我國設施環境及調控技術研究進展

焦娟 魏珉 李巖 谷端銀

摘要：設施農業屬于高效農業，不僅能夠提高土地利用效率，滿足周年生產和供給，還能解決農業生產中高投入低產出的矛盾。設施內光照強度、溫度、濕度和CO2濃度等環境因素對作物生長至關重要，對這些環境要素的調控在很大程度上決定著作物的產量和品質。本文綜述了近年來我國設施栽培環境調控技術的研究進展，以期為今后的研究和應用提供理論指導。

關鍵詞：熱環境；光環境；氣體環境；調控；研究進展

中圖分類號：S62文獻標識號：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

設施農業是利用必要的設施和設備創造相對可控的環境條件，以實現集約化生產、高效栽培、可持續發展的現代農業生產方式。近年來，我國設施裝備和信息技術更新和進步較快，設施農業已成為現代農業的重要組成部分[1]。自20世紀90年代以來，因設施栽培具有高效、高收益等特點，在我國得到大面積推廣應用。目前，以日光溫室和塑料大棚為主的設施栽培已成為促進農民經濟收入增加，調整農業經濟發展的重要著力點。據統計，2016年設施蔬菜面積為370.1萬公頃，總產量2.6億噸、人均近190千克，產值近萬億元，設施栽培發揮了顯著的經濟效益。雖然生產規模迅速擴大，但與一些發達國家相比較，我國設施農業的生產質量和管理水平仍存在一定差距。

科學的設施環境調控是實現設施農業健康高效發展的重要因素，設施環境包括溫度、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，還受設施結構本身及生產中操作水平的影響，而這些因子又能夠直接影響栽培作物的產量、品質和經濟效益等指標。因此，如何調控設施環境因子使其與作物生長規律吻合并保持穩定性成為科研工作者研究的重點。當前日本、荷蘭、以色列、美國等發達國家已經可以根據溫室作物的要求和特點，實現對溫室內溫度、光照、水分、氣體、肥料等諸多因子的自動調控[2]。但我國的一些相關研究仍處于摸索階段，與國外先進的技術相比較還欠成熟。

因此，本文針對我國關于設施環境調控技術的一些相關研究結果進行了綜述，以期為優化設施結構，實現能源節約，促進設施內作物高產、高效、優質生產，并為設施環境的自動化和智能化控制提供理論支持。

1 熱環境及其調控技術

1.1 保溫技術

設施的保溫效果對于節約地球能源、提高設施栽培經濟效益具有重要意義，因此設施保溫和節能效果一直是人們關注的主要問題之一。我國大部分地區屬于冬冷夏熱的氣候，溫室環境控制的能耗相對較大。據統計，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，應首先考慮溫室的保溫性和節能性，盡可能減少熱量損失，并降低能耗。根據實際情況，因地制宜，科學選擇溫室的結構和類型，合理選擇內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研究，李明等[5]認為一般日光溫室墻體按材料組成種類可分成兩類，一是單一材料構成的實體墻，二是多種材料組合的復合墻。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，利用內嵌板和封閉空腔的粘土磚外墻結構可以提高溫室保溫蓄熱能力。李連旺[7]通過試驗表明，異質復合墻體蓄熱性能優于夯實土墻、純磚墻和聚苯板墻，而且綜合墻體蓄熱和散熱兩方面來看，內部磚墻和外部聚苯板異質復合墻體的性能要優于磚墻內部夾聚苯板的異質復合墻體。所以，只有將溫室墻體的內填充材料與墻體結構科學合理搭配，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 草苫在設施栽培中比較實用經濟，一直是農戶的首選，但因其不耐雨淋，易腐爛，耗費人工多等原因，在一些新發展的設施種植區逐漸被更加輕便、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，人們為了使保溫效果達到最大化，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[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）的應用效果，發現聚氨酯外保溫復合墻體表現最優，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墻[10，11]，利用材料相變儲放熱的功能提高溫室內墻儲放熱量的性能。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，大面積推廣應用尚待時日。

1.1.3 內保溫材料 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中玻璃和陽光板才應用較多。市場上國產塑料薄膜主要有聚氯乙烯（PVC）膜、聚乙烯（PE）膜、EVA膜和PO膜；國內應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研發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施栽培中的溫度和光照等環境條件。以色列吉尼嘉棚膜專家通過在棚膜內加入紅外線組合劑，生產出節能保溫膜，與國產棚膜相比，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棚膜保溫性優于內添加型EVA和PVC棚膜[13]，涂覆型消霧無滴膜可增加番茄單位面積產量[14]，提高桃果實品質[15]。另外，棚膜中加入轉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，提高單位面積產量，改善內在品質。不同顏色棚膜對作物生長發育影響不同，研究發現紫色膜可促進番茄和茄子生長，提早開花，提高產量，優化品質[20]，綠色膜可促進生姜苗期生長并提高產量[21]。

1.2 加溫技術

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

為發展現代化農業，促進節能減排、實現綠色低耗生產，科研人員對溫室加溫技術開展了眾多研究。研究表明，采用碳晶面板、毛細管等新型散熱末端進行根區加溫比傳統空氣加溫可節約28%的能耗，但因成本較高，所以僅應用于育苗或盆栽花卉等附加值高的作物生產[22]。柴立龍等[23]研究表明，使用水源熱泵系統可將溫室的平均地面溫度提升至18.4℃，但該系統投入成本高，設備操作復雜，推廣難度較大。王永維等[24]設計的溫室地下蓄熱系統可將白天溫室內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比單獨運行空氣能加溫、電加溫在節能方面效益明顯，可節能10%以上。柯行林等[26]發現相比主動蓄放熱加熱空氣系統，主動蓄放熱加熱基質系統可提高基質溫度2.5～5.3℃，并能夠提高番茄株高及產量（增產43%）。綜合來看，新型溫室加熱技術多種多樣，加溫優點突出，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

