日光溫室的集雨灌溉與沼氣增溫增二氧化碳技術(shù)

趙　勇　張艷紅　于鳳玲　焦艷平　康欣娜　王翠華

摘要:針對我國目前日光溫室等設(shè)施農(nóng)業(yè)的特點和發(fā)展現(xiàn)狀,討論了我國日光溫室的節(jié)水節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展方向,這些技術(shù)包括溫室棚面集雨灌溉和利用沼氣給日光溫室加溫以及利用沼氣為改善作物發(fā)育環(huán)境而補充二氧化碳。提出了集雨設(shè)施的合理配套、沼氣池池容與日光溫室的合理配套以及溫室提高二氧化碳環(huán)境濃度對溫室節(jié)水的意義。

關(guān)鍵詞:日光溫室;集雨灌溉;節(jié)水;沼氣;節(jié)能;溫室加溫;二氧化碳

中圖分類號:S625.54;S162.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-1683(2009)05-0095-03

Water and Energy Saving Technology for Chinese Solar Greenhouses

ZHAO Yong1,ZHANG Yan-hong1,YU Feng-ling2, JIAO Yan-ping1,KANG Xin-na3, WANG Cui-hua4

(1.Hebei Provincial Academy of Water Resources,Shijiazhuang 050057,China;2.Hebei Provincial Head Station of Agricultural Technology Popularization,Shijiazhuang 050011,China;3.Shijiazhuang Academy of Agricultural Sciences,Shijiazhuang 050041,China;4.Shijiazhuang Bureau for Hydrology & Water Resources Survey,Shijiazhuang 050051,China )

Abstract: Based on current installation of agriculture specialties in China such as Chinese solar greenhouses and their developing actuality,this article discusses application and developing way of water-and energy-saving technology for solar greenhouse,which covers rainfall collection system of greenhouse roof,methane warming for greenhouse and improving CO₂environment by methane.The paper submits the proper integrity of rainfall collection facility with solar greenhouse,the fitness of methane tank volume to solar greenhouse size and the significance of enhancing environmental CO₂concentration in greenhouse for greenhouse water-saving.

Key words: solar greenhouse;rainfall collection irrigation;water-saving;methane; energy-saving;greenhouse warming;CO₂

1 引言

隨著我國改革開放和市場經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國社會總體經(jīng)濟實力和人民生活水平得到了顯著的改善。與這種變化相適應(yīng),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)水平也發(fā)生了巨大的變化,其中最顯著的一個特點,就是設(shè)施農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計全國設(shè)施農(nóng)業(yè)中,早在2000年就已達(dá)到小拱棚683 600 hm²,大中棚699 300 hm²,日光溫室379 100 hm²,連棟溫室1 300 hm²。

近十幾年來,在市場經(jīng)濟和人們需求增長的刺激下,設(shè)施農(nóng)業(yè)增長迅速。以河北省為例,設(shè)施蔬菜面積1992年僅為3.54萬hm²,到2007年達(dá)到51.33萬hm²。其中日光溫室從1992年的0.49萬hm²增長到2007年的17.87萬hm²。設(shè)施蔬菜增長了14.5倍,平均年增長率約為20%;日光溫室增長了36.5倍,平均年增長率為27%。

設(shè)施農(nóng)業(yè)、日光溫室的發(fā)展改變了蔬菜作物灌溉用水的季節(jié)分布。設(shè)施農(nóng)業(yè)延長了蔬菜的秋季,提前了蔬菜的春季,甚至實現(xiàn)了蔬菜周年種植,將露地的非灌溉季節(jié)變成了灌溉季節(jié)。設(shè)施農(nóng)業(yè)延長了蔬菜市場的供應(yīng)季節(jié),也增加了農(nóng)業(yè)灌溉用水量。農(nóng)業(yè)是用水的大戶。在河北省,農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的70%。河北省農(nóng)作物總播種面積約為8 785 500 hm²,蔬菜瓜果播種面積1 210 200 hm²,占13.8%(2005年)[1]。按2007年河北省大白菜、黃瓜、番茄等播種面積最多的前十位蔬菜為權(quán)重得到蔬菜綜合灌溉定額5 100 m³/hm²計算(依照各種作物溝灌或畦灌灌溉定額[2]),蔬菜瓜果灌溉用水量估計至少約為61.7億m³/a。因此,設(shè)施蔬菜節(jié)水是一項十分重要的工作。

