南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)設施工程學第七章

第七章

溫室環(huán)境檢測與調(diào)控器主要內(nèi)容

第一節(jié)溫室環(huán)境因素及其特性第二節(jié)環(huán)境信息傳感器與控制器綜述第三節(jié)光照環(huán)境的檢測與調(diào)控器第四節(jié)溫度環(huán)境的檢測與調(diào)控器第五節(jié)濕度環(huán)境的檢測與調(diào)控器第六節(jié)空氣環(huán)境的檢測與調(diào)控器第七節(jié)植物根圈環(huán)境的檢測與調(diào)控器第一節(jié)溫室環(huán)境因素及其特性環(huán)境：對生物的生長發(fā)育和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化具有直接作用的主要環(huán)境因素。由空氣溫度、濕度、熱輻射、空氣與水的流動等因素所構成的環(huán)境稱為熱環(huán)境。主要包括對農(nóng)業(yè)栽培植物生長發(fā)育有害的CO、H2S、SO2、NH3等成分。物理環(huán)境生物周圍的溫度、光照和熱輻射、空氣和水的運動狀態(tài)化學環(huán)境生物周圍的空氣、土壤和水中的化學物質(zhì)成分組成環(huán)境對農(nóng)業(yè)生物的影響：

環(huán)境影響農(nóng)業(yè)生物的生長發(fā)育，決定其產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。影響因素可以概括為遺傳和環(huán)境兩個方面。遺傳決定生物生長發(fā)育、產(chǎn)量高低和產(chǎn)品品質(zhì)等方面的潛在能力。環(huán)境決定生物的遺傳潛力能否實現(xiàn)或在多大程度上得以實現(xiàn)。所以，研究與學習環(huán)境與生物之間的相互關系是十分重要的。一、溫室的光環(huán)境及其特性光在溫室中發(fā)揮的機能2.光還和植物的花、芽等作物器官的形成關系密切，要調(diào)控作物的形態(tài)建成，光照日長和入射光譜等的調(diào)節(jié)就是關鍵。1.光是溫室作物進行光合作用、形成溫室內(nèi)溫度、濕度環(huán)境條件的能源。3.調(diào)節(jié)與作物器官(如花瓣、果實等)的色素表達關系密切的紫外線，也是入射光光譜調(diào)節(jié)的一種方式。溫室內(nèi)的光照環(huán)境不同于露地，其光照條件受溫室方位、骨架結構，透光屋面形狀、大小和角度，覆蓋材料特性及其潔凈程度等多種因素的影響。溫室內(nèi)的光照環(huán)境除了等方面影響園藝作物生長發(fā)育之外，還要考慮室內(nèi)對其生長發(fā)育的影響。光照強度、光照時數(shù)、光的組成(光質(zhì))光的分布均勻性影響溫室內(nèi)光照強度的因素主要有:粉塵污染，透明覆蓋材料的透光率薄膜水滴的光照折射率

粉塵污染薄膜老化

光的入射角連棟溫室與單棟溫室比較，采光面積比(采光面積與床面積之比)相應減少，結構遮陽增加。因此采光條件略低于單棟溫室。一般連棟溫室的平均透光率為50％～60％。不同季節(jié)和溫室的朝向?qū)B棟溫室的光照影響是很明顯的，冬天，東西棟向的連棟溫室直射光日總量床面的平均透光率比南北棟向的大5％～25％(平均約為7％)。溫室的跨數(shù)越少或溫室的長度越長，溫室朝向?qū)庹盏挠绊懺斤@著，2．光照時數(shù)

溫室內(nèi)的光照時數(shù)會受到溫室類型的影響。

塑料大棚和大型連棟溫室，因全面透光，無外覆蓋，溫室內(nèi)的光照時數(shù)與露地基本相同。

但日光溫室等單屋面溫室內(nèi)的光照時數(shù)一般比露地要短。在寒冷季節(jié)，為防寒需保溫覆蓋，其保溫被、草簾揭蓋時間會直接影響溫室內(nèi)受光時數(shù)。在寒冷的冬季或早春，一般在日出后才揭簾，而在日落前或剛剛?cè)章渚托枭w上，1d內(nèi)作物受光時間不足7～8h，在高緯度地區(qū)冬季甚至不足6h。3．光質(zhì)

