无土栽培第八章.ppt

第八章无土栽培的环境调节控制设施 第一节环境调节控制概述 一 环境调节控制的意义与作用 作物的生长发育主要取决于遗传与环境 遗传决定农业生产的潜势 环境决定这种潜势可能兑现的程度 作物对环境因素的要求涉及 光 温 水 气 肥等 同时 随着品种 生育阶段及昼夜生理活动中心的变化而不断变化 1 意义 作物需要的综合环境动态模型是受作物生命周期的制约 温度设施提供的综合环境动态系统是受自然环境及工程设施限制的 二者的统一 即可充分发挥作物遗传学的潜力 在作物整个生育期中 温室设施的环境条件 不可能完全满足作物的需要 因此 必须根据作物需要的综合动态环境模型与外界气象条件 采取必要的综合环境调节措施 把多种环境因素如 日照 温度 湿度 CO2浓度 气流速度 电导率等都维持在适于作物生长的水平 以期获得优质 高产和低耗的目的 综合环境调节 以速生 优质 高产为目标 进行监测 分析与调节控制 综合环境管理 在综合环境调节的基础上 随时根据市场变化与效益分析 对目标环境指标进行修订 以期获得最大的经济效益 在市场变化与竞争日益激烈的情况下 种植者加强综合环境调节与管理是十分必要的 二 环境工程设计的原理和基本要求1 环境工程设计的原理先进的生产技术与生产工艺是通过一定的建筑结构 环境调控设施等硬件作为载体 并与优良的品种 科学的种植管理技术相结合而体现出来的 首先利用围护结构把一定的空间与外界环境隔离开来 形成一个相对封闭的系统 环境工程设施在设计 建造及运行管理时必须符合以下原则 1 安全可靠 保证建筑结构和环境工程设施运行的安全性和可靠性 2 经济适用 一次性投资和运行费用较低 节约土地 能源 人力等资源 便于机械化 自动化作业 能充分满足作物的管理需要 3 保护环境 建筑和环境工程设施 应便于栽培环境废弃物的处理和再利用 避免环境污染与公害 保证设施的可持续发展 第二节常用环境调控设施的结构与性能我国目前常用环境调控设施有 温室 日光温室 大棚 防雨棚 遮阳网覆盖等 一 温室用透光覆盖材料作外围护结构密封件 可让绝大部分短波辐射透入 阻止绝大部分长波辐射透出 能起到蓄热升温与保温作用 可供冬季栽培的建筑设施统称为温室 一 温室分类按栽培用途分为 生产温室 试验研究温室 观赏温室 庭院温室 按加温与否分为 加温温室 不加温温室 按室内的环境温度可分为 高温 18 33 温室 用于热带与亚热带作物 中温 12 28 温室 种植喜温瓜果类 低温温室 5 18 种植叶菜类 冷室 0 5 贮藏盆栽植物越冬 按覆盖材料可分为 玻璃温室 硬质塑料或聚酯板温室 塑料薄膜温室 玻璃透光好 耐老化 耐腐蚀 防积尘 排凝结水等性能优良 缺点 抗冲击性能差 易破碎 重量大 分为 平板玻璃 钢化玻璃 双层中空玻璃1 平板玻璃 可见光透光率90 左右 紫外线透过率近于为零 2 钢化玻璃 除了与平板玻璃一样有透光 保温 耐久以外 还有抗弯 抗一定正面冲击 但价格较贵 3 双层中空玻璃 保温 隔热较好 但是透光率是2层玻璃透光率的乘积 价格昂贵 目前玻璃温室发展较少 硬质塑料或聚酯板温室的覆盖材料有 PVC 聚氯乙烯 板 价格便宜 透光率较高 但耐高温差 在50 以上产生永久变形 玻璃纤维聚酯板 透光率年衰减率高达3 左右 使用寿命较短 PC 聚碳酸酯 双层或三层中空板 透光率高达90 以上 强度高 具弹性 耐冲击 寿命长达15 20年以上 但价格是玻璃的5倍左右 温室覆盖材料使用的塑料薄膜有 PVC膜 最早应用 透光率高达90 柔韧轻质 价格便宜 PE 聚乙烯 膜 透光率高达90 柔韧轻质 价格便宜 寿命1 2年 PO 聚烯烃 膜 是聚乙烯和聚酯酸乙烯EVA多层复合 透光率 流滴性 耐久性 