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第八章无土栽培的环境调节控制设施•通过对半封闭系统的物质交换和能量调节来改善或创造周年更适于作物无土栽培的生长环境，以期获得栽培作物速生、优质、高产、均衡和最大的经济效益。•构成作物的综合环境，往往是由光、温、水、气、养分的组成与浓度等多种因子组成。本章重点介绍无土栽培作物与环境因素及环境工程间相互作用的规律及有关温室、大棚等环境调节控制设施的性能、特点与调控技术。第一节环境调节控制概述一、环境调节控制的意义与作用•遗传决定农业生产的潜势，而环境则决定这种潜势可能兑现的程度。作物对环境因素的要求，涉及光、温、水、气、肥等众多的因子。同时，随着品种、生育阶段及昼夜生理活动中心的变化而不断变化。因此，作物对环境因子的要求，是由彼此关连的众多环境因子组成的综合环境动态模型决定的。•进行综合环境调节要考虑：•室内外各种环境因子和作物生长发育情况；•各种生产资料投入的成本、市场价格变化、资金周转和栽培管理作业等。•综合环境调节是以速生、优质、高产为目标进行监测、分析与调节控制。•综合环境管理是在综合环境调节的基础上，随时根据市场变化与效益分析，对目标环境指标进行修订，以期获得最大的经济效益。二、环境工程设施设计的原理和基本要求•先进的生产技术与生产工艺总是通过一定的建筑结构、环境调控设施等硬件作为载体，并与优良的品种、科学的种植管理技术相结合而体现出来的。•首先是利用围护结构把一定的空间与外界环境隔离开来，形成一个相对封闭的系统。这是区别于露地栽培达到改善和创造作物生长优良环境的先决条件。而环境工程则是在一定建筑设施的基础上，通过对半封闭系统的物质交换和能量调节来进一步改善和创造更佳的生长环境。二者相互制约，相辅相成。•环境工程设施在设计、建造及运行管理时须符合以下原则和基本要求。1、安全可靠在一定的设计使用年限和设计标准条件下，保证建筑结构和环境工程设施运行的安全性和可靠性。2、经济适用一次投资和运行费用较低；节约土地、能源、人力等资源；便于机械化、自动化作业；能充分满足作物无土栽培管理要求。3、保护环境环境问题是人类生存和经济、社会发展的基础。建筑与环境工程设施，应便于栽培环境废弃物的处理和再利用，避免环境污染与公害，保证无土栽培设施的可持续发展性。第二节常用环境调控设施的结构与性能•温室•日光温室•大棚•防雨棚•遮阳网覆盖等一、温室•用透光覆盖材料作外围护结构密封件，可让绝大部分太阳短波辐射透入，阻止绝大部分地面长波辐射透出，能起到蓄热升温与保温作用，可供冬季作物栽培的建筑设施统称为温室。(一)温室分类•按无土栽培用途可分为：生产温室、试验研究温室、观赏温室与庭院温室。•按加温与否可分为：加温温室、不加温温室。•按室内的环境温度可分为：高温、中温、低温温室与冷室。•按覆盖材料可分为：玻璃温室、硬质塑料或聚酯板温室、塑料薄膜温室。☆硬质塑料或聚酯板温室的覆盖材料主要有：•PVC(聚氯乙烯)•PC(聚碳酸酯)•FRP(玻璃纤维聚酯波纹板)•PC双层或三层中空板☆温室覆盖材料使用的塑料薄膜有：•聚氯乙烯(PVC)膜•聚乙烯(PE)膜•聚烯烃(PO)膜(聚乙烯PE和聚酯酸乙烯EVA多层复合)(二)温室常用结构形式及性能特点1、单坡面温室•屋脊东西向，坡面朝南，北面用砖墙承重、保温。在屋面设有苇箔、草帘保温。夏季竹帘遮阳。屋面用玻璃覆盖材料，透光、保温、抗风性能较好。一般跨度为6m左右。冬季管道煤火加温。•主要用于北方冬季蔬菜或花卉越冬生产或春提前育苗。•单坡面玻璃温室，由于建造费用高，保温尚不足，在北方冬季不加温时，仍不能满足一般无土栽培作物生产要求。单坡面温室示意图2、双坡面温室双坡面及侧墙均为玻璃等硬质透光覆盖材料。主要特点是采光量大，通风效果良好，净空较高栽培管理方便。缺点是散热面大，保温性差。主要用于南方科研蔬菜育苗或花卉越冬栽培，真正在大规模生产上使用得较少。双坡面温室示意图双波面温室外观－汕头3、连栋温室•连栋温室造价低、占地省、保温性好、便于操作管理，但通风换气效果较差。