農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境中光、熱、濕、CO2濃度等要素調(diào)控及應用技術(shù)研究進展

<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;GREENHOUSE HORTICULTURE &nbsp; 9研究報道熱環(huán)境調(diào)控技術(shù)及應用熱環(huán)境調(diào)控以其調(diào)控目的不同， 表現(xiàn)為保溫、 降溫、 增溫、 變溫等四種不同的調(diào)控措施。保溫技術(shù)及應用效果設(shè)施結(jié)構(gòu)確定以后， 該設(shè)施采光面白天所能采集到的太陽輻射的多少也就基本確定了。 如何有效地將白天蓄積的太陽能儲存于室內(nèi)， 是熱環(huán)境調(diào)控必須解決的問題。外圍護結(jié)構(gòu)與熱環(huán)境的關(guān)系就單屋面溫室而言， 其外圍護結(jié)構(gòu)包括采光面覆蓋物和墻體兩部分。 墻體兼有隔熱和儲放熱兩個功能。 研究發(fā)現(xiàn)， 50cm厚的土墻， 白天夜間均為吸熱體， 不能達到白天吸熱， 夜間放熱的功能要求。 因此，純土質(zhì)墻體建造厚度一般要求達到 100 150cm 。 而采用總厚度為 48cm 空心夾層磚墻結(jié)構(gòu)的異質(zhì)復合墻體 （自室內(nèi)向外為 ： 磚 12cm 填珍珠巖 12cm 磚 24cm ）。白天溫室升溫階段， 墻體作為熱匯吸收熱量， 是吸熱體， 而夜間降溫階段， 內(nèi)側(cè)墻體作為熱源向室內(nèi)釋放熱量， 起到平衡調(diào)溫作用。 異質(zhì)復合墻體， 其內(nèi)側(cè)由吸放熱能力較強的材料組成蓄熱層 ； 外側(cè)由導熱、 放熱能力較差的材料 （如加氣磚） 構(gòu)成保溫層 ； 中間是輕質(zhì)、 干燥、 多孔、 導熱能力極差的隔熱層。 據(jù)計算， 中間夾層為珍珠巖的墻體內(nèi)側(cè)在 15 時 8 時放熱期間， 放熱強度為 37.9W/m 2 ， 無填充物的后墻 15 時 4 時放熱強度僅 2.9W/m 2 。 其儲熱保溫能力明顯降低。 采光面透光材 料對溫室的保溫能力具有重要影響。 據(jù)觀測，PVC 透光膜對紅外線透射率僅為 20% ， 而 PE透光膜對紅外線的透光率達到 80% 左右， 而日光能量的 50% 為波長 0.76 2.0 m 的農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境 中 光、 熱、 濕、 CO 2 濃度等要素調(diào)控及應用技術(shù) 研究進展 &nbsp; 李化龍 1 &nbsp; 陳端生 2 &nbsp; 尚小寧 1紅外線所有， 所以在選擇采光面材料時，除考慮透光性能外， 其保溫性能也應是一個考慮因素。對雙屋面單棟或連棟溫室， 采光面采用雙層塑膜結(jié)構(gòu)， 可大大提高溫室的保溫性能。 雙層塑膜結(jié)構(gòu)的透光膜中間由風機充入空氣， 在兩層塑膜之間形成一定厚度的氣層， 利用空氣透光性強而導熱率低的特性，白天讓太陽光透過的同時， 降低通過采光面向外的熱流量。 據(jù)研究， 采用雙層充氣結(jié)構(gòu)，采光面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 4.0W/ （ m 2 · K ）， 單層塑膜為 6.8W/ （ m 2 · K ）， 傳導熱損率降低 41% ，從而達到提高熱能利用率的目的。