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1、第八章 无土栽培的环境 调节控制设施,通过对半封闭系统的物质交换和能量调节来改善或创造周年更适于作物无土栽培的生长环境，以期获得栽培作物速生、优质、高产、均衡和最大的经济效益。构成作物的综合环境，往往是由光、温、水、气、养分的组成与浓度等多种因子组成。本章重点介绍无土栽培作物与环境因素及环境工程间相互作用的规律及有关温室、大棚等环境调节控制设施的性能、特点与调控技术。,第一节 环境调节控制概述,一、环境调节控制的意义与作用 遗传决定农业生产的潜势，而环境则决定这种潜势可能兑现的程度。作物对环境因素的要求，涉及光、温、水、气、肥等众多的因子。同时，随着品种、生育阶段及昼夜生理活动中心的变化而不断
2、变化。因此，作物对环境因子的要求，是由彼此关连的众多环境因子组成的综合环境动态模型决定的。,进行综合环境调节要考虑：室内外各种环境因子和作物生长发育情况；各种生产资料投入的成本、市场价格变化、资金周转和栽培管理作业等。综合环境调节是以速生、优质、高产为目标进行监测、分析与调节控制。综合环境管理是在综合环境调节的基础上，随时根据市场变化与效益分析，对目标环境指标进行修订，以期获得最大的经济效益。,二、环境工程设施设计的原理和基本要求,先进的生产技术与生产工艺总是通过一定的建筑结构、环境调控设施等硬件作为载体，并与优良的品种、科学的种植管理技术相结合而体现出来的。首先是利用围护结构把一定的空间与外
3、界环境隔离开来，形成一个相对封闭的系统。这是区别于露地栽培达到改善和创造作物生长优良环境的先决条件。而环境工程则是在一定建筑设施的基础上，通过对半封闭系统的物质交换和能量调节来进一步改善和创造更佳的生长环境。二者相互制约，相辅相成。环境工程设施在设计、建造及运行管理时须符合以下原则和基本要求。,1、安全可靠 在一定的设计使用年限和设计标准条件下，保证建筑结构和环境工程设施运行的安全性和可靠性。2、经济适用一次投资和运行费用较低；节约土地、能源、人力等资源；便于机械化、自动化作业；能充分满足作物无土栽培管理要求。3、保护环境 环境问题是人类生存和经济、社会发展的基础。建筑与环境工程设施，应便于栽
4、培环境废弃物的处理和再利用，避免环境污染与公害，保证无土栽培设施的可持续发展性。,第二节 常用环境调控设施的结构与性能,温室日光温室大棚防雨棚遮阳网覆盖等,一、温室,用透光覆盖材料作外围护结构密封件，可让绝大部分太阳短波辐射透入，阻止绝大部分地面长波辐射透出，能起到蓄热升温与保温作用，可供冬季作物栽培的建筑设施统称为温室。,(一)温室分类,按无土栽培用途可分为：生产温室、试验研究温室、观赏温室与庭院温室。按加温与否可分为：加温温室、不加温温室。按室内的环境温度可分为：高温、中温、低温温室与冷室。按覆盖材料可分为：玻璃温室、硬质塑料或聚酯板温室、塑料薄膜温室。,硬质塑料或聚酯板温室的覆盖材料主要
5、有：PVC(聚氯乙烯)PC(聚碳酸酯)FRP(玻璃纤维聚酯波纹板)PC双层或三层中空板 温室覆盖材料使用的塑料薄膜有：聚氯乙烯(PVC)膜聚乙烯(PE)膜聚烯烃(PO)膜(聚乙烯PE和聚酯酸乙烯EVA多层复合),(二)温室常用结构形式及性能特点,1、单坡面温室 屋脊东西向，坡面朝南，北面用砖墙承重、保温。在屋面设有苇箔、草帘保温。夏季竹帘遮阳。屋面用玻璃覆盖材料，透光、保温、抗风性能较好。一般跨度为6m左右。冬季管道煤火加温。主要用于北方冬季蔬菜或花卉越冬生产或春提前育苗。单坡面玻璃温室，由于建造费用高，保温尚不足，在北方冬季不加温时，仍不能满足一般无土栽培作物生产要求。,单坡面温室示意图,2
6、、双坡面温室,双坡面及侧墙均为玻璃等硬质透光覆盖材料。主要特点是采光量大，通风效果良好，净空较高栽培管理方便。缺点是散热面大，保温性差。主要用于南方科研蔬菜育苗或花卉越冬栽培，真正在大规模生产上使用得较少。,双坡面温室示意图,双波面温室外观汕头,3、连栋温室,连栋温室造价低、占地省、保温性好、便于操作管理，但通风换气效果较差。必要时夏季增设湿帘风机降温。连栋温室根据屋脊走向有东西与南北向布置。南北向布置，虽透光率较东西向小7%左右，但屋脊、天沟等为活荫影，光照分布较均匀，一般南北向布置为多。,我国大型连栋温室发展迅速。连栋温室多采用异型薄壁型钢、热浸镀锌，卷帘或转轴齿条开闭天、侧窗。环境调节控
