春秋分日保温被顶卷对南北向大棚内光照影响的模拟*

范艺然，刘 焕，闫征南，李晓野，杨延杰

（青岛农业大学园艺学院，青岛 266109）

塑料大棚是设施园艺里应用面积最大、适应地区最广、造价最低的设施形式[1]。其造价低和建成快等优点能满足蔬菜提早或延迟栽培等种植需求。近年来新型建棚材料的研发及推广使用，使塑料大棚得到了较快发展[2]。东西走向塑料大棚的保温覆盖物对棚内遮光环境影响与日光温室相类似，保温被卷起时长期存放在温室大棚顶部，影响到温室大棚后屋面和后墙的采光和温度[3]，但对于棚内作物生长区无光照影响。而南北走向塑料大棚无后坡和后屋面，在春秋冬季生产中，保温被在白天卷起后滞留在棚室顶部，会遮挡部分太阳直射光进入棚内，所形成的遮光体在棚室内形成移动的遮光阴影带[4]，影响了大棚内作物光环境。虽有专家学者提出了该问题，但目前针对该现象在棚内产生的遮光影响还未进行深入研究。董晓星等[5]试验表明白天大棚顶卷被在棚内存在一条2.0～3.5m 宽的移动阴影带，而受太阳运行规律和太阳高度角的变化影响，阴影带位置及宽度随时间和季节的变化而变化。为深入探究保温被遮光阴影带在棚内产生的直射光遮光影响，本研究选取塑料大棚内部中点处做竖向截面，通过探究春秋分时太阳视运动轨迹[6]，将三维太阳高度角转化成二维平面角度，模拟春（秋）分时不同时间段保温被遮光阴影带在棚内东西向的移动轨迹和距离，并探究计算方法。模拟保温被顶卷大棚内东西向不同位置光合有效辐射日总量（DLI）值，并实际测量计算，分析棚内东西向光照分布情况[7]，旨在为研究棚内保温被顶卷产生的遮光影响提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 模拟大棚选型及保温被

模拟大棚跨度（W）12m，脊高（H）4.2m，长度为60m，地面以上钢拱架长16m，保温被卷起后半径（R）0.35m，直径（D）0.7m。大棚棚膜选用乙烯-醋酸乙烯(EVA)薄膜，实际棚内透光率为65%[8]。保温被从东西两侧分别卷起后放至在塑料大棚顶部。

1.2 保温被遮光阴影带移动位置模拟计算方法

本研究主要探讨太阳直射光遮光影响，将其视作理想化数学模型。研究利用Sketch up 软件进行模拟，通过该软件画出塑料大棚及顶卷保温被三维结构模型，并以棚西侧长度方向中点O 为原点，沿大棚跨度方向为X 轴，沿大棚长度方向为Z 轴，大棚竖直方向为Y 轴，建立坐标系[9]。其中P 为塑料大棚棚内中心点。为定性分析保温被顶卷产生的遮光阴影带在棚内东西向不同位置移动距离，研究棚内东西向不同位置光照分布，将三维太阳高度角转化为二维角度，研究棚内沿X 轴跨度方向的保温被阴影带移动轨迹，具体可参见图1。

1.3 东西向不同位置光合有效辐射日总量（DLI）模拟计算方法

光合有效辐射日总量（DLI，mol·m-2·d-1）是植物在一天中用于光合作用的光积累量，是光照强度（PPFD）和每日光照时间的乘积[10]。DLI 可以较为完整地表示植物光合作用的程度和持续时间，为探究植物对光的响应机制提供较为完善的参数[11]。而研究该遮光阴影对棚内作物的光环境影响可通过计算DLI 在棚内分布情况来完成。其中研究光照对植物的影响时一般将光照强度用光合光量子通量密度（PPFD，μmol·m-2·s-1）表示[12]。因春分和秋分太阳运动轨迹均为二分二至，保温被遮光阴影带在棚内移动轨迹可近似看为相同，在棚内产生的遮光影响相近。因此选择其中一个节气春分日进行DLI的模拟计算。

