太陽能加熱換氣式CO2增施系統的設計與試驗

安紅艷，張京開，劉 旺，盛 順，苗秋生，孫貴芹，謝 杰，王榮雪

（北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

CO2是植物光合作用的主要原料，在設施栽培條件下，增施CO2是實現溫室蔬菜高產優質的重要技術，因此，CO2增施技術已被國內外設施蔬菜發達國家所普及應用[1]。據統計，荷蘭和挪威分別有65%和75%的日光溫室正在使用CO2施肥技術，其他發達國家如美國、英國、日本等在設施農業生產中也大量運用了CO2施肥技術[2]。中國從20世紀70年代開始研究溫室CO2增施技術，目前，溫室內CO2增施技術主要有鋼瓶法、燃燒法、吊袋施肥、施用固體CO2氣肥、CO2發生器法、增施有機肥法等，部分技術在遼寧、北京、甘肅、寧夏等地進行了推廣應用，已經取得了良好效果[3-5]。但由于成本較高或使用不方便等原因，中國大部分日光溫室蔬菜生產中應用CO2增施技術的還較少，增加日光溫室中CO2濃度仍主要靠溫室通風口的空氣流通。這就存在通風不足的現象，特別是嚴冬季節不通風或僅中午前后（一般為中午11：00-14：30）于屋脊部位扒小縫短時間進行自然通風，由于通風量小，中午前后很容易造成CO2虧缺。如果這段時間進行溫室CO2增施，也容易造成浪費，調節不當還會起反作用，經濟效益不高。因此，利用太陽能加熱換氣式CO2增施系統將加熱的空氣輸送到溫室內，通過增加溫室通風量，在溫室內CO2濃度虧損較嚴重的時段提高CO2濃度，以期探索一種中午前后提高溫室CO2濃度的經濟有效的方法，為溫室蔬菜高效、優質、綠色生產奠定基礎。

1 太陽能加熱換氣式CO2增施系統

1.1 試驗系統和工作原理

太陽能加熱換氣式CO2增施系統（圖1）由太陽能空氣集熱器、通風管道、風機等組成。太陽能空氣集熱器置于南北走向的大棚的西側，面向正南，與地面呈約25°角放置；在塑料大棚地下40 cm深處，由磚砌成的主通風道位于大棚最南部，從西向東橫穿大棚，末端由PVC管引出地面，主通風道上每隔10 m引出地面1個通風管（PVC），共計6個通風管，每個通風管露出地面距離約為44 cm。其中，中間通風管直徑為5 cm，末端通風管直徑為11 cm，通風管的間距為10 m，通風管A端口與風機相連；白天，當太陽能集熱器內的空氣溫度升高至35 ℃時（圖2中10），風機自動啟動，將室外冷空氣抽入太陽集熱器，沿著順時針方向預熱后，從C口進入加熱管上部進行加熱，加熱管表面涂一層黑漆，較熱的空氣由D口進入加熱管內二次加熱，最后，熱空氣經風機從A口進入溫室主通風道。熱空氣從太陽集熱器進入地下主通風道后，先將一部分熱量傳給地下土壤蓄積起來，散熱后的空氣從通風管道排入棚內，增大通風量，提高棚內CO2濃度，同時也可提高土壤耕作層的地溫。夜間當棚內氣溫較低時，蓄積在土壤耕作層的熱量一方面通過通風管排入棚內，另一方面，土壤中蓄積的熱量從溫度較高的地下土壤向上緩慢傳遞，以提高大棚內淺層土壤溫度，滿足作物根系對地溫的需求。

1.2 日光溫室大棚結構

試驗用日光溫室位于北京市昌平區昌鑫農業種植園區，溫室脊高3.45 m，橫跨8 m，高跨比為0.43，東西長50 m，溫室后墻為黏土磚墻。冬季保溫覆蓋材料采用塑料薄膜和保溫被。

圖1 太陽能加熱換氣式CO2增施系統

2 試驗方法

在北京市昌平區昌鑫農業種植園區選取2座朝向、大小、建筑結構等相同的溫室大棚，為了減少熱量損失，選擇連棟溫室，分別編號為1號、2號，1號棚為試驗棚，安裝太陽能加熱換氣式CO2增施系統，2號棚為對照棚，不安裝該設備。2棟溫室內的同一位置種植相同數量、相同種類的葉菜。

試驗棚和對照棚內溫度測點布置3個，位于溫室南端，平面位置見圖2。在各平面點垂直方向上設2個點，分別位于地表上方20 cm，地表下方10 cm，共布置6個測點。試驗棚內CO2測點布置在（2）、（3）號位置，對照棚內CO2測點布置在（4）、（5）的位置，室外CO2測點布置在（6）的位置。

