設(shè)施園藝工程和環(huán)境組報告精編

么秋月

設(shè)施園藝工程和環(huán)境調(diào)控所涉及的學科廣、科技含量高，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必經(jīng)之路，并逐漸成為設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點。加大對設(shè)施園藝工程和環(huán)境調(diào)控的研究可以進一步推動中國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。為此，本次學術(shù)年會邀請各科研院校的師生，與大家分享了當前設(shè)施園藝工程和環(huán)境調(diào)控相關(guān)的研究進展，本刊編輯部對部分論點進行整理，以饗讀者。

基于云服務的溫室智能傳感器優(yōu)化設(shè)計

北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心副研究員 張馨

隨著中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的應用比例逐年提高。因此，提高溫室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)的技術(shù)水平、設(shè)備利用率，增強設(shè)備安裝維護的便捷程度變得尤為重要。然而信息化資金投入少，專業(yè)技術(shù)人員匱乏，管理效率低下等問題嚴重制約了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應用發(fā)展。現(xiàn)為大家介紹一些低成本、易操作、內(nèi)容實用豐富、服務方式多樣的傳感器和服務終端。

空氣溫濕度傳感器

該傳感器針對溫室的特殊環(huán)境對封裝防護及防輻射罩等方面進行優(yōu)化，具有較好的一致性、穩(wěn)定性和自動恢復性，可以進行自動校準。并且該傳感器置于空氣防輻射罩中，在溫室高溫高濕環(huán)境下的使用壽命延長3年以上。

光量子傳感器

針對市面光量子（光合有效光量子通量密度）傳感器少且依賴進口的情況，實驗室在傳感器結(jié)構(gòu)、裝備流程、校對方式、敏感元件補償?shù)确矫孢M行了改進設(shè)計，同時優(yōu)化了光路及高靈敏I/V轉(zhuǎn)換電路，響應曲線接近理想曲線，提高了精準度與科學性，采用標準可調(diào)模擬太陽光光源構(gòu)建全量程校對系統(tǒng)，成本是進口產(chǎn)品的1/3，經(jīng)過校對精度達3%以上，功耗小于1 mA（2.5 mW）。

二氧化碳傳感器

采用非色散紅外傳感方法，在調(diào)制光源照射下，利用中紅外二氧化碳吸收區(qū)和無特征區(qū)的信號比值實現(xiàn)二氧化碳的穩(wěn)定測量。所形成的傳感器具有量程寬、穩(wěn)定性高、靈敏性好、免維護的優(yōu)勢。傳感器校對后精度小于±20 μmol/mol，一致性小于±30 μmol/mol，采樣響應時間小于6 min，功耗最大5 mW，消除光路冷凝及灌溉噴灑影響，大幅度延長傳感器使用壽命和校對周期。

土壤含水量傳感器

該傳感器改進了基于高頻電容原理的土壤水分測量電路和標定方法，提高了測量的精度、穩(wěn)定度，延長了傳感器的使用壽命，并設(shè)計了具有溫度補償功能的低功耗高頻信號發(fā)生電路、差分結(jié)構(gòu)的頻率和相位檢測電路，提出了基于歸一化處理的傳感器標定和計算方法，實現(xiàn)了在線標定。

EC/pH傳感器

pH值測量采用電位法、EC采用雙極性脈沖測量、溫度采用PT100，采用高集成度高精度模擬信號調(diào)理前端，實現(xiàn)傳感器自動校準。該傳感器測量量程可以自動轉(zhuǎn)換，還優(yōu)化了封裝結(jié)構(gòu)和智能感知結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)校對方式簡化，校對周期延長；四電極EC測量減少極化現(xiàn)象，延長使用壽命。

葉片溫度傳感器

在邁來芯公司生產(chǎn)的高精度紅外測溫傳感器MLX90614ESF-DCI的基礎(chǔ)上研究人員對其封裝結(jié)構(gòu)、安裝方式、防護透鏡選擇等方面進行優(yōu)化，并構(gòu)建低能耗采集系統(tǒng)。改進后該紅外葉溫傳感器適合完全密閉溫室高溫高濕環(huán)境，并且通過傳感器結(jié)構(gòu)、濾鏡、封裝優(yōu)化其測量精度不受環(huán)境二氧化碳濃度、濕度影響。當環(huán)境溫度在0～40℃時，測量精度不受影響。葉片溫度傳感器整體設(shè)計精度高、可靠性高、能耗低，能夠滿足溫室環(huán)境下植物葉片溫度測量需求。

