黃語燕 王濤 鄭鴻藝 康育鑫 李傳輝 鐘陳聲 陳永快

摘要：薄膜溫室是福建地區(qū)廣泛使用的一種智能溫室，溫室內(nèi)的環(huán)境能夠影響植物的生長發(fā)育，特別是夏季高溫是南方地區(qū)種植的主要障礙之一。在設(shè)計溫濕度自動采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以福州1個薄膜溫室為例，分析其在使用過程中的溫濕度情況。通過1年多的數(shù)據(jù)采集，結(jié)果表明，溫室內(nèi)月平均溫度最高值出現(xiàn)在7月，為30.97 ℃，最低值出現(xiàn)在2月，為18.20 ℃。溫室內(nèi)月平均濕度為62.3%～77.98%，月份間沒有規(guī)律。夏季高溫是福建地區(qū)薄膜溫室種植的主要障礙，溫室內(nèi)夏季日氣溫最高值一般出現(xiàn)在13：00左右，夏季室內(nèi)日氣溫最低值出現(xiàn)在夜間，并對夏季典型條件下的溫度情況進(jìn)行分析。冬季薄膜溫室能達(dá)到一定的保溫效果，但是夜間室內(nèi)濕度可達(dá)80%左右。夏季開啟濕簾、風(fēng)機(jī)能夠使溫室內(nèi)溫度驟降、濕度驟升。試驗(yàn)結(jié)果不僅能為福建地區(qū)溫室的合理選擇和溫室內(nèi)環(huán)境因子的調(diào)控提供參考，而且可為作物的種植茬口安排提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：薄膜溫室;溫濕度采集;濕熱;分析

中圖分類號： S625.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0264-05

近年來，我國設(shè)施園藝發(fā)展迅速，截至2017年，設(shè)施園藝面積達(dá)370萬hm2，居世界首位[1]。設(shè)施大棚為作物生長提供了良好的溫濕度環(huán)境，了解溫室在實(shí)際使用過程中的溫濕度參數(shù)，可以為作物的生長提供最佳管理策略，對促進(jìn)溫室作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要的意義。

目前，科研人員為了測試溫室的性能，大多數(shù)是通過試驗(yàn)或模擬的方法對溫室內(nèi)的小氣候環(huán)境進(jìn)行分析，對溫室在實(shí)際使用過程中進(jìn)行環(huán)境記錄分析的研究還比較少，而且對北方日光溫室進(jìn)行環(huán)境分析的研究多，對南方智能溫室進(jìn)行分析的研究少。如，劉彥辰等分析了陜西關(guān)中地區(qū)3種不同跨度日光溫室的光溫環(huán)境[2];王倩等對河南省下沉式日光溫室內(nèi)溫光環(huán)境作了了分析[3];祁光斌等對河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室溫光環(huán)境進(jìn)行了分析[4];劉琮琮對新疆阿拉爾市3種日光溫室進(jìn)行環(huán)境性能測定[5];楊艷超建立了山東省日光溫室小氣候模型[6];柳芳等建立了天津市二代節(jié)能型日光溫室內(nèi)部溫濕度預(yù)測模型[7];佟國紅等利用計算流體動力學(xué)（CFD）方法模擬了日光溫室的溫度情況[8]。

