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上一层 机     场 医    院 足球场地暖 花卉市场 蔬菜大棚

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瑞恒®地面供暖技术在蔬菜大棚中的应用

 

    摘要:介绍了地面供暖技术在蔬菜大棚中的应用,探讨了寒冷地区提高土壤温度及湿度,为解决冬季大棚生产瓜果及蔬菜若干技术性问题进行了试验研究,并提出解决措施。
   
关键词:大棚内蔬菜地面供暖  土壤温度  地面供暖增温

 

    1问题的提出
   
我国北方地区冬季严寒而漫长,在农作物无法生长的冬春寒冷季节,以往主要靠贮藏来解决冬季的蔬菜供应。改革开放以来,我国冬季大棚蔬菜生产有了飞速的发展,各地政府都十分重视“菜篮子”工程建设,大力发展大棚蔬菜生产。北方各省市通过兴建各类温室大棚,解决了部分冬春寒冷季节的蔬菜消费问题。然而,大多数蔬菜产品还是从南方通过长途运输来解决。随着人民群众生活水平的不断提高,每年冬季北方地区从南方调运的蔬菜数量甚大,耗费也极为可观。以自治区首府乌鲁木齐为例,每年有70%以上的蔬菜是靠外地供应的。这些长途调运的蔬菜产品,不仅在品质上受到一定影响,而且价格也比较高。
   
为解决冬季蔬菜北运问题,尽管新疆已兴建了几十万亩的温室,然而,新疆地区蔬菜产品仅仅占冬季市场5%左右的消费量。其原因分析为,主要是由于冬季气候寒冷,阳光不足,设施园艺生产受到很大的限制。其中,土壤温度较低的问题一直未能得到有效解决。无论是日光温室、还是传统的加温温室,土壤温度是通过提高室温之后,间接地来提高地温的,因此土壤温度速度缓慢,热效率较低。即使在新疆逆温带山区的冬季温室,多数也只能生长叶菜类蔬菜,生产果菜还必须提高土壤温度才能实现。
   
本文作者借鉴国外技术,并经过吸收消化,广泛调研,和征求有关专家的意见,大胆地将地面供暖技术应用到设施园艺中,并通过提高地温技术,在严寒冬季里进行果类及蔬菜类生产,取得意想不到的良好结果,在严寒的北方,为解决冬季大棚生产爪果及蔬菜技术,积累了成功的经验。
    2
应用地面供暖技术解决的主要问题
   
我们从2002年起,作者分别在新疆自冶区某地进行现代大棚蔬菜地面供暖试验。试验结果表明,将地面供暖技术应用到温室的反季节蔬菜生产中,在技术上需解决以下几个问题。
     2
·1.切实有效地提高土壤温度,确保果菜类蔬菜生产条件。
   
在没有实施该项技术之前,按照传统的做法是,大棚内的室温是通过太阳光加热、再利用火炉或散热器等热源补充热量将棚内加温,虽然采取以上措施,也只能使温室内气温白天达到12℃左右(阴天),夜间6℃左右,棚内土壤温度(1020cm)一般只有9℃左右,棚内在这样的环境温度下,仅能满足一些叶菜类的生长需要,无法达到果菜类蔬菜正常生长发育的温度要求;另外逆温带的温室都在山区,冬季灌溉水温一般只有4℃左右,因此浇水后室内地温过低的问题,已成为制约冬季果菜类蔬菜生长的瓶颈。
    2
·2分析大棚温室内地温不均匀之原因,弥补其缺陷。
   
由于温室中栽培床土壤的位置和接受阳光角度的不同,吸收太阳热量存在差异。而且,南侧散热量较大。于是,温室的地温呈现出非均匀性的分布:一般是南面较低,北面较高。为此,必须采取有效的技术措施,才使温室的地温达到比较均匀的程度,以保证温室内的蔬菜作物生长发育相对一致。
    2
·3创造各种作物根系需要的适宜地温。
   
