寒地温室环境信息自动采集与滴灌技术的应用探讨

滕　云，陶延怀，刘淑艳，司振江，于振良

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)



寒地温室环境信息自动采集与滴灌技术的应用探讨

滕云，陶延怀，刘淑艳，司振江，于振良

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

摘要：对寒冷地区的气候特点、日光温室的内外环境差异进行了分析与探讨，阐述了环境信息自动采集对寒冷地区温室开展滴灌研究及进行温室环境调控的重要性，提出了寒冷地区日光温室发展滴灌值得探索的一些问题。

关键词：寒冷地区；日光温室；温室环境；滴灌；信息自动采集

黑龙江省位于中国的东北部，是中国位置最北、纬度最高的省份，属大陆性季风气候。冬长夏短，夏季气温高，降水多，光照时间长，冬季气温低，光照时间短。太阳辐射资源丰富，年日照时数一般在2300～2800 h。但由于黑龙江省的气候特点是冬季低温、弱光，在此环境条件下，作物开花数、结果数、产量和品质都相应降低，再加上辅助栽培管理技术不配套，如灌水技术、施肥技术、覆膜技术等，都直接影响到作物产量及品质。温室大棚一直是黑龙江省冬春淡季蔬菜生产的重要载体，不但解决了长期困扰我国北方地区新鲜蔬菜冬春淡季的供应问题，同时增加了农民收入。

滴灌作为一种先进的灌水方式，已在温室中得到广泛应用，且在灌水上下限[1-5]、需水量[6-7]、需水规律[8-10]、灌溉制度[11-13]、水分动态[14]、温室环境[15-21]等方面多有研究，但针对北方寒冷地区日光温室滴灌条件下的灌水模式研究较少，尤其寒冷地区季节气候差异显著，昼夜温差大。因此，根据北方寒冷地区土壤条件、气候条件、作物种类，制定出便于实施的、合理的灌溉模式，指导菜农进行合理滴灌，发挥出滴灌应有的效益，对指导北方寒冷地区温室生产、促进滴灌事业的发展将具有重要的现实意义。

1温室类型及气候特点1.1温室类型

温室是北方寒冷地区冬春蔬菜生产和冬春育苗的主要保护地设施。为了兼顾温室的采光、保温、造价和利用率，大部分温室类型为坐北朝南，略偏西5～7°，屋面角为30～40°。多栋温室建成温室群时，前后两栋温室的间距一般为6 m，以避免遮挡光照，温室的跨度以6 m为宜，最多不超过6.5 m，温室的高度以3～3.2 m为宜。为保证合理通风、散热，土木结构的温室一般在后屋面上，每隔6 m设一个80 cm×60 cm的通风窗；砖钢架结构的温室一般在后墙上，每隔3 m设一个60 cm×70 cm的通风窗[22]。因为黑龙江省地处高纬度寒冷地区，在利用温室进行入冬和早春生产时，一侧透明屋面夜间需要用棉被等进行覆盖，以加强夜间的保暖、保温。

1.2气候特点及光照、温度的室内外差异

黑龙江省是全国气温最低的省份，气温的季节变化明显。冬季是一年中最冷的季节，其中1月份最冷，平均气温-30.9～-14.7℃。春季以4月份为代表，大部分地区在1～5℃，夏季为全年最热的季节，以7月份气温为代表，全省普遍高温，均在17℃以上。秋季以10月份为代表，秋季气温与春季分布相似。因秋季是由夏季向冬季过渡，所以秋季温度普遍低于春季，全省大部分地区在0～4℃。

温室内外温度对比见图1。由图1可见，在9月20日前温室内外温度接近或室内略高，因这段时间是黑龙江省温度较高的季节，所以温度差异不显著，9月下旬以后，气温渐低，室内外温差显著，最高接近20℃，但偶尔某一天室外温度升高，也会有“逆温现象”[23]。

图1　黑龙江省8月至10月温室内外8点温度

黑龙江省年平均总云量在4.5～5.5之间。一年中冬季云量最少，夏季云量最多，春、秋季云量居中。全省年可日照时数为4443～4470 h，年实际日照时数在2300～2800 h之间，为可日照时数的55%～70%。夏季日照时数一般在700 h以上，为全年最高季节，而日照百分率却是一年中最低季节，仅55%左右；冬季日照时数是一年中最少的季节，绝大多数地区在500 h以上；春秋界于冬夏之间，春季一般为700～800 h，大于秋季的600 h左右。

