日光温室的集雨灌溉与沼气增温增二氧化碳技术

赵　勇　张艳红　于凤玲　焦艳平　康欣娜　王翠华

摘要:针对我国目前日光温室等设施农业的特点和发展现状,讨论了我国日光温室的节水节能技术的应用与发展方向,这些技术包括温室棚面集雨灌溉和利用沼气给日光温室加温以及利用沼气为改善作物发育环境而补充二氧化碳。提出了集雨设施的合理配套、沼气池池容与日光温室的合理配套以及温室提高二氧化碳环境浓度对温室节水的意义。

关键词:日光温室;集雨灌溉;节水;沼气;节能;温室加温;二氧化碳

中图分类号:S625.54;S162.41文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2009)05-0095-03

Water and Energy Saving Technology for Chinese Solar Greenhouses

ZHAO Yong1,ZHANG Yan-hong1,YU Feng-ling2, JIAO Yan-ping1,KANG Xin-na3, WANG Cui-hua4

(1.Hebei Provincial Academy of Water Resources,Shijiazhuang 050057,China;2.Hebei Provincial Head Station of Agricultural Technology Popularization,Shijiazhuang 050011,China;3.Shijiazhuang Academy of Agricultural Sciences,Shijiazhuang 050041,China;4.Shijiazhuang Bureau for Hydrology & Water Resources Survey,Shijiazhuang 050051,China )

Abstract: Based on current installation of agriculture specialties in China such as Chinese solar greenhouses and their developing actuality,this article discusses application and developing way of water-and energy-saving technology for solar greenhouse,which covers rainfall collection system of greenhouse roof,methane warming for greenhouse and improving CO₂environment by methane.The paper submits the proper integrity of rainfall collection facility with solar greenhouse,the fitness of methane tank volume to solar greenhouse size and the significance of enhancing environmental CO₂concentration in greenhouse for greenhouse water-saving.

Key words: solar greenhouse;rainfall collection irrigation;water-saving;methane; energy-saving;greenhouse warming;CO₂

1 引言

随着我国改革开放和市场经济的快速发展,我国社会总体经济实力和人民生活水平得到了显著的改善。与这种变化相适应,农业生产结构和生产水平也发生了巨大的变化,其中最显著的一个特点,就是设施农业的飞速发展。据统计全国设施农业中,早在2000年就已达到小拱棚683 600 hm²,大中棚699 300 hm²,日光温室379 100 hm²,连栋温室1 300 hm²。

近十几年来,在市场经济和人们需求增长的刺激下,设施农业增长迅速。以河北省为例,设施蔬菜面积1992年仅为3.54万hm²,到2007年达到51.33万hm²。其中日光温室从1992年的0.49万hm²增长到2007年的17.87万hm²。设施蔬菜增长了14.5倍,平均年增长率约为20%;日光温室增长了36.5倍,平均年增长率为27%。

设施农业、日光温室的发展改变了蔬菜作物灌溉用水的季节分布。设施农业延长了蔬菜的秋季,提前了蔬菜的春季,甚至实现了蔬菜周年种植,将露地的非灌溉季节变成了灌溉季节。设施农业延长了蔬菜市场的供应季节,也增加了农业灌溉用水量。农业是用水的大户。在河北省,农业用水量占总用水量的70%。河北省农作物总播种面积约为8 785 500 hm²,蔬菜瓜果播种面积1 210 200 hm²,占13.8%(2005年)[1]。按2007年河北省大白菜、黄瓜、番茄等播种面积最多的前十位蔬菜为权重得到蔬菜综合灌溉定额5 100 m³/hm²计算(依照各种作物沟灌或畦灌灌溉定额[2]),蔬菜瓜果灌溉用水量估计至少约为61.7亿m³/a。因此,设施蔬菜节水是一项十分重要的工作。

日光温室进行蔬菜生产,与露地生产相比有其特殊的关键制约因素。有些蔬菜品种对温度要求较高,当连续阴天造成太阳热能输入不足时,需要临时加热补温;日光温室经常处于密闭的环境,光合作用消耗的二氧化碳得不到补充,容易形成作物的二氧化碳饥饿,这就需要人工补充二氧化碳。同时,利用温室封闭的环境,人工将二氧化碳浓度提高到大大高于大气中的正常浓度,会取得作物显著增产效果,有些品种甚至可以达到增产1倍[3]。这就意味着,一些蔬菜在保证同等市场供应量的情况下,可以减少灌溉面积的一半,取得显著的节水效果。

2 设施农业节水的途径

日光温室是设施农业的重要组成部分,2007年河北省日光温室面积17.87万hm²,占设施农业的35%。比起大棚等其他设施农业来,日光温室具有保温效果好,栽培季节长的优点,在一定条件下还能够实现周年种植。在北纬40°以北地区,一般日光温室冬季(候平均气温≤10℃)天数可比露地缩短3～5个月,而大棚的冬季天数只比露地缩短50 d左右[4]。另外,日光温室设施相对固定,适于长期运行,便于节水节能工程的配套,可以长期发挥效益,收回成本。因此,本文将设施农业的节水节能讨论集中于日光温室。

