植物工廠生菜根際通風(fēng)對冠層和根際環(huán)境影響

李 琨 ，鄒志榮

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

0 引 言

人工光植物工廠（PFAL，plant factory with artificial lights）是一種通過對設(shè)施內(nèi)溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進行高精度自動控制，實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[1]。經(jīng)過多年研究，已經(jīng)建立了一套以光/暗期變溫控制為主的溫度控制策略，輔以不間斷的強制通風(fēng)，使適宜溫濕度及 CO2濃度的氣體與內(nèi)部空氣進行交換，并在植物冠層上方保持一定的橫向氣流，使植物工廠內(nèi)部各環(huán)境參數(shù)分布均勻，促進植物生長發(fā)育[2]。這一成熟的環(huán)境控制體系在密閉式人工栽培系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[3-7]。

然而，該傳統(tǒng)通風(fēng)調(diào)溫方式很難使植物工廠內(nèi)部各處形成均勻一致的氣流場，隨之而來的是溫度場、濕度場和濃度場的不均勻。有研究表明，在規(guī)格為 3.47 m×4.35 m× 2.97 m 的人工光植物工廠中環(huán)境參數(shù)即存在較大差異，不同工況下不同高度處溫差能夠達(dá)到 0.4～2.7 ℃，流速差異可達(dá)0.963～1.408 m/s[8]。隨著植物工廠規(guī)模逐步擴大，傳統(tǒng)通風(fēng)調(diào)溫模式下不同區(qū)域環(huán)境差異進一步凸顯，難以滿足高品質(zhì)蔬菜的生產(chǎn)環(huán)境需求。

研究表明，調(diào)高通風(fēng)系統(tǒng)功率，增加葉面冠層氣流速度可在一定程度上改善氣流分布，促進植物光合作用。Thongbai等[9]將設(shè)施內(nèi)的風(fēng)速從不到0.5 m/s提高到1 m/s，使番茄幼苗的光合速率提高了1.6倍。Kitaya等[10]將風(fēng)速從0.1 m/s增加到0.4 m/s，番茄葉片光合速率增加了1.3倍。在黃瓜幼苗光合與蒸騰速率試驗中，當(dāng)風(fēng)速從0.005 m/s增加到0.8 m/s，光合速率增加1.7倍，蒸騰速率提高2.1倍[11]。其他植物如水稻、甘薯及大豆的光合速率對風(fēng)速的響應(yīng)表現(xiàn)出相同趨勢[12-14]。此外，研究發(fā)現(xiàn)增加氣流能使空氣飽和蒸汽壓差增加（相對濕度降低），促進外部葉片鈣含量積累，有效抑制葉菜燒心病發(fā)生[15-17]。

上述方法雖然對葉面冠層氣流分布有一定改善作用，但并未消除植物工廠內(nèi)氣流差異，原風(fēng)速較低區(qū)域風(fēng)速增加的同時，原風(fēng)速較高區(qū)域植株可能會受到高速氣流機械損傷；加之葉面冠層邊界層阻力[18-21]及葉片封閉效應(yīng)[22-24]的作用，橫向的氣流極易受到外部葉片的阻擋，使栽培單元內(nèi)部風(fēng)速降低，通風(fēng)效率較低[15]。為了突破冠層邊界層阻力及葉片封閉效應(yīng)，提高植物工廠內(nèi)氣流及溫度分布均一性，Goto等[25-26]提出了垂直通風(fēng)技術(shù)，采用1根內(nèi)徑114 mm的主管連接6根內(nèi)徑32 mm的支管置于冠層上方，將氣流由支管上的孔從上向下吹到葉片冠層，在一定程度上改善植株內(nèi)部環(huán)境，效率高于水平通風(fēng)。Zhang等[27]采用2根內(nèi)徑50 mm的帶孔通風(fēng)管提供氣流，對密閉植物工廠內(nèi)的氣流特征進行了計算流體動力學(xué)（CFD，computational fluid dynamics）模擬并提出了較優(yōu)的通風(fēng)參數(shù)，冠層風(fēng)速可達(dá) 0.42 m/s。Shibuya等[28]將帶孔通風(fēng)管敷設(shè)于栽培板上，使氣流自下而上引入植物冠層內(nèi)，通過與自上向下及水平通風(fēng)方式進行比較，發(fā)現(xiàn)自下而上通風(fēng)效率更高。Kitaya等[12]的試驗表明垂直通風(fēng)時的風(fēng)速大于0.3 m/s時即可對光合速率增加產(chǎn)生明顯效果。此外，有學(xué)者采用降溫-加熱-通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)控的混合控制策略減少植物工廠栽培架層間及不同區(qū)域間的環(huán)境差異，提高其均勻性[8]。也有研究通過改進植株栽培系統(tǒng)實現(xiàn)植物微環(huán)境參數(shù)的均勻分布。Nishikawa等[23]將植株放置在獨立的旋轉(zhuǎn)平臺上，以2 r/min的速度勻速旋轉(zhuǎn)，在一定程度上打破了外層植株對內(nèi)部的阻擋，比不旋轉(zhuǎn)植株產(chǎn)量提高了20%。