溫室環(huán)境云采集終端

在以上傳感器優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，實驗室構(gòu)建了溫室環(huán)境云采集終端，并在終端能耗管理、防護結(jié)構(gòu)、太陽能供電結(jié)構(gòu)等方面開展了優(yōu)化設(shè)計，采用多角度安裝方式，提高溫室內(nèi)太陽能利用率，還將主動通風空氣防輻射罩與符合IP67標準的防護殼相結(jié)合，使其能在高溫高濕環(huán)境下進行工作。

溫室娃娃Ⅲ（溫室娃娃云終端）是一款面向設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境信息定時采集的便攜式監(jiān)測儀器，可用于測量塑料大棚、日光溫室、連棟溫室內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤含水量、二氧化碳濃度等設(shè)施環(huán)境要素信息，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務器，用戶可通過現(xiàn)場液晶顯示屏或語音播報了解實時環(huán)境數(shù)據(jù)，也可通過手機APP或者WEB服務查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)還能用U盤導出，方便快捷。

溫室娃娃云服務平臺可為安裝了溫室娃娃云終端的客戶提供云端數(shù)據(jù)服務，通過該平臺用戶可實現(xiàn)溫室內(nèi)實時環(huán)境數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備管理、環(huán)境調(diào)控等功能，還能將所得實時數(shù)據(jù)結(jié)合模型庫和農(nóng)業(yè)專家?guī)爝M行分析，了解當前易發(fā)病蟲害信息，形成相應的防控策略，實現(xiàn)精準的病害預警，對病蟲害進行及時、專業(yè)的指導。

兩種空間高效利用草莓立體栽培系統(tǒng)

中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院教授 宋衛(wèi)堂

日光溫室后墻管道草莓立體栽培系統(tǒng)

目前，日光溫室草莓種植所面臨的主要問題是如何提高溫室空間利用率、草莓產(chǎn)量和農(nóng)戶的收入。其中一種解決方法就是在日光溫室的后墻增加管道式無土栽培。經(jīng)測算，典型日光溫室（跨度8 m、長60 m）地面栽培的總長度為50×2×7=700 m，而溫室后墻栽培管道的總長度為49×4=196 m。因此，在日光溫室的后墻上進行管道式無土栽培草莓，會使草莓的栽培長度增加28%，栽培草莓的數(shù)量增加1370 株，增加量十分可觀。但是后墻的主要功能是白天接受太陽光照射，并將熱量儲存在墻體中，夜晚再把熱量釋放出來用于加熱溫室。在溫室后墻上安裝上栽培管道后，栽培裝置會遮擋后墻，導致溫室內(nèi)受陽光直射的面積減少，這樣是否會減少墻體白天的儲熱量，從而使溫室內(nèi)夜間的溫度降低呢？通過試驗發(fā)現(xiàn)，晴天情況下，裝有后墻管道栽培裝置的溫室內(nèi)部氣溫比沒有安裝后墻管道栽培裝置溫室內(nèi)的氣溫還要略高一些，而陰天和雨雪天氣時，二者氣溫相差不大。因此，日光溫室后墻管道草莓立體栽培系統(tǒng)不會降低溫室內(nèi)氣溫。其主要技術(shù)優(yōu)勢在于提高了溫室的空間利用率，增加了栽培面積，方便草莓栽培的日常管理和采收，提高草莓的果實品質(zhì)。目前，在北京市昌平區(qū)小湯山地區(qū)，已有200多棟日光溫室安裝后墻管道立體栽培系統(tǒng)進行草莓生產(chǎn)。

“追日”式草莓多層立體栽培系統(tǒng)

