大棚溫室作物種植環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏明銳

摘 要 設(shè)施園藝栽培技術(shù)是目前主要的反季節(jié)作物栽培技術(shù)，其中以建造成本相對(duì)較低的拱形塑料薄膜溫室大棚最為普及。但在實(shí)際的作物栽培過(guò)程中，往往會(huì)遇到棚室內(nèi)外溫濕度、光照條件因素等方面的快速變化，繼而影響棚栽作物的種植環(huán)境。自動(dòng)調(diào)節(jié)是當(dāng)前緊迫任務(wù)，基于此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)因素的自動(dòng)調(diào)控。

關(guān)鍵詞 大棚溫室；環(huán)境因素；自動(dòng)調(diào)控

中圖分類號(hào)：S625 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.30.058

1 自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景

近年來(lái)，設(shè)施園藝栽培技術(shù)在各地區(qū)得到廣泛推廣，在溫室中栽培瓜果蔬菜的情況也逐年增加。不僅在農(nóng)業(yè)示范園，由于簡(jiǎn)易溫室大棚技術(shù)的普及和建造成本的大幅度降低，很多農(nóng)村地區(qū)已采用大棚溫室種植反季節(jié)瓜果蔬菜。但由于溫室大棚屬于密閉環(huán)境，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育因素的變化較快，需要一套行之有效的自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控。使栽培環(huán)境中溫濕度、光照等條件達(dá)到作物生長(zhǎng)所需的最佳環(huán)境條件。

2 土壤因素對(duì)大棚溫室作物生長(zhǎng)的影響及調(diào)控方法

溫室大棚內(nèi)影響作物生長(zhǎng)的土壤因素主要有土壤溫度、濕度、pH值及肥力水平，此外土壤的透氣性也影響到作物的生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)土壤因素也存在著此消彼長(zhǎng)、相互影響的情況。

2.1 土壤溫度

土壤溫度影響著植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和土壤的形成，是影響土壤肥力的重要因素之一。土壤溫度主要和土壤熱學(xué)性質(zhì)有關(guān)，即和土壤結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。土壤的透氣性好，作物根系發(fā)育也會(huì)較好，但較高土壤的透氣性也會(huì)導(dǎo)致土壤水平蒸發(fā)過(guò)快，土壤溫度降低，影響土壤的保溫效果。但是如果土壤透氣性很差，土壤易板結(jié)，伴隨而來(lái)的是作物根系生長(zhǎng)缺乏充足的氧氣供應(yīng)，易導(dǎo)致作物爛根。而為了提高地溫，溫室大棚中普通采用的是鋪設(shè)地膜來(lái)提高土壤的溫度，同時(shí)地膜還具有保持土壤濕度，減少大棚內(nèi)土壤水分蒸發(fā)，從而解決了棚內(nèi)空氣濕度過(guò)高問(wèn)題。

2.2 土壤濕度

大棚土壤的濕度決定作物的水分供應(yīng)情況。土壤濕度低，土壤干旱，農(nóng)作物光合作用過(guò)程受到抑制，農(nóng)產(chǎn)量和品質(zhì)隨之降低；土壤濕度過(guò)高，土壤通氣性變差，土壤氧氣含量低，土壤中微生物活動(dòng)受限，作物根系的呼吸、生長(zhǎng)等生命活動(dòng)就會(huì)受到阻礙，作物地上部分的正常生長(zhǎng)就會(huì)受到影響，造成作物徒長(zhǎng)、倒伏、病害滋生等情況的發(fā)生[1]。特別是在大棚溫室環(huán)境中，土壤濕度過(guò)高，水分蒸發(fā)過(guò)快，必然會(huì)導(dǎo)致大棚溫室環(huán)境空氣濕度過(guò)高，從而滋生病蟲(chóng)害。

2.3 溫室土壤因素自動(dòng)調(diào)控方法

2.3.1 土壤溫度調(diào)控

基本了解大棚土壤因素對(duì)作物的影響后，要考慮人為調(diào)控方法。目前在設(shè)施園藝方面對(duì)于調(diào)控大棚溫室環(huán)境中土壤溫濕度，普遍采用的是棚內(nèi)地膜覆蓋技術(shù)。在相對(duì)較低成本的簡(jiǎn)易溫室大棚建設(shè)過(guò)程中，采用該項(xiàng)技術(shù)可以在較低投入的情況下較好地控制土壤溫濕度。

