寒地溫室環(huán)境信息自動采集與滴灌技術(shù)的應用探討

滕 云，陶延懷，劉淑艷，司振江，于振良

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

寒地溫室環(huán)境信息自動采集與滴灌技術(shù)的應用探討

滕 云，陶延懷，劉淑艷，司振江，于振良

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

對寒冷地區(qū)的氣候特點、日光溫室的內(nèi)外環(huán)境差異進行了分析與探討，闡述了環(huán)境信息自動采集對寒冷地區(qū)溫室開展滴灌研究及進行溫室環(huán)境調(diào)控的重要性，提出了寒冷地區(qū)日光溫室發(fā)展滴灌值得探索的一些問題。

寒冷地區(qū)；日光溫室；溫室環(huán)境；滴灌；信息自動采集

黑龍江省位于中國的東北部，是中國位置最北、緯度最高的省份，屬大陸性季風氣候。冬長夏短，夏季氣溫高，降水多，光照時間長，冬季氣溫低，光照時間短。太陽輻射資源豐富，年日照時數(shù)一般在2300～2800 h。但由于黑龍江省的氣候特點是冬季低溫、弱光，在此環(huán)境條件下，作物開花數(shù)、結(jié)果數(shù)、產(chǎn)量和品質(zhì)都相應降低，再加上輔助栽培管理技術(shù)不配套，如灌水技術(shù)、施肥技術(shù)、覆膜技術(shù)等，都直接影響到作物產(chǎn)量及品質(zhì)。溫室大棚一直是黑龍江省冬春淡季蔬菜生產(chǎn)的重要載體，不但解決了長期困擾我國北方地區(qū)新鮮蔬菜冬春淡季的供應問題，同時增加了農(nóng)民收入。

滴灌作為一種先進的灌水方式，已在溫室中得到廣泛應用，且在灌水上下限[1-5]、需水量[6-7]、需水規(guī)律[8-10]、灌溉制度[11-13]、水分動態(tài)[14]、溫室環(huán)境[15-21]等方面多有研究，但針對北方寒冷地區(qū)日光溫室滴灌條件下的灌水模式研究較少，尤其寒冷地區(qū)季節(jié)氣候差異顯著，晝夜溫差大。因此，根據(jù)北方寒冷地區(qū)土壤條件、氣候條件、作物種類，制定出便于實施的、合理的灌溉模式，指導菜農(nóng)進行合理滴灌，發(fā)揮出滴灌應有的效益，對指導北方寒冷地區(qū)溫室生產(chǎn)、促進滴灌事業(yè)的發(fā)展將具有重要的現(xiàn)實意義。

1 溫室類型及氣候特點1.1 溫室類型

溫室是北方寒冷地區(qū)冬春蔬菜生產(chǎn)和冬春育苗的主要保護地設施。為了兼顧溫室的采光、保溫、造價和利用率，大部分溫室類型為坐北朝南，略偏西5～7°，屋面角為30～40°。多棟溫室建成溫室群時，前后兩棟溫室的間距一般為6 m，以避免遮擋光照，溫室的跨度以6 m為宜，最多不超過6.5 m，溫室的高度以3～3.2 m為宜。為保證合理通風、散熱，土木結(jié)構(gòu)的溫室一般在后屋面上，每隔6 m設一個80 cm×60 cm的通風窗；磚鋼架結(jié)構(gòu)的溫室一般在后墻上，每隔3 m設一個60 cm×70 cm的通風窗[22]。因為黑龍江省地處高緯度寒冷地區(qū)，在利用溫室進行入冬和早春生產(chǎn)時，一側(cè)透明屋面夜間需要用棉被等進行覆蓋，以加強夜間的保暖、保溫。