查阅春分日一天内不同时间外界光照强度数值（每隔0.5h 记录一次，其中3-5月为春季）[13]，再根据实际大棚的棚膜透光率[14]，可近似得到一天内不同时间棚内光照强度值。为进一步研究在保温被遮光阴影带的影响下棚内不同位置的DLI 变化，根据不同时段保温被遮光阴影带所在位置，结合各时段棚内光照强度数值，根据式（1）结合Excel 2019，分析计算保温被顶卷时棚内东西方向不同位置的DLI 值（不考虑棚内散射光影响）即可探究棚内东西向光照分布情况。模拟计算位点见图2。DLI 计算式为[10]

式中，DLI为光合有效辐射日总量（mol·m-2·d-1）。PPFD 为光合光量子通量密度，即光照强度（μmol·m-2·s-1），t 为计算时间，取6：30-17：00。

1.4 实测计算棚内东西向不同位置DLI 值

于2020年11月3日晴天时于山东省青岛市即墨农业高新区马路对面农户大棚进行实地测量，测量时间为9：00-15：00，每隔0.5h 测量一次，此阶段内保温被卷至大棚顶部。实测大棚为南北走向，跨度为12.0m，长度为60.0m，脊高为3.5m。实测棚两个卷被卷起后之间还存在一个保温被固定区域，保温被卷起后整体宽度为1.7m。棚内种植作物为青椒，冠层高度为1.0m。光照强度测量位置为：以距棚北面墙延长方向30m 左右处测量，并选取塑料大棚东西向中间位置高1m 处P1 点为原点，分别向东西两侧延伸测量，横向每隔1m 设一个测量点，以植株冠层高度1m 为测量高度，共计13 个测量位点（图 2），选用的光照强度测量仪器为照度计，其型号为JTG01，光谱范围为0.1～100000lx。为方便计算DLI 数值，将照度计的单位lx 转化为PPFD 的单位μmol·m-2·s-1，根据式（1）及Excel 2019 进行数据计算和分析，研究并计算实测棚内东西向不同位点DLI分布情况。

2 结果与分析

2.1 保温被顶卷遮光阴影带移动位置计算

2.1.1 不同时刻太阳高度角计算

（1）春秋分日不同时刻太阳高度角计算

不同时刻太阳高度角as 为[15]

式中，as 为太阳高度实际值（°），δ 为太阳赤纬值，春秋分时太阳赤纬值为0°。φ为测点纬度，本研究地为青岛地区，测点纬度取值为35.58°。ω为太阳时角（°），其随时间变化而变化，t 为计算时刻。

（2）太阳高度角在立面的投影角度θ计算

将太阳直射光照在保温被上产生的三维移动遮光阴影体进行竖向截面，视作二维数学模型，求出不同时间太阳高度角在立面的投影角度。图3 为春秋分日太阳高度角及在坐标系中的投影角，其中图3a 为不同节气太阳视运动图[16]，春秋分时为二分二至，太阳从正东方升起，正西方落下[17]，β 为春秋分时期正午太阳高度角。图3b 为春秋分除正午以外不同时刻太阳高度角as 示意图[18]。图3c 为春秋分不同时刻太阳高度角投影角度θ，图3d 为太阳高度角投影角度θ 照在南北向塑料大棚内示意图，根据春秋分日正午太阳高度角β、不同时刻太阳高度角as，建立数学模型，即可计算出太阳高度角投影角度θ。

式中，θ 为太阳高度角投影角度（°），其数值随时间变化而变化，as 为太阳高度角实际值（°）随时间变化而变化，β 为当天正午太阳高度角（°）。其中as、β 均根据式（2）计算得出。

