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设施环境及调控技术研究进展

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摘要:设施农业属于高效农业,不仅能够提高土地利用效率,满足周年生产和供给,还能解决农业生产中高投入低产出的矛盾。设施内光照强度、温度、湿度和CO2浓度等环境因素对作物生长至关重要,对这些环境要素的调控在很大程度上决定着作物的产量和品质。本文综述了近年来我国设施栽培环境调控技术的研究进展,以期为今后的研究和应用提供理论指导。

关键词:热环境;光环境;气体环境;调控;研究进展

设施农业是利用必要的设施和设备创造相对可控的环境条件,以实现集约化生产、高效栽培、可持续发展的现代农业生产方式。近年来,我国设施装备和信息技术更新和进步较快,设施农业已成为现代农业的重要组成部分[1]。自20世纪90年代以来,因设施栽培具有高效、高收益等特点,在我国得到大面积推广应用。目前,以日光温室和塑料大棚为主的设施栽培已成为促进农民经济收入增加,调整农业经济发展的重要着力点。据统计,2016年设施蔬菜面积为370.1万公顷,总产量2.6亿吨、人均近190千克,产值近万亿元,设施栽培发挥了显著的经济效益。虽然生产规模迅速扩大,但与一些发达国家相比较,我国设施农业的生产质量和管理水平仍存在一定差距。科学的设施环境调控是实现设施农业健康高效发展的重要因素,设施环境包括温度、光照、湿度、CO2浓度等诸多因子,该类因子除了受外界气候因素影响外,还受设施结构本身及生产中操作水平的影响,而这些因子又能够直接影响栽培作物的产量、品质和经济效益等指标。因此,如何调控设施环境因子使其与作物生长规律吻合并保持稳定性成为科研工作者研究的重点。当前日本、荷兰、以色列、美国等发达国家已经可以根据温室作物的要求和特点,实现对温室内温度、光照、水分、气体、肥料等诸多因子的自动调控[2]。但我国的一些相关研究仍处于摸索阶段,与国外先进的技术相比较还欠成熟。因此,本文针对我国关于设施环境调控技术的一些相关研究结果进行了综述,以期为优化设施结构,实现能源节约,促进设施内作物高产、高效、优质生产,并为设施环境的自动化和智能化控制提供理论支持。

1热环境及其调控技术

1.1保温技术设施的保温效果

对于节约地球能源、提高设施栽培经济效益具有重要意义,因此设施保温和节能效果一直是人们关注的主要问题之一。我国大部分地区属于冬冷夏热的气候,温室环境控制的能耗相对较大。据统计,大型加温温室能源成本占运行成本的40%~60%(不含夏季降温能量消耗)[3]。所以,在建造温室时,应首先考虑温室的保温性和节能性,尽可能减少热量损失,并降低能耗。根据实际情况,因地制宜,科学选择温室的结构和类型,合理选择内保温和外保温覆盖材料,是提高作物对热能的利用率的重要途径。

1.1.1墙体保温

日光温室墙体不但能够起到承重作用,而且是白天蓄热,夜间放热的主要热能载体,因此在温室保温方面起着重要的作用,管勇等[4]研究表明,温室墙体的放热量可达到温室内土壤放热量的49%~53%。前人对各种墙体的保温蓄热能力进行了大量相关研究,李明等[5]认为一般日光温室墙体按材料组成种类可分成两类,一是单一材料构成的实体墙,二是多种材料组合的复合墙。张晓丹等[6]对陕西杨凌日光温室的保温效果进行研究表明,利用内嵌板和封闭空腔的粘土砖外墙结构可以提高温室保温蓄热能力。李连旺[7]通过试验表明,异质复合墙体蓄热性能优于夯实土墙、纯砖墙和聚苯板墙,而且综合墙体蓄热和散热两方面来看,内部砖墙和外部聚苯板异质复合墙体的性能要优于砖墙内部夹聚苯板的异质复合墙体。所以,只有将温室墙体的内填充材料与墙体结构科学合理搭配,才能使蓄热能力和隔热能力达到平衡,使温室保持较好的保温性能。

