植物工廠生菜根際通風對冠層和根際環境影響

李 琨 ，鄒志榮

（1. 西北農林科技大學園藝學院，農業部西北設施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100；2. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

0 引 言

人工光植物工廠（PFAL，plant factory with artificial lights）是一種通過對設施內溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境要素進行高精度自動控制，實現作物周年連續生產的高效農業系統[1]。經過多年研究，已經建立了一套以光/暗期變溫控制為主的溫度控制策略，輔以不間斷的強制通風，使適宜溫濕度及 CO2濃度的氣體與內部空氣進行交換，并在植物冠層上方保持一定的橫向氣流，使植物工廠內部各環境參數分布均勻，促進植物生長發育[2]。這一成熟的環境控制體系在密閉式人工栽培系統中得到了廣泛的應用[3-7]。

然而，該傳統通風調溫方式很難使植物工廠內部各處形成均勻一致的氣流場，隨之而來的是溫度場、濕度場和濃度場的不均勻。有研究表明，在規格為 3.47 m×4.35 m× 2.97 m 的人工光植物工廠中環境參數即存在較大差異，不同工況下不同高度處溫差能夠達到 0.4～2.7 ℃，流速差異可達0.963～1.408 m/s[8]。隨著植物工廠規模逐步擴大，傳統通風調溫模式下不同區域環境差異進一步凸顯，難以滿足高品質蔬菜的生產環境需求。

研究表明，調高通風系統功率，增加葉面冠層氣流速度可在一定程度上改善氣流分布，促進植物光合作用。Thongbai等[9]將設施內的風速從不到0.5 m/s提高到1 m/s，使番茄幼苗的光合速率提高了1.6倍。Kitaya等[10]將風速從0.1 m/s增加到0.4 m/s，番茄葉片光合速率增加了1.3倍。在黃瓜幼苗光合與蒸騰速率試驗中，當風速從0.005 m/s增加到0.8 m/s，光合速率增加1.7倍，蒸騰速率提高2.1倍[11]。其他植物如水稻、甘薯及大豆的光合速率對風速的響應表現出相同趨勢[12-14]。此外，研究發現增加氣流能使空氣飽和蒸汽壓差增加（相對濕度降低），促進外部葉片鈣含量積累，有效抑制葉菜燒心病發生[15-17]。

上述方法雖然對葉面冠層氣流分布有一定改善作用，但并未消除植物工廠內氣流差異，原風速較低區域風速增加的同時，原風速較高區域植株可能會受到高速氣流機械損傷；加之葉面冠層邊界層阻力[18-21]及葉片封閉效應[22-24]的作用，橫向的氣流極易受到外部葉片的阻擋，使栽培單元內部風速降低，通風效率較低[15]。為了突破冠層邊界層阻力及葉片封閉效應，提高植物工廠內氣流及溫度分布均一性，Goto等[25-26]提出了垂直通風技術，采用1根內徑114 mm的主管連接6根內徑32 mm的支管置于冠層上方，將氣流由支管上的孔從上向下吹到葉片冠層，在一定程度上改善植株內部環境，效率高于水平通風。Zhang等[27]采用2根內徑50 mm的帶孔通風管提供氣流，對密閉植物工廠內的氣流特征進行了計算流體動力學（CFD，computational fluid dynamics）模擬并提出了較優的通風參數，冠層風速可達 0.42 m/s。Shibuya等[28]將帶孔通風管敷設于栽培板上，使氣流自下而上引入植物冠層內，通過與自上向下及水平通風方式進行比較，發現自下而上通風效率更高。Kitaya等[12]的試驗表明垂直通風時的風速大于0.3 m/s時即可對光合速率增加產生明顯效果。此外，有學者采用降溫-加熱-通風系統聯合調控的混合控制策略減少植物工廠栽培架層間及不同區域間的環境差異，提高其均勻性[8]。也有研究通過改進植株栽培系統實現植物微環境參數的均勻分布。Nishikawa等[23]將植株放置在獨立的旋轉平臺上，以2 r/min的速度勻速旋轉，在一定程度上打破了外層植株對內部的阻擋，比不旋轉植株產量提高了20%。

