《农业生物环境工程》第4章 温室设施环境调节与控制.ppt

第四章 温室设施环境调节与控制,一、无土栽培（一）无土栽培的概论 无土栽培(Soilless Culture，Hydroponics，Solution Culture)又称为水耕栽培、营养液栽培，就是不使用天然土壤，利用含有植物生长发育所必需元素的营养液来提供营养，使植物能够正常生长发育并得到预期生产效果的一种栽培种植方式。50年代，很多国家都展开了无土栽培的研究，1955年在第14届国际园艺学会年会上成立了国际无土栽培工作组。70年代，无土栽培在生产技术和设施方面取得了突破性进展，逐步发展为一种成熟的新型农业生产方式，在经济发达国家得到了普遍应用推广。,第八节 现代设施园艺新技术介绍,1980年在荷兰召开的第5次国际无土栽培会议把隶属于国际园艺学会的无土栽培工作组独立出来，并改名为“国际无土栽培学会”（International Society of Soilless Culture,ISOSC），以后每4年举行一次国际无土栽培学会年会。80年代以后，无土栽培技术获得了更加广泛的研究和应用，技术更为成熟。我国在80年代以后从以色列、荷兰、日本、美国等发达国家引进了不少成套的无土栽培设施，山东农业大学、华南农业大学、沈阳农业大学、浙江农科院、中国农科院等先后开发了适合我国国情的无土栽培技术，但是真正被商用推广的还不多。,无土栽培作为现代农业生产方式具备很大的优越性、蕴藏着巨大的生产力。与土壤栽培相比，无土栽培具有如下优点：由于人为地及时合理供应了植物生长发育所需要的各种营养成分，并能提供最适的栽培环境，所以其产出物的产量高、品质好、商品率高。生产机械化和自动化操作程度高，部分地实现了农业的工厂化生产。减少了外界病原菌和病害虫的侵入，栽培过程中可以少施或不施农药，减少了农药对产品和周围环境的污染、提高了食品安全性，从根本上解决了起源于土壤的连作障碍问题。对生产地区环境没有特别要求，可进行立体栽培，实现农业的集约化生产。,但无土栽培也具有一定的客观局限性：初期投资费用大。无土栽培所需的温室建设和栽培设备系统的购置等需要投入很大的资金，特别是我国的农产品价格比较低，要慎重考虑其投入产出效益。技术和管理水平要求高。无土栽培生产中营养液的配制和管理、生产设施的环境调控等技术要求高，需要熟练的生产管理人员和丰富的栽培经验。栽培设施须保持清洁，要定期消毒。最适的植物生长环境也利于病虫害的繁殖和蔓延，如果管理不当容易造成某些特定病害的大量发生，甚至于导致栽培失败。,（二）无土栽培的种类 无土栽培通常根据植物根系生长环境中有无固体基质分为无固体基质和有固体基质无土栽培两大类型 无固体基质无土栽培是指在根系生长的环境中没有使用固体基质，根系直接生长在营养液中，或将植物根系裸露在容器或栽培床上空，每隔一定时间把营养液以雾状喷洒到植物根系表面，前者称为水培，后者称为雾培或气培。有固体基质无土栽培是指在植物根系生长环境中使用天然或人工合成材料作为基质来固定植株，并保持营养成分和氧气的供给。常用的固体基质有岩棉、蛭石、沙、石砾、泥炭、锯木屑等。根据栽培过程中固体基质放置的情况不同，又可分为槽式基质培和袋式基质培。槽式基质培是指把栽培床改装为种植槽，基质填充在种植槽中，其应用非常广泛，适宜栽培不同株型的各种植物。袋式基质培是把固体基质用塑料薄膜袋包装好，把基质袋置于栽培床或种植槽中。袋式基质培适宜于种植番茄、黄瓜、网纹甜瓜等大株型植物，一般使用岩棉或锯木屑等密度较小的基质。,图4-57 无土栽培的分类(资料来源于现代实用无土栽培技术设施栽培学，刘士哲编，中国农业出版社，2001),无土栽培,在无土栽培中，深液流技术栽培（DFT）、营养液膜技术栽培（NFT）、及岩棉培栽培的普及面积较广，技术也较成熟。1深液流技术栽培（DFT）深液流技术栽培是在栽培床的一端或两端设置有大的贮液池贮存大量的营养液，利用水泵进行强制流动循环，使栽培床的营养液层保持较大深度（液层深度一般520 cm），利用定植板或定植网把植物种植在营养液上方，而植物根系生长在营养液层中（图4-58）。,DFT的技术特性,该栽培方式的技术特征是营养液的量多并具有流动循性。其优点为：栽培过程中各种营养元素的浓度变化缓慢，营养液浓度调节次数少；营养液层的热容积大，根圈温度变化小；短时间停电、停水不影响植物的生长。其缺点为：初期投资高，栽培床容积大，贮液池大；动力消费大；循环流动混气泵的效果不良容易引起根系供氧不足。,2营养液膜技术栽培（NFT）营养液膜技术栽培是在简易的栽培床上，用塑料薄膜敷设成浅种植槽，营养液从位置较高的一端缓慢的流向位置较低的一端，然后汇集到营养液贮存池中，再利用供液泵把营养液抽送到种植槽位置较高的一端，实现循环流动（图4-59）。种植槽一般成隧道状或栽培床式，槽壁由不透水性材料（泡沫塑料等）构成，倾斜率为1/501/100。营养液的流动液层深度大致为13 cm，植物根系只有一部分生长在营养液中，大部分根系裸露在种植槽的空气中。,营养液膜技术栽培模式的优点为：构造简单，初期投资少，容易建造；营养液层浅且不断流动，不会发生缺氧现象；种植槽结构简单，重量轻，高位设置容易，因此可以改善作业姿势，减轻劳动强度。