1.1.2外保温材料

草苫在设施栽培中比较实用经济,一直是农户的首选,但因其不耐雨淋,易腐烂,耗费人工多等原因,在一些新发展的设施种植区逐渐被更加轻便、保温性能更好、便于卷帘机操作的新型保温材料所替代。应用新型保温材料是提高日光温室保温性能重要措施之一,人们为了使保温效果达到最大化,进行了更多覆盖物的保温性试验。研究表明,多层保温方式结合使用可进一步提高保温效果,每増加一层覆盖物,可以提高夜温1~2℃,其保温效果具有累加效应[8]。人们也对墙体保温材料进行了研究,于锡宏等[9]以日光温室典型夹芯墙体为对照,在其他参数一致前提下,对比墙体相同热阻值下墙体不同保温材料(聚苯乙烯泡沫板,聚苯乙烯挤塑板,酚醛酯板,聚氨酯)的应用效果,发现聚氨酯外保温复合墙体表现最优,聚苯乙烯挤塑板外保温处理效果次之,酚醛酯最差。近几年,科研人员又将相变材料置于温室内墙[10,11],利用材料相变储放热的功能提高温室内墙储放热量的性能。但因盛装和密封相变材料困难和价格昂贵等问题,使得相变材料墙体还在试验研究阶段,大面积推广应用尚待时日。

1.1.3内保温材料

温室覆盖材料主要为塑料薄膜、玻璃和阳光板,我国设施覆盖材料以塑料薄膜为主,只有在科研、育苗和高附加值的花卉温室生产中玻璃和阳光板才应用较多。市场上国产塑料薄膜主要有聚氯乙烯(PVC)膜、聚乙烯(PE)膜、EVA膜和PO膜;国内应用较多的外国塑料薄膜为希腊的PEP利得膜和以色列的吉尼嘉膜。近年来科研工作者和企业研发并推出了各种新型多功能塑料薄膜,这在一定程度上改善了设施栽培中的温度和光照等环境条件。以色列吉尼嘉棚膜专家通过在棚膜内加入红外线组合剂,生产出节能保温膜,与国产棚膜相比,吉尼嘉保温膜可提高夜间植物上部平均最低温度2℃左右,增幅可达13.16%,棚顶平均最低温提高22.29%[12]。众多研究表明,涂覆型EVA棚膜保温性优于内添加型EVA和PVC棚膜[13],涂覆型消雾无滴膜可增加番茄单位面积产量[14],提高桃果实品质[15]。另外,棚膜中加入转光剂可提高保温性和透光率[16,17],并可明显提早莴苣[18]和甘蓝[19]等蔬菜上市时间,提高单位面积产量,改善内在品质。不同颜色棚膜对作物生长发育影响不同,研究发现紫色膜可促进番茄和茄子生长,提早开花,提高产量,优化品质[20],绿色膜可促进生姜苗期生长并提高产量[21]。

1.2加温技术

我国日光温室的加热设备类型较多,目前采用较多的是热水锅炉和热风炉。加热设备按燃料类型分为煤炭、汽油、天然气、生物质以及电加热等。但采用煤、油等作为能源的常规加温方式存在加温效率低、能耗高、环境污染等缺点,不符合节能环保生产理念。为发展现代化农业,促进节能减排、实现绿色低耗生产,科研人员对温室加温技术开展了众多研究。研究表明,采用碳晶面板、毛细管等新型散热末端进行根区加温比传统空气加温可节约28%的能耗,但因成本较高,所以仅应用于育苗或盆栽花卉等附加值高的作物生产[22]。柴立龙等[23]研究表明,使用水源热泵系统可将温室的平均地面温度提升至18.4℃,但该系统投入成本高,设备操作复杂,推广难度较大。王永维等[24]设计的温室地下蓄热系统可将白天温室内的空气热能储存在地下,晚上释放出来加温,能够提高地温5.5℃以上,但由于能量分散,该加温系统能量利用率低、能耗大。张东凤等[25]研究表明,运用太阳能-空气能两种能源加温系统比单独运行空气能加温、电加温在节能方面效益明显,可节能10%以上。柯行林等[26]发现相比主动蓄放热加热空气系统,主动蓄放热加热基质系统可提高基质温度2.5~5.3℃,并能够提高番茄株高及产量(增产43%)。综合来看,新型温室加热技术多种多样,加温优点突出,但也因成本高、投入大等缺点而减缓其推广进程。