温室节水措施的研究和讨论一般多着重于现代微灌节水灌溉技术,如滴灌和微喷等技术。现代微灌节水技术的节水原理是利用小定额灌溉及土壤局部湿润的方法减少棵间蒸发和深层渗漏所造成的无效损失。但是仅仅灌溉节水的技术措施是不够的。第一,微灌节水技术的节水能力是有限的。尽管相对于传统的地面灌溉,微灌节水技术一般认为能够节水50%～70%[5]。第二,在实践中仅靠节水其经济效益有限,难以对温室经营者形成推广的吸引力。第三,温室环境屏蔽了雨水,不能有效利用降雨这种自然水资源。因此,如何在日光温室的环境下利用天然降雨増辟水源以及如何在节水条件下提高温室生产效率水平是本文的关注点。

在采用微灌技术节水的基础上,我们可以通过一系列综合节水技术进一步提高节水效果。例如,采用适当的温室结构设计形成温室棚面集雨系统,收集储存温室表面天然降雨径流作为灌溉的补充水源,减少地下水源等常规水源的开采需求;改善温室内温湿度和气体环境,在作物同等耗水量的情况下提高蔬菜产品的产量和品质,使有限的水资源投入达到产出和效益最大化,从而间接达到减少水资源对设施农业的投入,减少农业水资源开采量的扩大。

3 日光温室的棚面集雨

温室棚面阻断了天然降雨,使降雨不能像露地种植那样对土壤水分进行补充。温室蔬菜作物的生长发育完全依赖灌溉。温室棚面降雨以径流的形式白白流走,尽管可以补充地下水和地表水增加水资源,但是不如直接利用效率高。一是降雨转化为地下水等其他形式的水资源以及提取这些水资源进行灌溉的过程中存在着大量转化损失。例如,河北平原在目前地下水埋深大于6 m的条件下,不同水文年降雨补充地下水的效率大约在10%～25%左右;而井灌提取浅层地下水灌溉的利用率在70%～90%,一般情况下只能达到70%～80%。二是将降雨转化成地下水以后再行提取是要耗费大量能源的。据观测,在河北平原许多地方开采浅层地下水的能耗,以提取1 m³地下水耗电0.3 kW•h左右较为常见。若以河北省蔬菜瓜果栽培为例,每年若开采61.7亿m³浅层地下水,按此估算耗电量将为18.5亿kW•h。因此,直接利用棚面集雨是一种较为经济合理的开源途径。由于棚面面积有限,为了扩大集雨量,可以同时利用设施农业周围其他集雨面,例如混凝土道路路面等。在许多地方,设施农业集雨不能完全替代常规水源灌溉,但是可以作为一种补充水源减少对常规水源的开采。

温室集雨系统由集雨面、雨水汇流槽、沉淀过滤池和蓄水池(水窖)组成。集雨面主要利用温室倾斜的屋顶,有的地区为了扩大集雨量,将温室群内的硬化道路也作为集雨面。雨水汇流槽一般通过在集雨面边缘设置沟槽来实现。汇集的雨水经过沉淀过滤池进行处理,去除泥沙和杂物通过管路进入雨水蓄水池(水窖)。

北方流行的节能型日光温室设计为东西向延长,坐北朝南。温室屋脊南面接受阳光辐射的透光面由塑料薄膜组成,称为前屋面,垂直投影面积较大,是主要的集雨面;北面不透光的的保温屋面称为后屋面,能够集雨的垂直投影面积较小。前屋面曲线形的塑料薄膜棚面是理想的集雨面,表面光滑,径流系数很大,集雨效率高,可以利用年降雨量的85%～90%[6]。日光温室棚面南侧下边缘设置雨水汇流槽。汇流槽通向雨水沉淀过滤池的出水口最好设置在中部,这样可以减少汇流槽的设计尺寸。

集雨系统蓄水池容积的确定主要取决于降雨量和集雨面的大小以及灌溉制度等因素。全年可集水量可用下式计算:

F_p=E•A•K•R_p/1000(1)

式中:F_p—设计保证率p的全年可集水量(m³);E —年集雨效率,根据集雨面的材料确定,塑料薄膜温室棚面可采用0.85;A —温室棚面集雨面的垂直投影面积(m²);K—降雨量(减去降雪等非液体的水量)和降水量的比值,根据实际资料确定;R_p—设计保证率为p的年降水量(mm)。

集雨系统蓄水池容积可用下式简单估计:

V=α•F_p(2)

式中:V—蓄水池容积(m³);α—蓄水池容积系数,根据当地降雨过程特征和温室滴灌用水过程特征确定,如果缺乏实际计算资料,可在0.6～0.8之间取值。

日光温室的棚面集雨的集雨量是有限的,必须和微灌节水措施结合起来应用才能很好地发挥效益。集雨过程中往往带入泥沙等杂物,使用滴灌系统时尤其注意过滤器的设计、安装和维护。另外,在温室管理上,北方夏季高温时,不用屋面揭膜,充分利用降雨,增加集雨量。这种情况下或者对温室进行休茬闷棚,减少温室作物连茬造成的病虫害;或者适当遮阳通风,保证适宜的生产环境。