由图2可见，光透过棚膜到达温室内的光照度均不足10%，平均在2.3%左右，但由于此季节光照较强，温室外光照达到6500～134 000 Lux，远高于喜光型蔬菜的光照补偿点2000～3000 Lux，且高于喜光型蔬菜的光照饱和点4万Lux的光照度值占77%。而温室内97%的光照度高于喜光型蔬菜光照补偿点，47%高于喜光型蔬菜的光照饱和点，69%高于喜中光型蔬菜的光照饱和点3万Lux，76%高于耐弱光型蔬菜的光照饱和点2万Lux。说明温室内光照可以满足蔬菜生长需要。

图2　黑龙江省9月初至11月初温室内外14点光照度

此外，全省年平均相对湿度为60%～70%，其空间分布与降水量相似，呈经向分布。黑龙江省年平均风速大部分地区在3～4 m/s，风速季节变化大，一年之中春季风速最大，大风日数也最多，占全年大风日数的40%以上。无霜期多在100～160 d之间，全省≥0℃积温平均值大部农业区介于2800～3200℃之间。

因此，正是由于黑龙江省气候条件的季节性差异，致使日光温室内环境随季节变化差异显著。

2滴灌对温室环境的影响

寒冷区日光温室的主要功能是提前延后、反季节种植，扩展农产品上市时间。对温室蔬菜生产而言，温室内高温高湿或者低温高湿，都是造成蔬菜病害发生和蔓延的一个主要且重要原因，使用传统粗放的大水漫灌方式，既容易降温又增大湿度。而滴灌则可有效地控制棚室内空气湿度，减轻、减少病虫害发生，保持有效的光热资源。滴灌还能有效地控制灌水量，减少土壤深层渗漏和肥料流失，改善土壤结构和通气性，促进蔬菜生长发育。

温室节水灌溉对温室内所产生的环境影响，不仅表现在空间上，也表现在时间上，尤其在寒冷区的早春和冬初，这就对温室水分管理和环境调控提出了新的要求，也是寒冷区设施农业可持续发展过程中稳定的重要方面，因此，开展与温室环境效应相一致的节水管理研究极具紧迫性、现实性和必要性。对保证寒冷地区设施农业可持续发展具有十分重要的意义。

3温室环境信息自动采集的应用

现代化的温室数据采集系统是实现温室生产自动化、高效化最关键和最重要的环节，作物水分信息采集更是实施灌溉决策和管理的重要基础，也是现代农业技术体系和精准灌溉工程系统的一个重要组成部分。而先进、可靠的作物水分信息采集技术和采集设备是精准、快速、连续获取作物水分信息的基础保障。随着设施栽培的迅速发展，最近几年，对影响设施栽培的环境因素的研究也在不断加强。

以黑龙江省水科院基地温室安装的一套WP-3型温室环境监测系统运行一年的数据可以充分说明环境指标信息实现自动化监测的优势。

3.1数据系列的连续性

系统可执行频繁的环境数据定点采集任务，每次采数的最短时间间隔为2 min，由于东北地区春秋两季气候差异很大，通过温室春茬作物与秋茬作物的温室环境数据的连续监测，可以研究不同季节与不同气象条件下，不同土层土壤水分的日化过程；不同生育期，作物对灌溉水的消耗过程；地温对光照、气温过程的响应；不同气象条件下，温室内相对湿度变化过程与规律等一系列问题，因此，它可以轻松完成研究者较难完成的环境数据采集任务。

从图3可以看出，通过温室内湿度的自动监测，可随时掌握室内的湿度状况，及时调节温室内的环境，以满足相应作物的生长需求。另外可以看出，室内相对湿度要比室外高，但变化规律一致，且畦灌的相对湿度值要比滴灌高，均在95%以上，而滴灌情况下，日间的相对湿度在80%上下。

图3　连续三天整点的湿度变化

3.2数据响应快速

对温室内作物进行灌溉决策，不但要能满足作物对水的需要，又要不致造成温室土壤含水量和空气湿度过大，造成病害。这就需要解决两方面问题，即什么时间进行灌溉和灌水量是多少。合理灌溉技术的关键是要解决以适量的水进行适时灌溉的问题。

