日光溫室結構及環境條件對溫室內光輻射的影響

楊文雄 胡霞

摘? ? 要：為提高溫室中太陽光的利用率，筆者通過對日光溫室結構、外界環境條件和室內植物對日光溫室光環境的影響相關的文獻資料進行歸納總結，明確了日光溫室光照環境問題的復雜性。首先，溫室本身的結構對溫室內光輻射影響較大，需因地制宜合理設計;其次，外界的自然環境對溫室內光輻射亦有較大影響，霧霾陰天等自然環境會減弱溫室內的光輻射，不利于溫室植物的生長;此外，室內植物增加了溫室內光分布的復雜性，植株垂直高度上，由上及下，光輻射呈現下降趨勢。因此，日光溫室建造者和經營者應充分考慮上述多重影響因素，科學規劃、合理利用、巧妙規避風險，以提高收益。

關鍵詞：日光溫室;光環境;影響因素;利用率

中圖分類號：S625.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.11.001

Effects of Structure and Environmental Conditions of Solar Greenhouse on Light Radiation in Greenhouse

YANG Wenxiong， HU Xia

（Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442， China）

Abstract： In order to improve the utilization rate of sunlight in greenhouse， the author summarized the literature about the structure of greenhouse， the external environmental conditions and the impact of indoor plants on the light environment of solar greenhouse， and made clear the complexity of the sunlight environment in the greenhouse. Firstly， the structure of the greenhouse itself has a great impact on the light radiation in the greenhouse， so it needs to be designed reasonably according to local conditions. Secondly， the external environment should be considered. In addition， indoor plants increase the complexity of light distribution in greenhouse， and the light radiation presents a downward trend from top to bottom in vertical height of plants. Therefore， solar greenhouse builders and operators should fully consider the above multiple factors， scientific planning， rational use， clever risk aversion， in order to improve the income.

Key words： solar greenhouse; light environment; influencing factors; utilization rate

太陽輻射作為日光溫室的主要能量來源及室內作物光合作用的唯一光源，對作物的產量和質量影響重大，故日光溫室設計優先考慮如何最大限度地合理利用自然光。但日光溫室結構、外界環境條件和室內植物對日光溫室光環境均有重要影響，目前已有諸多研究報道。本文結合已有科研文獻進行歸納總結，旨在為日光溫室建設者和經營者提高室內太陽光的利用率提供參考。

1 日光溫室結構對室內光輻射的影響

日光溫室結構參數如跨度、屋脊高度、方位角、屋面曲線、山墻等均可直接影響室內光輻射強度及時間。

1.1 脊跨比

跨度是指溫室南側底角起至后墻內側之間的寬度。適宜的跨度可保證室內作物有足夠的生長空間，目前一般在6～12 m范圍內，受多種因素影響存在地域差異。鄒平等[1]研究表明吐魯番地區日光溫室跨度在7 m時室內光照條件明顯優于8，9 m的日光溫室，其有效光照時間最長但波動也大;而金鮮華等[2]研究發現山地日光溫室跨度為10 m光照度最好。屋脊高度是指屋脊到溫室地面的垂直距離，一般在3.2～3.4 m范圍內，有研究表明隨著脊高的增加，溫室地面的日射總量透過率及輻照度都略微減小[3]。屋脊高度與跨度相互制約，故實際生產中常用二者的比值即脊跨比進行調整，脊跨比合適，采光角度就合理，一般為1∶2.5。周長吉等[3]研究發現當脊跨比由0.43增加到0.57，日射總量透射率降低約6%，輻照度減少約1%;李曉豁[4]研究亦表明溫室采光量大小隨脊跨比的增加而減小。

