1、34 G R E E N H O U S E H O R T IC U LT U R E温室管理植物工厂系列谈 （七）植物工厂光照和温度调控 杨其长 张成波植物工厂是在高精度环境控制的封闭或半封闭生长空间内进行植物周年生产的系统。 在系统内需要为对象作物提供适宜的生长环境。 这些环境因子包括 ： 光照 （光强、 光质和光照时数）、 温度、 湿度、 CO 2 浓度、 风速以及营养液的 pH 、 EC 、 肥料成分、 溶氧量、 液温、 流速等。 对植物工厂进行环境优化控制， 最根本的是要明确作物光合作用、产物积累、 转流分配、 发育和呼吸等生理过程与 环境因子之间的关系， 综合考虑各环境因子的复合
2、作用效果， 选择运行成本低、 效果好的调控手段进行优化控制， 以达到理想的控制效果。 这里， 主要对植物工厂的光照、 温度调节作重点介绍。光环境调控技术光照是作物生命活动的能量源泉， 又是某些作物完成生命周期的重要信息。 无论是弱光、 短日照或强光、 长日照都可能成为某些作物生长、 发育的限制因子。 因此， 对植物工厂内的光照环境进行调节控制是十分必要的。光照环境的调节， 是根据作物的种类及生育阶段， 通过一定的措施， 调节光照条件， 创造良好的光照环境， 以提高作物的光合效率。补光调节光合补光在高纬度地区或连阴天， 造成光强和光照时数不足， 或整体作物具有较高的光照强度要求时， 进行光合补光
3、是必要的。利用人工光源补充照明是行之有效的方法。 目前使用的人工光源仅限于电光源一种，通常使用高压钠灯 （ HID ） 进行补光。 由于成本太高， 大面积应用还难以做到， 但在蔬菜育苗工厂中应用则较为经济且能育出壮苗。光周期补光对于光周期敏感的作物， 特别是在光周期的临界期， 当暗期过长而影响作物的生长发育时， 应对作物进行人工光周期补光。 光周期补光是作为调节生长发育的信息提供的， 需用的光照度较低， 一般为 22Lx 左右。补光时间因植物种类、 天气状况、 地理条件而变化。 为抑制短日照植物开花， 一般在早晚补光 4h ， 使暗期短于 7h ； 也可进行深夜间断暗期补光 2 5h ， 间断
4、暗期也能起到早晚补光， 抑制短日照植物开花的效果。遮光调节光合遮阳光合遮阳主要目的是降温和减弱光照强度， 四周不需严密搭接， 也叫部分遮阳。 目前， 生产上比较实用的遮阳方法是采用黑纱网 、 无纺布或缀铝遮阳网进行内遮阳或外遮阳。 对于玻璃温室， 还可在玻璃表面上刷一层白灰或玻璃表面喷水， 达到遮阳降温的效果。光周期遮光光周期遮光的目的是延长暗期， 保证短日照作物对最低连续暗期的要求， 这种方法多用于进行花期调控。 延长暗期要保证光照强度低于临界光周期强度 （约 22Lx 以下）， 通常采用黑布或黑色薄膜在作物顶部和四周严密覆盖， 因而光周期遮光又叫完全遮光。 在遮光期间， 应加强通风， 防止
5、黑膜下面出现高温高湿， 危害植株。人工光源的选择及室内光源布置早期的人工光选择多是在生长室内组合使用大量的荧光灯与少量的白炽灯， 有时则根据不同的研究用途分别选择使用高压水银灯或氙气灯。 后来又采用卤化金属灯。 而在植物工厂里多用高效率的高压钠灯， 同时LED （发光二极管） 和 LD （激光灯） 等新光源也在进一步研究与开发之中。人工光源的选择依据人工光源的选择取决于不同的使用目的， 选择时应遵循合理和经济的原则。 在选择和设计光照系统时需要考虑许多要素， 其中包括 ： 作物对光的响应 ； 其他环境因素的影响 ； 作物对光照度、 光照时间和光谱成分的要求 ； 可产生最佳效果的光源 ； 最均匀
