大棚温室作物种植环境自动调控系统设计

摘 要 设施园艺栽培技术是目前主要的反季节作物栽培技術，其中以建造成本相对较低的拱形塑料薄膜温室大棚最为普及。但在实际的作物栽培过程中，往往会遇到棚室内外温湿度、光照条件因素等方面的快速变化，继而影响棚栽作物的种植环境。自动调节是当前紧迫任务，基于此，系统设计相关因素的自动调控。

关键词 大棚温室；环境因素；自动调控

中图分类号：S625 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.30.058

1 自动调控系统的设计背景

近年来，设施园艺栽培技术在各地区得到广泛推广，在温室中栽培瓜果蔬菜的情况也逐年增加。不仅在农业示范园，由于简易温室大棚技术的普及和建造成本的大幅度降低，很多农村地区已采用大棚温室种植反季节瓜果蔬菜。但由于温室大棚属于密闭环境，影响作物生长发育因素的变化较快，需要一套行之有效的自动调控系统实施监控。使栽培环境中温湿度、光照等条件达到作物生长所需的最佳环境条件。

2 土壤因素对大棚温室作物生长的影响及调控方法

温室大棚内影响作物生长的土壤因素主要有土壤温度、湿度、pH值及肥力水平，此外土壤的透气性也影响到作物的生长发育，同时土壤因素也存在着此消彼长、相互影响的情况。

2.1 土壤温度

土壤温度影响着植物的生长、发育和土壤的形成，是影响土壤肥力的重要因素之一。土壤温度主要和土壤热学性质有关，即和土壤结构有直接关系。土壤的透气性好，作物根系发育也会较好，但较高土壤的透气性也会导致土壤水平蒸发过快，土壤温度降低，影响土壤的保温效果。但是如果土壤透气性很差，土壤易板结，伴随而来的是作物根系生长缺乏充足的氧气供应，易导致作物烂根。而为了提高地温，温室大棚中普通采用的是铺设地膜来提高土壤的温度，同时地膜还具有保持土壤湿度，减少大棚内土壤水分蒸发，从而解决了棚内空气湿度过高问题。

2.2 土壤湿度

大棚土壤的湿度决定作物的水分供应情况。土壤湿度低，土壤干旱，农作物光合作用过程受到抑制，农产量和品质随之降低；土壤湿度过高，土壤通气性变差，土壤氧气含量低，土壤中微生物活动受限，作物根系的呼吸、生长等生命活动就会受到阻碍，作物地上部分的正常生长就会受到影响，造成作物徒长、倒伏、病害滋生等情况的发生[1]。特别是在大棚温室环境中，土壤湿度过高，水分蒸发过快，必然会导致大棚温室环境空气湿度过高，从而滋生病虫害。

2.3 温室土壤因素自动调控方法

2.3.1 土壤温度调控

基本了解大棚土壤因素对作物的影响后，要考虑人为调控方法。目前在设施园艺方面对于调控大棚温室环境中土壤温湿度，普遍采用的是棚内地膜覆盖技术。在相对较低成本的简易温室大棚建设过程中，采用该项技术可以在较低投入的情况下较好地控制土壤温湿度。

2.3.2 土壤湿度调控

第一，调控方法。调节土壤湿度主要方法就是控制好土壤水分的进和出。土壤水分的进通过控制灌溉频率和水量，湿度过低时，提高灌溉频率和水量，过高时降低供水量；而土壤水分的出即控制土壤水分的蒸发量，采用地膜覆盖方式可有效降低土壤水分蒸发。特别是夏季控制光照强度也能有效的控制土壤水分的蒸发量。

第二，调控设备。主要采用湿度控制器、灌溉设备。实现大棚土壤温湿度的实时控制，就需要实时监测棚内土壤温湿度。目前常用的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型。其中FDR型具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程和少标定等优点。土壤湿度控制器可可以控制灌溉设备实现自动灌溉，需要灌溉管线已事先铺设到大棚的栽培作物旁边，其中以滴灌设备最佳。当土壤湿度传感器探测到土壤湿度低于设定湿度最低值时，自动闭合灌溉系统阀门电源进行灌溉，当湿度达到土壤最大湿度设定值时关闭灌溉系统。

