设施环境特性及调控技术解析.docx

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设施环境特性及调控技术解析

设施环境特性及调控技术

设施栽培是在露地不适于作物生长的情况下，利用温室、大棚等设施，人为地创造适宜的环境条件来进行作物栽培的一种方式。

设施内的环境因子，包括光、温、水、气、土壤及营养元素等，虽在很大程度上受外界环境的影响，但与露地栽培必竟存在着根本的差别，它可使在露地生产中无能为力的环境调控成为可能。

因此，了解设施内的环境特点，并掌握其人工调控方法，对促进设施园艺作物的优质高产高效栽培，具有重要的意义。

本章内容

Ø设施环境特性及调控

Ø环境的综合调控

设施环境特性及调控

v光环境

v温度环境

v湿度环境

v二氧化碳气体

光环境

光环境对温室作物的生长发育产生光效应、热效应和形态效应，直接影响其光合作用，光周期反应和器官形态的建成，在设施园艺作物的生产中，尤其是对喜光园艺作物的优质高产栽培中，具有决定性的影响。

设施内的光环境特征

Ø总辐射量低，光照强度弱

温室内的光合有效辐射能量、光量、太阳辐射量受透明覆盖材料的种类、老化程度、洁净度的影响，仅为室外的50~80%，这种现象在冬季往往成为喜光果菜类作物等生产的主要限制因子。

Ø辐射波长组成与室外有很大差异

当太阳短波辐射进入设施内并被作物和土壤等吸收后，又以长波的形式向外辐射时，多被覆盖的玻璃或薄膜所阻隔，很少透过覆盖物外去，从而使整个设施内的红外光长波辐射增多，这也是设施具有保温作用的重要原因。

Ø光照分布在时间和空间上极不均匀

温室内的太阳辐射量，特别是直射光日总量，在温室的不同部位、不同方位不同时间和季节，分布都极不均匀，尤其是高纬度地区冬季设施内光照强度弱，光照时间短，严重影响温室作物的生长发育。

影响设施光环境的主要因素

✓散射光的透光率（Ts）

太阳光通过大气层时，因气体分子、尘埃、水滴等而发生散射并吸收后到达地表的光线称为散射光。

✓直射光的透光率（Td）

依纬度、季节、时间、温室建造方位、单栋或连栋、屋面角和覆盖材料的种类等而异。

Ø构架率:

简易管棚（Venlo型玻璃温室，普通钢架玻璃温室）

Ø屋面直射光入射角的影响

Ø覆盖材料的光学特性

Ø温室的结构方位的影响

设施内光照的调节

Ø改善设施的透光能力，增强设施内的自然光照强度。

Ø在强光的夏季栽培或进行软化栽培等特殊条件下进行遮光。

Ø在冬季弱光期或光照时数较少的地区进行人工补光。

㈠改善设施的透光能力

⒈选好透明覆盖材料、改进设施的结构

采用透光率高、防尘性能好、抗老化、无水滴的覆盖材料；

建造设施时应尽量采用合理的屋面角度；

减少建材的遮荫；

建筑设施时，要注意选择合理的方位。

同时，要充分利用反射光。

如日光温室适当缩短后坡，并在后墙上涂白以及安装镀铝反光膜，地面覆盖地膜等。

2.加强设施的光照管理

建造设施应选择粉尘、烟尘等污染较轻的地方。

应经常打扫和清洗透光覆盖面，增加透光率。

阴雪天过后应及时揭开保温覆盖物。

3从生物本身，通过栽培技术来实现

栽培畦向---以南北畦受光均匀

密度

植株调整

设施专用品种

利用反射光：

地膜覆盖，北墙张挂反光膜

有色薄膜使用，改变光质

要注意作物的合理密植与垄向，改善光照分布。

（二）夏季栽培或软化栽培等条件下遮光

遮光的目的

•减弱设施内的光强

•降低设施内的温度

遮阳网、玻璃面涂白、屋面流水、苇帘、竹帘等

遮光的方法

①覆盖各种遮荫物，如覆盖苇帘、竹帘、遮阳网、不织布等。

外遮阳优点：

降温效果好缺点：

操作较难，易损坏

②玻璃面涂白法

全部涂白、部分涂白或斑状涂白

涂白原料一般为石灰水，在国外也有用温室专用涂白剂。

③玻璃屋面喷雾法

（三）冬季弱光期或光照时数较少的地区人工补光

人工补光的目的

日长补光以抑制或促进花芽分化，调节作物开花时期，即以满足作物光周期的需要为目的。

栽培补光促进作物光合作用，促进作物生长，补充自然光照的不足为目的。

调控花期：

弱光（5-10w/m2），红光，用白炽灯、荧光灯即可；蓝、红光等，用荧光灯或高压气体放电灯。

栽培补光对电光源的要求

•光照强度在3000lx以上。

•光照强度具有一定的可调性。

•有一定的光谱组成，最好具有太阳光的连续光谱。

人工补光的光源

白炽灯：

红光、远红光多，可见光所占比例少。

•价格便宜，但发光效率低（10-26光通量（Lm）/消耗电功率（w）），光色较差，目前只能作为一种辅助光源。

•使用寿命大约1000小时。

荧光灯光谱主要集中在可见光区

蓝紫光黄绿光红橙光

16.1%39.3%44.6%

•第二代电光源。

价格便宜，发光效率高（约为白炽灯的4倍）。

可以改变荧光粉的成分，以获得所需的光谱。

寿命长达3000小时左右。

•主要缺点是功率小。

金属卤化物灯

光效高（60-80Lm/w），光色好（主要集中在可见光区域），功率大（200-400W），是目前高强度人工补光的主要光源。

缺点是成本较高。

高压气体放电灯

•水银灯（汞灯）：

主要是蓝绿光，紫外辐射高，发光效率高，光色差。

低压灯主要用作紫外光源，高压灯用于照明及人工补光。

•氙灯：

分为长弧氙灯和短弧氙灯，两种氙灯辐射能量分布与日光较接近，故称“小太阳”。

强度高，发光效率高（27-37Lm/w）体积小，寿命长。

•生物效应灯：

连续光谱，紫外光、蓝紫光和远红外光低于自然光，远红外低于自然光25%。

绿、红、黄光比自然光高。

温度环境

Ø设施作物对温度的基本要求

Ø设施的温度环境特点与热平衡

Ø设施内温度环境调控

园艺作物对温度的基本要求

温度是园艺作物设施栽培的首要环境条件，因为任何作物的生长发育和维持生命活动都要求一定的温度范围，即所谓最适、最高、最低界限的“温度三基点”。

当温度超过生长发育的最高、最低界限，则生育停止。

如再超过维持生命的最高最低界限，就会死亡。

几种果菜类蔬菜生育的适宜气温、地温及界限温度（℃）

v

温室效应

在无加温条件下，温室内温度的来源主要靠太阳的直接辐射和散射辐射，而且透过透明覆盖物，照射到地面，提高室内气温和土温，由于反射出来的是长波辐射，能量较小，大多数被玻璃、薄膜等覆盖物阻挡，所以温室内进入的太阳能多，反射出去的少。

再加上覆盖物阻挡了外界风流作用，室内的温度自然比外界高，这就是所谓的温室效应。

温室效应的影响因素

太阳辐射量

设施的保温比—设施内的土壤面积（S）与覆盖及维护结构表面积（W）之比，即S/W=β。

一般温室的保温比:

