设施农业栽培学生用参考课件.doc

设施农业栽培学第一章 概述设施农业属高投入高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业。是利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业、环境安全型农业生产、有机农业的必由之路，同时也是农产品打破传统农业的季节性，实现农产品的反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。设施农业从种类上分，主要包括设施园艺和设施养殖两大部分。设施养殖主要有水产养殖和畜牧养殖两大类。一、设施农业的发展历史 公元前4世纪欧洲已有著作记述植物被种在保护地上生长； 1516世纪，英国、荷兰、法国和日本等国家就开始建造简易的温室，栽培时令蔬菜或小水果； 1718世纪，法国、英国、荷兰等国家已出现玻璃温室； 19世纪初，英国学者开始大量研究温室屋面的坡度对进光量的影响以及温室加温设备问题，英国、荷兰、法国等国家出现了双屋面玻璃温室； 19世纪后期，温室栽培技术从欧洲传入美洲及世界各地，中国、日本、朝鲜等国家开始建造单屋面温室。 20世纪60年代。美国成功研制无土栽培技术。使温室栽培技术产生一次大变革。 2005年前后，物理植保技术的出现及其集成技术防病效果的认可和中国蔬菜对外出口频遭相关贸易国的绿色壁垒以及国内频现的食品安全问题。在这种形势下我国农业科学家提出了环境安全型温室的概念。环境安全型温室是一种物理植保技术、环境控制技术、生物防治技术为核心的，能够不使用农药或其他化学品就能防治植物病虫害，并能保障植物避免恶劣气候和生理性障碍的封闭型植物养育设施。环境安全型温室主要分为物理植保型温室和环境控制型温室两大类。前者着重于植物全生育期病虫害的物理防治设施配置。后者则是病虫害、生理障碍、生长环境调控都加以控制的温室。物理植保型温室主要以物理植保技术集成体系为植保设施核心设计而成，即土壤病虫害防治设计为土壤电处理模式、地上部分的气传病害防治设置为空间电场防治模式、飞翔类害虫的防治设置为色、光双诱电捕杀与防虫网结合模式、红蜘蛛等螨类为生物防治模式或称紫苏防螨模式。环境控制型温室是在物理植保型温室的基础上，再辅以温度、光照、二氧化碳浓度调控模式的温室，这类温室不仅能确保植物生长期病虫害的无农药化防治还能够确保连阴天或极端恶劣气候条件下仍能生长或保苗保秧。生长环境辅助设施包括热风炉或土壤加温线或湿帘、空间电场发生系统、补光灯、二氧化碳增施系统，其中，空间电场发生系统除了预防气传病害以外还具有植物光合作用的调控功能，可增强植物在低光照环境中的光合作用强度。二、设施园艺的主要类型及其优缺点设施园艺按技术类别一般分为玻璃/PC（聚碳酸酯Polycarbonate）板连栋温室（塑料连栋温室）、日光温室、塑料大棚、小拱棚（遮阳棚）四类。 玻璃/PC板连栋温室具有自动化、智能化、机械化程度高的特点，缺点一次性投资大，对技术和管理水平要求高、能耗大。 日光温室的优点有采光性和保温性能好、取材方便、造价适中、节能效果明显，适合小型机械作业。缺点在于环境的调控能力和抗御自然灾害的能力较差。 塑料大棚安装拆卸简便，通风透光效果好，使用年限较长，棚内立柱过多，不宜进行机械化操作，防灾能力弱，一般不用它做越冬生产。 小拱棚（遮阳棚）的特点是投资少，作业方便，管理非常省事。其缺点是不宜使用各种装备设施，并且劳动强度大，抗灾能力差，增产效果不显著。主要用于种植蔬菜、瓜果和食用菌等。三、设施养殖的主要类型及其优缺点设施养殖主要有水产养殖和畜牧养殖两大类。 水产养殖按技术分类有围网养殖和网箱养殖技术。在水产养殖方面，围网养殖和网箱养殖技术已经得到普遍应用。网箱养殖具有节省土地、可充分利用水域资源、设备简单、管理方便、效益高和机动灵活等优点。安徽的水产养殖较多使用的是网箱和增氧机。 在畜牧养殖方面，大型养殖场或养殖试验示范基地的养殖设施主要是开放（敞）式和有窗式，封闭式养殖主要以农户分散经营为主。 四、设施农业主要材料与设备1、园艺设施建造材料p 玻璃/PC板连栋温室以透明玻璃或PC板为覆盖材料的温室，这类温室的骨架为镀锌钢管，门窗框架、屋脊为铝合金轻型钢材；p 塑料连栋温室以钢架结构的为主；p 钢架大棚，采用钢管搭建大棚，目前普遍用连接件代替焊接技术来固定钢管；p 竹木大棚，用竹片或竹竿做骨架，每个骨架用水泥柱或木桩做支柱；p 小拱棚、遮阳棚多用竹木做骨架，以塑料薄膜和稻草等其他材料简单搭盖。2、园艺设施主要设备 物理植保技术装备包括温室电除雾防病促生系统、土壤连作障碍电处理机、臭氧病虫害防治、色光双诱电杀虫灯、防虫网； 物理增产技术装备包括利用空间电场生物效应制造的空间电场光合作用促进系统、烟气净化二氧化碳气肥机、补光灯、滴灌系统等； 耕耙机械装置包括微耕机、微滴灌装置； 喷雾植保机械包括机动和手动施药器具； 温室设施外使用的机械装备有草苫（保温被）卷帘机、卷膜器等。