基于物聯網的溫室環境因子CO₂的探討

宋成秀

摘要：目前，CO₂增施技術在我國幾乎未得到普及，前人對溫室內作物適宜CO₂濃度的研究單一且濃度單位使用不一，因此綜述了溫室內不同方位、不同時間、不同作物生長期CO₂濃度的差異。得出基于物聯網的智慧溫室cO₂感應器放置應均勻分布于棚室各個方位;若碳源不足，應該在中午、作物生長旺期及溫度較高、光合作用強烈的時期之前及時補充;CO₂濃度低極值應設定在210mg/L濃度以上，高極值位于1765mg/L以上。

關鍵詞：物聯網;溫室;CO₂

在可控氣候環境即設施條件下進行園藝作物生產栽培的方式叫作設施園藝。我國設施園藝發展歷史悠久，早在2000多年前，就已經出現采用透明覆蓋物提供高于外界的溫度生產時令蔬菜。截至2017年，我國設施園藝面積達370萬hm，位居世界第一，約占世界設施園藝總面積的80%，主要分布在我國北方地區。我國北方地區習慣上稱這種設施為節能日光溫室、日光溫室或暖棚，即使在冬季，依靠太陽也能滿足作物生長所需的溫度，一般溫室不需加熱。

日光溫室內的溫度、濕度、CO₂濃度等環境因子傳統的控制方式為人工值守進行監測控制，隨著勞動力成本的逐漸升高，以及人為控制環境因子的不精確性，智能化控制必將成為趨勢。基于計算機技術、傳感技術和互聯網技術的快速發展，物聯網技術不斷成熟，必將逐漸應用于現代設施園藝作物生產中。以物聯網技術為核心，以集傳感器技術、計算機網絡和移動網絡技術支撐，設計溫室智能控制系統，實現對溫室內溫度、濕度、CO₂濃度等環境因子以及設施裝備的自動化控制。基于物聯網的溫室智能控制系統對溫室內各項參數進行自動采集，自動控制溫室的CO₂增補等溫室環境控制系統，使溫室內的環境因子滿足作物生長所需，實現溫室生產過程中的精確控制。

日光溫室內CO₂虧缺會導致設施作物生長發育受阻，影響產量和品質的提高。早在30年前國內外已經開展對增施CO₂提高溫室作物產量品質的研究，但未對溫室內CO₂適宜的濃度范圍進行綜述，并且各研究文章對CO₂濃度單位使用不一，通過綜述溫室內不同方位、不同時間、不同作物生長期CO₂濃度的差異，并將CO₂濃度單位統一為百萬分比濃度（mg/L），以期為基于物聯網的智慧農業溫室自動化調控系統中CO₂感應器、釋放器的放置位置、工作參數提供理論支持。

1溫室CO₂虧缺增補的效應

CO₂是作物光合作用的原料，溫室CO₂濃度低于外界大氣水平即為‘虧缺。作物生長在CO₂‘虧缺環境中，會嚴重降低作物產量。

CO₂虧缺增補后有如下作用，①光合作用提高：CO₂施肥提高作物光合作用的活性、增大葉片氣孔內外的CO₂濃度差，同時也提升了葉綠體中CO₂與O₂的比例、RuBP羧化酶的活性增強等，從而提高了作物的凈同化率閉。②增加產量：花芽分化量增加、雌花數量增加、單株結果量也有提升。③降低植株發病率：黃瓜每100株的發病株次降低了9株次，施用CQ肥后，株高、坐果率均有提高，灰霉病發病率下降，產量提高、并且上市提前。④促進葉綠體的發育：CO₂增施后黃瓜葉片柵欄組織、表皮及葉片厚度均增加，同時柵欄組織厚度增加比例大于葉片總厚度增加比例，柵欄組織的細胞變長、排列更加整齊緊密;葉片葉綠體、淀粉粒、基粒均體積變大，葉綠體、淀粉粒、基粒片層數目以及單位葉綠體含淀粉粒數上升。⑤提升產品品質：增施CO₂處理黃瓜的株高、莖粗，可溶性糖、Vc含量均顯著高于不增施CO₂處理提高;也有研究表明，高溫下，增施CO₂可以緩解高溫對作物的危害。增施CO₂作為溫室的配套應用技術，對于提高溫室蔬菜生產效率有重要指導意義。