2.3.2 土壤濕度調(diào)控

第一，調(diào)控方法。調(diào)節(jié)土壤濕度主要方法就是控制好土壤水分的進(jìn)和出。土壤水分的進(jìn)通過(guò)控制灌溉頻率和水量，濕度過(guò)低時(shí)，提高灌溉頻率和水量，過(guò)高時(shí)降低供水量；而土壤水分的出即控制土壤水分的蒸發(fā)量，采用地膜覆蓋方式可有效降低土壤水分蒸發(fā)。特別是夏季控制光照強(qiáng)度也能有效的控制土壤水分的蒸發(fā)量。

第二，調(diào)控設(shè)備。主要采用濕度控制器、灌溉設(shè)備。實(shí)現(xiàn)大棚土壤溫濕度的實(shí)時(shí)控制，就需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)土壤溫濕度。目前常用的土壤濕度傳感器有FDR型和TDR型。其中FDR型具有簡(jiǎn)便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動(dòng)化、寬量程和少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。土壤濕度控制器可可以控制灌溉設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，需要灌溉管線已事先鋪設(shè)到大棚的栽培作物旁邊，其中以滴灌設(shè)備最佳。當(dāng)土壤濕度傳感器探測(cè)到土壤濕度低于設(shè)定濕度最低值時(shí)，自動(dòng)閉合灌溉系統(tǒng)閥門電源進(jìn)行灌溉，當(dāng)濕度達(dá)到土壤最大濕度設(shè)定值時(shí)關(guān)閉灌溉系統(tǒng)。

3 空氣因素對(duì)大棚溫室作物生長(zhǎng)的影響及調(diào)控方法

溫室大棚內(nèi)空氣因素對(duì)作物生長(zhǎng)的影響主要表現(xiàn)在大棚內(nèi)空氣溫度、濕度、CO2濃度，這三個(gè)因素直接影響作物的生存環(huán)境和生長(zhǎng)速度。

3.1 空氣溫度

植物生長(zhǎng)需要一個(gè)合適的環(huán)境溫度范圍，超過(guò)這個(gè)溫度范圍，作物就無(wú)法正常生長(zhǎng)，甚至根本就無(wú)法生存。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中調(diào)節(jié)種植作物環(huán)境溫度從而實(shí)現(xiàn)反季節(jié)作物種植是采用溫室大棚種植作物的主要目的。溫室建材多種多樣，不同材質(zhì)的建設(shè)成本也不相同，其中，“鋼筋龍骨+塑料薄膜”簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)因其造價(jià)相對(duì)較低被普遍采用。同時(shí)為進(jìn)一步提高大棚內(nèi)栽培環(huán)境的溫度，對(duì)于某些對(duì)種植溫度要求較高的作物可在棚內(nèi)再加小拱棚的形式。

3.2 空氣濕度

溫室大棚內(nèi)的空氣濕度是由土壤水分的蒸發(fā)和作物體內(nèi)水分的蒸騰在密閉環(huán)境情況下形成的。由于棚室內(nèi)作物長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)、代謝旺、作物葉面積指數(shù)高，就會(huì)通過(guò)蒸騰作用釋放出大量的水蒸氣。加之棚室內(nèi)的空間狹小、氣流穩(wěn)定無(wú)風(fēng)，棚室內(nèi)水蒸氣極易接近或達(dá)到飽和狀態(tài)，棚室內(nèi)外溫差大時(shí)易形成水滴[2]。高濕是溫室大棚栽培環(huán)境的一個(gè)突出特點(diǎn)。棚室內(nèi)的空氣濕度與作物的蒸騰作用、光合作用、病害及生理活性等都有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性影響。

3.3 空氣中CO2濃度

溫室大棚是密閉環(huán)境，由于棚室溫度相對(duì)較高，植株生長(zhǎng)比較旺盛，特別是晴天正午時(shí)間光合作用強(qiáng)，加至棚室內(nèi)作物種植相對(duì)較密，導(dǎo)致溫室內(nèi)空氣CO2濃度在光照強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)濃度偏低。進(jìn)而影響作物的快速生長(zhǎng)，更是直接影響大棚作物的產(chǎn)量。所以一般采用溫室反季節(jié)栽培作物往往需要考慮該項(xiàng)因素。

