我國設(shè)施環(huán)境及調(diào)控技術(shù)研究進展

焦娟 魏珉 李巖 谷端銀

摘要：設(shè)施農(nóng)業(yè)屬于高效農(nóng)業(yè)，不僅能夠提高土地利用效率，滿足周年生產(chǎn)和供給，還能解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中高投入低產(chǎn)出的矛盾。設(shè)施內(nèi)光照強度、溫度、濕度和CO2濃度等環(huán)境因素對作物生長至關(guān)重要，對這些環(huán)境要素的調(diào)控在很大程度上決定著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。本文綜述了近年來我國設(shè)施栽培環(huán)境調(diào)控技術(shù)的研究進展，以期為今后的研究和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：熱環(huán)境；光環(huán)境；氣體環(huán)境；調(diào)控；研究進展

中圖分類號：S62文獻標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2018）07-0167-06

Abstract Protected cultivation belongs to the high-efficiency agriculture. It can not only increase land use efficiency， meet year-cycle production and supply， but also resolve the contradiction of high input and low output in agricultural production. Light intensity， temperature， humidity and CO2 concentration in facility have important effects on crop growth. Regulation of these environmental elements determines crop yield and quality. The research progress of environmental control technology in protected cultivation in China in recent years was reviewed in this paper to provide the theoretical guidance for research and application in the future.

Keywords Thermal environment； Light environment； Gas environment； Regulation； Research progress

設(shè)施農(nóng)業(yè)是利用必要的設(shè)施和設(shè)備創(chuàng)造相對可控的環(huán)境條件，以實現(xiàn)集約化生產(chǎn)、高效栽培、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。近年來，我國設(shè)施裝備和信息技術(shù)更新和進步較快，設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1]。自20世紀(jì)90年代以來，因設(shè)施栽培具有高效、高收益等特點，在我國得到大面積推廣應(yīng)用。目前，以日光溫室和塑料大棚為主的設(shè)施栽培已成為促進農(nóng)民經(jīng)濟收入增加，調(diào)整農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要著力點。據(jù)統(tǒng)計，2016年設(shè)施蔬菜面積為370.1萬公頃，總產(chǎn)量2.6億噸、人均近190千克，產(chǎn)值近萬億元，設(shè)施栽培發(fā)揮了顯著的經(jīng)濟效益。雖然生產(chǎn)規(guī)模迅速擴大，但與一些發(fā)達國家相比較，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量和管理水平仍存在一定差距。

科學(xué)的設(shè)施環(huán)境調(diào)控是實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)健康高效發(fā)展的重要因素，設(shè)施環(huán)境包括溫度、光照、濕度、CO2濃度等諸多因子，該類因子除了受外界氣候因素影響外，還受設(shè)施結(jié)構(gòu)本身及生產(chǎn)中操作水平的影響，而這些因子又能夠直接影響栽培作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟效益等指標(biāo)。因此，如何調(diào)控設(shè)施環(huán)境因子使其與作物生長規(guī)律吻合并保持穩(wěn)定性成為科研工作者研究的重點。當(dāng)前日本、荷蘭、以色列、美國等發(fā)達國家已經(jīng)可以根據(jù)溫室作物的要求和特點，實現(xiàn)對溫室內(nèi)溫度、光照、水分、氣體、肥料等諸多因子的自動調(diào)控[2]。但我國的一些相關(guān)研究仍處于摸索階段，與國外先進的技術(shù)相比較還欠成熟。

因此，本文針對我國關(guān)于設(shè)施環(huán)境調(diào)控技術(shù)的一些相關(guān)研究結(jié)果進行了綜述，以期為優(yōu)化設(shè)施結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能源節(jié)約，促進設(shè)施內(nèi)作物高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，并為設(shè)施環(huán)境的自動化和智能化控制提供理論支持。

1 熱環(huán)境及其調(diào)控技術(shù)

1.1 保溫技術(shù)