盡管上述通風(fēng)方式對環(huán)境均一性起到了積極作用，但須借助粗重的打孔通風(fēng)管或復(fù)雜的機械裝置，初始投資和運行管理成本都較高，不利于推廣應(yīng)用。本研究將水培系統(tǒng)營養(yǎng)液面與栽培板之間的空氣層作為氣流通道，僅增加1個風(fēng)機即可將氣流導(dǎo)入植物冠層下部，不受邊界層阻力和葉片封閉效應(yīng)影響，同時實現(xiàn)冠層內(nèi)部高效通風(fēng)調(diào)溫和根際微環(huán)境的調(diào)控。本文通過探明地上部及根際環(huán)境變化特點并對其響應(yīng)機制進行分析，闡明該種通風(fēng)調(diào)溫模式相較于傳統(tǒng)通風(fēng)方式的先進性，并就其替代傳統(tǒng)通風(fēng)方式用于植物工廠通風(fēng)的可行性進行探討。

1 材料與方法

1.1 植物材料和生長條件

試驗采用散葉生菜（Locarno RZ，荷蘭瑞克斯旺）作為試驗植物。將種子播種于育苗海綿上，并置于育苗盤中（320 mm×230 mm×40 mm）。使用純凈水使海綿保持濕潤，覆蓋黑色塑料膜進行避光處理，放置于LED人工光培養(yǎng)箱（GLED-250PY，北京陸希科技有限公司）內(nèi)進行催芽育苗。4 d后，種子露白，去掉黑膜接受光照，光期16 h，溫度（20±0.5）℃，暗期8h，溫度（18±0.5）℃。3 d 后使用營養(yǎng)液 pH 值（6.3±0.1），EC 值（1.6±0.2） mS/cm 1/2濃度進行幼苗培育，7 d后幼苗長至兩葉一心時，挑選健壯一致的幼苗植株移栽入位于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所的人工光植物工廠內(nèi)，定植于泡沫栽培板（720 mm×650 mm×14 mm，栽培密度37株/m2）上。生長環(huán)境參數(shù)設(shè)定為光期16 h（07:00－23:00），溫度（24±0.5）℃，相對濕度（65±10）%，CO2濃度（500±50）×10-6；暗期 8 h（23:00－07:00），溫度（22±0.5）℃，相對濕度（65±10）%，CO2濃度（500±50）×10-6。植物冠層總光合有效輻射200 μmol/(m2·s)，紅藍(lán)比（R/B）為8:1，每天進行20 min的營養(yǎng)液循環(huán)。為充分體現(xiàn)植株群體對微環(huán)境的影響與根際通風(fēng)效果，栽培20 d后，在植株采收前（2017年12月15日—2017年12月22日）進行了為期7 d的根際通風(fēng)處理與微環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。監(jiān)測開始前采用新配制的營養(yǎng)液對舊營養(yǎng)液進行置換，監(jiān)測開始后不進行營養(yǎng)液循環(huán)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)建及測點布置

1.2.1 根際通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建

該研究設(shè)計制造了一套根際通風(fēng)（RV，root zone ventilation）系統(tǒng)，其工作原理如圖1所示。植物工廠環(huán)境空氣經(jīng)風(fēng)機導(dǎo)入栽培板下方與營養(yǎng)液面上方的空氣層中（高度20 mm），經(jīng)栽培板蔬菜定植孔周圍預(yù)留的通氣孔自下而上排出，調(diào)節(jié)植物微環(huán)境。

圖1 根際通風(fēng)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of root zone ventilation (RV) system

RV系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機（BFB1212HH，臺達(dá)電子企業(yè)管理有限公司）及其控制系統(tǒng)組成。其中，風(fēng)機出風(fēng)口通過一連接管（108 mm×30 mm）固定于栽培板一端（圖2a），在控制系統(tǒng)作用下可調(diào)整其工作時間，運行間隔及轉(zhuǎn)速。試驗栽培槽規(guī)格0.7 m×1.5 m，使用2塊栽培板覆蓋，共32個定植孔（4行8列）。圍繞各栽培孔使用電熱開孔器均勻開8個直徑5 mm的通氣孔（通氣單元），孔心至栽培孔中心20 mm（圖2b）。

圖2 根際通風(fēng)系統(tǒng)及風(fēng)速測量裝置Fig.2 RV system and velocity measurement device

為了準(zhǔn)確的測量風(fēng)速，我們采用薄塑料板進行彎折制作一直筒風(fēng)管，其半徑剛好能夠覆蓋整個通氣單元，其高度在栽培板與光源板間距范圍內(nèi)盡量長，并與光源板保持一定距離，使通氣單元中各通氣孔的氣流在直筒風(fēng)管內(nèi)充分混合后從頂端流出。最終確定所用直筒風(fēng)管半徑48 mm，高300 mm。在距該風(fēng)管頂端50 mm處開一直徑9 mm的風(fēng)速檢測孔（圖2c），用于風(fēng)速檢測。

栽培板與栽培槽以及栽培板之間的所有空隙均采用橡膠條或膠帶進行密封，防止氣流從通風(fēng)孔以外部位滲漏。該根際通風(fēng)系統(tǒng)的運行時間和間隔時間采用自動循環(huán)時間控制器（ZYS48-S，上海卓一電子有限公司）控制。離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速采用PWM直流電機調(diào)速器（CCM96SK，上海美默通電子有限公司）調(diào)整。

