设施农业生态综合性报告

1温室设施结构及生产应用中能量调节的发展及现状李萍萍乔韡轶江苏大学生物机电工程研究院（农业工程研究院IAE）江苏镇江（212013）【摘要】：温室大棚建筑设施是近些年来随着农业现代化和农村种植业结构调整而逐渐发展起来的新型农业设施，是设施农业生态研究及应用领域的主要研究对象和构成部件。在其设计、建造和应用方面，温室体系的能量利用效率、利用方式，室内能量流动、转化等转变过程逐渐成为热点探究方向。本文在回顾近现代人工温室大棚近百年的发展历程中，对其不同时期、不同结构类型的温室大棚能量调节方式进行整体回顾、总结及评价和归类，并对其未来发展的主要趋势进行展望。关键字：温室体系能量调节方式能量利用效率一、引言在人类的农业生产活动中，温室大棚的发明应用由来已久。据记载，古罗马人早在公元3世纪时就曾利用类似的建筑结构进行作物种植。我国西汉时期也有”纸窗温室“的历史记载。现代化形式的大棚在13世纪的地中海区域初具雏形，并在之后的时间里随着农业生产的进步得到改良和推广。近现代以来，温室大棚在世界范围内逐渐成为现代农业设施生态体系主要的组成部分,特别自20世纪中期以来，随着设施生态农业的发展，外部结构从最初的简易的小拱棚转型发展到温室塑料大中棚，如规格化的单栋、连栋大棚，单体造型上也有单屋面大棚和双屋面大棚；按使用的外表覆盖材料分则为塑料大棚、玻璃大棚；从自动化配置的程度上也可分为简易人工大棚、机械自动化大棚、智能化大棚；从现阶段实际投入生产应用的主要类型可分为塑料大棚、日光温室、连栋温室。温室大棚在随着生产推广应用过程中不断的改良发展，其最主要的生产应用目的在于提高农业设施2体系的生产效率。能量作为所有生态系统维持存在的最基本动力，其流动的状态，及传递和转化的过程同样也是体现设施农业生态最基本功能作用之一。而对能量利用效率的高低，则成为温室设施作用性能高低的主要评价标准之一。据研究分析，一般情况下，温室生态系统整体的能量流动模型为：⑴能量输入：日光能和人工辅助能是作为温室生态体系的能量输入。其中人工辅助能的主要形式是有直接工业辅助能和间接工业辅助能。直接工业辅助能是以化石燃料燃烧放热、通电补光等方式直接供能。间接工业辅包括助能钢材、农用塑料等建筑耗材及化肥、农药等有机试剂添加。⑵能量转换：温室里作物利用自然日光能和人工辅助能，通过光合作用合成为有机物，形成初级生产力。⑶能量输出：温室中作物植株内所积累的有机物质随其应用产品的收货产出系统能量。温室设施体系的能量应用、对能量利用效率的改善和提高，主要就是在上述循环变化过程中不同的环节进行调节完成的，其最终是为增加农作物产出能量利用效率。二、温室能量输入、输出方式及利用率1.温室设施调节能量输入率方式日光能人工辅助能外层反射可见光吸收叶片反射释放热量Q作物植株光合作用Pn释放热量Q蒸腾作用呼吸作用释放热量Q补加光照工业辅助能直接型间接型燃料燃烧放热Q材料物质、肥料、农药作物有机物质积累协作能量输入能量输出电力设备装置调节31.1日光能输入调节1.1.1增加日光进入方式外表覆盖材料透光性：主要覆盖材料以塑料膜、玻璃和阳光板为主。ⅰ.塑料材质：以我国设施农业为例，其温室主要的外表覆盖材料主要是以塑料膜为主。其优点是价格便宜，安装简单，维护费用低。[1]缺点是使用年限短，保温效果差，特别主要是透光率低。塑料膜的主要材料有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和醋酸乙烯（EVA）3种树脂之一或复合而成。[2]聚乙烯（PE）膜相比聚氯乙烯（PVC）材质的膜紫外辐射透光率高，有效可见光辐射透过率基本相等。在外界低温阴冷的情况下，PE棚膜结露重于PVC棚膜,其透光率低于后者,但是PVC棚膜在使用一段时间后,由于增塑剂的析出,易沾染灰尘,使透光率显著降低。据相关行业研发的新型覆盖材料F-clean膜其透光率可高达93％，而且具有超长耐候性，寿命可达20年。