1.2 方位角

日光溫室方位角對溫室采光量影響較大，一般為正南，方位角為0°，根據地區氣候特點和地形，會有所不同。林川渝[5]通過測試不同方位模擬溫室的透光率日分布情況、總透光率分布情況及光照強度日累計值分布情況，提出了建造日光溫室的適宜方位范圍為真子午169°24′～172°24′。該參數的確定存在較大的地域差異，宋希強等[6]研究表明北京地區日光溫室的建筑朝向在南偏西15°～20°時采光量較高;白義奎等[7]研究表明沈陽地區溫室方位在南偏西5°～6°時進光量最大，較正南向溫室進光量增加0.3%;宋明軍等[8]研究認為甘肅地區日光溫室方位角可取0°～8°，最大不超過10°;劉仍臣[9]認為晉北地區日光溫室方位應該選擇朝南偏西5°為宜。日光溫室方位角還與種植模式有關，張利華等[10]研究認為秋延遲種植模式的日光溫室方位角宜西偏7°～9°，越冬種植模式日光溫室方位角宜西偏6°～8°，春提早種植模式日光溫室方位角宜西偏8°～10°，方位角西偏角度隨著緯度增加而減少。

1.3 屋面曲線形式

日光溫室屋面曲線形式有圓、拋物線、橢圓，雙曲線、冪函數、三角函數、對數函數、擺線或二種曲線的組合等多種類型。生產實踐中，還要考慮是否方便制作、實用性等問題，一般選用雙圓、直線與圓弧組合的曲線形式，而橢圓的選擇相對較少。不同的形式，其溫室進光量不同，但總體差異有限。軒維艷[11]建立了日光溫室采光屋面曲線數學模型，發現溫室采光效果隨采光屋面弧度的增加而變差，但太陽光入射率的變化幅度相當小，最多不會超過3%。李家寧等[12]研究表明不同屋面形狀的日光溫室內光環境指標差異不大，總平均透過率最大相差1.4%，但屋面傾角對進光量有顯著影響，透光量隨著屋面傾角的增大而增加，且增加的部分主要集中在墻面上。王梅等[13]研究表明，半地下立窗型日光溫室前屋面的曲線類型可以在立窗+圓弧面、立窗+橢圓面和立窗+拋物線面3種采光面中任選其一。而有些學者則認為屋面曲線對溫室光環境有較大影響：張鎖峰等[14]研究表明，設計的1/7冪函數骨架曲線的有效日總輻射照度最大，采旋光性能明顯優于對照溫室骨架曲線;王靜等[15]研究表明圓-拋物面溫室雖然提高了透光率，南北方向上光照度也較單斜面、拋物面均勻，但室內光照度仍遠低于室外，且南北方向上光照度仍有明顯差異。還有學者除了考慮進光量，還考慮實用性的影響：王朝棟等[16]模擬研究三次樣條函數、圓弧、橢圓、拋物線4種曲線形日光溫室前屋面的進光量情況，結果顯示，四者進光量分別為40 467，

39 451，39 306，35 845 kJ，他認為4種曲線形日光溫室前屋面中，以三次樣條函數形日光溫室前屋面進光量最大，且更具實用性;高志奎等[17]建立日光溫室采旋光性能的數學模型，以保定地區為例運算模型圓弧面的平均采光率最高，但實用性最差，橢圓面和拋物線面在方程參數優化后表現相近，但平均采光率最低;程杰宇等[18]研究認為雙圓組合、直線與圓弧組合是符合日光溫室光性能需求的，而且方便生產加工制作。

1.4 其他參數

山墻作為日光溫室的主體構造之一，其作用主要是與北墻、前后屋面構成溫室圍護結構。由于日光溫室長度一般遠大于跨度，山墻對溫室內光環境的影響往往被研究者忽略，而實際上，山墻至少會在兩方面對溫室內的光環境產生影響，一是山墻在溫室地面產生陰影，導致溫室地面光輻射的不均勻性，二是山墻本身也會接受光輻射，從而在夜間放熱，對溫室保溫起到一定作用。李小芳等[19]研究表明溫室長度為26 m時，山墻體內側接受的太陽直接輻射日總量占全天室內的9.7%，因此，不能忽略山墻受到光輻射后的蓄熱放熱作用;溫室長度越小，陰影率越大，為了減少溫室陰影率對溫室光照環境的影響，溫室長度不宜低于30 m。寶衛通等[20]對酒泉肅州區非耕地日光溫室的山墻熱通量進行實時監測，發現夜間山墻北部夜間放熱量偏低，說明山墻北部在白天接受較少的太陽輻射。因此須加強山墻北部的蓄熱保溫設計，如山墻內表面用水泥加黑色顏料涂黑，可增強墻體吸收光輻射的能力。