1.2.2 測點布置與測量方法

為了探明根際通風(fēng)對植株微環(huán)境的影響，本研究對各處理的地上部和地下部環(huán)境參數(shù)進行了全面的監(jiān)控，各傳感器測點布置如圖3所示。

1.冠層上部溫濕度測點 2.冠層上部光合有效輻射測點 3.冠層下部溫濕度、CO2濃度測點 4.空氣層溫濕度測點 5.空氣層 CO2濃度測點 6.營養(yǎng)液溫度測點 7.營養(yǎng)液溶解氧濃度測點1.Temperature and relative humidity measure points of canopy 2.Photosynthetic active radiation measure point of canopy 3.Temperature, relative humidity and CO2 concentration measure points of internal canopy 4.Temperature and relative humidity measure points of interlayer 5.CO2 concentration measure point of interlayer 6.Temperature measure point of nutrient solution 7.Dissolved oxygen concentration measure point of nutrient solution.

其中，植株冠層上部溫濕度采用HOBO U14-001型溫濕度記錄儀（美國Onset 公司生產(chǎn)，精度：溫度±0.2 ℃，相對濕度±2.5%）測定，記錄儀懸掛于冠層上方成熟植株冠層水平高度（距栽培板15 cm）處。冠層下部溫濕度、CO2濃度采用HOBO MX 1102型二氧化碳記錄儀（美國Onset 公司生產(chǎn)，精度：溫度±0.2 ℃，相對濕度±2%，CO2濃度±50×10-6）測定，記錄儀置于單塊栽培板中部由4株生菜定植孔組成的矩形區(qū)域內(nèi)，當(dāng)植株為成菜時，整個傳感器被植株冠層遮擋。空氣層溫濕度采用 HOBO UX100-023型溫濕度記錄儀（美國 Onset 公司生產(chǎn)，精度：溫度±0.2 ℃，相對濕度±2.5%）監(jiān)測，其傳感器為直徑約10 mm的柱狀探頭，由一延長線與記錄儀相連。在單塊栽培板近中部區(qū)域 4株生菜定植孔組成的矩形區(qū)域內(nèi)開一直徑略小于10 mm的孔，將傳感器探頭從該孔插入至空氣層，即可精確測量栽培板以下、液面以上空氣層的溫濕度。空氣層CO2濃度采用HOBO MX 1102型二氧化碳記錄儀監(jiān)控。在栽培板邊緣區(qū)域取一定植孔，將其孔徑擴大至約40 mm，可精確地將記錄儀CO2傳感器嵌入上述孔中，監(jiān)測空氣層 CO2濃度。營養(yǎng)液溫度、溶解氧濃度分別采用特氟龍涂層耐酸堿 Pt100溫度傳感器和DOS-600溶解氧傳感器（北京博海志遠(yuǎn)科技有限公司）進行監(jiān)測。將上述傳感器穿過栽培區(qū) 2塊栽培板拼接處縫隙浸入營養(yǎng)液中進行數(shù)據(jù)采集，使用無紙記錄儀MIK-R4000D（杭州美控自動化技術(shù)有限公司）記錄，縫隙采用膠帶封閉。光合有效輻射數(shù)據(jù)采用Li-1500檢測儀（美國 LI-COR）在冠層上方成熟植株冠層水平高度對不同波長光源進行分別測量獲得。

作為RV的重要性能參數(shù)，試驗所用離心風(fēng)機的轉(zhuǎn)速采用激光轉(zhuǎn)速表（Testo 460，德圖儀器國際貿(mào)易有限公司）進行測量，確定維持風(fēng)機工作不致停轉(zhuǎn)的最小轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，風(fēng)機標(biāo)稱最大功率下所達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速為2 700 r/min。在不同轉(zhuǎn)速下，各通氣單元的風(fēng)速也呈現(xiàn)出明顯的變化。風(fēng)速測量時，我們將熱線風(fēng)速儀探頭（Climomaster 6501-BG，日本加野麥克斯公司）由前述直筒風(fēng)管的風(fēng)速檢測孔插入至風(fēng)管中軸線位置，施加一定壓力使風(fēng)管垂直扣于栽培板上，將某一通氣單元（定植孔采用膠帶進行封閉）完全包括于圓筒內(nèi)（圖 2c），此時風(fēng)速儀度數(shù)即為該通氣單元風(fēng)速。

1.3 試驗設(shè)計

為研究RV通風(fēng)均勻性，試驗以350 r/min為間隔將可用轉(zhuǎn)速區(qū)間平均分成5個水平，在栽培區(qū)內(nèi)2塊栽培板上間隔選取了4列共計16個通氣單元（單塊栽培板測點選取如圖2b所示），測試各通氣單元在各風(fēng)機轉(zhuǎn)速下的風(fēng)速，對其均一性進行評價。

