农业温室地上环境控制光、温度、湿度和二氧化碳

    环境控制是近年来温室园艺领域中被重视的一项技术，可以说是相对于室外栽培而言，在温室栽培中最能发挥其特点的一项技术。环境治理的目标要素多种多样，各个要素之间又相互影响。在实际控制中，需要考虑到这种相互关系，时刻思考植物的最佳环境。这里我们将介绍光、温度、湿度和CO 2对植物的影响以及如何实际控制它们。

环境控制和灯光管理

光和光合作用

植物进行光合作用需要光。光具有对光合作用有效的波长带，称为光合有效辐射（PAR），其定义为波长为400至700 nm的光。比该波段更小的波段(波长更长)包含红外线，比该波段更大的波段(波长更短)包含紫外线。对光合作用有效的波长为400～700纳米的光称为可见光。可见光根据波长的不同，对光合作用也有不同的影响，促进峰值出现在 650 nm 左右。

如何测量和表达光影响光合作用的光强常常用能量的多少来表示（太阳辐射量，单位：W/m2等），但准确地说，需要用光合有效辐射来表示，而它以光合光子通量密度（PPFD，单位：μmol/m 2 s）表示。光子传感器用于测量这一点，但在温室园艺的环境测量和环境控制中，通常使用太阳辐射传感器来测量太阳辐射。由于太阳辐射量是瞬时值，波动较大，因此常采用一定时间内太阳辐射量的累积量（单位：MJ/m2）作为指标。对于某一天的太阳辐射量，常用“日累计太阳辐射量为〇〇MJ/㎡”等表述。

 

光合作用和光饱和点

对光合作用有效的光照强度（光合光子通量密度）与光合速率的关系是：光照越强，光合速率越高，但表示增加程度的曲线斜率逐渐减小，直至达到饱和.马苏。光合作用速率不再增加时的光强称为光饱和点。在温室园艺中，光照有时被认为是光合作用的速率限制因素，有时也有人说光照越多越好。然而，光饱和点以上的光对于光合作用来说并不是必需的，即使强度低于光饱和点，光越强，光合作用速率的增加越小，效率越低。

 

光控

温室园艺中使用的大部分光是自然光（阳光），其强度取决于季节和天气。在许多情况下，由于阴天或恶劣天气，可能无法获得所需的光强度，并且有很多情况确实取决于天气。尽管光线很难控制，但可以通过阻挡光线来控制，以防止过多的光线通过。这是通过打开、关闭和卷起称为着色材料的窗帘材料来创建阴影来完成的。遮光率的遮光材料有多种类型，从遮光率100%创造黑暗的遮光材料，到遮光率15%~20%遮光极亮的遮光材料。遮光的目的一般是防止温室内温度因光照过强而升高，在炎热季节尤其需要这种控制。虽然案例较少，但近年来也出现了利用人工照明进行补光栽培的情况。通过在温室内安装高压钠灯、LED等照明设备来提供照明。而且，照明设备发出的光的强度无法与太阳光相比。以前补光栽培是在白天进行，主要是在太阳光入射角较低的冬季进行，但最近在夜间补光栽培，延长了白天的长度，似乎不分季节进行。这是因为较弱的光可能更有效地提高光合作用速率。不是在白天提供比必要的更多的光，而是可以通过在没有光的夜间提供微弱的光来有效地增加当天的光合作用量。

 

环境控制和温度管理

温室园艺的环境控制重点是温度。这是因为，与露地栽培相比，通过将室温控制在适合植物生长的温度范围，可以获得更高的生产率。有最高温度、最低温度、平均温度等各种温度指标，用于管理温度和控制植物生长。

 

温度和植物生长

植物的生长分为两个部分：发育和生长。发育是指芽、叶、花、果等器官的发育，生长是指叶、茎的伸长和果实的膨大。前者的发展受气温影响，一般采用累积气温或日平均气温等指标进行管理。较高的日平均气温会加速器官的发育，例如更快的叶子扩张和花芽发育。