1.2 氣候特點及光照、溫度的室內(nèi)外差異

黑龍江省是全國氣溫最低的省份，氣溫的季節(jié)變化明顯。冬季是一年中最冷的季節(jié)，其中1月份最冷，平均氣溫-30.9～-14.7℃。春季以4月份為代表，大部分地區(qū)在1～5℃，夏季為全年最熱的季節(jié)，以7月份氣溫為代表，全省普遍高溫，均在17℃以上。秋季以10月份為代表，秋季氣溫與春季分布相似。因秋季是由夏季向冬季過渡，所以秋季溫度普遍低于春季，全省大部分地區(qū)在0～4℃。

溫室內(nèi)外溫度對比見圖1。由圖1可見，在9月20日前溫室內(nèi)外溫度接近或室內(nèi)略高，因這段時間是黑龍江省溫度較高的季節(jié)，所以溫度差異不顯著，9月下旬以后，氣溫漸低，室內(nèi)外溫差顯著，最高接近20℃，但偶爾某一天室外溫度升高，也會有“逆溫現(xiàn)象”[23]。

圖1 黑龍江省8月至10月溫室內(nèi)外8點溫度

黑龍江省年平均總云量在4.5～5.5之間。一年中冬季云量最少，夏季云量最多，春、秋季云量居中。全省年可日照時數(shù)為4443～4470 h，年實際日照時數(shù)在2300～2800 h之間，為可日照時數(shù)的55%～70%。夏季日照時數(shù)一般在700 h以上，為全年最高季節(jié)，而日照百分率卻是一年中最低季節(jié)，僅55%左右；冬季日照時數(shù)是一年中最少的季節(jié)，絕大多數(shù)地區(qū)在500 h以上；春秋界于冬夏之間，春季一般為700～800 h，大于秋季的600 h左右。

由圖2可見，光透過棚膜到達溫室內(nèi)的光照度均不足10%，平均在2.3%左右，但由于此季節(jié)光照較強，溫室外光照達到6500～134 000 Lux，遠高于喜光型蔬菜的光照補償點2000～3000 Lux，且高于喜光型蔬菜的光照飽和點4萬Lux的光照度值占77%。而溫室內(nèi)97%的光照度高于喜光型蔬菜光照補償點，47%高于喜光型蔬菜的光照飽和點，69%高于喜中光型蔬菜的光照飽和點3萬Lux，76%高于耐弱光型蔬菜的光照飽和點2萬Lux。說明溫室內(nèi)光照可以滿足蔬菜生長需要。

計算渣鎖斗閥開關(guān)時間所需要的條件較多，涉及閥門自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，液壓油的物理性質(zhì)，液壓系統(tǒng)管路規(guī)格尺寸、敷設長度以及閥門與油站的高差等，如下所列:

圖2 黑龍江省9月初至11月初溫室內(nèi)外14點光照度

此外，全省年平均相對濕度為60%～70%，其空間分布與降水量相似，呈經(jīng)向分布。黑龍江省年平均風速大部分地區(qū)在3～4 m/s，風速季節(jié)變化大，一年之中春季風速最大，大風日數(shù)也最多，占全年大風日數(shù)的40%以上。無霜期多在100～160 d之間，全省≥0℃積溫平均值大部農(nóng)業(yè)區(qū)介于2800～3200℃之間。

因此，正是由于黑龍江省氣候條件的季節(jié)性差異，致使日光溫室內(nèi)環(huán)境隨季節(jié)變化差異顯著。

2 滴灌對溫室環(huán)境的影響

寒冷區(qū)日光溫室的主要功能是提前延后、反季節(jié)種植，擴展農(nóng)產(chǎn)品上市時間。對溫室蔬菜生產(chǎn)而言，溫室內(nèi)高溫高濕或者低溫高濕，都是造成蔬菜病害發(fā)生和蔓延的一個主要且重要原因，使用傳統(tǒng)粗放的大水漫灌方式，既容易降溫又增大濕度。而滴灌則可有效地控制棚室內(nèi)空氣濕度，減輕、減少病蟲害發(fā)生，保持有效的光熱資源。滴灌還能有效地控制灌水量，減少土壤深層滲漏和肥料流失，改善土壤結(jié)構(gòu)和通氣性，促進蔬菜生長發(fā)育。