除此之外，日光溫室覆蓋材料不同，透光率不同。徐增漢等[21]研究了0.06 mm厚度PVC薄膜，厚度分別為1.5，2.5，3.2 mmPC耐力板，兩種安裝方式不同的5.4 mm厚PC陽光板，及分別為立筋縱向和立筋橫向安放和兩種厚度（0.5，1.5 mm）的PE軟材等8種材料在不同時段不同傾角下的透光率，其中0.5 mm厚PE軟材透光率最大，5.4 mm厚PC陽光板透光率最小;王楠等[22]對5種多功能EVA膜和19種不同特性的PE膜共計24種日光溫室常用透光覆蓋材料的輻射透過性能進行測試研究，結果表明在400～2 300 nm波長范圍內，所有材料的輻射透過率均在80%以上。

2 外界環境條件對日光溫室光輻射的影響

陰天會減弱日光溫室內的光輻射，且溫室不同部位的光照差異大。張亞紅等[23]研究發現：晴天時，日光溫室土質梯形墻體表面太陽輻射總量為8.117 MJ·m-2，地面為8.280 MJ·m-2，地面值略高于墻體，差異不顯著;陰天時，墻體與地面太陽輻射總量分別為 0.984，2.068 MJ·m-2，地面太陽輻射總量顯著高于墻體太陽輻射總量。鄭健等[24]研究發現晴天和陰天太陽總輻射和光合有效輻射日變化趨勢一致，陰天比晴天小。郜慶爐等[25]研究認為日光溫室光照度因天氣條件各有不同，而且不同部位的光照差異也很大，無論是晴天還是陰天，在南北水平方向，由溫室南沿至后墻，光照度逐漸減少，近后墻處最低。Cutforth等[26]研究太陽輻射狀況時發現總輻射與降水量呈負相關，即降水量越多，總輻射越低，降水量越少，總輻射越大。

外界霧霾天氣導致太陽輻射減弱，從而減少溫室內的太陽輻射。邵振艷等[27]研究了大氣污染對我國華北重點城市總輻射的影響，結果表明太陽總輻射隨著PM10濃度的增大而減小。朱志輝[28]研究了北京地區太陽輻射的情況發現大氣污染會明顯削弱太陽輻射，城市化和工業化是大氣污染加重的主要原因。林爽斌[29]證實了大氣污染對太陽直接輻射的削弱作用。黑河污染較小，太陽輻射削弱最小，相比于黑河，哈爾濱的大氣污染使太陽直接輻射削弱了25.3%，佳木斯削弱了14.2%。

3 日光溫室的光輻射與室內植物之間的關系

作物冠層內的光分布狀況受冠層結構、葉面積的垂直分布以及作物品種等因素的影響。張亞紅等[30]、白青等[31]認為日光溫室內太陽總輻射量南部明顯高于北部。張敏[32]認為隨著油松冠層高度的下降，太陽總輻射量逐漸減小。李艷大等[33]、Hirose[34]得出水稻冠層最大分層葉面積指數出現在0.6 m相對高度處，冠層內平均光合有效輻射透光率從頂部向下遞減。陳景玲等[35]使用植物冠層分析儀測定荊條孤立冠層葉面積指數和透光率，發現植物孤立冠層相比均勻冠層，植物透光率呈現更加顯著的不均勻性。曲佳等[36]研究日光溫室西紅柿群體的太陽總輻射量分布規律，結果表明，在西紅柿盛果期，日光溫室內的太陽總輻射量南部明顯高于北部，平均高出200 W·m-2以上，中部略高于東、西部，太陽總輻射量在植株群體內垂直方向上隨冠層高度的下降而減少，越靠近冠層底部太陽總輻射量衰減的日變化越不明顯，隨著冠層高度的降低，累積葉面積指數增大，太陽總輻射量減小。