盡管上述通風方式對環境均一性起到了積極作用，但須借助粗重的打孔通風管或復雜的機械裝置，初始投資和運行管理成本都較高，不利于推廣應用。本研究將水培系統營養液面與栽培板之間的空氣層作為氣流通道，僅增加1個風機即可將氣流導入植物冠層下部，不受邊界層阻力和葉片封閉效應影響，同時實現冠層內部高效通風調溫和根際微環境的調控。本文通過探明地上部及根際環境變化特點并對其響應機制進行分析，闡明該種通風調溫模式相較于傳統通風方式的先進性，并就其替代傳統通風方式用于植物工廠通風的可行性進行探討。

1 材料與方法

1.1 植物材料和生長條件

試驗采用散葉生菜（Locarno RZ，荷蘭瑞克斯旺）作為試驗植物。將種子播種于育苗海綿上，并置于育苗盤中（320 mm×230 mm×40 mm）。使用純凈水使海綿保持濕潤，覆蓋黑色塑料膜進行避光處理，放置于LED人工光培養箱（GLED-250PY，北京陸?？萍加邢薰荆﹥冗M行催芽育苗。4 d后，種子露白，去掉黑膜接受光照，光期16 h，溫度（20±0.5）℃，暗期8h，溫度（18±0.5）℃。3 d 后使用營養液 pH 值（6.3±0.1），EC 值（1.6±0.2） mS/cm 1/2濃度進行幼苗培育，7 d后幼苗長至兩葉一心時，挑選健壯一致的幼苗植株移栽入位于中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所的人工光植物工廠內，定植于泡沫栽培板（720 mm×650 mm×14 mm，栽培密度37株/m2）上。生長環境參數設定為光期16 h（07:00－23:00），溫度（24±0.5）℃，相對濕度（65±10）%，CO2濃度（500±50）×10-6；暗期 8 h（23:00－07:00），溫度（22±0.5）℃，相對濕度（65±10）%，CO2濃度（500±50）×10-6。植物冠層總光合有效輻射200 μmol/(m2·s)，紅藍比（R/B）為8:1，每天進行20 min的營養液循環。為充分體現植株群體對微環境的影響與根際通風效果，栽培20 d后，在植株采收前（2017年12月15日—2017年12月22日）進行了為期7 d的根際通風處理與微環境參數監測。監測開始前采用新配制的營養液對舊營養液進行置換，監測開始后不進行營養液循環。

1.2 系統構建及測點布置

1.2.1 根際通風系統的構建

該研究設計制造了一套根際通風（RV，root zone ventilation）系統，其工作原理如圖1所示。植物工廠環境空氣經風機導入栽培板下方與營養液面上方的空氣層中（高度20 mm），經栽培板蔬菜定植孔周圍預留的通氣孔自下而上排出，調節植物微環境。

圖1 根際通風系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of root zone ventilation (RV) system

RV系統主要由離心風機（BFB1212HH，臺達電子企業管理有限公司）及其控制系統組成。其中，風機出風口通過一連接管（108 mm×30 mm）固定于栽培板一端（圖2a），在控制系統作用下可調整其工作時間，運行間隔及轉速。試驗栽培槽規格0.7 m×1.5 m，使用2塊栽培板覆蓋，共32個定植孔（4行8列）。圍繞各栽培孔使用電熱開孔器均勻開8個直徑5 mm的通氣孔（通氣單元），孔心至栽培孔中心20 mm（圖2b）。

圖2 根際通風系統及風速測量裝置Fig.2 RV system and velocity measurement device

為了準確的測量風速，我們采用薄塑料板進行彎折制作一直筒風管，其半徑剛好能夠覆蓋整個通氣單元，其高度在栽培板與光源板間距范圍內盡量長，并與光源板保持一定距離，使通氣單元中各通氣孔的氣流在直筒風管內充分混合后從頂端流出。最終確定所用直筒風管半徑48 mm，高300 mm。在距該風管頂端50 mm處開一直徑9 mm的風速檢測孔（圖2c），用于風速檢測。

栽培板與栽培槽以及栽培板之間的所有空隙均采用橡膠條或膠帶進行密封，防止氣流從通風孔以外部位滲漏。該根際通風系統的運行時間和間隔時間采用自動循環時間控制器（ZYS48-S，上海卓一電子有限公司）控制。離心風機轉速采用PWM直流電機調速器（CCM96SK，上海美默通電子有限公司）調整。

