北墙铺设反光薄膜对日光温室北部光环境的影响.pdf

北墙铺设反光薄膜对日光温室北部光环境的影响刘志康 李楠洋河北工程大学,河北 邯郸 0 5 6 0 3 8摘要:日光温室是我国北方应用广泛的一种园艺设施,其独特的北墙结构和兼具保温和蓄热的功能,使蔬菜在北方地区能够实现反季节生产。但是温室内南北光环境分布不均匀,北部区域的光环境相对南部较弱,对作物生产有一定的影响。为此,比较了不同的墙体覆盖材料对温室北部区域的光环境影响。结果显示,在北墙铺设聚酯镀铝膜之后,温室北部区域的光照度相较传统砖墙平均增加5.4 k l x,辐照度提高2 5%2 8%,与北墙的距离越近,聚酯镀铝膜所反射的北部区域光谱能量值相对传统砖墙也随之增高,最大为3 1%。依托于现有日光温室结构,北墙铺设反光薄膜可以作为平衡温室南北光环境的有效途径。关键词:日光温室;反光薄膜;光环境中图分类号:S 1 2 6 D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 6 5 X.2 0 2 3.1 1.0 3 80 引言日光温室为我国特有的温室结构,是我国北方应用广泛的一种园艺设施,在我国农业种植业扮演着重要的角色1。但是温室内南北光环境分布不均匀,北部光照相对南部较弱,一定程度上影响作物生产2。许多学者通过研究发现,在北墙铺设反光薄膜可以有效改善温室整体光环境,提高作物产量3-5。L i u等6通过将温室左右两侧铺设反光薄膜进行光分布研究,发现铺设反光薄膜后能提高植株冠层光分布的均匀性。以上实验均聚焦在单一作物层面,对反光薄膜如何调控温室北部区域光环境进行量化分析,还有待进一步研究。本试验通过对比不同材质的覆盖材料的参数,选用了一种具有高反射率的聚酯镀铝膜,在光学平台测得聚酯镀铝膜的光学特性。通过在日光温室内进行光环境试验,对覆盖材料在温室的可行性进行了评价。1 材料与方法反光薄膜是一种表面涂层为逆反射材料的覆盖结构。一般情况下,根据反射单元的结构,将反光薄膜划分为玻璃微珠型和微棱镜型7-8。通过对比市面上常见的几种反光薄膜,最终选取聚酯镀铝膜作为墙体覆盖材料。聚酯镀铝膜表面具有较好的阻隔性能,提高了薄膜的反射率,同时价格低廉,便于大面积推广(表1)。表1 反光薄膜材料参数对比序号材质平均反射率(%)涂层结构造价(元/m2)1树脂材料3 0玻璃微珠型0.62铝板8 7玻璃微珠型7.53铝塑复合材料9 0微棱镜型0.94聚碳酸酯9 0微棱镜型1.15聚酯镀铝膜9 5微棱镜型0.71.1 测定材料特性当光投射到物体表面时,其中一部分能量被物体表面吸收,另一部分能量被物体表面反射,剩余部分能量穿透物体9。其中,反射能量在总能量中的占比用反射率表示:=1 5 0 03 0 0G()d1 5 0 03 0 0G()d1 0 0%(1)式中,G()为物体反射后的光辐射,W/(m2n m);G()为达到物体表面的光辐射,W/(m2n m)。在光学平台上对不同入射角度下聚酯镀铝膜的反射率进行测定,结果如图1所示,当入射角为3 0 时,在植物可以响应的可见光波段(3 0 08 0 0 n m)1 0上聚酯镀铝膜的平均反射率为9 5%,用于光热转换的近红外 光波段(8 0 01 5 0 0 n m)上 平 均 反 射 率 为8 3%。随着入射角度变大反射率逐渐下降,当入射角为6 0 时,聚酯镀铝膜在可见光波段的平均反射率为7 5%,近红外光波段平均反射率为6 0%。这说明,聚酯镀铝膜在不同角度都具有较高的反射率,可以作为北墙覆盖材料用来进行日光温室北部补光。421数字农业与智能农机 第1 1期2 0 2 3年1 1月图1 不同角度的入射光线下聚酯镀铝膜的反射率对比1.2 试验地点确定了聚酯镀铝膜的光学特性后,开展聚酯镀铝膜调控温室北部光环境的试验。