為探明RV對植株微環(huán)境參數(shù)的影響，在上述試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上選取使各通氣單元風(fēng)速均勻的最小及最大風(fēng)機轉(zhuǎn)速，結(jié)合其運行時間設(shè)置2種特殊工況的RV處理，并與傳統(tǒng)環(huán)控方式（CEC，conventional environment control）進行對照。2種特殊工況的RV處理各采用同型號風(fēng)機，分別為低速連續(xù)根際通風(fēng)（LCRV）和高速間隔根際通風(fēng)（HIRV）。其中LCRV將風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制在最小值，間隔時間設(shè)為0，即風(fēng)機24 h連續(xù)工作；HIRV風(fēng)機轉(zhuǎn)速設(shè)為最大值，運行時間50 min，間隔時間40 min，保證環(huán)境參數(shù)發(fā)生明顯波動的同時，可在數(shù)據(jù)分析時根據(jù)時間差異準(zhǔn)確地判斷風(fēng)機運行狀態(tài)。上述RV工況不隨光暗期交替進行變化。為保證RV處理微環(huán)境不受植物工廠內(nèi)常規(guī)通風(fēng)調(diào)溫氣流影響，采用塑料膜將2個RV處理栽培區(qū)包圍，對應(yīng)的側(cè)邊回風(fēng)口采用無紡布遮擋，將風(fēng)機進風(fēng)口置于該包圍外，確保栽培區(qū)處于根際通風(fēng)作用下。CEC對照栽培區(qū)呈開放狀態(tài)，側(cè)邊對應(yīng)的回風(fēng)口也處于打開狀態(tài)，在植物工廠上進風(fēng)側(cè)回風(fēng)的氣流組織形式下，氣流從栽培區(qū)一側(cè)流經(jīng)植物冠層上方后由回風(fēng)口流走，形成傳統(tǒng)的側(cè)通風(fēng)方式。2個RV處理與CEC對照同時在采用常規(guī)通風(fēng)調(diào)溫系統(tǒng)的植物工廠內(nèi)進行，目標(biāo)環(huán)境參數(shù)如材料和方法中所述。

2 結(jié)果與分析

2.1 根際通風(fēng)均勻性分析

表1為不同風(fēng)機轉(zhuǎn)速下，栽培區(qū)中16個通氣單元的風(fēng)速及其平均值。

表1 風(fēng)機不同轉(zhuǎn)速下栽培區(qū)內(nèi)16個通氣單元風(fēng)速測定值Table 1 Velocity of 16 measure points in cultivation area at different fan rotation rates

由表 1可知，在同一風(fēng)機轉(zhuǎn)速下，試驗所在栽培區(qū)內(nèi)不同位置的通氣單元間風(fēng)速差異不大；在試驗轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著風(fēng)機轉(zhuǎn)速增加，通氣單元風(fēng)速呈上升趨勢，且不同轉(zhuǎn)速下各通氣單元通風(fēng)均勻，即RV最低到最高轉(zhuǎn)速均可有效提升通風(fēng)均勻性，可選用1 300和2 700 r/min分別作為LCRV與HIRV轉(zhuǎn)速設(shè)定值。這是由于試驗所用風(fēng)機流量（0.92 m3/min）大于作為風(fēng)道的空氣層體積（0.19 m3），當(dāng)風(fēng)機運行時在空氣層中建立了2 mm H2O正壓，不同通氣單元風(fēng)速不受其所在位置影響，實現(xiàn)了高度的通風(fēng)均勻性。已有研究表明，植物工廠內(nèi)冠層上部風(fēng)速最好維持在0.3～1.0 m/s[27]，本研究中各通氣單元平均風(fēng)速僅為0.051～0.11 m/s，小于前述研究數(shù)據(jù)。其原因為前述研究推薦的風(fēng)速值為冠層上部風(fēng)速，而本研究測定的風(fēng)速為冠層下部風(fēng)速。在葉面冠層邊界層阻力作用下，冠層下部風(fēng)速會出現(xiàn)明顯的降低（圖4）[18]。

圖4 邊界層阻力作用下冠層下部和上部風(fēng)速差異[18]Fig.4 Velocity differences between canopy and internal canopy under boundary layer resistance

2.2 根際通風(fēng)對空氣層的影響及分析

根際通風(fēng)依靠營養(yǎng)液和栽培板間的空氣層作為氣流通道，故該通風(fēng)模式對空氣層的環(huán)境產(chǎn)生了直接影響。圖 5為 RV和 CEC空氣層溫濕度變化（2017-12-16－2017-12-17）。

圖5 不同處理空氣層溫濕度變化（2017-12-16-2017-12-17）Fig.5 Variations of interlayer air temperatures and relative humidity of three treatments (2017-12-16-2017-12-17)

由圖 5可知，植物工廠環(huán)境光暗期平均溫度分別為23.48和21.67 ℃。在此環(huán)境條件下，CEC空氣層光暗期平均溫度分別為 22.08和20.65 ℃；LCRV分別為19.41和18.13°C；HIRV分別為20.16和18.91 ℃。由此可見，CEC光暗期空氣層溫度低于環(huán)境溫度 1.4和 1.02 ℃；LCRV處理溫度降低更為明顯，光暗期最大降幅達(dá)到了4.07和3.54 ℃，較CEC降低2.67和2.52 ℃。變化幅度方面，CEC和LCRV波動較小，幅度為0.5 ℃，HIRV變化幅度最為突出，風(fēng)機運行時，溫度在40 min內(nèi)可降低1.57 ℃，風(fēng)機停止的40 min內(nèi)，溫度能夠回升1.71 ℃。