1.2.2 測點布置與測量方法

為了探明根際通風對植株微環境的影響，本研究對各處理的地上部和地下部環境參數進行了全面的監控，各傳感器測點布置如圖3所示。

1.冠層上部溫濕度測點 2.冠層上部光合有效輻射測點 3.冠層下部溫濕度、CO2濃度測點 4.空氣層溫濕度測點 5.空氣層 CO2濃度測點 6.營養液溫度測點 7.營養液溶解氧濃度測點1.Temperature and relative humidity measure points of canopy 2.Photosynthetic active radiation measure point of canopy 3.Temperature, relative humidity and CO2 concentration measure points of internal canopy 4.Temperature and relative humidity measure points of interlayer 5.CO2 concentration measure point of interlayer 6.Temperature measure point of nutrient solution 7.Dissolved oxygen concentration measure point of nutrient solution.

其中，植株冠層上部溫濕度采用HOBO U14-001型溫濕度記錄儀（美國Onset 公司生產，精度：溫度±0.2 ℃，相對濕度±2.5%）測定，記錄儀懸掛于冠層上方成熟植株冠層水平高度（距栽培板15 cm）處。冠層下部溫濕度、CO2濃度采用HOBO MX 1102型二氧化碳記錄儀（美國Onset 公司生產，精度：溫度±0.2 ℃，相對濕度±2%，CO2濃度±50×10-6）測定，記錄儀置于單塊栽培板中部由4株生菜定植孔組成的矩形區域內，當植株為成菜時，整個傳感器被植株冠層遮擋?？諝鈱訙貪穸炔捎?HOBO UX100-023型溫濕度記錄儀（美國 Onset 公司生產，精度：溫度±0.2 ℃，相對濕度±2.5%）監測，其傳感器為直徑約10 mm的柱狀探頭，由一延長線與記錄儀相連。在單塊栽培板近中部區域 4株生菜定植孔組成的矩形區域內開一直徑略小于10 mm的孔，將傳感器探頭從該孔插入至空氣層，即可精確測量栽培板以下、液面以上空氣層的溫濕度?？諝鈱覥O2濃度采用HOBO MX 1102型二氧化碳記錄儀監控。在栽培板邊緣區域取一定植孔，將其孔徑擴大至約40 mm，可精確地將記錄儀CO2傳感器嵌入上述孔中，監測空氣層 CO2濃度。營養液溫度、溶解氧濃度分別采用特氟龍涂層耐酸堿 Pt100溫度傳感器和DOS-600溶解氧傳感器（北京博海志遠科技有限公司）進行監測。將上述傳感器穿過栽培區 2塊栽培板拼接處縫隙浸入營養液中進行數據采集，使用無紙記錄儀MIK-R4000D（杭州美控自動化技術有限公司）記錄，縫隙采用膠帶封閉。光合有效輻射數據采用Li-1500檢測儀（美國 LI-COR）在冠層上方成熟植株冠層水平高度對不同波長光源進行分別測量獲得。

作為RV的重要性能參數，試驗所用離心風機的轉速采用激光轉速表（Testo 460，德圖儀器國際貿易有限公司）進行測量，確定維持風機工作不致停轉的最小轉速為1 300 r/min，風機標稱最大功率下所達到的最大轉速為2 700 r/min。在不同轉速下，各通氣單元的風速也呈現出明顯的變化。風速測量時，我們將熱線風速儀探頭（Climomaster 6501-BG，日本加野麥克斯公司）由前述直筒風管的風速檢測孔插入至風管中軸線位置，施加一定壓力使風管垂直扣于栽培板上，將某一通氣單元（定植孔采用膠帶進行封閉）完全包括于圓筒內（圖 2c），此時風速儀度數即為該通氣單元風速。

1.3 試驗設計

為研究RV通風均勻性，試驗以350 r/min為間隔將可用轉速區間平均分成5個水平，在栽培區內2塊栽培板上間隔選取了4列共計16個通氣單元（單塊栽培板測點選取如圖2b所示），測試各通氣單元在各風機轉速下的風速，對其均一性進行評價。