3、设施养殖主要设备 畜禽养殖，环境安全型畜禽舍是建设重点，其中的防疫装备包括空间电场防疫系统、等离子体灭菌除臭系统，而生产辅助设备土要有喂料机、喷淋设备、风机、冷水帘以及粪便处理设备等，大型养牛场还配备了自动挤奶、杀菌、冷藏等设备。大型鸡、鸭、鹅饲养场还配备有自动孵化设备； 水产养殖，目前应用最普遍的是利用聚乙烯网片制作的网箱，配备的设备主要是增氧机。五、设施建造成本与效益比较1、设施建造成本 玻璃温室的投资成本在8001000元/平方米； PC板温室的造价在10001200元/平方米； 塑料连栋温室以钢架结构的为主，造价在100140元/平方米； 日光温室按建筑材料不同，造价在40120元/平方米不等； 钢管大棚造价2540元/平方米。 竹木大棚的造价在1015元/平方米； 小拱棚、遮阳棚造价平均5元/平方米。2、效益比较山东省设施栽培平均效益是露地栽培的5倍以上。日光温室纯收入10000元左右。塑料大棚纯收入为3000元左右。六、设施农业发展的方向1、设施标准化、大型化发达国家根据当地的自然条件、农业资源情况、气候和栽培特点等因素，设计适合当地条件，能充分利用太阳辐射的标准型设施、装置及构件，实现了农业设施的系列化和标准化。与此同时为了节省材料、降低成本，提高采光率、栽培效益及经济效益，发达国家的生产型温室不断向大型化方向发展。此外，连栋温室得到普遍推广，温室的室高在4.5 m以上。温室空间扩大后可进行立体栽培，便于机械化作业。2、作业机械化设施内生产管理的机械化是设施农业的重要方面。发达国家已经在设施农业中广泛使用小型、轻便、多功能、高性能的设施园艺耕作机械、播种育苗装置、灌溉施肥装置以及自动嫁接装置等，普遍实现了播种、育苗、定植、管理、收获、包装、运输等作业的机械化。3、设施环境监控自动化、智能化、网络化美国开发了能够辨别秧苗质量并能分拣的温室移苗作业机器人；日本开发了可行走的耕耘施肥机器人、能在设施内完成各项作业的无人行走车，用于组织培养作业的机器人。柑橘和葡萄收获机器人等。目前，无线传感器网络技术、现代通信技术、智能控制技术、计算机视觉技术和空间技术等不断应用于设施农业领域，这些技术的有机整合，使得设施环境监控系统朝着自动化、智能化和网络化方向发展。设施管理水平不断提高。4、温室覆盖材料多样化北欧国家多用玻璃，法国等南欧国家多用塑料，美国多用聚乙烯膜双层覆盖，日本多应用聚氯乙烯膜。总之，温室覆盖材料呈多样化特点，且材料的保温、透光、遮阳、光谱选择性能渐趋完善。5、生产体系专业化、产业化、国际化在设施农业发达的国家，设施农业生产完全走专业化、产业化、国际化发展道路。这主要体现在：温室围绕市场需要生产，温室产品的商品化率非常高。采用规范有序的市场经营模式，以市场为导向和生产的拉力源，形成完整的体系。种苗专用，栽培产品多样化与特色化。设施农业生产迈入国际化的市场体系。形成健全的市场销售体系。6、农业生产工厂化美国、法国、日本等一些发达国家对工厂化农业给予了高度的关注，一直在研究“工厂化农业”成套技术。目前，荷兰、奥地利、英国、挪威、伊朗、希腊、利比亚、美国和日本等国家均建有植物工厂，利用植物工厂主要生产莴、番茄、菠菜、药材和牧草等。需要指出的是，对于工厂化农业，以下2个问题亟待解决：营养液及养殖用水的净化处理及重复利用。解决思路是建立循环水系统，实现封闭式内循环生产。降低设施、设备成本及能量消耗。第二章 设施栽培人工补光技术光照是影响作物生长的重要环境因素之一。温室栽培时，由于受覆盖物透光率的影响，普通玻璃的透光率一般为9092，塑料薄膜的透光率只有8590，温室内的自然光照条件要比露地差。另外，在冬季和早春季节，日照时问短，温室的光照度较弱；南方地区在阴雨连绵的季节里，温室内的光照度仅为2000 Lx左右。光照不足，影响作物的光合作用，导致作物生长受抑，从而严重影响作物的生长。人工补光是提高作物对光照的需求，采用人工光源改善温室的光照条件，调节对作物的光照。人工补光是提高温室生产水平的一项新技术，对温室产业的发展有着重要的意义。一、作物对光能的利用 生理辐射，指在辐射光谱中，能被植物叶片吸收光能而进行光合作用的那部分辐射。 不同的补光光源，其生理辐射特性不同。在光源的可见光光谱380 nm760 nm中，植物吸收的光能约占生理辐射光能的6065。其中，主要是波长为610 nm720 nm的红、橙光辐射，植物吸收的光能约占生理辐射光能的55左右。红、橙光的光合作用最强，具有最大的光谱活性，用富含红、橙光的光源进行人工补光，在适宜的光照时数下，会使植物的发育显著加速，引起植物较早开花、结实。 其次是波长为400 nm510 nm的蓝、紫光辐射，植物吸收的光能约占生理辐射光能的8左右。蓝、紫光具有特殊的生理作用，对于植物的化学成分有较强的影响，用富于蓝、紫光的光源进行人工补光，可延迟植物开花，使以获取营养器官为目的的植物充分生长。 植物对波长为510610 nm的黄、绿光辐射，吸收的光能很少。 所以，通常把波长范围在610720 nm和400510 nm两波段的辐射能称为有效生理辐射能，而不同波段有效生理辐射能占可见光波段总辐射能的比例则称为有效生理辐射比率，通过这些指标来评价人工补光的效果。