大棚溫室作物種植環境自動調控系統設計

魏明銳

摘 要 設施園藝栽培技術是目前主要的反季節作物栽培技術，其中以建造成本相對較低的拱形塑料薄膜溫室大棚最為普及。但在實際的作物栽培過程中，往往會遇到棚室內外溫濕度、光照條件因素等方面的快速變化，繼而影響棚栽作物的種植環境。自動調節是當前緊迫任務，基于此，系統設計相關因素的自動調控。

關鍵詞 大棚溫室；環境因素；自動調控

中圖分類號：S625 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.30.058

1 自動調控系統的設計背景

近年來，設施園藝栽培技術在各地區得到廣泛推廣，在溫室中栽培瓜果蔬菜的情況也逐年增加。不僅在農業示范園，由于簡易溫室大棚技術的普及和建造成本的大幅度降低，很多農村地區已采用大棚溫室種植反季節瓜果蔬菜。但由于溫室大棚屬于密閉環境，影響作物生長發育因素的變化較快，需要一套行之有效的自動調控系統實施監控。使栽培環境中溫濕度、光照等條件達到作物生長所需的最佳環境條件。

2 土壤因素對大棚溫室作物生長的影響及調控方法

溫室大棚內影響作物生長的土壤因素主要有土壤溫度、濕度、pH值及肥力水平，此外土壤的透氣性也影響到作物的生長發育，同時土壤因素也存在著此消彼長、相互影響的情況。

2.1 土壤溫度

土壤溫度影響著植物的生長、發育和土壤的形成，是影響土壤肥力的重要因素之一。土壤溫度主要和土壤熱學性質有關，即和土壤結構有直接關系。土壤的透氣性好，作物根系發育也會較好，但較高土壤的透氣性也會導致土壤水平蒸發過快，土壤溫度降低，影響土壤的保溫效果。但是如果土壤透氣性很差，土壤易板結，伴隨而來的是作物根系生長缺乏充足的氧氣供應，易導致作物爛根。而為了提高地溫，溫室大棚中普通采用的是鋪設地膜來提高土壤的溫度，同時地膜還具有保持土壤濕度，減少大棚內土壤水分蒸發，從而解決了棚內空氣濕度過高問題。

2.2 土壤濕度

大棚土壤的濕度決定作物的水分供應情況。土壤濕度低，土壤干旱，農作物光合作用過程受到抑制，農產量和品質隨之降低；土壤濕度過高，土壤通氣性變差，土壤氧氣含量低，土壤中微生物活動受限，作物根系的呼吸、生長等生命活動就會受到阻礙，作物地上部分的正常生長就會受到影響，造成作物徒長、倒伏、病害滋生等情況的發生[1]。特別是在大棚溫室環境中，土壤濕度過高，水分蒸發過快，必然會導致大棚溫室環境空氣濕度過高，從而滋生病蟲害。

2.3 溫室土壤因素自動調控方法

2.3.1 土壤溫度調控

基本了解大棚土壤因素對作物的影響后，要考慮人為調控方法。目前在設施園藝方面對于調控大棚溫室環境中土壤溫濕度，普遍采用的是棚內地膜覆蓋技術。在相對較低成本的簡易溫室大棚建設過程中，采用該項技術可以在較低投入的情況下較好地控制土壤溫濕度。

2.3.2 土壤濕度調控

第一，調控方法。調節土壤濕度主要方法就是控制好土壤水分的進和出。土壤水分的進通過控制灌溉頻率和水量，濕度過低時，提高灌溉頻率和水量，過高時降低供水量；而土壤水分的出即控制土壤水分的蒸發量，采用地膜覆蓋方式可有效降低土壤水分蒸發。特別是夏季控制光照強度也能有效的控制土壤水分的蒸發量。

第二，調控設備。主要采用濕度控制器、灌溉設備。實現大棚土壤溫濕度的實時控制，就需要實時監測棚內土壤溫濕度。目前常用的土壤濕度傳感器有FDR型和TDR型。其中FDR型具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程和少標定等優點。土壤濕度控制器可可以控制灌溉設備實現自動灌溉，需要灌溉管線已事先鋪設到大棚的栽培作物旁邊，其中以滴灌設備最佳。當土壤濕度傳感器探測到土壤濕度低于設定濕度最低值時，自動閉合灌溉系統閥門電源進行灌溉，當濕度達到土壤最大濕度設定值時關閉灌溉系統。