溫室內(nèi)光譜組成(光質(zhì))與自然光不同，其與透明覆蓋材料的性質(zhì)有關。光線需透過玻璃、塑料薄膜或硬質(zhì)塑料等采光材料后才進入到溫室內(nèi)，其中紫外線和紅外線的入射量受玻璃等影響透入很少，或基本不透入。

覆蓋材料主要影響的是380nm以下紫外光的透光率，雖然有一些塑料膜可以透過310～380nm的紫外光，但大多數(shù)覆蓋材料不能透過波長310nm以下的紫外光。而紫外線對動植物的許多病原菌有很強的抑制作用，對植物的果實有很好的促進作用，缺少紫外線對防御動植物各種病害和植物果實著色不利。

此外，覆蓋材料還可以影響紅光和遠紅光的比例，缺少紅外線影響棚室內(nèi)溫度升高，作物得不到足夠的地溫和氣溫，根系的吸收能力和地上部分物質(zhì)的合成、運轉(zhuǎn)、積累都會受到抑制，也不能進行正常生育。4．光分布露地栽培作物在自然光下生長，光分布是均勻的，溫室內(nèi)則不然。由于構架結構材料和保溫墻壁的影響，會產(chǎn)生不均勻的光分布。

據(jù)測定，日光溫室栽培床上前、中、后排的黃瓜產(chǎn)量有很大的差異，前排光照條件好，產(chǎn)量最高，中排次之，后排最低。

連棟溫室內(nèi)的光照，不會像日光溫室出現(xiàn)山墻遮陰等情況，在水平分布方向上差異不明顯，所以，連棟溫室光照條件遠比日光溫室要好。另外，溫室內(nèi)不同部位的地面，距屋面的遠近不同，光照條件也不同。二、溫室熱環(huán)境及其特性

溫度是影響農(nóng)業(yè)生物生長發(fā)育的最重要的環(huán)境因子，它影響著生物體內(nèi)一切生理變化，是生物生命活動最基本的要素。溫度環(huán)境包括氣溫和地溫。

氣溫即溫室內(nèi)空氣的溫度;

地溫是指溫室內(nèi)地面表層土壤的溫度。氣溫的季節(jié)變化

日光溫室內(nèi)的冬季天數(shù)可比露地縮短3～5個月，夏天可延長2～3個月，春秋季也可延長20～30d。連棟溫室內(nèi)的氣溫變化是隨外界的日溫及季節(jié)氣溫變化而改變。3月中下旬室內(nèi)平均氣溫可以達到10℃左右，最高氣溫可達15～38℃，比露地高2．5～15℃，最低氣溫0～3℃

，比露地高1～2℃。3月中旬到4月下旬，室內(nèi)平均溫度在15℃以上，最高可達40℃左右，內(nèi)外溫差達6～20。C。5～6月室內(nèi)溫度可高達50℃，如不及時通風，室內(nèi)易產(chǎn)生高溫危害。7～8月外界氣溫最高，室內(nèi)隨時會發(fā)生高溫危害，因此要晝夜通風和全量通風。通風后室內(nèi)溫度與露地沒有顯著差異。

9月中旬到10月中旬溫度逐漸下降，但室內(nèi)氣溫仍可達到30℃，夜間10～18℃；10月下旬到11月上中旬室內(nèi)最高溫度在20。C左右，夜溫降至3～8℃。11月中下旬逐漸降到0℃，若不采取室內(nèi)加溫措施，以后室內(nèi)將長期出現(xiàn)霜凍。12月下旬到1月下旬，室內(nèi)氣溫最低，旬平均氣溫多在0℃以下。2月上旬至3月中下旬室內(nèi)氣溫逐漸回升，2月下旬以后，室溫回升日趨顯著，旬平均氣溫可達10℃以上。(2)氣溫的日變化春季不加溫溫室氣溫日變化規(guī)律，其最高與最低氣溫出現(xiàn)的時間略遲于露地，但室內(nèi)日溫差要顯著大于露地。中國北方的節(jié)能型El光溫室，由于采光、保溫性好，冬季日溫差高達15～30，在北緯40。左右地區(qū)不加溫或基本不加溫下能生產(chǎn)出黃瓜等喜溫果菜。(3)“逆溫”現(xiàn)象