日光溫室進(jìn)行蔬菜生產(chǎn),與露地生產(chǎn)相比有其特殊的關(guān)鍵制約因素。有些蔬菜品種對溫度要求較高,當(dāng)連續(xù)陰天造成太陽熱能輸入不足時,需要臨時加熱補溫;日光溫室經(jīng)常處于密閉的環(huán)境,光合作用消耗的二氧化碳得不到補充,容易形成作物的二氧化碳饑餓,這就需要人工補充二氧化碳。同時,利用溫室封閉的環(huán)境,人工將二氧化碳濃度提高到大大高于大氣中的正常濃度,會取得作物顯著增產(chǎn)效果,有些品種甚至可以達(dá)到增產(chǎn)1倍[3]。這就意味著,一些蔬菜在保證同等市場供應(yīng)量的情況下,可以減少灌溉面積的一半,取得顯著的節(jié)水效果。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水的途徑

日光溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分,2007年河北省日光溫室面積17.87萬hm²,占設(shè)施農(nóng)業(yè)的35%。比起大棚等其他設(shè)施農(nóng)業(yè)來,日光溫室具有保溫效果好,栽培季節(jié)長的優(yōu)點,在一定條件下還能夠?qū)崿F(xiàn)周年種植。在北緯40°以北地區(qū),一般日光溫室冬季(候平均氣溫≤10℃)天數(shù)可比露地縮短3～5個月,而大棚的冬季天數(shù)只比露地縮短50 d左右[4]。另外,日光溫室設(shè)施相對固定,適于長期運行,便于節(jié)水節(jié)能工程的配套,可以長期發(fā)揮效益,收回成本。因此,本文將設(shè)施農(nóng)業(yè)的節(jié)水節(jié)能討論集中于日光溫室。

溫室節(jié)水措施的研究和討論一般多著重于現(xiàn)代微灌節(jié)水灌溉技術(shù),如滴灌和微噴等技術(shù)?，F(xiàn)代微灌節(jié)水技術(shù)的節(jié)水原理是利用小定額灌溉及土壤局部濕潤的方法減少棵間蒸發(fā)和深層滲漏所造成的無效損失。但是僅僅灌溉節(jié)水的技術(shù)措施是不夠的。第一,微灌節(jié)水技術(shù)的節(jié)水能力是有限的。盡管相對于傳統(tǒng)的地面灌溉,微灌節(jié)水技術(shù)一般認(rèn)為能夠節(jié)水50%～70%[5]。第二,在實踐中僅靠節(jié)水其經(jīng)濟效益有限,難以對溫室經(jīng)營者形成推廣的吸引力。第三,溫室環(huán)境屏蔽了雨水,不能有效利用降雨這種自然水資源。因此,如何在日光溫室的環(huán)境下利用天然降雨増辟水源以及如何在節(jié)水條件下提高溫室生產(chǎn)效率水平是本文的關(guān)注點。

在采用微灌技術(shù)節(jié)水的基礎(chǔ)上,我們可以通過一系列綜合節(jié)水技術(shù)進(jìn)一步提高節(jié)水效果。例如,采用適當(dāng)?shù)臏厥医Y(jié)構(gòu)設(shè)計形成溫室棚面集雨系統(tǒng),收集儲存溫室表面天然降雨徑流作為灌溉的補充水源,減少地下水源等常規(guī)水源的開采需求;改善溫室內(nèi)溫濕度和氣體環(huán)境,在作物同等耗水量的情況下提高蔬菜產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì),使有限的水資源投入達(dá)到產(chǎn)出和效益最大化,從而間接達(dá)到減少水資源對設(shè)施農(nóng)業(yè)的投入,減少農(nóng)業(yè)水資源開采量的擴大。

3 日光溫室的棚面集雨

溫室棚面阻斷了天然降雨,使降雨不能像露地種植那樣對土壤水分進(jìn)行補充。溫室蔬菜作物的生長發(fā)育完全依賴灌溉。溫室棚面降雨以徑流的形式白白流走,盡管可以補充地下水和地表水增加水資源,但是不如直接利用效率高。一是降雨轉(zhuǎn)化為地下水等其他形式的水資源以及提取這些水資源進(jìn)行灌溉的過程中存在著大量轉(zhuǎn)化損失。例如,河北平原在目前地下水埋深大于6 m的條件下,不同水文年降雨補充地下水的效率大約在10%～25%左右;而井灌提取淺層地下水灌溉的利用率在70%～90%,一般情況下只能達(dá)到70%～80%。二是將降雨轉(zhuǎn)化成地下水以后再行提取是要耗費大量能源的。據(jù)觀測,在河北平原許多地方開采淺層地下水的能耗,以提取1 m³地下水耗電0.3 kW?h左右較為常見。若以河北省蔬菜瓜果栽培為例,每年若開采61.7億m³淺層地下水,按此估算耗電量將為18.5億kW?h。因此,直接利用棚面集雨是一種較為經(jīng)濟合理的開源途徑。由于棚面面積有限,為了擴大集雨量,可以同時利用設(shè)施農(nóng)業(yè)周圍其他集雨面,例如混凝土道路路面等。在許多地方,設(shè)施農(nóng)業(yè)集雨不能完全替代常規(guī)水源灌溉,但是可以作為一種補充水源減少對常規(guī)水源的開采。