4 利用沼气加温和改善日光温室CO₂环境

温室节水灌溉发挥效益的前提是温室首先能够给作物提供适当的温度和气体环境,使其正常发育成长,否则植物发育不良,形不成产量,单纯节约灌溉水没有意义。因此,对于温室这种设施农业,我们在研究应用节水灌溉的同时,也要研究温室保温增温这些关乎作物生长发育的基本功能。

中国北方的节能型日光温室,采用充分利用太阳辐射能加温和严密的保温技术防止热量散失,保持室内适当的温度以利作物生长。在冬季连续阴天的情况下,输入温室内的辐射能量不足,随着热量的逐渐散失而造成温室内温度大幅下降。这就需要额外的能源为日光温室进行临时加温补热,以维持温室的正常生产不受损失。沼气作为加温的能源可以节约煤炭等常规的矿物能源。1 m³沼气的热值约18 017～25 140 kJ,相当于1 kg原煤或0.74 kg标准煤[7]。北方地区每立方米沼气池每天可生产沼气0.1～0.2 m³[6]。利用100 m³池容的沼气池为温室补热,每天可节约原煤10～20 kg。

和露地相比,日光温室是个相对密闭的环境,会产生一些特殊的问题。例如,如何保证作物的生长发育所必需的CO₂。在露地情况下,CO₂的供给是不成问题的。大气中的CO₂浓度相对稳定,一般在300～350 mL/m³范围内。在密闭的温室中,作物的光合作用会大量消耗CO₂,造成CO₂浓度远远低于大气平均含量,造成植物的CO₂饥饿,影响作物的发育和产量。在温室内燃烧沼气是产生CO₂的一种价廉有效方法。

目前,各种类型的沼气设施和技术较为成熟,工业用沼气和农村用沼气已有一些商品化产品。沼气和日光温室的配合需要处理好两个主要问题:①沼气池和温室的合理匹配问题;②保证沼气池冬天高效产生沼气的问题。

沼气池和温室的合理匹配指的是一定面积的温室需要多大容积的沼气池。若沼气池容积小,则产气量不足,温室增温效果较差。沼气池池容和温室面积的合理匹配是一个非常复杂的问题。温室加温所需燃烧的沼气量和当地的气候、温室种植的作物种类以及温室本身的保温性能有关,而同样容积的沼气池的产气量也和当地气候、发酵原料种类以及沼气池本身的保温性能有关。据文献建议[8],每10 m²大棚可用1盏沼气灯增温,每盏沼气灯1夜消耗沼气0.2 m³。使用稻草猪粪作发酵原料,常温下沼气池每天每立方米池容产气量约为0.1 m³[9]。因此,每立方米沼气池池容为温室供气增温的面积不超过5 m³为宜。也就是说,每亩日光温室所需的沼气池池容至少要在130 m³以上才能产生一定的加温效果。

保证沼气冬天产气效率,是温室沼气加温的最关键技术因素。目前市场上有些沼气设备带有太阳能加热功能的商品化产品,但是价格较高。我国一些地区将普通沼气池建在日光温室内是个好方法,如辽宁的“四位一体”的生态农业模式。这种模式将日光温室、沼气池、蔬菜和禽畜舍结合到一起,保证了沼气的发酵温度。

北方冬天保证沼气发酵温度的其他技术措施有:①将沼气池建造在地下较深的位置;②沼气池外壁和顶部采取保温材料保温;③沼气池上方采用塑料薄膜覆盖,或沼气池上建造塑料大棚增温,夜间覆盖草苫等材料进行保温。

5 建议

北方的节能型日光温室在晴天阳光充足的情况下,冬天一般不用加温。只有连续多日低温寡照,太阳辐射输入温室的热能不足的时候,才需要临时人工补热。因此,建议进一步研究开发沼气储存技术,将平时生产的多余沼气集中起来在阳光不足的情况下为温室供热。这样可以适当减少温室加温高峰用气需要较大容积沼气池的问题。

参考文献:

[1] 河北省统计局.河北农村统计年鉴2006[M].北京:中国统计出版社,2006.

[2] 河北省水利厅.河北省用水定额[Z].2007.

[3] 张建新,韩 虹.日光温室二氧化碳施肥技术研究[J].中国农业气象,2000,21(3):44-48.

[4] 李天来.棚室蔬菜栽培技术图解[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1999.

[5] 周长吉.温室灌溉[M].北京:化学工业出版社,2005.

[6] SL 267-2001,雨水集蓄利用工程技术规范[S].

[7] 张全国.沼气技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2008.

[8] 宋洪川,谢 建,董锦艳.农村沼气实用技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[9] 林 聪,王久臣,周长吉.沼气技术理论与工程[M].北京:化学工业出版社,2007.