温室环境调控技术的发展阶段及其特点分析.pdf

2 0 0 2年 陈青云 温室环境调控技术的发展阶段及其特点分析 温室环境调控技术的发展阶段及其特点分析 陈青云 中国农业大学园艺学院) 摘要: 等阶段 施 关扭词 : 温室环境调控技术的发展大致可以分为恒夜温管理、 变温管理、 复合环境管理以及基于模型的智能化管理 该文在对这几个阶段的特点进行分析的基础上， 讨论了我国目前在这一领域存在的问题以及应采取的措 温室;环境调拉技术 中圈分类号 ; 发展阶段; 特k; 分 析 r入x 文献标识码 : a 温室环境调控系统主要包含两个方面: 环境目 标值的设定与实现。 前者属于生物学领域， 后者则属 于物理工程学领域。作物作为生物体对环境所表现 出的耐受性和驯应性， 以及作物对所需环境条件的 多样性和综合性， 决定了环境目标值的设定是极其 困难和复杂的。 温室作为一种环境调控设施， 不可避 免地受到其变化难以预测的“ 外扰” 一日照。而恰恰 是这外扰成为温室生产的主要能量源泉。 因此， 和工 业设施的环境调控相比， 温室环境目标值的实现亦 是非常困难和复杂的。 对“ 环境目标值的设定” 的基本要求是: 根据作 物的不同生长阶段， 提出作物生长所需的光照、 气 温、 地温、 湿度、 c o: 浓度、 土壤水分以及养分等环境 因子的适宜量及其组合。这一工作的难点还表现在 作物作为连续生长发育的生命体， 除了当时的环境 组合影响其生长发育以外， 过去的环境状态亦在产 生作用， 甚至对未来气象环境的预测也会影响到当 前环境目标值的设定。毫无疑问， 环境状态的当前 值、 过去值、 未来值对作物生长的作用机理及影响权 重是不同的。 对“ 环境目标值的实现” 的基本要求是: 准确、 迅速、 节能。 涉及环境控制的设备众多， 如开窗 机构、 风机、 采暖、 降温、 保温幕、 c o : 增施等等， 要弄 清这些调节装置的动作特性和环境因子间的互作机 理以及和室外环境间的关系， 从物理工程技术的角 度来看也并非易事。 从世界范围来看， 自1 9 6 0 年开始， 荷兰、 日本等 国的设施园艺规模迅速扩大， 利用机械设备调控温 室环境的重要性与必要性 日显突出。 因此， 温室环境 调控系统的技术、 理论及其设备随之得到迅速发展。 在“ 环境目标值的设定”的生物学方面. 从恒夜温设 定， 向变温管理、 经验模型、 专家系统和模拟模型方 面发展; 在“ 目标值的实现” 的物理工程学方面， 从单 一的机械控制( 如恒温器、 定时器) ， 向具备简单控制 逻辑的电控装置( 如 p i d控制) 、 模拟量复合环境控 制装置、 计算机控制方面发展。“ 目标值的设定” 与 “ 目标值的实现” 又是互相促进， 在“ 实现” 的手段比 较简单 的时期， “ 设定” 的逻辑也不可能复杂， 随着 “ 实现” 的手段不断更新和功能的扩展， “ 设定” 的逻 辑也随着变复杂， 这样也就更加能反映生物体对环 境的复杂反应; 反之“ 设定” 逻辑水平的提高又要求 “ 实现” 的手段不断更新。 我国设施园艺自1 9 9 。 年以来， 由于工厂化农业 示范园区的不断兴建， 这和以往的简易温室不同， 对 温室环境控制的技术与理论、 设施设备提出了新的 更高的要求。 因此， 近几年来温室环境控制成为研究 热点， 尤其是在“ 十五” 期间， 在国家“ 攻关”项目和 “ 8 6 3 计划” 中都将温室环境控制作为研究重点， 这 些都足以说明温室环境控制在我国得到学术界、 政 府、 产业界的高度重视。 我们的 研究小组正在承担这 些课题的部分研究工作。 本文主要从温室气温设定 方面介绍我们的一些工作成果和思路， 同时也通过 对温室环境控制技术与理论的发展进程的分析， 讨 论我国目前在这一领域所存在的问题和应该采取的 对策。 