“A”字形栽培架是比較常見、也比較常用的立體栽培型式，其優(yōu)勢在于可以充分利用溫室內(nèi)空間，提高單位土地面積上栽培植株的數(shù)量，進而提高單位面積的產(chǎn)量。但是，在同一栽培架的上位層對下位層、上午東側(cè)對西側(cè)和下午西側(cè)對東側(cè)、相鄰兩個栽培架之間上午東側(cè)架對西側(cè)架以及下午西側(cè)架對東側(cè)架，都會出現(xiàn)太陽光受到遮擋的問題。

為了提高“A”字形栽培架受光均勻性，研究人員對栽培架進行了簡單的改裝，讓其能夠隨著太陽的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，也就是讓草莓的栽培行始終平行于太陽光。該系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)，是根據(jù)北京地區(qū)冬季太陽高度角和方位角進行計算并確定，以保證栽培架的行向在繞其中心軸做“追日”運動時，始終與太陽光線平行。

經(jīng)試驗測定，追日式栽培架的光環(huán)境，優(yōu)于固定式栽培架的光環(huán)境。追日式栽培架上各層的草莓產(chǎn)量，均顯著高于固定式栽培架相應位置的草莓產(chǎn)量。并且“追日”式栽培架較固定式栽培架草莓產(chǎn)量提高約44%，效益增加顯著。因此，“追日”式栽培系統(tǒng)不僅可以改善草莓的光照環(huán)境，還可以提高草莓的產(chǎn)量和效益，是一種值得在實際生產(chǎn)中推廣應用的技術(shù)。

基于實時控制灌溉系統(tǒng)的基質(zhì)培水分傳感器埋設(shè)位置對溫室番茄生長特性的影響

寧夏大學 曹少娜

著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，傳感器技術(shù)的應用逐漸成為精確化、智能化灌溉的重要技術(shù)之一，該技術(shù)可以實現(xiàn)水分的實時、動態(tài)監(jiān)測。但是傳統(tǒng)水分監(jiān)測具有一定滯后性，進口水分傳感器價格又過于昂貴。為解決這一問題，寧夏大學園藝實驗室做了相關(guān)試驗來探究實時控制灌溉系統(tǒng)中基質(zhì)培水分傳感器埋設(shè)位置對溫室番茄生長特性的影響，以期篩選出水分傳感器的合理埋設(shè)位置。

試驗以‘圣尼斯紅果7846番茄為試驗材料，采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，將水分傳感器距滴頭水平和垂直距離劃分為5、10、15 cm三個距離，并將水平和垂直距離分組組合后埋設(shè)。試驗期間保持溫室內(nèi)相同的水分上下限[整個生育期的水分上限（體積含水率）為田間持水率的90%，水分下限（體積含水率）為田間持水率的60%～70%]，并根據(jù)水分傳感器監(jiān)測的基質(zhì)含水率指導灌溉，分析不同基質(zhì)培水分傳感器埋設(shè)位置對番茄的生長指標、光合指標、品質(zhì)、產(chǎn)量、干物質(zhì)及灌溉指標的影響。

試驗結(jié)果表明，水分傳感器距滴頭水平距離10 cm，距滴頭垂直距離10 cm時，番茄的地上部分生長性狀表現(xiàn)最優(yōu)，根系發(fā)達，根冠比最大，番茄葉片水分散失較少，灌水量較小，凈光合速率較高，蒸騰速率較小，干物質(zhì)積累最多，番茄果實品質(zhì)相對較好。因此，對于基質(zhì)槽培番茄來說，在采用1個水分傳感器條件下，應埋設(shè)距滴頭水平距離10 cm，垂直距離10 cm的位置，該試驗在一定程度上也說明了灌溉的水量、次數(shù)和產(chǎn)量并不是呈正相關(guān)，只有合理灌溉才可實現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)。

日光溫室斜坡式南墻對室內(nèi)溫光條件和黃瓜生長發(fā)育的影響

河南科技學院 王勝楠

目前，下沉式日光溫室存在南側(cè)遮光的問題，嚴重影響溫室內(nèi)植株的正常生長。為進一步優(yōu)化下沉式日光溫室結(jié)構(gòu)，本試驗在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將溫室前屋面向前延伸1.2 m，即把原每棟溫室的鋼管拱桿和每條墊桿加長，增加6～8道東西向琴弦鋼拉絲，將原來垂直的南立墻改為40°的斜坡形式，成為斜坡式南墻日光溫室，并將其與直立式南墻日光溫室進行對比，研究斜坡式南墻對室內(nèi)溫光條件和黃瓜生長發(fā)育的影響。

