1. 引言
“十四五”规划纲要提出，要“积极发展设施农业”。新疆地处祖国西北边陲，气候干旱，降雨较少且昼夜温差较大，一年中可实现露地农业种植的时间较短，而作为新疆菜篮子的设施农业成为新疆极其重要的农业发展方式，在未来具有十分广阔的持续发展前景 [1] 。日光温室作为我国独有的温室结构，以其低廉的造价成本、独特的节能效果和跨季节生产优势，在北方较寒冷地区应用非常广泛 [2] [3] 。日光温室在白天通过后墙墙体和地面土壤等介质吸收太阳辐射能，夜间温度下降后释放热量以维持温室内作物正常生长需要 [4] ，因此，研究温室内的环境温度分布情况及其变化规律，对日光温室加温和通风设计、优化环境调控技术与装备等具有很强的参考意义。
通过文献分析，前人多在不同温室结构的热环境开展数学建模和CFD分析，而对温室内处于不同位置和不同工况下的温度分布规律研究较少 [5] [6] [7] 。因此，本文开展高海拔地区日光温室24小时昼夜温度分布及变化规律研究，对于提高乌恰县日光温室环境调控方式和温室结构优化等具有重要意义。
2. 材料与方法
2.1. 试验温室
试验所采用的日光温室位于克州乌恰县戈壁设施产业园种植作物为番茄，乌恰县属温带干旱气候区，属于高海拔地区，年平均气温7.3℃，极端最高气温34.7℃，极端最低气温−29.9℃。试验温室为东西走向，长60米，跨度7.4米，承重围护结构为梯形戈壁石 + 外层石土墙，温室下内地面下挖0.5米，其结构如图1所示。
2.2. 测试方法及数据选择
为更好地研究温室内对温度分布规律，在温室内沿东西方向均匀布置了6组温度测点，由温室西侧(温室入口处)至东侧依次编号为sensor1~sensor6，每组监测点在温室南北方向各布置10个温度测点，组温度测点分布如图1。每组温度测试点分布在温室距地面0.5米处及以上，测试点上下点之间间隔0.9米，S1测点靠近温室底脚，S2、S3测点距离S1测点1.4米，S4~S6测点距离S2、S3测点1.8米，S7~S10测点距离S4~S6测点1.8米、距离北墙体1.5米。试验中采用DS18B20温度传感器，数据采集器为自主开发的数据采集装置，设置的最大数据采集通道为30个，自动进行数据采集和记录。在试验开始前期需要对传感器进行一一校准、做好各传感器序号标记、设定采集周期等，正式采集前做好稳定性测试试验，确保测试数据的准确性和数据同步，数据采集间隔时间为30 min。根据乌恰县天气情况，选择在2021年9月27~29日进行测试，测试时间当地为晴好天气，温室通风时间为一般为上午10:00~19:00。
Figure 1. Greenhouse structure and diagram of sensor node distribution
图1. 温室结构及传感器节点分布图
3. 结果与分析
3.1. 作物根部以上0.5米处温度分布及变化规律
根据测试数据，选取24小时内从温室西侧(靠近温室进口位置)、温室中部及东侧(靠里)依次为1~6组的温度数据，分析距离地面0.5米处同一水平线的温度数据，温度分布如图2所示。
Figure 2. Temperature variation curve above 50 cm on ground
图2. 距地面0.5米处温度变化曲线
从图2温度变化曲线可以看出，温室内的温度变化基本与外界温度变化情况一致，上午9点30左右太阳升起后，随着太阳辐射的增强，温室内气温开始迅速升高，11时30分温室内温度达到20℃以上，12时~16时太阳辐射强度最强，13时温室内温度超过25℃，在13时30分~17时30分温度迅速升高至30℃以上。6组测试点的温度变化略有不同，其中，第1、3、4、6组数据变化曲线一致，温差不大，而第2、5组的数据变化差异较大。第2组温度从温室底脚处最低，从底脚处至温室北墙体温度依次升高；第5组数据温室底脚处两个测点温度较低，而温室中部和靠近北墙体两个温度数据较高。这种温度差异在12时~18时温度高点较为明显。
3.2. 温室顶部温度分布及变化规律
根据测试数据，选取24小时内从温室西侧(靠近温室进口位置)、温室中部及东侧(靠里)依次为1~6组的温度数据，分析温室顶端靠近棚膜处的温度数据，温度分布如图3所示。
图3为温室顶部(靠近温室棚膜)的六组温度测试点全天温度变化曲线，综合分析，第2、3、4、5组测试点的全天的温度变化及各点的变化趋势较为接近，从温室底脚(1号传感器)至温室北墙面(10号传感器)顶部温度依次升高，其中第2、5组的测试温度在13时~19时温室底脚处(1号传感器)温度相对较低，其他位置温度较为接近；第1组(靠近温室入口处)的温度数据靠近北墙体处(10号传感器)全天温度最高，温室底脚处(1号传感器)温度次之，而温室中部布置的第3、6号传感器温度数据相对较低；第6组测试点13时~19时3号传感器测得温度较高，靠近温室底脚处(1号传感器)温度相对较低。
Figure 3. Temperature variation curve on top greenhouse
图3. 温室顶部温度变化曲线
3.3. 温室南北中心位置处温度变化
对温室南北方向和高度处于中心位置对5号传感器测得的数据进行分析，温度变化曲线如图4所示。由温度分布变化曲线可以看出，位于温室东侧(第6组传感器)的温度夜间较低，白天温度处于平均水平，而靠近温室入口处的第1组传感器测得的温度24小时内均处于较高的水平，处于中部的第4组数据夜间温度较高，白天温度处于相对较低的水平，第5组数据夜间温度处于平均水平，白天温度处于较低水平。
Figure 4. Temperature variation curve in the width middle of greenhouse
图4. 温室顶部温度变化曲线
番茄在不同生理期所需的适宜温度有所不同，查阅文献资料，得知番茄各生育期的三基点温度 [8] 如表1所示。
Table 1. Three basis point temperature of tomato in each growth period
表1. 番茄各生育时期三基点温度
4. 结论
通过对温室内6组传感器测得的数据进行温室顶部靠近棚膜处、处于同一水平线位置及南北中间同一高度和宽度位置等多处数据进行对比和曲线分析，得到不同位置的温度变化曲线，得出以下结论：
1) 全天20℃以上温度时间段为11:30~20:00，30℃以上温度时间段为13:30~17:30，部分点位处温度上升较快，时间范围可往前或往后扩展半小时，全天高温时间较长，温度高于30℃时间为4小时左右，此段时间温度超出番茄适宜生长温度，不利于番茄的快速生长和果实发育成熟，此时应加强温室内通风，及时降低温度，以免影响番茄正常生长发育。
2) 全天23:00~10:30期间，温室内温度基本降至15℃及以下，已不利于番茄正常生长，要提前做好相应保温措施减缓温度下降速度，另外，果实着色对温度要求较严格，在19℃~24℃有利于茄红素的形成，高于30℃着色缓慢，因此，提前关闭通风设施和做好保温被覆盖等保温措施，减少温室内热量散失等，有利于番茄着色和快速生长。
3) 温室内部分点位出现温度频繁上下浮动的现象，分析原因，靠近通风口位置的传感器受外界环境影响较大，采集数据会有短暂的波动，为保证温室内温度分布的均匀性，后期开展温室结构改进中要根据气流场分布和流动情况，对温室的通风口设计及通风方式做进一步优化。
基金项目
自治区青年基金项目(2019D01B31)。