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34 GREENHOUSE HOR TICULTURE 温室管理 植物工厂系列谈 七 植物工厂光照和温度调控 杨其长 张成波 植物工厂是在高精度环境控制的封闭或 半封闭生长空间内进行植物周年生产的系 统 在系统内需要为对象作物提供适宜的生 长环境 这些环境因子包括 光照 光强 光 质和光照时数 温度 湿度 C O 2浓度 风 速以及营养液的p H E C 肥料成分 溶氧 量 液温 流速等 对植物工厂进行环境优 化控制 最根本的是要明确作物光合作用 产物积累 转流分配 发育和呼吸等生理过 程与环境因子之间的关系 综合考虑各环境因 子的复合作用效果 选择运行成本低 效果好 的调控手段进行优化控制 以达到理想的控制 效果 这里 主要对植物工厂的光照 温度调 节作重点介绍 光环境调控技术 光照是作物生命活动的能量源泉 又是 某些作物完成生命周期的重要信息 无论是 弱光 短日照或强光 长日照都可能成为某 些作物生长 发育的限制因子 因此 对植 物工厂内的光照环境进行调节控制是十分必 要的 光照环境的调节 是根据作物的种类及生 育阶段 通过一定的措施 调节光照条件 创 造良好的光照环境 以提高作物的光合效率 补光调节 光合补光 在高纬度地区或连阴天 造成光强和光 照时数不足 或整体作物具有较高的光照强 度要求时 进行光合补光是必要的 利用人工光源补充照明是行之有效的方 法 目前使用的人工光源仅限于电光源一种 通常使用高压钠灯 H I D 进行补光 由于成 本太高 大面积应用还难以做到 但在蔬菜育 苗工厂中应用则较为经济且能育出壮苗 光周期补光 对于光周期敏感的作物 特别是在光周 期的临界期 当暗期过长而影响作物的生长 发育时 应对作物进行人工光周期补光 光 周期补光是作为调节生长发育的信息提供 的 需用的光照度较低 一般为2 2 L x 左右 补光时间因植物种类 天气状况 地理条件 而变化 为抑制短日照植物开花 一般在早 晚补光4 h 使暗期短于7 h 也可进行深夜间 断暗期补光2 5 h 间断暗期也能起到早晚 补光 抑制短日照植物开花的效果 遮光调节 光合遮阳 光合遮阳主要目的是降温和减弱光照强 度 四周不需严密搭接 也叫部分遮阳 目 前 生产上比较实用的遮阳方法是采用黑纱 网 无纺布或缀铝遮阳网进行内遮阳或外遮 阳 对于玻璃温室 还可在玻璃表面上刷一层 白灰或玻璃表面喷水 达到遮阳降温的效果 光周期遮光 光周期遮光的目的是延长暗期 保证短 日照作物对最低连续暗期的要求 这种方法 多用于进行花期调控 延长暗期要保证光照 强度低于临界光周期强度 约2 2 L x 以下 通 常采用黑布或黑色薄膜在作物顶部和四周严 密覆盖 因而光周期遮光又叫完全遮光 在 遮光期间 应加强通风 防止黑膜下面出现 高温高湿 危害植株 人工光源的选择及室内光源布置 早期的人工光选择多是在生长室内组合 使用大量的荧光灯与少量的白炽灯 有时则 根据不同的研究用途分别选择使用高压水银 灯或氙气灯 后来又采用卤化金属灯 而在 植物工厂里多用高效率的高压钠灯 同时 L E D 发光二极管 和L D 激光灯 等新光 源也在进一步研究与开发之中 人工光源的选择依据 人工光源的选择取决于不同的使用目 的 选择时应遵循合理和经济的原则 在选 择和设计光照系统时需要考虑许多要素 其 中包括 作物对光的响应 其他环境因素的 影响 作物对光照度 光照时间和光谱成分 的要求 可产生最佳效果的光源 最均匀光 照系统的设计 系统的投资及运行费用等 在设计人工光照时 应考虑光谱能量 尽量选择发射光谱与需用光谱接近的产品 必要时再考虑应用多种光源组合 考虑光源 强度时 既要使多组灯组合具有一定的调节 余地 又要尽量不增加灯具设置和更新投 资 另外 选择人工光源时 还要考虑光源 的热负荷 一般情况下 人工光源采用红外 和远红外光的比例较大 因此相当多的能量 以热效应方式传递到温室环境中 能耗很 大 同时所产生的热效应给控制过程造成许 多不利影响 所以在选择人工光源时 