日光溫室的光輻射與室內植物之間的關系，還可以用數學模型的方式進行模擬。Thevenard等[37]、Yang等[38]在研究日光溫室作物群體結構的基礎上，建立了溫室黃瓜行內太陽輻射傳輸模型。溫維亮等[39]開發了基于輻射度-圖形學結合模型的作物冠層光分布計算系統，但系統在模擬大規模作物冠層光分布時比較困難。Hervé Rey等[40]研究表明，莖稈吸收的輻射占總輻射的比例小于5%，但在進行精確光分布模擬時，其作用不能忽略。

4 結論與建議

綜上所述，對于室外太陽輻射、溫室的光環境和日光溫室內的光照等各方面，國內外學者均開展了大量研究，其研究結果對于日光溫室內光照環境研究和設計具有重要的指導意義：溫室本身的結構對溫室內光輻射影響較大，需因地制宜、結構合理;外界的自然環境對溫室內光輻射亦有較大影響，霧霾陰天等自然環境會減弱溫室內的光輻射，不利于溫室植物的生長;室內植物增加了溫室內光分布的復雜性，植株垂直高度上，由上及下，光輻射呈現下降趨勢。這就需要溫室建造者和經營者在充分了解當地地質環境、氣候條件、植物生長特性和經濟發展水平的基礎上，因地制宜、科學規劃、合理利用、巧妙規避風險，合理安排農時，最大限度發揮溫室本身的功效，充分利用光照條件，合理布局溫室作物種類及種植密度，獲取最大收益。

但由于溫室光照環境問題的復雜性，許多方面仍然有較多未完全解決的問題。由于光輻射在溫室內傳播規律的復雜性以及影響因素眾多，其中還有較多尚未探明的問題，例如陰天的光輻射模擬，散射輻射的大小與傳播規律，透明覆蓋材料對直射光的散射作用（霧度）的問題等等，這些問題都有待科研工作者繼續研究。

參考文獻：

[1]鄒平，馬彩雯，肖林剛，等.跨度變化對日光溫室光溫環境的影響分析[J].新疆農業科學，2013，50（12）：2302-2310.

[2]金鮮華，鄒志榮，趙雪，等. 跨度對山地日光溫室性能的影響[J]. 農機化研究，2015（2）：146-156.

[3]周長吉，楊振聲.準確統一“日光溫室”定義的商榷[J].農業工程學報，2002，18（6）：200-202.

[4]李曉豁.日光溫室采光性能的模擬分析[J].黑龍江科技大學學報，2005，15（2）：90-92.

[5]林川渝.日光溫室方位角試驗研究[J].華北農學報，1998，13（1）：129-132.

[6]宋希強，彭春生，黃士昆，等.新型節能日光溫室光環境動態模擬及其數值實驗[J].海南師范學院學報，2001，14（2）：48-50.

[7]白義奎，劉文合，王鐵良，等.日光溫室朝向對進光量的影響分析[J].農業機械學報，2005，36（2）：73-75，84.

[8]宋明軍，郭曉冬.甘肅省節能日光溫室采光設計的分析與探討[J].北方園藝，2005（5）：14-15.

[9]劉仍臣.晉北地區日光溫室采光的設計[J]. 當代農機，2014（4）：77-79.

[10]張利華，劉杰，張仁祖，等.日光溫室方位角的研究[J].江西農業學報，2010，22（5）：85-89.

[11]軒維艷.日光溫室采光屋面曲線數學模型的建立與分析[J].天津農業科學，2006，12（4）：44-46.

[12]李家寧，馬承偉，趙淑梅，等.幾種常用屋面形狀和傾角的日光溫室光照環境比較[J].新疆農業科學，2014，51（6）：1008-1014.

[13]王梅，高志奎，王俊玲，等.半地下立窗型日光溫室采光效率模型及溫光性能優化[J].長江蔬菜，2013（8）：21-26.

[14]張鎖峰，白文斌，潘天任，等.我國北方日光溫室前屋面采光曲線最優化設計[J].山西農業大學學報，2013，33（4）：336-341.

[15]王靜，崔慶法，林茂茲，等.不同結構日光溫室光環境及補光研究[J].農業工程學報，2002，18（4）：86-89.

[16]王朝棟，史為民，裴先文，等.4種曲線形日光溫室前屋面采光性能及其拱架力學性能的比較[J].西北農林科技大學學報，2010，38（8）：143-150.