收稿日期 2 0 0 2 - 0 s - 2 7 作者简介 陈青云， 教授， 博士， 副院长， 北京市圈明园西路 2号 中国农业大学园艺学院, 1 0 0 0 9 4 1 温室气温设定方式的不同阶段及其特点 建造温室的初始目的也就是防寒保温， 从环境 调控的角度来看， 其目的就是调控温度环境。因此， 温室环境调控技术与理论的产生与发展自然始于对 其温度的调控 从作物栽培的要求来看， 尽管需要调 控的环境因子众多， 但对作物生长起主导作用的且 较易调控的环境因子还是温度。 因此. 长期以来国内 机遇 挑战 创新 2 0 0 2年 外研究者对有关温室温度的调控作了许多研究。例 如， 作物白天温度高限与通风开窗的关系; 作物光合 产物运转与贮存和变温管理的关系; 日 照量的一天 累计值对夜间温度设定的影响; 作物生长模型在温 室气温设定上的应用等方面都取得了许多成果。 2 . 1 是夜温度的设定 从长期的栽培实践中， 人们积累了在自然气候 条件下适地适种的大量经验， 但当在温室中需要人 为调节环境时， 遇到的一个新问题是如何设定昼夜 温度。由于早期的环境调控设备一般只有开窗通风 和简单的锅炉加温， 因而也只能调控白天的最高温 度和夜间的最低温度。于是人们主要集中研究了各 种作物的白天与夜间的适温。 对白天气温来说， 人们 最为关心的是由于温室效应所带来的高温伤害， 而 控制高温的主要手段就是开窗通风换气， 因此决定 开窗时间的“ 气温高限” 的设定成为主要的研究内 容。实验结果表明， 从白天光合作用来看， 对大多数 果菜类来说， 白天的适宜气温一般为 2 3 -2 8 c， 因 此开始通风换气的温度可认为在 2 5 c左右。 当然在 品种间存在着一定差异， 如西瓜、 甜瓜、 辣椒、 茄子在 2 7. 2 8 c , 草萄为2 2 -2 3 c。 此时， 重要的是不断摸 索天侧窗的开启角度和开启时间与温度变化的时间 差， 使温室内气温不要超过“ 高限” 设定值。 夜间温度的设定值对作物的生长发育、 收获期 的早晚、 产量与品质、 以及病虫害的发生等亦会产生 极大影响。另外夜间温度设定值是靠加温设备来维 持的. 因此其设定值的高低会影响加温成本， 因而直 接影响到经济效益。 由于这一背景， 对夜间的适宜设 定温度作了很多研究。表 1 与表2 是日本研究者在 1 9 6 0 -1 9 7 。 年所取得的研究结果o f 。 经过这种大量 研究， 基本弄清了主要果菜类的夜间适宜温度， 如辣 椒 和甜瓜( 1 8 -2 0 c) 、 其次是西瓜和茄子( 1 6 - 1 8 c) 、 居中的是黄瓜( 1 3 - - 1 5 c ) , 南瓜( 1 0 -1 3 c) . 较低的有番茄( 8 -1 0 c) 、 最低的是草落( 5 -6 c ) o 表2 主要蔬菜的生育适温 t a b l e 2 s u i t a b l e g r o w i n g t e m p e r a t u r e s o f s e v e r a l k e y v e g e t a b l e s 白天气温厂 c 种类 夜间气温/ c地 沮 /c 适温最低维待温度 适温 番茄 茄 子 甜椒 黄瓜 西瓜 甜瓜 南瓜 草德 2 5 - 2 0 2 8- 2 3 3 0 - 2 5 2 8 - 2 3 2 8 - 2 3 3 0- 2 5 2 3 - 1 8 2 3- 1 8 适温 1 0 - 8 1 8-1 3 2 0- 1 8 1 5 - 1 2 1 8 1 3 2 0 - 1 8 1 5- 1 0 : : 1 8 - 1 5 2 0y1 8 2 0 - 1 8 2 0 - 1 8 2 0 - i 8 2 0 - 1 8 1 8 - i 5 1 8- 1 5 农 1 夜间沮度和黄瓜产.