日光温室是用于蔬菜和果树反季节种植的农业设施，具有高效、节能、低成本的特点^{[1, 2, 3]}。日光温室的原理在于墙体或土壤可在夜间将日间所储存的热量释放到室内，利于维持室内作物的生长^{[4, 5, 6]}。研究结果表明，温室墙体夜间释放的热量仅为日间吸收热量的10.5%～25.7%，其余大部分热量通过墙体或其他结构介质散失。因此，为提高日光温室中空气温度，不仅要增强温室墙体的蓄热性及温室墙体的保温性^{[7, 8]}，还要利用温室土壤的蓄热功能。

目前日光温室墙体材料主要是夯实土墙和粘土砖墙，前者存在土地利用率低、破坏耕作层等问题，后者在制造过程中造成环境污染，而且墙体保温性差^{[9, 10]}。近年来混凝土砌块、聚苯乙烯泡沫板、炉渣、相变蓄热材料等作为温室的墙体材料均有研究^{[11, 12, 13]}，但因其成本或环境问题并未推广应用，因此开发新型环保节能的日光温室墙体结构模式具有重要意义。

农作物秸秆是农业生产中的重要资源之一，秸秆建筑（Straw-bale building）起源于美国北部，距今有100多年历史^{[14, 15, 16]}，秸秆在日光温室墙体方面应用刚刚起步，相关研究并未深入^{[17, 18, 19, 20]}。将农作物秸秆利用在农业设施结构中，不仅有利于生态、循环和绿色农业的发展，还拓展了秸秆利用途径，具有重要的经济和社会效益。秸秆块墙体日光温室是以压缩成型的农作物秸秆块为日光温室墙体维护材料的农业设施，是作者所在团队近年来的研究成果。前期研究发现秸秆块墙体具有平衡温室内水分和补充室内二氧化碳的作用，昼夜温差较大等特点^{[20, 21]}，能够满足作物越冬生长。

本文在前期研究的基础上，监测了秸秆块墙体和空心砖墙体温室中温度变化，讨论了秸秆块墙体的保温蓄热性能，旨在为秸秆块墙体日光温室构建技术的完善和推广应用提供理论依据。

供试秸秆块墙体日光温室位于江苏省农业科学院六合动物科学基地（118°49′48″E，32°21′36″N），长度50 m，跨度11 m，北墙高3 m，脊高4.2 m，后屋面角45°，山墙和北墙均为0.6 m厚秸秆块，基础为塑料薄膜包裹的秸秆块（深0.4 m，宽0.6 m），后墙由秸秆块码砌而成，秸秆块之间缝隙用散草填实，墙体外侧依次覆盖无纺布、塑料薄膜和彩钢瓦^[22]。前屋面薄膜为0.12 mm厚EVA无滴薄膜，保温被为双面防水型保温被，后屋面由内向外依次为塑料薄膜、两层草帘、保温被、无纺布和塑料薄膜。秸秆块墙体日光温室结构如图 1所示。

1.后屋面；2.保温被；3.上放风口；4.塑料薄膜；5.前屋面拱架； 6.下放风口；7.点桩；8.墙体立柱；9.无纺布；10.塑料薄膜； 11.彩钢瓦；12.秸秆块；13.顶梁立柱 1.North roof; 2.Heat preservation quilt; 3，6.Vents; 4，10.Plastic film; 5.Arch; 7.Supporting point; 8.Steel frame; 9.Non-woven fabrics; 11.Color steel tile; 12.Straw-bale; 13.Supporting columns 图 1 秸秆块墙体日光温室结构示意图 Figure 1 Schematic diagram of straw-bale wall solar greenhouse

图选项

供试空心砖墙体日光温室位置同上，结构规格与秸秆块墙体日光温室一致，山墙和后墙为0.6 m厚空心砖码砌，基础为实心砖码砌（深0.4 m，宽0.6 m），空心砖墙体中空部分填充稻壳压实，墙体内外两侧粉刷水泥灰。两栋温室保温被卷起方式采用侧端式，试验期间，试验温室和对照温室均用来栽培辣椒（湘辣六号），保温被揭开和闭合时间分别为08：30和16：30，每天中午，打开温室前屋面顶部放风口进行通风降温。