抗拉伸强度均优于PVC PE 寿命4 5年 二 温室常用结构形式及性能特点 1 单坡面温室屋脊东西向 坡面朝南 北面用砖墙承重 保温 在屋面设有苇箔 草帘保温 夏季竹帘遮阳 屋面用玻璃覆盖材料 透光 保温 抗风性能较好 一般跨度为6m左右 冬季管道煤火加温 主要用于北方冬季蔬菜或花卉越冬生产或早春提前育苗 单坡面玻璃温室 由于建造费用高 保温不足 在北方冬季不加温时 仍不能满足一般无土栽培作物生产要求 2 双坡面温室 双坡面及侧墙均为玻璃等硬质透光覆盖材料 主要特点是采光量大 通风效果良好 净空较高 栽培管理方便 缺点是散热面大 保温性差 主要用于南方科研蔬菜育苗或花卉越冬栽培 真正在大规模生产上使用得较少 双坡面温室示意图 双波面温室外观 3 连栋温室连栋温室造价低 占地省 保温性好 便于操作管理 但通风换气效果较差 必要时夏季增设湿帘风机降温 连栋温室根据屋脊走向有东西与南北向布置 南北向布置 虽透光率较东西向小7 左右 但屋脊 天沟等为活荫影 光照分布较均匀 一般南北向布置为多 二 日光温室具有透光与保温结构 靠日光能维持冬季蔬菜生产的温室 称为日光温室 应选择在背风向阳 无建筑物遮挡 无有害气体和粉尘污染的地方 坐北朝南 东西延长 日光温室后墙 除承重外 要有蓄热与隔热保温功能 优点 结构简单 便于建造 投资较省 采光性好 较普通连栋温室光照量高30 40 保温性好 夜间温差在不加温可达25 左右 面积适中 便于农户栽培管理 缺点 土地利用率低 管理不太方便 三 塑料大棚用塑料薄膜覆盖的拱形简易温室设施统称塑料大棚 其骨架有 竹木结构 钢筋焊接结构等 大棚一般没有加温设施 优点 结构简单 拆建方便 投资省 土地利用率高 四 防雨棚或遮阳网设施防雨棚 利用大棚骨架 仅覆盖顶幕防雨水冲击 四周边膜摘除通风降温 遮阳网 可使地面上下各20cm的气温 基质温度及叶温下降8 13 有效地减少了高温 强光的危害 第三节设施环境对作物生长的影响及其调控 一 光照及其调控技术 一 太阳辐射与光合有效辐射1 太阳辐射的光谱能量分布紫外光290 380nm 占7 可见光380 780nm 占47 红外光780 4000nm 占46 2 植物光合有效辐射反射 吸收及透射的比率因辐射波长 植物种类及叶龄而异 植物光合有效辐射波长在300 750nm内 也叫生理辐射 基本上是可见光部分 占太阳总辐射能的45 50 二 光照环境与作物生长1 光质与作物的生长紫外线 可见光和红外线对植物生长的影响不同 小于280nm的远紫外线 对植物有杀伤致死的作用 280 400nm的近紫外线对植物的生长有一定的抑制作用 但对Vc与花青素的形成有积极作用 蔬菜 花卉需要少量的近紫外线照射 可见光是光合作用的主要能源 700 2500nm的近红外线 植物体为避免高温的保护性反应几乎不能吸收 2 光照量与光合作用在一定的温度和CO2浓度下 在一定的辐照度范围内 光合强度随辐照度的增加而增加 到光饱和点时 光合强度趋于稳定 3 光周期对光照的基本要求 三 温室设施的光照条件1 覆盖材料的透光特性常用材料 玻璃 聚乙烯 PE 膜 聚氯乙烯 PVC 膜 聚碳酸酯 PC 单层波纹板或双层及三层中空板 PVC单层波纹板等 理想的覆盖材料应对300 750nm的辐射具有最大的透过能力 目前以玻璃最好 3 光照分布在一定的光照下 温室光照分布愈均匀 其阴影面积率及作物群体漏光损失愈小 则作物光能利用率愈高 散射性覆盖材料 使直射光分散到很大的立体角内 形成散射辐射 在保证一定总辐射下 散射光比率较高 对提高栽培床面光照分布均匀性与作物群体光能利用率是有益的 4 光周期光照时间自然光照能对植物光周期产生影响效应的一段时间 称为光周期光照时间 