从图4可以得知，通过土壤水势自动监测可以有效及时的控制灌水，做到及时、有效灌溉，免去传统的土钻取土要经过土样烘干和计算灌水量的过程。另外可以看出，畦灌耗水量大，滴灌一次，畦灌要两次，且滴灌土壤水分在湿润的情况下，畦灌土壤含水量却较低。

图4　秋茬作物在滴灌与畦灌下的土壤水势变化

当然该自动信息采集系统也有它的局限性，如通讯线路铺设繁琐、不灵活，重组困难，维护、维修不便利，但系统稳定性和抗干扰性要优于无线网络通讯传输技术。

4温室环境监测对环境的调控及精准灌溉技术的促进

蔬菜生长发育需要适宜的环境,有些蔬菜的生长发育对环境因素的要求较高。人们可以利用温室创造出适宜作物生长发育的环境条件,这就是温室环境控制。环境控制的主要内容是温湿度的自动调节、灌水水量水温自动调节、CO2施肥自动调节、温室通风换气自动调节等。

在温室蔬菜生产栽培中，单纯满足任何单一环境条件都不能使蔬菜生长发育取得良好的结果，而任何一个不良的环境限制因子却能决定着蔬菜的生长发育。所以，对于蔬菜作物生长所需要的所有条件都应予以重视，依据不同季节的外界环境状况，有主有次、适时适度地调控温室环境条件，这就需要有获取温室环境信息的高效、精准的监测系统。

灌溉是温室作物栽培中唯一的水分来源，尽管现在许多地区的温室都已采用滴灌、渗灌等节水灌溉技术，但仍然不是通过作物需水信息实行控制灌水，解决这个问题的根本出路是大力发展和推广精量灌溉，根据作物需水信息适时、适量地进行科学灌溉，达到节水增产的目的[24]。实施精量灌溉必须具备3 个条件[25]：①掌握详细的作物需水资料；②运用先进的信息化技术，主要是遥感技术和计算机自动监控技术；③提供两者相衔接的大量技术指标，并将这些指标转化为遥感标识和模型。而作物水分状况的实时监测技术是精量灌溉的基础与保障[26]。

大多温室环境调控系统中只注重光照、温度环境因子调节，而湿度对作物生长、品质的影响及调控重视不够。因而，在灌溉决策中对作物、土壤、气象复合系统做出综合性的分析和判断，将是今后温室作物灌溉管理工作中的难点和新点[27]。但无论依据什么来进行灌溉决策，快速、准确的获取相关指标信息，研究作物水分状况实时监测技术，对灌溉决策都具有非常重要的意义。

5寒冷地区日光温室滴灌值得深入探讨的问题

关于日光温室的节水灌溉问题，以往虽然做了不少研究，并取得了一些成果，但这些成果多是针对于非寒冷地区作物的需水规律和灌溉制度，而受环境影响方面的研究少见报导。因此，研究北方寒冷地区日光温室滴灌条件下的作物需水规律，滴灌对温室环境的影响机理，考虑生态环境效应的节水灌溉管理等，对于有效利用水资源和北方寒冷地区设施农业的可持续发展无疑具有重要的意义。

寒冷地区温室滴灌与环境效应研究。实施滴灌节水灌溉技术后引起的温室内水热条件的改变及对作物蒸腾蒸发的影响，及环境变化对作物生长的影响机理。滴灌对温室环境影响的评价指标体系及评价、预测与决策方法。

滴灌条件下温室内水分变化规律研究。实施滴灌技术后土壤水分、土壤蒸发、植株蒸腾等变化规律，及温室小气候的相互转化规律。

温室水分管理和环境调控研究。深入细致地研究作物需水信息与温室各环境因子的关系、温室环境与作物生理的关系，滴灌技术下的优化供水模式。

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Apply inquire into information automatic collection and drip irrigation technique of greenhouse environment in cold district

TENG Yun，TAO Yanhuai，LIU Shuyan，SI Zhenjiang，YU Zhenliang

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

Abstract：This paper analyzed climate characteristic and environment difference of cold district，raised importance of information automatic collection for drip irrigation research and environment control，put forward some research suggestions about developing drip irrigation in cold district.

Key words：cold district；solar greenhouse；greenhouse environment；drip irrigation；information automatic collection

基金项目：黑龙江省科技攻关项目(GZ08B103)

作者简介：滕云(1978-)，女，高级工程师，主要从事旱作节水技术和作物高效用水技术方面的研究。E-mail：hljskyty@126.com

中图分类号：S625.5

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2015)02-0026-05