单栋0.5-0.6；连栋0.7-0.8

设施屋面角、方位

覆盖材料

设施的温度环境特点与热平衡

Ø设施温度变化特征

气温的季节变化

气温的日变化

设施内“逆温”现象

室内气温的分布存在不均匀

设施内气温分布不均匀，无论垂直方向和水平方向均存在温差。

在保温条件下，垂直温差可达4-6℃，水平温差较小。

温室的热平衡原理

温室是一个半封闭系统，它不断地与外界进行能量与物质交换，根据能量守恒原理，蓄积于温室内的热量ΔQ=进入温室内的热量（Qi）-散失的热量（Qo）。

当Qi>Qo时，温室蓄热升温；当Qi

不过，平衡是相对、暂时和有条件的，不平衡是经常的绝对的。

根据热平衡原理，人们采取增温、保温、和降温措施来调控温室内的温度。

Qin＞Qout室内蓄热升温

Qin＝Qout热量收支平衡恒温

Qin＜Qout室内失热降温

保护地热支出的各种途径之一——贯流放热：

透过覆盖材料和结构材料放出的热量

各种材料的热贯流率（KJ/m2·h·℃）

贯流放热是园艺设施放热的最主要途径，占总散热量的70-80%。

保护地热支出的各种途径之二——通风换气放热

温室内自然通风或强制通风，建筑材料的裂缝，覆盖物的破损，门、窗缝隙等，都会导致室内的热量流失。

温室内通风换气失热量，包括显热失热和潜热失热（由水的相变而引起的传热称潜热传导，直接由温差引起的传热称显热传导）两部分

•显热失热量的表达式如下：

•Qv=R·V·F（tr-to）

•式中Qv为整个设施单位时间的换气失热量；

•R为每小时换气次数（见表5-12）；

•F是空气比热，F=1.3KJ/m3·℃；

•V是设施的体积，m3。

保护地热支出的各种途径之三——土壤传导失热

土壤传导失热包括土壤上下层之间的传热和土壤横向传热。

但无论是垂直方向还是在水平方向上传热，都比较复杂。

设施内的温度调节

保温

加温

降温

变温管理

㈠保温

1.通过保温材料减少贯流放热和通风换气量

减少向设施内表面的对流传热和辐射传热

减少覆盖材料自身的热传导散热

减少设施外表面向大气的对流传热和辐射传热

减少覆盖面的漏风而引起的换气传热

①室外覆盖：

草苫、纸被或保温被等

②二层固定覆盖（双层充气薄膜）间距10-20cm比5cm保温好

③室内覆盖：

活动保温幕（活动天幕，2层足够）

④结构与墙体：

使用保温性能好的材料作墙体和后坡，并尽量加厚。

⑤减少换气放热

•尽可能减少园艺设施缝隙

•及时修补破损的棚膜

在门外建造缓冲间，并随手关严房门。

2.增大保温比

•适当降低设施高度，减少夜间散热面积

3.减少土壤传热

全面地膜覆盖、膜下暗灌、滴灌，阻止或减少潜热损失。

㈡加温

1.增加设施内进光量—提高透明覆盖物的透光率

2.人工加温

加温目的：

靠保温不能维持作物生长温度时，需补充加温。

现代温室加温成本占运营成本50-60%。

加温在设计上要求做到：

加温设备的容量应经常保持室内的设定温度

设备和加温费要尽量少

保护设施内加温空间分布均匀，时间变化平稳

遮荫少，占地少，便于栽培作业

不同加热方式

明火加温气暖加温电热加温水暖加温热风加温辐射加温

㈢降温措施

遮光降温

屋面喷水降温

蒸发冷却降温（喷雾、水帘降温）

通风（自然通风、强制通风）

1.通风换气

2.遮光、屋顶喷水,减少进入设施内的热量。

3.蒸发冷却法增大潜热消耗湿帘

（四）变温管理

（三段变温或四段变温）

依据作物在一天中的生理活性中心的变化将1天分成若干时段，设计出各时段适宜的管理温度，以促进同化产物的制造、运转和合理分配，同时降低呼吸消耗，从而起到增产、节能的作用。

这样的温度管理方法叫做变温管理。

变温管理的理论基础

时间

生理活性中心

温度控制

目的

上午

光合

生育适温上限

促进光合

下午

光合减弱

适当降温

促进光合

部分运转

前半夜

光合产物运转

呼吸

继续降温

加速运转

抑制呼吸

后半夜

呼吸

保持生长下限

抑制呼吸

果菜类蔬菜变温管理应注意的问题

1.气温与地温互补关系

2.光照与变温管理的关系

黄瓜四段变温管理

即每天日出后及早揭开草苫，以揭苫后温度不下降，也不迅速回升为宜。

随着光照的逐渐增强，上午使温度保持在25～30℃；中午以后，控制在28～30℃，超过33℃，开始由小到大放顶风；下午3～4点时，当温度降至23℃时关闭风口进行保温，使温度保持在20～25℃，当室温降至18℃时，开始放草苫；前半夜使温度控制在15～20℃，后半夜到揭苫前温度保持在10～12℃左右，温度不能低于10℃，否则容易遭受冻害。

西瓜结果期三段变温管理

上午光照充足，温度适当高些有利于养分的吸收和光合作用；午后到子夜主要进行光合产物的运输，适当降低温度，使光合作用产物尽快运转到果实及其它部位；后半夜西瓜要进行呼吸，保持较低的温度，可使呼吸消耗降到最低限度。