( 每 1 0 株) 以及姑油消耗.( 每 1 0 0 0 m ) t a b l e l n i g h t t e m p e r a t u r e . c u c u m b e r y i e l d a n d f u e l c o n s u mp t i o n ( e v e r y 1 0 0 0 m ) 品种 夜 严 开始收获果数果重 / 月一 日了 根/ k r替ffh 护塑 : 4 7 . 2 5 8 . 9 71 . 3 4. 1 6 5 . 6 3 8 . 4 9 : : 100一49“100 “能100的”joc 477555653-527601734 : 0 3 - 1 5 0 3 . 1 3 0 3 - 1 s 0 3 - 1 5 03 - 1 3 0 3 - 07 ; : :_ : : 8 2 . 48 . 49 根据这些研究结果以及当时的调控手段( 主要 是恒温控制器) 水平， 一般是将夜温设置为恒定值， 如黄瓜 1 3 亡， 番茄 l o c 等。因此也称为 “ 恒夜温管 理” 2 . 2 变温管理 “ 变温管理” 的概念是 1 9 7 0 年在日 本提出的， 后 来美国也提出了类似的概念， 英文为“ s p l i t n i g h t t e m p e r a t u r e r e g i m e “ 。 如前所述， 刚开始用机械设备 调控温室气温的时候， 一般是给夜温一个恒定值。 但 逐渐发现在温室栽培的低温弱光条件下， 经常发生 着果率不良的现象， 同时“ 石油危机” 也要求在环境 调控的理论与方法上有所突破。 在这一背景下， 土岐 等人c z 7 开始着手研究适合于低温弱光条件下的温度 管理， 尤其是夜间温度管理( 因为主要在夜间加温) 他们将黄瓜苗自 傍晚移到控温环境， 1 4 h 示踪调查 叶的干物质量变化， 其结果显示在夜温 l o c区的光 合产物的运转量和呼吸量都非常少， 而在 1 3 -2 0 c 区虽然运转量没有太大差别， 但完成运转的时间随 温度的升高而提前， 呼吸量则随温度升高而增加。 根 据这一结果， 设置了 前半夜温度为1 3 -1 6 c ， 后半 夜为 1 0 c的“ 变温区” 和整个夜间温度为 1 3 c的“ 恒 温区” 。 结果表明变温区产量高于恒温区。 从这个结 果看 出， 不是象 以前那样将夜温设置为恒定的 1 3 c. 而是将前半夜设定为约 1 5 c， 后半夜设定为 1 0 c 左右， 在不同的温度段， 达到促进光合产物的运 转或抑制呼吸消耗的目的， 从而形成了 所谓的“ 变夜 温管理” 方式。 这种方法在番茄栽培上也表现出了同 样的效果 将促进运转的夜温设定为 1 2 c， 抑制呼 吸消耗的夜温设定为 7 c的变温区的番茄产量高于 l 0 c 恒温区的产量。这样进一步显示了变夜温管理 的有效性。同时对变夜温管理的理论性也展开了大 量研究。 例如， h o r i 等人 3 1 在白 天温度 控制在2 4 c , 夜温分段控制在 9 c . 1 2 c, 1 7 c , 2 4 的玻璃温室 内栽培番茄， 用 c对正在着果的第 8片叶子处理 2 0 0 2年 陈青云 温室环境调控技术的发展阶段及其特点分析 3 0 m i n , 1 6 m i n以后测量不同夜温区的植株各部位 的辐射能。 其结果是在2 4 c 的高温区从处理叶的运 转比例高， 处理叶以外的 c分布比例是果房部位 高。吉冈等人 3 将生长箱的白天温度控制在2 5 c ( 照度 3 0 k l x ) ， 夜温分段控制在 8 - - 1 8 c， 对生长箱 内的番茄苗在傍晚进行 “ c处理3 0 m i n ， 对番茄植 株各部分的辐射能作了1 6 m i n的跟踪测量。 