[17]高志奎，魏蘭閣，王梅，等.日光溫室采光性能的實用型優化研究[J].河北農業大學學報，2006，29（1）：1-5.

[18]程杰宇，趙淑梅，馬承偉，等.外形基本條件約束下的日光溫室屋面曲線設計與解析[J].新疆農業科學，2014，51（6）：981-989.

[19]李小芳，陳青云.日光溫室山墻對室內太陽直接輻射得熱量的影響[J].農業工程學報，2004，20（5）：241-245.

[20]寶衛通，郁繼華，頡建明，等.日光溫室山墻及栽培基質熱通量特征分析[J].甘肅農業大學學報，2014，49（6）：70-75，81.

[21]徐增漢，宋澤民，王定福，等.不同透光材料不同傾角的透光率測定[J].西南農業學報，2012，25（3）：1090-1096.

[22]王楠，馬承偉，趙淑梅，等.日光溫室常用透光覆蓋材料輻射透過性能測試研究[J].沈陽農業大學學報，2013，44（5）：531-535.

[23]張亞紅，白青，封美琦，等.日光溫室土質梯形墻體與地表太陽輻射測定分析[J].農業工程學報，2013，29（11）：164-172.

[24]鄭健，蔡煥杰，王健，等.日光溫室內光合有效輻射基本特征分析[J].農業機械學報，2009，40（12）：164-168.

[25]郜慶爐，梁云娟，段愛旺.日光溫室內光照特點及其變化規律研究[J].農業工程學報，2003，19（3）：200-204.

[26]CUTFORTH H W， JUDIESCH D. Long-term changes to incoming solar energy on the Canadian prairie[J]. Agricultural and forest meteorology， 2007， 145（3）： 167-175.

[27]邵振艷，周濤，史培軍，等.大氣污染對中國重點城市地面總輻射影響的時空特征[J].高原氣象，2009，28（5）：1105-1114.

[28]朱志輝.北京地區城市化對太陽輻射的影響趨勢分析[J].環境科學學報，1983，3（3）：194-202.

[29]林爽斌. 城市大氣污染對大氣透明度和太陽直接輻射影響的初步分析[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，1985（2）：87-90.

[30]張亞紅，陳端生，黃晚華.日光溫室黃瓜群體結構參數及群體內輻射分布分析[J].農業工程學報，2003，19（1）：172-176.

[31]白青，王利，張亞紅.日光溫室內黃瓜群體結構參數分析[J].北方園藝，2008（5）：75-79.

[32]張敏.油松冠層輻射特征的研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2008.

[33]李艷大，湯亮，張玉屏.水稻冠層光合有效輻射的時空分布特征[J].應用生態學報，2010，21（4）：952-958.

[34]HIROSE T. Development of the Monsi-Saeki theory on canopy structure and function[J].Annals of botany， 2005， 95（3）： 483-494.

[35]陳景玲，王靜，王謙，等.植物冠層分析儀測定荊條孤立冠層葉面積指數和透光率的分析[J].中國農業氣象，2014，35（4）：373-379.

[36]曲佳，須暉，王蕊，等.日光溫室番茄群體太陽總輻射量的分布規律及其與光合作用的關系[J].西北農林科技大學學報，2011，39（6）：178-184.

[37]THEVENARD D， ZHANG Y， JEWETT T J， et al. Monitoring and modeling of light penetration into double-row greenhouse crop[J].Transaction of the ASAE， 1990（11）： 40-44.

[38]YANG X S， SHORT T H， FOX R D， et al. Plant architectural parameters of a greenhouse cucumber row crop[J]. Agricultural and forest meteorology， 1990， 51（2）： 93-105.

[39]溫維亮，孟軍，郭新宇，等.基于輻射照度的作物冠層光分布計算系統設計[J].農業機械學報，2004，40：190-193.

[40]REY H， DAUZAT J， CHENU K， et al. Using a 3-D virtual sunflower to simulate light capture at organ， plant and plot levels： contribution of organ interception， impact of heliotropism and analysis of genotypic differences[J].Annals of botany， 2008， 101（8）： 1139-1151.