6、光照系统的设计 ； 系统的投资及运行费用等。在设计人工光照时， 应考虑光谱能量，尽量选择发射光谱与需用光谱接近的产品，必要时再考虑应用多种光源组合 ； 考虑光源强度时， 既要使多组灯组合具有一定的调节余地， 又要尽量不增加灯具设置和更新投资。 另外， 选择人工光源时， 还要考虑光源的热负荷。 一般情况下， 人工光源采用红外和远红外光的比例较大， 因此相当多的能量以热效应方式传递到温室环境中， 能耗很大， 同时所产生的热效应给控制过程造成许多不利影响。 所以在选择人工光源时， 一定要充分考虑光源的发光效率。常用人工光源 白炽灯 从光谱来看， 白炽灯的辐射能主要是红外线， 可见光所占比例很小。 白
7、炽灯发光效率很低 （约 10 20lm/W ）， 目前， 常用的白炽灯为 40 100W ， 一般只作为辅助光源应用。 荧光灯 是一种低压气体放电灯， 内壁涂有荧光粉。 通过改变荧光粉的成分可获得不同的可见光谱。 荧光灯光谱性能好， 发光性能较好 （约 65lm/W ）， 使用寿命长， 是现有电光源中最成功、 使用最广泛的一种。 由于荧光灯提供线光源， 一般可获得更均匀的光照。 主要缺点是单灯功率小， 一般为 3 125W ， 多用于光周期补光。 金属卤化物灯 一种新型光源， 具有发光效率高 （约 100lm/W ）、 光色好、 寿命长和输出功率大等特点， 是目前高强度人工光照的主要光源。 作
8、物生产中常用的是 400W 和1000W 两种规格。 安装灯具时应同时考虑设置反光罩， 使光照更均匀， 光照强度更大。 高压钠灯和低压钠灯 高压钠灯性能类似金属卤化物灯， 寿命约 24000h 。 广泛用于蔬菜及花卉的光合补光。 低压钠灯是一种很特殊的光源， 只有 589nm 的发射波长， 在电光源中的发光效率最高。 由于产热量小， 低压钠灯与高压钠灯可以更加接近作物。G R E E N H O U S E H O R T IC U LT U R E 35 LED 光源 LED 的光谱域宽在 20nm 左右， 波长正好与植物光合作用和形态建成的光谱范围吻合。 近年来， GaAIAs 的红色 L
9、ED（ 660nm ） 的发光效率达到了 22% 以上， GaN的蓝色 LED （ 410nm 和 470nm ） 的发光效率也达到了 8% 以上 , 把发蓝色光的 InGaN 半导体和发黄绿光的 YAG （ Yttrium AluminumGarnet ） 合成一体化的白色 LED 的价格也在不断降低。 PPF 设置为 150mol m -2 s -1 ，R/B 比为 5 、 10 、 20 的 LED 和金属卤化物灯的对照试验相比， R/B 比为 10 的 LED 光源的植物产量无论从干物重还是品质来讲都比金属卤化物灯要好。 LED 的使用寿命一般在50000h 以上， 发光效率高， 发热
10、少， 实现了低热负荷和生产空间小型化。 同时， 脉冲发光也有利于植物的光合作用。 因此， 以现在普遍推广的高压钠灯 18 元人民币 /W 的使用成本推算 , 即使是 LED 光源比高压钠灯贵上10 倍也是有可能推广应用的。 由于蓝色 LED成本还比较高， LED 光源的大规模推广应用还需要一段时间。 LD 光源 激光的发光效率较高， 且激光设备的发光光谱与植物光合作用的叶绿素吸收光谱基本一致。 单纯从植物的光合作用来讲， 激光的单色性与直向性对植物生长不利， 但激光光源具有体积小、 重量轻、 低电压、 脉冲发光、 干涉性好、 寿命长等优点， 再加上它功率高、 发光效率好、 可以用电流直接调节。
