內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)的運(yùn)用對(duì)糧堆生態(tài)系統(tǒng)的 影響研究

◎ 韓 冰，劉建嶺，楊 堃，陳 凱

（中央儲(chǔ)備糧開封直屬庫有限公司蘭考分公司，河南 開封 475000)

1 概述

1.1 糧堆生態(tài)系統(tǒng)

生態(tài)系統(tǒng)是指在自然界的一定空間內(nèi)，生物體與環(huán)境構(gòu)成的一個(gè)統(tǒng)一整體，在這個(gè)整體中，生物與環(huán)境之間相互作用、相互制約，并在一定時(shí)期內(nèi)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)之中[1]。

糧堆內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)主要指的是儲(chǔ)糧階段糧堆內(nèi)的生物群體與其所處環(huán)境的非生物群體組成的具有自我調(diào)節(jié)能力、能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)循環(huán)的人工儲(chǔ)藏生態(tài)系統(tǒng)[2]。其他生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)別在于糧堆內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)有限資源的閉環(huán)人工與自然復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)，人為活動(dòng)與倉庫類型會(huì)對(duì)倉內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，并且糧食籽粒是其中唯一的能量來源。儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)示意圖

糧堆內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的基本構(gòu)成有物理因素、化學(xué)因素、無機(jī)鹽類、有機(jī)物、生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者。其中物理因素主要是指?jìng)}房圍護(hù)結(jié)構(gòu)、溫濕度、風(fēng)力風(fēng)速等；化學(xué)因素主要是指氣體；無機(jī)鹽類為水分；有機(jī)物是消費(fèi)者的代謝產(chǎn)物。糧堆內(nèi)的生產(chǎn)者主要為糧食籽粒；消費(fèi)者是以糧食為食物的害蟲以及以害蟲為食物的鼠雀；分解者主要是各類微生物。糧堆生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成按照成分分類又可以分為生物成分和非生物成分。生物成分為主要包括糧食籽粒、微生物、害蟲與鼠雀等；非生物成分主要包括溫度、濕度、氣體、雜質(zhì)、糧倉所處位置、倉房結(jié)構(gòu)形式與糧食堆積方式。在糧堆內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的各種組成成分中，如果有一種成分發(fā)生異常變化，就會(huì)影響糧堆內(nèi)生物體的正常生物活動(dòng)，因此對(duì)糧堆內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行人為控制，對(duì)提高糧食儲(chǔ)藏穩(wěn)定性以及保證糧食儲(chǔ)藏質(zhì)量具有重要意義。

1.2 內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)的應(yīng)用

內(nèi)環(huán)流控溫儲(chǔ)糧技術(shù)是近年來國(guó)內(nèi)興起的一項(xiàng)綜合了機(jī)械通風(fēng)、保溫隔熱等控溫儲(chǔ)糧技術(shù)于一體的安全、綠色儲(chǔ)糧技術(shù)。通過糧倉底部的通風(fēng)籠、倉外的通風(fēng)道、保溫管與環(huán)流風(fēng)機(jī)與倉內(nèi)的空間形成一個(gè)閉合回路，其技術(shù)原理是在冬季低溫季節(jié)通過機(jī)械通風(fēng)充分利用大氣溫度降低基礎(chǔ)糧溫進(jìn)行蓄冷，而在高溫季節(jié)對(duì)倉庫進(jìn)行密閉，通過糧堆的“冷心”實(shí)施內(nèi)環(huán)流，將糧堆內(nèi)冷氣通過通風(fēng)道抽出，經(jīng)保溫管送至倉頂，達(dá)到降低倉內(nèi)溫度、倉內(nèi)濕度、表層糧溫的目的[3]。在夏季高溫的外界環(huán)境下，使用此種儲(chǔ)糧技術(shù)能將糧倉內(nèi)的平均溫度控制在15 ℃以下，實(shí)現(xiàn)了低溫或準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧、減緩儲(chǔ)糧過程中害蟲滋生的目的。與傳統(tǒng)的低溫儲(chǔ)糧技術(shù)相比，該方法的運(yùn)行成本較低，且儲(chǔ)糧效果顯著提升，目前內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)的糧食倉儲(chǔ)單位中得到了廣泛的應(yīng)用。內(nèi)環(huán)流控溫系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 內(nèi)環(huán)流控溫系統(tǒng)示意圖

