內環流控溫技術的運用對糧堆生態系統的 影響研究

◎ 韓 冰，劉建嶺，楊 堃，陳 凱

（中央儲備糧開封直屬庫有限公司蘭考分公司，河南 開封 475000)

1 概述

1.1 糧堆生態系統

生態系統是指在自然界的一定空間內，生物體與環境構成的一個統一整體，在這個整體中，生物與環境之間相互作用、相互制約，并在一定時期內處于一個相對穩定的動態平衡狀態之中[1]。

糧堆內生態系統主要指的是儲糧階段糧堆內的生物群體與其所處環境的非生物群體組成的具有自我調節能力、能量轉化與物質循環的人工儲藏生態系統[2]。其他生態系統的區別在于糧堆內生態系統是一個有限資源的閉環人工與自然復合的生態系統，人為活動與倉庫類型會對倉內生態系統產生巨大影響，并且糧食籽粒是其中唯一的能量來源。儲糧生態系統如圖1所示。

圖1 儲糧生態系統示意圖

糧堆內生態系統的基本構成有物理因素、化學因素、無機鹽類、有機物、生產者、消費者和分解者。其中物理因素主要是指倉房圍護結構、溫濕度、風力風速等；化學因素主要是指氣體；無機鹽類為水分；有機物是消費者的代謝產物。糧堆內的生產者主要為糧食籽粒；消費者是以糧食為食物的害蟲以及以害蟲為食物的鼠雀；分解者主要是各類微生物。糧堆生態系統的構成按照成分分類又可以分為生物成分和非生物成分。生物成分為主要包括糧食籽粒、微生物、害蟲與鼠雀等；非生物成分主要包括溫度、濕度、氣體、雜質、糧倉所處位置、倉房結構形式與糧食堆積方式。在糧堆內生態系統的各種組成成分中，如果有一種成分發生異常變化，就會影響糧堆內生物體的正常生物活動，因此對糧堆內生態系統的影響因素進行人為控制，對提高糧食儲藏穩定性以及保證糧食儲藏質量具有重要意義。

1.2 內環流控溫技術的應用

內環流控溫儲糧技術是近年來國內興起的一項綜合了機械通風、保溫隔熱等控溫儲糧技術于一體的安全、綠色儲糧技術。通過糧倉底部的通風籠、倉外的通風道、保溫管與環流風機與倉內的空間形成一個閉合回路，其技術原理是在冬季低溫季節通過機械通風充分利用大氣溫度降低基礎糧溫進行蓄冷，而在高溫季節對倉庫進行密閉，通過糧堆的“冷心”實施內環流，將糧堆內冷氣通過通風道抽出，經保溫管送至倉頂，達到降低倉內溫度、倉內濕度、表層糧溫的目的[3]。在夏季高溫的外界環境下，使用此種儲糧技術能將糧倉內的平均溫度控制在15 ℃以下，實現了低溫或準低溫儲糧、減緩儲糧過程中害蟲滋生的目的。與傳統的低溫儲糧技術相比，該方法的運行成本較低，且儲糧效果顯著提升，目前內環流控溫技術在全國范圍內的糧食倉儲單位中得到了廣泛的應用。內環流控溫系統如圖2所示。

圖2 內環流控溫系統示意圖

內環流控溫技術的應用對糧堆內的生態系統起到了調節與優化的作用，使糧堆即使在夏季高溫的大氣環境下仍然能夠保持低溫低濕、冷空氣持續環流的狀態。

2 內環流技術對倉內環境的影響

2.1 對倉內溫度的影響

溫度對糧食儲存安全的影響是至關重要的，在儲糧工作中，若未有效控制糧倉內溫度，溫度升高極易造成糧食色度迅速變化，稻谷干物質下降，出現黃變現象，且溫度的變化直接影響到儲糧害蟲的生長與繁殖，因此控制儲糧環境溫度是一種有效防治害蟲的物理方法。

內環流控溫儲糧技術可以在冬季將糧堆冷心降到3 ℃以下，而夏季則能將倉內溫度和表層糧溫控制在20～25 ℃，有效延緩表層糧食和周邊糧食的質量變化速度，延長儲存時間。此外，由于表層糧溫受倉溫的影響較大，夏季時內環流控溫有效解決了糧堆“冷皮熱心”問題，減小了外部高溫環境的影響[4]。

2.2 對倉內濕度的影響

倉內的水分是糧堆生態系統中生物體進行一切生理活動的介質，尤其是高濕度環境能夠加速微生物的生長繁殖。對于糧食本身，當水分含量較大時，呼吸作用增強，繼而產生水分和熱量，影響糧食安全儲藏。

內環流控溫技術在對倉內溫度進行控制的同時也會對倉內濕度產生影響。其原理主要是通過自上而下的氣流穿過糧堆，此過程中水分含量較高的糧層會在散濕作用下降低水分含量，并提高糧堆孔隙中的濕度，而水分較低的糧層會通過吸濕作用增加水分，使水分由上而下轉移，最終可以在倉內形成濕度為15%～35%的相對穩定平衡狀態[5]。但該過程會造成表層糧堆水分明顯降低，無法準確衡量糧堆表層糧食的品質，但是有關研究表明，表層水分的下降也直接防止了糧面結露的發生，且較為干燥的環境同時能夠抑制部分蟲、螨的活動。