7、制，包括通风、降温、加温、遮阳、保温、灌溉施肥等实现了自动化。高档温室还实现了微电脑温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液温度、离子浓度等的数据采集、显示、存储，超限报警，以及以光照量为基准的智能化变温管理等。现代化的大型连栋温室，还可实现温室综合环境智能化控制，实现高产、优质、高效栽培。但一次投资与运行管理费用较高。,连栋温室示意图,连栋PC板温室,连栋玻璃温室,连栋玻璃温室,青岛农科所温室,大型连栋温室,二、日光温室,靠日光能维持冬季蔬菜生产的温室，称为日光温室。优点：结构简单、便于建造、投资较省；采光性好，较普通连栋温室光照量高3040%；保温性好，夜间室内外温差可达25左右；面积适中，便
8、于农户栽培管理。日光温室在不加温条件下，成功的解决了我国北方地区元旦、春节喜温果菜等冬季新鲜蔬菜的供应问题。近十多年来，在我国北纬3445的华北、东北、西北地区推广，面积达50多万公顷，成为解决我国北方地区农民脱贫致富与城市菜蓝子供应问题的支柱产业。这是我国、乃至世界蔬菜栽培史上的重大突破。缺点：土地利用率较低，管理不太方便。,日光温室结构示意图,日光温室入口,日光温室骨架(竹架),植株了作物的日光温室,未植株作物前的日光温室,骨架结构日光温室内部,未覆盖薄膜前的日光温室,日光温室群的棚头工作间,日光温室棚头工作间,日光温室顶部外观,三、塑料大棚,用塑料薄膜覆盖的拱型简易温室设施统称为塑料大棚
9、，简称大棚。其骨架有竹木结构、钢筋焊接结构、钢筋混凝土或无碱玻纤钢筋混凝土结构、镀锌钢筋装配式结构等。大棚一般无加温设施。由于大棚结构简单、拆建方便、投资省、土地利用率高等优点。在北方多用于“春提前、秋延后”栽培。在南方则用于越冬或防雨栽培。,塑料大棚结构示意图,用于无土栽培的大棚，跨度一般为610m，顶高2.33.0m，长3050m。覆盖材料有PVC、PE膜，最好选用防雾滴、耐老化的多功能PO膜。为了提高保温性能，可在棚内设置小拱棚及多重保温幕设施等。,建设中的拱形钢架塑料大棚,拱形钢架大棚群,拱形钢架塑料大棚侧面卷膜装置,未覆盖塑料薄膜前的大棚骨架,建设中的拱形骨架大棚群,拱形骨架大棚群,
10、拱形骨架大棚群俯瞰,竹架结构塑料温室,充气银灰色拱形塑料大棚,四、防雨棚或遮阳网设施,高温强光型天气，根据作物光饱和点要求，采用遮光率为50%70%的黑色遮阳网增产效果显著；但对阴凉多雨天气，则采用遮光率为40%50%的银灰色遮阳网为宜。遮阳网栽培，蔬菜的某些营养品质，如叶绿素、蛋白质、维生素C等有所下降，特别是硝酸盐含量将明显升高。在采收前57天，提前将遮阳网取下，使覆盖作物得到炼苗与绿化处理，即可使各种营养成分含量迅速赶上或超过露地产品，同时，硝酸盐积累量也将迅速降低。,第三节 设施环境对作物生长的影响及其调控技术,一、光照及其调控技术 植物利用光能将CO2和水转化为碳化合物的过程称为光合
11、作用。光合作用是地球上生物赖以生存和发展的基础。光是光合作用的能量源泉，同时又是控制光周期的一种信息。因此，光照是无土栽培温室设施极其重要的环境因子。,(一)太阳辐射与光合有效辐射,1、太阳辐射的光谱能量分布,可见光部分叶面的反射(R)、吸收(A)透射(T)(Kleshin和Shulgin，1959约就80种植物测定值平均，A的虚线表示种间变异幅度),2、植物光合有效辐射,投射到植物叶面的辐射，一部分被叶面反射，一部分被叶绿素吸收，另一部分则被叶子透射。反射、吸收及透射的比率因辐射波长、植物种类及叶龄而异。绿色植物对辐射具有选择性的吸收特性。一般说来在0.30.44m与0.670.68m两处呈
12、现吸收高峰，对0.55m一段吸收率较低。对0.72.5m的一段近红外线，由于植物体为避免高温的保护性反应几乎不能吸收，而对大于2.5m的远红外辐射，其吸收率很高，甚至可当作黑体来反应。,3、辐射的度量,辐照度：以电磁波形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，单位为J在单位时间内发射、传播或接收的辐射能称辐射功率，单位为W在单位时间内投射到或通过某单位面积的辐射能，称为辐照度，单位为W/m2在光的热效应或辐射能利用中，应以辐照度作为计量单位。,照度：据规定，具有均匀发光强度为1坎，单位为cd的点光源在单位立体角内发射的光通量定为1流明，单位为Lm。到达或通过某单位面积的光通量称为光照度或照度勒克斯