為探明RV對植株微環境參數的影響，在上述試驗結果的基礎上選取使各通氣單元風速均勻的最小及最大風機轉速，結合其運行時間設置2種特殊工況的RV處理，并與傳統環控方式（CEC，conventional environment control）進行對照。2種特殊工況的RV處理各采用同型號風機，分別為低速連續根際通風（LCRV）和高速間隔根際通風（HIRV）。其中LCRV將風機轉速控制在最小值，間隔時間設為0，即風機24 h連續工作；HIRV風機轉速設為最大值，運行時間50 min，間隔時間40 min，保證環境參數發生明顯波動的同時，可在數據分析時根據時間差異準確地判斷風機運行狀態。上述RV工況不隨光暗期交替進行變化。為保證RV處理微環境不受植物工廠內常規通風調溫氣流影響，采用塑料膜將2個RV處理栽培區包圍，對應的側邊回風口采用無紡布遮擋，將風機進風口置于該包圍外，確保栽培區處于根際通風作用下。CEC對照栽培區呈開放狀態，側邊對應的回風口也處于打開狀態，在植物工廠上進風側回風的氣流組織形式下，氣流從栽培區一側流經植物冠層上方后由回風口流走，形成傳統的側通風方式。2個RV處理與CEC對照同時在采用常規通風調溫系統的植物工廠內進行，目標環境參數如材料和方法中所述。

2 結果與分析

2.1 根際通風均勻性分析

表1為不同風機轉速下，栽培區中16個通氣單元的風速及其平均值。

表1 風機不同轉速下栽培區內16個通氣單元風速測定值Table 1 Velocity of 16 measure points in cultivation area at different fan rotation rates

由表 1可知，在同一風機轉速下，試驗所在栽培區內不同位置的通氣單元間風速差異不大；在試驗轉速范圍內，隨著風機轉速增加，通氣單元風速呈上升趨勢，且不同轉速下各通氣單元通風均勻，即RV最低到最高轉速均可有效提升通風均勻性，可選用1 300和2 700 r/min分別作為LCRV與HIRV轉速設定值。這是由于試驗所用風機流量（0.92 m3/min）大于作為風道的空氣層體積（0.19 m3），當風機運行時在空氣層中建立了2 mm H2O正壓，不同通氣單元風速不受其所在位置影響，實現了高度的通風均勻性。已有研究表明，植物工廠內冠層上部風速最好維持在0.3～1.0 m/s[27]，本研究中各通氣單元平均風速僅為0.051～0.11 m/s，小于前述研究數據。其原因為前述研究推薦的風速值為冠層上部風速，而本研究測定的風速為冠層下部風速。在葉面冠層邊界層阻力作用下，冠層下部風速會出現明顯的降低（圖4）[18]。

圖4 邊界層阻力作用下冠層下部和上部風速差異[18]Fig.4 Velocity differences between canopy and internal canopy under boundary layer resistance

2.2 根際通風對空氣層的影響及分析

根際通風依靠營養液和栽培板間的空氣層作為氣流通道，故該通風模式對空氣層的環境產生了直接影響。圖 5為 RV和 CEC空氣層溫濕度變化（2017-12-16－2017-12-17）。

圖5 不同處理空氣層溫濕度變化（2017-12-16-2017-12-17）Fig.5 Variations of interlayer air temperatures and relative humidity of three treatments (2017-12-16-2017-12-17)

由圖 5可知，植物工廠環境光暗期平均溫度分別為23.48和21.67 ℃。在此環境條件下，CEC空氣層光暗期平均溫度分別為 22.08和20.65 ℃；LCRV分別為19.41和18.13°C；HIRV分別為20.16和18.91 ℃。由此可見，CEC光暗期空氣層溫度低于環境溫度 1.4和 1.02 ℃；LCRV處理溫度降低更為明顯，光暗期最大降幅達到了4.07和3.54 ℃，較CEC降低2.67和2.52 ℃。變化幅度方面，CEC和LCRV波動較小，幅度為0.5 ℃，HIRV變化幅度最為突出，風機運行時，溫度在40 min內可降低1.57 ℃，風機停止的40 min內，溫度能夠回升1.71 ℃。