二、人工补光光源及其生理辐射特性用于温室人工补光的光源，必须具备一般植物（特别是栽培植物）必需的光谱成分（光质）和一定的功率（光量），且应经济耐用、使用方便。目前，用于温室人工补光的光源根据其使用及性能，大致可分为三类。l 普通光源l 新型光源l 专用光源1、普通光源（1）白炽灯依靠高温钨丝发射连续光谱。其辐射光谱大部分是红外线，红外辐射的能量可达总能量的8090，而红、橙光部分约占总辐射的1020，蓝、紫光部分所占比例很少，几乎不含紫外线。因此，白炽灯的生理辐射量很少，能被植物吸收进行光合作用的光能更少，仅占全部辐射光能的10左右。而白炽灯所辐射的大量红外线转化为热能，会使温室内的温度和植物的体温升高。（2）荧光灯灯管内壁覆盖了一层荧光物质，由紫外线激发荧光物质而发光。根据荧光物质的不同，有蓝光荧光灯、绿光荧光灯、红光荧光灯、白光荧光灯、日光荧光灯以及卤素粉荧光灯和稀土元素粉荧光灯等。可根据栽培植物所需的光质选择相应的荧光灯。荧光灯的光谱成分中无红外线，其光谱能量分布红、橙光占4445，绿、黄光占39，蓝、紫光占16。生理辐射量所占比例较大，能被植物吸收的光能约占辐射光能的7580，是较适于植物补充光照的人工补光光源，目前使用较为普遍。2、新型光源 高压钠灯光谱能量分布红、橙光占3940，绿、黄光占5152，蓝、紫光占9。因含有较多的红、橙光，补光效率较高，适宜于温室叶菜类作物的补光。 日色镝灯又称生物效应灯，是新型的金属卤化物放电灯。其光谱能量分布为红、橙光占2223，绿、黄光占3839，蓝、紫光占3839。日色镝灯虽蓝、紫光比红、橙光强，但光谱能量分布近似日光，具有光效高、显色性好、寿命长等特点，是较理想的人工补光光源。3、专用光源这类光源是专为植物光照而开发的。如华东电子股份公司生产的植物生长灯，这种灯的生理辐射能的分布和配比较合理，其红、橙光的有效生理辐射能占58，蓝、紫光的有效生理辐射能占32，有效生理辐射能比率高达90。园艺灯其光谱成分主要是波长为610720 nm的红、橙光辐射和波长为400510 nm的蓝、紫光辐射。由于该园艺灯的光谱能量分布曲线和植物叶绿素光合作用的光谱特性曲线很相似，所以该灯的光能利用率和光合效应均较高。三、人工补光光源的配置与应用温室人工补光光源的配置，应以既可使光强、光质能满足作物生长的要求，确保补光均匀，又要尽可能地降低温室补光成本为原则。因为提高补光强度，虽可使光合作用速率提高，但与此同时温室补光的成本也会增加。所以，在实施温室人工补光中，补光光源的配置很重要，要精心设计，合理配置。 白炽灯的功率配置要根据各种作物所需的照度与各种功率白炽灯的照度来确定。一般每平方米栽培面积上需配置的功率数为0.501.20 Kw左右。 荧光灯的功率配置荧光灯光能的生理效应要比白炽灯高得多，每m2栽培面积上所需配置的功率数比白炽灯低。低压日光荧光灯，一般每m2栽培面积上需配置的功率数为0.380.91 Kw左右。低压白光荧光灯，每m2需配置的功率数为0.280.68 Kw左右；低压软白光荧光灯，每m2需配置的功率数为0.400.98 Kw左右；低压红光荧光灯，每m2需配置的功率数为0.431.04 Kw左右；低压蓝光荧光灯，每m2需配置的功率数为0.601.43Kw左右。 高压钠灯的功率配置对于管状钠灯，在合理布置的情况下，每m2栽培面积上需配置的功率数为0.050.06 Kw。 日色镝灯的功率配置在满足净补光强度大干2000 Lx的要求，且合理布置的情况下，每m2栽培面积上需配置的功率数为0.0680.070 Kw。2、光源的安装布置 白炽灯的安装高度应距离植株一定高度，因白炽灯辐射的大量红外线要转化为热能，在温度较高时，可能使植物局部过热。为避免植株过热，白炽灯的悬挂高度一般为距离植株40 cm（不低于30cm）。 荧光灯的安装高度应距离植株510 cm，可沿植株行间配置。 高压钠灯的安装高度与植株的垂直距离保持1 m较合适。为确保作物的补光强度，应将灯尽可能地布置在作物行间的正上方。 日色镝灯的安装高度应与植株的垂直距离保持1.2 m，以使光强分布均匀。应将灯布置在作物的上方。钠灯与镝灯的比较钠灯（220 V、400 W圆管形高压钠灯）在距照射面垂直距离为1.0 m时，光照分布较均匀，布置钠灯时，灯与作物垂直距离为1.0 m较合适。在水平距离2.1 m内，均能满足净补光强度大于2 000 lx的要求，但钠灯的正下方光强最弱，故应将更多的灯布置在走道的正上方。每平方米需要用灯数为0.126盏。镝灯（220 V、400 W反射型垂直点镝灯）在距照射面垂直距离为1.2 m时，光强分布较均匀，布置镝灯时，灯与作物垂直距离应为1.2 m较合适。在水平距离1.8 m内，均能满足净补光强度大于2 000 lx的要求根据光强在照射面上的分布，正下方光照强，一般不布置在走道的正上方，每平方米需要用灯数为0.171盏。钠灯和镝灯都是发光效率和有效光合成效率较高的光源，适用于温室蔬菜作物（特别是叶菜类）的补光。与荧光灯、白炽灯等光源比较，单位面积内需要的灯数较少，不会造成温室内遮荫过多。