试验过程中室外空气温度和太阳辐射强度测点位于北墙外侧3 m，距离地表 1.5 m处，土壤温度测量点分别为地表和距离地表以下10、20、30、40 cm深处。温室内测点选择在室内中间剖面位置，空气温度和太阳辐射强度测点位于跨中位置，土壤温度测量点分别为地表和距离地表以下10、20、30、40 cm深处；后墙，后屋面，前屋面表面温度测量点位于相应结构中间位置，植株表面温度测量点位于跨中位置的作物叶片背阴面，距离墙体内表面5 cm深处墙体温度（以下简称5 cm处温度）位于墙体内表面测量点同一位置。太阳辐射强度采用太阳辐射记录仪测量，温室各结构单元表面温度、不同层次土壤温度以及墙体表面温度采用便携式自动气象站测量（PC-3型便携式自动气象站，锦州阳光气象科技有限公司）。

试验监测时间为2014年12月15日—2015年2月15日。取2015年1月1日（晴天）和2014年12月18日（阴天）分析墙体的保温性能；取2015年1月17日（晴天）和2015年1月8日（阴天）分析墙体的保温性能和蓄放热性能；取2015年2月5日（晴天）分析土壤温度变化和温室各组成结构表面温度变化。

晴天时，秸秆块和空心砖墙体外表面及室外空气温度变化如图 2所示。全天室外空气、秸秆块墙体外表面和空心砖墙体外表面平均温度分别为（-0.58±3.67）、（1.99±1.51）℃和（4.51±1.68）℃，秸秆块墙外表面与室外气温之差（2.57±2.51）℃小于空心砖墙体外表面与室外气温之差（5.09±2.21）℃，表明晴天时墙体外表面与室外空气存在热交换现象。保温被揭开期间（08：30至16：30）秸秆块和空心砖墙外表面温度与室外气温之差分别为（-0.31±1.36）℃和（2.83±1.63）℃，秸秆块墙体外表面和室外空气温差小，可知秸秆块墙体与室外热交换量少，保温性好，因此日间秸秆块墙体室温较高。在夜间（保温被覆盖时间16：30至次日08：30），秸秆块和空心砖墙外表面温度与室外气温之差分别为（4.26±0.97）℃和（6.44±1.11）℃，说明两种结构墙体与室外空气发生热交换现象，相对空心砖墙体而言，秸秆块墙体具有相对较好的保温性，与秸秆块的导热系数低于空心砖的导热系数是一致的^[20]。据民用建筑热工设计规范（GB/T 50176—2002），一般墙体外表面的表面传热系数为23.0 W·m^-2·℃^-1[23]，通过计算可知，晴天时夜间秸秆块墙体和空心砖墙体通过墙体外表面向室外流失的热强度分别为（98±22）W·m^-2和（148±26）W·m^-2，空心砖墙所散失的热量是秸秆块墙体的1.5倍。该结果表明秸秆块墙体可有效减少热量通过墙体散失，尤其在夜间室内外温差较大的时候，保温效果更加明显。

图 2 晴天时室外空气、秸秆块和空心砖墙体外表面温度 Figure 2 Temperature in outdoor air and at outdoor surface of straw-bale wall and hollow brick wall on sunny day

图选项

阴天时秸秆块墙体、空心砖墙体外表面以及室外空气的温度变化如图 3所示。在无太阳辐照时，室内外气温较低，两种墙体结构的温室墙体外表面与室外气温之差较小，墙体与室外空气的热交换相应较少。在保温被覆盖期间（16：30至次日08：30），室外空气温度较室内空气温度低，空心砖墙体外表面温度高于室外气温，两者之差为（5.6±1.4）℃，散热强度为（129±32）W·m^-2，秸秆块墙体外表面温度（16：30至次日08：30）高于室外气温，两者之差为（4.2±1.6）℃，散热强度为（97±37）W·m^-2。由此可以看出，阴天夜间空心砖墙体散失的热量是秸秆块墙体散失的1.3倍。保温被揭开期间（08：30至16：30），在太阳辐照的影响下，温室内空气温度先升高后降低，与晴天相比气温变化幅度较小。秸秆块和空心砖温室外表面温度与室外空气温度的温度差分别为（-0.01±1.30）℃和（1.16±1.31）℃，散热强度分别为（-0.23±29.9）W·m^-2和（26.7±30.1）W·m^-2。