 

如何测量温度

温室内部的温度测量极其重要，因为它对如上所述的植物生长有影响，并且用于获取可用于控制加热器和通风系统等各种设备的数据。它是一个要素。最近，已经开发了测量单元，其中每个传感器都容纳在单个盒子中，以便可以同时测量温度、湿度和CO 2浓度。除了遮光功能外，该装置还配备了风扇以防止温度升高。单独测量温度时也需要这种类型的遮光和通风机制。当使用上述测量单元测量温度时，通常将其安装在栽培区域的中心，或者植物群落内的生长点附近。温度测量的目标是菌落附近的温度，但我们实际要测量的是植物的温度，例如叶片温度。然而，测量叶片温度需要详细的技术，例如连接带有薄尖端的传感器或片状传感器，因此使用菌落附近的温度。此外，在拥有大地块的设施中，通常会划分地块并在每个部分安装测量单元以进行单独的测量和控制。温度传感器有多种类型，包括通用热敏电阻和高精度铂电阻，但通常与测量设备和控制设备成套购买。

 

温度指示器

典型的与温度相关的指标包括上述累积气温和日平均气温。这两个指标可以说是同义词，但比如可以在监测日平均温度的同时调整植物发育（开花、叶片发育等）的速率，平均温度就是控制指标。现代测量仪器和控制设备使用内置计算功能来显示这些指标，有时也将它们用于控制。在某些情况下，日平均气温还进一步分为白天平均气温和夜间平均气温。例如，如果日平均温度保持恒定，但由于某种原因白天平均温度升高，一种选择是将夜间平均温度降低该量。其他指标包括最高和最低温度。这些被用作植物的最佳温度范围或临界温度范围。

 

如何控制温度

温度控制的主要方法是通风和加热。白天，当阳光照射进屋内，室温升高时，通过通风来调节室温。通风方式包括开闭天窗、侧窗的自然通风，以及运转换气扇的强制通风。天窗通风可以通过微调窗户的开启程度和开/关操作的灵敏度来微调室温。另外，根据风向关闭迎风侧窗户，打开和关闭背风侧窗户，可以防止室温大幅变化。特别是在高温时期采用强制通风，使用大型换气扇进行排气。它还用作冷却设备的一部分，例如垫和风扇。与自然通风相比，强制通风需要更多的电力和成本来运行风扇。加热方式有热风加热和热水加热。热风供暖用于中小型温室，以重油、液化石油气等为热源，通过吹送燃烧余热来进行。近年来，越来越多地使用热泵代替燃烧式加热器。热空气加热器有一个大型内置风扇，可通过风道将热空气输送到整个房屋。风道的布置以及风道中通风孔的位置和数量影响鸡舍内的温度分布，这些也必须进行调整。公顷规模的大型温室通常采用热水加热，并使用燃烧重油或液化石油气的锅炉。锅炉产生70℃左右的热水，水泵通过遍布整个房屋的热水管进行循环。需要大量的设备，包括燃烧设备、换热设备、热水管道设备等，需要大量的投资。与热风加热相比，室温的调节变化更温和。这可以通过巧妙地调节循环的热水量来实现。

 

环境控制和湿度管理

在温室园艺的环境控制中，湿度与温度一样重要。在半封闭空间的温室中生长时，湿度常常增加，容易形成凝结，这是疾病暴发的主要原因。因此，必须将湿度控制在适当的水平，以预防病害并减少农药的使用量。此外，如果在室外湿度较低时进行通风，温室内的湿度也会较低，这可能会给植物带来压力。还需要适当的湿度管理，以促进植物的蒸腾作用，促进水分的供应和肥料的吸收。

 