本研究以福建地區(qū)使用較多的薄膜智能溫室作為研究對象，通過1年多的溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時采集、可視化顯示、數(shù)據(jù)保存等方式詳細(xì)記錄了溫室在使用過程中的溫濕度環(huán)境。不僅能為福建地區(qū)溫室的合理選擇和溫室內(nèi)環(huán)境因子的調(diào)控提供參考，而且可為作物的種植茬口安排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于福建省福州市，位于5°15′～26°39′N，118°08′～120°31′E，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長冬短，溫暖濕潤，陽光充足，雨量充沛，年平均日照時數(shù)為 1 700～1 980 h;年平均氣溫為20～25 ℃，最冷月1—2月，平均氣溫達(dá)6～10 ℃;最熱月7—8月，平均氣溫為33～37 ℃[9]。試驗(yàn)溫室為福州市晉安區(qū)埔垱村海峽農(nóng)業(yè)現(xiàn)代示范園內(nèi)1個薄膜智能溫室，采用熱浸鍍鋅骨架作主體，PEP薄膜覆蓋，溫室長43.5 m，寬25 m，檐高4.5 m，頂高6.5 m，溫室拱跨距為9.6 m。溫室內(nèi)設(shè)有內(nèi)遮陽系統(tǒng)、外風(fēng)機(jī)、頂開窗、濕簾等設(shè)備。這種新型的復(fù)合塑料溫室，充分彌補(bǔ)了日光溫室不利于在夏秋季種植、單體棚不能越冬的不足，棚內(nèi)空間大，是南方地區(qū)設(shè)施栽培最理想的塑料大棚。本溫室內(nèi)設(shè)有營養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT）栽培系統(tǒng)，常年種植水培蔬菜。

1.2 溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)時獲取溫室內(nèi)外的溫濕度數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r顯示、自動保存、遠(yuǎn)程觀測等。本研究設(shè)計了溫室溫濕度自動采集系統(tǒng)，可以采集溫室內(nèi)外的溫濕度，具有遠(yuǎn)程觀測、數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)保存與下載等功能。溫濕度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，溫濕度傳感器實(shí)時采集的數(shù)據(jù)，通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GPRS）傳輸模塊，經(jīng)Modbus協(xié)議傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)主機(jī)上，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

溫濕度采集采用百葉箱型溫濕度傳感器，RS485輸出，測量精度為±0.5 ℃。無線數(shù)據(jù)傳輸單元（GPRS DTU）采用F2114 GPRS IP MODEM，它是1種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用公用GPRS網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能。該產(chǎn)品采用高性能的工業(yè)級32位通信處理器和工業(yè)級無線模塊，以嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，同時提供RS232和RS485（或RS422）接口，可直接連接串口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸功能;低功耗設(shè)計，最低功耗下電流小于1mA;提供5路I/O（輸入/輸出），可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出、脈沖輸出、模擬量輸入、脈沖計數(shù)等功能。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（supervisory control and data acquisition，簡稱SCADA）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等功能[10-11]。

由圖2可知2017年8月16日14：45，溫室內(nèi)溫度為 36.5 ℃，室內(nèi)濕度為54.8%，室外溫度為43.8 ℃，室外濕度為36.5%。系統(tǒng)曲線圖下方說明欄能自動計算選定時間（X軸）范圍內(nèi)溫度及濕度（Y軸）的最大值、最小值、平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集間隔可自行設(shè)置。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

室內(nèi)溫濕度傳感器安裝在溫室中部，室外溫濕度傳感器安裝在溫室外空曠、無遮擋的位置。月平均溫度、濕度由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面直接設(shè)置后取得，相關(guān)趨勢圖由系統(tǒng)導(dǎo)出成Excel數(shù)據(jù)格式后，再用Excel軟件繪制而成。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室溫度情況分析

2.1.1 1整年月平均溫度分析 為體現(xiàn)不同月份溫度的差異，取2016年10月至2017年9月1整年的數(shù)據(jù)為研究對象，得出1—12月溫室內(nèi)、外月平均溫度及溫差。從表1中可以看出：溫室內(nèi)月平均溫度最高為30.97 ℃（7月份），最低為18.20 ℃（2月份）;夏季6—8月溫室內(nèi)、外月平均溫差（月平均內(nèi)溫-月平均外溫）分別為1.4、-0.99、-0.67 ℃;冬季12月至次年2月室內(nèi)外溫差分別為 2.40、3.11 、4.36 ℃。溫室大體上能達(dá)到夏季降溫、冬季保溫的效果。