图 3 阴天时室外空气、秸秆块和空心砖墙体外表面温度 Figure 3 Temperature in outdoor air and at outdoor surface of straw-bale wall and hollow brick wall on cloudy day

图选项

可见，无论日间还是夜间，空心砖墙体外表面与室外空气的温度差均高于秸秆块墙体外表面与室外空气的温度差，说明秸秆块墙体散失的热量小于空心砖墙体散失的热量，因此可以说秸秆块墙体的保温隔热性能要好。这与秸秆块的导热系数低于空心砖的导热系数是一致的^[20]。

在晴天日间（08：30至16：30），秸秆块墙体和空心砖墙体日光温室内太阳光照强度分别为33 MJ·m^-2和31 MJ·m^-2，两者间差别仅为6.1%，在本文中认为两种墙体在晴天日间所受到的太阳光照强度没有差异。

晴天秸秆块墙体日光温室和空心砖墙体日光温室内空气温度、墙体内表面和5 cm深处温度变化如图 4所示。晴天时，日出之前，秸秆块温室中空气温度最低为6.0 ℃，砖墙体温室为7.4 ℃。保温被揭开后（08：30至16：30），由于太阳的辐照作用，秸秆块温室室内气温和墙体内表面温度不断升高，至14：00室内气温（49.8 ℃）和墙体内表面温度（41.3 ℃）达到最大值。空心砖墙体内表面和空气温度最高分别为37.6 ℃和37.8 ℃，结合图 1可知，空心砖墙体在太阳辐射时能够储存热量，同时也向室外散失热量，因此空心砖墙温室中气温较低。此外，太阳辐射开始时（晴天），秸秆块温室中空气温度迅速升高，直至下午保温被覆盖时，秸秆块墙温室中空气温度均高于空心砖墙体温室中空气温度。这也说明了秸秆块墙体保温性较高。

图 4 晴天时温室空气、墙体内表面及5 cm 处墙体温度 Figure 4 Temperature in indoor air and at indoor surface and 5 cm depth of wall of solar greenhouse on sunny day

图选项

在日间（08：30至16：30），空心砖墙体5 cm深处温度高于秸秆块墙体5 cm深处温度，说明在太阳辐射时通过空心砖墙体散失的热量高于秸秆块墙体散失的热量，秸秆块墙体的保温性优于空心砖墙体，空心砖墙体温室中的热量容易向室外扩散，造成热量的散失，与图 1结果一致。在夜间（16：30至08：30），空心砖墙和秸秆块墙体室内气温和墙体内表面之差分别为（0.69±0.13）℃和（-0.72±0.26）℃，表明夜间时空心砖墙体向室内释放热量，秸秆块墙体内表面温度和室内气温温差小，热量交换少，说明秸秆块墙体蓄热性差。同时还发现，空心砖墙体5 cm深处温度比内表面温度高（0.2±0.2）℃，秸秆块墙体5 cm深处温度比内表面高（0.6±0.1）℃。虽然秸秆块墙体5 cm深处温度比表面温度高，但是由于秸秆块的导热系数较低^[19]，其墙体内层的热量不易传递到温室中，前期研究结果也表明秸秆块墙体存在恒温层^[20]。这证明了秸秆块蓄热性不足，解释了秸秆块墙体日光温室夜间气温较低的原因。