结果表 明， 在处理5 h内， 温度越高从叶子的运转以及向果 实的运转量也越多， 但在5 卜 后这一倾向已不明显。 伊东等人川也用类似的方法， 研究了夜温对番茄光 合产物分配的影响( 表3 ) , 襄 3 夜沮对番茄光合产物分配的影响( 分配率%) t a b l e 3 e f f e c t o f n i g h t t e m p e r a t u r e o n t h e d i s t r i b u t i o n o f p h o t o s y n t h e s i z e d h y d r o c a r b o n i n t o m a t o e s 处理叶以下处理叶以上 夜温 c报 茎叶 2 3 . 3 1 9 . 6 1 5 . 4 1 3 . 8 1 5 3 38. 5 : 一 茎 叶 1 1 . 8 9 . 0 1 5 . 4 果实 1 0 . 6 1 9 . 6 2 8 . 8 3 4. 5 2 9 . 6 后来又将“ 变夜温管理” 扩展到全天的温度管 理， 从而形成了现在的“ 变温管理” 方法。综上所述， “ 变温管理” 就是为了提高白天的光合速率， 促进从 傍晚到夜间的光合产物的运转后抑制呼吸消耗， 使 温室气温日变化与作物光合产物的生成、 贮运动态 相适应的温室温度管理方法。这样就比以前设定的 属于比较低温的恒夜温更为科学。在比较低温的恒 夜温条件下， 白天形成的光合产物直到凌晨也不能 有效运转到各个器官， 而残留在叶子中， 从而使得第 二天的光合作用不能充分进行。因此依据上述的一 些研究. 为了促进运转， 将傍晚至前半夜的温度设定 得略高一些， 为了抑制运转完了以后的呼吸作用， 将 后半夜的气温设定得略低一些。关于白天的温度也 是一样， 作物的光合功能上午最为旺盛. 为了充分利 用上午不断增强的光照加强光合速率， 可以人为地 从早晨开始升温， 因此可以设定成比通常适温略高 的气温， 午后不久光合产物开始运转， 则下午可以设 定得略低一些。象这样大致对一天的温度变化可以 如下进行时间分段: 1 ) 早晨加温, 2 ) 上午略高的昼 温, 3 ) 下午略低的昼温, 4 ) 傍晚略高的夜温. 5 ) 午夜 前通常的夜温, 6 ) 下半夜略低的夜温。 以黄瓜和番茄 为例， 早晨加温的目标是在日出3 0 mi n前后， 黄瓜 1 8 c, 番茄 1 5 c; 上午可保持在 2 8- 3 0 c， 下午可保 持在2 5 -2 2 c; 从傍晚开始的4 -5 h内黄瓜 1 5 - 1 6 c ， 番茄1 2 -1 3 0c ; 然后可以保持通常的夜温管 理， 一般黄瓜在 1 3 c. 番茄在 1 0 c 左右; 下半夜黄瓜 可维持 1 0 - 1 1 c， 番茄为5 6 c。 经有些研究测算， 变温管理和恒夜温管理比较. 可以增产 7 %-1 5 %, 节能5 0 0 1 0 %e 2 . 3 复合环境管理 上述变温管理只是着眼于单一的温度目标值的 设定， 实际上大多数设施栽培都在冬季进行， 一般冬 季光照较低， 温室升温慢， 加之由于密闭引起的c o , 亏缺， 同时由于天气的变化. 光照每日每时都在发生 变化， 因此光合速率和光合产物也是每日都不一样。 在这种情况下， 仍将每天的温度变化状态设为同一， 尤其是将促进运转的时间段的温度设定为同一值， 显然是不合理的。因此， 在提出变温管理的模式以 后， 对以光照为驱动因子的温度设定展开了许多研 究。 这些研究是以变温管理的模式为基础， 将变温管 理中的每段温度高低以及持续时间长短与当时的日 照量和当日日照量的累计值联系起来。