內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)的應(yīng)用對(duì)糧堆內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)起到了調(diào)節(jié)與優(yōu)化的作用，使糧堆即使在夏季高溫的大氣環(huán)境下仍然能夠保持低溫低濕、冷空氣持續(xù)環(huán)流的狀態(tài)。

2 內(nèi)環(huán)流技術(shù)對(duì)倉內(nèi)環(huán)境的影響

2.1 對(duì)倉內(nèi)溫度的影響

溫度對(duì)糧食儲(chǔ)存安全的影響是至關(guān)重要的，在儲(chǔ)糧工作中，若未有效控制糧倉內(nèi)溫度，溫度升高極易造成糧食色度迅速變化，稻谷干物質(zhì)下降，出現(xiàn)黃變現(xiàn)象，且溫度的變化直接影響到儲(chǔ)糧害蟲的生長(zhǎng)與繁殖，因此控制儲(chǔ)糧環(huán)境溫度是一種有效防治害蟲的物理方法。

內(nèi)環(huán)流控溫儲(chǔ)糧技術(shù)可以在冬季將糧堆冷心降到3 ℃以下，而夏季則能將倉內(nèi)溫度和表層糧溫控制在20～25 ℃，有效延緩表層糧食和周邊糧食的質(zhì)量變化速度，延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間。此外，由于表層糧溫受倉溫的影響較大，夏季時(shí)內(nèi)環(huán)流控溫有效解決了糧堆“冷皮熱心”問題，減小了外部高溫環(huán)境的影響[4]。

2.2 對(duì)倉內(nèi)濕度的影響

倉內(nèi)的水分是糧堆生態(tài)系統(tǒng)中生物體進(jìn)行一切生理活動(dòng)的介質(zhì)，尤其是高濕度環(huán)境能夠加速微生物的生長(zhǎng)繁殖。對(duì)于糧食本身，當(dāng)水分含量較大時(shí)，呼吸作用增強(qiáng)，繼而產(chǎn)生水分和熱量，影響糧食安全儲(chǔ)藏。

內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)在對(duì)倉內(nèi)溫度進(jìn)行控制的同時(shí)也會(huì)對(duì)倉內(nèi)濕度產(chǎn)生影響。其原理主要是通過自上而下的氣流穿過糧堆，此過程中水分含量較高的糧層會(huì)在散濕作用下降低水分含量，并提高糧堆孔隙中的濕度，而水分較低的糧層會(huì)通過吸濕作用增加水分，使水分由上而下轉(zhuǎn)移，最終可以在倉內(nèi)形成濕度為15%～35%的相對(duì)穩(wěn)定平衡狀態(tài)[5]。但該過程會(huì)造成表層糧堆水分明顯降低，無法準(zhǔn)確衡量糧堆表層糧食的品質(zhì)，但是有關(guān)研究表明，表層水分的下降也直接防止了糧面結(jié)露的發(fā)生，且較為干燥的環(huán)境同時(shí)能夠抑制部分蟲、螨的活動(dòng)。

內(nèi)環(huán)流技術(shù)的使用對(duì)糧堆不僅具有降水功效，還具有保水與均水的功效。通?？販乜貪窦夹g(shù)運(yùn)用的同時(shí)，會(huì)伴隨倉內(nèi)濕度降低造成糧食水分的流失，而內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)是一個(gè)閉合回路，與外界空氣并沒有濕熱交換，原則上并不會(huì)存在水分的流失，相反能夠有效做好糧食儲(chǔ)存過程中的保水工作。因此該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)糧堆起到了調(diào)節(jié)作用，倉內(nèi)相對(duì)濕度會(huì)出現(xiàn)明顯下降的同時(shí)又延緩糧食質(zhì)變，降低糧食損耗。均水主要是借助持續(xù)的環(huán)流實(shí)現(xiàn)新的糧食水分平衡。

2.3 對(duì)倉內(nèi)氣體的影響

糧堆內(nèi)的氣體成分與大氣環(huán)境中的空氣不同，并直接影響到糧食籽粒的生化變化。由于生物成分在倉內(nèi)持續(xù)進(jìn)行異化作用，倉內(nèi)會(huì)出現(xiàn)低氧高二氧化碳的現(xiàn)象，這種氣體成分對(duì)于糧食儲(chǔ)藏有利，但并不能保證倉房結(jié)構(gòu)具有良好的氣密性，所以通常倉內(nèi)氣體依舊會(huì)與外界空氣進(jìn)行流通。