2.1.2 不同时刻遮光阴影带总宽度计算

本模型探讨太阳直射光遮光影响，将太阳直射光视为平行光线，保温被顶卷在地面产生的阴影总长度L 视为太阳光线与顶部保温被相切时产生的总距离（图4），随不同时刻太阳高度角的变化而变化。其计算式为

式中，L 为不同时刻保温被遮光阴影带总宽度（m），R 为保温被半径（0.35m），D 为保温被直径（0.7m），θ为太阳高度角投影值（°），随时间变化而变化。

2.1.3 遮光阴影带在棚内移动位置计算

保温被移动遮光阴影带在棚内移动位置可分为五个阶段（图5）。第一阶段为保温被阴影从西边刚进入棚内地面时刻，第二阶段为上午时分（t＜12：00）保温被部分阴影在棚内位置，第三阶段为上午时分（t＜12：00）保温被全部阴影在棚内位置，第四阶段为正午时分（t=12：00）保温被阴影位置，第五阶段为下午时分（t＞12：00）保温被阴影在棚内位置。由图1 中定义，以塑料大棚西侧长度方向中点O 为原点，以跨度方向为x 轴，以大棚脊高方向为y 轴，建立坐标系，确定保温被遮光阴影带在棚内东西向移动位置。

第一阶段：计算保温被阴影带进入棚内地面的时刻t。

如图5a 所示，保温被阴影带刚进入棚内地面时太阳直射光与保温被切线正好经过坐标原点，求出此时的太阳高度角投影值θ，根据式（4）反推此时的太阳高度角实际值as，再根据式（2）、（3）即可反推计算时刻t。求出保温被阴影进入棚底角的时刻。

整理式（5）、式（6）可求出此时的太阳高度角投影值θ，即

式中，T 为大棚脊高H（4.2m）加上保温被半径长度R（0.35m），即4.55m。θ 为不同时刻太阳高度角投影值（°）。W 为大棚跨度（12m）。L 为保温被遮光阴影带总宽度（m），随时间变化而变化。D 为保温被直径（0.7m）。其中T、W、D、R 数值仅为本模型参数值，可根据大棚参数的变化而变化。