通常溫室內(nèi)溫度都高于外界，但在無多重覆蓋(保溫覆蓋)的塑料拱棚、日光溫室中，在有風時、日落后降溫速度往往比露地快，常常出現(xiàn)室內(nèi)氣溫反而低于室外氣溫1～2℃的現(xiàn)象，稱“逆溫”現(xiàn)象。2．地溫土壤是農(nóng)業(yè)生物賴以生存的基礎，也是溫室熱量的主要儲藏之處。

白天陽光照射地面，土壤把光能轉(zhuǎn)換為熱能，一方面以長波輻射的形式散向溫室空間，一方面以傳導的方式把地面的熱量傳向土壤的深層。

晚間，當沒有外來熱量補給時，土壤貯熱是日光溫室的主要熱量來源。土壤溫度垂直變化表現(xiàn)為晴天的白天上高下低，夜間或陰天為下高上低，這一溫度的梯度變化表明了在不同時間和條件下熱量的流向。溫室的地溫升降主要是在0～20cm的土層里。水平方向上的地溫變化在溫室的進口處和溫室的前部變化最大。

地溫不足是日光溫室冬季生產(chǎn)存在的普遍問題，提高1℃地溫相當于增加2℃氣溫的效果。冬季夜間室內(nèi)氣溫在15～16℃時，地下10cm處的地溫為12~14℃。春季不加溫時，地溫最低維持在9~16℃，最高可達20℃。初冬季節(jié)地溫在13～15℃。室內(nèi)地溫分布比較均勻，南北地溫溫差為0.5～1℃。3．地溫與氣溫的關系

夜晚日光溫室中的空氣溫度主要是靠地中熱量來提升的，有足夠的地中熱量和墻體熱量就可以保持較高的空氣溫度。地、氣溫的協(xié)調(diào)是日光溫室優(yōu)于加溫溫室的一個顯著特點。土壤的熱容量明顯比空氣大。晴天的白天，在溫室不放風或放風量不大的情況下，氣溫始終比地溫高。夜間，一般都是地溫高于氣溫。早晨揭簾前是溫室一日之中地溫和氣溫最低的時間。

日光溫室最低地、氣溫的差距因天氣情況而有差別：在連續(xù)晴天的情況下，最低地溫始終比氣溫高5～6℃；連陰天時，隨著連陰天的持續(xù)，地、氣溫的差距越來越小，直到最后只有2～3℃或更小。連陰天氣溫雖然沒有達到可能使植株受害的程度，但地溫卻有可能降到使根系無法忍受以至受到傷害的程度。三、溫室水分環(huán)境及其特性

水是農(nóng)業(yè)的命脈，也是農(nóng)業(yè)生物體的基本組成部分，一般溫室作物的含水率高達80％～95％。溫室作物的一切生命活動如光合作用、呼吸作用及蒸騰作用等均在水的參與下進行?？諝鉂穸群屯寥罎穸裙餐瑯嫵稍O施作物的水分環(huán)境，影響設施作物的生長發(fā)育。1．空氣濕度(1)濕度值室內(nèi)濕度一般要高于露地。露地空氣的相對濕度一般只是在降雨后或清晨很短的時段能達飽和狀態(tài)，而在溫室里，由于氣溫高，通風差，土壤水分蒸發(fā)和植物葉面的蒸加騰，溫室內(nèi)的空氣濕度通常比較高，白天一般為70％～90％，夜間空氣的相對濕度經(jīng)常在90％以上或100％的飽和狀態(tài)，溫室內(nèi)空氣的絕對濕度比外界空氣的絕對濕度要高出5倍以上?？諝鉂穸却笫菧厥噎h(huán)境的一個顯著特點。如溫室內(nèi)每天的平均空氣相對濕度均在90％左右，濕度是相當高的。產(chǎn)生濕度大的原因主要是：