設(shè)施的保溫效果對于節(jié)約地球能源、提高設(shè)施栽培經(jīng)濟效益具有重要意義，因此設(shè)施保溫和節(jié)能效果一直是人們關(guān)注的主要問題之一。我國大部分地區(qū)屬于冬冷夏熱的氣候，溫室環(huán)境控制的能耗相對較大。據(jù)統(tǒng)計，大型加溫溫室能源成本占運行成本的40%～60%（不含夏季降溫能量消耗）[3]。所以，在建造溫室時，應(yīng)首先考慮溫室的保溫性和節(jié)能性，盡可能減少熱量損失，并降低能耗。根據(jù)實際情況，因地制宜，科學(xué)選擇溫室的結(jié)構(gòu)和類型，合理選擇內(nèi)保溫和外保溫覆蓋材料，是提高作物對熱能的利用率的重要途徑。

1.1.1 墻體保溫 日光溫室墻體不但能夠起到承重作用，而且是白天蓄熱，夜間放熱的主要熱能載體，因此在溫室保溫方面起著重要的作用，管勇等[4]研究表明，溫室墻體的放熱量可達到溫室內(nèi)土壤放熱量的49%～53%。前人對各種墻體的保溫蓄熱能力進行了大量相關(guān)研究，李明等[5]認(rèn)為一般日光溫室墻體按材料組成種類可分成兩類，一是單一材料構(gòu)成的實體墻，二是多種材料組合的復(fù)合墻。張曉丹等[6]對陜西楊凌日光溫室的保溫效果進行研究表明，利用內(nèi)嵌板和封閉空腔的粘土磚外墻結(jié)構(gòu)可以提高溫室保溫蓄熱能力。李連旺[7]通過試驗表明，異質(zhì)復(fù)合墻體蓄熱性能優(yōu)于夯實土墻、純磚墻和聚苯板墻，而且綜合墻體蓄熱和散熱兩方面來看，內(nèi)部磚墻和外部聚苯板異質(zhì)復(fù)合墻體的性能要優(yōu)于磚墻內(nèi)部夾聚苯板的異質(zhì)復(fù)合墻體。所以，只有將溫室墻體的內(nèi)填充材料與墻體結(jié)構(gòu)科學(xué)合理搭配，才能使蓄熱能力和隔熱能力達到平衡，使溫室保持較好的保溫性能。

1.1.2 外保溫材料 草苫在設(shè)施栽培中比較實用經(jīng)濟，一直是農(nóng)戶的首選，但因其不耐雨淋，易腐爛，耗費人工多等原因，在一些新發(fā)展的設(shè)施種植區(qū)逐漸被更加輕便、保溫性能更好、便于卷簾機操作的新型保溫材料所替代。應(yīng)用新型保溫材料是提高日光溫室保溫性能重要措施之一，人們?yōu)榱耸贡匦Ч_到最大化，進行了更多覆蓋物的保溫性試驗。研究表明，多層保溫方式結(jié)合使用可進一步提高保溫效果，每増加一層覆蓋物，可以提高夜溫1～2℃，其保溫效果具有累加效應(yīng)[8]。人們也對墻體保溫材料進行了研究，于錫宏等[9]以日光溫室典型夾芯墻體為對照，在其他參數(shù)一致前提下，對比墻體相同熱阻值下墻體不同保溫材料（聚苯乙烯泡沫板，聚苯乙烯擠塑板，酚醛酯板，聚氨酯）的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)聚氨酯外保溫復(fù)合墻體表現(xiàn)最優(yōu)，聚苯乙烯擠塑板外保溫處理效果次之，酚醛酯最差。近幾年，科研人員又將相變材料置于溫室內(nèi)墻[10，11]，利用材料相變儲放熱的功能提高溫室內(nèi)墻儲放熱量的性能。但因盛裝和密封相變材料困難和價格昂貴等問題，使得相變材料墻體還在試驗研究階段，大面積推廣應(yīng)用尚待時日。