试验于2 0 2 2-1 2-2 4至2 0 2 3-1 2-2 8北京市顺义区大孙各庄镇试验基地(4 0 1 3 N,1 1 6 6 5 E)内进行。日光温室为东西走向,长4 5 m,跨度6.8 m,北墙高2.3 m。温室后墙为砖墙结构。在温室内截取两个东西方向长度8 m的区域作为试验区和对照区,试验区北墙表面悬挂聚酯镀铝膜(东西长6 m,高1.5 m,距离地面高度0.3 m),对照区北墙不作处理,除 墙体表面的 覆盖结构外,其 他 参 数 保 持一致。试验区和对照区内种植的作物均为草莓,品种为明晶,定植日期为2 0 2 2-1 1-1 5。试验期间,温室内正常进行农事操作。1.3 试验仪器与测点布置试验中使用的测量仪器型号、测量范围、误差参数如表2所示。表2 试验仪器参数试验仪器型号测量范围误差分光谱辐射仪(W/m2)HY-Z G 102 0 0 0 5光谱仪A v a S o l a r-3 2 5 02 5 0 0 n m0.1 W/(m2n m)照度计(l x)UT 3 8 3 B T01 9 9 9 0 01 0 0气象站(m/s)F T-X YQ X11 5 0(0.3+0.0 3)V 在试验区东西方向的中心点处分别取距离北墙1.5 m、2 m和2.5 m 3个测点。对照区测点位置与试验区保持一致,在室外布置一个测点E O用以测量室外数据(图2)。图2 温室试验测点布置试验期间,对试验区、对照区和室外的测点数据进行采集,包括光强、辐照度和光谱。试验以9 0 0-1 6 0 0作为一个试验周期,数据采集间隔为1 h。2 结果与分析2.1 聚酯镀铝膜对温室内光照度的影响通过对比试验区和对照区的光照度变化曲线(图3)发现,9 0 0-1 0 0 0时间段内二者差异较小,1 0 0 0时试验区的光照度增幅开始明显高于对照区,并在1 2 0 0时两者光照度差距达到最大,此时试验区比对照区光照度提高1 6.5 k l x,随后开始下降。对比全天的光强数据发现,试验区比对照区平均提高5.4 k l x且中午影响最为明显。图3 有无聚酯镀铝膜的日光温室北部区域光照度变化521北墙铺设反光薄膜对日光温室北部光环境的影响 刘志康 李楠洋通过对比辐照度发现,对照区由于没有任何处理,测点的辐照度只有室外的7 0%左右;试验区由于铺设聚酯镀铝膜后北部太阳辐射显著提高,相比对照区提高2 5%2 8%,且增益变化较为稳定(图4)。说明当北墙铺设聚酯镀铝膜可以显著提高温室北部区域的辐照度,在大部分时间为温室北部提供稳定的增光。图4 有无聚酯镀铝膜的日光温室北部区域辐照度及增益2.2 聚酯镀铝膜对温室北部区域光谱的影响对试验区和对照区的光谱测点进行比对分析。结果显示,对照区整体光谱能量值与室外相比衰减程度较大,距离北墙越近光谱能量值越低,距离北墙1.5 m时,可见光波段能量值仅有室外的一半左右且梯度变化不明显,说明传统砖墙几乎不具备提高温室北部地面光辐射的能力(图5)。同一位置的测点下,试验区光谱显著优于对照区,在可见光波段内试验区光谱能量值与对照区相比有较大提升,在6 2 0 n m处提升最大,为3 1%。且距离北墙越近,光谱能量值越高,不同距离之间呈现较为规律的变化。这表明当北墙铺设聚酯镀铝膜时,温室北部区域的光环境相对传统北墙有大幅提高,且北部反射区域和南北距离有明显的梯度关系。图5 试验区与对照区的测点光谱比对3 结语本试验选用了一种聚酯镀铝膜,该反光薄膜在不同角度都具有较高的反射率,可以作为覆盖材料对日光温室补光。通过在温室北墙铺设聚酯镀铝膜后发现,温室北部光照度相较传统砖墙平均增加5.4 k l x且中午补光效果最好,可以增加1 6.5 k l x;平均辐照度提高2 5%2 8%且增益较为稳定。当温室作物与北墙的距离越近时,聚酯镀铝膜反射到的能量相比传统砖墙提升越大,最大为3 1%。