試驗結(jié)果表明：

（1）在冬季陰、晴天氣條件下，斜坡式南墻日光溫室的氣溫、地溫比常規(guī)下沉式日光溫室有所提高，特別是晴天更有利于溫室內(nèi)氣溫、地溫的提高。晴天條件下，斜坡式南墻日光溫室內(nèi)的日平均氣溫和最高氣溫比常規(guī)下沉式日光溫室分別提高了1.63、2.58℃；陰天條件下，斜坡式南墻日光溫室內(nèi)日平均氣溫和最高氣溫分別比常規(guī)下沉式日光溫室提高了0.27?0.15℃；晴天條件下，斜坡式南墻日光溫室內(nèi)0、5、10 cm深處最高地溫比常規(guī)下沉式日光溫室分別高3.59、2.90和1.33℃，平均地溫比常規(guī)下沉式日光溫室分別高1.71、1.8和1.34℃。

（2）斜坡式南墻日光溫室可以有效縮短南墻在地面的太陽陰影長度，增強溫室南部區(qū)域的光照強度。晴天測量時段內(nèi)，斜坡式南墻日光溫室平均光照強度比常規(guī)下沉式日光溫室增加126.12%。同時，斜坡式南墻日光溫室黃瓜植株的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率均高于常規(guī)下沉式日光溫室，其中凈光合速率最大值比對照增高13.88%，氣孔導度平均高達34.75%，胞間CO2濃度平均高6.63%，蒸騰速率最大值比對照增高14.02%。

由此說明，斜坡式南墻日光溫室溫光性能的提高促進了黃瓜前期的生長發(fā)育。斜坡式南墻溫室黃瓜株高比對照溫室黃瓜增加40.3%，莖增粗9.18%，葉片數(shù)增加33.51%，結(jié)果量提高40.00%。綜上所述，斜坡式南墻日光溫室能顯著改善室內(nèi)溫光條件，更有利于越冬茬黃瓜的生長發(fā)育。

進入黑暗前LED遠紅光處理對番茄種苗生長發(fā)育的影響及相關(guān)生長模型的建立

西北農(nóng)林科技大學 于捷

目前，隨著新型半導體發(fā)光二極管（LED）光源在設(shè)施園藝上的應用越來越廣泛，研究LED在設(shè)施蔬菜中的精準化利用，對于節(jié)約能源和實現(xiàn)設(shè)施蔬菜植株的生長發(fā)育精準化調(diào)控具有重要意義。因此，西北農(nóng)林科技大學園藝學院實驗室嘗試用LED遠紅光處理來調(diào)節(jié)番茄的生長，更加安全、環(huán)保的同時還減少了生產(chǎn)中植物生長調(diào)節(jié)劑的使用，避免該藥劑對人和環(huán)境存在潛在的危害。

光敏色素是植物感受光質(zhì)調(diào)控植物生長的色素蛋白，在紅光和遠紅光的作用下通過紅光吸收型（Pr）和遠紅光吸收型（Pfr）之間的轉(zhuǎn)化來調(diào)控植物的許多生理反應，影響植株的光形態(tài)建成。前人研究證實，暗前遠紅光可以使光敏色素迅速由Pfr 吸收型轉(zhuǎn)化為Pr 吸收型，影響植物生長。

本試驗研究了進入黑暗前LED遠紅光處理對番茄植株形態(tài)、激素含量、光合速率和礦質(zhì)元素含量的影響。結(jié)果表明：①進入黑暗前對番茄植株進行遠紅光處理，番茄植株的株高和莖的鮮質(zhì)量隨著遠紅光光照強度的增加而增加，當遠紅光的光照強度增加到10 μmol/（m2·s）時番茄植株的株高和莖的鮮重也達到最大值。②暗前進行時長為10 min，光照強度為10 μmol/（m2·s）的遠紅光處理后，番茄植株莖葉中的生長素IAA和赤霉素GA3的含量顯著上升；葉片的葉綠素含量和凈光合速率顯著下降；根中氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量顯著升高，莖中氮（N）含量顯著降低，葉中磷（P）含量顯著降低，鉀（K）含量顯著升高。