1.1.3 內(nèi)保溫材料 溫室覆蓋材料主要為塑料薄膜、玻璃和陽光板，我國設(shè)施覆蓋材料以塑料薄膜為主，只有在科研、育苗和高附加值的花卉溫室生產(chǎn)中玻璃和陽光板才應(yīng)用較多。市場上國產(chǎn)塑料薄膜主要有聚氯乙烯（PVC）膜、聚乙烯（PE）膜、EVA膜和PO膜；國內(nèi)應(yīng)用較多的外國塑料薄膜為希臘的PEP利得膜和以色列的吉尼嘉膜。近年來科研工作者和企業(yè)研發(fā)并推出了各種新型多功能塑料薄膜，這在一定程度上改善了設(shè)施栽培中的溫度和光照等環(huán)境條件。以色列吉尼嘉棚膜專家通過在棚膜內(nèi)加入紅外線組合劑，生產(chǎn)出節(jié)能保溫膜，與國產(chǎn)棚膜相比，吉尼嘉保溫膜可提高夜間植物上部平均最低溫度2℃左右，增幅可達13.16%，棚頂平均最低溫提高22.29%[12]。眾多研究表明，涂覆型EVA棚膜保溫性優(yōu)于內(nèi)添加型EVA和PVC棚膜[13]，涂覆型消霧無滴膜可增加番茄單位面積產(chǎn)量[14]，提高桃果實品質(zhì)[15]。另外，棚膜中加入轉(zhuǎn)光劑可提高保溫性和透光率[16，17]，并可明顯提早萵苣[18]和甘藍[19]等蔬菜上市時間，提高單位面積產(chǎn)量，改善內(nèi)在品質(zhì)。不同顏色棚膜對作物生長發(fā)育影響不同，研究發(fā)現(xiàn)紫色膜可促進番茄和茄子生長，提早開花，提高產(chǎn)量，優(yōu)化品質(zhì)[20]，綠色膜可促進生姜苗期生長并提高產(chǎn)量[21]。

1.2 加溫技術(shù)

我國日光溫室的加熱設(shè)備類型較多，目前采用較多的是熱水鍋爐和熱風(fēng)爐。加熱設(shè)備按燃料類型分為煤炭、汽油、天然氣、生物質(zhì)以及電加熱等。但采用煤、油等作為能源的常規(guī)加溫方式存在加溫效率低、能耗高、環(huán)境污染等缺點，不符合節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)理念。

為發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，促進節(jié)能減排、實現(xiàn)綠色低耗生產(chǎn)，科研人員對溫室加溫技術(shù)開展了眾多研究。研究表明，采用碳晶面板、毛細管等新型散熱末端進行根區(qū)加溫比傳統(tǒng)空氣加溫可節(jié)約28%的能耗，但因成本較高，所以僅應(yīng)用于育苗或盆栽花卉等附加值高的作物生產(chǎn)[22]。柴立龍等[23]研究表明，使用水源熱泵系統(tǒng)可將溫室的平均地面溫度提升至18.4℃，但該系統(tǒng)投入成本高，設(shè)備操作復(fù)雜，推廣難度較大。王永維等[24]設(shè)計的溫室地下蓄熱系統(tǒng)可將白天溫室內(nèi)的空氣熱能儲存在地下，晚上釋放出來加溫，能夠提高地溫5.5℃以上，但由于能量分散，該加溫系統(tǒng)能量利用率低、能耗大。張東鳳等[25]研究表明，運用太陽能-空氣能兩種能源加溫系統(tǒng)比單獨運行空氣能加溫、電加溫在節(jié)能方面效益明顯，可節(jié)能10%以上?？滦辛值萚26]發(fā)現(xiàn)相比主動蓄放熱加熱空氣系統(tǒng)，主動蓄放熱加熱基質(zhì)系統(tǒng)可提高基質(zhì)溫度2.5～5.3℃，并能夠提高番茄株高及產(chǎn)量（增產(chǎn)43%）。綜合來看，新型溫室加熱技術(shù)多種多樣，加溫優(yōu)點突出，但也因成本高、投入大等缺點而減緩其推廣進程。