第二阶段：计算保温被部分阴影带在棚内（t＜12：00）时的位置。

当保温被遮光阴影部分在棚内时，设遮光阴影位置为0 到X1，如图5b 所示，则

由式（8）和式（5）整理可得

第三阶段：计算保温被全部阴影在棚内时（当t＜12：00）的位置。

当保温被阴影全部在棚内时，设遮光阴影位置为X1'到X1'+L，如图5c 所示，则

由式（10）、式（5）整理可得

故此时遮光阴影位置为

第四阶段：计算正午时分（t=12：00）保温被阴影位置。

此时太阳高度角投影角度为90°，保温被遮光阴影带总宽度L 和保温被总直径D 相等。设遮光阴影带位置为X1''到X1''+L。具体情况如图5d 所示，则

根据上述公式即可得出正午时分保温被阴影位置为

第五阶段：计算下午时分（t＞12：00）保温被阴影完全在棚内时的位置。

设此时的遮光阴影位置为X1'''到X1'''+L，具体情况如图5e 所示，则

由式（13）、式（5）整理可得

故下午时分（t＞12:00）保温被阴影完全在棚内时位置为

当遮光阴影逐渐从棚东侧离开时（图5f），X1'''计算方式不变，阴影位置为X1'''到大棚东侧边缘处，即

2.2 棚内东西向不同位置的光合有效辐射日总量

2.2.1 模拟结果

根据式（2）-式（14）可计算不同时刻阴影带所在位置及持续时间，再通过式（1）计算棚内东西向不同位置的光合有效辐射日总量(DLI)值，结果见图6。为清楚看出大棚跨度方向DLI 值变化情况，以跨度方向中点（图2 中点P1）为坐标原点分析DLI 值分布情况。由图6 可见，由于受遮光阴影带影响，春分日大棚内跨度方向中点位置上获得的DLI 值最小，为10.91mol·m-2·d-1，沿中点分别向东西两侧DLI 值逐渐加大，最大值位于距离棚内中点东西两侧各6m 处，可达到13.70mol·m-2·d-1。其中，自中点向东西向第 1 个测点变化幅度最大，由10.91mol·m-2·d-1变为 12.20mol·m-2·d-1，上升了11.8%。自中点东西向1～5m 范围内各点之间光含有效辐射日总量变化幅度较小，由12.20mol·m-2·d-1变为12.70mol·m-2·d-1，仅上升了4.1%。自中点东西向第5-第6 个点变化幅度较大。

遮光阴影带在棚内中点处持续时间最长，且此处在正午时分光照最强时产生遮光阴影，故棚内中点向东西两侧各0～1m 范围为一日内累积DLI 值最低区。而中点向东西两侧各1～5m 范围内DLI 值相对较高，一日内变化幅度较小，因为在该范围内保温被遮光阴影持续时间较0～1m 处短，且该区域遮光阴影带移动较均匀。中点向东西两侧各5～6m 范围为DLI 最高区域，因为遮光阴影带在日出后和临近日落时进入该区域，而此时棚内的光照强度原本就低，因此对全天累积DIL 值影响不大。

2.2.2 模拟结果与实测值对比

图7 为实测棚内DLI 值分布。由图可知，由于受遮光阴影带的影响，实测值同样表现为中点位置DLI 值最小，为7.31mol·m-2·d-1。总体分布趋势也是自中点向东西两侧DLI 值逐渐加大，最大值位于距离棚内中点东西两侧各 6m 处， 可达到12.70mol·m-2·d-1。实测值走向趋势与模拟值吻合。但不同位置的变化幅度有差别。与模拟值相比，中点至东西两侧第1 个测点的DLI 值变化幅度较小，由7.31mol·m-2·d-1变为7.56mol·m-2·d-1，上升了3.4%。中点至西侧1～5m 和东侧1～4m 范围内各点之间变化幅度较大，其中变幅最大的区域为中点东侧第 2-第 3 点之间，由 8.60mol·m-2·d-1变为11.45mol·m-2·d-1，上升了33.1%。

实测值与模拟值在不同区域DLI 值变化幅度有差异，主要是因为实测时棚内中点处有作物遮挡影响，导致中点至东西向第1 个测点间DLI 值变化幅度不大。且实测时棚内有散射光遮光影响[19]，及外界日照阴云的变化等因素导致棚内中点西侧1～5m和东侧1～4m 处各点间DLI 值变化幅度较大且分布不均匀。

2.2.3 棚内东西向水平空间光照分析

由图6、图7 可知，无论是实测值还是模拟值DLI 均在东西水平方向上存在条带状差异。根据崔佳维等研究[11]可知，一般喜光植物苗期DLI 值不小于10mol·m-2·d-1。因此， 将棚内弱光区定为DLI≤10mol·m-2·d-1区域，将适宜光区定为DLI 在10～12.5mol·m-2·d-1区域，将强光区定为DLI＞12.5mol·m-2·d-1区域。由模拟值数据可知，模拟的DLI 值均在10mol·m-2·d-1以上，无弱光区。中点至东西两侧各0～3m 区域为棚内适光区，占棚内种植区域的50%。中点至东西两侧各3～6m 区域为棚内强光区，亦占棚内种植区域的50%。可见，在模拟值中无弱光区，且强光区和适光区各占一半。由实测棚内数据可知，中点至东西两侧各0～3m 区域为弱光区，占棚内种植区域的50%。中点至东西两侧各3～6m 区域为棚内适光区，占棚内种植区域的50%。因此，实测中无强光区，适光区和弱光区各占一半。