13、，单位为Lx。在研究人及某些动物的视觉环境时，应以照度作为计量单位。,量子流密度：光辐射为不连续的细小粒子流。每一个粒子叫做光子或光量子。光化学定律指出：吸收一个量子，只能激活一个分子或原子。因量子的能量与其波长成反比，故在研究光电效应或光化学反应如光合作用与光照的关系时，应该以量子流密度作为计量光辐射的单位。,(二)光照环境与作物生长,1、光质与作物的生长 紫外线、可见光与红外线对植物生长的影响是各不相同的。小于280nm的远紫外线，对植物有杀伤致死的作用。280400nm的近紫外线，虽对植物的生长有一定的抑制作用，但对维生素C与花青素的形成有积极作用。蔬菜、花卉需要少量的近紫外线照射。,可
14、见光是光合作用的主要能源。光量子具有的能量与波长成反比。在光饱和点以下的弱光范围，光能在相同的条件下，所含量子的数量因波长越长而越多。因此，红橙光较蓝紫光的光合光效能为高。在光饱和点以上，光量子数量已不是光合作用的限制因子，在可见光范围由波长引起的差异就不明显了。绿色光本来难于为叶绿素所吸收，但叶绿素含量较高时，绿色光的大部分仍能为叶绿素吸收利用。决定光合强度的光谱因子，主要由每单位能量的生理辐射量子数、色素的光谱吸收特性、色素含量，即与有效吸收的生理辐射光量子数成正相关。,2、光照量与光合作用,光合产物的形成不仅与量子流密度，而且由光照的累积时间所决定的。光照的强弱一方面影响着光合强度，同时
15、还能改变作物的形态，如开花时期、节间长短、茎的粗细及叶片的大小与厚薄等。,茄子光合强度与温度、光照、CO2浓度的关系,在一定的温度和CO2浓度下，在一定的辐照度范围内，光合强度随辐照度的增加而增加。到光饱和点时，光合强度趋于稳定。辐照度下降到光补偿点以下时，植物的呼吸作用超过了光合作用，时间长了植株会逐渐枯黄。植物的光补偿点，耐荫作物为2001000Lx，喜阳植物为10002000Lx。,在一定的辐照度下，植物叶片光合强度随光线入射角的增大而按余弦关系降低。植物群体光合强度，则随散射光比率的增大而提高。光合作用包括光反应与暗反应两个阶段。连续光照下，光反应的中间产物在某种意义上有过剩现象，甚至
16、会不稳定而分解。待暗期光反应产物被消耗后，下一个光反应才能顺利进行。由此表明：光合强度与单位叶面积上的有效光能吸收量成正比。因此，适当降低辐照度而延长光照时间、增加散射光的比率、间歇或强弱光交替下，均可大大提高光能利用率。,主要蔬菜的光饱和点(师惠芬、张志勇，1986),3、光周期对光照的基本要求,光敏色素以两种互相可逆变化的形式存在，即R660与P730。R660由植物体合成，它对660nm的红光吸收敏感。经一定时间的光照或660nm的辐射照射，R660可转变为P730。P730对730nm的远红光敏感。P730经一定的暗期或730nm的辐射照射，可转变为R660。,光周期光敏色素图,问题R
17、660占优势时，促进_植物生长，抑制_植物生长。反之，P730占优势时，促进_植物生长发育，而抑制_植物生长发育。Answers:这对于引种、育种、控制光周期敏感植物光萌发、花芽分化等有着重要的意义。,(三)温室设施的光照条件,1、辐照度及其影响因素温室栽培床平面内平均单位面积的辐照通量，即为温室的辐照度。,提高辐照度的措施：1、温室走向2、覆盖材料角度3、覆盖材料洁净度4、合理种植密度,干洁覆盖材料入射角为时透过率,太阳赤纬的变化曲线,2、覆盖材料的透光特性,覆盖材料分光透过特性,覆盖材料不同，其分光透过特性各异。从温室栽培考虑，理想的覆盖材料应对300750nm的生理辐射具有最大的透过能力
18、。波长300nm以下的远紫外线透过率越低，对覆盖材料抗老化性能越有利。300380nm的近紫外线透过率高时，对作物花青素的显现、果色、花色与维生素C的形成有利。8003000nm的红外线透过率低时，进入温室的热量较少。520m辐射的透过率越低，地面长波辐射透出的越少，对温室保温愈有利。,3、光照分布,在一定的光照度下，温室光照分布愈均匀，其阴影面积率及作物群体漏光损失愈小，则温室作物的光能利用率就愈高。光照的平面和空间分布，主要由温室方位、形状与结构形式、覆盖材料散射特性及作物叶面积指数和受光态势所决定。,在我国中高纬度地区，东西向单栋双坡屋面温室透光率，较南北向的高约15%，但由于屋脊、檩条
19、等水平构件为东西向，在温室内将造成一条条死阴影弱光带，透光率最大与最小差值在40%以上。对于3连跨以上的温室，南北向较东西向的透光率低的7%，但南北向温室其水平构件为南北向，活阴影，光照分布在时间和空间上都较均匀。若采用南北畦向栽培，作物群体受光态势较好，光照充足均匀。,4、光周期光照时间,自然光照，能对植物光周期产生影响效应的一段时间，称为光周期光照时间。一般大于、等于22Lx的光照时间，即可对植物光周期产生影响效应。太阳高度角h-4.5时的曙暮自然光照，即可对植物光周期产生影响效应。,太阳高度角h时地表照度(Lx),(四)光照调节与控制,在自然条件下，光照度与光照时间因季节、纬度、天气状况