覆蓋材料與熱環(huán)境的關(guān)系覆蓋材料主要用于增加透光面夜間的熱阻。 傳統(tǒng)的覆蓋材料有草簾、 蒲席、 棉被、 無紡布等不同類型。 據(jù)研究， 草簾的保溫能力一般為 5 6 ， 蒲席 7 10 ，雙層草簾為 14 15 ， 棉被為 7 10 ，草簾上加一層由四層牛皮紙復合而成的紙被， 保溫能力還可提高 3 5 。 室內(nèi)架設(shè)保溫幕 （ PE 膜或無紡布）， 具有 1 3 的保溫能力。由于傳統(tǒng)覆蓋保溫材料具有笨重、 易吸水、 易污染采光面、 機械化操作困難等缺點， 在研制新型換代保溫材料工作上取得了一定進展。 主要由微孔泡沫塑料、 毛氈、蜂窩塑膜及防水材料構(gòu)成， 重量僅為傳統(tǒng)草簾的 10 % 30 % ， 保溫效果與草簾相當。地中熱交換系統(tǒng)對熱環(huán)境的改善溫室具有較好的密閉保溫性能， 即使在寒冷的冬季， 也時常有因溫度上升過高而需通風降溫的現(xiàn)象出現(xiàn)， 使冬季溫室寶貴的熱資源因通風降溫而白白浪費。 為蓄積白天富余熱量并于夜間溫降時補充室內(nèi)摘要 &nbsp; 綜述了國內(nèi)近年來有關(guān)農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境中光照、 溫度、 濕度、 CO 2 濃度等要素調(diào)控及應用方面的研究進展。 討論了日光溫室生產(chǎn)中存在的主要農(nóng)業(yè)氣象問題及相應的解決對策。關(guān)鍵詞 &nbsp; 設(shè)施農(nóng)業(yè) &nbsp;日光溫室 &nbsp;氣象要素 &nbsp;調(diào)控隨著我國市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展， 以高產(chǎn)、 高效、 優(yōu)質(zhì)為基本特征的設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)得到迅速推廣， 栽培面積超過 86萬 hm 2 。 設(shè)施農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比較， 其主要特點是具有外圍護結(jié)構(gòu)， 對不利于農(nóng)作物及畜、 禽等生長發(fā)育的自然環(huán)境條件進行調(diào)控， 以達到在不利自然條件或反季節(jié)條件下進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的。 因此， 光照、溫度、 濕度、 CO 2 濃度等農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境要素的調(diào)控技術(shù)及應用效果在很大程度上決定著設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成敗和生產(chǎn)效益的高低。 研究和掌握農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境要素的變化特點及相關(guān)調(diào)控和應用技術(shù)， 具有重要現(xiàn)實意義。 本文擬從光照、 溫度、 濕度、CO 2 濃度四方面就我國近年來農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境要素調(diào)控技術(shù)的研究與應用現(xiàn)狀作一概要論述。