植物工廠環境中實際光暗期平均相對濕度分別為66.99%和67.88%。在此環境條件下，CEC光暗期平均相對濕度最高，分別達到 100%和 97.27%；LCRV分別為96.22%和 92.43%；HIRV光暗期平均相對濕度最低，分別為90.27%和89.75%。

由上述數據可以看出，在栽培槽及栽培板的遮光及營養液蒸發吸熱作用下，空氣層溫度均低于環境溫度；在RV作用下，空氣層內氣體流速加快，LCRV與HIRV均能產生可觀的蒸發降溫效果，使空氣層溫度達到一個較低的水平。LCRV降溫效果更好，平均溫度較環境降低2.52 ℃以上。HIRV暫停時空氣層溫度迅速回升，其原因是由于試驗所用PVC營養液槽保溫性較差，外部環境熱量向槽體內傳導引起的。

與溫度變化相比，空氣層內相對濕度隨光暗期的變化不明顯，空氣層溫度的變化對濕度也未產生影響；因為空氣層下部就是營養液，在液面蒸發作用下，CEC相對濕度在光期時能夠達到100%；RV中，相對濕度較CEC有了較大幅度的降低，但仍然高于環境濕度，可見RV在有效地排出已有水分的同時，還會促進營養液蒸發，并最終穩定在某一相對濕度下；HIRV風機工作時，最低濕度與平均相對濕度均低于LCRV，即空氣層風速（流量）對相對濕度影響較大，大風速更有利于空氣層內濕度的排出。

圖6表示的是RV和CEC空氣層中CO2濃度的變化情況（2017-12-19）。

圖6 不同處理空氣層CO2濃度變化（2017-12-19）Fig.6 Variations of interlayer air CO2 concentration of three treatments (2017-12-19)

由圖6可以看出，各處理和對照CO2濃度處于同一水平。其中，光期 CO2濃度均呈現出先上升后下降的趨勢，暗期則呈下降趨勢；HIRV的CO2濃度波動最大，風機開啟后，CO2濃度在 3 min內能夠從峰值下降約300×10-6至低谷并持續，風機停止后，低水平的CO2濃度仍將保持15 min，然后在35 min內回升至原水平。

由此可知，LCRV和CEC空氣層內CO2濃度沒有差異，其原因可能是由于 CO2在此試驗溫度下的營養液中溶解度較大（分別為0.902和0.829 mL/mL，遠高于氧氣的0.031 mL/mL[29]），加之根系的大部分浸泡在營養液中，植物根系生理活動釋放的 CO2首先會向營養液中溶解并均勻釋放，導致空氣層中 CO2濃度變化得到緩沖。光暗期 CO2濃度表現出的變化趨勢是由于根系呼吸隨光環境變化導致的，當光源打開后，溫度上升，植物開始進行光合作用，此時根系活動加劇，呼吸增強，CO2濃度上升，進入暗期后，光源關閉，溫度下降，光合作用停止，根系活力也隨之降低，但由于大部分根系浸沒在營養液中，釋放的 CO2需經一定時間方能移動到空氣層中，故而其變化趨勢呈現出一定的滯后性，表現為光期先上升后下降；值得注意的是，在HIRV中，平均CO2濃度在間歇期能夠高于其他處理 200×10-6以上，其原因可能是較高的流速（流量）能夠促進根系呼吸，釋放更多的 CO2，同時可以加快營養液的擾動，引起二氧化碳-水體系遠離原有靜態溶解平衡，促使溶解在水中的CO2釋放[30]。

2.3 根際通風對冠層下部的影響及分析

氣流經空氣層流動后，通過各通氣單元預留的 8個通氣孔向上流動至栽培板上的植物冠層下部及上部，對植物周圍空氣的溫濕度、CO2濃度產生影響。首先受到影響的是靠近通氣孔的冠層下部，其溫濕度變化（2017-12-19 00:00－2017-12-20 00:00）如圖7所示。

圖7 不同處理冠層下部溫濕度變化（2017-12-19-2017-12-20）Fig.7 Variations of internal canopy temperatures and relative humidity of three treatments (2017-12-19-2017-12-20)