20、而异。中、高纬度地区，冬季弱光、低温伴随着短的日照；夏季强光、高温伴随着长的日照。除采用适当的温室结构与朝向，选择透光率高、耐老化、无滴防尘、散光性覆盖材料，以尽量增大栽培床面的光照外，温室光照调节主要包括补光与遮光调节。,1、自然光照光合补光,在东西向温室的北墙内表面上加装反射板，可增强自然光照光合补光。反射板一般由反射率80%以上的镀铝膜制成。跨度为58m的东西向单栋温室，在内墙面上加装反射板后，晴天栽培床面光照度可达室外自然光照度的110%120%，为普通玻璃温室内栽培床面光照度的2倍。冬季不仅可提高光合强度，而且还可提高室内气温和叶温，可节省30%40%的采暖费用。,反光温室增光效应,
21、2、人工光照光合补光,目前使用的人工光源仅限于电光源一种。常用的有荧光灯、镝灯、钠灯、氙灯及植物效应灯等。在考虑灯具选择时，首先应选择发射光谱与需用光谱接近的产品，必要时亦可考虑多种光源组合光谱互补。另外，应选择发光效率高、灯具寿命长、价格低廉的产品，使设备折旧与运行费用最低为原则。,人工补光灯具,光照度、光照时间对下列产生影响：1、作物光合作用2、光周期3、作物温度4、蒸腾量5、周围环境(气温、空气湿度、气体组成等),低辐照度时，光合强度较低，但光能利用率却很高。在考虑人工光合补光的光照度与光照时间时，应通过试验以单位产品经济效益最大时必要的光照度及光照时间为依据。一般采用较低的光照度，延长
22、光照时间较为经济。,3、人工光周期补光,对光周期敏感的作物，特别是光周期的临界期，当黑夜时间过长而影响作物的生长发育时，应对作物进行人工光周期补光。人工光周期补光是作为调节作物生长发育的信息提供的，需用的照度较低，一般大于22Lx，最好是54Lx。光谱能量分布最好是在660665nm一带为好，可用富含红光的白炽灯。不同作物光周期反应差异很大。就同一种作物，光周期反应也因温度，营养状况不同而异。光周期补光参数应通过试验确定。,4、光合遮光调节,夏季强光、高温会使某些作物光合强度降低，对某些荫生作物或幼苗，甚至产生叶片灼烧伤现象，因此需进行光合遮光。目的：削减光强，减小太阳热负荷。光合遮光主要是遮
23、挡午间的直射光，四周不需严密搭接。遮光材料应具有一定的透光率、较高的的反射率和较低的吸收率。,常用的有在温室顶面上方铺设竹帘、白色聚乙烯纱网、黑色遮阳网等。也可在室内设置无纺布或透明与镀铝膜相间编织的内遮阳网。遮阳率可在40%70%中选择。另外在温室顶面内侧涂白以遮挡部分日光。,温室内部遮荫,塑料大棚外部遮荫,玻璃温室外部遮阳,玻璃温室外遮阳打开状,连栋温室外遮阳,5、光周期遮光调节,目的：延长暗期，保证短日照作物对连续暗期的要求。常用的材料有黑布与黑色塑料两种，在温室顶面及四周铺设、严密搭接。使室内光照降到临界光周期照度以下，一般不高于22lx。遮光的时间应使连续暗期大于14.5小时，通常从
24、黑夜向傍晚和清晨两头延长。,二、温度及其调节控制,在一定的温度范围，作物生长随温度的提高而加快。温度降至某一低温或超过某一高温时，作物将停止生长甚至死亡。维持在某一适温范围时，生长发育最好。由于地球的自转和公转，造成地表热量在时间和空间上分布的不平衡，形成地表与空气温度在昼夜、季节和地区上的变化，往往不能完全满足作物生长适温的需要。因此，应根据温室设施的温度条件，随时采取必要的保温、加温与降温措施，以充分满足作物的适温要求。,(一)温度与作物的生长,1、温度对作物生长的影响,温度对三叶草光合强度和呼吸强度的影响,温室内的气温、基质与营养液温度对作物的光合作用、呼吸作用、光合产物的输送、根系的生
25、长和水分、养分的吸收均有着显著的影响。作物的生长适温，随作物种类、品种、生育阶段及生理活动的昼夜变化而变化。一般作物光合作用的最低温度为05，最适温度为2030，最高温度为3540。在光合适温范围内，温度提高10，光合强度提高约一倍。,适温范围以外的低温或高温，光合强度都要显著降低。呼吸作用的最低温度为-10，最适温度为3646，最高温度为50。在呼吸适温范围内，温度提高10，呼吸强度提高11.5倍。,温室加温装置的排气管,温室燃油加温的棚外贮油罐,营养液池中的电加温装置,作物光合作用及其大部分产物输送是同时进行的。如果下午与夜间温度过低，叶片中的光合产物不能输送出去，叶片中的碳水化合物过分积