阴天时秸秆块墙体日光温室和空心砖墙体日光温室内空气温度、墙体内表面和5 cm深处温度如图 5所示。阴天时，温室内空气变化趋势与晴天时一致，但温度变化幅度不明显。在上午6：30左右温室内空气温度达到最低值（秸秆块5.4 ℃，砖墙体5.8 ℃），中午13：00空心砖墙体温室中空气温度为12.6 ℃，秸秆块温室空气温度为14.7 ℃。日间空心砖墙体日光温室中空气温度低于秸秆块温室中空气温度，夜间时空心砖墙体温室中气温较高。这是由于空心砖墙体在夜间向温室内释放了日间储存的热量。

图 5 阴天时温室空气、墙体内表面及5 cm 处墙体温度 Figure 5 Temperature in indoor air and at indoor surface and 5 cm depth of wall of solar greenhouse on cloudy day

图选项

在阴天全天，太阳辐射强度较小，墙体内表面和5 cm深处墙体温度变化幅度较小，墙体日间蓄热量不足，导致温室内夜间气温较低。空心砖内表面温度低于空气温度的时间段为0：00至11：00和15：00至24：00，秸秆块墙体为0：00至10：00，在11：00以后，秸秆块墙体内表面温度高于气温或与气温接近。根据界面温差变化可以发现，阴天时空心砖墙体向室外传递的热量比秸秆块墙体传递的热量多。秸秆块墙体和空心砖墙体温室在阴天时气温基本一致，也说明秸秆块墙体虽然蓄热性不足，但由于保温性能好，从室内气温来看，两种结构温室在阴天时室内气温差异不明显。

日光温室中墙体是主要的蓄热体，土壤也具有一定的蓄热功能^[24]。两种结构温室中不同深度的土壤温度变化如图 6所示。秸秆块和空心砖墙体日光温室中40 cm以上土壤温度分别为（14.00±2.61）℃和（13.55±1.73）℃，室内气温、土壤表层和10 cm深处土壤温度变化受太阳辐射强度的影响较大，而在20、30、40 cm深处土壤温度变化受太阳辐射影响较小，呈现出温度随时间逐渐降低的趋势。这是因为温室中较深层次土壤中积蓄的热量不断向温室内转移以补充温室内散失的热量，日光温室中深层土壤储存的热量在整个冬季都在向浅层土壤和室内转移以补充温室内的热量，也是温室满足作物越冬生长的重要因素。

图 6 秸秆块和空心砖墙体日光温室中土壤温度分布 Figure 6 Temperature of soil at different depths in straw-bale and hollow brick wall solar greenhouse

图选项

图 6a显示秸秆块温室中平均气温为（11.6±2.0） ℃，空心砖温室中平均气温为（11.7±1.2）℃，在9：00—16：30之间秸秆块温室中平均气温（13.7±2.0）℃略高于空心砖温室中平均气温（12.7±1.5）℃，保温被覆盖期间秸秆块平均气温（10.5±0.5）℃低于空心砖温室中平均气温（11.2±0.4）℃。此外，秸秆块温室中平均气温（16.7 ℃）高于空心砖墙体温室平均气温（15.6 ℃），秸秆块温室最低气温（9.8 ℃）明显低于空心砖最低气温（10.6 ℃）。这可能是由于空心砖温室中热量储存在墙体中，同时部分热量通过空心砖墙体向室内外散失，与图 2和图 3结果一致。

秸秆块墙体的保温性能较好，温室中的热量通过墙体散失较少，热量可能储存于温室土壤中，如图 6b所示，秸秆块温室中表层土壤温度（13.9 ℃）在13：00至16：00之间高于空心砖墙体表层土壤温度（13.6 ℃），也证实秸秆块温室中的热量储存在了土壤表层中。此外，秸秆块温室土壤表层平均温度比空心砖温室高0.6 ℃，温室表层土壤和10 cm深处土壤温度变化明显，表明10 cm以上土壤层存在明显的吸放热过程，秸秆块墙体温室中10 cm土壤层吸放热过程比空心砖墙体吸放热明显（图 6c）。秸秆块墙体基础为塑料薄膜包裹的秸秆块，这种墙体基础能够阻止温室内土壤中热量通过墙体基础向室外散失，而空心砖墙体基础中为实心砖，实心砖的导热系数高于秸秆块的导热系数，因此土壤中的热量很容易通过墙体基础向室外散失。