3 空气因素对大棚温室作物生长的影响及调控方法

温室大棚内空气因素对作物生长的影响主要表现在大棚内空气温度、湿度、CO2浓度，这三个因素直接影响作物的生存环境和生长速度。

3.1 空气温度

植物生长需要一个合适的环境温度范围，超过这个温度范围，作物就无法正常生长，甚至根本就无法生存。农业生产中调节种植作物环境温度从而实现反季节作物种植是采用温室大棚种植作物的主要目的。温室建材多种多样，不同材质的建设成本也不相同，其中，“钢筋龙骨+塑料薄膜”简易结构因其造价相对较低被普遍采用。同时为进一步提高大棚内栽培环境的温度，对于某些对种植温度要求较高的作物可在棚内再加小拱棚的形式。

3.2 空气湿度

温室大棚内的空气湿度是由土壤水分的蒸发和作物体内水分的蒸腾在密闭环境情况下形成的。由于棚室内作物长势强、代谢旺、作物叶面积指数高，就会通过蒸腾作用释放出大量的水蒸气。加之棚室内的空间狭小、气流稳定无风，棚室内水蒸气极易接近或达到饱和状态，棚室内外温差大时易形成水滴[2]。高湿是温室大棚栽培环境的一个突出特点。棚室内的空气湿度与作物的蒸腾作用、光合作用、病害及生理活性等都有很强的关联性影响。

3.3 空气中CO2浓度

温室大棚是密闭环境，由于棚室温度相对较高，植株生长比较旺盛，特别是晴天正午时间光合作用强，加至棚室内作物种植相对较密，导致温室内空气CO2浓度在光照强度较强时浓度偏低。进而影响作物的快速生长，更是直接影响大棚作物的产量。所以一般采用温室反季节栽培作物往往需要考虑该项因素。

3.4 温室空气因素自动调控方法设计

3.4.1 棚内空气温度调控

第一，调控方法。因大棚温室主要目的是提高栽培环境温度，所以目前温室大棚棚温的调节主要是提高棚室温度。而棚室加温的主要方法有棚内加热、提高光照强度、棚室草帘保温等。但冬季昼夜温差巨大，仅通过提高光照强度和棚室草帘保温等方法已无法有效提高棚室温度，通常做法是棚内加温。但有时不可避免出现棚室温度过高，此时温室就需要进行降温处理，只是棚室降温方法和手段较为简单，只需将棚室通风遮阳即可。

第二，调控设备。主要棚室调温设备有棚室加溫锅炉、降温降湿风机、遮阳设备和空气温度控制器。通过温度控制器实时监测棚室内温度，进而控制棚室加温锅炉热水循环泵、降温降湿风机、遮阳设备等的联动运行。当温度控制器中温度传感器监测到棚室内温度低于设定值时，温度控制器闭合锅炉热水循环泵开关，进行棚室加温。而当棚室温度高于设置最高值时，温度控制器闭合降温除湿风机、遮阳等设备的开关，进行遮阳通风降温处理。

3.4.2 棚内空气湿度调控

第一，调控方法。温室大棚中空气湿度过大时，一般采取加强通风、适当范围的加热可以降低相对湿度，也可以增加光照、相对减少灌溉水量、减少地面裸露土壤面积、减少喷雾次数及水量，其中主要管控措施还是通过通风降湿。湿度过低一般是由土壤湿度过低，光照强度过大，大棚密闭性太差跑风漏气造成，一般情况下提高灌溉水量即可。