2.1.2 夏季溫室內(nèi)外溫度變化情況分析 福建地區(qū)夏季（6—8月）高溫是種植的主要障礙之一，研究夏季溫室內(nèi)的溫度變化情況意義重大。通過觀察夏季溫室內(nèi)溫度變化情況，可知溫室內(nèi)夏季日氣溫最高值一般出現(xiàn)在13：00左右。在溫室正常運(yùn)行中，極端高溫條件下室內(nèi)日溫度最高可達(dá) 45.24 ℃（室外溫度最高為43.05 ℃，出現(xiàn)在2017年7月27日）。夏季室內(nèi)日氣溫最低值出現(xiàn)在夜間，這段時間內(nèi)室內(nèi)溫度基本保持恒定且接近室外溫度。

2.1.2.1 夏季晴天條件下溫度的變化情況 以2017年7月26日為例，由圖3可知，在夏季晴天天氣條件下，白天室內(nèi)溫度接近室外溫度，夜間室內(nèi)溫度比室外溫度高0～2 ℃。這是由于07：00時打開了頂開窗、側(cè)窗、濕簾及風(fēng)機(jī)，可降低室內(nèi)溫度，可是晴天太陽輻射較大，室內(nèi)溫度只能接近室外溫度，很難比室外溫度低。夜間打開了頂開窗、側(cè)窗，未開啟濕簾及風(fēng)機(jī)，室內(nèi)通風(fēng)程度低于室外，故夜間室內(nèi)溫度比室外略高一點(diǎn)。06：00—07：30間，室內(nèi)溫度有1個驟升和驟降的過程，是由于晴天天氣時06：00的太陽輻射已經(jīng)較大，濕簾、風(fēng)機(jī)還未開啟，故室內(nèi)溫度上升較快，07：00時濕簾及風(fēng)機(jī)開啟，故溫度驟降。因此，在晴天條件下，為了室內(nèi)溫度不至于過高，最好在06：00開啟風(fēng)機(jī)和濕簾降溫。

2.1.2.2 夏季多云天氣條件下溫度的日變化情況 以2017年7月22日為例，由圖4可知，在夏季多云天氣條件下，白天室內(nèi)溫度一般比室外溫度低1～7 ℃，夜間室內(nèi)溫度接近室外溫度。這是由于在多云天氣條件下，白天打開了頂開窗、側(cè)窗、濕簾及風(fēng)機(jī)。在多云天氣條件下，太陽輻射小，白天室內(nèi)溫度可略低于室外溫度。

2.1.2.3 夏季陰雨天溫度的變化情況 以2017年7月31日為例，由圖5可知，夏季陰雨天氣室內(nèi)溫度接近室外溫度，白天室內(nèi)溫度一般比室外溫度高0～2 ℃。這是由于陰雨天氣白天未開啟頂開窗和濕簾，溫室相對處于一個比較密閉的環(huán)境中，室內(nèi)溫度比室外溫度稍高一點(diǎn)。

2.1.2.4 夏季高溫悶棚條件下溫度的變化情況 高溫悶棚使溫室密閉并利用太陽的高溫，使溫室內(nèi)的溫度盡量達(dá)到最高，以達(dá)到消除病菌、殺滅蟲卵、清除雜草的目的。溫室一般每種植1～2年需高溫悶棚1次。夏季高溫時節(jié)是閑茬悶棚、預(yù)防和防治病蟲害發(fā)生的好時機(jī)。溫室于2018年6月22—26日進(jìn)行高溫悶棚。有圖6可知，室內(nèi)日溫度最高為43～61 ℃，比室外溫度高11～23 ℃。經(jīng)過連續(xù)幾天的高溫悶棚，大部分的病菌和蟲卵可被殺死。