1.3 降溫技術(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，保護地設(shè)施內(nèi)溫度白天過高會降低植株光合生產(chǎn)能力，減少坐果率，并抑制果實顏色形成[27]。所以在保護地栽培中，春末、夏季和早秋白天需要進行降溫。人工降溫的主要措施包括自然通風(fēng)降溫、遮蔭降溫、噴霧降溫、風(fēng)扇換氣降溫和利用水簾降溫等。遮陽降溫包括遮陽網(wǎng)和遮陽幕兩種，采用遮陽網(wǎng)可以直接把太陽輻射遮擋在溫室外，一般可降低室內(nèi)氣溫2℃左右。但在連棟溫室或者標(biāo)準(zhǔn)化日光溫室使用時，外遮陽系統(tǒng)需要安裝相應(yīng)的骨架和抗風(fēng)雨系統(tǒng)，投入成本較高。遮陽幕降溫效果也比較顯著，正午前后鋁箔遮陽幕覆蓋下的室溫要比無幕布的室溫低5℃左右，且根據(jù)遮陽幕材料的鋁箔覆蓋面積，遮陽率可在20%～99%調(diào)節(jié)[28]。噴霧法降溫幅度可達7℃，但噴霧法易造成水資源浪費，降溫效率低[29]。濕簾風(fēng)機可將夜間溫室內(nèi)平均氣溫降低1.2℃，但也使相對濕度增加10%，增加番茄裂果率，降低果實商品性[30]。孫維拓等[31]研究發(fā)現(xiàn)水源熱泵系統(tǒng)具備良好的節(jié)能、節(jié)水效果，可有效降低試驗溫室內(nèi)氣溫，平均溫度比自然通風(fēng)的對照溫室低2.6～2.9℃；同時，試驗溫室內(nèi)氣溫低于室外氣溫，平均溫差為1.6～1.7℃。因此，生產(chǎn)中需根據(jù)具體設(shè)施結(jié)構(gòu)、種植作物及經(jīng)濟情況具體選擇降溫調(diào)控措施。

2 光環(huán)境及其調(diào)控技術(shù)

2.1 設(shè)施方位和結(jié)構(gòu)

科研人員一致認(rèn)為合理的采光屋面和科學(xué)的保溫蓄熱結(jié)構(gòu)是節(jié)能型日光溫室必須具備的條件，依據(jù)日光溫室采光設(shè)計理論確定最佳采光屋面角和采光面形狀是優(yōu)化日光溫室結(jié)構(gòu)的重要手段[32，33]。張利華等[34]研究表明，設(shè)施內(nèi)的光透射率不受薄膜材質(zhì)影響，而是受光照入射角的影響。日光溫室所在的地理緯度和太陽高度角等參數(shù)都會對溫室的實際光能截獲量有影響，所以太陽輻射的進入量很大程度上影響著溫室內(nèi)氣候變化[35]。為進一步優(yōu)化日光溫室的采光性能，李清明等[36]提出山東地區(qū)日光溫室合理采光時段30.4°～34.6°為最佳屋面角，下挖壁面在室內(nèi)的陰影率不宜超過15%，10～12 m跨度的日光溫室下挖深度宜在0.8～1.1 m。因此選擇科學(xué)合理的屋面結(jié)構(gòu)和溫室朝向是使日光溫室具備較佳采光性能的前提。

2.2 補光技術(shù)

