农业设施环境中光、热、湿、CO2浓度等要素调控及应用技术研究进展

       GREENHOUSE HORTICULTURE   9研究报道热环境调控技术及应用热环境调控以其调控目的不同， 表现为保温、 降温、 增温、 变温等四种不同的调控措施。保温技术及应用效果设施结构确定以后， 该设施采光面白天所能采集到的太阳辐射的多少也就基本确定了。 如何有效地将白天蓄积的太阳能储存于室内， 是热环境调控必须解决的问题。外围护结构与热环境的关系就单屋面温室而言， 其外围护结构包括采光面覆盖物和墙体两部分。 墙体兼有隔热和储放热两个功能。 研究发现， 50cm厚的土墙， 白天夜间均为吸热体， 不能达到白天吸热， 夜间放热的功能要求。 因此，纯土质墙体建造厚度一般要求达到 100 150cm 。 而采用总厚度为 48cm 空心夹层砖墙结构的异质复合墙体 （自室内向外为 ： 砖 12cm 填珍珠岩 12cm 砖 24cm ）。白天温室升温阶段， 墙体作为热汇吸收热量， 是吸热体， 而夜间降温阶段， 内侧墙体作为热源向室内释放热量， 起到平衡调温作用。 异质复合墙体， 其内侧由吸放热能力较强的材料组成蓄热层 ； 外侧由导热、 放热能力较差的材料 （如加气砖） 构成保温层 ； 中间是轻质、 干燥、 多孔、 导热能力极差的隔热层。 据计算， 中间夹层为珍珠岩的墙体内侧在 15 时 8 时放热期间， 放热强度为 37.9W/m 2 ， 无填充物的后墙 15 时 4 时放热强度仅 2.9W/m 2 。 其储热保温能力明显降低。 采光面透光材 料对温室的保温能力具有重要影响。 据观测，PVC 透光膜对红外线透射率仅为 20% ， 而 PE透光膜对红外线的透光率达到 80% 左右， 而日光能量的 50% 为波长 0.76 2.0 m 的农业设施环境 中 光、 热、 湿、 CO 2 浓度等要素调控及应用技术 研究进展   李化龙 1   陈端生 2   尚小宁 1红外线所有， 所以在选择采光面材料时，除考虑透光性能外， 其保温性能也应是一个考虑因素。对双屋面单栋或连栋温室， 采光面采用双层塑膜结构， 可大大提高温室的保温性能。 双层塑膜结构的透光膜中间由风机充入空气， 在两层塑膜之间形成一定厚度的气层， 利用空气透光性强而导热率低的特性，白天让太阳光透过的同时， 降低通过采光面向外的热流量。 据研究， 采用双层充气结构，采光面传热系数为 4.0W/ （ m 2 K ）， 单层塑膜为 6.8W/ （ m 2 K ）， 传导热损率降低 41% ，从而达到提高热能利用率的目的。覆盖材料与热环境的关系覆盖材料主要用于增加透光面夜间的热阻。 传统的覆盖材料有草帘、 蒲席、 棉被、 无纺布等不同类型。 据研究， 草帘的保温能力一般为 5 6 ， 蒲席 7 10 ，双层草帘为 14 15 ， 棉被为 7 10 ，草帘上加一层由四层牛皮纸复合而成的纸被， 保温能力还可提高 3 5 。 室内架设保温幕 （ PE 膜或无纺布）， 具有 1 3 的保温能力。由于传统覆盖保温材料具有笨重、 易吸水、 易污染采光面、 机械化操作困难等缺点， 在研制新型换代保温材料工作上取得了一定进展。 主要由微孔泡沫塑料、 毛毡、蜂窝塑膜及防水材料构成， 重量仅为传统草帘的 10 % 30 % ， 保温效果与草帘相当。地中热交换系统对热环境的改善温室具有较好的密闭保温性能， 即使在寒冷的冬季， 也时常有因温度上升过高而需通风降温的现象出现， 使冬季温室宝贵的热资源因通风降温而白白浪费。 为蓄积白天富余热量并于夜间温降时补充室内摘要   综述了国内近年来有关农业设施环境中光照、 温度、 湿度、 CO 2 浓度等要素调控及应用方面的研究进展。 讨论了日光温室生产中存在的主要农业气象问题及相应的解决对策。关键词   设施农业  日光温室  气象要素  调控随着我国市场经济的不断发展， 以高产、 高效、 优质为基本特征的设施农业栽培技术得到迅速推广， 栽培面积超过 86万 hm 2 。 