內環流技術的使用對糧堆不僅具有降水功效，還具有保水與均水的功效。通常控溫控濕技術運用的同時，會伴隨倉內濕度降低造成糧食水分的流失，而內環流控溫技術是一個閉合回路，與外界空氣并沒有濕熱交換，原則上并不會存在水分的流失，相反能夠有效做好糧食儲存過程中的保水工作。因此該項技術的應用對糧堆起到了調節作用，倉內相對濕度會出現明顯下降的同時又延緩糧食質變，降低糧食損耗。均水主要是借助持續的環流實現新的糧食水分平衡。

2.3 對倉內氣體的影響

糧堆內的氣體成分與大氣環境中的空氣不同，并直接影響到糧食籽粒的生化變化。由于生物成分在倉內持續進行異化作用，倉內會出現低氧高二氧化碳的現象，這種氣體成分對于糧食儲藏有利，但并不能保證倉房結構具有良好的氣密性，所以通常倉內氣體依舊會與外界空氣進行流通。

內環流技術的運用能明顯提升糧倉內的氣體流動強度。通風密閉儲藏是以低溫儲藏和干燥儲藏為基礎，內環流技術的使用可以隔離儲糧環境與外界環境之間的接觸，因此是一個密閉的通風環境，能夠有效保持儲糧的低溫和干燥。與未使用內環流技術和使用機械通風儲糧技術的糧倉相比，其氣流流量會更大、流速更快[6]。普通的機械通風儲糧需要將外界具有一定溫度和濕度的空氣通過機械通風輸送到糧堆內部，糧堆內部的濕熱空氣與糧堆外部的冷空氣進行交換，該方法的弊端在于通風工藝的不同以及通風量的大小控制不規范容易引起糧堆結露，而內環流技術有效保證了糧堆持續處于一個均溫均濕的環境中，防止糧食結露。此外，內環流技術的氣體流動力度與速度足以抵消由濕熱擴散和水分轉移所引起的氣流，從而也消除了氣流對安全儲糧造成的不利影響。

3 內環流技術對生物因子的影響

3.1 對糧食籽粒的影響

內環流技術對糧食本身存在的影響是多方面、系統性的。首先糧食籽粒即使處于倉內儲藏期間，依舊屬于生命的有機體，因此會不斷進行新陳代謝與異化作用等最直接、最明顯的生理活動。而糧食籽粒在進行異化作用的同時需要各種各樣的酶參與其中，酶促反應中最重要的一個影響因素就是溫度，因此溫度也是影響糧食呼吸作用的一個重要因素。在未應用內環流控溫技術時，隨著溫度的上升，酶促反應加劇，糧食呼吸作用也會隨之加強，而呼吸作用會釋放出熱量，繼而加劇溫度的升高，最終造成糧食腐敗，而內環流技術則能夠很好地控制倉內溫度與糧食溫度[7]。

內環流控溫技術的使用目的就是營造不受氣溫影響的低溫、均溫環境，這種環境能夠抑制糧食的呼吸作用，也是儲糧工作中的理想狀態，有效消除了氣溫和倉溫、倉溫和糧溫之間的溫度傳遞。除此之外，內環流技術可以持續降低倉內的相對濕度，這也是目前常用的幾種控溫技術中獨有的優勢。濕度的降低會使糧食的散落性提升，大大降低了糧食霉變與結露的風險，并且內環流并沒有與外界環境發生流通，在降低倉內濕度的同時也保證了倉內儲糧水分不至流失，保持糧食新鮮度。

3.2 對蟲害的影響

無論何種控溫儲藏方式，其最終目的都在于改變并限定糧倉內的溫度。與熏蒸等傳統化學方法不同，內環流控溫技術是一種溫控與濕控的物理防治，主要通過降低溫度來防止蟲害干擾，保證糧食儲存品質不變。《糧油儲藏技術規范》中所列出的19種糧食儲藏所防治的蟲害類型中，內環流控溫技術可以有效防治其中的14種。大部分的儲糧蟲害都是一種變溫動物，自身并沒有調溫能力，因此只能在適宜的溫度下生存繁衍，一旦受到外界溫度影響，其生存能力都會受到直接限制。當倉內溫度在17 ℃左右時，絕大多數害蟲的生長都會受到抑制，而隨著溫度持續降低，抑制作用會一直加大[8]。

內環流控溫技術在物理防治蟲害的同時，也同樣具備磷化氫環流熏蒸系統的功能，利用其優良的內循環功能，加速磷化氫向糧堆內部的滲透和擴散，這比普通熏蒸穿透速度更快，分布更均勻，也不會造成糧堆冷源的損失，實現了環流熏蒸殺蟲的效果[9]。