2溫室不同方位CO₂的濃度

吳翠蘭對溫室作物不同生育期CO₂濃度變化進行監測，從監測結果可以看出，株頂上部、冠層、壟面、溝內之間CO₂濃度差別不明顯，在植株垂直方向CO₂濃度變化總的趨勢為溝內>壟面>株頂上部和冠層，平均CO₂濃度溝內為877mg/L、壟面861mg/L、株頂上部844mg/L、冠層為841mg/L，最大相差36mg/L。

魏珉研究了日光溫室內CQ濃度的空間變化規律，結果表明，溫室內CO₂空間分布特點不同時間段分布不同，一般在早晨和傍晚CO₂濃度由高到低分別是：前部、中部、后部，垂直方向是近地面層、作物冠層、頂層;中午一般是前部<中部<后部，近地面層>頂層>作物冠層。影響日光溫室CO₂濃度變化的主要環境因素是光照度，通風可以稀釋溫室內高濃度CO₂，但是當溫室內CO₂虧缺時，通風也無濟于事。

基于物聯網的智慧溫室CO₂感應器放置應均勻分布于棚室的前部、中部、后部及近地面層、作物冠層、頂層。

3溫室不同時間CO₂的濃度

3.1CO₂濃度日變化

C02濃度日變化曲線常呈“U”“W”型，即一天中作物開始光合作用之前濃度最高，之后出現1個或2個低谷。1個低谷一般是12.00～14：00，2個低谷一般是中午放風前和下午閉風后。1個低谷的情況通常是不放風或者放風時間較長、溫室夜間CO₂積累水平較高，2個低谷多是放風時間短、光合速率高，短暫的通風僅短時間內補充了CO₂的虧缺。陰天溫室內CO₂的日變化曲線與晴天明顯不同，晴天白天的大部分時間溫室內CQ濃度低于外界CO₂濃度，呈虧缺狀態，而陰天溫室內CO₂濃度高于晴天，白天大部分時間接近外界CO₂濃度。陰天和多云時，溫室內CO₂濃度變化趨于平緩，有一個低谷或沒有低谷。

吳翠蘭測定日光溫室茄子不同生育期傍晚（17：00）至次日早晨（6：00～9：00）棚內CO₂濃度，結果顯示C02濃度隨閉風時間的延長呈遞減趨勢上升，但上升速度不同，苗期至采收前期CO₂濃度增加量逐漸增高，采收前期至采收中期逐漸下降，這種變化趨勢與作物生長旺盛程度有很大關系。日出后冠層CO₂濃度的變化呈遞減趨勢，不同生育期下降速度不同，其中采收前期下降速度最快;胡德奎測定溫室番茄CO₂濃度在184～577mg/L之間，日平均值為383mg/L。8～9時C02濃度下降最大明顯，平均52 mg/L/hEa;馬成芝測定的溫室內C02濃度日變化幅度較大，范圍在235.1～1838.3mg/L，平均濃度為792.7 mg/L。按大氣CO₂濃度300mg/L來看，馬成芝測定溫室內CO₂虧缺程度很低，基本能滿足作物需求，吳翠蘭和胡德奎測定結果均存在不同程度的虧缺，一般在日出6小時之后開始出現虧缺。