其中，CEC光暗期平均溫度分別為21.78和20.87 ℃，LCRV相應數據為20.01和18.93 ℃，HIRV分別為20.41和19.19 ℃，此時環境中光暗期平均溫度分別為23.48和21.67 ℃。經分析，CEC比環境光暗期平均溫度分別降低1.7和0.8 ℃；降溫效果最佳的LCRV光暗期平均溫度較環境下降 3.47和 2.74 ℃，比 HIRV相應數據低 0.4和0.26 ℃。值得注意的是，RV和CEC的波動幅度較空氣層（圖 5a）明顯減小。相對濕度方面，LCRV光暗期平均相對濕度分別為 87.37%和 85.31%；HIRV分別為86.98%和87.42%，CEC為94.55%和93.32%，與環境平均相對濕度光期66.99%，暗期67.88%相比均有大幅提升，CEC提升最為明顯，較環境提高27.56%。

由上述數據可以看出，RV和CEC冠層下部溫度均低于環境，LCRV降溫作用更為明顯。CEC溫度的降低是由上方冠層的遮蓋使部分熱輻射不能到達冠層下部，以及植物蒸騰降溫作用導致的。在相同條件下，RV特有的根際通風使通氣孔吹出的空氣在營養液蒸發降溫作用下得到了一定程度的冷卻，使溫度進一步降低。RV和CEC冠層下部相對濕度均大幅高于環境，這是由于冠層下部葉片密集，植物蒸騰產生的水汽無法及時排出導致的，這可能引起葉片蒸騰速率降低，誘發真菌病害，葉片壞死，元素缺乏癥及軟薄葉片等癥狀[31-36]，已有研究表明多種葉菜的燒心病也由此引起[16,37]。這一現象在RV中得到緩解，濕度較CEC有一定程度降低，這是因為自下而上的通風模式有利于內部氣體的流通；同樣的，風速（流量）對相對濕度的降低起到了重要作用，HIRV風機運行時，能夠使相對濕度降至約75%，效果好于LCRV。

圖 8為不同處理冠層下部 CO2濃度變化情況（2017-12-19 12:00－2017-12-21 12:00）。

圖8 不同處理冠層下部CO2濃度變化（2017-12-19 12:00-2017-12-21 12:00）Fig.8 Variations of internal canopy CO2 concentration of three treatments (2017-12-19 12:00-2017-12-21 12:00)

由圖8可知，不論何時LCRV的CO2濃度最高，HIRV次之，CEC最低。其中，LCRV光期最高平均CO2濃度為 617×10-6，暗期最低平均 CO2濃度為464×10-6；HIRV光期最高平均 CO2濃度為 581×10-6，暗期最低平均 CO2濃度為 446×10-6；CEC 相應數據分別為 478×10-6和343×10-6。這一差距產生的原因是由于植株在進行光合作用時會吸收 CO2，導致冠層周圍 CO2濃度的降低；CEC受邊界層阻力及葉片遮蔽作用影響，其冠層下部通氣受阻，CO2濃度得不到及時補充，引起 CO2濃度下降；在RV作用下，能夠將外界及根系呼吸產生的CO2輸送至冠層下部，較CEC提高139×10-6，在一定程度上保證光合作用的順利進行。

2.4 根際通風對冠層上部的影響及分析

圖 9為葉面冠層上部溫濕度在不同處理影響下的變化特征（2017-12-18 00:00－2017-12-20 00:00）。

其中，LCRV光暗期平均溫度分別為 22.73和21.06 ℃，HIRV分別為23.22和21.87 ℃，CEC相應數據為23.82和22.51 ℃；此時環境中光暗期平均溫度分別為23.48和21.67 ℃。對比發現，CEC冠層上部光暗期平均溫度均高于環境溫度，差距達到0.3和0.84 ℃；HIRV溫度略有下降，光期已經低于環境溫度0.26 ℃；LCRV溫度最低，光暗期平均溫度均低于環境溫度，溫差達到0.75和0.61 ℃。相對濕度方面，LCRV光暗期平均相對濕度分別為82.83%和83.68%；HIRV分別為72.92%和73.16%，CEC為 68.39%和 67.95%，與環境平均相對濕度光期66.99%，暗期67.88%相比，LCRV和HIRV均有大幅提升，數值最高的LCRV較環境提高15.8%，CEC變化則較小。