由于溫室CO2虧缺最嚴重季節為低溫寡照的12月-翌年2月，因此，選擇2015年12月-2016年2月開展試驗，對該裝置進行了連續實時測試。而且，1月份晴天、陰天等天氣類型較為豐富，因此選擇1月份的數據進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 不同天氣條件下太陽能加熱換氣式CO2增施系統每天工作時長分析

圖2 溫濕度、CO2測試布點

由圖3可知，對2016年1月份太陽能加熱換氣式CO2增施系統每天工作時間進行統計分析發現，1月份該設備平均每天累計工作時間為217 min，其中以200～300 min的頻率最多，為18次，其余時間段0～100 min、100～200 min、300～400 min的頻率分別為2次、8次和3次。經查詢北京1月份天氣情況，1月份陰天或霧霾天為9 d，晴天多云為4 d，晴天為18 d，所以設備每天工作累計時間較長的頻率高。

圖3 太陽能加熱換氣式CO2增施系統每天工作累計時間頻數

根據圖4可知，該設備晴天、多云天氣工作時間主要集中在9：30-15：30，9：30-13：30期間開始斷斷續續工作，1：30-15：30期間開始連續工作。其中，晴天（2016年1月11日）該設備啟動時間為9：46，停止工作時間為15：30，實際工作時間為290 min；多云天（2016年1月13日）該設備啟動時間為10：00，停止工作時間為15：30，實際工作時間為205 min；陰天（2016年1月16日）該設備一天都不工作。工作時間晴天＞多云天＞陰天，多云天開始工作時間較晴天晚。

3.2 不同天氣條件下太陽能加熱換氣式CO2增施系統對溫室內CO2濃度的影響

持續陰天和晴天，棚內CO2濃度日變化均表現為晝間下降夜間升高的變化趨勢，在13：00-14：00降至最低值，在9：00-10：00達到最大值，呈不規則的“W”或“U”形，這與魏珉等[2-6]的研究結果一致。

由圖5可知，連續陰天條件下，試驗棚和對照棚內CO2濃度呈增加趨勢，溫室外CO2濃度為近似直線，有小幅波動。使用該設備的3 d時間里，試驗棚CO2平均濃度為783.66 μmol/mol，對照棚CO2平均濃度為769.12 μmol/mol，溫室外CO2平均濃度為524.83 μmol/mol，試驗棚較對照棚平均CO2濃度增加1.9%。其中，試驗棚內CO2濃度白天最低為545.2 μmol/mol，夜間最高濃度為953.16 μmol/mol，對照棚CO2濃度白天最低為534.6 μmol/mol，夜間最高為934.2 μmol/mol，試驗棚白天、夜間溫室內CO2濃度與對照棚接近。這表明在連續陰天，該設備不工作，對照棚與試驗棚內濃度差異不大。而且由于冬季氣溫較低，光照不足，作物消耗溫室內CO2較少，晚上作物呼吸作用也產生CO2，所以溫室內CO2濃度較高，連續陰天會使溫室內CO2發生積累，溫室內CO2濃度最低含量都比溫室外高，不會發生虧損。

圖4 太陽能加熱換氣式CO2增施系統工作時間

圖5 持續陰天下CO2濃度變化（2016年1月1-3日）

在持續晴天條件下，試驗棚和對照棚內CO2濃度呈現出劇烈的變化，溫室外CO2濃度在夜間有小幅波動，總體來說呈近似直線型。由圖6可知，不論是夜間還是白天，試驗組CO2濃度較對照棚的CO2濃度高，試驗組CO2濃度平均為801.85 μmol/mol，白天最低為410.78 μmol/mol，夜間最高為1 085.7 μmol/mol；對照棚CO2濃度平均值為700.17 μmol/mol，白天最低為376.2 μmol/mol，夜間最高為931.5 μmol/mol，平均濃度增加14.5%。這是由于一般1月份溫室開膜時間為12：00左右，而該設備在9：30就開始工作，使得試驗棚內CO2濃度相對較高，中午前后維持在外界CO2濃度水平，16：30左右溫室蓋棉被后，試驗棚內CO2又開始積累，所以試驗棚內CO2濃度始終高于對照棚。在使用該設備的3 d，試驗組每天虧損的時間分別為0、0.5、2 h，平均虧損0.83 h，對照棚每天虧損的時間為2、4、3.5 h，平均虧損3.17 h，平均減少虧損2.34 h。這說明使用該設備后，晴天可以減少溫室內CO2虧損時間，減少約2.34 h左右。