11、 功率为 3mW 的 AlGaAs 系 LD（ 650nm ） 的价格逐渐降低， GaN 的蓝色 LD（ 410nm 和 417nm ） 也可以在室温下连续工作， 只是蓝色 LD 的功率和寿命还没有达到植物生产要求的水平。 最近， 使用工作在860nm 附近的 AlGaAs 的激光可发出 430nm附近的蓝色光， 工作在 900nm 附近的AlGaAs 的激光可发出 450nm 附近的蓝色光。 这些激光的发光效率均在 60% 左右， 连续脉冲输出可达到数十毫瓦。 日本东海大学的高 正基教授和大阪大学的中山正宣教授早在 1994 年就提倡使用激光作为植物工厂的照明光源。 用波长为 660nm 的
12、红色 LD 加上 5% 的蓝色 LED 的组合光源来生产生菜和水稻已经收到了很好的效果。 LD 在植物工厂的实用化不仅可以解决 21 世纪的粮食不足问题 ,而且连能源和资源不足的问题也会迎刃而解。 需要注意的是， 从使用成本的角度来看， LD 光源面临着与 LED 光源的价格竞争。光源布置在设计一个有效的光照系统时有许多影响因素， 灯的布置取决于作物、 光照度、温室高度、 灯的大小等。 离开灯一定距离的某点上的光照度与此距离的平方成反比， 在设置灯的位置时， 灯与作物之间的距离是影响种植区域辐照度和光分布的一项重要因素。 温室中反映光照均匀程度的参数为照度均匀率， 即室内最小照度与最大照度之比
13、。 为保证作物生长均匀， 照度均匀率推荐值应 0.7 。温度环境及其控制技术温度和植物生长的关系密切， 温度对作物的重要性在于必须在一定的温度条件下，作物才能进行体内生理活动及其生化反应。植物工厂内外热收支除人工光利用型植物工厂外， 其他类型的植物工厂都是一个半封闭的热力系统， 它随时受到室内外诸多扰量的影响。 其中， 室外扰量有 ： 室外空气温度、 湿度、 太阳辐射强度、 风速、 风向等 ； 室内扰量包括采暖系统、 照明及其他设备的散热， 作物及栽培床的散热、 散湿等。 在这些扰量作用下， 室内的空气始终保持着热平衡。室内热环境控制就是通过一定的工程措施， 人为地调节室内与外界环境之间的热量
14、变化， 使温度维持在作物生长需要的水平。当室内空气得热量大于失热量时， 温度升高 ； 反之， 温度降低。 夏季外界气温较高， 为了防止室内温度过高， 应尽量减少室内得热量， 增加散热量。 遮阳、 通风、 蒸发降温等都是降低室温的常用方法。 冬季室外气温较低， 室内外温差大， 为了保持室温， 应尽量减少失热量， 增加得热量。 采取保温节能措施， 必要时启用采暖设备是保证植物工厂冬季正常运转的基本条件。植物工厂内的气温和栽培床基质 （或营养液） 的温度对作物的光合作用、 呼吸作用、光合产物的输送、 根系的生长以及水分和养分的吸收均有着显著的影响。植物工厂内的温度调节与控制温度对作物的生长发育、 产
15、量、 品质影响极大， 温度控制的目的是维持作物生长发育过程的动态适温。 温度控制的主要内容和技术如下 ：加温供暖系统一般由热源、 热媒管道和散热器等组成。 热源有石化燃料 （煤、 石油、 天然气）、电、 余热及地热等。 热媒有热水、 热风、 蒸汽。采暖系统的选择应综合考虑种植空间的大小、结构、 种植方式和生产的经济效益等。 热水供暖 植物工厂一般采用热水供暖系统集中供暖。 热水供暖系统由热水锅炉、 供热管道和散热器等组成。 一般采用低温热水供暖 （供、 回水温度分别为 95 和 70 ）。由于热水采暖系统的锅炉与散热器垂直高差较小 （ 3m ）， 因此， 一般不采用重力循环的方式， 而采用机械