2.1.3 冬季日溫度變化規(guī)律 通過觀察冬季室內(nèi)溫度變化情況，可知冬季溫室能達(dá)到一定的保溫效果。以2017年1月15日為例，如圖7所示，本溫室正常使用時，白天溫室內(nèi)溫度一般比室外高1～4 ℃，室內(nèi)溫度最高出現(xiàn)在12：00—13：00左右，室內(nèi)溫度最高值比室外溫度多4 ℃左右。日氣溫最低值出現(xiàn)在19：00—07：00，這段時間溫度值基本保持恒定，室內(nèi)溫度一般比室外溫度高0～1 ℃。

2.2 溫室濕度情況分析

2.2.1 1整年月平均濕度情況分析 為體現(xiàn)不同月份濕度的差異，取2016年10月至2017年9月1整年溫室內(nèi)、外濕度數(shù)據(jù)為研究對象，得出1—12月溫室內(nèi)、外月平均濕度及濕度差。如表2所示，溫室內(nèi)月平均濕度在62.30%～78.38%區(qū)間內(nèi)變化，月份間沒有變化規(guī)律。由于溫室內(nèi)配備了濕簾和風(fēng)機(jī)，可以起到調(diào)整濕度大小的作用，使?jié)穸饶軌虮３衷谥参锷L的極限范圍內(nèi)。

2.2.2 冬季濕度日變化規(guī)律 通過觀察冬季濕度的變化規(guī)律可知，溫室內(nèi)濕度變化較平穩(wěn)。如圖8所示，以2017年1月23日多云天氣為例，溫室內(nèi)夜間濕度達(dá)80%左右，白天室內(nèi)濕度基本上比室外濕度低。這是由于夜間室內(nèi)相對較密閉，故室內(nèi)濕度較大并且穩(wěn)定在80%左右，白天室內(nèi)溫度比室外高，故室內(nèi)濕度比室外低。

2.3 夏季開啟濕簾、風(fēng)機(jī)對室內(nèi)溫濕度的影響

選擇1個多云天氣，觀察濕簾、風(fēng)機(jī)對溫室內(nèi)溫、濕度的影響。以2017年8月12日為例（圖9），06：30—08：30隨著室外溫度的升高，室內(nèi)還沒有開啟濕簾、風(fēng)機(jī)等降溫設(shè)備，室內(nèi)溫度逐漸升高，室內(nèi)濕度逐漸降低。08：30開啟濕簾和風(fēng)機(jī)后，溫室內(nèi)溫度驟降，在0.5 h左右室內(nèi)溫度驟降結(jié)束，室內(nèi)溫度降低到1個較穩(wěn)定的值，一般比室外溫度低1～5 ℃。同時，濕度驟升，在0.5 h內(nèi)濕度驟升結(jié)束，溫室內(nèi)、外濕度差趨于穩(wěn)定，室內(nèi)濕度一般比室外濕度高20%～35%。在 18：00 關(guān)閉濕簾和風(fēng)機(jī)，溫室內(nèi)溫度驟升，室內(nèi)濕度驟降，在 1 h 后，室內(nèi)溫、濕度和室外溫、濕度接近，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論與建議