溫室園藝10 &nbsp; GREENHOUSE HORTICULTURE熱量不足， 一些日光溫室采用了地中熱交換系統(tǒng)。 該系統(tǒng)在 40 60cm 地下鋪設(shè)通風管道， 與軸流風機相連， 在白晝高溫時段， 風機使室內(nèi)熱空氣從地中管道流過，向土壤層貯熱 ； 夜間溫度過低時， 風機使室內(nèi)低溫空氣流過管道， 由土壤加熱空氣，使氣溫升高。 運行結(jié)果表明， 白天貯熱階段，出風口溫度較進風口溫度降低 6.5 7.5 ，夜間放熱階段， 出風口較進風口溫度升高4.5 5.3 ， 從而達到有效改善溫室晝夜熱環(huán)境的目的。 在連續(xù)陰天的情況下， 運行該系統(tǒng)， 仍具有提高夜間溫度的能力。微灌對改善溫室熱環(huán)境的影響目前， 傳統(tǒng)的大水漫灌仍然是一些地方溫室灌溉用水的主要方式。 這種灌溉方式， 一方面由于灌溉用水溫度較低，灌溉后引起地溫大幅下降 ； 另一方面由于用水量較大， 水分蒸發(fā)消耗大量汽化熱， 惡化溫室熱環(huán)境。 采用滴灌等微灌技術(shù) ， 可有效改善這一狀況。 以哈爾濱為例， 4 月下旬溫室滴灌與溝灌相比， 提高氣溫 0.5 ， 提高 5cm 地溫 3.2 ， 5 月上中旬提高地溫 2 左右， 效果明顯。地膜覆蓋對溫室熱環(huán)境的改善自然條件下， 地溫高于一般氣溫。 在溫室小氣候條件下， 經(jīng)常出現(xiàn)地溫低于氣溫的情況。 長時間地溫過低， 使根系產(chǎn)生生理障礙， 最終影響地上部分正常生長。采用地膜覆蓋措施， 可使地溫平均提高2 4 ， 對協(xié)調(diào)作物地下地上部分生長有重要意義。 實際工作中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)， 地表覆蓋地膜后 2 3min ， 膜下就有水汽凝結(jié)，水汽凝結(jié)形成的小水珠布滿地膜下表面，使地膜對太陽輻射的反射率大為增加， 一般可達到 30% 40% ， 這樣， 地膜對太陽能的透射率大大降低， 從而影響其增溫效果的充分發(fā)揮。 如能在地膜生產(chǎn)中引入無滴技術(shù)， 抑制地膜下表面水汽凝結(jié)成滴，提高地膜透光率， 對改善地溫特別是溫室地溫條件具有積極意義。增溫技術(shù)及應用效果當溫室有可能出現(xiàn)接收和貯存的熱量不足以維持作物生長所需溫度的情況時， 應考慮采用加溫設(shè)備改善溫室熱環(huán)境條件。燃燒加熱技術(shù)對單屋面溫室， 一般采用在北墻處安裝煙道的形式， 實現(xiàn)對溫室的加溫， 所需設(shè)備和技術(shù)較為簡單。對現(xiàn)代化大型連棟溫室， 由于缺少單屋面溫室墻體貯熱及室外覆蓋的保溫條件， 加熱措施是其維持正常生產(chǎn)必不可少的環(huán)節(jié)。國外大型現(xiàn)代化溫室生產(chǎn)管理技術(shù)較為成熟。 我國在大型溫室發(fā)展初期， 多以成套技術(shù)設(shè)備引進為主。 由于受冬季蒙古高壓的影響， 我國大部分地區(qū)冬季氣溫比同緯度其它國家顯著偏低。 如東北地區(qū) 1月份偏低 14 18 ， 黃淮地區(qū)偏低 10 14 ， 長江以南偏低 8 。受這一特殊氣候背景條件的影響， 從國外全套引進的現(xiàn)代化溫室， 在我國因運行成本過高而難于盈利。 例如， 1996 年，上海引進 15hm 2 大型溫室， 設(shè)備及配套費用500 900 元 /m 2 ， 運行成本 3.48 萬元 / hm 2 ，其中 30% 40% 為燃料成本， 一個冬季耗煤 600 1200 噸 / hm 2 ， 處于不計折舊勉強保本的經(jīng)營狀況。 