1問題的提出

我國北方地區(qū)冬季嚴(yán)寒而漫長，在農(nóng)作物無法生長的冬春寒冷季節(jié)，以往主要靠貯藏來解決冬季的蔬菜供應(yīng)。改革開放以來，我國冬季大棚蔬菜生產(chǎn)有了飛速的發(fā)展，各地政府都十分重視“菜籃子”工程建設(shè)，大力發(fā)展大棚蔬菜生產(chǎn)。北方各省市通過興建各類溫室大棚，解決了部分冬春寒冷季節(jié)的蔬菜消費問題。然而，大多數(shù)蔬菜產(chǎn)品還是從南方通過長途運輸來解決。隨著人民群眾生活水平的不斷提高，每年冬季北方地區(qū)從南方調(diào)運的蔬菜數(shù)量甚大，耗費也極為可觀。以自治區(qū)首府烏魯木齊為例，每年有70%以上的蔬菜是靠外地供應(yīng)的。這些長途調(diào)運的蔬菜產(chǎn)品，不僅在品質(zhì)上受到一定影響，而且價格也比較高。

為解決冬季蔬菜北運問題，盡管新疆已興建了幾十萬畝的溫室，然而，新疆地區(qū)蔬菜產(chǎn)品僅僅占冬季市場5%左右的消費量。其原因分析為，主要是由于冬季氣候寒冷，陽光不足，設(shè)施園藝生產(chǎn)受到很大的限制。其中，土壤溫度較低的問題一直未能得到有效解決。無論是日光溫室、還是傳統(tǒng)的加溫溫室，土壤溫度是通過提高室溫之后，間接地來提高地溫的，因此土壤溫度速度緩慢，熱效率較低。即使在新疆逆溫帶山區(qū)的冬季溫室，多數(shù)也只能生長葉菜類蔬菜，生產(chǎn)果菜還必須提高土壤溫度才能實現(xiàn)。

本文作者借鑒國外技術(shù)，并經(jīng)過吸收消化，廣泛調(diào)研，和征求有關(guān)專家的意見，大膽地將地面供暖技術(shù)應(yīng)用到設(shè)施園藝中，并通過提高地溫技術(shù)，在嚴(yán)寒冬季里進(jìn)行果類及蔬菜類生產(chǎn)，取得意想不到的良好結(jié)果，在嚴(yán)寒的北方，為解決冬季大棚生產(chǎn)爪果及蔬菜技術(shù)，積累了成功的經(jīng)驗。

2應(yīng)用地面供暖技術(shù)解決的主要問題

我們從2002年起，作者分別在新疆自冶區(qū)某地進(jìn)行現(xiàn)代大棚蔬菜地面供暖試驗。試驗結(jié)果表明，將地面供暖技術(shù)應(yīng)用到溫室的反季節(jié)蔬菜生產(chǎn)中，在技術(shù)上需解決以下幾個問題。

2·1.切實有效地提高土壤溫度，確保果菜類蔬菜生產(chǎn)條件。

在沒有實施該項技術(shù)之前，按照傳統(tǒng)的做法是，大棚內(nèi)的室溫是通過太陽光加熱、再利用火爐或散熱器等熱源補充熱量將棚內(nèi)加溫，雖然采取以上措施，也只能使溫室內(nèi)氣溫白天達(dá)到12℃左右（陰天），夜間6℃左右，棚內(nèi)土壤溫度（10～20cm）一般只有9℃左右，棚內(nèi)在這樣的環(huán)境溫度下，僅能滿足一些葉菜類的生長需要，無法達(dá)到果菜類蔬菜正常生長發(fā)育的溫度要求；另外逆溫帶的溫室都在山區(qū)，冬季灌溉水溫一般只有4℃左右，因此澆水后室內(nèi)地溫過低的問題，已成為制約冬季果菜類蔬菜生長的瓶頸。

2·2分析大棚溫室內(nèi)地溫不均勻之原因，彌補其缺陷。

由于溫室中栽培床土壤的位置和接受陽光角度的不同，吸收太陽熱量存在差異。而且，南側(cè)散熱量較大。于是，溫室的地溫呈現(xiàn)出非均勻性的分布：一般是南面較低，北面較高。為此，必須采取有效的技術(shù)措施，才使溫室的地溫達(dá)到比較均勻的程度，以保證溫室內(nèi)的蔬菜作物生長發(fā)育相對一致。暖通吧真人網(wǎng)HVAC8.com