3.2 CO₂濃度季節變化

魏氓研究溫室CO₂濃度季節變化，得出溫室CO₂濃度變化規律是在冬春寒冷季節，由于外界溫度低，日光溫室通風少甚至全天候封閉，作物光合作用旺盛CO₂虧缺嚴重，夏秋季節虧缺程度低于冬春，李勝利研究結果為棚內CO₂濃度在3月達到峰值，在6月達到整個生育期的低谷響。而胡德奎探究高寒冷涼地區溫室一年中CO₂濃度變化，結果顯示6月虧缺時間最長，達到8小時，4～5月虧缺在7小時左右，7～9月在5小時左右，10月至翌年3月虧缺時間只有1小時左右。其中李勝利與胡德奎研究結果基本一致，與魏珉研究結果相反，矛盾點在于判斷虧缺標準不一，魏氓依大氣CO₂濃度作為虧缺與否的界限，因此在不通風時易發生虧缺;而其他兩人依作物生長適宜濃度為標準，因此作物光合作用劇烈時易發生虧缺。

基于物聯網的智慧溫室CO₂釋放器釋放時間一般在接近中午，作物生長旺期及溫度較高、光合作用強烈的時期，若碳源不足，應該在這些時期之前及時補充。

4溫室不同作物生長期CO₂的濃度

作物生長從苗期至收獲結束整個時期對CO₂需求不一，苗期生長量增長緩慢，因此對CO₂需求量也較低，收獲后期生長量逐漸降低，CO₂需求量也逐漸降低。而作物生長的旺盛期，光合作用旺盛，CO₂需求量很大，即使自然通風也無法避免CO₂虧缺。不同物候期溫室內一天中CO₂變化規律基本一致，但旺盛期白天CO₂濃度下降更快，低谷虧缺程度高，日平均值也低。作物苗期光合及呼吸作用弱、成株光合及呼吸作用強，土壤呼吸強弱也有變化，通風也對溫室CO₂濃度有影響，因此溫室內CO₂是否虧缺影響因素較多，而基于物聯網的智慧溫室CO₂感應器無需考慮物候期等影響因素，直接以CO₂濃度范圍判斷是否虧缺及時補增。

5溫室適宜CO₂的濃度極值

董正武主張增施CO₂濃度至900mg/L;侯新村對溫室CO₂濃度進行監測，結果表明溫室內CO₂濃度范圍處于200～800mg/L，表明油桃的CO₂吸收低點是200m～L左右，但無法確定飽和點，飽和點處于800mg/g以上。

魏氓研究溫室黃瓜棚內CO₂濃度變化結果顯示：上午棚內CO₂虧缺時，補施CO₂濃度達到780mg/L和1215mg/L，光合速率升高至2.10倍和2.75倍，因此說明溫室黃瓜CQ飽和點高于1215 mg/L。左鵬研究高效節能日光溫室中，CO₂氣肥補施濃度控制在1130～1765mg/L的條件下，栽培的黃瓜苗壯、葉徑大，抗病能力增強，產量高、提前上市、結果期長㈣，但并未對1765mg/L濃度以上CO₂進行試驗。

外界CO₂濃度210～340mg/L，大氣中CO₂濃度隨季節和外界作物生長量的不同而略有變化，自然狀態下溫室內CO₂濃度低限與外界接近，此時因濃度過低作物無法吸收利用CO₂，因此基于物聯網的智慧溫室CQ濃度低極值應設定在210mg/L濃度以上，目前還無文獻探究高極值，根據魏珉和左鵬的試驗結果可以判斷高極值位于1765mg/L以上。至于特定的作物CQ最佳濃度還需進一步研究。

6結論

溫室CO₂虧缺增補可以提高光合作用、增加產量、降低植株發病率、促進葉綠體的發育、提升產品品質等，基于物聯網的智慧溫室CO₂感應器放置應均勻分布于棚室的前部、中部、后部及近地面層、作物冠層、頂層;CO₂釋放器釋放時間一般在接近中午，作物生長旺期及溫度較高、光合作用強烈的時期，若碳源不足，應該在這些時期之前及時補充;CO₂感應器無需考慮物候期，直接以CO₂濃度范圍判斷是否虧缺及補增;CO₂濃度低極值應設定在210mg/L濃度以上，高極值位于1765mg/L以上，至于特定的作物CO₂最佳濃度還需進一步研究。