3 空氣因素對大棚溫室作物生長的影響及調控方法

溫室大棚內空氣因素對作物生長的影響主要表現在大棚內空氣溫度、濕度、CO2濃度，這三個因素直接影響作物的生存環境和生長速度。

3.1 空氣溫度

植物生長需要一個合適的環境溫度范圍，超過這個溫度范圍，作物就無法正常生長，甚至根本就無法生存。農業生產中調節種植作物環境溫度從而實現反季節作物種植是采用溫室大棚種植作物的主要目的。溫室建材多種多樣，不同材質的建設成本也不相同，其中，“鋼筋龍骨+塑料薄膜”簡易結構因其造價相對較低被普遍采用。同時為進一步提高大棚內栽培環境的溫度，對于某些對種植溫度要求較高的作物可在棚內再加小拱棚的形式。

3.2 空氣濕度

溫室大棚內的空氣濕度是由土壤水分的蒸發和作物體內水分的蒸騰在密閉環境情況下形成的。由于棚室內作物長勢強、代謝旺、作物葉面積指數高，就會通過蒸騰作用釋放出大量的水蒸氣。加之棚室內的空間狹小、氣流穩定無風，棚室內水蒸氣極易接近或達到飽和狀態，棚室內外溫差大時易形成水滴[2]。高濕是溫室大棚栽培環境的一個突出特點。棚室內的空氣濕度與作物的蒸騰作用、光合作用、病害及生理活性等都有很強的關聯性影響。

3.3 空氣中CO2濃度

溫室大棚是密閉環境，由于棚室溫度相對較高，植株生長比較旺盛，特別是晴天正午時間光合作用強，加至棚室內作物種植相對較密，導致溫室內空氣CO2濃度在光照強度較強時濃度偏低。進而影響作物的快速生長，更是直接影響大棚作物的產量。所以一般采用溫室反季節栽培作物往往需要考慮該項因素。

3.4 溫室空氣因素自動調控方法設計

3.4.1 棚內空氣溫度調控

第一，調控方法。因大棚溫室主要目的是提高栽培環境溫度，所以目前溫室大棚棚溫的調節主要是提高棚室溫度。而棚室加溫的主要方法有棚內加熱、提高光照強度、棚室草簾保溫等。但冬季晝夜溫差巨大，僅通過提高光照強度和棚室草簾保溫等方法已無法有效提高棚室溫度，通常做法是棚內加溫。但有時不可避免出現棚室溫度過高，此時溫室就需要進行降溫處理，只是棚室降溫方法和手段較為簡單，只需將棚室通風遮陽即可。

第二，調控設備。主要棚室調溫設備有棚室加溫鍋爐、降溫降濕風機、遮陽設備和空氣溫度控制器。通過溫度控制器實時監測棚室內溫度，進而控制棚室加溫鍋爐熱水循環泵、降溫降濕風機、遮陽設備等的聯動運行。當溫度控制器中溫度傳感器監測到棚室內溫度低于設定值時，溫度控制器閉合鍋爐熱水循環泵開關，進行棚室加溫。而當棚室溫度高于設置最高值時，溫度控制器閉合降溫除濕風機、遮陽等設備的開關，進行遮陽通風降溫處理。

3.4.2 棚內空氣濕度調控

第一，調控方法。溫室大棚中空氣濕度過大時，一般采取加強通風、適當范圍的加熱可以降低相對濕度，也可以增加光照、相對減少灌溉水量、減少地面裸露土壤面積、減少噴霧次數及水量，其中主要管控措施還是通過通風降濕。濕度過低一般是由土壤濕度過低，光照強度過大，大棚密閉性太差跑風漏氣造成，一般情況下提高灌溉水量即可。