因此， 研究開發(fā)適合我國能源消費水平和氣候資源條件的溫室加溫技術(shù)顯得尤為重要。近年來， 中國農(nóng)業(yè)大學在這方面取得了一定成果， 開發(fā)出了華北型連棟塑料溫室， 該種類型溫室通過雙層充氣膜覆蓋、活動式保溫內(nèi)幕、 地中熱交換、 北山墻蓄熱、 雙層充氣卷簾等先進成熟技術(shù)的集成組裝， 形成了具有中國特色的現(xiàn)代化大型節(jié)能溫室， 使北京地區(qū)冬季加熱期由 5 個月縮短至 3 個月， 節(jié)能效果顯著。灌溉用水加熱技術(shù)西北干旱地區(qū)地下水位很低， 大部分地區(qū)沒有機井灌溉的條件， 主要靠引黃河水灌溉。 冬季屬農(nóng)業(yè)用水低谷期， 不能保障溫室灌溉用水， 即使有蓄水池蓄水， 也因冬季結(jié)冰而無法灌溉。 為此， 開發(fā)出一種日光溫室柔性蓄水技術(shù)， 較好地解決了干旱地區(qū)日光溫室冬季灌溉用水問題。該 技術(shù)在專用日光溫室內(nèi)建造柔性蓄水池， 利用日光溫室接收和貯存的能量， 提高池內(nèi)水溫， 避免水體凍結(jié)， 便于灌溉， 同時不使灌溉地段因灌溉而大幅降溫。 該項技術(shù)在 12 月下旬室外氣溫 -4.5 條件下， 可使室內(nèi)氣溫達到 27.5 ， 水溫達到 10 以上， 可供 8 棟50m × 7 m 溫室一個生長期用水。降溫技術(shù)及應用目前， 溫室生產(chǎn)中較為成熟的降溫技術(shù)主要有換氣降溫、 蒸發(fā)降溫和遮陽降溫等幾種形式。通風換氣降溫對單屋面日光溫室而言， 在室內(nèi)溫度較高時， 通過換氣窗口排出熱空氣， 實現(xiàn)降溫目的。 對大型連棟溫室， 可通過風機和天窗實現(xiàn)換氣降溫。 該技術(shù)在室內(nèi)外溫差較大時， 降溫效果明顯。遮陽降溫遮陽降溫技術(shù)是通過遮擋或反射采光面太陽輻射的射入量達到降低室內(nèi)溫度的目的。 主要有遮陽網(wǎng)和綴鋁箔反射型遮陽幕兩種形式。 采用遮陽網(wǎng)， 室內(nèi)氣溫一般可降低2 左右。 鋁箔反射型遮陽幕依其鋁箔面積所占比例不同， 遮陽率在 20% 99% 可調(diào)。蒸發(fā)降溫該方法利用水分蒸發(fā)吸收汽化熱的原理降低溫室溫度， 主要有濕簾蒸發(fā)降溫和霧化蒸發(fā)降溫兩種方式。濕簾是由梭欏狀紙板層疊而成的幕墻，墻內(nèi)有水分循環(huán)系統(tǒng)。 借助軸流風機形成室內(nèi)負壓， 室外空氣流經(jīng)濕簾， 經(jīng)濕簾內(nèi)圖片提供 ： 北京碧斯凱農(nóng)業(yè)科技有限公司GREENHOUSE HORTICULTURE &nbsp; 11水分蒸發(fā)吸熱， 形成低溫氣體流入室內(nèi)， 起到降溫作用。 降溫幅度一般可達到 2 4 。霧化降溫的基本原理是普通水經(jīng)過濾后， 加壓 （ 4MPa ）， 由孔徑非常小的噴嘴 （直徑 15 m ）， 形成直徑 20 m 以下的細霧滴， 與空氣混合， 利用其蒸發(fā)吸熱的性質(zhì)， 大量吸收空氣中熱量， 從而達到降溫目的。 降溫幅度可達 7 ， 降溫效率較濕簾提高 15% 。蒸發(fā)降溫的降溫幅度與空氣相對濕度密切相關(guān)， 理論上可達到濕球溫度的水平。變溫管理技術(shù)及應用根據(jù)作物光合和呼吸過程以及部分作物有 “午休” 現(xiàn)象的特性， 在溫度管理上采用四段變溫管理技術(shù)， 不但可以達到節(jié)能目的， 而且還可以獲得最適產(chǎn)量。