圖6 持續晴天下CO2濃度變化（2016年1月27-29日）

3.3 晴天太陽能加熱換氣式CO2增施系統對溫室內溫度的影響

由圖7可知，地面以上0～20 cm氣溫，8：00-13：00試驗棚由4 ℃升高到33.6 ℃，升高了29.6 ℃，對照棚在8：00-14：00由2.4 ℃升高到44.1 ℃，升高了41.7 ℃，高于試驗棚。試驗棚日平均溫度為14.34 ℃，對照棚日平均溫度為14.40 ℃，對照棚略高于試驗棚。但在光照較弱或夜晚期間，試驗棚氣溫較對照棚氣溫略高，平均高1.22 ℃。這可能是由于該設備使得溫室內空氣加速流通，中午前后不會使溫室內氣溫上升太高，但夜晚蓄積在土壤中的熱量使得溫室內氣溫較對照棚高，夜間試驗棚平均比對照棚高1.22 ℃。

由圖8可以看出，溫室內土壤溫度升高比氣溫升高得慢，具有滯后性，且變化幅度較小。對照棚的南端日平均地溫為12.94 ℃，9：30-16：00土壤溫度從9.7 ℃升高到16.7 ℃，升高了7 ℃；試驗棚內日平均地溫為13.90 ℃，8：30-16：00土壤溫度從10.60 ℃升高到18.50 ℃，升高7.9 ℃，16：00左右，試驗棚地面以下0～10 cm土層溫度升高幅度較大，較對照棚高0.9 ℃，平均溫度較對照棚高0.96 ℃。這可能由于中午前后該設備對0～10 cm土壤溫度升高有一定的作用，且土壤熱容量較大，能使土壤溫度穩定在一定范圍。

圖7 2016年1月11日太陽能加熱換氣式CO2增施系統對地面以上0～20 cm氣溫的影響

圖8 2016年1月11日太陽能加熱換氣式CO2增施系統對地面以下0～10 cm土層溫度的影響

4 討論與結論

研究表明，設施農業生產中的作物基本上屬于C3植物，C3植物的光合能力隨CO2濃度升高而增加的幅度較大[7-8]。但是對作物而言，并非CO2濃度越高越好，在低CO2濃度時，植物的光合速率隨CO2濃度的升高幾乎呈直線增加，越接近CO2飽和點，光合速率增加越慢。過高的CO2濃度還會降低CO2利用效率，甚至對作物會造成損害。因此，適宜的CO2濃度應根據設施的密閉狀況、植物的種類、品種、生育階段和其他環境因子而定。實際生產中，在設施密閉性較好，室內光、溫等環境條件較為適宜的條件下，增施CO2的濃度，葉菜類蔬菜以600～1 000 μmol/mol為宜，生長發育前期和陰天取最低值，生長發育后期和晴天取最高值。也有研究表明，增施CO2到室外濃度水平可以在很大程度上提高植物的凈光合速率，此時，增施CO2的利用效率約為1[9]。Sanchez等[10]在氣候溫和的國家，利用通風換氣的方式降低溫室內的溫度，同時補充棚室內CO2，對作物起到增產早熟的效果。

該試驗中，在晴天較多的1月份，該設備每天平均累計工作時間為217 min，工作時長以200～300 min的次數較多。陰天該設備不工作，晴天實際工作時間為290 min，工作時間較長，多云天實際工作時間為205 min，工作時間晴天＞多云天＞陰天，多云天開始工作時間較晴天晚。在持續陰天情況下，試驗棚內的CO2平均濃度為783.66 μmol/mol，對照棚CO2平均濃度為769.12 μmol/mol，試驗棚較對照棚平均CO2濃度增加1.9%，試驗棚與對照棚差異不明顯，白天溫室內CO2濃度不會發生虧損。在持續晴天情況下，使用該設備后，試驗組CO2濃度平均為801.85 μmol/mol，對照棚CO2濃度平均值為700.17 μmol/mol，平均濃度增加14.5%，試驗棚較對照棚平均減少虧損2.34 h，說明該設備對于改善冬季溫室CO2虧損是可行的，具有明顯的增加溫室CO2濃度的效果，有可能滿足作物對CO2濃度的需要。同時，晴天使用太陽能加熱換氣式CO2增施系統后，白天有可能使得溫室南端地面以下0～10 cm土層土壤溫度升高，夜間，蓄積在土壤中的熱量向空氣中散發，使得地面以上0～20 cm氣溫升高1.22 ℃，可以緩解冬季低溫的影響。