一般大于 等于22Lx的光照时间 即可对植物光周期产生影响效应 太阳高度角h 4 5 时的自然光照 就可以对植物光周期产生影响效应 四 光照调节与控制1 自然光照光合补光加装反射板 反射率为80 的镀铝膜制成 2 人工光照光合补光仅限于电光源一种 有荧光灯 钠灯 氙灯 植物效应灯 等3 人工光周期补光需要的照度较低4 光合遮光调节夏季强光 高温时 会使某些植物光合降低 或使一些荫生作物或幼苗产生 灼伤 现象 5 光周期遮光调节延长暗期 二 温度及其调控技术 一 温度与作物的生长1 温度对作物生长的影响光合的最适温度20 30 呼吸作用的最适温度35 45 根际最适温度15 20 根际温度和气温对植物的生长有一定的互补作用 当气温较低或较高时 仅仅确保根际温度在适宜的范围内 植物就能够生长得较为正常 2 适温与变温管理作物的物质生产总量 是由每天的物质生产累积起来的 温度对物质生产的影响 首先表现在温度对一日间光合作用 产物输送与呼吸消耗的综合影响 一日间温度管理的目的 增加光合作用的产物 促进产物的输送 贮藏和有效分配 抑制不必要的呼吸消耗 据研究 上午的光合产物约占全天的3 4 下午约占1 4 日本有人提出 将一天分为四个阶段 上午采取适当高于白天适温 以促进光合产物的形成 下午适当低于白天的适温 以节省能源 确保一定的光合强度及产物输送 前半夜适当高于夜温 以促进光合产物的输送和分配 后半夜适当低于夜间适温 以抑制呼吸消耗 二 温室设施的温度调节控制1 温室设施的温度特性与保温节能 1 温室效应温室覆盖材料可让绝大部分太阳短波辐射透入 阻止绝大部分长波辐射透出 能使温室蓄热升温与保温作用的特性 称为温室效应 2 温室设施的温度特性温室设施的温度随太阳辐射的变化而呈昼夜与季节的变化 一般密闭 土壤干燥 未供暖 单层覆盖温室 白天的室内气温可达室外气温的两倍以上 3 温室的保温与节能主要增加外围护结构的热阻 减小通风换气及冷风渗透 减小围护结构底部土壤的传热 方法 多层覆盖 内设保温幕帘 外设保温被 增加温室的密闭性等 2 温室加温热水加温 热风采暖与电热采暖 燃气辐射采暖等 3 温室通风降温a 当室温太高时 为了维持室温 就要进行降温 通过通风换气 设置湿帘风机降温系统对温室设施的温度条件进行必要的调节与控制 b 为了维持室内必要的CO2浓度 保持光合作用的正常进行 也需要进行换气 1 开窗自然换气 2 机械强制换气 3 湿 水 帘风机降温在密闭棚室的一面墙上安置风机 另一面墙上安装湿帘 利用水池 水泵 供回水管路构成水循环系统 使湿帘常处于湿润状态 当风机抽风时 通过湿帘内外压差 迫使较干燥的空气从多孔 湿润的湿帘穿过 液态水蒸发为蒸汽 从而降温 三 湿度及其调控技术 一 湿度与作物的生长发育1 湿度与蒸腾和光合作用相对湿度对光合作用的影响起间接作用 当空气湿度较低时 作物将部分关闭气孔开度来控制蒸腾量 造成CO2不足而减弱光合强度 2 湿度与作物的病害湿度过大 有利于病菌的繁殖 二 湿度环境的调节与控制1 除湿与降温调节 1 通风换气降温 2 加温降湿 3 地膜覆盖与控制灌水2 加湿调节如果室内相对湿度低于40 时 需要进行加湿 方法 湿帘风机系统加湿 可达到降温目的 还可使室内相对湿度保持在80 左右 四 温室设施空气环境的调控技术 一 空气环境与作物的发育1 气流速度空气流动会影响到植物的蒸腾 液温及对CO2的吸收 2 CO2浓度3 有害气体SO2 乙烯 氮氧化物 臭氧 氟化氢 氨 正丁酯 二 CO2肥源与施用1 CO2肥源的选择 酒精酿造业的副产品气态CO2 液态CO2或经加工而成的固态CO2 干冰 化学分解用强酸与碳酸盐作用释放出CO2 