在育苗时，可达到较高的补光效率。两灯相比，在相同功率下，钠灯所产生的光照强度总体上比镝灯强。钠灯的一次性投入成本低，遮荫少，且要达到相同的补光强度，钠灯单位面积使用的灯数也少，从而补光能耗低。钠灯与镝灯对作物光合作用的影响而言，在相同光照强度下，钠灯比镝灯略好，但净光合速率Pn的值相差不大。从光谱特征来看，钠灯含有较多的红橙光和较少的蓝绿光，而镝灯为仿日光色，在长期依靠人工光源补光的情况下，镝灯可能更有利于作物的生长，两者各有优缺点，可根据需要选择。四、LED技术及其在设施农业中的应用 荧光灯的发光效率在最近20年内上升了50，但与高压钠灯相比还是比较低的，与金属卤化灯基本相等。但是，无论是荧光灯，还是目前发光效率较高的高压钠灯，其能耗都较高，主要原因是目前使用的人工光源中红外和远红外光的比例较大，有相当多的能量以热效应方式传递到环境中。1、LED技术LED（1ight emitting diode，发光二极管）是利用半导体PN结或类似结构把电能转换成光能的器件。带有空穴的P型材料通常是掺入族元素的硅，带有电子的N型材料通常是掺入族元素的硅。P区与N区之间的边界即是PN结。 2、LED光源的优点与白炽灯、荧光灯和高压钠灯等人工光源相比，LED具有显著优点： 直流低压供电小功率彩色LED的正向电压通常为1.5 V2.8 V，大功率LED的正向电压通常为3 V4 V，远小于安全电压。 节能钠灯和金属卤化物灯是气体放电发光灯，靠加热升温使金属元素蒸气放电而发光。LED是固体发光光源，不需要加热就能发光，是一种冷光源，因此，其减少了消耗在加热上的电量。 单色光源，发光效率高。LED可发射单色光，其半波宽大多为20 nm，可以精确地为植物提供所需要的光谱，而不浪费电能发出黄光、绿光等植物不需要的光谱。 体积小、应用灵活，推广空间大。 环保。LED是固体发光光源，不含汞等有害物质，在安装使用中不会造成污染，其废弃物也可以回收。LED光源是环保的绿色光源。 寿命长。LED是固体光源，内部不存在松动部分，没有玻璃、灯丝等易损和易烧部件，机械强度大，耐振动，耐冲击，寿命可达50000 h以上。荧光灯、高压钠灯使用寿命约12000 h3、温室补光LED光源类型及结构常用的LED温室补光光源主要有两种形式，一种是垂直照射的点光源式，一种是穿插于植株之间进行侧面照射的带光源式。目前，LED光源用于温室人工补光尚处于试验阶段。（1）点光源式点光源式是较早得到开发和应用的LED温室补光光源，可以根据不同气候条件、不同作物类型以及生长的不同阶段，调整LED补光光源的光照度和光质。其安装方式多为在温室顶部已有骨架基础上加装条状LED供电装置，也可以独立安装LED光源的支撑结构和供电装置，LED点光源从供电装置中引出，垂直向下照射植物。每个LED点光源由数个LED灯珠组成，根据组装要求不同，外形可以为方形或圆形。根据作物种类不同，红色LED点光源和蓝色LED点光源间隔布置，叶菜类作物可以考虑设置红蓝光照度比（R/B）为（79）：1，因为红光对茎伸长有促进作用，也可起到增加产量的作用；果菜类作物R/B比可设置为（510）：1。LED点光源一般悬挂于植株上方进行补光，光源系统常处于固定状态，高度不易调节，对于达到一定高度的果菜类作物补光较为适宜。（2）带光源式带光源式LED温室补光系统是在点光源基础上开发起来的光源系统，其显著特征是高度可以调节，可以根据不同作物需求及不同生长阶段进行光源的高度、光照度和光质调节。带式LED光源结构相对简单，克服了点光源式LED组件多、安装复杂的弊端，夏季不用时还可置于天沟下侧，避免对通风降温以及栽培操作的影响：由于高度可以调节，可根据作物大小近距离照射作物，光能损失小，效率高：带式光源还可置于作物冠层下部，形成穿插照射，避免从上部照射时冠层叶片对下部植株的遮挡。五、LED与太阳能光伏结合研究应用前景1、LED对电源的需求及其与太阳能光伏结合的可行性（1）LED对电源的需求LED光源是一个电光转换系统，其电光转换过程从供电部分开始，依次包括原始电源、电源管理与变换、传感与控制、驱动器等部分。原始电源是LED工作的必要条件。LED是一种电流驱动的低电压单向导电器件，为保证LED正常工作，必须满足LED的基本工作条件：低压直流电、单个LED灯珠的门限电压1.5 V3.5 V、正向电流20 mA。单个LED不能满足植物对光照度的要求，需要对多个LED进行串、并联，并将供电电压控制在6 V24 V之间。为避免LED的驱动电流超过最大允许电流，影响其可靠性，同时也为了获得预期的光照度，保证各个LED亮度和色度的一致性，需要采用恒定电流驱动方式。驱动LED需要低压直流电，而目前的市政供电均为200 V或380 V交流电源。因此，LED供电需先将交流电通过逆变器转换成直流电，再通过降压器将电压降到适宜的低压才能使用。在逆变过程中，电能的损失率为10%20%，如果再加上线路本身的损失，电能利用率将大大降低。为最大限度地提高LED的节能效率，寻求与LED匹配的驱动电能也日益受到广泛关注。