3.3 對微生物的影響

微生物屬于糧堆生態系統的分解者，糧食籽粒的表面以及內部都會存在微生物，主要有霉菌、酵母菌、細菌等。導致糧食發生霉壞的最主要原因就是霉菌的存在，而霉菌也是對糧食的安全儲藏影響最大的一種微生物。因為霉菌在進行正常生理活動時所需要的環境條件會比其他菌種低，內環流控溫技術對微生物的影響也主要體現在對霉菌的抑制和預防方面。

對于霉菌來說，其生長和繁殖速度的決定因素是外界溫度，此外還與霉菌種類和糧食中水分含量有關。大部分霉菌活躍在20～40 ℃，例如青霉和曲霉的最合適生長溫度分別為20 ℃和30 ℃，但也有少數的霉菌適應低溫條件[10]。同時環境中的濕度也會對霉菌的生長代謝產生一定的影響，通常條件下，當倉內溫度在20 ℃以下，濕度在65%以下時，可以抑制大部分儲糧微生物的生存與繁殖，并且能有效抑制微生物產生毒素，確保了糧食在儲藏過程中具有更好的儲存質量。

4 糧堆生態系統與內環流技術的雙向制約

4.1 內環流技術的弊端

糧堆生態系統不同于其他生態系統的最關鍵一點在于它是一個有限資源的閉環人工與自然復合的生態系統，而內環流技術不同于其他糧食儲存技術的一個主要特點在于它在調控倉內環境的同時受到倉內環境的制約，也就是說內環流技術與糧堆內的生態系統是一個雙向影響的關系。

對糧食儲藏質量和時間影響最大的因素是溫度，糧堆生態系統中的三溫之間相互影響。首先大氣溫度變化影響到倉內溫度，倉內溫度又會影響糧堆溫度。氣溫的變化幅度一般較大，日變化中最高氣溫出現在下午2:00左右，最低氣溫出現在日出之前，年變化中氣溫最高的月份為7—9月，最低的月份為1—3月。倉溫的變化會比氣溫變化推遲4 h左右，并且倉溫變化受到圍護結構的影響。而對于糧堆溫度，又較倉溫推遲2 h左右。但對于表層30 cm左右的糧層，其溫度變化與糧堆內部是不一致的，會出現冷心現象。

從內環流技術的作用機理來講，前提是要在低溫的冬季進行蓄冷，因此該方法在四季溫度變化不明顯的地區并不適用，但可與空調機儲糧技術綜合使用，對糧堆冷心的冷源進行補充，又能夠充分利用天然冷源。

4.2 圍護結構對內環流技術的影響

圍護結構作為儲糧生態系統中的一部分，對內環流技術運用的制約和影響也是較大的。圍護結構在設計之初就要以糧食安全儲藏為目的，在力學允許的條件下，增加其防熱防濕的能力，盡可能使糧食不受外界環境氣候以及生物因子的影響。

內環流技術對于圍護結構的要求較高，因為圍護結構的隔熱性能差會導致內環流技術的控溫控濕能力急劇下降。例如，在高溫季節，若倉房氣密性差，會直接導致熱皮冷心現象的出現，此時使用內環流技術會消耗大量的蓄冷冷源；在多雨季節，大氣濕氣影響倉內濕度，則同樣損耗內環流技術的冷源。因此，在對圍護結構進行設計建造時，一定要注意以下幾個方面。①圍護結構與糧堆的接觸面使用導熱系數較小的材料，在傳熱過程中熱量遷移較小。②倉頂也要使用熱阻大的材料，因為一般來說倉頂的傳熱是倉壁的數十倍，設法降低倉頂的傳熱系數對于內環流技術的運用同樣重要。

4.3 雜質對內環流技術的影響

糧堆生態系統結構中一般都會含有一些無機、有機雜質。雜質的成分一般為砂礫、泥土、植物等。雜質的存在是不可避免的，它的存在對于內環流控溫技術是十分不利的。無機雜質的存在會堵塞糧食籽粒間的孔隙，在內環流啟動時影響氣體之間的流動，不利于散熱散濕。

5 結語

內環流技術的廣泛使用有效解決了糧食在儲藏過程中的結露、掛壁等問題，也解決了糧食儲藏過程中“冷心熱皮”的隱患，對于倉溫的良好控制意義重大。相對于其他儲糧技術來說，內環流技術是一種安全、經濟、綠色的儲糧技術；對于倉內濕度的控制而言，其能夠保證糧食儲存過程中處于一個均濕且干燥的狀態，防止糧食霉變；對于倉內的氣體流動來說，其能夠提升氣體流速與氣體強度，并且密閉環境也避免了與外界空氣的交換；對于糧食本身，適宜的溫度和濕度也使糧食儲存質量得以保證，延長糧食儲存時間，同時低溫干燥的環境抑制了蟲害與微生物的生長與繁殖。糧堆生態系統與內環流控溫儲糧技術之間是相互制約的關系。內環流技術本身的不足以及生態系統中的圍護結構、雜質等對內環流技術的影響也是不可避免的，因此在未來的研究工作中，仍需對該項技術進行進一步的改進。