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无土设施栽培环境的调控技术
nctudi.com 来源:农业之友 时间:2018-06-12 14:21:02

但是,实际上外界环境对作物生长与产量的影响是综合的,而不是单因子的。同时作物生长最适的环境,不仅因蔬菜种类品种的不同而不同,而且不同栽培季节和不同生长发育时期也是不同的,这就增加了环境调控技术的难度和复杂性。

  一、保护设施环境的调控原则与目标

  环境保护设施利用自然创造自然,为植物生长发育提供适宜的环境条件。由于设施覆盖物的屏障作用,使温室产生与外界不同的特殊环境,可以保护作物免遭风、雨、杂草、虫害、病害等的干扰和危害,也可以使生产者在外界不适合的条件下进行生产。温室与外界的隔离,使得加温、施用CO2、有效地使用化学和生物控制技术进行植物保护等措施成为可能。温室内单位面积的高产,使得种植者能够和愿意投资先进设备,如无土栽培、补光、保温/降温幕、活动床栽培式等,以改善和简化生产。因此,温室生产属于精细、高级的作物生产形式,通常把其与温室工业相连,称之为温室工程,整个过程强调技术的作用。由于先进设备的安装,温室的环境可以控制。温室环境控制是设施栽培中非常重要的工作,它能使种植者不依赖外界气候,控制生产过程。对于作物生长、生产及产品质量来说,环境控制水平高低在一定程度上起决定性的作用。因此,在温室环境控制中,最重要的目标是降低成本、增加收入。

  达到这一目标的具体指标可以简单归纳如下:①提高单位面积产量;②合适的上市期;③理想的产品质量;④灾害性气候或险情的预防(风灾、火灾、雪灾、人为破坏等);⑤环境保护;⑥成本管理(如CO2、能源、劳力等)。在此目标的基础上理想化作物生长条件,同时,必须考虑温室生产是一种经济行为,因此环境调控的原则为在总的经营框架范围内操作,要进行经济核算。在这种意义上,环境调控通常被认为是与经营目标相关联,在可接受的成本和可接受的风险范围内,获得产品的优质和高产。环境调控的成本主要来自于用于加热、降温、降湿或补光等的能源消耗,CO2的施用也需要额外的成本,成本的投入必须核算由于额外投入成本所产生的额外经济效益。为此,有目标地调控和改善环境是提高温室作物生产效率的主要途径。

  二、光照条件及其调控

  (一)保护设施的光照条件保护设施内的光照条件包括光强、光质、光照时间和光的分布,它们分别给予温室作物的生长发育以不同的影响。设施内光照条件与露地光照条件相比具有以下特征:①总辐射量低,这成为冬季喜光园艺作物生产的主要限制因子;②光质变化大;③光照在时间和空间上分布极不均匀,尤其高纬度地区冬季设施内光强弱,光照时间短,严重影响温室作物的生长发育。影响设施内光环境条件的主要影响因素是覆盖材料的透光性与温室结构材料的遮光性。因此,要从这两方面入手,研究如何增加室内采光量的设施结构和相应的管理技术,从而改善设施内的光照环境。

  (二)设施内光照条件的调控

  光照是作物生长的基本条件,对温室作物的生长发育产生光效应、热效应和形态效应。因此,我们要加强光照条件调控,采取措施尽量满足作物生长发育所需的光照条件。调控设施内的光照条件,可采取以下几方面措施:1.设施结构建造合理温室采用坐北面南东西延长的方位设计;从采光角度考虑,除现代化温室外,尽量选用单栋式的温室;选用防尘、防滴、防老化的透光性强的覆盖材料,目前首选醋酸乙烯膜(EVA),其次是聚乙烯膜(PE)和聚氯乙烯膜(PVC);选择适宜的棚室的跨度、高度、倾斜角;尽可能选用细而坚固的骨架材料,从而提高室内采光量,降低温室结构材料的遮光。2.加强设施管理经常打扫、清洗,保持屋面透明覆盖材料的高透光率;在保持室温的前提下,设施的不透明内外覆盖物(保温幕、草苫等)尽量早揭晚盖,以延长光照时间增加透光率;北方地区在温室北墙内壁张挂2~2.5m高的聚脂镀铝镜面反光幕,增加光强。3.加强栽培管理加强作物的合理密植,注意行向(一般南北向为好),扩大行距,缩小株距,摘除身苗基部侧枝和老叶,增加群体光透过率。4.适时补光在集中育苗、调节花期、保证按期上市等情况下,补充光照是必要的。补光灯一般采用高压汞灯、卤素灯和生物灯,受条件所限,也要安装普通荧光灯、节能灯。补光灯设置在内保温层下侧,温室四周常采用反光膜,以提高补光效果。补光强度因作物而异。因补光不仅设备费用大,耗电也多,运行成本高,只用于经济价值较高的花卉或季节性很强的育苗生产。5.根据需要遮光或遮黑夏季光照过强,会引起室温过高,蒸腾加剧,植物容易萎蔫,需降低室内光强,生产上一般根据光照情况选用25%~85%的遮阳网。玻璃温室亦可采用在温室顶喷涂石灰等专用反光材料,减弱光强,夏季过后再清洗掉。保持设施黑暗,可选用黑色的PE膜、黑色编织物或编织物。