结果表明,温室北墙铺设聚酯镀铝膜操作简单,可以有效解决日光温室光分布不均匀,北部区域光照不足的问题,而且成本低廉,便于大面积推广。参考文献:1 李天来.我国日光温室产业发展现状与前景J.沈阳农业大学学报,2 0 0 5(2):1 3 1-1 3 8.2 T a o L,Y u Q i Z,Y i Z,e t a l.L i g h t d i s t r i b u t i o n i n C h i-n e s e s o l a r g r e e n h o u s e a n d i t s e f f e c t o n p l a n t g r o w t hJ.H o r t i c u l t u r a l S c i e n c e,2 0 1 6(3):9 9-1 1 1.3 邵丽,杨小龙,王蕊,等.设施栽培蔬菜光环境及调控研究进展J.中国蔬菜,2 0 1 8(8):1 9-2 6.4 王静,崔庆法,林茂兹.不同结构日光温室光环境及补光研究J.农业工程学报,2 0 0 2(4):8 6-8 9.5 崔庆法,曹春晖,胡小进,等.日光温室内反光膜补光的实践与理论 探 析 J.中 国 生 态 农 业 学 报,2 0 0 5(1):8 8-9 0.6 L i u A,H e n k e M,L i Y,e t a l.I n v e s t i g a t i o n o f t h e i m p a c t o f s u p p l e m e n t a l r e f l e c t i v e f i l m s t o i m p r o v e m i c r o-l i g h t c l i m a t e w i t h i n t o m a t o p l a n t c a n o p y i n s o l a r g r e e n h o u-s e sJ.F r o n t i e r s i n P l a n t S c i e n c e,2 0 2 2,1 3:9 6 6 5 9 6.7 侯韶东.反光膜国家标准与产品现状及应用分析J.山西建筑,2 0 0 5(9):1 2 6-1 2 7.8 王智和,王涪新,单明正.微棱镜型反光膜及其应用前景J.公路交通科技,1 9 9 8(1):5 7-5 8.9 M o r e n o,C h e m i s a n a D,L a m n a t o u C,e t a l.E n e r g y a n d p h o t o s y n t h e t i c p e r f o r m a n c e i n v e s t i g a t i o n o f a s e m-i t r a n s p a r e n t p h o t o v o l t a i c r o o f t o p g r e e n h o u s e f o r b u i l d-i n g i n t e g r a t i o nJ.R e n e w a b l e E n e r g y,2 0 2 3,2 1 5:1 1 8 9 7 6.1 0S m i t h H.P h y t o c h r o m e s a n d l i g h t s i g n a l p e r c e p t i o n b y p l a n t s-a n e m e r g i n g s y n t h e s i sJ.N a t u r e,2 0 0 0,4 0 7:5 8 5-5 9 1.作者简介:刘志康,男,1 9 9 5年生,硕士研究生。研究方向为设施园艺环境调控。李楠洋(通讯作者),男,1 9 8 6年生,博士,讲师。研究方向为设施结构优化。621数字农业与智能农机 第1 1期2 0 2 3年1 1月