26、累，影响第二天光合作用。叶片变厚、颜色变深、衰老较快，光合强度下降。如光照较弱，气温过高，光合产物较少，呼吸消耗过多，则叶片变薄而植株生长瘦弱。,根际一般适宜的温度为1520。根际温度和气温对植株的生长有一定的互补作用。这种互补作用是指当气温较低或较高时，仅仅确保根际温度在适宜的范围列，植株能够生长得较为正常。当冬季气温较低时，通过根际的加温比室内加温的热损失少，节能效果好，较为经济有效；而在夏季高温时，虽然气温很高，当如果对根际进行降温，尤其是在无土栽培条件下，对营养液等介质进行冷却降温，具有显著的增产效果。,温度不仅影响着光合产物的形成与消耗，而且对分配也产生着巨大的影响。在群体形成阶段，
27、越是生长前期，温度对叶面积扩展速度的影响越显著。在偏高的温度下，有促进同化系统(即所谓的“源”)势态的作用；相反，在偏低的温度下，则有促进贮藏系统(即所谓的“库”)势态的作用。叶面积扩展速度越快，物质再生产也越旺盛。,因此，生育前期温度应偏高，叶面积的扩展应优于同化率的增加。生育中、后期以后，叶面积指数已增至最大，此时物质生产主要由单位面积的净同化率决定。在这个阶段中，应适当降低温度，以增加净光合产物的积累和贮藏。,2、生育适温与变温管理,常见温室作物的最适温度注()(师惠芬、张志勇，1986),番茄全生育期的温度管理模式,上午的光合产物约占全天的3/4，下午约占1/4。而白天输送的光合产物约
28、占全天的3/4，前半夜仅占1/4。日本土歧知久提出，将一天分为四个时段。上午采取适当高于白天适温，以促进光合产物的形成；下午适当低于白天的适温，以节省能源、确保一定的光合强度及产物输送；前半夜适当高于夜间的适温，以促进光合产物的输送和分配；后半夜适当低于夜间适温，以抑制呼吸消耗。,(二)温室设施的温度调节控制,1、温室设施温度特性与保温节能(1)温室效应温室覆盖材料能让绝大部分太阳短波辐射透入，阻止绝大部分地面长波辐射透出，使温室蓄热升温的特性称为温室效应。温室能够蓄热升温，更主要的还是由于温室密闭，空间较小，隔绝了与外界的对流热交换所致。,(2)温室设施的温度特性,温室设施的温度随太阳辐射的
29、变化而呈昼夜与季节的变化。一般密闭、土壤干燥、非供暖、单层覆盖温室，白天室内气温可达室外气温的两倍以上。室内气温基本上是随太阳辐射的变化而变化的。晴天上午，室内气温每小时可升高57，14时达最高，下午每小时约下降45。日落后每小时降温约0.7，日出前达最低温。夜间太阳辐射为零，室温最低比室外最低气温高23。有风的晴天夜间，温室表面由于强烈的净辐射，可能出现室内气温低于室外气温13的“温室逆温”现象。,(3)温室的保温与节能,温室覆盖材料热阻较小，通过覆盖材料对流、传导、辐射传出的热量损失要占总散热量的70%左右。通风换气及冷风渗透的热量损失要占20%左右。通过地中传出的热量约占10%以下。在北
30、方地区光照充足，白天室内气温可很快升至2030；若不进行保温，夜间室内气温很快会降至接近于室外温度。在北方地区温室冬季的保温是必不可少的温度调控措施。,温室保温的原理，主要是增加外围护结构的热阻；减小通风换气及冷风渗透；减小围护结构底部土壤的传热。常用的方法是采用多层覆盖、设防寒沟、增加温室的密闭性。,常用覆盖材料对红外辐射的热工特性,保温覆盖的方式,注：单层玻璃覆盖温室为对照。,不同覆盖材料的保温节能效果,蓄热加温法也是行之有效的节能措施。利用白天多余热量以补充夜间的不足，也是温室经济有效的节能措施。常用的方法有地中热交换法，蓄热体热交换法等。地中热交换法是在温室地面以下5060cm深处埋管
31、，通过风机强制通风或风囱自然通风，进行土壤热交换。白天室内空气温度高于土壤温度，温室内空气多余热量，通过空气在管中流动热交换集蓄于土壤中；夜间地中温度高于室内气温，地中积蓄的热量，又通过空气在管中流动热交换传入空气进行加温。地中热交换贮能加温，一般可使温室夜间气温提高57，可使大棚或温室春提前或秋延后一个月左右。,2、温室加温,北方的普通温室，特别是大型连栋温室，因冬季透光率较低、集热量较小，同时无法采用非常严密的保温措施，在冬季较低的室外温度条件下，须进行一定的采暖加温，才能维持室内作物生长必要的最低温度。,常用的采暖方式有热水采暖、热风采暖与电热采暖、燃气辐射采暖等。热水采暖：用水作热媒，