设施农业与传统农业相比较， 其主要特点是具有外围护结构， 对不利于农作物及畜、 禽等生长发育的自然环境条件进行调控， 以达到在不利自然条件或反季节条件下进行农业生产的目的。 因此， 光照、温度、 湿度、 CO 2 浓度等农业设施环境要素的调控技术及应用效果在很大程度上决定着设施农业生产的成败和生产效益的高低。 研究和掌握农业设施环境要素的变化特点及相关调控和应用技术， 具有重要现实意义。 本文拟从光照、 温度、 湿度、CO 2 浓度四方面就我国近年来农业设施环境要素调控技术的研究与应用现状作一概要论述。温室园艺10   GREENHOUSE HORTICULTURE热量不足， 一些日光温室采用了地中热交换系统。 该系统在 40 60cm 地下铺设通风管道， 与轴流风机相连， 在白昼高温时段， 风机使室内热空气从地中管道流过，向土壤层贮热 ； 夜间温度过低时， 风机使室内低温空气流过管道， 由土壤加热空气，使气温升高。 运行结果表明， 白天贮热阶段，出风口温度较进风口温度降低 6.5 7.5 ，夜间放热阶段， 出风口较进风口温度升高4.5 5.3 ， 从而达到有效改善温室昼夜热环境的目的。 在连续阴天的情况下， 运行该系统， 仍具有提高夜间温度的能力。微灌对改善温室热环境的影响目前， 传统的大水漫灌仍然是一些地方温室灌溉用水的主要方式。 这种灌溉方式， 一方面由于灌溉用水温度较低，灌溉后引起地温大幅下降 ； 另一方面由于用水量较大， 水分蒸发消耗大量汽化热， 恶化温室热环境。 采用滴灌等微灌技术 ， 可有效改善这一状况。 以哈尔滨为例， 4 月下旬温室滴灌与沟灌相比， 提高气温 0.5 ， 提高 5cm 地温 3.2 ， 5 月上中旬提高地温 2 左右， 效果明显。地膜覆盖对温室热环境的改善自然条件下， 地温高于一般气温。 在温室小气候条件下， 经常出现地温低于气温的情况。 长时间地温过低， 使根系产生生理障碍， 最终影响地上部分正常生长。采用地膜覆盖措施， 可使地温平均提高2 4 ， 对协调作物地下地上部分生长有重要意义。 实际工作中经常发现， 地表覆盖地膜后 2 3min ， 膜下就有水汽凝结，水汽凝结形成的小水珠布满地膜下表面，使地膜对太阳辐射的反射率大为增加， 一般可达到 30% 40% ， 这样， 地膜对太阳能的透射率大大降低， 从而影响其增温效果的充分发挥。 如能在地膜生产中引入无滴技术， 抑制地膜下表面水汽凝结成滴，提高地膜透光率， 对改善地温特别是温室地温条件具有积极意义。增温技术及应用效果当温室有可能出现接收和贮存的热量不足以维持作物生长所需温度的情况时， 应考虑采用加温设备改善温室热环境条件。燃烧加热技术对单屋面温室， 一般采用在北墙处安装烟道的形式， 实现对温室的加温， 所需设备和技术较为简单。对现代化大型连栋温室， 由于缺少单屋面温室墙体贮热及室外覆盖的保温条件， 加热措施是其维持正常生产必不可少的环节。国外大型现代化温室生产管理技术较为成熟。 我国在大型温室发展初期， 多以成套技术设备引进为主。 由于受冬季蒙古高压的影响， 我国大部分地区冬季气温比同纬度其它国家显著偏低。 如东北地区 1月份偏低 14 18 ， 黄淮地区偏低 10 14 ， 长江以南偏低 8 。受这一特殊气候背景条件的影响， 从国外全套引进的现代化温室， 在我国因运行成本过高而难于盈利。 例如， 1996 年，上海引进 15hm 2 大型温室， 设备及配套费用500 900 元 /m 2 ， 运行成本 3.48 万元 / hm 2 ，其中 30% 40% 为燃料成本， 一个冬季耗煤 600 1200 吨 / hm 2 ， 处于不计折旧勉强保本的经营状况。 因此， 研究开发适合我国能源消费水平和气候资源条件的温室加温技术显得尤为重要。近年来， 中国农业大学在这方面取得了一定成果， 开发出了华北型连栋塑料温室， 该种类型温室通过双层充气膜覆盖、活动式保温内幕、 地中热交换、 北山墙蓄热、 双层充气卷帘等先进成熟技术的集成组装， 形成了具有中国特色的现代化大型节能温室， 使北京地区冬季加热期由 5 个月缩短至 3 个月， 节能效果显著。