1.3降温技术

研究发现,保护地设施内温度白天过高会降低植株光合生产能力,减少坐果率,并抑制果实颜色形成[27]。所以在保护地栽培中,春末、夏季和早秋白天需要进行降温。人工降温的主要措施包括自然通风降温、遮荫降温、喷雾降温、风扇换气降温和利用水帘降温等。遮阳降温包括遮阳网和遮阳幕两种,采用遮阳网可以直接把太阳辐射遮挡在温室外,一般可降低室内气温2℃左右。但在连栋温室或者标准化日光温室使用时,外遮阳系统需要安装相应的骨架和抗风雨系统,投入成本较高。遮阳幕降温效果也比较显著,正午前后铝箔遮阳幕覆盖下的室温要比无幕布的室温低5℃左右,且根据遮阳幕材料的铝箔覆盖面积,遮阳率可在20%~99%调节[28]。喷雾法降温幅度可达7℃,但喷雾法易造成水资源浪费,降温效率低[29]。湿帘风机可将夜间温室内平均气温降低1.2℃,但也使相对湿度增加10%,增加番茄裂果率,降低果实商品性[30]。孙维拓等[31]研究发现水源热泵系统具备良好的节能、节水效果,可有效降低试验温室内气温,平均温度比自然通风的对照温室低2.6~2.9℃;同时,试验温室内气温低于室外气温,平均温差为1.6~1.7℃。因此,生产中需根据具体设施结构、种植作物及经济情况具体选择降温调控措施。

2光环境及其调控技术

2.1设施方位和结构

科研人员一致认为合理的采光屋面和科学的保温蓄热结构是节能型日光温室必须具备的条件,依据日光温室采光设计理论确定最佳采光屋面角和采光面形状是优化日光温室结构的重要手段[32,33]。张利华等[34]研究表明,设施内的光透射率不受薄膜材质影响,而是受光照入射角的影响。日光温室所在的地理纬度和太阳高度角等参数都会对温室的实际光能截获量有影响,所以太阳辐射的进入量很大程度上影响着温室内气候变化[35]。为进一步优化日光温室的采光性能,李清明等[36]提出山东地区日光温室合理采光时段30.4°~34.6°为最佳屋面角,下挖壁面在室内的阴影率不宜超过15%,10~12m跨度的日光温室下挖深度宜在0.8~1.1m。因此选择科学合理的屋面结构和温室朝向是使日光温室具备较佳采光性能的前提。

2.2补光技术

人工补光可有效提高植物光合效率、产量和品质。在温室大棚中,特别是在阴雨天、雾霾天气或者冬天光照不足时使用植物补光灯,不仅促进棚内植株生长,缩短花期,提前上市,还可以解决因日照不足导致的设施蔬菜品质下降等弊端,增加经济效益[33]。目前植物补光灯种类主要有荧光灯、金卤灯、高压钠灯、低压钠灯、高压汞灯、LED灯等。植物可以利用的全部光谱范围是640~660nm和400~500nm两个区间,所以植物生长的适宜光源在蓝光区和红光区,植物生长补光灯的有效波谱是红橙光和蓝紫光。不同的补光灯各具特点,生产上应根据设施作物类型及其需光范围选择对应补光灯,可使得补光灯的配置日趋专业化和标准化。

2.2.1荧光灯

荧光灯光谱中没有红外线,其中红橙光约占45%,蓝紫光约占15%,黄绿光约占40%,总有效生理辐射在75%~80%,常用作组培室标准光源。荧光灯的最大优势在于成本低,其成本不足高压钠光灯的1/3。近年来,荧光灯不断更新换代,功能也逐步完善。研究发现,全光谱T12灯管非常适合在草花和非洲紫罗兰等需要低照度的作物育苗中应用。另外,T5灯管可提供更优质的光谱,适合应用于花芽分化,并提高花的品质[37]。

2.2.2金卤灯

金卤灯属于高压气体放电光源,其寿命为8000~15000h。金卤灯光谱中红橙光约为23%,蓝紫光约为39%,黄绿光约为38%。金卤灯具有发光效率高、显色性能好、寿命长等特点,是一种接近日光色的节能光源,被广泛应用于设施生产中。金卤灯的光色可随不同的金属卤化物成分而改变,但一般在蓝-紫区域发出的光更多。为调节光质和节约能耗,在作物生长环境下,可以将金卤灯和高压钠灯按1∶1搭配安装使用[38]。