2·3創(chuàng)造各種作物根系需要的適宜地溫。

由于各種作物的根系深度和對氣溫及土壤溫度的要求是不同的。從《蔬菜作物主要根群深度及溫度要求表》可以看出，只有人工創(chuàng)造各類作物生長發(fā)育所需要的溫度條件，才能滿足各種果菜類蔬菜作物的正常生長發(fā)育。

說明: 以上資料引自《中國農(nóng)業(yè)百科全書·蔬菜卷》（1989）數(shù)字下有橫線者引自全國高等農(nóng)業(yè)院校教材《蔬菜栽培學(xué)各論》（北方本1987）

3主要技術(shù)措施及技術(shù)指標(biāo)

3·1技術(shù)措施

我們將地面加溫系統(tǒng)最核心的材料PEX交聯(lián)管作為加熱盤管，按科學(xué)的設(shè)計要求，以一定的埋地深度及管間距，鋪設(shè)在日光溫室栽培床耕作層的土壤中。通過循環(huán)系統(tǒng)使溫水在加熱盤管中流動，將熱量以輻射方式傳遞，達(dá)到對土壤加溫的目的。

為了解決日光溫室內(nèi)土壤溫度不均勻的現(xiàn)象，我們通過對日光溫室熱損失平衡計算，其結(jié)果是適當(dāng)增加地面散熱量較大南側(cè)加熱盤管的密度，以其彌補熱損耗。同時，在栽培床四周安裝保溫層，減少熱量散失。我們采用容重為18公斤、厚30mm、高50mm～60mm聚苯乙烯板，接口處用防水膠帶粘接，以減少冷空氣的滲透。

在供暖系統(tǒng)設(shè)計中，管理間安裝一定規(guī)格的鍋爐，在室內(nèi)安置可觀察或可調(diào)控的設(shè)備，如溫度計、調(diào)節(jié)閥及混水裝置，通過調(diào)節(jié)供水溫度及流量，達(dá)到控制土壤溫度的目的。

3·2各項技術(shù)指標(biāo)比較

3·2·1通過以上技術(shù)措施，在特定的設(shè)施范圍內(nèi)，為各類作物創(chuàng)造一個較適宜的生長發(fā)育環(huán)境，促使作物生長健壯，從而實現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。采用地暖管材增溫技術(shù)后，通過實測得知，在冬季氣溫條件下，日光溫室栽培床土層厚度0～20cm深的土壤溫度可達(dá)到16～24℃，平均高出傳統(tǒng)供暖方式（火爐、散熱器）4～8℃。而且，在不同時間及室內(nèi)不同地點，室溫及地溫的變化相對較小，室溫和地溫溫差較平穩(wěn)，不但有利于各類園藝作物的生長，而且對能效損失較少。

3·2·2地面供暖增溫技術(shù)采用鍋爐加熱循環(huán)水，提高了鍋爐的熱效率。據(jù)實地測算，首先采用鍋爐及地暖盤管系統(tǒng)供熱比火爐供暖方式可節(jié)約煤炭25%左右，另外對碎煤或劣質(zhì)煤利用價值更高，其次地面供暖增溫不僅僅局限于以煤炭作為熱媒，而選擇更為廣泛的天然氣、太陽能、地?zé)?、電能及沼氣作為熱媒。特別是新疆的畜牧業(yè)比較發(fā)達(dá)，可以利用牲畜的糞便產(chǎn)生沼氣，以沼氣為能源來取暖，廢液和沼氣池渣都是高質(zhì)量的有機肥料。

3·2·3實踐證實，采用地面供暖增溫技術(shù)后，可明顯提高蔬菜作物產(chǎn)量。例如溫室黃瓜產(chǎn)量可提高33.95%，經(jīng)濟(jì)效益提高40.53%。雙孢蘑菇平均增產(chǎn)3.2噸/畝，直接增收達(dá)2萬元/畝，經(jīng)濟(jì)效益增加40%以上。櫻桃、番茄產(chǎn)值平均達(dá)到11000元/畝，突破了高寒地區(qū)冬季不適于種植果菜類的常規(guī)。