（2）太阳能光伏发电独立太阳能光伏发电系统（Photovoltaic Power Generating System，简称PV系统）主要由太阳能电池组件、蓄电池组、控制器和直流负载等部件组成，太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池，太阳能电池单体的工作电压为0.45 V0.5 V，工作电流为20 mA/cm225 mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。经过电池单体的串、并联而成的太阳能电池组件就足以满足负载所要求的输入功率。太阳能电池输出的直流电能，一部分可以直接供给对应的负载，另一部分则可储存在蓄电池组里，以备阴雨天或其他特殊情况下使用，控制器使整个系统的能量传输始终处于最佳匹配状态。（3）LED与太阳能光伏结合的可行性 太阳能光伏发电通过半导体材料将光能转换为电能，LED照明则通过半导体材料将电能转换为可见光来实现照明，二者都通过半导体材料来实现能量的转换。 太阳能电池输出直流电，而LED需要直流驱动，光伏输出的直流电无需经过逆变，直接供给LED，不会产生逆变过程中的能耗损失。 蓄电池和控制器使得光伏系统的直流电输出更具有稳定性，能更好地满足LED的需求。这些特性使太阳能光伏发电和半导体照明可以更好地结合，尤其在无动力能源地区，有望实现无需架设电缆的电能自给。节能和清洁能源的利用是世界各国的发展趋势，太阳能是取之不尽的清洁能源，LED作为新型节能光源，与太阳能光伏的结合是可行的，也是今后LED发展的重要趋势和方向之一。2、LED与太阳能光伏结合的设计思路 太阳能光伏发电系统的设计思路：先根据负载所需电量并结合当地的气候条件计算出太阳能电池容量，并选取当地太阳能电池方阵的最佳倾角，最后根据系统性能要求选配控制器。在设计太阳能光伏发电系统的过程中，涉及的因素很多，如太阳能辐射强度、气候、安装地点等，系统的相关技术条件又涉及到负载性质、蓄电池的容量、太阳辐射强度、太阳能方阵倾角和强度因子等。 第三章、传感器的选择及其系统设计 一、传感器及检测系统的要求设施农业中要控制的对象具有很高的分散性和复杂性，四季气候环境差异很大，使用对象的经济承受能力不高，农户文化程度和使用维护水平较低，因此必须在满足性能要求的前提下尽量降低成本，以提高性价比。所以传感器和检测系统的性能必须符合以下要求：1、稳定性与耐用性要好设施农业是一个连续性的生产过程，检测系统所处的环境比工业更恶劣，如高温、高湿等，再加上农业生产人员的科技素质普遍较低，使用过程中容易误操作，因此一定要选择和设计稳定性与耐用性好的传感器和检测系统。 2、适应性与适用性要强设施农业的实质是调节和控制作物生长环境，是通过一个闭环系统来实现的。因此传感器的性能都应该与控制系统相适应，尤其是传感器的长距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等，这样才能使系统真正做到快速反应和调控环境的高效工作。 3、性价比要高设施农业涉及面积大，对检测系统的潜在用量巨大，但是我国区农业生产力水平较低，对农业设施的投入非常有限，因此必须在保证性能的同时尽量降低成本，以适应当地实际情况，否则难于推广使用。 二、环境检测因素及传感器的选择设施农业中需要检测的环境因素主要有温度、湿度、CO2浓度、光照度、土壤温度和含水量等，每一种环境因素都要有对应的传感器对其进行数据检测。 1、温度传感器温度是作物生长发育最重要的因素之一，直接影响作物光合作用、呼吸作用、细胞壁渗透性、水分和矿物质养分的吸收、蒸腾、酶活性和蛋白质凝聚等。大多数作物生长的温度变幅较窄，一般介于1540，低于或高于这个限度，农作物生长速率则减缓。目前用于检测温度的有模拟温度传感器、智能温度传感器、虚拟温度传感器等。由于模拟温度传感器功能单一（仅测量温度）、测量误差小、响应速度和传输速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单，是目前在国内外应用最为普遍的一种集成温度传感器。另外模拟温度传感器价格低廉，使用简单，特别适合在温室大棚等设施农业中使用。较常用的有AD590、DS18B20、LM35系列等。2、湿度传感器湿度也是影响作物生长的主要因素，因此目前设施农业的检测中，空气湿度也是主要参数之一。目前使用的湿度传感器，主要有电阻式和电容式2种。其基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜，空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数等发生很大的变化，从而对湿度进行检测。电容式湿敏元件具有响应速度快、体积小、线性度好、性能稳定等特点口，特别是近几年出现的集成湿度传感器，因其具有精度高、线性好、互换性强等诸多优点，在设施农业中得到快速而广泛的应用，如集成湿度传感器IH3605等。3、CO2浓度传感器CO2是作物光合作用的主要原料，其含量直接影响作物的生长。