湿度环境

Ø设施内湿度环境特征

Ø湿度与设施作物生长发育

Ø设施内湿度环境与病虫害发生的关系

Ø设施湿度环境的调控

设施内的湿度概念

空气湿度—表示空气的潮湿程度即空气中水汽含量的物理量。

土壤湿度—表示土壤的湿润程度即土壤中水分含量的物理量。

1.空气湿度

绝对湿度：

一定体积的空气中含有的水蒸气的质量,其单位是g/m3。

绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高（与温度有关）。

相对湿度

是空气中实际水汽含量（绝对湿度）与同温度下的饱和湿度（最大可能水汽含量）的百分比值。

它的单位是%。

2.土壤湿度

绝对湿度—一定重量的干土中所含水分重量，其单位为％干土重。

绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高。

相对湿度—土壤中实际所含水分重量与饱和含水量的百分比值。

它的单位是%。

设施内湿度环境特征

Ø设施内空气湿度特点

空气湿度大

存在季节变化和日变化

湿度分布不均匀

设施内空气湿度的影响因素

设施的密闭性

设施内温度

具体影响表现在：

（一）园艺植物对营养物质的吸收及转运需要水分

根系对元素的吸收需要在水溶液中进行

营养元素在植株体内的运输需要水分作介质

（二）园艺植物的生理代谢需要水分

光合作用，蒸腾作用，　渗透压的维持等

（三）园艺植物产品器官的形成需要较多的水分产量，品质

蔬菜作物对空气湿度的基本要求

大多数花卉适宜的相对空气湿度为60%~90%

设施湿度环境的调控

加湿

除湿措施

（1）被动除湿

①减少灌水②地膜覆盖③增大通风量和透光量④采用透湿性和吸湿性良好的保温幕材料

（2）主动除湿

①强制通风换气②加温除湿③强制空气流动④除湿机或除湿型热交换通风装置

（1）被动除湿

不用人工动力（电力等），只靠空气的自然流动，将设施内空气中多余的水汽或水雾等放出设施外，使设施内保持适宜的湿度环境。

①减少灌水

通过改良灌水方法提高水分的利用率

②地膜覆盖

地膜覆盖能阻隔土壤表面水分蒸发，降低设施内空气相对湿度。

③增大通风量和透光量

④采用透湿性和吸湿性良好的保温幕材料

（2）主动除湿

采用人工动力（电力等），强制空气流动，将设施内空气中多余的水汽或水雾等放出设施外，使设施内保持适宜的湿度环境。

①强制通风换气②强制设施内空气流动③加温除湿

二氧化碳环境

Ø设施内的二氧化碳环境

Ø二氧化碳浓度与作物光合作用

Ø二氧化碳施肥技术

设施内的二氧化碳环境

大气中CO2浓度约为330～350μl.L-1，由于受气候、生物等因素影响而具有一定的季节变化和日变化。

一般，一天中，日出之前最高，10～14时最低；一年之中，11月～2月较高，4～6月较低。

提高空气中CO2浓度，作物光合速率上升的原因:

CO2是光合反应的底物，大气CO2浓度升高的同时，叶肉细胞间隙CO2浓度升高，从而提高CO2与O2的比值，导致二磷酸核酮糖羧化酶（RuBPcase）活性增加，加氧酶（RuBPoase）活性降低，光呼吸受到抑制，并加速碳同化过程。

随着CO2浓度的升高，光补偿点下降，光合量子产额增加，对弱光的利用能力增强，可补偿弱光下的光合损失。

二氧化碳施肥技术

ØCO2施肥浓度

通常，800～1500μl.L-1作为多数作物的推荐施肥浓度，具体依作物种类、生育时期、光照及温度等条件而定。

ØCO2施肥时间

从理论上讲，CO2施肥应在作物一生中光合作用最旺盛的时期和一日中光照条件最好的时间进行。

CO2肥源

Ø液态CO2

Ø燃料燃烧

ØCO2颗粒气肥

Ø化学反应

燃烧法--燃烧白煤油（白煤油指的是从煤油中提取沸点在160～200℃之间的组分）释放CO2

化学法——CO2发生器

环境综合调控

是以实现作物的增产、稳产为目标，把关系到作物生长的多种环境要素都维持在适于作物生长发育的水平，而且要求使用最少的环境调节装置设备、省工节能、便于操作的一种环境控制方法。

综合环境管理方式

人工进行的综合环境管理

根据感官或简单的仪器获取环境数据，完全依靠生产经验，进行综合判断后人工采取措施。

1.对人员素质要求高—相关知识丰富、勤于观察、善于分析、集思广益、操作准确。

2.控制精度低效果差。

3.有获得高产的成功例子，但重现性差。

利用计算机进行综合环境管理

除上述功能以外，还具有以下功能：

1．自动报警

包括温度异常上升或降低、机械故障、锅炉熄火、水泵、马达故障、感应器异常等及时通过现场亮指示灯，并在主机监视屏幕上提示或显示红色符号发出警报。

2．记录显示功能

对检测数据，演算值和室内外环境因子变动状况有记录显示的功能能进行最大，最小，平均值和积算等计算分析处理，以图表方式表示和打印。

3．通讯功能

温室环控装置与其他装置之间可进行数据信息交换，可遥控监测和利用互联网（Internet）进行栽培诊断。