同时，还具有紫外线透过、自洁性和阻燃性等众多优点，温室发言就发展的前沿项目中，有大面积使用的双层充气F-clean膜，既实现了高透光高保温的效果，又可提供均匀的散射光以充足供应作物生长所需日光能。ⅱ.玻璃材质：[2]随着国内现代化温室的增加和国外资助项目的引进，玻璃和阳光板作为温室覆盖材料更多地应用于科研基地或高档花卉生产温室，但普通农户使用较少。玻璃是温室常用的覆盖材料之一，由于其具有良好的透光性能，且材料性能稳定，透光率衰减缓慢，常被设计寿命长的温室所采用，玻璃的保温性能介于塑料薄膜和阳光板之间，但其透光性能最高。据相关报道称，河南裕华光伏新材料股份有限公司专业生产温室专用玻璃最大的特点是高透光、高散射、无滴露，其可见光透光度在荷兰瓦赫宁根大学园艺实验室检测透射比达到99%（按荷兰NEN2675园艺标准），极大地提高投射日光能的作用。玻璃温室所需配件和密封材料价格均较高，由于其质量大，使骨架荷载增加，骨架用量也相应增加，因此总体成本较高，不利于大范围推广。ⅲ.阳光板:又称为聚碳酸酯（PC）板。作为温室覆盖材料的聚碳酸酯板产品一般分为中空板（两层或三层）和波纹板（也称浪板）两大系列。为满足采光需求，温室通常选用无色透明板材，大大增强了温室的保温性能，使温室能耗降低。同时阳光板又具有优越的透光性能和较长的使用寿命,其通过UV材料用共挤防紫外线层（UV层）技术添加UV层起到紫外滤光作用保护作物植株。作为一种新型的温室用材，在降低以后的运行成本和用户的维护费用方面起到了很大的作用，但其价格在温室覆盖材料中较高,不适合大面积进行推广。温室主体框架构造：[3]其本身结构框架在生产应用改良过程上对于日光能采光透射应用上具有典型体现1)总体结构样式发展历程及现存问题：以我国自主研发的日光温室为例，从最开始的“一坡一立式”到之后的“一面坡式”，又改进到拱顶形，并在框架结构上出现悬索结构、悬梁吊柱结构或焊成拱架结构和高端的全钢架高脊结构，近些年又兴起的大跨度、高效土地利用型连栋温室，各个阶段的典型类型其整体上在采光面积、受光角度、整体保温性能、空间框架稳定性、空间可活动范围、遮光面积等方面进行不同程度的调整和改进，其总体趋势朝着加大采光面积，提升透光率，加强保温性能，扩大室内空间范围，提高连体大棚框架承载力度等方向进行，其中扩大采光面积最为主要。在温室大棚较为集中的我国北方地区,多采用三立4一坡式”的被动式温室。“三立一坡式”被动式温室不需要消耗常规能源,一次性投资比主动式温室要小很多,而且后期运行成本低,结构简单,复杂设备较少,方便维护管理,合乎我国国情,但其缺点是人工对温室内环境的可控性差,室内环境受自然条件变化较大,在冬季夜间温度较低或连续阴天时,保温效果较差,需要依靠辅助的加温来维持适宜的温度,2)前顶面：温室的采光面，就其常见的主要结构类型是单斜面坡形、弧形坡形、圆-抛物面坡形三种类型。这三种主要前顶坡面的采光效果，由相关研究表明，王静等对单斜面温室、抛物面温室和圆-抛物面温室做了试验研究,对这三种结构的温室内光环境进行比较,得出了圆-抛物面温室光照度大于抛物面温室,大于单斜面温室的结论。李有等对日光温室三种高效采光面(圆弧面、椭圆面和抛物面)进行了理论计算分析,并从采光效率、保温效率和土地使用率三个方面考察,分析得出,圆弧面采光效率大于椭圆面,大于抛物面,在三种面里面,椭圆面的土地使用率最高,但保温效率最低。综上所述，抛物-弧形前顶坡面其采光性整体最好。3)采光面倾角、后屋面坡角：我国早期的日光温室如“一面坡”型，脊高较矮，并且后屋面较长(占温室总跨度的30%以上)，保温性能较好，但由于采光面倾角、后屋面坡角均过小，因此采光性能不佳。到“一面坡”式类型时，采光角增至30，增加太阳光透射率，后墙高度和坡度的调整，基本可以保障北纬40°以北地区，冬至日正午时刻太阳光可照到后屋面，增加后墙的蓄热量，提高夜间温度。在之后的类型，像由于塑料薄膜作为温室覆盖材料的广泛应用，这一时期开始温室结构相比之前的类型有明显的变化，主要是将前屋面由折线形改为拱圆形，坡度为多种倾角，并且将脊高升高，进一步增加采光面积。