灌溉用水加热技术西北干旱地区地下水位很低， 大部分地区没有机井灌溉的条件， 主要靠引黄河水灌溉。 冬季属农业用水低谷期， 不能保障温室灌溉用水， 即使有蓄水池蓄水， 也因冬季结冰而无法灌溉。 为此， 开发出一种日光温室柔性蓄水技术， 较好地解决了干旱地区日光温室冬季灌溉用水问题。该 技术在专用日光温室内建造柔性蓄水池， 利用日光温室接收和贮存的能量， 提高池内水温， 避免水体冻结， 便于灌溉， 同时不使灌溉地段因灌溉而大幅降温。 该项技术在 12 月下旬室外气温 -4.5 条件下， 可使室内气温达到 27.5 ， 水温达到 10 以上， 可供 8 栋50m 7 m 温室一个生长期用水。降温技术及应用目前， 温室生产中较为成熟的降温技术主要有换气降温、 蒸发降温和遮阳降温等几种形式。通风换气降温对单屋面日光温室而言， 在室内温度较高时， 通过换气窗口排出热空气， 实现降温目的。 对大型连栋温室， 可通过风机和天窗实现换气降温。 该技术在室内外温差较大时， 降温效果明显。遮阳降温遮阳降温技术是通过遮挡或反射采光面太阳辐射的射入量达到降低室内温度的目的。 主要有遮阳网和缀铝箔反射型遮阳幕两种形式。 采用遮阳网， 室内气温一般可降低2 左右。 铝箔反射型遮阳幕依其铝箔面积所占比例不同， 遮阳率在 20% 99% 可调。蒸发降温该方法利用水分蒸发吸收汽化热的原理降低温室温度， 主要有湿帘蒸发降温和雾化蒸发降温两种方式。湿帘是由梭椤状纸板层叠而成的幕墙，墙内有水分循环系统。 借助轴流风机形成室内负压， 室外空气流经湿帘， 经湿帘内图片提供 ： 北京碧斯凯农业科技有限公司GREENHOUSE HORTICULTURE   11水分蒸发吸热， 形成低温气体流入室内， 起到降温作用。 降温幅度一般可达到 2 4 。雾化降温的基本原理是普通水经过滤后， 加压 （ 4MPa ）， 由孔径非常小的喷嘴 （直径 15 m ）， 形成直径 20 m 以下的细雾滴， 与空气混合， 利用其蒸发吸热的性质， 大量吸收空气中热量， 从而达到降温目的。 降温幅度可达 7 ， 降温效率较湿帘提高 15% 。蒸发降温的降温幅度与空气相对湿度密切相关， 理论上可达到湿球温度的水平。变温管理技术及应用根据作物光合和呼吸过程以及部分作物有 “午休” 现象的特性， 在温度管理上采用四段变温管理技术， 不但可以达到节能目的， 而且还可以获得最适产量。四段变温管理的原理 ： 上午， 作物光合作用效率较高， 需要较高的温度配合， 以使作物光合作用充分进行 ； 午后， 作物需转化上午的光合产物， 出现光合效率下降趋势， 此时需适当降低温度， 抑制呼吸 ； 前半夜， 需转移同化产物， 如温度太低， 转移速率较慢， 需适当加温 ； 后半夜， 降低温度， 抑制呼吸消耗。近年来， “差温” 概念及调控技术在国外温室生产中得到应用。 所谓差温， 即夜温与昼温的差值。 研究结果表明， 一些植物的节间长度与差温成反比。 生产中为获得理想株型， 生产商通过升高夜温， 降低昼温的方式进行温度调控， 该温度管理模式在一品红等花卉生产中对塑造花卉株型效果明显。光环境调控技术及应用光环境调控是设施农业中仅次于热环境调控的另一重要措施。 “有收无收在于温， 收多收少在于光”。 光环境调控一般从补光、 遮光两方面实施相应技术。反射补光在单屋面温室后墙悬挂反光膜可改善温室的光照条件。 反光膜一般幅宽为 1.5 2.0m ， 长度随室温长度而定。 该技术可改善温室内北部 3m 范围内的光照和温度条件。 使用时应与北墙蓄热过程统筹考虑。低强度补光对感光作物， 为满足作物光周期需要而进行的补光措施。 补光强度仅需 22 45Lx ， 目的是通过缩短黑暗时间， 达到改变作物发育速度的目的。高强度补光为作物进行光合作用而实施的补光措施。 一般情况下在室内光照 <3000 Lx ， 可采用人工补光。李萍萍等对镝灯 （生物效能灯）、 高压钠灯、 金属卤化灯三种光源测定结果表明，镝灯补光效果最好， 其光谱能量分布接近日光， 光通量较高 （ 70Lx/W ）， 按照每 4m 2安装一盏 400W 镝灯的规格， 补光系统可在大阴天使光强增加到 4000 5000Lx ， 比叶菜类作物光补偿点高出一倍左右。