溫室集雨系統(tǒng)由集雨面、雨水匯流槽、沉淀過濾池和蓄水池(水窖)組成。集雨面主要利用溫室傾斜的屋頂,有的地區(qū)為了擴大集雨量,將溫室群內(nèi)的硬化道路也作為集雨面。雨水匯流槽一般通過在集雨面邊緣設(shè)置溝槽來實現(xiàn)。匯集的雨水經(jīng)過沉淀過濾池進(jìn)行處理,去除泥沙和雜物通過管路進(jìn)入雨水蓄水池(水窖)。

北方流行的節(jié)能型日光溫室設(shè)計為東西向延長,坐北朝南。溫室屋脊南面接受陽光輻射的透光面由塑料薄膜組成,稱為前屋面,垂直投影面積較大,是主要的集雨面;北面不透光的的保溫屋面稱為后屋面,能夠集雨的垂直投影面積較小。前屋面曲線形的塑料薄膜棚面是理想的集雨面,表面光滑,徑流系數(shù)很大,集雨效率高,可以利用年降雨量的85%～90%[6]。日光溫室棚面南側(cè)下邊緣設(shè)置雨水匯流槽。匯流槽通向雨水沉淀過濾池的出水口最好設(shè)置在中部,這樣可以減少匯流槽的設(shè)計尺寸。

集雨系統(tǒng)蓄水池容積的確定主要取決于降雨量和集雨面的大小以及灌溉制度等因素。全年可集水量可用下式計算:

F_p=E?A?K?R_p/1000(1)

式中:F_p—設(shè)計保證率p的全年可集水量(m³);E —年集雨效率,根據(jù)集雨面的材料確定,塑料薄膜溫室棚面可采用0.85;A —溫室棚面集雨面的垂直投影面積(m²);K—降雨量(減去降雪等非液體的水量)和降水量的比值,根據(jù)實際資料確定;R_p—設(shè)計保證率為p的年降水量(mm)。

集雨系統(tǒng)蓄水池容積可用下式簡單估計:

V=α?F_p(2)

式中:V—蓄水池容積(m³);α—蓄水池容積系數(shù),根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤赀^程特征和溫室滴灌用水過程特征確定,如果缺乏實際計算資料,可在0.6～0.8之間取值。

日光溫室的棚面集雨的集雨量是有限的,必須和微灌節(jié)水措施結(jié)合起來應(yīng)用才能很好地發(fā)揮效益。集雨過程中往往帶入泥沙等雜物,使用滴灌系統(tǒng)時尤其注意過濾器的設(shè)計、安裝和維護(hù)。另外,在溫室管理上,北方夏季高溫時,不用屋面揭膜,充分利用降雨,增加集雨量。這種情況下或者對溫室進(jìn)行休茬悶棚,減少溫室作物連茬造成的病蟲害;或者適當(dāng)遮陽通風(fēng),保證適宜的生產(chǎn)環(huán)境。

4 利用沼氣加溫和改善日光溫室CO₂環(huán)境

溫室節(jié)水灌溉發(fā)揮效益的前提是溫室首先能夠給作物提供適當(dāng)?shù)臏囟群蜌怏w環(huán)境,使其正常發(fā)育成長,否則植物發(fā)育不良,形不成產(chǎn)量,單純節(jié)約灌溉水沒有意義。因此,對于溫室這種設(shè)施農(nóng)業(yè),我們在研究應(yīng)用節(jié)水灌溉的同時,也要研究溫室保溫增溫這些關(guān)乎作物生長發(fā)育的基本功能。