植物工廠環(huán)境中實際光暗期平均相對濕度分別為66.99%和67.88%。在此環(huán)境條件下，CEC光暗期平均相對濕度最高，分別達(dá)到 100%和 97.27%；LCRV分別為96.22%和 92.43%；HIRV光暗期平均相對濕度最低，分別為90.27%和89.75%。

由上述數(shù)據(jù)可以看出，在栽培槽及栽培板的遮光及營養(yǎng)液蒸發(fā)吸熱作用下，空氣層溫度均低于環(huán)境溫度；在RV作用下，空氣層內(nèi)氣體流速加快，LCRV與HIRV均能產(chǎn)生可觀的蒸發(fā)降溫效果，使空氣層溫度達(dá)到一個較低的水平。LCRV降溫效果更好，平均溫度較環(huán)境降低2.52 ℃以上。HIRV暫停時空氣層溫度迅速回升，其原因是由于試驗所用PVC營養(yǎng)液槽保溫性較差，外部環(huán)境熱量向槽體內(nèi)傳導(dǎo)引起的。

與溫度變化相比，空氣層內(nèi)相對濕度隨光暗期的變化不明顯，空氣層溫度的變化對濕度也未產(chǎn)生影響；因為空氣層下部就是營養(yǎng)液，在液面蒸發(fā)作用下，CEC相對濕度在光期時能夠達(dá)到100%；RV中，相對濕度較CEC有了較大幅度的降低，但仍然高于環(huán)境濕度，可見RV在有效地排出已有水分的同時，還會促進營養(yǎng)液蒸發(fā)，并最終穩(wěn)定在某一相對濕度下；HIRV風(fēng)機工作時，最低濕度與平均相對濕度均低于LCRV，即空氣層風(fēng)速（流量）對相對濕度影響較大，大風(fēng)速更有利于空氣層內(nèi)濕度的排出。

圖6表示的是RV和CEC空氣層中CO2濃度的變化情況（2017-12-19）。

圖6 不同處理空氣層CO2濃度變化（2017-12-19）Fig.6 Variations of interlayer air CO2 concentration of three treatments (2017-12-19)

由圖6可以看出，各處理和對照CO2濃度處于同一水平。其中，光期 CO2濃度均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，暗期則呈下降趨勢；HIRV的CO2濃度波動最大，風(fēng)機開啟后，CO2濃度在 3 min內(nèi)能夠從峰值下降約300×10-6至低谷并持續(xù)，風(fēng)機停止后，低水平的CO2濃度仍將保持15 min，然后在35 min內(nèi)回升至原水平。

由此可知，LCRV和CEC空氣層內(nèi)CO2濃度沒有差異，其原因可能是由于 CO2在此試驗溫度下的營養(yǎng)液中溶解度較大（分別為0.902和0.829 mL/mL，遠(yuǎn)高于氧氣的0.031 mL/mL[29]），加之根系的大部分浸泡在營養(yǎng)液中，植物根系生理活動釋放的 CO2首先會向營養(yǎng)液中溶解并均勻釋放，導(dǎo)致空氣層中 CO2濃度變化得到緩沖。光暗期 CO2濃度表現(xiàn)出的變化趨勢是由于根系呼吸隨光環(huán)境變化導(dǎo)致的，當(dāng)光源打開后，溫度上升，植物開始進行光合作用，此時根系活動加劇，呼吸增強，CO2濃度上升，進入暗期后，光源關(guān)閉，溫度下降，光合作用停止，根系活力也隨之降低，但由于大部分根系浸沒在營養(yǎng)液中，釋放的 CO2需經(jīng)一定時間方能移動到空氣層中，故而其變化趨勢呈現(xiàn)出一定的滯后性，表現(xiàn)為光期先上升后下降；值得注意的是，在HIRV中，平均CO2濃度在間歇期能夠高于其他處理 200×10-6以上，其原因可能是較高的流速（流量）能夠促進根系呼吸，釋放更多的 CO2，同時可以加快營養(yǎng)液的擾動，引起二氧化碳-水體系遠(yuǎn)離原有靜態(tài)溶解平衡，促使溶解在水中的CO2釋放[30]。

2.3 根際通風(fēng)對冠層下部的影響及分析

氣流經(jīng)空氣層流動后，通過各通氣單元預(yù)留的 8個通氣孔向上流動至栽培板上的植物冠層下部及上部，對植物周圍空氣的溫濕度、CO2濃度產(chǎn)生影響。首先受到影響的是靠近通氣孔的冠層下部，其溫濕度變化（2017-12-19 00:00－2017-12-20 00:00）如圖7所示。

圖7 不同處理冠層下部溫濕度變化（2017-12-19-2017-12-20）Fig.7 Variations of internal canopy temperatures and relative humidity of three treatments (2017-12-19-2017-12-20)