图 6d~图 6f说明秸秆块和空心砖墙体温室中20、30、40 cm处的日平均温度分别为14.6、14.9、15.2 ℃和14.3 ℃、14.8、15.0 ℃，秆秆块温室各深度的土壤温度均高于空心砖温室中土壤温度。秸秆块墙体中秸秆块基础的良好保温隔热性能，减少了深层土壤中热量向温室内的扩散，因而日间秸秆块墙体储存和散失的热量少，使温室内的热量积蓄在温室土壤层中。两种墙体结构温室中10 cm以下土壤温度呈逐渐降低的趋势，说明温室土壤中的热量不断向温室中扩散，以补充温室中热量的散失。

两种墙体结构温室中后墙、后屋面、前屋面、土壤表面和植株表面的温度变化如图 7所示。各界面温度变化均随室内气温呈现周期性的变化，后墙作为温室中主要的围护结构，具有保温和蓄热的双重功能。图 7a显示秸秆块墙体日平均温度（11.6±1.5）℃高于空心砖墙体日平均温度（11.3±0.7）℃。秸秆块墙内表面日间平均温度（12.9±2.0）℃明显高于空心砖表面温度（11.7±1.0）℃，夜间两种结构墙体内表面温度基本一致，结合图 4和图 5分析结果，空心砖墙体日间蓄积的热量在夜间释放出来导致其夜间内表面温度较高。图 7b显示秸秆块墙体温室后屋面平均温度在日间比空心砖墙体温室高0.3 ℃，主要是由于秸秆块温室中日间气温较高导致的。夜间两种温室后屋面温度均为10.5 ℃，说明温室中通过后屋面散失的热量基本一致。图 7c显示前屋面温度变化，可知秸秆块和空心砖墙温室中前屋面平均温度分别为10.9 ℃和10.5 ℃，日间秸秆块前屋面温度比空心砖高0.8 ℃，夜间比空心砖高0.2 ℃，这是因为日间的太阳辐射热量积聚在温室空气中，以及温室保温被覆盖后，秸秆块墙体表面的热量散失到温室中，导致秸秆块墙体温室中空气温度较高，因此秸秆块温室前屋面温度在保温被刚覆盖时温度较高。图 7e显示温室中作物表面的温度同样随着温室气温的变化而变化，两种墙体结构温室中作物叶片表面平均温度均为11.5 ℃，但是秸秆块温室中作物叶片表面最高温和最低温分别为15.2 ℃和10.2 ℃，空心砖墙温室中作物叶片最高温和最低温分别为14.4 ℃和10.5 ℃，作物叶片表面温度变化主要是受温室中空气温度变化的影响，这有利于作物品质的提高，并为周玲玲等的研究结果所证明^[25]。

图 7 秸秆块和空心砖墙体日光温室中各界面温度分布 Figure 7 Interface temperature in straw-bale and hollow brick wall solar greenhouse

图选项

（1）秸秆块墙体具有很好的保温性，有效地阻止了温室内的热量通过墙体向室外传递，晴天夜间空心砖墙散失的热量是秸秆块墙的1.5倍，阴天夜间空心砖墙散失的热量是秸秆块墙的1.3倍。

（2）秸秆块墙体蓄热性能较差，晴天夜间空心砖墙室内气温高于秸秆块温室，阴天夜间两种结构墙体储存的热量对温室气温的影响不明显。

（3）秸秆块墙体温室中40 cm以上土壤平均温度（14.00±2.61）℃高于空心砖墙温室（13.55±1.73）℃，秸秆块温室中10 cm以上土壤层蓄积的热量是维持其夜间气温的主要热源。

（4）温室各界面温度受室内气温的影响，秸秆块温室中的热量主要储存在温室空气和土壤中，空心砖温室中热量储存在墙体中。日间秸秆块温室各界面温度均高，夜间前后屋面内表面温度基本一致，秸秆块温室中土壤和植株表面温度略低。