人工補光可有效提高植物光合效率、產(chǎn)量和品質(zhì)。在溫室大棚中，特別是在陰雨天、霧霾天氣或者冬天光照不足時使用植物補光燈，不僅促進棚內(nèi)植株生長，縮短花期，提前上市，還可以解決因日照不足導(dǎo)致的設(shè)施蔬菜品質(zhì)下降等弊端，增加經(jīng)濟效益[33]。目前植物補光燈種類主要有熒光燈、金鹵燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈、高壓汞燈、LED燈等。植物可以利用的全部光譜范圍是640～660 nm和400～500 nm兩個區(qū)間，所以植物生長的適宜光源在藍光區(qū)和紅光區(qū)，植物生長補光燈的有效波譜是紅橙光和藍紫光。不同的補光燈各具特點，生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)設(shè)施作物類型及其需光范圍選擇對應(yīng)補光燈，可使得補光燈的配置日趨專業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2.1 熒光燈 熒光燈光譜中沒有紅外線，其中紅橙光約占45%，藍紫光約占15%，黃綠光約占40%，總有效生理輻射在75%～80%，常用作組培室標(biāo)準(zhǔn)光源。熒光燈的最大優(yōu)勢在于成本低，其成本不足高壓鈉光燈的1/3。近年來，熒光燈不斷更新?lián)Q代，功能也逐步完善。研究發(fā)現(xiàn)，全光譜T12燈管非常適合在草花和非洲紫羅蘭等需要低照度的作物育苗中應(yīng)用。另外，T5燈管可提供更優(yōu)質(zhì)的光譜，適合應(yīng)用于花芽分化，并提高花的品質(zhì)[37]。

2.2.2 金鹵燈 金鹵燈屬于高壓氣體放電光源，其壽命為8 000～15 000 h。金鹵燈光譜中紅橙光約為23%，藍紫光約為39 %，黃綠光約為38%。金鹵燈具有發(fā)光效率高、顯色性能好、壽命長等特點，是一種接近日光色的節(jié)能光源，被廣泛應(yīng)用于設(shè)施生產(chǎn)中。金鹵燈的光色可隨不同的金屬鹵化物成分而改變，但一般在藍-紫區(qū)域發(fā)出的光更多。為調(diào)節(jié)光質(zhì)和節(jié)約能耗，在作物生長環(huán)境下，可以將金鹵燈和高壓鈉燈按 1∶1 搭配安裝使用[38]。

2.2.3 高壓鈉燈 高壓鈉燈使用時發(fā)出金白色光，壽命20 000 h左右，能達到金鹵燈的2倍。該燈具有發(fā)光效率高、耗電少、壽命長、透霧能力強和不銹蝕等優(yōu)點，是目前溫室中最常用的人工補光光源。但高壓鈉燈亦有不足之處，即它發(fā)出的光中藍光比例很低，育苗時如果單獨使用鈉燈補光，可能導(dǎo)致幼苗徒長。因此，使用時可把高壓鈉燈配合金鹵燈一起使用。國內(nèi)外研究和實踐應(yīng)用表明，高壓鈉燈作為植物生長光源更適用于植物生長周期的開花和結(jié)果階段[39，40]，采用高壓鈉燈補光可影響草莓果實中花青素的合成，補光后草莓果實色澤更加鮮艷誘人[41]。

2.2.4 LED燈 LED燈由紅色和藍色芯片組合而成，因為缺少其它光譜所以兩種顏色混合在一起就變成了紫色。近年來，因LED燈具節(jié)能、環(huán)保、冷光源、體積小、發(fā)光效率高、波長可以精準(zhǔn)選擇等特點，利用LED補光的研究越來越多。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能光源 LED 有望代替現(xiàn)有植物生長光源，實現(xiàn)作物的高效生產(chǎn)，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景，但其局限性在于成本較高，且輸出流明不高，只有靠近植物時才能起作用。