2.2.3高压钠灯

高压钠灯使用时发出金白色光,寿命20000h左右,能达到金卤灯的2倍。该灯具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不锈蚀等优点,是目前温室中最常用的人工补光光源。但高压钠灯亦有不足之处,即它发出的光中蓝光比例很低,育苗时如果单独使用钠灯补光,可能导致幼苗徒长。因此,使用时可把高压钠灯配合金卤灯一起使用。国内外研究和实践应用表明,高压钠灯作为植物生长光源更适用于植物生长周期的开花和结果阶段[39,40],采用高压钠灯补光可影响草莓果实中花青素的合成,补光后草莓果实色泽更加鲜艳诱人[41]。

2.2.4LED灯

LED灯由红色和蓝色芯片组合而成,因为缺少其它光谱所以两种颜色混合在一起就变成了紫色。近年来,因LED灯具节能、环保、冷光源、体积小、发光效率高、波长可以精准选择等特点,利用LED补光的研究越来越多。随着现代农业的不断发展,节能光源LED有望代替现有植物生长光源,实现作物的高效生产,具有广阔的发展应用前景,但其局限性在于成本较高,且输出流明不高,只有靠近植物时才能起作用。

2.3遮光措施

为防止中午强光照射,生产上可通过在大棚膜上泼泥浆和洒墨汁等传统方法遮阳,但效果最好的还是采用遮阳网遮阳降温。遮阳网不仅可以遮挡部分光照,避免作物遭受强光照射,还可以为作物生长提供适宜的生长环境。在连栋温室生产中则主要采用外遮荫-遮阳网和内遮阳-遮阳幕等方式进行遮光。另外,在欧美和日本等国家温室生产中,新型的遮阳降温涂料已得到广泛的应用,鉴于其方便实用性,今后在我国设施农业中也会逐步发展为遮阳的主导措施。

3CO2气体调控技术

CO2是植物进行光合作用的重要原料。近几年,随着提质增效、促进新旧动能转换等设施蔬菜发展目标的提出,设施内CO2施肥越来越受到广大种植者及科研人员关注。为维持温室内作物的正常光合需要,农民主要通过增施有机肥和通风等方法来补充CO2,但因温室密闭无风等原因,即使通风也无法完全解决CO2亏缺问题。其它设施内增施CO2的方法主要有CO2钢瓶法、有机堆肥法、化学反应法、风送式风机补充法、种植食用菌法等。在设施农业发达的荷兰、日本等国20世纪已普遍使用安全、洁净、浓度可控的钢瓶法[42]。我国北方日光温室于20世纪90年代在生产中试验应用碳铵硫酸反应法、燃煤后废气过滤法和钢瓶法来增施CO2[43],但因其操作不方便及设施内缺乏CO2调控装置及监测系统,导致CO2施肥技术的推广应用受到限制[44]。为补短板,我国对设施内CO2自动检测系统的研究日益完善。温竹等[45]则采用低功耗CO2传感器和工业级JN5148模块,研发出一套温室CO2浓度测量系统,经试验证明,该系统运行稳定,可实现温室内CO2浓度的实时监测,能够为温室内CO2施肥提供可靠的数据支撑。

4未来研究方向

本文从热环境调控、光环境调控和温室气体CO2调控三个主要方面进行了综述,从设施本身结构问题到外部人工辅助调控等手段均有涉及,除此之外农业设施环境控制还包括土壤(基质)湿度、矿质营养、设施内产生的有害气体含量等因素,这将在以后的专题综述中继续讨论。随着科技的不断进步和研究的不断深入,科研工作者和生产企业逐步将人工智能控制和专家管理系统等先进技术应用于设施环境调控当中,进而实现设施调控手段的智能化和自动化,从而实现设施栽培环境管理的现代化。今后,农业设施环境的相关试验数据还要与植物生长所需要的适宜环境条件相结合,通过系统研究采集大数据,建造作物生长模型,分析其变化规律,然后与专家管理系统相整合,为农业设施环境调控技术的发展奠定相关技术基础,以实现环境与作物各生长发育阶段的科学调控。

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作者:焦娟1,2;魏珉1,3;李岩1,3;谷端银2 单位:1.山东农业大学园艺科学与工程学院,2.泰安市农业科学研究院,3.农业部黄淮海设施农业工程科学观测实验站

设施环境及调控技术研究进展责任编辑:张雨    阅读:人次
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