內(nèi)環(huán)流技術(shù)的運(yùn)用能明顯提升糧倉內(nèi)的氣體流動(dòng)強(qiáng)度。通風(fēng)密閉儲(chǔ)藏是以低溫儲(chǔ)藏和干燥儲(chǔ)藏為基礎(chǔ)，內(nèi)環(huán)流技術(shù)的使用可以隔離儲(chǔ)糧環(huán)境與外界環(huán)境之間的接觸，因此是一個(gè)密閉的通風(fēng)環(huán)境，能夠有效保持儲(chǔ)糧的低溫和干燥。與未使用內(nèi)環(huán)流技術(shù)和使用機(jī)械通風(fēng)儲(chǔ)糧技術(shù)的糧倉相比，其氣流流量會(huì)更大、流速更快[6]。普通的機(jī)械通風(fēng)儲(chǔ)糧需要將外界具有一定溫度和濕度的空氣通過機(jī)械通風(fēng)輸送到糧堆內(nèi)部，糧堆內(nèi)部的濕熱空氣與糧堆外部的冷空氣進(jìn)行交換，該方法的弊端在于通風(fēng)工藝的不同以及通風(fēng)量的大小控制不規(guī)范容易引起糧堆結(jié)露，而內(nèi)環(huán)流技術(shù)有效保證了糧堆持續(xù)處于一個(gè)均溫均濕的環(huán)境中，防止糧食結(jié)露。此外，內(nèi)環(huán)流技術(shù)的氣體流動(dòng)力度與速度足以抵消由濕熱擴(kuò)散和水分轉(zhuǎn)移所引起的氣流，從而也消除了氣流對(duì)安全儲(chǔ)糧造成的不利影響。

3 內(nèi)環(huán)流技術(shù)對(duì)生物因子的影響

3.1 對(duì)糧食籽粒的影響

內(nèi)環(huán)流技術(shù)對(duì)糧食本身存在的影響是多方面、系統(tǒng)性的。首先糧食籽粒即使處于倉內(nèi)儲(chǔ)藏期間，依舊屬于生命的有機(jī)體，因此會(huì)不斷進(jìn)行新陳代謝與異化作用等最直接、最明顯的生理活動(dòng)。而糧食籽粒在進(jìn)行異化作用的同時(shí)需要各種各樣的酶參與其中，酶促反應(yīng)中最重要的一個(gè)影響因素就是溫度，因此溫度也是影響糧食呼吸作用的一個(gè)重要因素。在未應(yīng)用內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)時(shí)，隨著溫度的上升，酶促反應(yīng)加劇，糧食呼吸作用也會(huì)隨之加強(qiáng)，而呼吸作用會(huì)釋放出熱量，繼而加劇溫度的升高，最終造成糧食腐敗，而內(nèi)環(huán)流技術(shù)則能夠很好地控制倉內(nèi)溫度與糧食溫度[7]。

內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)的使用目的就是營(yíng)造不受氣溫影響的低溫、均溫環(huán)境，這種環(huán)境能夠抑制糧食的呼吸作用，也是儲(chǔ)糧工作中的理想狀態(tài)，有效消除了氣溫和倉溫、倉溫和糧溫之間的溫度傳遞。除此之外，內(nèi)環(huán)流技術(shù)可以持續(xù)降低倉內(nèi)的相對(duì)濕度，這也是目前常用的幾種控溫技術(shù)中獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。濕度的降低會(huì)使糧食的散落性提升，大大降低了糧食霉變與結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)，并且內(nèi)環(huán)流并沒有與外界環(huán)境發(fā)生流通，在降低倉內(nèi)濕度的同時(shí)也保證了倉內(nèi)儲(chǔ)糧水分不至流失，保持糧食新鮮度。