一定 要充分考虑光源的发光效率 常用人工光源 白炽灯 从光谱来看 白炽灯的辐射能主 要是红外线 可见光所占比例很小 白炽灯 发光效率很低 约1 0 2 0 l m W 目前 常 用的白炽灯为4 0 1 0 0 W 一般只作为辅助 光源应用 荧光灯 是一种低压气体放电灯 内壁涂 有荧光粉 通过改变荧光粉的成分可获得不 同的可见光谱 荧光灯光谱性能好 发光性 能较好 约6 5 l m W 使用寿命长 是现有 电光源中最成功 使用最广泛的一种 由于 荧光灯提供线光源 一般可获得更均匀的光 照 主要缺点是单灯功率小 一般为3 1 2 5 W 多用于光周期补光 金属卤化物灯 一种新型光源 具有发光 效率高 约1 0 0 l m W 光色好 寿命长和输 出功率大等特点 是目前高强度人工光照的 主要光源 作物生产中常用的是4 0 0 W 和 1 0 0 0 W 两种规格 安装灯具时应同时考虑设 置反光罩 使光照更均匀 光照强度更大 高压钠灯和低压钠灯 高压钠灯性能类似 金属卤化物灯 寿命约2 4 0 0 0 h 广泛用于蔬 菜及花卉的光合补光 低压钠灯是一种很特 殊的光源 只有5 8 9 n m 的发射波长 在电光 源中的发光效率最高 由于产热量小 低压 钠灯与高压钠灯可以更加接近作物 GR EENHOU SE HOR TICULTURE 35 L E D 光源 L E D 的光谱域宽在 2 0 n m 左 右 波长正好与植物光合作用和形态建成的 光谱范围吻合 近年来 G a A I A s 的红色L E D 6 6 0 n m 的发光效率达到了2 2 以上 G a N 的蓝色L E D 4 1 0 n m 和4 7 0 n m 的发光效率 也达到了8 以上 把发蓝色光的I n G a N 半 导体和发黄绿光的Y A G Y t t r i u m A l u m i n u m G a r n e t 合成一体化的白色L E D 的价格也在 不断降低 P P F 设置为1 5 0 m o l m 2 s 1 R B 比为5 1 0 2 0 的L E D 和金属卤化物灯 的对照试验相比 R B 比为1 0 的L E D 光源的 植物产量无论从干物重还是品质来讲都比金 属卤化物灯要好 L E D 的使用寿命一般在 5 0 0 0 0 h 以上 发光效率高 发热少 实现了 低热负荷和生产空间小型化 同时 脉冲发 光也有利于植物的光合作用 因此 以现在 普遍推广的高压钠灯1 8 元人民币 W 的使用 成本推算 即使是L E D 光源比高压钠灯贵上 1 0 倍也是有可能推广应用的 由于蓝色L E D 成本还比较高 L E D 光源的大规模推广应用 还需要一段时间 L D 光源 激光的发光效率较高 且激光 设备的发光光谱与植物光合作用的叶绿素吸 收光谱基本一致 单纯从植物的光合作用来 讲 激光的单色性与直向性对植物生长不 利 但激光光源具有体积小 重量轻 低电 压 脉冲发光 干涉性好 寿命长等优点 再 加上它功率高 发光效率好 可以用电流直 接调节 功率为3 m W的 A l G a A s系 L D 6 5 0 n m 的价格逐渐降低 G a N 的蓝色L D 4 1 0 n m 和4 1 7 n m 也可以在室温下连续工 作 只是蓝色L D 的功率和寿命还没有达到植 物生产要求的水平 最近 使用工作在 8 6 0 n m 附近的A l G a A s 的激光可发出4 3 0 n m 附近的蓝色光 工作在9 0 0 n m附近的 A l G a A s 的激光可发出 4 5 0 n m 附近的蓝色 光 这些激光的发光效率均在6 0 左右 连 续脉冲输出可达到数十毫瓦 日本东海大学 的高 正基教授和大阪大学的中山正宣教授 早在1 9 9 4 年就提倡使用激光作为植物工厂 的照明光源 用波长为6 6 0 n m 的红色L D 加 上5 的蓝色L E D 的组合光源来生产生菜和 水稻已经收到了很好的效果 L D 在植物工厂 的实用化不仅可以解决2 1 世纪的粮食不足 问题 而且连能源和资源不足的问题也会迎刃 而解 