关于相对湿度和饱和度差异

湿度表示空气中所含水蒸气的量，一般用相对湿度（%）表示。相对湿度是该温度下实际水蒸气量与饱和水蒸气量的比率。饱和水蒸气含量是在给定温度下空气中可含有的最大水蒸气量，并随着温度升高而成比例增加。因此，如果空气中的实际水蒸气量不变，升高温度就会降低相对湿度。最近，除了相对湿度之外，有时还使用饱和度差（g/m3）。饱和度差表示与给定温度下的饱和水蒸气量相比，能够进入空气的水蒸气量，是每1m3空气中的水蒸气量（g）。植物叶子的蒸发（蒸腾）大约与饱和度差成正比，因此在理解蒸腾和湿度之间的关系时，饱和度差很重要。

 

湿度和植物生长

随着湿度的增加，饱和度差减小，植物蒸腾作用受到抑制，生长点附近的含水量增加。水分是植物细胞膨胀和伸长所必需的，增加湿度会促进细胞伸长，这对茎伸长和叶面积扩大有积极作用。通过调节湿度，可以影响这些植物的生长。具体的调节方法包括通过控制通风来确保湿度以及利用雾气主动加湿等。还可以利用植物本身的蒸腾作用来维持温室内的湿度。

 

湿度和植物蒸腾作用

湿度低时（饱和度差大时）促进植物的蒸腾作用，蒸腾作用也促进植物根部对水分的吸收。因此，为了植物获得水分并从土壤中吸收肥料，调节湿度（饱和度差）和促进蒸腾作用很重要。此外，如果湿度下降太多，植物会关闭气孔以抑制蒸腾作用。如果这种情况持续下去，就会给植物带来压力，如果通过抑制蒸腾作用继续抑制水分吸收，植物可能会枯萎。在这种情况下，湿度调节主要是通过通风来完成的。通过通风引入湿度低于室内的室外空气来降低湿度。但在下雨或起雾的情况下，即使引入室外空气也很难降低室内湿度，因此采用同时通风和加热等方法。

 

湿度与疾病控制

湿度会影响病原菌的生长（例如孢子形成），疾病暴发的风险会增加，尤其是当湿度接近凝结时。高湿度条件还会导致水果上出现凝结，从而导致病原体的生长。另一方面，有些疾病即使在低湿度下也会发生，因此需要小心。除了上述通风方法外，还有其他调节湿度的方法来预防疾病暴发，例如通过加热降低相对湿度、通风与加热同时结合等。此外，当外部温度较低时，例如在最冷的月份，覆盖材料的内表面上会形成冷凝，并且通过将冷凝水排出到外部，可以降低湿度。在这种情况下，可以使用一些方法来促进内部凝结，例如在窗帘的衬里使用透湿材料，或者稍微打开窗帘（让窗帘透过）。

 

湿度测量

干湿表在古代被用来测量湿度，今天仍然用于温室内的测量。使用沾有水箱和纱布的温度计测量湿球温度，并通过将其与干球温度进行比较来计算相对湿度。尽管由于水分供应而难以连续使用，但它是一种可靠的测量湿度的方法。此外，与温度传感器一样，需要用单元进行通风和遮光等。最近，陶瓷和其他电子传感器被用来代替干湿计，但这些也需要通风和遮光。

 

湿度控制

我们已经讨论过通过通风、加热及其结合使用来控制湿度。此外，我们还将介绍主动除湿和加湿设备的使用方法。热泵和除湿机都是除湿设备。它们具有在房屋内外进行热交换的机制，并具有通过冷凝除湿的功能。热泵可以通过切换运行来进行制热和制冷，但除湿是通过在制冷运行时将冷凝水排放到室外来进行的。除湿机是一种专用于除湿的设备，它通过冷却除湿的同时重新加热并向室内吹入温暖的低湿度空气。有一个雾发生器作为加湿装置。雾喷嘴和动力喷雾器通过管道连接，将雾气直接喷射到房间内。它在早春等干旱时期或种植后群落仍较小时使用。类似的装置还有雾冷却装置，通过从细小的喷嘴产生细雾来进行蒸发冷却，根据使用方式，还可以用于加湿。另一种方法是通过给人行道和土壤浇水来增加湿度。

 