80年代后期，连栋型温室大棚采光倾角以圆拱型、锯齿型、人字型的屋顶设计为主，并增加后屋倾角以求最大程度完成采光。4)室内空间：日光温室最初的单面倾角类型温室俱都存在室内空间较小，设施器件安置、劳动作业进行不便的问题，之后的圆拱形屋顶大棚将屋脊升高，室内空间大为提升。随后出现的悬索结构、悬梁吊柱结构，或焊成拱架结构，均朝着少柱、提高后墙高度、缩短后屋面投影长度的方向发展。在此基础上，同时为提高采光的性能效果，温室的框架结构设计将脊高明显提高。温室结构采用全钢架结构，室内无柱。该类型温室不仅结构稳定，是室内空间大为拓展，透光性能也得到大大提高。1.1.2减少日光进入方式温室内的作物植株其在进行光合作用生理过程中，有光补偿点和光饱和点两个阈值界限。在炎热高温的晴天时，过强的光照导致热量聚集，温度升高，造成叶面灼伤，加速水分蒸腾，导致气孔关闭，最终会对植株光合作用起到抑制作用。所以有时根据温室光照的情况而定，需要减弱日光能的能量。①不同颜色滤光板、滤光贴膜：安放在覆盖材料表面或温室内植株上方。②伸缩式外遮阳网：遮阳网覆盖，主要目的是降低温度。使用遮阳网时，要协调好温度与光照之间的矛盾。一般在晴天光照充足，光强大于2万lux，室内温度高于35-40oC时才张开遮阳网，早晚和阴雨天将遮阳网收拢。③内保温帆布：在夏季极度光照高温情况下，可打开此装置以反射驱散过多日光能对植株直接照射造成的灼伤及热量聚涌形成的高温造成水分流失加剧。51.1.3日光能接收蓄热保温方式①太阳能聚热系统：真空集热管、集热水箱和散热管道几部分组成，将白天集蓄的热能用于夜间加温。技术上可行，经济上目前还不便于大范围推广。②温室地表膜：在大棚内部种植作物地表加盖PVC等塑料材质地膜，起到反射入射温室大棚的日光能，同时在吸收部分日光能后放热保温维持室内温度。这样做的效果相比裸地直接覆盖地表膜效果普遍较好。据报道，[7]贵州省凤冈县农业局通过大棚地膜覆盖与露地地膜覆盖栽培进行对比,大棚内栽培糯玉米,比露地地膜覆，盖栽培提早成熟3~5d,不仅可以较普通栽培提早生育期,而且产量较高,能量利用效率高。③外表覆盖材料加厚处理：北方地区的连栋大棚在秋冬季低温时期，经常采用通过加厚处理外表覆盖材料，双层薄膜覆盖、双层充气膜或多层覆盖物以对进入温室内部日光能产生的热量保存蓄积以便维持较高温度。④内保温帆盖布：冬季大棚内为保持较高温度以便作物植株进行正常的光合生理作用，达到相应的光能产值。内保温设备具有蓄积日光能散发的热量，在低温时期起到保温效果；夏季炎热高温时期，也可起到避光遮阳降温效应。1.2人工辅助能输入调节人工辅助能的输入是维持生态经济系统所必需。其中，人力、种苗、有机肥料等生物辅助能的输入域一般农业生态系统基本相同。辅助能的输入可以改善温室作物的生活环境，促进作物的光合作用，提高光能利用效率；同时也可改变温室生态经济系统中各种生物组分的比例关系，削弱温室优势生物所遭遇的竞争压力，减少病、虫、杂草危害造成的损失，提高温室优势生物产品的产出量。所以，温室生态经济系统的是指是通过大量工业辅助能的投入构造作物生长的适宜环境，提高土地生产力和生物能产出量。1.2.1间接工业辅助能输入①大棚组成部分结构用耗材：如搭建大棚外体轮廓用钢架材料、应用设备金属部分及外表覆盖材料农用塑料、玻璃和感光板等工业技术制造产品，其实都是通过做工将能量通过做功输入这些构建中。这些通过做功贮存在各部件内的能量并不直接参与温室内部的能量流动循环，但在大棚长期使用过程中通过本身的功能起到其所相对的应用性。②营养肥料：植物生长所需的矿质元素按含量比例主要有大量元素碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钙、镁，以及必需的微量元素铁、锰、硼、锌、铜、钼、氯、镍，在施肥时需要根据作物植株具体的生长状况和具体情况需要而定，通常情况6下，在实际农作物栽培种植应用中按所含组成成分包括[8]无机矿质元素化合肥和天然生物有机肥。ⅰ.化学肥料：在世界范围内，生产、运输和使用的化学肥料