随着季节变化，棚内光区的划分也会发生变化，如夏季和春夏交替时分棚内DLI 值整体较高，而此时棚内中点位置的DLI 值虽较其他位置偏低，但仍处于适光区或强光区，并不影响作物生长。实测时间棚内温度较低，棚内光照强度普遍偏低，导致无强光区。且实际测量时棚内有散射光遮光影响，会降低实际棚内光照强度[19]。同时，因测量仪器自身误差及外界日照阴云的变化影响，致使大棚中点至东西方向DLI 实测值不完全对称。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）探究棚内直射光遮光影响，建立春秋分日保温被顶卷遮光阴影带的移动位置计算方法，可得知不同时间遮光阴影带在大棚跨度方向上的移动位置及距离。

（2）在该保温被顶卷大棚内，DLI 的模拟值和实测值变化趋势一致，均在沿大棚跨度方向中点处为最小，自中点处向东西各1m 范围内为最低区域，且DLI 值沿大棚中点处向东西两侧逐渐增加，最大值位于大棚东西向边缘处。

（3）DLI 值最低的区域会在寒冷季节处于作物生长弱光区，但随着季节变化，该弱光区也会变为适光区或强光区，如夏季和春夏交替时分棚内DLI 值整体较高，而此时棚内中点位置的DLI 虽较其他位置偏低，但仍处于适光区或强光区，并不影响作物生长。

3.2 讨论

为研究保温被顶卷在棚内产生的直射光遮光阴影影响，模拟计算一日内不同时间段保温被遮光阴影带在棚内东西向的移动位置和距离，计算大棚内东西向不同位置DLI 值分布，并进行实测对比。模拟选择春秋分日进行，原因为太阳运行轨迹在春分和秋分时均处于二分二至，可以模拟计算出遮光阴影带移动位置轨迹，且这两天内阴影带在棚内移动轨迹一致，因此选择其中一个节气进行实际测量即可。遮光阴影带在春冬季节遮光影响最严重，偏向夏季时棚内光照强度大，即使有遮光阴影带的区域仍为强光或适光区，并不影响棚内作物的生长，因此，选择春秋分日进行模拟具有代表性，无需对全生长期进行观测和模拟。

前人建模时均将模拟和实测时间设定为同一时段，拟合后仅能证明其在模拟时段内具有适用性。而本研究将实测时段与模拟时段分开，探究模拟适用性。结果表明，实测值与模拟值的DLI 整体变化趋势一致，均在沿大棚跨度方向中点处为最小，从中点处向东西两侧逐渐增加，最大值位于大棚东西侧边缘处。因此，即使在季节日期不同的情况下，模拟值变化趋势仍与实测值吻合，说明该模拟适用范围和时间段较广。

但本模拟仍具有一定局限性，模拟值在棚内不同区域DLI 值的变化幅度与实测值有差别，如在实测值中，棚内中点至东西向第1 个点处DLI 变化幅度较小，而模拟值变幅却较大，是因为模拟未考虑棚内作物遮挡问题，而实测棚内中点处种植作物，会影响整体测量准确度，导致中点至东西向第1 个测点间DLI 值变幅不大。中点至东西两侧1～5m 范围内各点之间实测值变化幅度较大，而模拟值变化幅度较小，是因为实测棚内有散射光遮光影响[19]，及外界日照阴云的变化等因素影响。实际生产中，棚顶部两侧卷被之间还有一个保温被平铺的固定区域，该区域的存在还会导致遮光阴影带的增加。

为使DLI 最小区域在全年均能满足棚内作物正常生长，可改变作物种植制度，在该区域种植阴性作物，如多数绿叶菜和葱蒜类蔬菜[20]。亦可在棚内中部设2～3m 宽度人行过道，以避开弱光区。为降低保温被顶卷对棚内DLI 的影响，生产上可选用厚度较低的保温被[21]，并适当缩短保温被卷起后中间固定区域的大小，或改变原有上卷下铺式卷帘方式，探索一种新型卷被模式[4]。