必要时夏季增设湿帘风机降温。•连栋温室根据屋脊走向有东西与南北向布置。南北向布置，虽透光率较东西向小7%左右，但屋脊、天沟等为活荫影，光照分布较均匀，一般南北向布置为多。•我国大型连栋温室发展迅速。•连栋温室多采用异型薄壁型钢、热浸镀锌，卷帘或转轴齿条开闭天、侧窗。•环境调节控制，包括通风、降温、加温、遮阳、保温、灌溉施肥等实现了自动化。高档温室还实现了微电脑温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液温度、离子浓度等的数据采集、显示、存储，超限报警，以及以光照量为基准的智能化变温管理等。•现代化的大型连栋温室，还可实现温室综合环境智能化控制，实现高产、优质、高效栽培。但一次投资与运行管理费用较高。连栋温室示意图连栋PC板温室连栋玻璃温室连栋玻璃温室青岛农科所温室大型连栋温室二、日光温室•靠日光能维持冬季蔬菜生产的温室，称为日光温室。优点：结构简单、便于建造、投资较省；采光性好，较普通连栋温室光照量高30~40%；保温性好，夜间室内外温差可达25℃左右；面积适中，便于农户栽培管理。•日光温室在不加温条件下，成功的解决了我国北方地区元旦、春节喜温果菜等冬季新鲜蔬菜的供应问题。近十多年来，在我国北纬34~45°的华北、东北、西北地区推广，面积达50多万公顷，成为解决我国北方地区农民脱贫致富与城市菜蓝子供应问题的支柱产业。这是我国、乃至世界蔬菜栽培史上的重大突破。•缺点：土地利用率较低，管理不太方便。日光温室结构示意图日光温室入口日光温室骨架(竹架)植株了作物的日光温室未植株作物前的日光温室骨架结构日光温室内部未覆盖薄膜前的日光温室日光温室群的棚头工作间日光温室棚头工作间日光温室顶部外观三、塑料大棚•用塑料薄膜覆盖的拱型简易温室设施统称为塑料大棚，简称大棚。•其骨架有竹木结构、钢筋焊接结构、钢筋混凝土或无碱玻纤钢筋混凝土结构、镀锌钢筋装配式结构等。•大棚一般无加温设施。由于大棚结构简单、拆建方便、投资省、土地利用率高等优点。•在北方多用于“春提前、秋延后”栽培。在南方则用于越冬或防雨栽培。塑料大棚结构示意图•用于无土栽培的大棚，跨度一般为6~10m，顶高2.3~3.0m，长30~50m。•覆盖材料有PVC、PE膜，最好选用防雾滴、耐老化的多功能PO膜。•为了提高保温性能，可在棚内设置小拱棚及多重保温幕设施等。建设中的拱形钢架塑料大棚拱形钢架大棚群拱形钢架塑料大棚侧面卷膜装置未覆盖塑料薄膜前的大棚骨架建设中的拱形骨架大棚群拱形骨架大棚群拱形骨架大棚群俯瞰竹架结构塑料温室充气银灰色拱形塑料大棚四、防雨棚或遮阳网设施•高温强光型天气，根据作物光饱和点要求，采用遮光率为50%~70%的黑色遮阳网增产效果显著；但对阴凉多雨天气，则采用遮光率为40%~50%的银灰色遮阳网为宜。•遮阳网栽培，蔬菜的某些营养品质，如叶绿素、蛋白质、维生素C等有所下降，特别是硝酸盐含量将明显升高。•在采收前5~7天，提前将遮阳网取下，使覆盖作物得到炼苗与绿化处理，即可使各种营养成分含量迅速赶上或超过露地产品，同时，硝酸盐积累量也将迅速降低。第三节设施环境对作物生长的影响及其调控技术一、光照及其调控技术•植物利用光能将CO2和水转化为碳化合物的过程称为光合作用。光合作用是地球上生物赖以生存和发展的基础。光是光合作用的能量源泉，同时又是控制光周期的一种信息。因此，光照是无土栽培温室设施极其重要的环境因子。(一)太阳辐射与光合有效辐射1、太阳辐射的光谱能量分布可见光部分叶面的反射(R)、吸收(A)透射(T)(Kleshin和Shulgin，1959．约就80种植物测定值平均，A的虚线表示种间变异幅度)2、植物光合有效辐射•投射到植物叶面的辐射，一部分被叶面反射，一部分被叶绿素吸收，另一部分则被叶子透射。反射、吸收及透射的比率因辐射波长、植物种类及叶龄而异。•绿色植物对辐射具有选择性的吸收特性。一般说来在0.3~0.44μm与0.67~0.68μm两处呈现吸收高峰，对0.55μm一段吸收率较低。