3.2 對(duì)蟲害的影響

無論何種控溫儲(chǔ)藏方式，其最終目的都在于改變并限定糧倉內(nèi)的溫度。與熏蒸等傳統(tǒng)化學(xué)方法不同，內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)是一種溫控與濕控的物理防治，主要通過降低溫度來防止蟲害干擾，保證糧食儲(chǔ)存品質(zhì)不變?！都Z油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范》中所列出的19種糧食儲(chǔ)藏所防治的蟲害類型中，內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)可以有效防治其中的14種。大部分的儲(chǔ)糧蟲害都是一種變溫動(dòng)物，自身并沒有調(diào)溫能力，因此只能在適宜的溫度下生存繁衍，一旦受到外界溫度影響，其生存能力都會(huì)受到直接限制。當(dāng)倉內(nèi)溫度在17 ℃左右時(shí)，絕大多數(shù)害蟲的生長(zhǎng)都會(huì)受到抑制，而隨著溫度持續(xù)降低，抑制作用會(huì)一直加大[8]。

內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)在物理防治蟲害的同時(shí)，也同樣具備磷化氫環(huán)流熏蒸系統(tǒng)的功能，利用其優(yōu)良的內(nèi)循環(huán)功能，加速磷化氫向糧堆內(nèi)部的滲透和擴(kuò)散，這比普通熏蒸穿透速度更快，分布更均勻，也不會(huì)造成糧堆冷源的損失，實(shí)現(xiàn)了環(huán)流熏蒸殺蟲的效果[9]。

3.3 對(duì)微生物的影響

微生物屬于糧堆生態(tài)系統(tǒng)的分解者，糧食籽粒的表面以及內(nèi)部都會(huì)存在微生物，主要有霉菌、酵母菌、細(xì)菌等。導(dǎo)致糧食發(fā)生霉壞的最主要原因就是霉菌的存在，而霉菌也是對(duì)糧食的安全儲(chǔ)藏影響最大的一種微生物。因?yàn)槊咕谶M(jìn)行正常生理活動(dòng)時(shí)所需要的環(huán)境條件會(huì)比其他菌種低，內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)對(duì)微生物的影響也主要體現(xiàn)在對(duì)霉菌的抑制和預(yù)防方面。

對(duì)于霉菌來說，其生長(zhǎng)和繁殖速度的決定因素是外界溫度，此外還與霉菌種類和糧食中水分含量有關(guān)。大部分霉菌活躍在20～40 ℃，例如青霉和曲霉的最合適生長(zhǎng)溫度分別為20 ℃和30 ℃，但也有少數(shù)的霉菌適應(yīng)低溫條件[10]。同時(shí)環(huán)境中的濕度也會(huì)對(duì)霉菌的生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生一定的影響，通常條件下，當(dāng)倉內(nèi)溫度在20 ℃以下，濕度在65%以下時(shí)，可以抑制大部分儲(chǔ)糧微生物的生存與繁殖，并且能有效抑制微生物產(chǎn)生毒素，確保了糧食在儲(chǔ)藏過程中具有更好的儲(chǔ)存質(zhì)量。

4 糧堆生態(tài)系統(tǒng)與內(nèi)環(huán)流技術(shù)的雙向制約

4.1 內(nèi)環(huán)流技術(shù)的弊端

糧堆生態(tài)系統(tǒng)不同于其他生態(tài)系統(tǒng)的最關(guān)鍵一點(diǎn)在于它是一個(gè)有限資源的閉環(huán)人工與自然復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)，而內(nèi)環(huán)流技術(shù)不同于其他糧食儲(chǔ)存技術(shù)的一個(gè)主要特點(diǎn)在于它在調(diào)控倉內(nèi)環(huán)境的同時(shí)受到倉內(nèi)環(huán)境的制約，也就是說內(nèi)環(huán)流技術(shù)與糧堆內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)雙向影響的關(guān)系。

對(duì)糧食儲(chǔ)藏質(zhì)量和時(shí)間影響最大的因素是溫度，糧堆生態(tài)系統(tǒng)中的三溫之間相互影響。首先大氣溫度變化影響到倉內(nèi)溫度，倉內(nèi)溫度又會(huì)影響糧堆溫度。氣溫的變化幅度一般較大，日變化中最高氣溫出現(xiàn)在下午2:00左右，最低氣溫出現(xiàn)在日出之前，年變化中氣溫最高的月份為7—9月，最低的月份為1—3月。倉溫的變化會(huì)比氣溫變化推遲4 h左右，并且倉溫變化受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。而對(duì)于糧堆溫度，又較倉溫推遲2 h左右。但對(duì)于表層30 cm左右的糧層，其溫度變化與糧堆內(nèi)部是不一致的，會(huì)出現(xiàn)冷心現(xiàn)象。