其中，CEC光暗期平均溫度分別為21.78和20.87 ℃，LCRV相應(yīng)數(shù)據(jù)為20.01和18.93 ℃，HIRV分別為20.41和19.19 ℃，此時環(huán)境中光暗期平均溫度分別為23.48和21.67 ℃。經(jīng)分析，CEC比環(huán)境光暗期平均溫度分別降低1.7和0.8 ℃；降溫效果最佳的LCRV光暗期平均溫度較環(huán)境下降 3.47和 2.74 ℃，比 HIRV相應(yīng)數(shù)據(jù)低 0.4和0.26 ℃。值得注意的是，RV和CEC的波動幅度較空氣層（圖 5a）明顯減小。相對濕度方面，LCRV光暗期平均相對濕度分別為 87.37%和 85.31%；HIRV分別為86.98%和87.42%，CEC為94.55%和93.32%，與環(huán)境平均相對濕度光期66.99%，暗期67.88%相比均有大幅提升，CEC提升最為明顯，較環(huán)境提高27.56%。

由上述數(shù)據(jù)可以看出，RV和CEC冠層下部溫度均低于環(huán)境，LCRV降溫作用更為明顯。CEC溫度的降低是由上方冠層的遮蓋使部分熱輻射不能到達(dá)冠層下部，以及植物蒸騰降溫作用導(dǎo)致的。在相同條件下，RV特有的根際通風(fēng)使通氣孔吹出的空氣在營養(yǎng)液蒸發(fā)降溫作用下得到了一定程度的冷卻，使溫度進一步降低。RV和CEC冠層下部相對濕度均大幅高于環(huán)境，這是由于冠層下部葉片密集，植物蒸騰產(chǎn)生的水汽無法及時排出導(dǎo)致的，這可能引起葉片蒸騰速率降低，誘發(fā)真菌病害，葉片壞死，元素缺乏癥及軟薄葉片等癥狀[31-36]，已有研究表明多種葉菜的燒心病也由此引起[16,37]。這一現(xiàn)象在RV中得到緩解，濕度較CEC有一定程度降低，這是因為自下而上的通風(fēng)模式有利于內(nèi)部氣體的流通；同樣的，風(fēng)速（流量）對相對濕度的降低起到了重要作用，HIRV風(fēng)機運行時，能夠使相對濕度降至約75%，效果好于LCRV。

圖 8為不同處理冠層下部 CO2濃度變化情況（2017-12-19 12:00－2017-12-21 12:00）。

圖8 不同處理冠層下部CO2濃度變化（2017-12-19 12:00-2017-12-21 12:00）Fig.8 Variations of internal canopy CO2 concentration of three treatments (2017-12-19 12:00-2017-12-21 12:00)

由圖8可知，不論何時LCRV的CO2濃度最高，HIRV次之，CEC最低。其中，LCRV光期最高平均CO2濃度為 617×10-6，暗期最低平均 CO2濃度為464×10-6；HIRV光期最高平均 CO2濃度為 581×10-6，暗期最低平均 CO2濃度為 446×10-6；CEC 相應(yīng)數(shù)據(jù)分別為 478×10-6和343×10-6。這一差距產(chǎn)生的原因是由于植株在進行光合作用時會吸收 CO2，導(dǎo)致冠層周圍 CO2濃度的降低；CEC受邊界層阻力及葉片遮蔽作用影響，其冠層下部通氣受阻，CO2濃度得不到及時補充，引起 CO2濃度下降；在RV作用下，能夠?qū)⑼饨缂案岛粑a(chǎn)生的CO2輸送至冠層下部，較CEC提高139×10-6，在一定程度上保證光合作用的順利進行。

2.4 根際通風(fēng)對冠層上部的影響及分析

圖 9為葉面冠層上部溫濕度在不同處理影響下的變化特征（2017-12-18 00:00－2017-12-20 00:00）。

其中，LCRV光暗期平均溫度分別為 22.73和21.06 ℃，HIRV分別為23.22和21.87 ℃，CEC相應(yīng)數(shù)據(jù)為23.82和22.51 ℃；此時環(huán)境中光暗期平均溫度分別為23.48和21.67 ℃。對比發(fā)現(xiàn)，CEC冠層上部光暗期平均溫度均高于環(huán)境溫度，差距達(dá)到0.3和0.84 ℃；HIRV溫度略有下降，光期已經(jīng)低于環(huán)境溫度0.26 ℃；LCRV溫度最低，光暗期平均溫度均低于環(huán)境溫度，溫差達(dá)到0.75和0.61 ℃。相對濕度方面，LCRV光暗期平均相對濕度分別為82.83%和83.68%；HIRV分別為72.92%和73.16%，CEC為 68.39%和 67.95%，與環(huán)境平均相對濕度光期66.99%，暗期67.88%相比，LCRV和HIRV均有大幅提升，數(shù)值最高的LCRV較環(huán)境提高15.8%，CEC變化則較小。

圖9 不同處理葉面冠層上部溫濕度變化（2017-12-18-2017-12-20）Fig.9 Variations of canopy temperatures and relative humidity of three treatments (2017-12-18-2017-12-20)