  三、温度条件及其调控

  (一)设施内温度变化特征无加温温室内温度的来源主要靠太阳的辐射,引起温室效应。温室的温度变化特征是:1.随外界的阳光辐射和温度的变化而变化,有季节性变化和日变化,且昼夜温差大,局部温差明显北方地区,保护设施内存在着明显的四季变化。按照气象学的有关规定,日光温室的冬季天数比露地缩短3~5个月,夏天可延长2~3个月,春秋季也可延长20~30d,所以,北纬410以南至330以北地区,高效节能日光温室(室内外温差保持30℃左右)可四季生产喜温果菜。而大棚冬季只比露地缩短50d左右,春秋比露地只增加20d左右,夏天很少增加,所以果菜只能进行春提前,秋延后栽培,只有在多重覆盖下,才有可能进行冬春季果菜生产。北方冬季、春季不加温温室的最高与最低气温出现的时间略迟于露地,但室内日温差要显蓍大于露地。北方节能型日光温室,由于采光、保温性好,冬季日温差高达15~30℃,在北纬400左右地区不加温或基本不加温下能生产出喜温果菜。2.设施内有“逆温”现象但在无多重覆盖的塑料拱棚或玻璃温室中,日落后的降温速度往往比露地快,如再遇冷空气入侵,特别是有较大北风后的第一个晴朗微风夜晚,温室、大棚凌晨常出现室内气温反而低于室外气温1~2℃的逆温现象。从10月至翌年3月都有可能出现,尤以春季逆温的危害较大。3.温室内气温的分布不均匀一般室温上部高于下部,中部高于四周,北方日光温室夜间北侧高于南侧,保护设施面积越小,低温区比例越大,分布越不均匀。而地温的变化,不论季节与日变化,均比气温变化小。

  (二)设施内温度条件的调控温度是园艺作物设施栽培的首要环境条件,任何作物的生长发育和维持生命活动都要求一定的温度范围,即温度的“三基点”。温度高低关系到作物的生长阶段、花芽分化和开花,昼夜温度影响植株形态和产品产量、质量。因此,生产者将温度作为控制温室作物生长的主要手段被使用。综合各方面因素考虑,明确了作物生长的最适温度与经济生产的最适温度是有区别的,而且所确定的管理温度是使作物生产能适合市场需要时上市,获得最大效益。稳定的温度环境是作物稳定生长、长季节生产的重要保证,温室的大小、方位、对光能的截获量、建筑地的风速、气温等都会影响温室温度的稳定。设施内温度环境的调控一般通过保温、加温、降温等途径来进行。

  1.保温

  日光温室可通过设置保温墙体;加固后坡,并在后坡使用聚苯乙烯泡沫板隔热;在透明覆盖物上外覆草帘、纸被、保温被、棉被等,实施外保温;温室或塑料大棚内搭拱棚、设二层幕;在温室四周挖深60~70cm、宽50cm的防寒沟;尽量保持相对封闭,减少通风等措施加强保温效果。大型温室保温主要采取透明屋面采用双层充气膜或双层聚乙烯板和在室内设置可平行移动的二层保温幕和垂直幕等进行保温。

