定根际热环境，显著优化了番茄生长性状，实现了提质增产的协同效应。

本系统核心创新在于依托水的高热容特性，结合仿生重力驱动水循环设计，实现了被动式蓄热与自流式热交换，模块化结构便于在现有日光温室进行集成改造，具备良好的推广应用价值。后续可围绕可再生能源整合、智能联动控制系统开发、多场景多作物应用拓展开展深入研究，进一步提升系统性能与普适性，为设施农业绿色低碳转型与高质量发展提供重要的技术支撑。

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基金资助

山西省科技成果转化引导专项(20240402130144)

宁夏回族自治区重点研发计划项目(2023BCF01047)