•对0.7~2.5μm的一段近红外线，由于植物体为避免高温的保护性反应几乎不能吸收，而对大于2.5μm的远红外辐射，其吸收率很高，甚至可当作黑体来反应。3、辐射的度量•辐照度：以电磁波形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，单位为J•在单位时间内发射、传播或接收的辐射能称辐射功率，单位为W•在单位时间内投射到或通过某单位面积的辐射能，称为辐照度，单位为W/m2•在光的热效应或辐射能利用中，应以辐照度作为计量单位。•照度：据规定，具有均匀发光强度为1坎，单位为cd的点光源在单位立体角内发射的光通量定为1流明，单位为Lm。•到达或通过某单位面积的光通量称为光照度或照度勒克斯，单位为Lx。•在研究人及某些动物的视觉环境时，应以照度作为计量单位。•量子流密度：光辐射为不连续的细小粒子流。每一个粒子叫做光子或光量子。•光化学定律指出：吸收一个量子，只能激活一个分子或原子。因量子的能量与其波长成反比，故在研究光电效应或光化学反应如光合作用与光照的关系时，应该以量子流密度作为计量光辐射的单位。(二)光照环境与作物生长1、光质与作物的生长•紫外线、可见光与红外线对植物生长的影响是各不相同的。•小于280nm的远紫外线，对植物有杀伤致死的作用。•280~400nm的近紫外线，虽对植物的生长有一定的抑制作用，但对维生素C与花青素的形成有积极作用。蔬菜、花卉需要少量的近紫外线照射。•可见光是光合作用的主要能源。•光量子具有的能量与波长成反比。•在光饱和点以下的弱光范围，光能在相同的条件下，所含量子的数量因波长越长而越多。因此，红橙光较蓝紫光的光合光效能为高。•在光饱和点以上，光量子数量已不是光合作用的限制因子，在可见光范围由波长引起的差异就不明显了。•绿色光本来难于为叶绿素所吸收，但叶绿素含量较高时，绿色光的大部分仍能为叶绿素吸收利用。•决定光合强度的光谱因子，主要由每单位能量的生理辐射量子数、色素的光谱吸收特性、色素含量，即与有效吸收的生理辐射光量子数成正相关。2、光照量与光合作用•光合产物的形成不仅与量子流密度，而且由光照的累积时间所决定的。•光照的强弱一方面影响着光合强度，同时还能改变作物的形态，如开花时期、节间长短、茎的粗细及叶片的大小与厚薄等。茄子光合强度与温度、光照、CO2浓度的关系•在一定的温度和CO2浓度下，在一定的辐照度范围内，光合强度随辐照度的增加而增加。•到光饱和点时，光合强度趋于稳定。•辐照度下降到光补偿点以下时，植物的呼吸作用超过了光合作用，时间长了植株会逐渐枯黄。•植物的光补偿点，耐荫作物为200~1000Lx，喜阳植物为1000~2000Lx。•在一定的辐照度下，植物叶片光合强度随光线入射角的增大而按余弦关系降低。•植物群体光合强度，则随散射光比率的增大而提高。•光合作用包括光反应与暗反应两个阶段。连续光照下，光反应的中间产物在某种意义上有过剩现象，甚至会不稳定而分解。待暗期光反应产物被消耗后，下一个光反应才能顺利进行。•由此表明：光合强度与单位叶面积上的有效光能吸收量成正比。因此，适当降低辐照度而延长光照时间、增加散射光的比率、间歇或强弱光交替下，均可大大提高光能利用率。种类黄瓜番茄茄子甜椒西瓜甜瓜光饱和点强度(lx)5500070004000030000800060000主要蔬菜的光饱和点(师惠芬、张志勇，1986)3、光周期对光照的基本要求•光敏色素以两种互相可逆变化的形式存在，即R660与P730。R660由植物体合成，它对660nm的红光吸收敏感。经一定时间的光照或660nm的辐射照射，R660可转变为P730。P730对730nm的远红光敏感。P730经一定的暗期或730nm的辐射照射，可转变为R660。光周期光敏色素图问题•R660占优势时，促进_____植物生长，抑制____植物生长。反之，P730占优势时，促进____植物生长发育，而抑制____植物生长发育。Answers:•这对于引种、育种、控制光周期敏感植物光萌发、花芽分化等有着重要的意义。(三)温室设施的光照条件1、辐照度及