  2.加温

  当设施温度低、作物生长慢时,可适当加温。加温分空气加温、基质加温、营养液加温。

  (1)空气加温空气加温方式有热水加温、蒸汽加温、火道加温、热风炉加温等。热水加温室温较稳定,是常用加温方式;蒸汽、热风加温效应快,但温度稳定性差;米道加温建设成本和运行费用低,是日光温室常采用的形式,但热效率低。

  (2)地面的加温冬季生产根际温度低,作物生长缓慢,成为生长限制因子,因此,根际加热对于作物效果明显。为提高根际温度,通常将外部直径15~50cm的塑料管埋于20~50cm的栽培基质中,通以热水,用这种方法可以提高基质温度。一些地方采用酿热方式提高地温,即在温室内挖宽40cm、深50~60cm的地沟,填入麦秆或切碎的的玉米秸,让其缓慢发酵放热。在面积较小时也可使用电热线提高根际温度。

  (3)栽培床加热系统无上栽培中,地面硬化后,常常加热混凝土地面。在加热混凝土地面时,一些管道埋于混凝土中,与土壤相比,混凝土材料的传导率常常要更好,所以管道与地表之间的温差要小一些;高架床栽培系统基质层较薄,受气温影响大,在加热种植床时,加热管道铺设于床下部近床处。在NFT栽培中,冬季通常在贮液池内加温,为保证营养液温度的稳定,供液管道需要进行隔热处理,即用铝箔岩棉等包被管道。除上述加温方式外,利用地热、工厂余热、地下潜热、城市垃圾酿热、太阳能等加温方式也可进行设施内加温,有时采用临时性加温,如燃烧木炭、锯末、熏烟等。

  3.降温

  降温的途径有减少热量的进入和增加热量的散出,如用遮阳网遮阳、透明屋面喷涂涂料(石灰)和通风、喷雾(以汽化热形式散出)、湿帘等。

  (1)通风通风是降温的重要手段,自然通风的原则为由小渐大、先中、再顶、最后底部通风,关闭通风口的顺序则相反;强制通风的原则是空气应远离植株,以减少气流对植物的影响,并且许多小的通风口比少数的几个大通风口要好,冬季以排气扇向外排气散热,可防止冷空气直吹植株,冻伤作物,夏季可用带孔管道将冷风均匀送到植株附近。

  (2)遮阳夏季强光高温是作物生长的限制性因素,可通过利用遮阳网遮光降温,一般可降低气温5~7℃,有内遮光和外遮光两种。

  (3)水幕、湿帘和喷雾降温温室顶部喷水,形成水帘,遮光率达25%,并可吸热降温。在高温干旱地区,可设置湿帘降温。湿帘降温系统是由风扇、冷却板(湿带)和将水分传输到湿帘顶部的泵及管道系统组成。湿帘通常是由15~30mm厚交叉编织的纤维材料构成,多安装在面向盛行风的墙上,风扇安装在与装有湿帘的墙体相反的山墙上。通过湿帘的湿冷空气,经过温室使温室冷却降温,并且通过风扇离开温室。湿帘降温系统的不利之处是在湿帘上会产生污物并滋生藻类,且在温室中会引起一定的温度差和湿度差,同时在湿度大的地区,其降温效果会显著降低。在温室内也可设计喷雾设备进行降温,如果水滴的尺寸小于10um,那么它们将会是浮在空气中被蒸发,同时避免水滴降落在作物上。喷雾降温比湿帘系统的降温效果要好,尤其是对一些观叶植物,因为许多种类的观叶植物会在风扇产生的高温气流的环境里被“烧坏”。

  四、CO2及其调控

  CO2是作物进行光合作用的重要原料。在密闭的温室条件下,白天CO2浓度经常低于室外,即使通风后,CO2浓度会有所回升,但仍不及外界大气中CO2浓度高。因此,不论光照条件如何,在白天施用CO2对作物的生长均有促进作用。由于温室的有限空间和密闭性,使CO2的施用(气体施肥)成为可能。我国北方地区冬季密闭严,通气少,室内CO2亏缺严重,目前推广CO2施肥技术,效果十分显著。一般黄瓜、番茄、辣椒等果菜类CO2施肥平均增产20%~30%,并可提高品质。鲜切花施CO2可增加花数开花,增加和增粗测技,提高花的质量。CO2施用不仅能提高单位面积产量,也能提高设施利用率、能源利用率和光能利用率。