例如根据当 时日照量的强弱， 修正开启通风窗的设定温度， 根据 当日日照量的累计值修正夜间设定温度。从而形成 了同时考虑 2 个环境因子的所谓“ 复合环境调控” 。 早期的复合环境调控主要就是复合考虑这2 个环境 因子， 随着控制手段的进步， 尤其是计算机控制技术 与传感器技术的进步， 除了日 照和气温两个因子以 外， 还将湿度、 c o : 浓度、 地温， 甚至土集水分与养分 以及室外环境如风速、 降雨等因素复合处理的环境 调控系统得到了迅速发展。 2 . 4 关于作物模型应用于温室环境调控 由于作物模型的功能之一就是数量化地表示作 物生长与环境间的量化关系， 因此很容易想到将作 物模型应用到温室环境调控。虽然在这方面进行了 许多研究， 但迄今为止还很难将复杂的作物模型嵌 人温室环境调控系统。其中原因是由于作物模型和 温室环境调控的特性所致。 从世界范围来看， 对作物模型的研究由来已久。 如1 9 0 2 年的b l a c k m a n 就将植株的生长速率表示 成与鲜重成正比， 根据这一假定植株质量相对于时 间呈指数函数递增， 这和植株生长早期的情况比较 吻合。 但植株和其他生物一样， 都有生长、 衰老、 死亡 的过程. 所以很明显 b l a c k m a n的模型不能解释这 些生命现象。后来将生长率表示为随植株体质量增 加而减少的函数， 即成为l o g i s t i c 曲线。 但这也没有 和光照等环境条件联系起来， 随着1 9 5 。 年门司和佐 伯c s 7 对作物群落的透光特性的研究， 将光照和环境 因素导人到了作物生长模型， 从而促进了作物模型 的研究与应用 尤其是计算机的广泛应用， 作物模型 已经深人到作物器宫、 组织， 甚至于细胞的生长规 召6157 t. 15路韶15a 71013托19 1 2 6 机遇 挑战 创新 2 0 0 2年 现上述的“ 变温管理” 和“ 复合环境管理” ， 这样才能 提高产品的外观品质和风味营养品质， 才有可能减 少化学农药的使用。长期以来我国缺乏这一方面的 研究， 尤其缺乏原创性研究。究其原因， 主要是我国 在设施园艺中长期重生产轻研究， 重生产设施的建 设轻基础设施的研究。可以说直到目前在我国的有 关大学和科研院所没有一处可根据作物要求对温光 湿气等环境进行调控的温室。近几年虽然引进和自 建了许多现代化温室， 但都是生产设施， 小则几亩， 大则几公顷， 根本无法用于研究。 在设施园艺发达国 家不论是大学还是科研院所都建有大量的小型的环 境可控的温室和人工气候箱， 在这些小型设施中的 研究成果支撑起了现在的设施园艺的发达地位。在 发达国家研究机构的设施要比生产单位的设施先 进， 在我国恰恰与此相反， 研究机构的设施普遍不如 有些生产设施。 研究要走在生产前面， 为生产提供研 究成果。 在落后于生产单位的条件下， 如何创造出指 导生产实践的技术与理论呢? 因此， 笔者认为当务之 急应该在我国几所主要的农业大学和研究机构建立 环境可控的研究设施， 以扭转这种被动局面 另外在 环境调控的研究内容上， 不仅要强调“ 集成” ， 更重要 的还是要重视基础研究， 如作物的环境生理、 传感器 的精度和耐用性、 环境控制设备的动作可靠性与耐 用性等等要得到大力支持， 使得在这些制约我国设 施园艺发展的关键技术上有所突破， 从而使我国的 设施园艺研究和产业发展步人一个新的台阶。 今考文献 板木利隆. 栽培好适环境 i l . 温室设计0)基础t 实际 ( 三原义秋编著) . 1 9 8 3 ， 养贤堂， 8 8 -1 0 1 . 土岐知久. 适温条件究明(7 ) t , : 约 0午二巾手一1 ) ( 7 ) 代 谢生理刃卜 l一廿法vz k7,解析 l l . 