圖9 不同處理葉面冠層上部溫濕度變化（2017-12-18-2017-12-20）Fig.9 Variations of canopy temperatures and relative humidity of three treatments (2017-12-18-2017-12-20)

由上述分析可以看出，RV能夠降低作物冠層上部的溫度，但其溫度降低幅度普遍較小，均未超過1°C。其原因是經通氣孔吹出的空氣雖然經通過營養液的蒸發降溫作用下得到冷卻，對冠層產生了一定程度的影響，但因為冠層距栽培板通氣孔較遠，整體上仍主要受外界環境調控，RV對此處環境調控作用有限。CEC冠層上部光期平均溫度的升高主要由光期人工光源散熱[38]導致植物周圍區域熱負荷的增加引起的，若采用熒光燈等光源會進一步加大升溫現象；暗期的升溫則可能來自于植物生理代謝產熱[39]。上述現象表明，植物工廠空間環境參數與植物周圍的微環境參數存在較大差別，以空間環境參數為依據的CEC并未充分考慮植物對自身微環境尤其是密集區域溫濕度的影響。甚至在以環境模型[40]，自動栽培系統[41]及節能管理系統[42-43]為對象的研究中，也未充分考慮植物微環境與空間環境的差異，均采用空間環境參數替代微環境參數。此外，LCRV溫度低于HIRV，其原因是由于栽培系統本身并不具備蓄冷作用，更高的流速（流量）也不能在短時間內使系統內溫度下降很多，一旦停止通風，外界熱量會立刻通過輻射、傳導等方式進入，故需要連續不斷地通風才能維持一個較低的溫度，且這一過程受風機轉速的影響較小。經過營養液面上方后，氣流中水分含量增加，是RV中冠層上方相對濕度增加的主要原因，此外，植物蒸騰過程中的高濕氣體在自下而上的氣流中被整體抬升也是不可忽視的。

2.5 根際通風對營養液溫度及溶解氧濃度的影響及分析

根際通風以營養液及栽培板間的空氣夾層作為氣流通道，對營養液的參數產生直接影響。圖10為不同處理下營養液溫度及溶解氧濃度變化情況（2017-12-15 17:00－2017-12-21 12:00）。

圖10 不同處理營養液溫度及溶解氧濃度變化（2017-12-15 17:00-2017-12-21 12:00）Fig.10 Variations of nutrient solution temperature and dissolved oxygen concentration of three treatments(2017-12-15 17:00-2017-12-21 12:00)

各處理隨光暗期交替表現出明顯的變化規律， RV均低于CEC。其中，LCRV光暗期平均液溫分別為18.94和17.63 ℃，HIRV分別為19.75和18.43 ℃，CEC對應數據分別為22.52和21.66 ℃。LCRV光暗期平均液溫最低，CEC最高，二者光暗期平均液溫分別相差 3.58和4.03 ℃；HIRV溫度變化幅度最大。隨著時間增長，各處理溶解氧含量均呈下降趨勢，在一周內，LCRV和 CEC溶解氧含量由新鮮配制營養液約4.6下降至約1.8 mg/L；其中，CEC溶解氧在前期下降速率很快，當試驗開始2 d后已降至2.8 mg/L，同期RV溶解氧數值為3.8 mg/L；在試驗后期，LCRV與 CEC溶解氧處于相同水平；HIRV在試驗開始2 d內與其他處理保持相似的下降幅度，2 d后降至3.8 mg/L，此后下降趨勢明顯趨緩，并將這一溶解氧含量保持至試驗結束；此外，在試驗前期溶解氧濃度較高時，RV處理未顯示出明顯的隨光暗期交替變化的趨勢，當溶解氧質量濃度降至3.8 mg/L時方展現出隨光暗期交替變化的特征，CEC這一現象出現的更晚，試驗開始4 d后溶解氧降至2.4 mg/L時才顯示出來。