16、循环的方式， 即在回水总管上安装循环水泵。 在系统管道和散热器的连接上采用单管式或双管式。 根据室内湿度高的特点， 多用 热浸镀锌圆翼型散热器， 散热面积大， 防腐性能好。 散热器一般布置在作物层附近或栽培床下。 散热器的规格和长度的确定要以满足供暖设计热负荷要求为原则， 在室内均匀布置以期获得一致的温度分布。 地上部加热 地上部加温主要由热源、 空气换热器、 风机及送风管道等组成。 根据热源的不同， 可以分为燃煤式、 燃油式、 燃气式和电热式， 常用的是燃煤和燃油式。 地下部加温 地下部加热是对营养液或基质进行加热， 目的是使作物根部保持正常生长温度。 主要方法有 ： 水培时对营养液 加温，
17、 即采用热水加温 （管道的方式） ； 基质栽培时采用热水管道或电热线加温方式。通风换气通风换气不仅能排除室内多余的热量降低室温， 而且还能排出多余水汽调节空气湿度。温室夏秋季通风主要是为了抑制高温， 而冬季换气则是调节室内空气湿度、 补充 CO 2 等。通风方式有自然通风和强制通风两种。自然通风是利用室内外温差造成热压或自然风力造成的风压促使空气流动 ； 而强制通风则是依靠风机机械旋转动力造成室内外空气压力差， 实现室内外空气间的流动。 自然通风 在太阳光利用型和太阳光人工光并用型植物工厂里， 自然通风是常用的通风方式， 它适用于高温、 高湿季节的全面通风， 在其他情况下， 有时也可采用这种方
18、式。自然通风的必要条件是温室设有换气窗。从热压的角度看， 进出气窗的垂直高差越大，空气重力压差就越大， 通风效果越好。 因此，屋脊和侧墙都设置通风口的温室， 其通风效率最为显著。 只设置侧墙通风口或屋面通风口的温室都难以获得良好的通风。 从风压作用的角36 G R E E N H O U S E H O R T IC U LT U R E度看， 应充分考虑当地夏秋季的主导风向， 将进气窗设置在迎风面， 而排气窗设置在背风面或侧面。 有关通风口的大小， 一般来说屋面通风口面积应达到温室地面面积的 15% 20% ，迎风向侧墙通风口面积最小为一个屋面通风口的面积， 大型连栋温室迎风向侧墙通风口面积
19、应大于地面面积的 3% 。植物工厂开窗多采用齿轮齿条传动系统。 强制通风 强制通风是依靠风机旋转动力促使空气流动而形成的通风换气方式。 与自然通风相比， 它可以更有效地控制室内温度、 湿度及 CO 2 浓度， 是温室环境控制的重要手段。 人工光利用型植物工厂多采用这种方式， 而太阳光利用型和太阳光人工光并用型植物工厂则是在必要时才采用。根据温室内空气压力状态的不同， 强制通风的方式可以分为负压通风、 正压通风及等压通风三种。负压通风又称排气式通风。 它是利用风机将温室内的空气强制性地排出室外， 使室内空气压力小于室外空气压力， 室外空气能通过进气口进入室内， 形成室内外空气的交换。 负压通风比
20、较简单， 投资少， 管理方便， 是温室强制通风中应用最广泛的方式。 它可与湿帘降温、 细雾降温等配合使用， 实现温室盛夏季节的降温。 正压通风又称进气式通风。 它是利用鼓风机强制性地将室外空气送入室内， 使温室内空气压力大于室外空气压力， 室内空气能通过排气口流出室外， 形成室内外空气的变换。正压通风结构复杂， 管理费用高。 但便于对进入室内的空气进行加热、 冷却等预处理。 如温室冬季采用的热风炉管道加热系统， 小型温室夏季采用的湿帘冷风机都是利用了这一原理。等压通风又称进排气式通风。 同时采用机械送风和排风， 功能可靠， 但投资及运行费用都很高， 目前极少采用。自然通风与强制通风各有优缺点。
21、 自然通风的最大优点是造价及能耗低， 也不存在温室长度对通风的限制 ； 缺点是对外界风速和风向的依赖性强， 对室内气温的降低也有很大的局限。 强制通风的优点是可以根据气候变化比较准确地调节温室通风量， 还可以结合喷雾、 湿帘对温室进行蒸发降温 ； 缺点是增加投资和运行费用。 循环通风 近年来， 温室环境的均匀性越来越受到重视。 尤其在冬季， 温室通风换气少， 气密性强， 往往会导致温室内温度分布不均匀。 采用循环通风， 可以促使冷热空气混合， 消除温室内的冷、 热点， 在作物附近产生气流， 降低叶面湿度， 保持良好的叶 面微环境。 为使作物层获得较为一致的环境， 可以采用小的循环风机创造较缓和