32、经锅炉加热并送至温室，经散热器放热对温室进行加温的方式，称为热水采暖。热水采暖的热稳定性好、温度分布均匀、波动小、生产安全可靠、供热负荷能力大，多在大中型永久性的温室中使用。根据热水在系统中循环流动的动力不同，热水采暖系统可分为自然循环与机械循环两种。,自然循环热水采暖系统,热风采暖：以空气作热媒，用燃煤或燃油热风炉直接加温，或通过蒸气气热交换器加温。热风采暖升温快、热利用率高，一般可达70%80%，一次投资与运行费用低，但温度稳定性差，一般多用于季节性短期加温。,电热采暖：利用电加热形式进行采暖。主要用于育苗时季节性温床基质局部加温。电热温床主要由隔热层、加热线、基质及地面覆盖几部分组成。隔
33、热层一般由干燥的锯木、稻糠、麦秸等铺成，厚1020cm。床上底层由35cm炉灰或干土铺平，电热线设在床土中间。其上则为培养基质及营养钵等。,热风炉采暖,(a)蔬菜电热温床育苗(b)电热温床电热线布置示意图1.塑料薄膜 2.基质 3.绝热层 4.电加热线电热温床与电热线布置,3、温室通风降温,为了维持温室设施内适宜的环境温度，往往需要通过必要的通风换气、甚至设置湿帘风机降温系统对温室设施的温度条件进行必要的调节与控制。为了补充CO2，排除室内过多的湿气，也往往需要适当地进行换气。,开窗自然换气,温室开设天侧窗：通过温室顶部和侧面安装的天窗和侧窗的开闭，可起到调节自然换气的功能。利用温室内外温差造
34、成内外空气压差的换气，称为热压换气；利用风力作用造成内外压差的换气，称为风压换气。热压与风压换气统称为自然换气。,温室侧窗通风,温室顶部侧面开窗通风,自然换气,机械强制换气,湿(水)帘风机降温,温室水帘降温,湿帘风机降温系统示意图,利用棚室内间种来降温,三、湿度及其调控技术,夜间随着气温下降，相对湿度逐渐增大；日出后随着温度升高，相对湿度逐渐下降。,不同结构温室空气湿度状况比较,(二)湿度与作物的生长发育,1、湿度与蒸腾和光合作用根据日本东近农事试验场对黄瓜、菜豆的研究试验，相对湿度为90%时的净同化率及干物质增加量，均较相对湿度为80%及60%的为高。相对湿度对光合作用的影响是间接起作用的。
35、当空气湿度较低时，作物将部分关小气孔开度来控制蒸腾量，这样将增大CO2扩散阻抗，造成CO2不足而减弱光合强度。相对湿度过低而温度又较高时，作物将失水过多而造成暂时或永久萎蔫，甚至给细胞原生质的分化作用造成影响。相对湿度过高，如95%以上时，蒸腾受到抑制，影响和阻碍了根系对养分的吸收和输送，同样会造成光合强度的下降。,2、湿度与作物的病害温室设施内由于空间小，因密闭保温而限制了通风换气，往往造成室内空气的高湿状态。湿度与病原微生物的繁殖密切相关。在高湿状态下，围护结构与叶片容易造成结露。温室设施内的湿度条件是引起作物病害的主要原因。,(三)湿度环境的调节与控制,1、除湿与降湿调节通常采用的降湿方
36、法：(1)通风换气降湿 采取自然或强制通风换气，以降低室内湿度。设施内相对湿度的控制标准因季节、作物种类不同而异，一般在60%85%为宜。通风换气量的大小与土壤、作物蒸发、蒸腾的大小及室内外的温湿度条件有关。,(2)加温降湿,在一定的室外气象条件与室内蒸腾蒸发及换气率条件下，室内相对湿度与室内温度成负相关。因此，冬季温室设施内适当的加温是降低室内相对湿度的有效措施之一。,(3)地膜覆盖与控制灌水,通常采用滴灌、下方灌溉等供液方式以及控制灌水量也可减少室内蒸发。滴灌设置在地膜覆盖以下，可使地面蒸发降到最低限度。地膜覆盖与膜下滴灌相结合，可使室内夜间相对湿度控制在85%以下。这对防止病害的发生与蔓
37、延是非常有效的。,(4)热泵降湿利用压缩机对制冷工质压缩做功，使制冷工质通过蒸发器蒸发时，以低温热源吸取蒸发潜热，经压缩后再通过高温散热器，将从低温热源吸取的热量与压缩机压缩做功的热量一起放热于高温加热间，这是热泵正常的工作程序。如将热泵的蒸发器置于温室设施栽培间，蒸发盘管的温度可降到5左右，远低于室内空气的露点温度。此时，空气循环时，室内空气中的水汽将大量从蒸发盘管上析出，从而达到降低室内空气湿度的目的。利用热泵降湿，一般可使夜间温室设施内湿度降到85%以下。,此外，也可利用换热通风装置，通过多层塑料薄膜管道，使室外低温低湿空气与室内高温高湿空气通过管道壁进行充分的换热。这样，既回收了排出空