2.3 遮光措施

為防止中午強光照射，生產(chǎn)上可通過在大棚膜上潑泥漿和灑墨汁等傳統(tǒng)方法遮陽，但效果最好的還是采用遮陽網(wǎng)遮陽降溫。遮陽網(wǎng)不僅可以遮擋部分光照，避免作物遭受強光照射，還可以為作物生長提供適宜的生長環(huán)境。在連棟溫室生產(chǎn)中則主要采用外遮蔭-遮陽網(wǎng)和內(nèi)遮陽-遮陽幕等方式進行遮光。另外，在歐美和日本等國家溫室生產(chǎn)中，新型的遮陽降溫涂料已得到廣泛的應(yīng)用，鑒于其方便實用性，今后在我國設(shè)施農(nóng)業(yè)中也會逐步發(fā)展為遮陽的主導(dǎo)措施。

3 CO2氣體調(diào)控技術(shù)

CO2是植物進行光合作用的重要原料。近幾年，隨著提質(zhì)增效、促進新舊動能轉(zhuǎn)換等設(shè)施蔬菜發(fā)展目標(biāo)的提出，設(shè)施內(nèi)CO2施肥越來越受到廣大種植者及科研人員關(guān)注。為維持溫室內(nèi)作物的正常光合需要，農(nóng)民主要通過增施有機肥和通風(fēng)等方法來補充CO2，但因溫室密閉無風(fēng)等原因，即使通風(fēng)也無法完全解決CO2虧缺問題。其它設(shè)施內(nèi)增施CO2的方法主要有CO2鋼瓶法、有機堆肥法、化學(xué)反應(yīng)法、風(fēng)送式風(fēng)機補充法、種植食用菌法等。在設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達的荷蘭、日本等國20世紀(jì)已普遍使用安全、潔凈、濃度可控的鋼瓶法[42]。我國北方日光溫室于20世紀(jì)90年代在生產(chǎn)中試驗應(yīng)用碳銨硫酸反應(yīng)法、燃煤后廢氣過濾法和鋼瓶法來增施CO2[43]，但因其操作不方便及設(shè)施內(nèi)缺乏CO2調(diào)控裝置及監(jiān)測系統(tǒng)，導(dǎo)致CO2施肥技術(shù)的推廣應(yīng)用受到限制[44]。為補短板，我國對設(shè)施內(nèi)CO2自動檢測系統(tǒng)的研究日益完善。溫竹等[45]則采用低功耗CO2傳感器和工業(yè)級JN5148模塊，研發(fā)出一套溫室CO2濃度測量系統(tǒng)，經(jīng)試驗證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可實現(xiàn)溫室內(nèi)CO2濃度的實時監(jiān)測，能夠為溫室內(nèi)CO2施肥提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4 未來研究方向

本文從熱環(huán)境調(diào)控、光環(huán)境調(diào)控和溫室氣體CO2調(diào)控三個主要方面進行了綜述，從設(shè)施本身結(jié)構(gòu)問題到外部人工輔助調(diào)控等手段均有涉及，除此之外農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境控制還包括土壤（基質(zhì)）濕度、礦質(zhì)營養(yǎng)、設(shè)施內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體含量等因素，這將在以后的專題綜述中繼續(xù)討論。隨著科技的不斷進步和研究的不斷深入，科研工作者和生產(chǎn)企業(yè)逐步將人工智能控制和專家管理系統(tǒng)等先進技術(shù)應(yīng)用于設(shè)施環(huán)境調(diào)控當(dāng)中，進而實現(xiàn)設(shè)施調(diào)控手段的智能化和自動化，從而實現(xiàn)設(shè)施栽培環(huán)境管理的現(xiàn)代化。今后，農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)還要與植物生長所需要的適宜環(huán)境條件相結(jié)合，通過系統(tǒng)研究采集大數(shù)據(jù)，建造作物生長模型，分析其變化規(guī)律，然后與專家管理系統(tǒng)相整合，為農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境調(diào)控技術(shù)的發(fā)展奠定相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，以實現(xiàn)環(huán)境與作物各生長發(fā)育階段的科學(xué)調(diào)控。

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