第二，調控設備。主要設備有濕度控制器、鼓風機、空氣循環機。因溫室大棚內地面已采取地膜覆蓋，如再采取滴灌技術的情況下棚內濕度依然很高，就需要進行濕度調節。考慮到成本因素，一般情況下采取風機通風除濕（大棚內外溫差小）和棚內加熱除濕（大棚內外溫差大）。棚內安裝濕度傳感器，棚口出安裝鼓風機，棚內部安裝空氣循環風機。設定濕度控制器開機及關閉濕度值，當濕度超過最大濕度設定值時，濕度控制器閉合溫室大棚內鼓風機和空氣循環機開機降濕。當濕度降低到設置的最低濕度值時斷開風機電源。

3.4.3 CO2濃度調控

第一，調控方法。棚室內CO2濃度的調控主要是對高光照強度下作物光合作用強烈導致的棚室內空氣中CO2濃度不足的調控。一般規模設施園藝中采用的方法是向設施溫室中補充CO2氣體。但考慮到成本因素，一般簡易溫室大棚不采用此種方法，而主要使用通風換氣的手段。

第二，調控設備。主要有空氣CO2濃度監測控制器、換氣風機等。安裝在棚室內部的CO2濃度監測探頭，實時監測棚室內空氣中CO2濃度，當低于設定最低值時，控制器啟動換氣風機（此處風機可采用降溫降濕風機）。

4 光照強度對大棚溫室作物生長的影響及調控方法

4.1 光照強度和時長

光照強度對作物生成發育影響很大。一切綠色植物必須在陽光下才能進行光合作用，植物體重量的增加與光照強度密切相關。植物器官、組織的正常發育，也與光照強度直接關聯。想要作物結果多，就要開花多；花多，花芽必須多，而花芽的分化又與光照強度相關聯[3]。

4.2 棚室光照強度和時長自動調控方法設計

第一，調控方法。大棚溫室中，依據所栽培作物的習性，對光照強度進行調控。在正午高光照強度下可采取遮陽處理；而在其他的大部分時間，由于棚室塑料薄膜的透光性較差，棚室內光照強度相比室外較弱，對于一些光照強度要求較高的作物就需要進行補光處理。相對作物對光照強度的要求來說，光照時長的調控方法也更為簡單，短日照作物可采取遮光措施，而長日照作物可采取補光處理。

第二，調控設備。主要由光照強度控制器、補光燈、遮光設備和定時器等組成。在正午時分高光照強度下，光照強度控制器探頭監測到棚室內光照強度超過設定值時，啟動遮陽網卷簾機，打開遮陽網遮陽；當光照強度低于設定值時啟動補光燈（一般為專用的紅藍補光燈），進行補光處理。而對于光照時長的調控可通過定時器控制補光燈進行夜間補光，實現短日照季節里，形成大棚溫室中的長日照環境。

5 系統特性

本系統通過簡要的控制設備實現在簡易溫室大棚環境中實現影響作物生長發育因素的實施調控，并做到低成本高效率的聯動處理。在系統調控設計中對棚室溫度的調節，如當棚室內溫度過高時，土壤蒸發量加大，土壤濕度降低到設定值以下，灌溉系統啟動，升高棚室內溫度。高溫高濕激發溫濕度控制設備啟動，棚室遮陽設備打開，降溫降濕風機啟動。在降低室內溫度的同時也會降低棚室內的濕度，此舉可有效防止棚室內高溫高濕帶來的病蟲害問題。

總體來說本系統的設計得益于目前先進的傳感器技術。但影響作物生長的因素還有很多，并且彼此關聯，需要探索發現的知識還有很多，相信通過越來越成熟的傳感器技術將會使溫室種植越來越簡單高效。

參考文獻

[1]陳學文，張曉平，梁愛珍，等.不同耕作方式對黑土農田土壤溫濕效應的影響[J].大豆科學，2011，30（5）：764-768.

[2]王昊，李亞靈.園藝設施內空氣濕度調控的研究進展及除濕方法[J].江西農業大學學報，2008，20（10）：50-54.

[3]俞立發.新技術視域下南寧樹種配置技術探討[J].南方農業，2014（5X）：52-53.

（責任編輯：劉昀）