旧 本) 千叶农 试于菜成绩书， 1 9 7 1 , 9 5 - 1 0 0 . 日 本施设演芸协会编. 最新施设园艺刃环境技术 m . 诚文堂新光社. 1 9 9 7 , 2 2 - - 9 1 . 伊东正. 栽培技术面力 , 6 a , t , 野菜栽培内省工丰i t, 竿 一、 日 本农业气象学会春季汾夕求少 二一人要旨 ml . 1 97 8 . 栋方研， 生长-ct l l.施设园艺v 3 汁6环境制御技术 ( 高仓直等编著)m .夕7 卜 廿了工i又社， 1 9 7 5 , 2 8 0 - 2 9 2 . 曹卫星， 罗卫红. 作物系统模拟及智能管理 m . 北京 华文出版社， 2 。 。 。 . 圈川 律. 现在所开发的作物模型不仅能模拟作物生长与 发育的主要过程， 还能模拟土壤养分平衡( 矿化、 硝 化、 反硝化、 固氮、 淋溶、 吸收、 利用等) 与水分平衡 ( 有效降水、 径流、 蒸发、 蒸腾、 土壤水分的垂直流动 与渗漏等户， 作物模型的意义在于对整个作物生育 系统的知识进行综合， 并量化生理生态过程及其相 互关系 其主要用途表现在以下4 个方面: 一是用于 教学， 通过作物模型的运行可以提供作物生物学过 程及其与环境和技术的直观动态效果; 二是促进研 究， 可以利用作物模型在计算机上进行假设检测和 模拟实验， 研究数量生理生态过程的反应模式、 栽培 管理技术途径及品种改良的目标形状; 三是用于栽 培管理， 在作物模型的基础上. 建立作物管理决策支 持系统及智能化专家系统等， 可进行栽培方案的设 计. 并在生长过程中确定适宜的管理调控措施; 四是 用于各种评估. 例如利用作物模型可以评估产量丰 欠、 土地生产力、 资源利用与环境质量、 全球气候变 化的影响与对策等。至于将如此复杂的作物模型嵌 人到温室环境调控系统至今还处于研究探索阶段。 其中关键的问题是要提高模型的精度以及解决预测 的长期性与温室环境目 标值设定的瞬时性之间的矛 盾。 当然模型的复杂与难易程度的变动范围甚广， 如 前所述的根据 日照状况的变温管理也属于模型， 这 同样是在对作物光合速率以及光合产物的运转与贮 存和日照、 气温的定量关系的大量实验研究基础上 提出的， 属于经验性模型 也就是说目前嵌人温环境 调控系统的作物模型大多属于经验性模型如何将 复杂的作物生长的机理模型有效地嵌人温室环境调 控系统仍是有待今后研究的课题 3 我国温室环境调控研究中存在的主要问 题以及应采取的对策 我国绝大部分温室基本上没有环境调控设备和 设施， 迅速改变这种状况是当务之急。 为了充分发挥 设施园艺的功能， 提高其产品的品质以满足国内日 益提高的消费需求和参与国际市场竞争， 必须提高 温室环境调控水平。 在设施园艺生产中， 要实现所谓 的“ 两高一优” 或者“ 无公害” 、 “ 绿色食品” 等目 标， 具 有良好环控功能的设施是其前提与基础条件。要在 非常简陋和落后的设施中实现这些良好的目 标是不 现实的。 因为只有在具有良好设施设备的温室中， 才 有可能创造出适宜作物生长的环境， 也才有可能实 厂 5 仁 6 2 0 0 2年 陈青云 温室环境调控技术的发展阶段及其特点分析1 2 7 d e v e l o p m e n t a l s t a g e s o f t e c h n o l o g y o f g r e e n h o u s e e n v i r o n me n t c o n t r o l a n d t h e a n a l y s i s o f t h e i r c h a r a c t e r i s t i c s c h e n q in g y u n ( c o l l e