四段變溫管理的原理 ： 上午， 作物光合作用效率較高， 需要較高的溫度配合， 以使作物光合作用充分進行 ； 午后， 作物需轉(zhuǎn)化上午的光合產(chǎn)物， 出現(xiàn)光合效率下降趨勢， 此時需適當降低溫度， 抑制呼吸 ； 前半夜， 需轉(zhuǎn)移同化產(chǎn)物， 如溫度太低， 轉(zhuǎn)移速率較慢， 需適當加溫 ； 后半夜， 降低溫度， 抑制呼吸消耗。近年來， “差溫” 概念及調(diào)控技術(shù)在國外溫室生產(chǎn)中得到應用。 所謂差溫， 即夜溫與晝溫的差值。 研究結(jié)果表明， 一些植物的節(jié)間長度與差溫成反比。 生產(chǎn)中為獲得理想株型， 生產(chǎn)商通過升高夜溫， 降低晝溫的方式進行溫度調(diào)控， 該溫度管理模式在一品紅等花卉生產(chǎn)中對塑造花卉株型效果明顯。光環(huán)境調(diào)控技術(shù)及應用光環(huán)境調(diào)控是設(shè)施農(nóng)業(yè)中僅次于熱環(huán)境調(diào)控的另一重要措施。 “有收無收在于溫， 收多收少在于光”。 光環(huán)境調(diào)控一般從補光、 遮光兩方面實施相應技術(shù)。反射補光在單屋面溫室后墻懸掛反光膜可改善溫室的光照條件。 反光膜一般幅寬為 1.5 2.0m ， 長度隨室溫長度而定。 該技術(shù)可改善溫室內(nèi)北部 3m 范圍內(nèi)的光照和溫度條件。 使用時應與北墻蓄熱過程統(tǒng)籌考慮。低強度補光對感光作物， 為滿足作物光周期需要而進行的補光措施。 補光強度僅需 22 45Lx ， 目的是通過縮短黑暗時間， 達到改變作物發(fā)育速度的目的。高強度補光為作物進行光合作用而實施的補光措施。 一般情況下在室內(nèi)光照 &lt;3000 Lx ， 可采用人工補光。李萍萍等對鏑燈 （生物效能燈）、 高壓鈉燈、 金屬鹵化燈三種光源測定結(jié)果表明，鏑燈補光效果最好， 其光譜能量分布接近日光， 光通量較高 （ 70Lx/W ）， 按照每 4m 2安裝一盞 400W 鏑燈的規(guī)格， 補光系統(tǒng)可在大陰天使光強增加到 4000 5000Lx ， 比葉菜類作物光補償點高出一倍左右。高壓鈉燈理論光通過量很大 （ 100 Lx/W ），但 實際測試結(jié)果遠不如鏑燈， 同樣安裝密度條件下， 400W 鈉燈下垂直一米處， 光強從 2200Lx 提高到 3200Lx （鏑燈可提高到5000Lx ）。 此外， 鈉燈偏近紅外線的光譜能量的比例較大， 色澤刺眼， 不便燈下操作。金屬鹵化燈是近年發(fā)展起來的新型光源，理論發(fā)光效率較高， 但測定結(jié)果不如鈉燈， 且聚焦太集中， 不適合作為溫室補光之用。紫外線補光紫外線是波長 0.05 0.40 m 的電磁波， 其中 0.28 0.32 m 稱為保健波段， 對動植物具有很強的生理效應。 紫外線補光在畜、 禽舍應用較多， 適宜劑量問題國內(nèi)外爭論較大。 前蘇聯(lián)農(nóng)業(yè)電氣化研究所推薦劑量為 50mW · h/m 2 ， 游小杰等對雞舍紫外線補光適宜量進行了研究。 在 50mW · h/m 2 、233mW · h/m 2 紫外線強度下， 與對照相比，雞的產(chǎn)蛋率分別提高 3.2% 和 7.6% ， 蛋殼厚度分別增加 0.095mm 和 0.145mm ， 平均蛋重增加 4.74g/ 枚和 6.78g/ 枚。 死亡率降低 1.51% 和 2.74% ， 效果不錯。由于玻璃、 塑膜等透光材料對紫外線的吸收率較大， 溫室內(nèi)紫外線條件與可見光相比，紫外線處低水平狀態(tài)。 