（1）溫室屬于準閉鎖系統(tǒng)，室內(nèi)外的空氣交換受到抑制，特別是寒冷季節(jié)的夜晚。為了保溫不通風，常出現(xiàn)90％～100％的高濕；（2）溫室內(nèi)壁面、屋面、窗簾內(nèi)面結露滴在作物體上，形成水滴；作物體本身的結露、吐水等；（3）白天室內(nèi)溫度高、土壤蒸發(fā)和作物蒸騰大而水汽又不易逸散；室內(nèi)霧靄的發(fā)生，散落在作物體上。溫室內(nèi)相對濕度的日變化也很大，尤其是塑料大棚，其變幅可達到20％～40％。濕度的晝夜變化，與氣溫的日變化呈相反的趨勢。夜間，室內(nèi)維持較高的濕度，有時濕空氣遇冷后凝結成水滴附著在薄膜或玻璃的內(nèi)表面上，或出現(xiàn)霧靄。日出后，室內(nèi)溫度升高，濕度逐漸下降。溫室內(nèi)空氣濕度的日變化受天氣、加溫和通風換氣量的影響，陰天或灌水后的濕度幾乎都在90%以上，同時，還與設施的大小、結構、土壤干濕等有關。

空氣中水汽質(zhì)量一定時，溫度越高飽和蒸汽壓越大，空氣的相對濕度就越小。因此，提高室溫，可以適當降低空氣的相對濕度。溫室的空氣濕度在澆水后最大，以后隨著時間的推移降低。(2)濕度差晝夜相對濕度變化大。溫室內(nèi)溫度晝夜會發(fā)生大幅變化，空氣的相對濕度隨溫度的變動而變化。一般晴天中午前后氣溫高，空氣相對濕度就低，空氣干燥；夜晚溫度低，空氣相對濕度高，即使是晴天的夜晚，其相對濕度也常達90％以上，且持續(xù)8～9h以上。2．土壤濕度

由于覆蓋材料將溫室空間和地面與大氣層隔離，溫室土壤的耕作層不能依靠降雨來補充水分，故土壤濕度只能由灌水量、土壤毛細管上升水量、土壤蒸發(fā)量以及作物蒸騰量的大小來決定。與露地相比溫室的土壤蒸發(fā)和植物蒸騰量小，不易隨大氣運動而流失，其土壤濕度比露地高。溫室生產(chǎn)期間的土壤水分主要依賴于人工灌溉。因而，土壤的淋溶很少，土壤的積鹽比較嚴重。土壤蒸發(fā)出來的水分受到覆蓋材料的限制，較少逸散到大氣中，所以生產(chǎn)相同的產(chǎn)量時，比露地用水量要少。水汽在覆蓋材料內(nèi)壁上凝結后，水滴會受覆蓋材料彎曲度的限制而經(jīng)常滴落到相對固定的地方，因而就造成溫室土壤水分的相對不均勻性，這種情況在冬季澆水較少時表現(xiàn)更為突出。土壤深層的水分沿毛細管上升到地表，棚膜上大量凝結水又滴落到土壤表面，容易使土壤的表面形成泥濘狀態(tài)，這往往容易給人們一種土壤不缺水的假象，實際挖開表土即可見到土壤早已干旱了。冬季澆水時，澆水直接影響到土壤的溫度，而地溫低又是溫室冬季生產(chǎn)的一大難題，所以，溫室澆水必須注意水質(zhì)、水溫和澆水的時間。3．溫室內(nèi)土壤水分收支

設施內(nèi)由于降水被阻截，空氣交換受到抑制，溫室內(nèi)的水分收支與露地不同。其收支關系可用下式表示：

Ir+G+C=ET+Δω

式中：Ir為灌水量，mm；

G為地下水補給量，mm；

C為凝結水量，mm；

ET為土壤蒸發(fā)與作物蒸發(fā)，即蒸散量，mm

Δω為土壤水分的變化量，mm。

設施內(nèi)的蒸騰量與蒸發(fā)量均為露地的70％左右，甚至更小。據(jù)測定，太陽輻射較強時，平均El蒸散量為2～3mm，可見設施農(nóng)業(yè)是一種節(jié)水型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。設施內(nèi)的水分收支狀況決定了土壤濕度，而土壤濕度直接影響到作物根系對水分、養(yǎng)分的吸收，進而影響到作物的生育、產(chǎn)量和品質(zhì)。四、溫室氣體環(huán)境及其特性