通過1年多的數(shù)據(jù)采集，結(jié)果表明：（1）溫室內(nèi)月平均溫度最高值出現(xiàn)在7月，為30.97 ℃，最低值出現(xiàn)在2月，為 18.20 ℃。溫室內(nèi)月平均濕度為62.3%～78.38%，月份間沒有規(guī)律。（2）薄膜溫室的熱濕環(huán)境大多數(shù)情況下能夠適宜植物的生長，但是仍然存在夏季白天溫度偏高的問題。試驗(yàn)溫室內(nèi)夏季月平均氣溫為28.67～30.97 ℃，日氣溫最高值一般出現(xiàn)在13：00左右，最低值出現(xiàn)在19：00—06：30，這段時間內(nèi)室內(nèi)溫度基本保持恒定且接近室外溫度。（3）在夏季晴天天氣條件下，白天室內(nèi)溫度接近室外溫度，夜間室內(nèi)溫度比室外溫度高0～2 ℃。在夏季多云天氣條件下，白天室內(nèi)溫度一般比室外溫度低1～7 ℃，夜間室內(nèi)溫度接近室外溫度。夏季陰雨天氣室內(nèi)溫度接近室外溫度，夜間室內(nèi)溫度一般比室外溫度高0～2 ℃。在夏季高溫悶棚情況下，室內(nèi)溫度最高為 43～61 ℃，比室外溫度高11～23 ℃。（4）夏季開啟濕簾和風(fēng)機(jī)，能夠使溫室內(nèi)溫度驟降，在0.5 h左右溫室內(nèi)溫度驟降結(jié)束，室內(nèi)溫度降低到一個較穩(wěn)定的值，一般比室外溫度低 1～5 ℃。同時，濕度驟升，在0.5 h左右濕度驟升結(jié)束，溫室內(nèi)、外濕度差趨于穩(wěn)定，室內(nèi)濕度一般比室外濕度高20%～35%。（5）冬季溫室內(nèi)濕度變化較平穩(wěn)。以2017年1月23日多云天氣為例，溫室內(nèi)夜間濕度達(dá)80%左右，白天室內(nèi)濕度基本上比室外濕度低。

綜上所述，筆者建議薄膜智能溫室大體上能達(dá)到夏季降溫、冬季保溫的效果，但是仍存在夏季高溫的問題。因此，福建薄膜智能溫室仍要選用耐熱的品種，并以選用濕簾和風(fēng)機(jī)搭配來起到降溫排濕的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]新華社. 我國設(shè)施園藝面積達(dá)370萬公頃居世界首位[EB/OL]. （2017-08-21）[2018-11-30]. http：//www.xinhuanet.com//2017-08/21/c_1121517077.htm.

[2]劉彥辰，鄒志榮，胡曉輝，等. 陜西關(guān)中地區(qū)不同跨度日光溫室光溫環(huán)境分析[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，41（2）：108-116.

[3]王 倩，張海濤，劉 旭，等. 下沉式日光溫室內(nèi)溫光環(huán)境分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2013，34（1）：37-42.

[4]祁光斌，頡建明，郁繼華，等. 河西走廊GN-N10B型石墻鋼架日光溫室溫光環(huán)境分析[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，51（1）：84-89.

[5]劉琮琮. 阿拉爾市三種日光溫室的環(huán)境性能測定分析[D]. 新疆：塔里木大學(xué)，2016.

[6]楊艷超. 山東省日光溫室小氣候條件模擬研究[D]. 南京：南京信息工程大學(xué)，2009.

[7]柳 芳，王 鐵，劉淑梅. 天津市二代節(jié)能型日光溫室內(nèi)部溫濕度預(yù)測模型——以西青為例[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2009，30（增刊1）：86-89.

[8]佟國紅，李保明，Christopher D M，等. 用CFD方法模擬日光溫室溫度環(huán)境初探[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（7）：178-185.

[9]百度百科. 福州[EB/OL]. （2018-12-18）[2018-12-22]. https：//baike.baidu.com/item/%E7%A6%8F%E5%B7%9E/165311.

[10]馮 波. 變電站SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與開發(fā)[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

[11]楊麗麗，吳春輝，張大衛(wèi)，等. 基于聚類分析的農(nóng)業(yè)SCADA服務(wù)器預(yù)警閾值提取方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33（增刊1）：293-299.

收稿日期：2019-01-30

基金項目：福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊（編號：STIT2017-2-12）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)科技服務(wù)團(tuán)隊（編號：kjfw22）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院管A類項目（編號：A2017-36）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院一般項目（編號：A2018-1）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院三農(nóng)業(yè)一融合項目（編號：A2017-33）;福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院自由探索項目（編號：AA2018-26、ZYTS2019029）。

作者簡介：黃語燕（1987—），女，福建福州人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動化研究。E-mail：644621043@qq.com。

通信作者：陳永快，碩士，助理，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)研究。E-mail：86467897@qq.com。