高压钠灯理论光通过量很大 （ 100 Lx/W ），但 实际测试结果远不如镝灯， 同样安装密度条件下， 400W 钠灯下垂直一米处， 光强从 2200Lx 提高到 3200Lx （镝灯可提高到5000Lx ）。 此外， 钠灯偏近红外线的光谱能量的比例较大， 色泽刺眼， 不便灯下操作。金属卤化灯是近年发展起来的新型光源，理论发光效率较高， 但测定结果不如钠灯， 且聚焦太集中， 不适合作为温室补光之用。紫外线补光紫外线是波长 0.05 0.40 m 的电磁波， 其中 0.28 0.32 m 称为保健波段， 对动植物具有很强的生理效应。 紫外线补光在畜、 禽舍应用较多， 适宜剂量问题国内外争论较大。 前苏联农业电气化研究所推荐剂量为 50mW h/m 2 ， 游小杰等对鸡舍紫外线补光适宜量进行了研究。 在 50mW h/m 2 、233mW h/m 2 紫外线强度下， 与对照相比，鸡的产蛋率分别提高 3.2% 和 7.6% ， 蛋壳厚度分别增加 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% ， 效果不错。由于玻璃、 塑膜等透光材料对紫外线的吸收率较大， 温室内紫外线条件与可见光相比，紫外线处低水平状态。 现有文献表明， 对因臭氧层破坏导致地面紫外线辐射增强后对作物的不利影响研究较多， 而温室条件下紫外线的不足以及在人工补充紫外线方面的研究尚不多见。 有研究认为， 茄子等作物果实着色度与紫外线照度有一定关系。 对温室番茄人工补充紫外线 B （ Uv-B ， 0.28 0.32 m ）， 可提高番茄红素含量 10% ， 提高维生素含量 16% 。 Uv-B与红光复合处理， 番茄果实的含糖量、 酸度、番茄红素的含量明显增加， 增加量分别为34% 、 35% 和 22.5% ， 维生素含量与单独Uv-B 处理相当。湿环境的调控技术湿环境的调控主要有加湿和降湿两套操作过程。 由于温室基本上都处于高湿环境，加湿调控应用较少， 如需加湿， 借助降温操作中使用的湿帘、 雾化等技术， 均可达到增湿效果。 温室降湿可通过室内外换气、 地膜覆盖、 膜下灌溉、 滴灌、 化学吸水除湿和热交换除湿等技术达到目的。 其中采用滴灌技术降低温室湿度比较经济有效。 据研究， 采用滴灌技术， 在 7 时 17 时通风期， 空气相对湿度比膜下灌溉降低 10% ， 停止通风后，膜下灌溉湿度达到 100% ， 滴灌仅 85% 。CO 2 浓度的调控受密闭环境条件影响， 从日出开始， 作物开始光合作用， 大量消耗 CO 2 ， 不到 2h使温室内 CO 2 浓度降到 300mg/L 以下， 中午前后降到 200mg/L 。 因此， 温室白天CO 2 含量严重亏缺， 作物在绝大部分时间内处于饥饿状态， 人工增施 CO 2 不仅可以增产， 而且可以改善品质。温室 CO 2 来源可归纳为有机质分解、炭等化石燃料类燃烧、 液态和固态 CO 2 气化、 碳酸盐加稀酸的反应及畜菜、 菌菜互补等方式。 其中畜菜、 菌菜互补主要是利用动物和菌内呼吸和生长过程放出 CO 2机制提高温室内 CO 2 浓度。 据研究， 在畜菜互补系统中， 一头 80Kg 育肥猪， 在维持栽培温室 CO 2 浓度 1403 3964mg/L的条件下， 每头猪可供应 21 39m 2 番茄的生长需求， 番茄产量和产值分别是对照的 2.4 倍和 1.4 倍， 增收效果非常明显。农业设施环境控制还包括土壤湿度、矿物养分、 有害气体含量等对象。 目前调控手段已从单因子的控制向综合考虑环境因子的相互影响、 以同一环境因子为基准（如太阳辐射）、 其它环境因子为变量进行处理的多因素环境控制方向发展， 并将专家系统和人工智能控制等技术引入农业设施环境控制系统之中， 科技含量和自动化水平不断提高， 为农业设施环境调控技术的进一步发展奠定了技术基础。   1 、  陕西省咸阳农业气象科研所  712034   2 、  中国农业大学  100094