第二，调控设备。主要设备有湿度控制器、鼓风机、空气循环机。因温室大棚内地面已采取地膜覆盖，如再采取滴灌技术的情况下棚内湿度依然很高，就需要进行湿度调节。考虑到成本因素，一般情况下采取风机通风除湿（大棚内外温差小）和棚内加热除湿（大棚内外温差大）。棚内安装湿度传感器，棚口出安装鼓风机，棚内部安装空气循环风机。设定湿度控制器开机及关闭湿度值，当湿度超过最大湿度设定值时，湿度控制器闭合温室大棚内鼓风机和空气循环机开机降湿。当湿度降低到设置的最低湿度值时断开风机电源。

3.4.3 CO2浓度调控

第一，调控方法。棚室内CO2浓度的调控主要是对高光照强度下作物光合作用强烈导致的棚室内空气中CO2浓度不足的调控。一般规模设施园艺中采用的方法是向设施温室中补充CO2气体。但考虑到成本因素，一般简易温室大棚不采用此种方法，而主要使用通风换气的手段。

第二，调控设备。主要有空气CO2浓度监测控制器、换气风机等。安装在棚室内部的CO2浓度监测探头，实时监测棚室内空气中CO2浓度，当低于设定最低值时，控制器启动换气风机（此处风机可采用降温降湿风机）。

4 光照强度对大棚温室作物生长的影响及调控方法

4.1 光照强度和时长

光照强度对作物生成发育影响很大。一切绿色植物必须在阳光下才能进行光合作用，植物体重量的增加与光照强度密切相关。植物器官、组织的正常发育，也与光照强度直接关联。想要作物结果多，就要开花多；花多，花芽必须多，而花芽的分化又与光照强度相关联[3]。

4.2 棚室光照强度和时长自动调控方法设计

第一，调控方法。大棚温室中，依据所栽培作物的习性，对光照强度进行调控。在正午高光照强度下可采取遮阳处理；而在其他的大部分时间，由于棚室塑料薄膜的透光性较差，棚室内光照强度相比室外较弱，对于一些光照强度要求较高的作物就需要进行补光处理。相对作物对光照强度的要求来说，光照时长的调控方法也更为简单，短日照作物可采取遮光措施，而长日照作物可采取补光处理。

第二，调控设备。主要由光照强度控制器、补光灯、遮光设备和定时器等组成。在正午时分高光照强度下，光照强度控制器探头监测到棚室内光照强度超过设定值时，启动遮阳网卷帘机，打开遮阳网遮阳；当光照强度低于设定值时启动补光灯（一般为专用的红蓝补光灯），进行补光处理。而对于光照时长的调控可通过定时器控制补光灯进行夜间补光，实现短日照季节里，形成大棚温室中的长日照环境。

5 系统特性

本系统通过简要的控制设备实现在简易温室大棚环境中实现影响作物生长发育因素的实施调控，并做到低成本高效率的联动处理。在系统调控设计中对棚室温度的调节，如当棚室内温度过高时，土壤蒸发量加大，土壤湿度降低到设定值以下，灌溉系统启动，升高棚室内温度。高温高湿激发温湿度控制设备启动，棚室遮阳设备打开，降温降湿风机启动。在降低室内温度的同时也会降低棚室内的湿度，此举可有效防止棚室内高温高湿带来的病虫害问题。

总体来说本系统的设计得益于目前先进的传感器技术。但影响作物生长的因素还有很多，并且彼此关联，需要探索发现的知识还有很多，相信通过越来越成熟的传感器技术将会使温室种植越来越简单高效。

参考文献

[1]陈学文，张晓平，梁爱珍，等.不同耕作方式对黑土农田土壤温湿效应的影响[J].大豆科学，2011，30（5）：764-768.

[2]王昊，李亚灵.园艺设施内空气湿度调控的研究进展及除湿方法[J].江西农业大学学报，2008，20（10）：50-54.

[3]俞立发.新技术视域下南宁树种配置技术探讨[J].南方农业，2014（5X）：52-53.

（责任编辑：刘昀）

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