22、的水平气流。总的风机容量为每分钟排出约占温室总容积25% 的空气。 风机安装高度不低于 2.1m 。 温室宽度每增加 15m ， 要增加一排风机。室内循环通风还可以采用悬挂于温室上部的开口塑料管， 封闭一端， 另一端与压力型风机相连。 风机运转时将压力高于室内空气的气体送入管道内， 管内气体以射流的形式进入温室空气中， 在整个温室内产生混合完全的紊动气流， 使得温室内温、 湿度分布均匀。 管道的高度不高于 2.4m 。 这种空气循环方式可以和温室热风炉采暖结合起来加温效果更好。降温随着植物工厂的周年利用， 夏季降温是一个需要解决的问题。 实现植物工厂内夏季降温， 技术要求较高。 为了保证室内气
23、温维持在作物生长发育的适温范围，需强制排除室内的热量。 人工光利用型植物工厂的降温控制 人工光利用型植物工厂属于封闭式结构， 屋顶和覆盖材料的隔热性能好， 室外温度对室内的影响不大。 但是， 在夏季高温时， 从栽培 床、构造物等释放出来的热量和从室外传导进来的热量都能提高室内的温度。 因此， 必须采取降温措施， 以保持植物生长所需的温度。降温一般采用热力泵冷冻机制冷系统。 太阳光利用型与太阳光人工光并用型植物工厂的降温控制这两种类型的植物工厂采用的覆盖材料多是玻璃或 PC 板、 氟素薄膜等， 易受外界环境的影响。 夏季高温时， 单纯使用换气窗、 换气风扇等措施降温已难以奏效， 必须采用其他措施
24、。为了降低运行成本一般不使用热力泵冷冻机， 而是使用价廉的降温措施， 主要包括 ： 遮阳降温。 方法有外遮阳和内遮阳两种，外遮阳是将遮阳网安装在骨架上， 用拉幕传动机构对遮阳网的开闭进行控制。 内遮阳则是直接将遮阳网装在室内骨架上， 拉幕机构与外遮阳相同。 遮阳网材料又称寒冷纱、 遮荫网， 是以聚乙烯、 聚丙烯和聚酰胺等为原料， 经加工编织而成的一种网状材料。 颜色主要有黑色和银灰色两种， 遮阳率 20% 70% 。 目前， 基本上采用编织有铝箔的反射型遮阳保温幕。 由于铝箔的高反射、 低发射的辐射性能， 反射型遮阳保温幕既可起到夏季遮阳降温， 又能起到冬季节能保温的作用。 利用抑制夏季升温的
25、覆盖材料。 400 800nm 波长领域的光在太阳辐射光里约占50% ， 剩余 50% 光能主要在波长为 800 3000nm 的红外线领域， 即太阳辐射一半左右的光将转换成热能， 如果将反射性塑料膜夹在两层玻璃中当作覆盖材料， 就能有效降低室内温度。 蒸发冷却法。 方法包括 ： 湿帘风机降温、 细雾风机降温。 利用蒸发冷却降温虽然能降低温度， 但也相应地提高了室内的湿度， 使用时应注意设施内湿度过高的现象。 冷水蓄热系统 该系统由两部分组成（图 1 ）， 一部分是降温系统， 另一部分是热回收系统。 降温系统是冷冻机将冷媒压缩后， 冷媒经过冷水槽管时， 从冷水槽的水中吸收热量， 降低冷水槽的温度， 此时冷水经水膜式热交换机与栽培室或育苗室空间进行热交换。 在热交换机内升温的水返回到冷水槽里继续与冷水槽里的冷水对流降低温度。热回收系统是将冷冻机冷却循环水放出来的热量有效地吸收到温水蓄热槽内， 与降温系统同样的原理经水膜式热交换机进行热交换， 提高室内的空气温度。 降温系统主要在夏季利用， 热回收系统主要在冬季利用。该系统适用性比较广泛， 在三种类型的植物工厂内皆可运用， 具有较高的实用推广价值。 中国农科院农业环境与可持续研究所 100081图 1 冷水蓄热系统
