中国日光温室早冬东西向与南北向番茄垄向布局的热响应对比研究

《Agriculture》：Early-Winter Thermal Responses of East–West and North–South Tomato Ridge Layouts in a Chinese Solar Greenhouse

　　

这项探索性研究比较了2025年11月22日至12月3日期间，同一座中国日光温室（Chinese solar greenhouse，CSG）内东西向（east-west，E-W）与南北向（north-south，N-S）番茄垄块在早冬季节的热状况。两个垄块之间以薄膜隔断分隔。研究人员测量了冠层空气、土壤表面、塑料薄膜、北墙和后坡温度，并使用瞬态计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）解读空间格局。平均冠层空气温度分别为15.34 °C（E-W）和15.22 °C（N-S），而平均土壤表面温度分别为14.43 °C和13.31 °C。在一个代表性阴天，N-S垄块白天土壤表面温度低2.48 °C。CFD模型再现了两个代表性日期的大致表面温度周期；冠层空气比较仅限于晴天12:30至21:00时段。在所测试的运行条件下，与垄向相关的差异在土壤表面比平均冠层空气中更为明显。由于该比较涉及同一温室内两个未重复的垄块，且未包含作物响应测量，因此这些发现应被解释为探索性的热关联，而非任一垄向具有普遍因果或农艺优势的证据。

中国北方冬季蔬菜生产依赖于能够在较大昼夜温差下维持适宜作物环境的保护设施。中国日光温室（Chinese solar greenhouse，CSG）以朝南透明覆盖层、厚重北墙和可移动夜间保温被实现冬季生产，其性能取决于太阳能如何进入温室、热量如何在土壤与墙体中储存以及昼夜如何释放。温室微气候具有空间异质性，短波辐射、长波交换、土壤与围护结构导热、通风和冠层蒸腾共同形成局部温度梯度，仅用冠层空气平均温度会掩盖暴露与遮阴位置的差异。垄向是影响行间遮阴时机和分布的实际因素，东西向（east-west，E-W）与南北向（north-south，N-S）垄对太阳辐射接收、围护表面热交换及操作空间产生不同影响。虽然已有CFD研究考察番茄行向对日光温室微气候的影响，但鲜有研究在相同室外强迫条件下，结合分布式温度测量与空间分辨CFD直接对比两种垄向布局，也不清楚垄向差异主要表现于冠层空气还是土壤及围护表面，以及晴阴天条件下如何变化。

为此，研究人员于2025年11月22日至12月3日在沈阳农业大学后山试验基地48号温室开展探索性运行案例研究，以薄膜隔断在同一座温室内分隔E-W与N-S番茄垄块，结合5类温度变量的连续测量、太阳几何计算和瞬态CFD模拟，考察热差异的空间组织。得出主要结论：E-W与N-S块平均冠层空气温度分别为15.34和15.22 °C，平均土壤表面温度分别为14.43和13.31 °C；垄向热对比在土壤表面比冠层空气更明显，阴天N-S块白天土壤表面温度低2.48 °C。研究意义在于揭示垄向热效应主要作用于蓄热表面而非冠层空气，为冬季垄向选择提供探索性热环境依据，但结果属探索性热关联，需重复试验验证，不能外推为农艺优势。

关键技术方法：(1)分布式温度监测，使用testo 174H温湿度记录仪测量室外及冠层空气温度，testo 176T4温度记录仪配外置探头测量土壤表面、塑料薄膜、北墙/后坡表面温度；(2)太阳几何计算，由站点坐标（41.8° N，123.6° E）按标准天文公式计算太阳高度角、方位角及潜在遮蔽长度；(3)瞬态CFD模拟，使用ANSYS Fluent 2023 R1建立含塑料覆盖层、北墙、后坡、1.0 m土壤层、简化番茄冠层和薄膜隔断的三维模型，采用标准k-ε湍流模型、太阳射线追踪和离散坐标辐射模型求解；(4)统计评估，以均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、平均偏差和决定系数（R²）对比模拟值与实测值。样本来源为沈阳农业大学后山试验基地48号温室两个未重复垄块。