在自然狀態(tài)下生長發(fā)育的農(nóng)作物與大氣中的氣體關系密切。二氧化碳(CO2)是作物進行光合作用的必需原料，氧氣則是作物有氧呼吸的前提。因而CO2和氧氣(O2)對作物生長發(fā)育有著重要的作用，如果大氣中這兩種氣體的含量發(fā)生變化，必然影響到作物的播種、生育及成熟的一系列過程。與此同時，空氣中的有害氣體雖然含量甚微，但它們的存在仍有可能對農(nóng)作物造成不可逆的負作用，因此，必須了解并掌握這些有害氣體的減除方法。溫室內(nèi)的氣體成分變化不如光照、溫度、濕度那樣容易直觀感覺到，往往被人們所忽視。然而室內(nèi)的氣體成分和空氣流動狀況對農(nóng)業(yè)生物的影響絕對不能輕視，如若對溫室內(nèi)氣體環(huán)境調(diào)控管理不當，不僅嚴重影響農(nóng)業(yè)生物的正常生長，還常常引起氣害。溫室內(nèi)空氣流動不但對溫、濕度有調(diào)節(jié)作用，并且能夠及時排出有害氣體，同時補充CO2和O2對促進農(nóng)業(yè)生物生育有重要意義。和農(nóng)業(yè)生物一樣，這些氣體的存在及其含量的變化對勞動者的生存和健康都有非常重要的作用，有的甚至是人類生存的必要條件。1．二氧化碳

二氧化碳(CO2)是光合作用的重要原料之一，在一定范圍內(nèi)，植物的光合產(chǎn)物隨CO2濃度的增加而提高，因而了解溫室與大棚內(nèi)CO2的濃度狀況和變化特征對促進作物生長、增加產(chǎn)量、發(fā)展生產(chǎn)十分重要。大氣中CO2含量一般約為0.03％，溫室與大棚空氣中CO2含量是隨著作物的生長和天氣的變化而變化的。一般來說，溫室中CO2濃度夜間比白天高，陰天比晴天高。夜間溫室內(nèi)生物通過呼吸作用，排出CO2，使室內(nèi)空氣中CO2含量相對增加；早晨太陽出來后，作物進行光合作用而吸收消耗CO2，消耗逐漸大于補充，使室內(nèi)CO2濃度降低，一般光照達2h后就降至CO2補償點以下(蔬菜作物大多數(shù)為三碳作物，一般CO2的補償點在0.005％左右)，尤其在晴天9時至11時半，溫室內(nèi)綠色作物光合作用最強，CO2濃度急劇下降，由于得不到大氣中CO2的及時補充，一般在11時左右降至0.01％，甚至可降至0.005％，光合作用減弱，光合物質(zhì)積累減少，影響作物產(chǎn)量。而根據(jù)日光溫室內(nèi)栽培黃瓜的測試資料表明：日光溫室內(nèi)如果不進行通風換氣，早晨揭草簾前室內(nèi)CO2濃度可高達1100～1300μL／L，揭草簾2h后CO2濃度就降至250μL／L以下，放風前的11時左右就會降至150μL／L以下，此后放風，二氧化碳體積濃度可維持在300μL／L上下。蓋草簾后CO2濃度逐漸增加直至第二天早晨又達到最高值?？偟膩砜锤黝悳厥褻O2濃度變化趨勢基本是一致的，白天呈虧缺狀況，遠低于室外平均濃度，當溫室封閉不通風時濃度會更低，而夜間會較高。

作物不同生育期，對CO2濃度的要求和影響也不同。作物在出苗前或定植前，因呼吸強度大，排出CO2量也較大，溫室與大棚內(nèi)CO2濃度較高；

在出苗后或定植后，因呼吸強度比出苗前或定植前弱，排出的CO2量小，大棚內(nèi)CO2濃度就相對較低。

另外，CO2濃度與溫室或大棚容積有關。一般溫室與大棚容積愈大，CO2出現(xiàn)最低濃度的時間愈遲。溫室或大棚通常使用加溫或降溫的方法使室內(nèi)溫度適于作物生長，但由于與外界大氣相對隔絕，會產(chǎn)生兩個不利因素，其一是降低了Et光透射率，其二是影響了與外界的氣體交換。特別是在白天太陽升起后，作物進行光合作用，隨著室內(nèi)溫度的升高，很快消耗掉大量的CO2，而此時室內(nèi)溫度還沒能升高到能夠放風的溫度，不能通過氣體交換補充CO2，因此必須采取補充CO2的措施。2．氧氣