溫室節(jié)水灌溉對溫室內(nèi)所產(chǎn)生的環(huán)境影響，不僅表現(xiàn)在空間上，也表現(xiàn)在時間上，尤其在寒冷區(qū)的早春和冬初，這就對溫室水分管理和環(huán)境調(diào)控提出了新的要求，也是寒冷區(qū)設施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展過程中穩(wěn)定的重要方面，因此，開展與溫室環(huán)境效應相一致的節(jié)水管理研究極具緊迫性、現(xiàn)實性和必要性。對保證寒冷地區(qū)設施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

3 溫室環(huán)境信息自動采集的應用

現(xiàn)代化的溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)自動化、高效化最關(guān)鍵和最重要的環(huán)節(jié)，作物水分信息采集更是實施灌溉決策和管理的重要基礎，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系和精準灌溉工程系統(tǒng)的一個重要組成部分。而先進、可靠的作物水分信息采集技術(shù)和采集設備是精準、快速、連續(xù)獲取作物水分信息的基礎保障。隨著設施栽培的迅速發(fā)展，最近幾年，對影響設施栽培的環(huán)境因素的研究也在不斷加強。

以黑龍江省水科院基地溫室安裝的一套WP-3型溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行一年的數(shù)據(jù)可以充分說明環(huán)境指標信息實現(xiàn)自動化監(jiān)測的優(yōu)勢。

3.1 數(shù)據(jù)系列的連續(xù)性

從圖3可以看出，通過溫室內(nèi)濕度的自動監(jiān)測，可隨時掌握室內(nèi)的濕度狀況，及時調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境，以滿足相應作物的生長需求。另外可以看出，室內(nèi)相對濕度要比室外高，但變化規(guī)律一致，且畦灌的相對濕度值要比滴灌高，均在95%以上，而滴灌情況下，日間的相對濕度在80%上下。

圖3 連續(xù)三天整點的濕度變化

3.2 數(shù)據(jù)響應快速

對溫室內(nèi)作物進行灌溉決策，不但要能滿足作物對水的需要，又要不致造成溫室土壤含水量和空氣濕度過大，造成病害。這就需要解決兩方面問題，即什么時間進行灌溉和灌水量是多少。合理灌溉技術(shù)的關(guān)鍵是要解決以適量的水進行適時灌溉的問題。

從圖4可以得知，通過土壤水勢自動監(jiān)測可以有效及時的控制灌水，做到及時、有效灌溉，免去傳統(tǒng)的土鉆取土要經(jīng)過土樣烘干和計算灌水量的過程。另外可以看出，畦灌耗水量大，滴灌一次，畦灌要兩次，且滴灌土壤水分在濕潤的情況下，畦灌土壤含水量卻較低。

圖4 秋茬作物在滴灌與畦灌下的土壤水勢變化

當然該自動信息采集系統(tǒng)也有它的局限性，如通訊線路鋪設繁瑣、不靈活，重組困難，維護、維修不便利，但系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性要優(yōu)于無線網(wǎng)絡通訊傳輸技術(shù)。

4 溫室環(huán)境監(jiān)測對環(huán)境的調(diào)控及精準灌溉技術(shù)的促進

蔬菜生長發(fā)育需要適宜的環(huán)境,有些蔬菜的生長發(fā)育對環(huán)境因素的要求較高。人們可以利用溫室創(chuàng)造出適宜作物生長發(fā)育的環(huán)境條件,這就是溫室環(huán)境控制。環(huán)境控制的主要內(nèi)容是溫濕度的自動調(diào)節(jié)、灌水水量水溫自動調(diào)節(jié)、CO2施肥自動調(diào)節(jié)、溫室通風換氣自動調(diào)節(jié)等。

在溫室蔬菜生產(chǎn)栽培中，單純滿足任何單一環(huán)境條件都不能使蔬菜生長發(fā)育取得良好的結(jié)果，而任何一個不良的環(huán)境限制因子卻能決定著蔬菜的生長發(fā)育。所以，對于蔬菜作物生長所需要的所有條件都應予以重視，依據(jù)不同季節(jié)的外界環(huán)境狀況，有主有次、適時適度地調(diào)控溫室環(huán)境條件，這就需要有獲取溫室環(huán)境信息的高效、精準的監(jiān)測系統(tǒng)。