环境控制和二氧化碳管理

除了光之外，植物还需要CO 2进行光合作用。大气中含有约0.04%（400 ppm）的CO 2 ，但如果温室关闭，植物进行光合作用，CO 2浓度将低于400 ppm，最终它们会挨饿。因此，需要积极供给CO 2来促进光合作用。近年来，一种被称为CO 2应用的技术在环境控制中得到广泛应用，并且作为直接效果高的技术而受到人们的关注。

 

CO 2供应和浓度测量

有多种方式将CO 2供应到温室中，包括使用煤油或LPG燃烧气体，以及使用来自液化CO 2的汽化气体。近年来，燃烧器和汽化器产生的气体通过通风管道输送到工厂群落附近，并通过定时器和CO 2 浓度传感器控制设备的运行。近年来，使用廉价的半导体元件的CO 2浓度传感器已成为主流。还经常使用的是NDIR方法，该方法 根据根据CO 2浓度吸收的红外线和其他光的量来计算CO 2浓度。NDIR方法具有校正测量值随时间变化的偏差的内置功能，并且还可以通过使用标准校准气体进行定期校准来保持测量精度。

 

CO 2浓度饱和点及控制目标浓度

另外，与上述光饱和点类似， CO 2浓度也存在饱和点。根据植物的种类，当CO 2浓度增加到1000～2000ppm时，光合作用速率成比例地增加，但增加的速度逐渐受到抑制，一旦浓度达到一定水平，就不再观察到进一步的增加。该浓度就是饱和点。此外，即使在饱和范围内，过量供应也会降低成本效益，还可能影响温室气体排放，因此需要适当的浓度控制。实际上，有时会以与大气浓度相近的 400 ppm 左右的目标浓度进行控制，也可能会以更高的浓度（约 500 至 600 ppm）进行控制。是更高的浓度（约600至800 ppm）。

 

CO 2浓度差应用（大气浓度）

一种旨在将CO 2 浓度降低至与大气水平相似的约400ppm的控制技术是被称为CO 2浓差应用的控制技术。是指温室处于通风状态，与外界空气发生气体交换时，向温室内供给CO 2 ，使其维持在表观大气浓度的控制。在此情况下，外界空气中的CO 2通过温室的通风窗（天窗、谷通风窗、侧窗等）流入温室，以及温室内部的CO 2 流出至外界空气相等，室内外的2CO 2浓度的表观差异为零。其想法是在通风条件下供应CO 2 ，这样即使CO 2从温室内部流出，也不会被浪费。基于这个想法，即使在冬季气温升高、需要通风的情况下，我们也供应CO 2 ，将温室内的CO 2浓度保持在400 ppm左右，与大气水平相同，经济地促进光合作用。

 

CO 2浓度控制（约500至600 ppm）

浓差施用，浓度将控制在400ppm左右，无法进一步提高浓度或促进光合作用。此外，为了经济地促进光合作用，优选在关闭通气窗的情况下供给CO 2 。如果在通风窗大开的情况下供应CO 2 ，大量CO 2会泄漏到外界空气中，导致CO 2浓度难以上升，进而造成供应损失和温室气体排放等问题。外面的空气.. 为了解决这些问题，人们正在利用技术根据通风窗的开度等因素来控制CO 2浓度。控制方法是，当换气窗开度较小(换气窗微开)时，将CO 2浓度目标值设定得较高，随着开度变大，将目标值设定得较低。这种控制功能越来越多地在最近的集成环境控制设备（测量房屋中的各种环境要素并以集成方式控制设备的设备）中实现。

 

我们讨论了光、温度、湿度和CO 2与植物生长的关系以及测量和控制方法。所有这些因素都会影响温室地上部分的环境，但即使你只在地上部分创造了良好的环境，如果地下环境（土壤和水分）不适合，你也不会成功。能够优化植物生长。此外，地下环境可能会通过温度、湿度等受到地上环境的影响。由此可见，全面了解和管理温室内部环境非常重要。