由上述結果可知，各處理光暗期營養液溫度均相差1 ℃左右，且隨光暗期交替呈現出相應的變化；CEC液溫較RV高3.58到4.03 ℃，大量文獻表明根際溫度高不利于植物生長，Benlloch-Gonzalez等[44]的報道中指出當作物根際溫度較高時，可消除高二氧化碳濃度對根系的生長促進作用。Fukuoka和Enomoto[45]試驗表明根際溫度高可導致蘿卜褐根病發生。RV能夠降低營養液溫度，是由于該模式增加了營養液表面的空氣流動速度，促進了營養液蒸發降溫，LCRV降溫效果更佳。新鮮配制的營養液注入到栽培系統中后，其溶解氧含量快速下降，CEC中降幅更為明顯，這主要是由于氧氣直接向大氣擴散導致的，有文獻表明，營養液從儲液池運輸至栽培槽內，溶解氧就會降低 67%[46]；植物根系呼吸也是造成這一現象的原因之一，這會對根系呼吸[47]，養分攝取[48]及病原體防治[49]造成負面影響。由于RV中營養液溫度大幅降低，這在一定程度上增加了其溶解氧飽和度，加之RV所用風機流量遠大于栽培槽空氣層體積，使空氣層能夠維持約2 mm H2O的正壓，營養液層上方的氧分壓也相應提高，更有助于空氣中的氧氣向營養液溶入。HIRV下溶解氧含量經歷了短暫快速的下降后呈現出相對穩定的狀態沒有繼續下降，這可能是由于較大的風速增加了營養液的擾動，促進了氧氣向營養液中溶入，保證了溶解氧的穩定。隨著溶解氧含量的降低，其隨光暗期溫度變化的特征逐漸明顯，這可能是由于溶解氧含量的下降速率遠高于由液溫降低促進氧溶入的部分，這一下降趨勢平緩后溶解氧隨液溫下降升高的趨勢才逐漸清晰。值得注意的是，本次試驗觀察到RV會加速營養液的蒸發消耗，這會導致其濃度上升，對蔬菜栽培產生潛在影響。在常規栽培過程中，營養液會定期循環并根據在線監測結果補充清水或營養元素。通風導致的營養液濃度變化在這一過程中能夠得到很好地解決，不會對植物生長產生不良影響。

上述結果表明，根際通風使地上部及地下部環境參數產生較大變化。這些變化會在多大程度上對植物生長造成何種影響尚不清楚，在今后的工作中，需要進一步完善根際通風系統運行模式，通過植物栽培試驗及能耗監測，優化其運行參數，逐步降低植物工廠對大環境溫控系統的依賴，實現大幅節約空調能耗的目標。

3 結 論

針對現有植物工廠內各處通風調溫不均的問題，本研究提出了以營養液及栽培板間的空氣層作為氣流通道的根際通風系統，并對低速連續（LCRV）、高速間歇（HIRV）及傳統環控方式（CEC）對植株地上部與地下部環境參數的影響進行了測試分析，得出以下結論：

1）傳統環控方式冠層上部溫度高于植物工廠環境溫度 0.84 ℃，以后者作為依據調控作物栽培區溫度不夠準確，需要進一步降低環境溫度設定值以滿足植物冠層溫度，這將進一步加大空調制冷量，增加能耗。

2）根際通風可以有效打破植物側向通風阻擋，克服冠層邊界阻力，提供冠層下部0.051～0.11 m/s的風速，且各通氣單元風速均勻。在此作用下，冠層上部和下部溫度分別降低0.75和3.47℃。當根際通風開啟時，可以適當提高植物工廠環境設定溫度，減少空調制冷量和啟動次數，節約大量電能。

3）根際通風能夠調控根際環境，與傳統通風模式相比空氣層和營養液溫度分別降低2.67和4.03 ℃。同時可減緩溶解氧下降速率，試驗結束時營養液中溶解氧濃度較傳統環控方式高2.0 mg/L，對植物生長具有潛在的正面作用。

綜上，本文提出的根際通風調溫技術能夠針對各栽培單元進行分布式通風，打破植物側向通風阻擋，克服冠層邊界阻力，直接調節植物生長區微環境，提高植物工廠通風控溫均勻性和效率，同時具有結構簡單成本低的特點。在未來的植物工廠技術更新中，此類針對局部栽培區進行精準微環境調控的技術將取代現有通風模式在植物工廠中得到廣泛應用。