3·2·4采用地面供暖增溫技術(shù)后，由于土壤溫度有了保證，大大促進(jìn)各種作物根系的發(fā)育，從而吸收足夠的養(yǎng)分，促使植株生長健壯，抗病能力增強，養(yǎng)分積累增多，最終其結(jié)果是提高了產(chǎn)量，促進(jìn)了產(chǎn)品成熟期提前。通過幾年試驗結(jié)果證明，和普通溫室相比，采用地面供暖增溫的水果、黃瓜采收期提前了5～7天；櫻桃提前了20天；番茄提前了42天；雙孢蘑菇提前了20天?？梢姡孛婀┡鰷氐男б媸菢O為明顯的。2005年春季，庫爾勒市菜籃子辦公室就此召開現(xiàn)場會，一些種植戶看到明顯成效后，主動要求應(yīng)用地面供暖增溫技術(shù)。

此外，采用地面供暖增溫技術(shù)后，由于土壤溫度的提高，促進(jìn)了硝化細(xì)菌的活性，提高了速效N、P、K養(yǎng)分的分解，增加了土壤肥力。

4技術(shù)關(guān)鍵、難點及創(chuàng)新性

在溫室內(nèi)推廣地面供暖增溫技術(shù)，由于傳熱介質(zhì)和滿足傳統(tǒng)室內(nèi)采暖目的不同，不是把建筑業(yè)的地面供暖技術(shù)在設(shè)施園藝中的簡單移植，其科技含金量要高于建筑業(yè)的地面供暖技術(shù)。

建筑業(yè)的地面供暖系統(tǒng)是將加熱盤管埋設(shè)于地板之下，地表面?zhèn)鳠峤橘|(zhì)多為砼、面磚、大理石、實木復(fù)合地板等，一旦施工和建成后，地表面不會發(fā)生其它變化，它的傳熱系數(shù)是相對穩(wěn)定的，有相應(yīng)的規(guī)范及成熟的計算公式，在設(shè)計時據(jù)計算公式選擇類同材料的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算即可。

4·1技術(shù)關(guān)鍵要點

日光溫室中應(yīng)用地面供暖增溫技術(shù)，是作為一種補充供熱的方式，它的主要熱量來自廉價的太陽能，而溫室的吸熱性能又與結(jié)構(gòu)、材料、朝向和保溫措施有密切聯(lián)系。況且，我們將加熱盤管埋入土壤中，土壤就是傳熱介質(zhì)。由于傳熱介質(zhì)不同于工程建設(shè)的地板，不能簡單地套用建筑工程的計算方法，而要充分考慮栽培各類作物生長機理及傳熱介質(zhì)土壤的物理特性。影響土壤傳熱性能的最主要因素有土壤導(dǎo)熱率、土壤的熱容量及土壤的熱擴(kuò)散率等幾方面的因素。

土壤的導(dǎo)熱率：土壤吸收熱量后，一部分用于它本身的升溫，一部分則傳送給其鄰近土層。土壤具有吸收、輻射、傳導(dǎo)熱量到鄰近土層的功能，應(yīng)稱為導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性的大小由導(dǎo)熱率來表示。在單位土層厚度（1cm）、溫差為1℃時，每秒經(jīng)單位斷面（1cm2）通過的熱量焦耳數(shù)（λ），其表示單位是j/㎝2·S·℃。當(dāng)熱量的傳導(dǎo)由高溫處傳至低溫處時，設(shè)土壤或其它物質(zhì)兩端的溫度為t1、t2，土壤的厚度為d，在一定時間內(nèi)（T）流動的熱量為Q。則一定時間內(nèi)單位面積上流動的熱量為Q/A·T。兩端間的溫度梯度為t1-t2/d，故導(dǎo)熱率λ定義為：

單位體積內(nèi)土壤的組成比例為土壤礦物質(zhì)40～60%，水和空氣的比例為40～60%。

土壤的熱容量：是指單位質(zhì)量（重量）或容積每升高（或降低）1℃所需要（或放出）的熱量，一般用C來代表質(zhì)量（重量）熱容量，Cv代表容積熱容量。

土壤空氣的熱容量很小,故

Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw。

土壤的熱擴(kuò)散率：是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，在上層垂直方向上每厘米距離內(nèi)，1℃的溫度梯度下，每秒流入1㎝2土壤斷面的熱量，使單位體積（㎝3）土壤所發(fā)生的溫度變化。