  1.CO2施用浓度对于一般的园艺作物来说,经济又有明显效果的CO2浓度为大气浓度的5倍,CO2施肥最适浓度与作物特性和环境条件有关。CO2用量与光照强度、温度、湿度、通风状况等密切相关。日本学者提出温室CO2的浓度在0.01%为宜,但在荷兰温室生产中施用量多数维持在0.0045%~0.005%之间,以免在通风时因内外浓度过大,外逸太多,经济上不合算。一般随光照强度的增加应相应提高CO2浓度。阴天施用CO2,可提高植物对散射光的利用;补光时施用CO2,具有明显的协同效应。

  2.CO2来源CO2来源于加热时燃烧煤、焦炭、天然气、沼气等所产生的CO2,也可专门燃烧白煤油产生CO2,还有用液态CO2或固体CO2(干冰)或在基质中施CO2颗粒气肥或利用强酸(硫酸、盐酸)与碳酸盐(碳酸钙、碳酸镀、碳酸氢铵)反应产生CO2等。目前市售燃烧石油液化气的CO2发生机较多。温室秸秆等有机肥,可发酵释放出大量CO2,方法简单、经济有效,温室基质培生产中多施有机肥,对缓解CO2不足、提高产量效果很显著。栽培床下同时生产食用菌,可使室内CO2保持在800~980umol/mol之间。

  3.CO2施用时间从理论上讲,CO2施肥应在作物一生中光合作用最旺盛的时期和一日中光照条件最好的时间进行。苗期CO2施肥应及早进行。定植后的CO2施肥时间取决于作物种类、栽培季节、设施状况和肥源类型。果菜类蔬菜定植后到开花前一般不施肥,待开花坐果后开始施肥,主要是防止营养生长过旺和植株徒长;叶菜类蔬菜则在定植后立即施肥。而在荷兰,利用锅炉燃气,CO2施肥常常贯穿于作物整个生育期。一天中,CO2施肥时间应根据设施CO2变化规律和植物的光合特点进行。在日本和我国,CQ施肥多从日出或日出后0.5~lh开始,通风换气之前结束;严寒季节或阴天不通风时,可到中午停止施肥。在北欧、荷兰等国家,CO2入施肥则全天进行,中午通风窗开至一定大小时自动停止。CO2施用时应指出的是:①作物光合作用CO2饱和点很高,并且因环境要素而有所改变,施用浓度以经济生产为目的,CO2浓度过高不仅成本增加,而且会引起作物的早衰或形态改变。②采用燃烧后产生的CO2,要注意燃烧不完全或燃料中杂质气体,如乙烯、丙烯、硫化氢、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)等对作物造成的危害。③化学反应产生SO2只作为临时性的补充被采用。国际上规模经营的温室几乎没有用化学反应的方式,因为成本高、残余物的后处理、对环境产生污染、安全性等都待研究。

  五、空气湿度

  1.设施内空气湿度变化特征由于环境保护设施是一种密闭或半密闭的系统,空间相对较小,气流相对稳定,使得设施内空气湿度有着与露地不同的特性。设施内空气湿度变化的特征主要有:

  (1)湿度大设施内相对湿度和绝对湿度均高于露地,平均相对湿度一般在90%左右,尤其夜间经常出现100%的饱和状态。特别是日光温室及中、小拱棚,由于设施内空间相对较小,冬春季节为保温,又很少通风换气,空气湿度经常达到100%。

  (2)季节变化和日变化明显设施内季节变化一般是低温季节相对湿度高,高温季节相对湿度低;昼夜日变化为夜晚湿度高,白天湿度低,白天的中午前后湿度最低。设施空间越小,这种变化越明显。

  (3)湿度分布不均匀由于设施内温度分布存在差异,导致相对湿度分布也存在差异。一般情况下是,温度较低的部位,相对湿度较高,而且经常导致局部低温部位产生结露现象,对设施环境及植物生长发育造成不利影响。