3.4 溫室空氣因素自動(dòng)調(diào)控方法設(shè)計(jì)

3.4.1 棚內(nèi)空氣溫度調(diào)控

第一，調(diào)控方法。因大棚溫室主要目的是提高栽培環(huán)境溫度，所以目前溫室大棚棚溫的調(diào)節(jié)主要是提高棚室溫度。而棚室加溫的主要方法有棚內(nèi)加熱、提高光照強(qiáng)度、棚室草簾保溫等。但冬季晝夜溫差巨大，僅通過(guò)提高光照強(qiáng)度和棚室草簾保溫等方法已無(wú)法有效提高棚室溫度，通常做法是棚內(nèi)加溫。但有時(shí)不可避免出現(xiàn)棚室溫度過(guò)高，此時(shí)溫室就需要進(jìn)行降溫處理，只是棚室降溫方法和手段較為簡(jiǎn)單，只需將棚室通風(fēng)遮陽(yáng)即可。

第二，調(diào)控設(shè)備。主要棚室調(diào)溫設(shè)備有棚室加溫鍋爐、降溫降濕風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)設(shè)備和空氣溫度控制器。通過(guò)溫度控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棚室內(nèi)溫度，進(jìn)而控制棚室加溫鍋爐熱水循環(huán)泵、降溫降濕風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)設(shè)備等的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)溫度控制器中溫度傳感器監(jiān)測(cè)到棚室內(nèi)溫度低于設(shè)定值時(shí)，溫度控制器閉合鍋爐熱水循環(huán)泵開(kāi)關(guān)，進(jìn)行棚室加溫。而當(dāng)棚室溫度高于設(shè)置最高值時(shí)，溫度控制器閉合降溫除濕風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)等設(shè)備的開(kāi)關(guān)，進(jìn)行遮陽(yáng)通風(fēng)降溫處理。

3.4.2 棚內(nèi)空氣濕度調(diào)控

第一，調(diào)控方法。溫室大棚中空氣濕度過(guò)大時(shí)，一般采取加強(qiáng)通風(fēng)、適當(dāng)范圍的加熱可以降低相對(duì)濕度，也可以增加光照、相對(duì)減少灌溉水量、減少地面裸露土壤面積、減少噴霧次數(shù)及水量，其中主要管控措施還是通過(guò)通風(fēng)降濕。濕度過(guò)低一般是由土壤濕度過(guò)低，光照強(qiáng)度過(guò)大，大棚密閉性太差跑風(fēng)漏氣造成，一般情況下提高灌溉水量即可。

第二，調(diào)控設(shè)備。主要設(shè)備有濕度控制器、鼓風(fēng)機(jī)、空氣循環(huán)機(jī)。因溫室大棚內(nèi)地面已采取地膜覆蓋，如再采取滴灌技術(shù)的情況下棚內(nèi)濕度依然很高，就需要進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)?？紤]到成本因素，一般情況下采取風(fēng)機(jī)通風(fēng)除濕（大棚內(nèi)外溫差?。┖团飪?nèi)加熱除濕（大棚內(nèi)外溫差大）。棚內(nèi)安裝濕度傳感器，棚口出安裝鼓風(fēng)機(jī)，棚內(nèi)部安裝空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)。設(shè)定濕度控制器開(kāi)機(jī)及關(guān)閉濕度值，當(dāng)濕度超過(guò)最大濕度設(shè)定值時(shí)，濕度控制器閉合溫室大棚內(nèi)鼓風(fēng)機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)開(kāi)機(jī)降濕。當(dāng)濕度降低到設(shè)置的最低濕度值時(shí)斷開(kāi)風(fēng)機(jī)電源。

3.4.3 CO2濃度調(diào)控

第一，調(diào)控方法。棚室內(nèi)CO2濃度的調(diào)控主要是對(duì)高光照強(qiáng)度下作物光合作用強(qiáng)烈導(dǎo)致的棚室內(nèi)空氣中CO2濃度不足的調(diào)控。一般規(guī)模設(shè)施園藝中采用的方法是向設(shè)施溫室中補(bǔ)充CO2氣體。但考慮到成本因素，一般簡(jiǎn)易溫室大棚不采用此種方法，而主要使用通風(fēng)換氣的手段。