空气分离将空气低温液化蒸发分离出CO2 再低温压缩成液态CO2 炭素或碳氢化合物如煤 焦炭 煤油 液化石油气等通过充分燃烧生成CO2 利用有机物质如厩肥分解释放CO2 根据我国的能源与社会情况 选择CO2肥源必须考虑资源丰富 取材方便 成本低廉 纯净无害 设备简单和便于自控等 利用煤 焦炭 煤油 液化石油气等通过充分燃烧生成CO2 但仍需要脱硫 成本也较高 有单位研究开发的温室CO2增施装置 利用蜂窝煤燃烧的烟气 经碱液洗涤 去除硫化物与氮氧化物 获得了经济纯净的CO2气源 2 CO2施用技术 1 CO2施用场所与时期CO2是气态物质 易于逸散 施用场所局限于玻璃温室 塑料大棚等密闭性较好的设施中 以及蔬菜 花卉等经济效益较好的园艺作物 尤其在冬季密闭保温温室内 不易从大气补充CO2 在进行旺盛光合作用期间 CO2很低 所以要补充CO2 CO2施用的时期 应根据作物种类 栽培方式 作物长势及环境条件而定 叶菜 根菜类作物在前期施用较好 果菜类作物为避免茎叶过于繁茂 应在光合产物的受体 库 的能力变强时 即雌花着生 开花结果期 CO2吸收量急剧增加时施用为宜 2 CO2施用时间在一天之中 一般作物上午的光合产物占全天的3 4 下午仅占1 4 人们对黄瓜试验发现 上午施用的CO2在果实 根中的分配比率较高 下午施用时 在叶内积累较多 除促使枝叶过于繁茂外 还可能造成叶片内淀粉积累而早衰 因此 一天中CO2的施用时间 在日出后1h开始为宜 一般在上午换气之前30min停止施用较为经济 3 施用浓度与施用量CO2施用浓度一般应在CO2饱和点以下 1 5 3 5g m3的浓度范围较适宜 4 CO2施肥的效果 试验表明 使用CO2后的早期产量和总产量均增加了 尤其是早期产量增加的更为显著 如果在高室温条件下长期施用CO2 则加速了植株早衰老化 产量下降 五 综合环境调节与管理仅依靠人的经验 智慧与能力进行的综合环境调节和管理 是初级阶段的综合环境管理 所以除了要借助仪器 设备 装置随时掌握多种环境作物的变化情况 决定随时采取必要的温度 光照 湿度 营养液施用等调节控制与管理外 还应根据生产资料 成本 市场与产品价格及劳力资金情况统筹计划 调节上市期与上市量 以获得较高的收益 现代温室设施的综合环境管理 包括综合环境因子与生物信息的自动采集 处理 显示 存储 温度 光照 营养液配方等优化综合环境的调节与管理 异常情况的紧急处理与报警等 第四节植物工厂 21世纪的农业生产技术 一 植物工厂的定义指利用现代化农业栽培 生物工程 材料科学 计算机等先进的技术在一个像工厂厂房一样的密闭的空间中 配合电脑调控设施进行作物种植的生产方式 植物工厂内的光照 温度 湿度 氧气 CO2以及水分和养分的供应均可以根据作物的种类和不同的生长时期进行自动检测和调控 使得作物的生长过程不受环境的影响 产品的产量和质量得以大幅度的提高 二 植物工厂的意义和特征植物工厂内种植作物的都是采用无土栽培技术来进行的 而且绝大部分是采用营养液栽培的形式 所以能对作物的养分和水分进行有效的 精确的调控 而且没有连作障碍 产品清洁卫生 而如果采用土壤栽培或是基质栽培 则无法做到 植物工厂借助电脑和其它的一些设施使得厂房内植物生长的环境可控制在植物生长的最适范围之内 同时厂房的内外相互隔绝 病虫害无法入侵 不需要或很少需要施用农药 是植物种植的最高层次 是一种人类战胜大自然的最高体现 植物工厂的特征 1 作物生长具有很强的计划性 周年生产的均衡性和产量的稳定性 2 叶菜类作物的生育期短 果菜类的始收期提早 收获期延长 产量高 产值也高 3 机械化和自动化程度高 较大程度上摆脱了繁重的体力劳动 劳动强度大大降低 工作环境较为轻松 4 产品不施用农药 清洁卫生