由于各种作物的根系深度和对气温及土壤温度的要求是不同的。从《蔬菜作物主要根群深度及温度要求表》可以看出,只有人工创造各类作物生长发育所需要的温度条件,才能满足各种果菜类蔬菜作物的正常生长发育。
  
蔬菜作物主要根群深度及温度要求

 

主要根群深度(cm

生长适温℃

温度上限℃

温度下限℃

根系适温℃

 

< 30

2030

35

11

2022

 

< 30

2030

3540

15

 

 

< 30

2030

35

15

1722

 

< 30

1829

35

1012

1822

西葫芦

1030

1529

3235

1215

1525

西 

2030

2535

> 40

15

32

 

1520

2530

40

13

2025

 

1540

20左右

35

15

> 13

 

1518

2535

> 35

15

2025

 

    说明: 以上资料引自《中国农业百科全书·蔬菜卷》(1989)数字下有横线者引自全国高等农业院校教材《蔬菜栽培学各论》(北方本1987
    3
主要技术措施及技术指标
    3
·1技术措施
   
我们将地面加温系统最核心的材料PEX交联管作为加热盘管,按科学的设计要求,以一定的埋地深度及管间距,铺设在日光温室栽培床耕作层的土壤中。通过循环系统使温水在加热盘管中流动,将热量以辐射方式传递,达到对土壤加温的目的。
   
为了解决日光温室内土壤温度不均匀的现象,我们通过对日光温室热损失平衡计算,其结果是适当增加地面散热量较大南侧加热盘管的密度,以其弥补热损耗。同时,在栽培床四周安装保温层,减少热量散失。我们采用容重为18公斤、厚30mm、高50mm60mm聚苯乙烯板,接口处用防水胶带粘接,以减少冷空气的渗透。
   
在供暖系统设计中,管理间安装一定规格的锅炉,在室内安置可观察或可调控的设备,如温度计、调节阀及混水装置,通过调节供水温度及流量,达到控制土壤温度的目的。
    3
·2各项技术指标比较
    3
·2·1通过以上技术措施,在特定的设施范围内,为各类作物创造一个较适宜的生长发育环境,促使作物生长健壮,从而实现较好的经济效益。采用地暖管材增温技术后,通过实测得知,在冬季气温条件下,日光温室栽培床土层厚度020cm深的土壤温度可达到1624℃,平均高出传统供暖方式(火炉、散热器)48℃。而且,在不同时间及室内不同地点,室温及地温的变化相对较小,室温和地温温差较平稳,不但有利于各类园艺作物的生长,而且对能效损失较少。日光温室与供暖方式土壤温度变化曲线图详见附图1、附图2

 

 

附图1

 

 

附图2

 

     3·2·2地面供暖增温技术采用锅炉加热循环水,提高了锅炉的热效率。据实地测算,首先采用锅炉及地暖盘管系统供热比火炉供暖方式可节约煤炭25%左右,另外对碎煤或劣质煤利用价值更高,其次地面供暖增温不仅仅局限于以煤炭作为热媒,而选择更为广泛的天然气、太阳能、地热、电能及沼气作为热媒。特别是新疆的畜牧业比较发达,可以利用牲畜的粪便产生沼气,以沼气为能源来取暖,废液和沼气池渣都是高质量的有机肥料。
    3
·2·3实践证实,采用地面供暖增温技术后,可明显提高蔬菜作物产量。例如温室黄瓜产量可提高33.95%,经济效益提高40.53%。双孢蘑菇平均增产3.2/亩,直接增收达2万元/亩,经济效益增加40%以上。樱桃、番茄产值平均达到11000/亩,突破了高寒地区冬季不适于种植果菜类的常规。
    3
·2·4采用地面供暖增温技术后,由于土壤温度有了保证,大大促进各种作物根系的发育,从而吸收足够的养分,促使植株生长健壮,抗病能力增强,养分积累增多,最终其结果是提高了产量,促进了产品成熟期提前。通过几年试验结果证明,和普通温室相比,采用地面供暖增温的水果、黄瓜采收期提前了57天;樱桃提前了20天;番茄提前了42天;双孢蘑菇提前了20天。可见,地面供暖增温的效益是极为明显的。2005年春季,库尔勒市菜篮子办公室就此召开现场会,一些种植户看到明显成效后,主动要求应用地面供暖增温技术。
   