38、气的热量，又换出了室内高湿的空气，以达到控制室内空气湿度的目的。,2、加湿调节,在一定的风速条件下，适当的增加一部分湿度可增大叶片气孔的开度，从而提高作物光合强度。常用的加湿方法有：A、湿帘风机降温系统加湿：还可达到降温的目的，一般可使室内相对湿度保持在80%左右。同时，不会因加湿而打湿叶片的现象。B、室内喷水C、超声喷雾,不同相对湿度、风速与光合作用的关系,四、温室设施空气环境的调节控制,(一)空气环境与作物的生育温室设施内的空气环境，包括气流速度与气体组分两个方面。下面分别就气流速度、CO2及有害气体浓度对作物生长的影响进行讨论。,1、气流速度,空气流动会影响到植物的蒸腾、叶温及对CO2的
39、吸收。在30cm/s以下的微风速区，叶面界面呈层流状态，提高风速有助于降低界面层厚度而减小CO2扩散阻抗。在相对湿度60%以上，光合强度将随风速的提高而提高。但在低湿度情况下，如果风速超过一定限度，蒸腾作用过旺，叶子水分状况恶化，促使气孔开度缩小，增大了CO2扩散阻抗，CO2吸收受阻，光合强度反而降低。因此，气流速度一般以0.30.5m/s为宜。特别是在强光照下，叶温较高，蒸腾旺盛，风速过高，光合强度将大大降低。,2、CO2浓度,6CO2+6H2O C6H12O6+6O2 叶子周围的CO2进到叶绿体是一种扩散现象。,叶片CO2吸收模式图,自叶片周围空气至叶绿体的CO2扩散通量，与空气至叶绿体间
40、CO2的浓度差成正比，与整个通道的扩散阻抗成反比。因此，提高作物周围空气环境的CO2浓度，增加乱流交换，调节空气湿度等，都是提高CO2扩散通量，即提高作物光合强度的有力措施。,叶子周围CO2浓度与光合作用强度的关系,通过施用CO2对蔬菜生理与形态也有一定的影响。在一定的范围内提高叶片周围空气的CO2浓度，对叶菜、根菜、果菜及以种子为收获对象的作物，均有显著的增产效果。CO2浓度与光照度之间有着相辅相成的关系。提高光照度可补偿CO2的不足；反之，提高CO2浓度也可补偿光照的不足。,3、有害气体,空气中污染的对植物产生毒害的有害气体有：二氧化硫、乙烯、氮氧化物、臭氧、氟化氢、氨、正丁酯、磷苯二甲酸
41、二异丁酯等。其中有的是煤、石油等燃烧的产物，有的则是某些塑料制品、农药和某些肥料挥发和残留的有害气体。它们往往在很低的浓度下就会对作物的生长产生毒害作用。,(二)CO2肥源与施用,1、CO2肥源的选择酒精酿造业的副产品气态CO2、液态CO2或经加工而成的固态CO2(干冰)；化学分解，即用强酸与碳酸盐作用释放出CO2；空气分离，即将空气低温液化蒸发分离出CO2，再低温压缩成液态CO2；炭素或碳氢化合物如煤、焦炭、煤油、液化石油气等通过充分燃烧生成CO2；利用有机物质如厩肥分解放出CO2,选择CO2肥源必须考虑资源丰富、取材方便、成本低廉、纯净无害、设备简单和便于自控等。利用碳氢化合物，如煤油、液
42、化石油气红外炉具燃烧，易生成CO，但仍需经过脱硫、成本亦较高。,2、CO2施用技术,(1)CO2施用场所与时期 局限于玻璃温室、塑料大棚等密闭性较好的设施中，以及蔬菜、花卉等经济效益较好的园艺作物。开始施用CO2的时期，应根据作物种类、栽培方式、作物长势及环境条件而定。一般说来，叶菜、根菜类作物在前期施用较好。果菜类作物为避免茎叶过于繁茂，应在光合产物的受体“库”的能力变强时，即从植株进入雌花着生，开花结果期，CO2吸收量急剧增加时施用为宜。对冬季光照较弱、作物长势较差、CO2浓度又较低时，亦可适当提早施用。,(2)CO2施用时间,在一天中CO2的施用时间，在日出后1小时开始为宜。,CO2施用
43、时间的长短，应根据栽培目标与环境温度、光照条件而定。一般在上午换气之前30分钟停止施用较为经济。,(2)施用浓度与施用量,CO2施用浓度一般应在CO2饱和点以下。以1.53.5g/m3范围的浓度较适宜。但是考虑施用效果的经济性及设施的密闭性能，最好晴天在0.13%以下，阴天在11.5g/m3，雨天不施为宜。,(3)CO2施肥的效果,伊东(1979)在春季大棚种植黄瓜中进行CO2施肥的效果试验表明，使用CO2后的早期产量和总产量均增加了，特别是早期产量增加得更为显著，但如果在高室温条件下长期施用CO2，则加速了植株早衰老化，总产量与不施CO2的相当或下降了。,大棚春植黄瓜施用CO2的效果(伊东，
44、1979),五、综合环境调节与管理,在无土栽培设施中，依靠人的经验、智慧与能力进行的综合环境调节与管理称为初级阶段的综合环境管理。人们只是根据长期实践积累的丰富经验，看天、看地、看作物、看管理作业效果，进行经验积累的、定性的管理。在激烈竞争的设施栽培中，传统的环境调节与管理已远不能满足市场经济发展的需要。除借助一些仪器、设备、装置随时掌握多种环境的、作物的变化情况，决定随时采取必要的温度、光照、湿度、营养液施用等调节控制与管理外，还应根据生产资料、成本、市场与产品价格及劳力资金情况统筹计划，调节上市期与上市量，以获得较高的效益。,由于计算机应用技术的飞速发展，特别是单片机性能价格比的不断提高，