利用传感器实时检测室内CO2浓度，并根据植物生长发育进行CO2施肥，可有效提高设施农业生产效率。目前市场上CO2浓度传感器有电化学型、热导型、红外光吸收型等，而最适应于设施农业的是红外光吸收型，因其具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点，如8002W、GS-160、MG811、VC1008T系列。4、光照度传感器光照是植物进行光合作用不可缺少的条件，在设施农业中采用光照传感器来检测光照度，进而控制光照强度和光照时间，调节植物的生长发育过程。光照传感器有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏晶体管、光电池等，目前设施农业温室大棚环境检测用的光照度传感器大多为硅光电池和光敏二极管，而光敏二极管较硅光电池有工作稳定性强、光照特性曲线为线性等许多优点，更适合在设施农业中使用。5、土壤温度传感器土壤温度对作物根系的生长有重要的作用，因此，也是设施农业环境检测的主要参数之一。目前，设施农业中根部温度的检测传感器较多，但应用广泛的是具有耐腐蚀和防潮性能较好的电阻式温度传感器，如PTWD-3A、ST-22等。该类传感器具有价格低廉、性能稳定、市场供应便利、易于安装、更换，比较适合设施农业生产。6、土壤水分传感器测定土壤含水量，对实施精准农业、节水灌溉和提高农业生产效率有重要的意义。目前采用的传感器多种多样，有陶瓷水分传感器、电解质水分传感器、高分子传感器、压阻水分传感器、光敏水分传感器、微波法水分传感器、电容式水分传感器、电阻式土壤含水量传感器等。使用较多的是压阻水分传感器和电阻式土壤含水量传感器，如3.2MPX系列，sintek-4等。三、设施农业环境测控系统设计1、测控系统硬件设计环境测控系统的硬件设计方案框图如图1所示，主要由单片机、数据采集模块、数据转换电路、报警装置、执行机构、主控计算机等组成。其核心是单片机芯片组，作为系统各种参数的处理和控制器，完成各种数据的处理和控制任务，同时将处理后的数据传送给主机。实际应用时可根据被测控参数点的个数和控制的要求来决定单片机的数目。整个系统的工作原理：首先在单片机内设定温度、湿度、CO2浓度、光照度、土壤温度、土壤水分等环境因素的上下限值和报警值，并予以保存，各种传感器实时检测到的参数值送到单片机后与其设定值进行比较，判断是否在设定的上下限值范围内，如在则表示环境可满足作物正常生长，如不在则由单片机控制驱动相关执行机构开始工作，如加热、换风、喷水等，直到环境参数达到正常的范围内为止。当检测到的参数值超出了设定的报警值时，主控机会控制报警装置报警，系统可能有故障或环境参数严重不足的情况，提醒管理人员要采取相应措施确保系统正常工作，使作物生长环境处于正常状态。（1）多路开关在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称多路选择器或多路开关。（2）前置放大器把信号放大至功率放大器所能接受的输入范围。3）A/D转换器模数转换器即A/D转换器，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小（4）光电隔离器光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。（5）单片机微型的电脑，如有CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别（6）温室环境信息采集器2、测控系统软件设计测控系统软件工作过程是首先对各部分进行初始化，通过键盘完成系统各个运行参数的设定，之后系统就进入正常工作状态。主程序对整个系统进行实时监控，即系统自动采集来自各测控点温度、湿度、CO2浓度、光照度、土壤温度、土壤水分等环境因素的值，根据传感器的特性由单片机控制多路采集信号的分时切入，将其值与设定的各参数值进行比较，通过输出控制处理程序决定是否启动执行机构，同时由显示模块显示被测控点的环境因素。当系统运行中出现了异常时，如传感器、放大器等部件故障及环境参数超限报警等情况，系统将进入相应的中断处理程序。 第四章 设施农业浅层地热源节能技术设施农业作为一项高效农业，近30年来，取得了长足的发展，但其对能源的依赖已经成为制约行业发展的主要瓶颈，以大型连栋温室为例，每公顷年耗煤量在我国华北地区达700 t到1800 t，东北地区甚至高达1800 t到3000 t，能源消耗约占其运行总成本的3050。国外研究表明，每生产10 kg黄瓜要消耗5 L汽油，比粮食生产消耗能量高50%60%，且化石燃料（煤、油等）采暖还会产生大量的CO、SO2、CO2、NOx等有害气体，对环境造成污染。一、普通加温系统组成1、热源通常，热源采用燃气热水锅炉或蒸汽热水锅炉。（1）燃气热水锅炉如韩国斯达锅炉生产的燃气热水锅炉（型号：CHSO-95/70），水容量750 L，出水温度95，回水温度75。优点：a、性价比高，经济实用；b、炉体设计优化，受热面积大，热效率高，升温快，供应热水充足，配置优质名牌燃烧器，燃料燃烧充分，污污染，噪音低；c、选用电脑自控式控制盘，功能完善，安全可靠。