土壤補充熱量的計算，要充分考慮傳熱介質(zhì)土壤的熱物理特性以及加熱管的埋深、供水溫度和作物的生物學(xué)特征，綜合進(jìn)行考慮。由于土壤是一個可變的介質(zhì)，土壤中的水、空氣是動態(tài)因子，不斷發(fā)生變化，因而所計算出的補充熱量也應(yīng)該是一種動態(tài)，不像工程建設(shè)中的熱耗相對穩(wěn)定，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

需要補充的總熱量Q總=Q·104·A（栽培床面積）

由于不同作物對土壤溫度要求不同，依據(jù)上述公式中t1-t2/d可知，只要調(diào)整土壤兩端的溫度梯度，就可以算出應(yīng)補充的熱量。當(dāng)土壤表層溫度t2變化時，土壤底層t1應(yīng)發(fā)生變化。由此可知，在地暖加熱管埋入的深度不變時，通過調(diào)整供水溫度或水流量，即可達(dá)到調(diào)整土壤溫度的目的。

4·2技術(shù)難點

日光溫室補充供暖的目的，是要給作物生長創(chuàng)造一個良好的生長環(huán)境，最終獲得好的收益。但是，由于不同作物或同一作物在不同生長發(fā)育階段對溫度（氣溫、地溫）、水分及養(yǎng)分要求不同，必須隨時進(jìn)行調(diào)整。這就給供暖系統(tǒng)的運行帶來許多麻煩，如在系統(tǒng)中增加調(diào)控設(shè)備則費用太高，目前只能通過人為觀察來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4·3創(chuàng)新性

將地面供暖技術(shù)應(yīng)用到設(shè)施園藝中去，新疆地區(qū)是首創(chuàng)，根據(jù)新疆地區(qū)的氣候特點、土壤結(jié)構(gòu)、溫室結(jié)構(gòu)及栽培技術(shù)，首先提出了日光溫室補充熱量的計算方法及地溫調(diào)節(jié)途徑。從而解決了長期以來困繞新疆冬季果菜生產(chǎn)的地溫偏低技術(shù)難點。不僅有效解決了冬季居民吃菜難的問題，而且可以增加菜農(nóng)經(jīng)濟(jì)收入，扶持農(nóng)民脫貧致富起到了積極的作用。

5效益分析

任何一項新技術(shù)的應(yīng)用，其目的在于獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，否則就完全失去推廣應(yīng)用的價值。

5·1經(jīng)濟(jì)效益：

幾年來通過對試驗溫室的實際測算，與傳統(tǒng)供熱方式（火爐供熱）相比，年純收入幾乎可收回地暖管材增溫的全部投資。項目的效益系數(shù)（靜態(tài)下）E為0.96，項目的效益費用比R值為10.29，項目的內(nèi)部回收率（內(nèi)部報酬率）為95.8%。

5·2社會效益：

日光溫室采用地暖管材增溫技術(shù)后，既可提高能源的供熱效率，降低能耗，勞動量投入較少，勞動強度大大降低，同時也使能源多樣化，對缺少燃料的地方，尤其是一般農(nóng)牧區(qū)都可廣泛應(yīng)用。

在寒冷的北方地區(qū)，在推廣地暖管材增溫技術(shù)后，可大量進(jìn)行反季節(jié)果菜類、花卉、西甜瓜和水果生產(chǎn)，可為市場提供更多品質(zhì)優(yōu)良的地產(chǎn)鮮菜及各類農(nóng)產(chǎn)品，即可滿足市場的需求，同時增加了菜農(nóng)的收入，從而開辟了一條新的發(fā)展設(shè)施園藝使農(nóng)民致富的道路。

采用地面供暖增溫技術(shù)后，溫室內(nèi)再不會因生火爐而帶來煙霧彌漫、煤灰飛揚的現(xiàn)象，溫室的空氣質(zhì)量大大得到改善和凈化，從而提高了溫室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量，這對改善溫室管理人員的工作環(huán)境促進(jìn)人們的身體健康和提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量都是十分有利的。同時，該項新技術(shù)也為溫室作物更好生長創(chuàng)造了一個優(yōu)良的環(huán)境，可提高太陽的光照強度，更有利于作物的光合作用。