從內(nèi)環(huán)流技術(shù)的作用機(jī)理來講，前提是要在低溫的冬季進(jìn)行蓄冷，因此該方法在四季溫度變化不明顯的地區(qū)并不適用，但可與空調(diào)機(jī)儲(chǔ)糧技術(shù)綜合使用，對(duì)糧堆冷心的冷源進(jìn)行補(bǔ)充，又能夠充分利用天然冷源。

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)環(huán)流技術(shù)的影響

圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)中的一部分，對(duì)內(nèi)環(huán)流技術(shù)運(yùn)用的制約和影響也是較大的。圍護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初就要以糧食安全儲(chǔ)藏為目的，在力學(xué)允許的條件下，增加其防熱防濕的能力，盡可能使糧食不受外界環(huán)境氣候以及生物因子的影響。

內(nèi)環(huán)流技術(shù)對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的要求較高，因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能差會(huì)導(dǎo)致內(nèi)環(huán)流技術(shù)的控溫控濕能力急劇下降。例如，在高溫季節(jié)，若倉房氣密性差，會(huì)直接導(dǎo)致熱皮冷心現(xiàn)象的出現(xiàn)，此時(shí)使用內(nèi)環(huán)流技術(shù)會(huì)消耗大量的蓄冷冷源；在多雨季節(jié)，大氣濕氣影響倉內(nèi)濕度，則同樣損耗內(nèi)環(huán)流技術(shù)的冷源。因此，在對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造時(shí)，一定要注意以下幾個(gè)方面。①圍護(hù)結(jié)構(gòu)與糧堆的接觸面使用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料，在傳熱過程中熱量遷移較小。②倉頂也要使用熱阻大的材料，因?yàn)橐话銇碚f倉頂?shù)膫鳠崾莻}壁的數(shù)十倍，設(shè)法降低倉頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)對(duì)于內(nèi)環(huán)流技術(shù)的運(yùn)用同樣重要。

4.3 雜質(zhì)對(duì)內(nèi)環(huán)流技術(shù)的影響

糧堆生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中一般都會(huì)含有一些無機(jī)、有機(jī)雜質(zhì)。雜質(zhì)的成分一般為砂礫、泥土、植物等。雜質(zhì)的存在是不可避免的，它的存在對(duì)于內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)是十分不利的。無機(jī)雜質(zhì)的存在會(huì)堵塞糧食籽粒間的孔隙，在內(nèi)環(huán)流啟動(dòng)時(shí)影響氣體之間的流動(dòng)，不利于散熱散濕。

5 結(jié)語

內(nèi)環(huán)流技術(shù)的廣泛使用有效解決了糧食在儲(chǔ)藏過程中的結(jié)露、掛壁等問題，也解決了糧食儲(chǔ)藏過程中“冷心熱皮”的隱患，對(duì)于倉溫的良好控制意義重大。相對(duì)于其他儲(chǔ)糧技術(shù)來說，內(nèi)環(huán)流技術(shù)是一種安全、經(jīng)濟(jì)、綠色的儲(chǔ)糧技術(shù)；對(duì)于倉內(nèi)濕度的控制而言，其能夠保證糧食儲(chǔ)存過程中處于一個(gè)均濕且干燥的狀態(tài)，防止糧食霉變；對(duì)于倉內(nèi)的氣體流動(dòng)來說，其能夠提升氣體流速與氣體強(qiáng)度，并且密閉環(huán)境也避免了與外界空氣的交換；對(duì)于糧食本身，適宜的溫度和濕度也使糧食儲(chǔ)存質(zhì)量得以保證，延長(zhǎng)糧食儲(chǔ)存時(shí)間，同時(shí)低溫干燥的環(huán)境抑制了蟲害與微生物的生長(zhǎng)與繁殖。糧堆生態(tài)系統(tǒng)與內(nèi)環(huán)流控溫儲(chǔ)糧技術(shù)之間是相互制約的關(guān)系。內(nèi)環(huán)流技術(shù)本身的不足以及生態(tài)系統(tǒng)中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)等對(duì)內(nèi)環(huán)流技術(shù)的影響也是不可避免的，因此在未來的研究工作中，仍需對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。