设有低水位和过热保护装置，一旦出现异常，自动停止运行；d、外观造型新颖，喷涂色泽明快、幽雅。整体布置紧凑、占地面积少，安装方便。（2）电热水锅炉采用韩国斯达锅炉广州分公司生产的电热水锅炉（型号：CWDZO.72-95/70-D）。特点：a、采用优质电器元件和电热元件，可避免人身触电和设备漏电、过载、短电等危险，确保安全；b、机电一体，便于安装和配线；c、电做为热煤，无污染、无噪音、热效率高达98%；d、采用先进的电脑锅炉控制器，具有可靠性能，自动化程度高，使用方便，操作简单，功能丰富，控制灵活等优点；e、具有超温、过热、缺水等多重保护。2、供暖系统形式设计基本参数设置温室加热系统采用机械双管循环热水供暖型式，散热器为适合于温室热水加热的光管，热水供暖方式与热风供暖相比，有温度场分布均匀、升温平稳、不易伤害作物等特点。系统有热水锅炉、分水缸、回水缸、混合组、供回水管道、散热管道等组成。温室加热系统采用机械双管循环热水供暖型式，散热器为适合于温室热水加热的光管，热水供暖方式与热风供暖相比，有温度场分布均匀、升温平稳、不易伤害作物等特点。系统有热水锅炉、分水缸、回水缸、混合组、供回水管道、散热管道等组成。 系统为单级调温控制，即锅炉供来的热水先由主进水管供给温室区主供水管道。各温室又有混合组进一步控制管道水温，以保证温室维持最佳的温度。3、输送管网一级输送管网指从热源首部到温室的供、回水总管及配件、3050 mm的超细玻璃棉和铝皮隔热保温材料等。二级输送管网包括温室内每个加热独立控制区内的供回水管道及混合组。混合组由德国进口Honeywell四通混合阀、循环泵、碟阀、温度传感器等组成。必要时可进行隔绝式循环，不受主输送管道的水温变化的影响。4、散热器主要散热管道采用502.2 mm高频焊接钢管，呈长U形布置，用软管与二级输送管网连接，可移动性强，可根据实际需要进行布置，每跨9.6米布置6根。5、温室加热混合组加热混合组在玻璃温室每个小区有一组加热系统，混合组由四通电动混合阀、循环泵、管道水温传感器、管道温度计、压力表组成。也是通过改变热水与回水比例来控制管道水温，最终来调节温度。加热混合组控制箱的控制方式有手动及自动2种，工作原理同温度控制箱。 二、浅层地能热泵技术1、地能热泵工作原理地能热泵是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。2、浅层地能节能效应 浅层地能是一项新型节能技术，与锅炉（电、化石燃料）供热系统相比其制热系数高，比燃料锅炉节省50以上的能量，节能优势极为明显。三、浅层地能热泵系统的主要类型浅层地能利用技术是20世纪伴随热泵技术的发展而产生的。以大地浅层地表储存的能量作为热泵系统的冷热源，按照介质相对于土壤是否封闭进行划分，其能量采集方式有如下主要形式。1、闭式循环的浅层地能采集系统闭式循环的浅层地能采集系统是指介质在封闭式土壤换热装置中循环流动，介质通过换热装置与浅层土壤发生热交换与传递，将浅层地能连续地输送到热泵系统，为热泵系统提供冷热源。换热装置主要有水平埋管、螺旋地埋管和垂直埋管三种形式。（1）水平埋管浅层地能热泵系统（Horizontal ground-coupled heat pump system）水平埋管浅层地能热泵系统优点是安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用者易于掌握；其缺点是占地面积大，受地面温度影响大，水泵耗电量大。（2）螺旋形埋管浅层地能热泵系统（spiral ground-coil heat pump system）螺旋形埋管浅层地能热泵系统是水平环路的一个变种。其优点是比其他形式的水平环路占地少，安装费用相对较低。但缺点是所需管子较长，泵的功率要求较大，管路系统容易在填埋时损害。 （3）垂直埋管浅层地能热泵系统（Vertical borehole ground-coupled heat pump system）垂直埋管浅层地能热泵系统是较小的土地占用，管路及水泵用电少，其缺点是钻井费用较高。水平埋管与垂直埋管两种方式都归属于地下耦合热泵系统，也称埋管式土壤源热泵系统，还有另外一个术语称地下热交换器地源热泵系统（Ground heat exchanger）。这一系统主要通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。 2、提取转移地下水的浅层地能采集系统主要有双井抽灌和一井抽多井回灌两种形式。在富含地下水地区的地质条件下，采用打井技术，从一口取水井中以抽取地下水的方式获取地下水中的低位能量，并将释放能量以后的地下水回灌到另外一口或多口井的采集方式。优点是非常经济，占地面积小；其缺点是长期运行时，抽水井携带泥沙并排向回灌井，当移出的泥沙达到一定积累时，造成抽水井内局部疏松和塌陷，引起地面沉降，抽水井与回水井布置在不同的水质、水系时，出现在新旧水源地之间、工业和农用水之间时，两井水混合，造成地下水交叉污染，并破坏地下水的平衡。 