研究發現，保護地設施內溫度白天過高會降低植株光合生產能力，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降溫、遮蔭降溫、噴霧降溫、風扇換氣降溫和利用水簾降溫等。遮陽降溫包括遮陽網和遮陽幕兩種，采用遮陽網可以直接把太陽輻射遮擋在溫室外，一般可降低室內氣溫2℃左右。但在連棟溫室或者標準化日光溫室使用時，外遮陽系統需要安裝相應的骨架和抗風雨系統，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，且根據遮陽幕材料的鋁箔覆蓋面積，遮陽率可在20%～99%調節[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]。濕簾風機可將夜間溫室內平均氣溫降低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]研究發現水源熱泵系統具備良好的節能、節水效果，可有效降低試驗溫室內氣溫，平均溫度比自然通風的對照溫室低2.6～2.9℃；同時，試驗溫室內氣溫低于室外氣溫，平均溫差為1.6～1.7℃。因此，生產中需根據具體設施結構、種植作物及經濟情況具體選擇降溫調控措施。

2 光環境及其調控技術

2.1 設施方位和結構

科研人員一致認為合理的采光屋面和科學的保溫蓄熱結構是節能型日光溫室必須具備的條件，依據日光溫室采光設計理論確定最佳采光屋面角和采光面形狀是優化日光溫室結構的重要手段[32，33]。張利華等[34]研究表明，設施內的光透射率不受薄膜材質影響，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氣候變化[35]。為進一步優化日光溫室的采光性能，李清明等[36]提出山東地區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。因此選擇科學合理的屋面結構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

人工補光可有效提高植物光合效率、產量和品質。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，不僅促進棚內植株生長，縮短花期，提前上市，還可以解決因日照不足導致的設施蔬菜品質下降等弊端，增加經濟效益[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兩個區間，所以植物生長的適宜光源在藍光區和紅光區，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，生產上應根據設施作物類型及其需光范圍選擇對應補光燈，可使得補光燈的配置日趨專業化和標準化。

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%，常用作組培室標準光源。熒光燈的最大優勢在于成本低，其成本不足高壓鈉光燈的1/3。近年來，熒光燈不斷更新換代，功能也逐步完善。研究發現，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用。另外，T5燈管可提供更優質的光譜，適合應用于花芽分化，并提高花的品質[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能光源，被廣泛應用于設施生產中。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-紫區域發出的光更多。為調節光質和節約能耗，在作物生長環境下，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。該燈具有發光效率高、耗電少、壽命長、透霧能力強和不銹蝕等優點，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。國內外研究和實踐應用表明，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燈具節能、環保、冷光源、體積小、發光效率高、波長可以精準選擇等特點，利用LED補光的研究越來越多。隨著現代農業的不斷發展，節能光源 LED 有望代替現有植物生長光源，實現作物的高效生產，具有廣闊的發展應用前景，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，生產上可通過在大棚膜上潑泥漿和灑墨汁等傳統方法遮陽，但效果最好的還是采用遮陽網遮陽降溫。遮陽網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境。在連棟溫室生產中則主要采用外遮蔭-遮陽網和內遮陽-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中，新型的遮陽降溫涂料已得到廣泛的應用，鑒于其方便實用性，今后在我國設施農業中也會逐步發展為遮陽的主導措施。

3 CO2氣體調控技術

CO2是植物進行光合作用的重要原料。近幾年，隨著提質增效、促進新舊動能轉換等設施蔬菜發展目標的提出，設施內CO2施肥越來越受到廣大種植者及科研人員關注。為維持溫室內作物的正常光合需要，農民主要通過增施有機肥和通風等方法來補充CO2，但因溫室密閉無風等原因，即使通風也無法完全解決CO2虧缺問題。其它設施內增施CO2的方法主要有CO2鋼瓶法、有機堆肥法、化學反應法、風送式風機補充法、種植食用菌法等。在設施農業發達的荷蘭、日本等國20世紀已普遍使用安全、潔凈、濃度可控的鋼瓶法[42]。我國北方日光溫室于20世紀90年代在生產中試驗應用碳銨硫酸反應法、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施內缺乏CO2調控裝置及監測系統，導致CO2施肥技術的推廣應用受到限制[44]。為補短板，我國對設施內CO2自動檢測系統的研究日益完善。溫竹等[45]則采用低功耗CO2傳感器和工業級JN5148模塊，研發出一套溫室CO2濃度測量系統，經試驗證明，該系統運行穩定，可實現溫室內CO2濃度的實時監測，能夠為溫室內CO2施肥提供可靠的數據支撐。

4 未來研究方向

本文從熱環境調控、光環境調控和溫室氣體CO2調控三個主要方面進行了綜述，從設施本身結構問題到外部人工輔助調控等手段均有涉及，除此之外農業設施環境控制還包括土壤（基質）濕度、礦質營養、設施內產生的有害氣體含量等因素，這將在以后的專題綜述中繼續討論。隨著科技的不斷進步和研究的不斷深入，科研工作者和生產企業逐步將人工智能控制和專家管理系統等先進技術應用于設施環境調控當中，進而實現設施調控手段的智能化和自動化，從而實現設施栽培環境管理的現代化。今后，農業設施環境的相關試驗數據還要與植物生長所需要的適宜環境條件相結合，通過系統研究采集大數據，建造作物生長模型，分析其變化規律，然后與專家管理系統相整合，為農業設施環境調控技術的發展奠定相關技術基礎，以實現環境與作物各生長發育階段的科學調控。

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