需要注意的是 从使用成本的角度来 看 L D 光源面临着与L E D 光源的价格竞争 光源布置 在设计一个有效的光照系统时有许多 影响因素 灯的布置取决于作物 光照度 温室高度 灯的大小等 离开灯一定距离 的某点上的光照度与此距离的平方成反 比 在设置灯的位置时 灯与作物之间的 距离是影响种植区域辐照度和光分布的一 项重要因素 温室中反映光照均匀程度的 参数为照度均匀率 即室内最小照度与最 大照度之比 为保证作物生长均匀 照度 均匀率推荐值应 0 7 温度环境及其控制技术 温度和植物生长的关系密切 温度对作 物的重要性在于必须在一定的温度条件下 作物才能进行体内生理活动及其生化反应 植物工厂内外热收支 除人工光利用型植物工厂外 其他类型 的植物工厂都是一个半封闭的热力系统 它 随时受到室内外诸多扰量的影响 其中 室 外扰量有 室外空气温度 湿度 太阳辐射 强度 风速 风向等 室内扰量包括采暖系 统 照明及其他设备的散热 作物及栽培床 的散热 散湿等 在这些扰量作用下 室内 的空气始终保持着热平衡 室内热环境控制就是通过一定的工程措 施 人为地调节室内与外界环境之间的热量 变化 使温度维持在作物生长需要的水平 当室内空气得热量大于失热量时 温度升 高 反之 温度降低 夏季外界气温较高 为 了防止室内温度过高 应尽量减少室内得热 量 增加散热量 遮阳 通风 蒸发降温等 都是降低室温的常用方法 冬季室外气温较 低 室内外温差大 为了保持室温 应尽量 减少失热量 增加得热量 采取保温节能措 施 必要时启用采暖设备是保证植物工厂冬 季正常运转的基本条件 植物工厂内的气温和栽培床基质 或营 养液 的温度对作物的光合作用 呼吸作用 光合产物的输送 根系的生长以及水分和养 分的吸收均有着显著的影响 植物工厂内的温度调节与控制 温度对作物的生长发育 产量 品质影响极 大 温度控制的目的是维持作物生长发育过程 的动态适温 温度控制的主要内容和技术如下 加温 供暖系统一般由热源 热媒管道和散热器 等组成 热源有石化燃料 煤 石油 天然气 电 余热及地热等 热媒有热水 热风 蒸汽 采暖系统的选择应综合考虑种植空间的大小 结构 种植方式和生产的经济效益等 热水供暖 植物工厂一般采用热水供暖系 统集中供暖 热水供暖系统由热水锅炉 供 热管道和散热器等组成 一般采用低温热水 供暖 供 回水温度分别为9 5 和7 0 由于热水采暖系统的锅炉与散热器垂直高差 较小 3 m 因此 一般不采用重力循环 的方式 而采用机械循环的方式 即在回水 总管上安装循环水泵 在系统管道和散热器 的连接上采用单管式或双管式 根据室内湿 度高的特点 多用热浸镀锌圆翼型散热器 散 热面积大 防腐性能好 散热器一般布置在作 物层附近或栽培床下 散热器的规格和长度的 确定要以满足供暖设计热负荷要求为原则 在 室内均匀布置以期获得一致的温度分布 地上部加热 地上部加温主要由热源 空 气换热器 风机及送风管道等组成 根据热 源的不同 可以分为燃煤式 燃油式 燃气 式和电热式 常用的是燃煤和燃油式 地下部加温 地下部加热是对营养液或基 质进行加热 目的是使作物根部保持正常生 长温度 主要方法有 水培时对营养液加 温 即采用热水加温 管道的方式 基 质栽培时采用热水管道或电热线加温方式 通风换气 通风换气不仅能排除室内多余的热量降低 室温 而且还能排出多余水汽调节空气湿度 温室夏秋季通风主要是为了抑制高温 而冬季 换气则是调节室内空气湿度 补充C O 2 等 通风方式有自然通风和强制通风两种 自然通风是利用室内外温差造成热压或自然 风力造成的风压促使空气流动 而强制通风 则是依靠风机机械旋转动力造成室内外空气 压力差 实现室内外空气间的流动 自然通风 在太阳光利用型和太阳光人工 光并用型植物工厂里 自然通风是常用的通 风方式 它适用于高温 高湿季节的全面通 风 在其他情况下 有时也可采用这种方式 自然通风的必要条件是温室设有换气窗 从热压的角度看 进出气窗的垂直高差越大 空气重力压差就越大 通风效果越好 因此 屋脊和侧墙都设置通风口的温室 其通风效率 最为显著 