第二，調(diào)控設(shè)備。主要有空氣CO2濃度監(jiān)測(cè)控制器、換氣風(fēng)機(jī)等。安裝在棚室內(nèi)部的CO2濃度監(jiān)測(cè)探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棚室內(nèi)空氣中CO2濃度，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定最低值時(shí)，控制器啟動(dòng)換氣風(fēng)機(jī)（此處風(fēng)機(jī)可采用降溫降濕風(fēng)機(jī)）。

4 光照強(qiáng)度對(duì)大棚溫室作物生長(zhǎng)的影響及調(diào)控方法

4.1 光照強(qiáng)度和時(shí)長(zhǎng)

光照強(qiáng)度對(duì)作物生成發(fā)育影響很大。一切綠色植物必須在陽(yáng)光下才能進(jìn)行光合作用，植物體重量的增加與光照強(qiáng)度密切相關(guān)。植物器官、組織的正常發(fā)育，也與光照強(qiáng)度直接關(guān)聯(lián)。想要作物結(jié)果多，就要開(kāi)花多；花多，花芽必須多，而花芽的分化又與光照強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)[3]。

4.2 棚室光照強(qiáng)度和時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)控方法設(shè)計(jì)

第一，調(diào)控方法。大棚溫室中，依據(jù)所栽培作物的習(xí)性，對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控。在正午高光照強(qiáng)度下可采取遮陽(yáng)處理；而在其他的大部分時(shí)間，由于棚室塑料薄膜的透光性較差，棚室內(nèi)光照強(qiáng)度相比室外較弱，對(duì)于一些光照強(qiáng)度要求較高的作物就需要進(jìn)行補(bǔ)光處理。相對(duì)作物對(duì)光照強(qiáng)度的要求來(lái)說(shuō)，光照時(shí)長(zhǎng)的調(diào)控方法也更為簡(jiǎn)單，短日照作物可采取遮光措施，而長(zhǎng)日照作物可采取補(bǔ)光處理。

第二，調(diào)控設(shè)備。主要由光照強(qiáng)度控制器、補(bǔ)光燈、遮光設(shè)備和定時(shí)器等組成。在正午時(shí)分高光照強(qiáng)度下，光照強(qiáng)度控制器探頭監(jiān)測(cè)到棚室內(nèi)光照強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)遮陽(yáng)網(wǎng)卷簾機(jī)，打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng)遮陽(yáng)；當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)補(bǔ)光燈（一般為專用的紅藍(lán)補(bǔ)光燈），進(jìn)行補(bǔ)光處理。而對(duì)于光照時(shí)長(zhǎng)的調(diào)控可通過(guò)定時(shí)器控制補(bǔ)光燈進(jìn)行夜間補(bǔ)光，實(shí)現(xiàn)短日照季節(jié)里，形成大棚溫室中的長(zhǎng)日照環(huán)境。

5 系統(tǒng)特性

本系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)要的控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)在簡(jiǎn)易溫室大棚環(huán)境中實(shí)現(xiàn)影響作物生長(zhǎng)發(fā)育因素的實(shí)施調(diào)控，并做到低成本高效率的聯(lián)動(dòng)處理。在系統(tǒng)調(diào)控設(shè)計(jì)中對(duì)棚室溫度的調(diào)節(jié)，如當(dāng)棚室內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，土壤蒸發(fā)量加大，土壤濕度降低到設(shè)定值以下，灌溉系統(tǒng)啟動(dòng)，升高棚室內(nèi)溫度。高溫高濕激發(fā)溫濕度控制設(shè)備啟動(dòng)，棚室遮陽(yáng)設(shè)備打開(kāi)，降溫降濕風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。在降低室內(nèi)溫度的同時(shí)也會(huì)降低棚室內(nèi)的濕度，此舉可有效防止棚室內(nèi)高溫高濕帶來(lái)的病蟲(chóng)害問(wèn)題。

總體來(lái)說(shuō)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得益于目前先進(jìn)的傳感器技術(shù)。但影響作物生長(zhǎng)的因素還有很多，并且彼此關(guān)聯(lián)，需要探索發(fā)現(xiàn)的知識(shí)還有很多，相信通過(guò)越來(lái)越成熟的傳感器技術(shù)將會(huì)使溫室種植越來(lái)越簡(jiǎn)單高效。

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（責(zé)任編輯：劉昀）