  2.设施内空气湿度的调节空气湿度主要影响园艺作物的气孔开闭和叶片蒸腾作用;直接影响作物生长发育,如果空气湿度过低,将导致植株叶片过小、过厚、机械组织增多、开花坐果差、果实膨大速度慢;湿度过高,则极易造成作物发生徒茎叶生长过旺,开花结实变差,生理功能减弱,抗性不强,出现缺素症,使产量和品质受到影响。一般情况下,大多数蔬菜作物生长发育适宜的空气相对温度50~85%范围内。另外,许多病害的发生与空气湿度密切有关。多数病害发生要求高湿条件。在高湿低温条件下,植株表面结露及覆盖材料的结露滴到植株上,都会加剧病害发生和传播。有些病害在低湿条件,特别是高温干旱条件下容易发生。因此,从创造植株生长发育的适宜条件、控制病害发生、节约能源、提高产量和品质、增加经济效益等多方面综合考虑,空气湿度以控制在70~90%为宜。湿度调节的途径主要有:控制水分来源、温度、通风,使用吸湿剂等。

  1.提高湿度在夏季高温强光下,空气湿度过分干燥,对作物生长不利,严重时会引起植物萎蔫或死亡,尤其是栽培一些要求湿度高的花卉、蔬菜时,一般相对湿度低于40%时就需要提高湿度。常用方法是喷雾或地面洒水,如103型三相电动喷雾加湿器、空气洗涤器、离心式喷雾器、超声波喷雾器等。湿帘降温系统也能提高空气湿度,此外,也可通过降低室温或减弱光强来提高相对湿度或降低蒸腾强度。通过增加浇水次数和浇灌量、减少通风等措施,也会增加空气湿度。

  2.降低空气湿度无土栽培的温室常将地面硬化或用薄膜覆盖,可有效减少蒸发,降低空气湿度。自然通风除湿降温是常用的方法,通过打开通风窗、揭薄膜、扒缝等通风方式通风,达到降低设施内湿度的目的。地膜覆盖减少蒸发,可使空气湿度由95%~100%降低到75%~80%;提高温度(加温等),可降低相对湿度;采用吸湿材料,如二层幕用无纺布,地面铺放稻草、生石灰、氧化硅胶、氯化理等;加强通风、排出湿空气;设置除湿膜,采用流滴膜和冷却管,让水蒸汽结露,再排出室外;喷施防蒸腾剂,减少绝对湿度。也可通过减少灌水次数、灌水量,改变灌水方式降低相对湿度。

  六、环境的综合调控技术

  温室的综合环境管理不仅仅是综合环境调控,还要对环境状况和各种装置的运行状况进行实时监测,并要配置各种数据资料的记录分析,存储、输出和异常情况的报警等。还要从温室经营的总体出发,考虑各种生产资料投入成本和运营成本,产出的产品市场价格变化,劳力和管理作业和资金等,根据效益分析来进行有效的综合环境调控。温室环境要素对作物的影响是综合作用的结果,环境要素之间又有相当密切的关系,具联动效应。因此,尽管我们可以通过传感器和设备控制某一要素在一日内的变化,如用湿度计与喷雾设备联动,以保持最低空气湿度,或者用控温仪与时间控制器联动实行变温管理等。上述虽然易实行自动化调控,但都显得有些机械或不经济。计算机的发展与应用,使复杂的计算分析能快速进行,为温室环境要素的综合调控创造了条件,从静态管理变为动态管理。计算机与室内外气象站和室内环境要素控制设备(遮光帘、二层幕、通风窗、通风换气扇、喷雾设备、CO2发生器、EC、pH控制设备、加温系统、水泵等)相连接。一般根据日射量和栽培作物的种类,确定温室管理中温度、CO2、空气湿度等的合理参数,为达到这些目标启动智能化控制设备。随时自动观察、记录室内外环境气象要素值的变动和设备运转情况。

  通过对产量、品质的比较,调整原设计程序,改变调控方式,以达到经济生产。荷兰近年来通过综合控制技术的进步,使番茄产量从40kg/m2上升到54kg/m2,而能耗、劳动力等生产成本明显降低,大幅度提高了温室生产的经济效益。

  不仅如此,计算机系统还可设置预警装置,当环境要素出现重大变故时,能及时处理、提示、记录。比如当风速过大时能及时关闭迎风面天窗;测量仪器停止工作时,能提示仪表所在部位及时处理;出现停电、停水、泵力不够、马达故障时,可及时报警,并将其记录下来,为今后调整改进提供依据。温室环境计算机控制系统的开发和应用,使复杂的温室管理变得简单化、规范化、科学化。


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