只设置侧墙通风口或屋面通风口的 温室都难以获得良好的通风 从风压作用的角 36 GREENHOUSE HOR TICULTURE 度看 应充分考虑当地夏秋季的主导风向 将 进气窗设置在迎风面 而排气窗设置在背风面 或侧面 有关通风口的大小 一般来说屋面通 风口面积应达到温室地面面积的1 5 2 0 迎风向侧墙通风口面积最小为一个屋面通风口 的面积 大型连栋温室迎风向侧墙通风口面积 应大于地面面积的3 植物工厂开窗多采用齿轮齿条传动系统 强制通风 强制通风是依靠风机旋转动力 促使空气流动而形成的通风换气方式 与自 然通风相比 它可以更有效地控制室内温 度 湿度及C O 2浓度 是温室环境控制的重 要手段 人工光利用型植物工厂多采用这种 方式 而太阳光利用型和太阳光人工光并用 型植物工厂则是在必要时才采用 根据温室内空气压力状态的不同 强制 通风的方式可以分为负压通风 正压通风及 等压通风三种 负压通风又称排气式通风 它是利用风机 将温室内的空气强制性地排出室外 使室内空 气压力小于室外空气压力 室外空气能通过进 气口进入室内 形成室内外空气的交换 负压 通风比较简单 投资少 管理方便 是温室强 制通风中应用最广泛的方式 它可与湿帘降 温 细雾降温等配合使用 实现温室盛夏季节 的降温 正压通风又称进气式通风 它是利用 鼓风机强制性地将室外空气送入室内 使温室 内空气压力大于室外空气压力 室内空气能通 过排气口流出室外 形成室内外空气的变换 正压通风结构复杂 管理费用高 但便于对进 入室内的空气进行加热 冷却等预处理 如温 室冬季采用的热风炉管道加热系统 小型温室 夏季采用的湿帘冷风机都是利用了这一原理 等压通风又称进排气式通风 同时采用机械送 风和排风 功能可靠 但投资及运行费用都很 高 目前极少采用 自然通风与强制通风各有优缺点 自然 通风的最大优点是造价及能耗低 也不存在 温室长度对通风的限制 缺点是对外界风速 和风向的依赖性强 对室内气温的降低也有 很大的局限 强制通风的优点是可以根据气 候变化比较准确地调节温室通风量 还可以 结合喷雾 湿帘对温室进行蒸发降温 缺点 是增加投资和运行费用 循环通风 近年来 温室环境的均匀性越 来越受到重视 尤其在冬季 温室通风换气 少 气密性强 往往会导致温室内温度分布 不均匀 采用循环通风 可以促使冷热空气 混合 消除温室内的冷 热点 在作物附近 产生气流 降低叶面湿度 保持良好的叶面 微环境 为使作物层获得较为一致的环境 可 以采用小的循环风机创造较缓和的水平气流 总的风机容量为每分钟排出约占温室总容积 2 5 的空气 风机安装高度不低于2 1 m 温 室宽度每增加1 5 m 要增加一排风机 室内循环通风还可以采用悬挂于温室上部 的开口塑料管 封闭一端 另一端与压力型风 机相连 风机运转时将压力高于室内空气的气 体送入管道内 管内气体以射流的形式进入温 室空气中 在整个温室内产生混合完全的紊动 气流 使得温室内温 湿度分布均匀 管道的 高度不高于2 4 m 这种空气循环方式可以和 温室热风炉采暖结合起来加温效果更好 降温 随着植物工厂的周年利用 夏季降温是 一个需要解决的问题 实现植 物工厂内夏季降温 技术要求 较高 为了保证室内气温维持 在作物生长发育的适温范围 需强制排除室内的热量 人工光利用型植物工厂的 降温控制 人工光利用型植物 工厂属于封闭式结构 屋顶和 覆盖材料的隔热性能好 室外 温度对室内的影响不大 但 是 在夏季高温时 从栽培床 构造物等释放出来的热量和从 室外传导进来的热量都能提高 室内的温度 因此 必须采取降温措施 以保 持植物生长所需的温度 降温一般采用热力泵冷冻机制冷系统 太阳光利用型与太阳光人工光并用型植 物工厂的降温控制 这两种类型的植物工厂采用的覆盖材料多 是玻璃或P C 板 氟素薄膜等 易受外界环境的 影响 夏季高温时 单纯使用换气窗 换气风 扇等措施降温已难以奏效 必须采用其他措施 为了降低运行成本一般不使用热力泵冷 冻机 而是使用价廉的降温措施 主要包括 遮阳降温 方法有外遮阳和内遮阳两种 外遮阳是将遮阳网安装在骨