中國北方的節(jié)能型日光溫室,采用充分利用太陽輻射能加溫和嚴(yán)密的保溫技術(shù)防止熱量散失,保持室內(nèi)適當(dāng)?shù)臏囟纫岳魑锷L。在冬季連續(xù)陰天的情況下,輸入溫室內(nèi)的輻射能量不足,隨著熱量的逐漸散失而造成溫室內(nèi)溫度大幅下降。這就需要額外的能源為日光溫室進(jìn)行臨時加溫補熱,以維持溫室的正常生產(chǎn)不受損失。沼氣作為加溫的能源可以節(jié)約煤炭等常規(guī)的礦物能源。1 m³沼氣的熱值約18 017～25 140 kJ,相當(dāng)于1 kg原煤或0.74 kg標(biāo)準(zhǔn)煤[7]。北方地區(qū)每立方米沼氣池每天可生產(chǎn)沼氣0.1～0.2 m³[6]。利用100 m³池容的沼氣池為溫室補熱,每天可節(jié)約原煤10～20 kg。

和露地相比,日光溫室是個相對密閉的環(huán)境,會產(chǎn)生一些特殊的問題。例如,如何保證作物的生長發(fā)育所必需的CO₂。在露地情況下,CO₂的供給是不成問題的。大氣中的CO₂濃度相對穩(wěn)定,一般在300～350 mL/m³范圍內(nèi)。在密閉的溫室中,作物的光合作用會大量消耗CO₂,造成CO₂濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大氣平均含量,造成植物的CO₂饑餓,影響作物的發(fā)育和產(chǎn)量。在溫室內(nèi)燃燒沼氣是產(chǎn)生CO₂的一種價廉有效方法。

目前,各種類型的沼氣設(shè)施和技術(shù)較為成熟,工業(yè)用沼氣和農(nóng)村用沼氣已有一些商品化產(chǎn)品。沼氣和日光溫室的配合需要處理好兩個主要問題:①沼氣池和溫室的合理匹配問題;②保證沼氣池冬天高效產(chǎn)生沼氣的問題。

沼氣池和溫室的合理匹配指的是一定面積的溫室需要多大容積的沼氣池。若沼氣池容積小,則產(chǎn)氣量不足,溫室增溫效果較差。沼氣池池容和溫室面積的合理匹配是一個非常復(fù)雜的問題。溫室加溫所需燃燒的沼氣量和當(dāng)?shù)氐臍夂?、溫室種植的作物種類以及溫室本身的保溫性能有關(guān),而同樣容積的沼氣池的產(chǎn)氣量也和當(dāng)?shù)貧夂?、發(fā)酵原料種類以及沼氣池本身的保溫性能有關(guān)。據(jù)文獻(xiàn)建議[8],每10 m²大棚可用1盞沼氣燈增溫,每盞沼氣燈1夜消耗沼氣0.2 m³。使用稻草豬糞作發(fā)酵原料,常溫下沼氣池每天每立方米池容產(chǎn)氣量約為0.1 m³[9]。因此,每立方米沼氣池池容為溫室供氣增溫的面積不超過5 m³為宜。也就是說,每畝日光溫室所需的沼氣池池容至少要在130 m³以上才能產(chǎn)生一定的加溫效果。

保證沼氣冬天產(chǎn)氣效率,是溫室沼氣加溫的最關(guān)鍵技術(shù)因素。目前市場上有些沼氣設(shè)備帶有太陽能加熱功能的商品化產(chǎn)品,但是價格較高。我國一些地區(qū)將普通沼氣池建在日光溫室內(nèi)是個好方法,如遼寧的“四位一體”的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。這種模式將日光溫室、沼氣池、蔬菜和禽畜舍結(jié)合到一起,保證了沼氣的發(fā)酵溫度。

北方冬天保證沼氣發(fā)酵溫度的其他技術(shù)措施有:①將沼氣池建造在地下較深的位置;②沼氣池外壁和頂部采取保溫材料保溫;③沼氣池上方采用塑料薄膜覆蓋,或沼氣池上建造塑料大棚增溫,夜間覆蓋草苫等材料進(jìn)行保溫。

5 建議

北方的節(jié)能型日光溫室在晴天陽光充足的情況下,冬天一般不用加溫。只有連續(xù)多日低溫寡照,太陽輻射輸入溫室的熱能不足的時候,才需要臨時人工補熱。因此,建議進(jìn)一步研究開發(fā)沼氣儲存技術(shù),將平時生產(chǎn)的多余沼氣集中起來在陽光不足的情況下為溫室供熱。這樣可以適當(dāng)減少溫室加溫高峰用氣需要較大容積沼氣池的問題。

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