研究结果：

*3.1 观测期总体温度变化*：基于12天连续观测，E-W与N-S冠层空气平均温差仅0.12 °C，而平均土壤表面温差达1.12 °C，表明垄向热差异在土壤表面比冠层空气更明显。

*3.2 代表性响应日选择*：根据逐日温度模式选出11月28日为晴天响应日（室外日较差15.50 °C，室内表面和冠层空气强烈升温）和11月30日为阴天响应日（室外日较差11.00 °C但室内增温很弱）。

*3.3 晴天响应日温度响应*：两垄向冠层空气日平均温度分别为16.53和16.44 °C，差异很小；E-W块土壤表面白天均值19.79 °C，高于N-S块的18.61 °C；N-S块塑料薄膜白天均值22.79 °C，高于E-W块的19.40 °C；N-S北墙白天更暖，E-W后坡略暖。

*3.4 阴天响应日温度响应*：两垄向冠层空气日平均温度均为13.03 °C，几乎无差异；但E-W块土壤表面白天均值10.23 °C，比N-S块的7.75 °C高2.48 °C，表明弱太阳强迫下N-S土壤表面更冷。

*3.5 冠层空气温度空间均匀性*：通过薄膜侧、中部、北墙侧3个传感器计算空间范围，晴天白天平均空间范围E-W为1.76 °C、N-S为1.73 °C，阴天分别降至0.53和0.31 °C，说明阴天冠层空气更均匀。

*3.6 土壤表面、塑料薄膜及蓄热结构温度*：晴天E-W土壤表面更暖而N-S薄膜温度更高；阴天E-W土壤表面优势增大且N-S薄膜优势消失，墙体温度在阴天两垄向相近。

*3.8–3.10 CFD对比与时变温度场*：CFD在两天均再现了土壤表面、北墙和后坡温度的大致周期；晴天土壤表面RMSE在E-W和N-S块分别为1.56和2.97 °C，阴天表面RMSE为0.46–0.94 °C但E-W土壤R²为?0.33；晴天6个冠层空气位置12:30–21:00对比总体RMSE为1.52 °C、MAE为1.36 °C。CFD时变温度场显示日出后E-W与N-S块表面梯度差异增大，格局与太阳暴露和行遮阴分布一致。

*3.11 CFD对垄向格局的解读*：模拟的土壤、薄膜和冠层表面温差大于作物区空气温差，与测量一致；点级偏差可能源于材料光学和热物性假设（薄膜老化、灰尘、湿度、表面纹理）与现场不符，以及未同步记录通风率、风速和相对湿度。

讨论要点：土壤表面与冠层空气响应的分离符合日光温室土壤和围护结构的热惯性规律；11月28日与30日太阳高度角曲线几乎相同但热响应差异很大，说明太阳几何不能单独解释日间差异，需直接测量太阳辐射以分离云量和大气透过率的影响；管理决策需在热环境与操作空间之间平衡；CFD用于空间解释而非精确点预测，固定空气密度忽略了浮力驱动对流；研究局限包括单温室未重复、垄长不同、未测辐射/风/湿度、未测作物响应。结论翻译：12天观测期内，E-W与N-S块平均冠层空气温度分别为15.34和15.22 °C，平均土壤表面温度分别为14.43和13.31 °C，观测热差异反映单个温室内两个垄块的具体运行配置，不应解释为垄向的普遍或孤立因果效应；最大垄间差异出现在土壤表面而非冠层空气，阴天N-S块白天土壤表面温度低2.48 °C；两个代表日太阳高度角曲线几乎相同但热响应不同，因未测辐射无法分离云量、大气透过率和蓄热贡献；CFD再现了大致时间模式但点级一致性有限，不能视为独立验证或精确预测；E-W块土壤表面更暖，但作物生长、根系活性、生理响应和产量均未测量，农艺意义未定；未来需在多个温室或季节中开展独立重复垄块试验，并直接测量太阳辐射、气流、根区温度和作物响应。