此外,采用地面供暖增温技术后,由于土壤温度的提高,促进了硝化细菌的活性,提高了速效NPK养分的分解,增加了土壤肥力。
    4
技术关键、难点及创新性
   
在温室内推广地面供暖增温技术,由于传热介质和满足传统室内采暖目的不同,不是把建筑业的地面供暖技术在设施园艺中的简单移植,其科技含金量要高于建筑业的地面供暖技术。
   
建筑业的地面供暖系统是将加热盘管埋设于地板之下,地表面传热介质多为砼、面砖、大理石、实木复合地板等,一旦施工和建成后,地表面不会发生其它变化,它的传热系数是相对稳定的,有相应的规范及成熟的计算公式,在设计时据计算公式选择类同材料的数据进行计算即可。
    4
·1技术关键要点
   
日光温室中应用地面供暖增温技术,是作为一种补充供热的方式,它的主要热量来自廉价的太阳能,而温室的吸热性能又与结构、材料、朝向和保温措施有密切联系。况且,我们将加热盘管埋入土壤中,土壤就是传热介质。由于传热介质不同于工程建设的地板,不能简单地套用建筑工程的计算方法,而要充分考虑栽培各类作物生长机理及传热介质土壤的物理特性。影响土壤传热性能的最主要因素有土壤导热率、土壤的热容量及土壤的热扩散率等几方面的因素。
   
土壤的导热率:土壤吸收热量后,一部分用于它本身的升温,一部分则传送给其邻近土层。土壤具有吸收、辐射、传导热量到邻近土层的功能,应称为导热性。导热性的大小由导热率来表示。在单位土层厚度(1cm)、温差为1℃时,每秒经单位断面(1cm2)通过的热量焦耳数(λ),其表示单位是j/2·S·℃。当热量的传导由高温处传至低温处时,设土壤或其它物质两端的温度为t1t2,土壤的厚度为d,在一定时间内(T)流动的热量为Q。则一定时间内单位面积上流动的热量为Q/A·T。两端间的温度梯度为t1-t2/d,故导热率λ定义为:
  

 

2土壤不同组成成分的导热率(㎝2·s·℃)

 

导热率

     

4.427·10-²

湿   

1.674·10-²

   

1.674·10-²

     

6.276·10-²

   

1.255·10-²

   

5.021·10-²

2.092·10-²

 

    单位体积内土壤的组成比例为土壤矿物质4060%,水和空气的比例为4060%
土壤的热容量:是指单位质量(重量)或容积每升高(或降低)1℃所需要(或放出)的热量,一般用C来代表质量(重量)热容量,Cv代表容积热容量。
                                                  
3土壤不同组成的热容量

土壤组成物质

重量热容量(J/g·℃)

容积热容量(J/m3·℃)

   

0.71

0.71·2·7=1.9

1.9

1.9·1.3=2.5

4.184

4.184

土壤空气

1.004

1.26·10-3


    
土壤空气的热容量很小,
    Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw

   
土壤的热扩散率:是指在标准状态下,在上层垂直方向上每厘米距离内,1℃的温度梯度下,每秒流入12土壤断面的热量,使单位体积(㎝3)土壤所发生的温度变化。用下式表示:

 


         
    
式中,λ表示土壤导热率,Cv表示土壤容积热容量。
   
土壤补充热量的计算,要充分考虑传热介质土壤的热物理特性以及加热管的埋深、供水温度和作物的生物学特征,综合进行考虑。由于土壤是一个可变的介质,土壤中的水、空气是动态因子,不断发生变化,因而所计算出的补充热量也应该是一种动态,不像工程建设中的热耗相对稳定,需要进行调节。
计算日光温室补充热量的公式:


      

     式中,单位面积(㎝2)梯度为1℃通过的热量;D:土壤的热扩散率;Cv:土壤的容积热容量;t1-t2/d:土壤及其它物质两端间的温度梯度;Q/AT:一定时间内单位面积上流过的热量。
   
需要补充的总热量Q=Q·
104·A(栽培床面积)
   
由于不同作物对土壤温度要求不同,依据上述公式中t1-t2/d可知,只要调整土壤两端的温度梯度,就可以算出应补充的热量。当土壤表层温度t2变化时,土壤底层t1应发生变化。由此可知,在地暖加热管埋入的深度不变时,通过调整供水温度或水流量,即可达到调整土壤温度的目的。
     4
·2技术难点
   
日光温室补充供暖的目的,是要给作物生长创造一个良好的生长环境,最终获得好的收益。但是,由于不同作物或同一作物在不同生长发育阶段对温度(气温、地温)、水分及养分要求不同,必须随时进行调整。这就给供暖系统的运行带来许多麻烦,如在系统中增加调控设备则费用太高,目前只能通过人为观察来进行调节。
    4
·3创新性
   
将地面供暖技术应用到设施园艺中去,新疆地区是首创,根据新疆地区的气候特点、土壤结构、温室结构及栽培技术,首先提出了日光温室补充热量的计算方法及地温调节途径。从而解决了长期以来困绕新疆冬季果菜生产的地温偏低技术难点。不仅有效解决了冬季居民吃菜难的问题,而且可以增加菜农经济收入,扶持农民脱贫致富起到了积极的作用。
    5
效益分析
任何一项新技术的应用,其目的在于获得良好的经济效益和社会效益,否则就完全失去推广应用的价值。
    5
·1经济效益:
   
几年来通过对试验温室的实际测算,与传统供热方式(火炉供热)相比,年纯收入几乎可收回地暖管材增温的全部投资。项目的效益系数(静态下)E0.96,项目的效益费用比R值为10.29,项目的内部回收率(内部报酬率)为95.8%
    5
·2社会效益:
   
日光温室采用地暖管材增温技术后,既可提高能源的供热效率,降低能耗,劳动量投入较少,劳动强度大大降低,同时也使能源多样化,对缺少燃料的地方,尤其是一般农牧区都可广泛应用。
   
在寒冷的北方地区,在推广地暖管材增温技术后,可大量进行反季节果菜类、花卉、西甜瓜和水果生产,可为市场提供更多品质优良的地产鲜菜及各类农产品,即可满足市场的需求,同时增加了菜农的收入,从而开辟了一条新的发展设施园艺使农民致富的道路。
   
采用地面供暖增温技术后,温室内再不会因生火炉而带来烟雾弥漫、煤灰飞扬的现象,温室的空气质量大大得到改善和净化,从而提高了温室内的环境质量,这对改善温室管理人员的工作环境促进人们的身体健康和提高农产品质量都是十分有利的。同时,该项新技术也为温室作物更好生长创造了一个优良的环境,可提高太阳的光照强度,更有利于作物的光合作用。
    6
推广前景及有待研究的问题
   
地面供暖增温技术在设施园艺中的应用,在我国北方地区有着非常广泛的推广前景,必将对推动设施农业的发展发挥积极的作用。如果新疆维吾尔自治区计划在全疆范围内(重点在南疆)发展设施园艺100万亩,除了解决我区冬季各族人民消费者的吃菜问题外,还可建立对中亚、南亚地区的蔬菜及瓜果的设施农业产品的出口基地。
至于该项技术目前还不能全面普及的主要问题是:一次性投资成本较高,一般种植户不容易接受,必须设法降低成本,方可普遍推广。另一方面,由于温室土壤温度提升后,使温室内的生态环境条件发生了相应的变化,作物生长发育加快,需要研究新的最佳茬口安排方案和配套全新的各类作物栽培技术,积极预防和抑制病虫害的发生,才能生产大量高品位的绿色食品。

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