氧氣(O2)是地球上一切生物生存的前提和基礎。農(nóng)業(yè)生物本身需要O2來維持生存和生長發(fā)育。除空氣含氧量外，土壤O2也極為重要。這是因為地上部分作物的生長，必須有地下部分的生長相配合，而地下部分的生長，土壤O2則極為重要。為此，土壤中必須含有足夠的O2。通常采取的方法：如翻耕土地、改變土壤粒子結構、施用土壤改良劑等，其實質(zhì)都是在設法供給土壤O2，或提高對土壤的O2供給量。3．有害氣體與農(nóng)業(yè)生物

由于空氣是時時刻刻流通著的，因而大氣中含有少量氯氣、氨氣、亞硝酸氣、二氧化硫等有害氣體對大田作物基本沒有危害。在用溫室或大棚種植蔬菜、花卉和水果時，由于溫室或大棚密封較嚴，空氣不對流，極易積存氨氣、一氧化碳、亞硝酸、亞硫酸和塑料制品散發(fā)的鄰苯二甲酸二異丁酯等有害氣體，會嚴重影響作物的生長發(fā)育，所以要經(jīng)常檢查和防除。氨氣:

溫室內(nèi)的氨氣主要來自未經(jīng)腐熟的雞糞、豬糞、馬糞和餅肥等有機肥料，肥料在高溫下發(fā)酵時，產(chǎn)生出大量氨氣，越積越多；其次是大量施用碳酸氫銨和撒施尿素產(chǎn)生的氨氣。棚內(nèi)的氨氣濃度達到5～10mg／L時，作物就會中毒。亞硝酸氣體:

室內(nèi)的亞硝酸氣體主要來自施氮過多的氮素化肥。土壤中，特別是沙土和沙壤土，如連續(xù)施人大量氮肥，土壤中的銨向亞硝酸轉(zhuǎn)化雖能正常進行，但亞硝酸向硝酸轉(zhuǎn)化則會受阻，于是就使土壤中積累起大量的亞硝酸，當溫度升高時就變成氣體散發(fā)在棚內(nèi)，濃度超過2～3mg／L時，植物就會中毒。一氧化碳和亞硫酸氣體:這兩種氣體主要是室內(nèi)加溫時，用的燃料質(zhì)量差或燃料沒充分燃盡而產(chǎn)生的。一氧化碳和亞硫酸對人和作物都有毒害。一般濃度在3mg／L左右維持1～2h，植物葉緣和葉脈間的細胞就會死亡，并發(fā)生小斑點或枯死。鄰苯二甲酸二異丁酯:系聚氯乙烯塑料薄膜中添加的有毒增塑劑發(fā)出來的有毒氣體，對室內(nèi)作物有嚴重的毒害作用。4．空氣流速

溫室內(nèi)空氣流動緩慢是明顯有別于露天的一大特點。在密閉的溫室內(nèi)，氣流運動緩慢，氣流的橫向運動幾乎為零，縱向運動也不如露地。栽培時，如室內(nèi)氣流靜止或緩慢運動，葉片長期處于同一位置，影響光合作用、蒸騰作用等生理過程。氣流靜止或緩慢運動，還影響二氧化碳的活動，造成葉片密集區(qū)域嚴重缺乏CO2，影響光合作用的進行。氣流靜止的現(xiàn)象如不通過開窗通風或強制通風，對植物或動物的生長發(fā)育都有不良的影響。五、溫室土壤環(huán)境及其特性

土壤是園藝作物賴以生存的基礎，而作物根系發(fā)育的好壞決定于其所處的土壤環(huán)境；園藝作物生長發(fā)育所需要的養(yǎng)分和水分，都需要從土壤種獲得，所以園藝設施內(nèi)的土壤條件的優(yōu)劣直接關系到作