灌溉是溫室作物栽培中唯一的水分來源，盡管現(xiàn)在許多地區(qū)的溫室都已采用滴灌、滲灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，但仍然不是通過作物需水信息實行控制灌水，解決這個問題的根本出路是大力發(fā)展和推廣精量灌溉，根據(jù)作物需水信息適時、適量地進行科學灌溉，達到節(jié)水增產(chǎn)的目的[24]。實施精量灌溉必須具備3 個條件[25]：①掌握詳細的作物需水資料；②運用先進的信息化技術(shù)，主要是遙感技術(shù)和計算機自動監(jiān)控技術(shù)；③提供兩者相銜接的大量技術(shù)指標，并將這些指標轉(zhuǎn)化為遙感標識和模型。而作物水分狀況的實時監(jiān)測技術(shù)是精量灌溉的基礎與保障[26]。

大多溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)中只注重光照、溫度環(huán)境因子調(diào)節(jié)，而濕度對作物生長、品質(zhì)的影響及調(diào)控重視不夠。因而，在灌溉決策中對作物、土壤、氣象復合系統(tǒng)做出綜合性的分析和判斷，將是今后溫室作物灌溉管理工作中的難點和新點[27]。但無論依據(jù)什么來進行灌溉決策，快速、準確的獲取相關(guān)指標信息，研究作物水分狀況實時監(jiān)測技術(shù)，對灌溉決策都具有非常重要的意義。

5 寒冷地區(qū)日光溫室滴灌值得深入探討的問題

關(guān)于日光溫室的節(jié)水灌溉問題，以往雖然做了不少研究，并取得了一些成果，但這些成果多是針對于非寒冷地區(qū)作物的需水規(guī)律和灌溉制度，而受環(huán)境影響方面的研究少見報導。因此，研究北方寒冷地區(qū)日光溫室滴灌條件下的作物需水規(guī)律，滴灌對溫室環(huán)境的影響機理，考慮生態(tài)環(huán)境效應的節(jié)水灌溉管理等，對于有效利用水資源和北方寒冷地區(qū)設施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展無疑具有重要的意義。

寒冷地區(qū)溫室滴灌與環(huán)境效應研究。實施滴灌節(jié)水灌溉技術(shù)后引起的溫室內(nèi)水熱條件的改變及對作物蒸騰蒸發(fā)的影響，及環(huán)境變化對作物生長的影響機理。滴灌對溫室環(huán)境影響的評價指標體系及評價、預測與決策方法。

滴灌條件下溫室內(nèi)水分變化規(guī)律研究。實施滴灌技術(shù)后土壤水分、土壤蒸發(fā)、植株蒸騰等變化規(guī)律，及溫室小氣候的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律。

溫室水分管理和環(huán)境調(diào)控研究。深入細致地研究作物需水信息與溫室各環(huán)境因子的關(guān)系、溫室環(huán)境與作物生理的關(guān)系，滴灌技術(shù)下的優(yōu)化供水模式。

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Apply inquire into information automatic collection and drip irrigation technique of greenhouse environment in cold district

TENG Yun，TAO Yanhuai，LIU Shuyan，SI Zhenjiang，YU Zhenliang

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

t：This paper analyzed climate characteristic and environment difference of cold district，raised importance of information automatic collection for drip irrigation research and environment control，put forward some research suggestions about developing drip irrigation in cold district.

cold district；solar greenhouse；greenhouse environment；drip irrigation；information automatic collection

黑龍江省科技攻關(guān)項目(GZ08B103)

滕 云(1978-)，女，高級工程師，主要從事旱作節(jié)水技術(shù)和作物高效用水技術(shù)方面的研究。E-mail：hljskyty@126.com

S625.5

A

2096-0506(2015)02-0026-05