由上述分析可以看出，RV能夠降低作物冠層上部的溫度，但其溫度降低幅度普遍較小，均未超過1°C。其原因是經(jīng)通氣孔吹出的空氣雖然經(jīng)通過營養(yǎng)液的蒸發(fā)降溫作用下得到冷卻，對冠層產(chǎn)生了一定程度的影響，但因為冠層距栽培板通氣孔較遠(yuǎn)，整體上仍主要受外界環(huán)境調(diào)控，RV對此處環(huán)境調(diào)控作用有限。CEC冠層上部光期平均溫度的升高主要由光期人工光源散熱[38]導(dǎo)致植物周圍區(qū)域熱負(fù)荷的增加引起的，若采用熒光燈等光源會進一步加大升溫現(xiàn)象；暗期的升溫則可能來自于植物生理代謝產(chǎn)熱[39]。上述現(xiàn)象表明，植物工廠空間環(huán)境參數(shù)與植物周圍的微環(huán)境參數(shù)存在較大差別，以空間環(huán)境參數(shù)為依據(jù)的CEC并未充分考慮植物對自身微環(huán)境尤其是密集區(qū)域溫濕度的影響。甚至在以環(huán)境模型[40]，自動栽培系統(tǒng)[41]及節(jié)能管理系統(tǒng)[42-43]為對象的研究中，也未充分考慮植物微環(huán)境與空間環(huán)境的差異，均采用空間環(huán)境參數(shù)替代微環(huán)境參數(shù)。此外，LCRV溫度低于HIRV，其原因是由于栽培系統(tǒng)本身并不具備蓄冷作用，更高的流速（流量）也不能在短時間內(nèi)使系統(tǒng)內(nèi)溫度下降很多，一旦停止通風(fēng)，外界熱量會立刻通過輻射、傳導(dǎo)等方式進入，故需要連續(xù)不斷地通風(fēng)才能維持一個較低的溫度，且這一過程受風(fēng)機轉(zhuǎn)速的影響較小。經(jīng)過營養(yǎng)液面上方后，氣流中水分含量增加，是RV中冠層上方相對濕度增加的主要原因，此外，植物蒸騰過程中的高濕氣體在自下而上的氣流中被整體抬升也是不可忽視的。

2.5 根際通風(fēng)對營養(yǎng)液溫度及溶解氧濃度的影響及分析

根際通風(fēng)以營養(yǎng)液及栽培板間的空氣夾層作為氣流通道，對營養(yǎng)液的參數(shù)產(chǎn)生直接影響。圖10為不同處理下營養(yǎng)液溫度及溶解氧濃度變化情況（2017-12-15 17:00－2017-12-21 12:00）。

圖10 不同處理營養(yǎng)液溫度及溶解氧濃度變化（2017-12-15 17:00-2017-12-21 12:00）Fig.10 Variations of nutrient solution temperature and dissolved oxygen concentration of three treatments(2017-12-15 17:00-2017-12-21 12:00)

各處理隨光暗期交替表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律， RV均低于CEC。其中，LCRV光暗期平均液溫分別為18.94和17.63 ℃，HIRV分別為19.75和18.43 ℃，CEC對應(yīng)數(shù)據(jù)分別為22.52和21.66 ℃。LCRV光暗期平均液溫最低，CEC最高，二者光暗期平均液溫分別相差 3.58和4.03 ℃；HIRV溫度變化幅度最大。隨著時間增長，各處理溶解氧含量均呈下降趨勢，在一周內(nèi)，LCRV和 CEC溶解氧含量由新鮮配制營養(yǎng)液約4.6下降至約1.8 mg/L；其中，CEC溶解氧在前期下降速率很快，當(dāng)試驗開始2 d后已降至2.8 mg/L，同期RV溶解氧數(shù)值為3.8 mg/L；在試驗后期，LCRV與 CEC溶解氧處于相同水平；HIRV在試驗開始2 d內(nèi)與其他處理保持相似的下降幅度，2 d后降至3.8 mg/L，此后下降趨勢明顯趨緩，并將這一溶解氧含量保持至試驗結(jié)束；此外，在試驗前期溶解氧濃度較高時，RV處理未顯示出明顯的隨光暗期交替變化的趨勢，當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度降至3.8 mg/L時方展現(xiàn)出隨光暗期交替變化的特征，CEC這一現(xiàn)象出現(xiàn)的更晚，試驗開始4 d后溶解氧降至2.4 mg/L時才顯示出來。