現(xiàn)有文獻表明， 對因臭氧層破壞導致地面紫外線輻射增強后對作物的不利影響研究較多， 而溫室條件下紫外線的不足以及在人工補充紫外線方面的研究尚不多見。 有研究認為， 茄子等作物果實著色度與紫外線照度有一定關(guān)系。 對溫室番茄人工補充紫外線 B （ Uv-B ， 0.28 0.32 m ）， 可提高番茄紅素含量 10% ， 提高維生素含量 16% 。 Uv-B與紅光復合處理， 番茄果實的含糖量、 酸度、番茄紅素的含量明顯增加， 增加量分別為34% 、 35% 和 22.5% ， 維生素含量與單獨Uv-B 處理相當。濕環(huán)境的調(diào)控技術(shù)濕環(huán)境的調(diào)控主要有加濕和降濕兩套操作過程。 由于溫室基本上都處于高濕環(huán)境，加濕調(diào)控應用較少， 如需加濕， 借助降溫操作中使用的濕簾、 霧化等技術(shù)， 均可達到增濕效果。 溫室降濕可通過室內(nèi)外換氣、 地膜覆蓋、 膜下灌溉、 滴灌、 化學吸水除濕和熱交換除濕等技術(shù)達到目的。 其中采用滴灌技術(shù)降低溫室濕度比較經(jīng)濟有效。 據(jù)研究， 采用滴灌技術(shù)， 在 7 時 17 時通風期， 空氣相對濕度比膜下灌溉降低 10% ， 停止通風后，膜下灌溉濕度達到 100% ， 滴灌僅 85% 。CO 2 濃度的調(diào)控受密閉環(huán)境條件影響， 從日出開始， 作物開始光合作用， 大量消耗 CO 2 ， 不到 2h使溫室內(nèi) CO 2 濃度降到 300mg/L 以下， 中午前后降到 200mg/L 。 因此， 溫室白天CO 2 含量嚴重虧缺， 作物在絕大部分時間內(nèi)處于饑餓狀態(tài)， 人工增施 CO 2 不僅可以增產(chǎn)， 而且可以改善品質(zhì)。溫室 CO 2 來源可歸納為有機質(zhì)分解、炭等化石燃料類燃燒、 液態(tài)和固態(tài) CO 2 氣化、 碳酸鹽加稀酸的反應及畜菜、 菌菜互補等方式。 其中畜菜、 菌菜互補主要是利用動物和菌內(nèi)呼吸和生長過程放出 CO 2機制提高溫室內(nèi) CO 2 濃度。 據(jù)研究， 在畜菜互補系統(tǒng)中， 一頭 80Kg 育肥豬， 在維持栽培溫室 CO 2 濃度 1403 3964mg/L的條件下， 每頭豬可供應 21 39m 2 番茄的生長需求， 番茄產(chǎn)量和產(chǎn)值分別是對照的 2.4 倍和 1.4 倍， 增收效果非常明顯。農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境控制還包括土壤濕度、礦物養(yǎng)分、 有害氣體含量等對象。 目前調(diào)控手段已從單因子的控制向綜合考慮環(huán)境因子的相互影響、 以同一環(huán)境因子為基準（如太陽輻射）、 其它環(huán)境因子為變量進行處理的多因素環(huán)境控制方向發(fā)展， 并將專家系統(tǒng)和人工智能控制等技術(shù)引入農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境控制系統(tǒng)之中， 科技含量和自動化水平不斷提高， 為農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境調(diào)控技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 &nbsp; 1 、 &nbsp;陜西省咸陽農(nóng)業(yè)氣象科研所 &nbsp;712034 &nbsp; 2 、 &nbsp;中國農(nóng)業(yè)大學 &nbsp;100094</p>