基于沙培溫室番茄生長特性確定水分傳感器最佳埋設(shè)位置研究

寧夏大學 鄭佳琦

隨著資源的不斷消耗，人口、水資源、土地、糧食已成為全球性問題。目前，中國沙漠、沙地主要分布于北緯35°～50°、東經(jīng)75°～125°之間，其面積約占全國土地面積的10.91%，比我國耕地面積還要多出10%。因此，合理科學的運用現(xiàn)代技術(shù)，將沙漠視為一種可利用的天然資源，并利用TDR等方法監(jiān)測土壤含水量指導農(nóng)業(yè)精準灌溉，對于農(nóng)業(yè)節(jié)水和節(jié)水推廣工作和開發(fā)沙漠運營機制管理，建立商業(yè)化的農(nóng)業(yè)沙產(chǎn)業(yè)鏈條具有深遠的意義。

該試驗通過在光伏日光溫室，以沙培為基質(zhì)，試驗地為客沙栽培，沙子（銀川腹部沙地黃沙）厚度40 cm，容重1.578 g/cm3，田間最大持水量15.47%（質(zhì)量含水量），總孔隙度73.39%。采用滴灌方式栽培日本品種‘粉太郎，利用精準灌溉技術(shù)的TDR土壤水分傳感器研究番茄苗期、開花坐果期和結(jié)果期的水分傳感器最佳埋設(shè)位置，為北方沙地的農(nóng)業(yè)節(jié)水自動化灌溉技術(shù)的應用提供理論支撐。

試驗結(jié)果表明，將土壤水分傳感器埋設(shè)在沙地距滴頭垂直深度、水平距離均為10 cm處的沙培番茄生長、品質(zhì)較好，凈光合速率、胞間CO2摩爾分數(shù)和葉綠素含量均高于其他處理，所以將土壤水分傳感器埋設(shè)在沙地距滴頭垂直深度、水平距離均為10 cm處更利于番茄生產(chǎn)。

日本設(shè)施番茄少量基質(zhì)營養(yǎng)液精量控制栽培技術(shù)

天津農(nóng)學院副教授 王麗娟

天津農(nóng)學院與靜岡大學合作概況

日本靜岡大學為公立綜合性大學，農(nóng)學部共生研究學科研究室主要進行番茄及草莓作物的研究，并和靜大建立了合作研究的基礎(chǔ)。在深入合作的基礎(chǔ)上，2014年靜岡大學農(nóng)學部與天津農(nóng)學院簽定了合作研究協(xié)議。農(nóng)學部部長糠谷明教授被聘為天津農(nóng)學院客座教授，切巖祥和副教授被聘為天津市千人計劃人才。目前，團隊利用日本靜岡大學先進的研究技術(shù)、成果和理念，進一步開展國際合作研究，服務天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

靜岡縣概況

靜岡縣設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)在日本屬于領(lǐng)先水平，設(shè)施類型以自動化玻璃溫室及鋼架塑料全光溫室為主，栽培方式主要以無土栽培、自動化環(huán)境控制為主，栽培理念是安全、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)。靜岡縣設(shè)施栽培的作物主要有番茄、草莓、甜瓜、沙拉菜、三葉芹等，在日本有廣泛的高端市場。

高糖度番茄精量控制栽培技術(shù)

靜大糠谷明教授研究的少量基質(zhì)栽培的番茄，可以進行自動營養(yǎng)液供給，并開發(fā)了獨特的高糖度番茄栽培技術(shù)?；|(zhì)容量少，可以減少基質(zhì)的使用量，并使栽培容器輕型化（含基質(zhì)），栽培裝置減少承重力，削減成本，基質(zhì)還可以重復利用，適合于高架栽培。

糠谷明教授研究的少量基質(zhì)栽培與傳統(tǒng)栽培相比，植物根際的養(yǎng)分、水分、空氣等環(huán)境條件比較容易控制。另外，由于每株的根際都是獨立缽，能很好的控制病害的蔓延。高糖度番茄甜酸平衡絕妙的口味，在日本已經(jīng)被視為新食材，并受到消費者的青睞。