由上述結(jié)果可知，各處理光暗期營養(yǎng)液溫度均相差1 ℃左右，且隨光暗期交替呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化；CEC液溫較RV高3.58到4.03 ℃，大量文獻(xiàn)表明根際溫度高不利于植物生長，Benlloch-Gonzalez等[44]的報道中指出當(dāng)作物根際溫度較高時，可消除高二氧化碳濃度對根系的生長促進作用。Fukuoka和Enomoto[45]試驗表明根際溫度高可導(dǎo)致蘿卜褐根病發(fā)生。RV能夠降低營養(yǎng)液溫度，是由于該模式增加了營養(yǎng)液表面的空氣流動速度，促進了營養(yǎng)液蒸發(fā)降溫，LCRV降溫效果更佳。新鮮配制的營養(yǎng)液注入到栽培系統(tǒng)中后，其溶解氧含量快速下降，CEC中降幅更為明顯，這主要是由于氧氣直接向大氣擴散導(dǎo)致的，有文獻(xiàn)表明，營養(yǎng)液從儲液池運輸至栽培槽內(nèi)，溶解氧就會降低 67%[46]；植物根系呼吸也是造成這一現(xiàn)象的原因之一，這會對根系呼吸[47]，養(yǎng)分?jǐn)z取[48]及病原體防治[49]造成負(fù)面影響。由于RV中營養(yǎng)液溫度大幅降低，這在一定程度上增加了其溶解氧飽和度，加之RV所用風(fēng)機流量遠(yuǎn)大于栽培槽空氣層體積，使空氣層能夠維持約2 mm H2O的正壓，營養(yǎng)液層上方的氧分壓也相應(yīng)提高，更有助于空氣中的氧氣向營養(yǎng)液溶入。HIRV下溶解氧含量經(jīng)歷了短暫快速的下降后呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定的狀態(tài)沒有繼續(xù)下降，這可能是由于較大的風(fēng)速增加了營養(yǎng)液的擾動，促進了氧氣向營養(yǎng)液中溶入，保證了溶解氧的穩(wěn)定。隨著溶解氧含量的降低，其隨光暗期溫度變化的特征逐漸明顯，這可能是由于溶解氧含量的下降速率遠(yuǎn)高于由液溫降低促進氧溶入的部分，這一下降趨勢平緩后溶解氧隨液溫下降升高的趨勢才逐漸清晰。值得注意的是，本次試驗觀察到RV會加速營養(yǎng)液的蒸發(fā)消耗，這會導(dǎo)致其濃度上升，對蔬菜栽培產(chǎn)生潛在影響。在常規(guī)栽培過程中，營養(yǎng)液會定期循環(huán)并根據(jù)在線監(jiān)測結(jié)果補充清水或營養(yǎng)元素。通風(fēng)導(dǎo)致的營養(yǎng)液濃度變化在這一過程中能夠得到很好地解決，不會對植物生長產(chǎn)生不良影響。

上述結(jié)果表明，根際通風(fēng)使地上部及地下部環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生較大變化。這些變化會在多大程度上對植物生長造成何種影響尚不清楚，在今后的工作中，需要進一步完善根際通風(fēng)系統(tǒng)運行模式，通過植物栽培試驗及能耗監(jiān)測，優(yōu)化其運行參數(shù)，逐步降低植物工廠對大環(huán)境溫控系統(tǒng)的依賴，實現(xiàn)大幅節(jié)約空調(diào)能耗的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

針對現(xiàn)有植物工廠內(nèi)各處通風(fēng)調(diào)溫不均的問題，本研究提出了以營養(yǎng)液及栽培板間的空氣層作為氣流通道的根際通風(fēng)系統(tǒng)，并對低速連續(xù)（LCRV）、高速間歇（HIRV）及傳統(tǒng)環(huán)控方式（CEC）對植株地上部與地下部環(huán)境參數(shù)的影響進行了測試分析，得出以下結(jié)論：

1）傳統(tǒng)環(huán)控方式冠層上部溫度高于植物工廠環(huán)境溫度 0.84 ℃，以后者作為依據(jù)調(diào)控作物栽培區(qū)溫度不夠準(zhǔn)確，需要進一步降低環(huán)境溫度設(shè)定值以滿足植物冠層溫度，這將進一步加大空調(diào)制冷量，增加能耗。

2）根際通風(fēng)可以有效打破植物側(cè)向通風(fēng)阻擋，克服冠層邊界阻力，提供冠層下部0.051～0.11 m/s的風(fēng)速，且各通氣單元風(fēng)速均勻。在此作用下，冠層上部和下部溫度分別降低0.75和3.47℃。當(dāng)根際通風(fēng)開啟時，可以適當(dāng)提高植物工廠環(huán)境設(shè)定溫度，減少空調(diào)制冷量和啟動次數(shù)，節(jié)約大量電能。

3）根際通風(fēng)能夠調(diào)控根際環(huán)境，與傳統(tǒng)通風(fēng)模式相比空氣層和營養(yǎng)液溫度分別降低2.67和4.03 ℃。同時可減緩溶解氧下降速率，試驗結(jié)束時營養(yǎng)液中溶解氧濃度較傳統(tǒng)環(huán)控方式高2.0 mg/L，對植物生長具有潛在的正面作用。

綜上，本文提出的根際通風(fēng)調(diào)溫技術(shù)能夠針對各栽培單元進行分布式通風(fēng)，打破植物側(cè)向通風(fēng)阻擋，克服冠層邊界阻力，直接調(diào)節(jié)植物生長區(qū)微環(huán)境，提高植物工廠通風(fēng)控溫均勻性和效率，同時具有結(jié)構(gòu)簡單成本低的特點。在未來的植物工廠技術(shù)更新中，此類針對局部栽培區(qū)進行精準(zhǔn)微環(huán)境調(diào)控的技術(shù)將取代現(xiàn)有通風(fēng)模式在植物工廠中得到廣泛應(yīng)用。