3、半封闭循环浅层地能采集及单井抽灌热泵利用潜水泵将地下水抽取上来，通过井口间壁式换热的方式，将介质水中的低位能量交换给热泵系统，释放能量后的水又回到同一口井内。其主要特点是解决了双井抽灌中泥沙和水系交叉污染的问题。五、我国浅层地能热泵技术在设施农业上的应用研究2006年，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，对浅层地能在温室中的利用方式进行了深入研究，构建了600 m2的浅层地能环境调控试验温室，同时，针对浅层地能这种低品味能源，提出了“地面一冠层”散热方式，降低了温室的能耗。中国农业大学把浅层地能与日光温室相结合，采用双井抽灌技术对日光温室进行冬季加温，取得了良好的效果。北京农业机械研究所研究了在生态餐厅（9504 m2）中使用地源热泵系统进行冬夏季环境调节的经济可行性，结果表明，使用地源热泵每年的运行费用比使用普通空调可节省费用29.04万元，节省30.35。河南农业大学的王吉庆博士用水源热泵对温室进行加温，试验结果表明，试验用水源热泵的实际制热系数为3.31，与燃煤锅炉加温的荷兰玻璃温室相比，试验温室采用水源热泵加温可节能46.5。从我国国情出发，一段时间内，化石燃料仍将是我国温室供暖的主要热量来源，大部分地区还将采用燃煤锅炉作为温室热源设备。从环境保护的角度出发，可提高锅炉技术，减少环境污染。利用地热资源、工业余热可以有效降低温室成本，但是受条件限制。蓄电锅炉、太阳能和地源热泵技术适用范围广，极具发展前景。从热媒来看，热水、水蒸气、热风作为温室供暖热媒，各有其特点。采用热水作为热媒，温室内温度较为稳定、空间分布均匀，采用水蒸汽、热风作为热媒，则温室内空气升温快，节省能量。根据热媒性质，选择合适的散热器，进行合理的布置，有利于为植物提供一个良好的生长环境，提高生产效益。第五章设施农业与沼气利用结合技术一、沼气基本知识1、什么是沼气？ 甲烷（CH4）占55%70%，二氧化碳占25%40%，有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等。可燃气体：5100大卡/立方米 原煤：5000大卡/千克 碳：6800大卡/千克 煤气：30004000大卡/千克 液化气：12000大卡/千克 天然气：9310大卡/千克2、沼气来源自然条件下： 沼泽地、湖泊 天然气 煤矿瓦斯 厌氧发酵 农村沼气 工业沼气沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳。我们常见从水沟、污泥塘里冒出来的气泡一般就是沼气。3、沼气发酵的基本原理1）厌氧发酵 发酵微生物以粪便为食物，消化代谢产生气体即沼气。2）沼气发酵微生物的来源 土壤、湖泊、沼泽、牛羊的肠胃、池塘污泥、粪水坑、下水道、垃圾堆等。3）沼气发酵微生物的食物来源 粪便（人、牛羊、鸡等各种动物） 秸秆（水稻、玉米、麦草） 杂草 污水4、沼气发酵的基本条件 沼气发酵菌种 沼气发酵菌种的食物 适合沼气发酵菌种生活的场所 专家设计的各种沼气发酵装置 适宜沼气发酵菌种生活的环境，如：温度、pH、发酵浓度、持续的搅拌五大菌群各种发酵性细菌 玉米秸发酵时的发酵性细菌 食氢产甲烷菌 甲烷八叠球菌甲烷丝菌二、沼液的成分和作用 沼液的养分含量：沼液中富含氨基酸、蛋白质、维生素、微量元素，是动物的“生命一号”，植物的“脑白金”； 沼液中，已经测出各类赤霉素、生长素、糖类、核酸以及抗生素等，这些物质都是综合利用的物质基础； 氮、磷、钾的回收率高达90%以上。沼液中的养分是速效性养分，这是因为，发酵物长期浸泡水中，一些可溶性养分自固相转入液相，提高了速效养分；一个10 M3沼气池年提供的沼气肥，相当于硫酸铵50 kg，过磷酸钙40 kg，氮化钾15 kg； 2、沼液的作用 沼气发酵料液中新产生的可溶性物主要有分子量不等的有机物及各种离子，它们是调节作物生长，肥效和抗病虫灾的物质基础。 有机物中有各类氨基酸、维生物、蛋白质，赤霉素、生长素、糖类、核酸等也有抗生素；这类物质中不少是属于“生理活性物质”，它们对作物生长发育，对种子发芽到开花结实，均参与活动并起调控作用。3、沼液在设施栽培中的应用（1）沼液浸种沼液浸种就是利用沼液中的所含的“生理活性物质”、“营养成分”以及相对稳定的温度对种子播种前的处理。它优于单纯的“温汤浸种”、“药物浸种”。浸种方法简单，易操作，成本低，具有出芽率高，幼苗生长旺盛，能防治某些病虫害，作物增产等优点。浸种的技术要点l 使用上年生产的新种良种。对种子进行筛选，浸种前选择晴朗天气，把种子晒席上，薄薄摊开。对种子进行翻晒12天，每天约6小时。l 对沼液应使用正常运转至少个月以上，料口有盖的，应提前几天打开盖，以使出料间的硫化氢气散逸。l 出料间的浮渣和杂物清理干净。沼液浸种注意事项u 浸种时间不能过长，否则会使种子水解过度，影响其发芽率。u 种子浸泡后，一定要沥干，再用清水洗净，晾干种子表面水分后才可催芽或播种。u 清理出料间液面浮渣时，应注意安全。u 若