45、使温室设施的综合环境调节控制提高到了智能化水平。现代温室设施的综合环境管理，包括综合环境因子与生物信息的自动采集、处理、显示、存储，温度、湿度、光照、营养液配方等优化综合环境的调节与管理，异常情况的紧急处理与报警等。,第三节 植 物 工 厂,二十一世纪的未来农业,什么是植物工厂,定义：利用现代化农业栽培、生物工程、材料科学、计算机等先进技术在一个像工厂厂房一样密闭的空间中、配合电脑调控设施进行作物种植的生产方式。,植物工厂的特征,生产的计划性、周年均衡性和产量的稳定性，生产没有季节性。叶菜的生育期短、果菜的始收期提早、收获期延长，产量高，产值也高。机械化和自动化程度高，劳动强度降低。产品清洁卫
46、生栽培向立体化方向发展，不占耕地。大量使用机械化设备和计算机控制设备，耗费大量的电能，建设和运行费用昂贵。,露地栽培、设施栽培和植物工厂作物生产的比较(1),露地栽培、设施栽培和植物工厂作物生产的比较(2),露地栽培、设施栽培和植物工厂作物生产的比较(3),植物工厂的类型,(一)人工光源植物工厂 厂房用不透光、隔热性能较好的材料做成，光源用高压卤素灯或荧光灯等。植物生长环境几乎不受自然条件影响。设备要求高、耗能大、运行成本高。,(二)自然光源植物工厂,利用自然光，厂房即为大型的玻璃温室或连栋的塑料温室，然后在这些温室附设各种环境因子的监测和调控设备。已在世界上许多国家应用，只不过是其机械化或自
47、动化程度有所不同。我国在上海、广东、南京、沈阳、北京等地也先后引进了一些这种类型的大型温室，就目前的使用效果来看，还不尽人意。主要原因仍然是其运行成本太高所致。这类植物工厂仍然受到自然条件或多或少的影响，种植的作物种类也在一定程度上受季节的限制。,连栋玻璃温室北京,自然光照植物工厂,自然光照工厂外观,(三)自然光源和人工光源并用的植物工厂,白天时直接利用太阳光，一方面供植物生长的需要，另一方面可将太阳能蓄积起来，作为环境因子的监测与调控时所需的能源。工厂内包括了多层遮阳网、空调设备和人工补光的光源等。与人工光源植物工厂相比，这种植物工厂较省电，与自然光源的植物工厂相比，它较不易受气候的影响。,
48、具有人工补光装置的温室,三、植物工厂的发展现状,世界上第一座植物工厂于1957年在丹麦创立，农场名称为“约克里斯顿”，面积为1000平方米，采用人工光源和自然光源并用，周年生产生菜，工厂内的各种环境条件按生菜不同生育时期的最适生长条件而设，从播种到收获的全过程均在自动化的生产线上进行，一年可生产生菜400万包(每包一株)，产值达83万美元。,Ruther公司连续栽培系统,80年代瑞典的爱伯森公司建造了一座以人工光源和自然光源并用的植物工厂，面积为6 100m2，其中，有4 800m2为栽培室，800m2的育苗室和500m2的操作控制室。工厂内以泥炭为基质来种植生菜，栽培架为9m60m，架上的种
49、植槽可根据生菜的生育期采用机器人来调整栽培密度。白天利用太阳光，夜晚和光照不足的白天用高压钠灯和荧光灯增加光照，光照强度为46kLx，利用遮光、换气和制冷降温等电脑自动调控生菜的最适生长条件。,美国在80年代也建立了几个具有实用性质的植物工厂。例如波里达卡农场有3000平方米和亚基塔尼约卢米卫米兰多农场有18000平方米的植物工厂，它们都以营养液栽培来生产生菜。,日本的植物工厂的研究始于日立公司和电力中央研究所。1985年在日本筑波的世界博览会上，日立公司展示了一套三层楼高的塔型人工光源照明的蔬菜植物工厂，同年在千叶县船桥市也建立了66平方米面积的植物工厂。M式水培研究所研制成功长60m，宽5
50、0m，高4m，总面积为3000平方米的植物工厂。三菱重工和九洲电力公司建立了一个面积为100平方米的智能化人工光照的植物工厂，它利用水培来生产生菜。生产过程高度自动化，从种子的播种开始到催芽、苗期生长、定植、间疏以及最后生菜的收获和包装均由电脑和机器人来完成，标志着植物工厂的研究已达到了一个新的水平。,日本还将植物工厂用于生产芽菜。在1984年静冈县的“海洋牧场”以生产萝卜缨为典型例子。静冈县的兼正公司采用山本产业公司开发的双层传送带式的芽菜生产系统。这些代表着日本在开发植物工厂的另一个特色。,我国从80年代中期开始，先后引进了荷兰、美国、以色列等国家的大型连栋玻璃温室，引进的这些设备自动化程