其缺点是：设施耐久性差，适合栽培植物的局限性大；因栽培系统中的营养液总量较少，其浓度、营养成分、温度等容易变化，营养液浓度调节次数多，管理技术难度高；对水、电供给要求高，一旦遇到停电或水泵故障，营养液停止循环会影响植物生长。,3岩棉培栽培 岩棉原是工业保温材料，在制造过程中加入了疏水剂，而农用岩棉在制造过程中加入了亲水剂，使之易于吸水。岩棉培栽培是以岩棉作为植物根系生长的基质并固定植株，保持营养成分、氧气及水分供应（图4-60）。,（三）营养液的配制和调控管理 在无土栽培中，植物生长所需的营养和水分都是由营养液来提供的。营养液的配方和浓度是否合理，营养液管理能否满足植物不同生长期的需要，将直接影响无土栽培的成功。因此，营养液的配制和调控管理是无土栽培生产的核心技术。1营养液的配制 应根据植物种类、生长期、水源的水质、环境条件等具体情况来选择营养液的配方和调节其成分。首先，营养液必须含有植物生长所需的营养元素，其化合物能溶解于水并以离子形式被植物吸收；其次，各营养元素的浓度和比例必须适应植物的生长要求，能保持长期的有效性和营养均衡；三是要根据植物种类和生长期的不同调节营养液的配方，使其酸碱性稳定，无沉淀产生。配制时还需注意水源中各元素的含量和肥料的杂质含量。,2营养液浓度营养液浓度常用的表示方法有4种：（1）质量浓度，mg/L：即单位容积营养液中含有某种营养元素或化合物的质量。（2）摩尔浓度，mmol/L：即单位容积营养液中含有某种营养元素或化合物的物质量的多少。摩尔浓度反映了营养液中含有某种离子的多少，较常用。（3）当量浓度，me/L：单位容积营养液中某种离子的含有电荷物质的量的多少。为了便于营养液管理，在配制营养液时多采用当量浓度。（4）电导率（Electric Conductivity,EC），ms/cm：单位距离的营养液的导电能力的大小。由于电导率反映营养液含有盐类的总浓度，实际生产中一般通过测量营养液的电导率的变化来调控营养液的浓度。通常，营养液的质量浓度S（mg/L）和电导率EC之间有如下正相关关系。ms/cm（4-56）式中 a,b 常数。,3使用水源的水质要求 无土栽培对营养液使用水源的水质要求比一般农业灌溉高，其水质差异会影响营养液浓度的变化，甚至会影响到某些肥料的有效性。因此，良好稳定的水源是无土栽培的一个前提条件。为了方便营养液的调控管理，选择使用水源时需要对其进行水质分析。如果水质不良时，应在使用前进行水质净化达到要求的水质标准（表4-19）。,表4-19 使用水源中各种离子的界限浓度,注：电导度EC0.3ds/m，酸碱度pH=58，悬浮物10 mg/L资料来源于第4回养液栽培技术研修会资料，日本养液栽培研究会，2003,4营养液调控与管理 无土栽培中由于植物不断吸收营养液中的营养成分、水和氧气，营养液的各种离子浓度、电导度、酸碱度和溶解氧（Dissolved Oxygen,DO）含量是不断变化的，其温度受环境温度影响也在不断变化。因此，需要不断对营养液进行调节，达到植物生长所需的最适要求。一般，营养液浓度在植物吸收后降低到原来设定浓度的80%左右时，就要进行补充。实际生产中，营养液的管理主要是指营养液的电导度、酸碱度、溶解氧浓度、液温的调控，和营养液的更换与消毒。通过使用各种传感仪对营养液因子例如EC、酸碱度、溶解氧、液温、液位、循环速度等进行综合监测，然后定期或实时添加浓缩营养原液来调节和控制栽培中不断变化的营养液。,（1）营养液EC的调节 实际生产中一般通过检测营养液的电导度EC来判断营养液浓度的变化。当EC降低到设定值的1/31/2时需要补充营养液。在不同的生育时期，植物对营养液浓度要求也不同。果菜类在营养生长期，使用低浓度的营养液以促进根和叶的生长，然后逐渐提高浓度；在结实期和收获期，使用高浓度营养液以促进果实的发育。叶菜类在苗期植株较小时，营养液浓度可较低，到生长旺期植株变大，养分吸收量大，营养液浓度也应较高。在冬季低气温、低液温、弱光栽培环境下的营养液浓度要高，相反在夏季高气温、高液温、强光环境下的营养液浓度要低。以番茄为例，其适宜的EC值，在开花前的苗期为0.81.0 ms/cm，开花到第一穗结果期为1.01.5 ms/cm，结果盛期为1.52.2 ms/cm或2.53.5 ms/cm。每种植物都有特定的适宜浓度范围，多数植物的适宜EC浓度范围为0.53.0 ms/cm，最高不超过4.0 ms/cm。,（2）营养液pH的调节 营养液的初期pH值一般为5.56.5，栽培开始以后，由于植物的吸收营养成分比例的不同，使营养液酸碱度发生变化。在实际生产中为了方便管理，营养液的pH值一般保持在4.57.5。极度的酸性或碱性环境都会影响植物的生长发育，因此在循环使用营养液时需要监控酸碱度的变化，定期调节pH。调节pH的方法一般是采用酸碱中和法，使pH上升应添加氢氧化钠或氢氧化钾，使pH下降应添加硝酸或磷酸。,（3）营养液DO浓度的调节 无土栽培中，植物根系主要是靠通过根部吸收营养液中的溶解氧来满足生长需要。由于根的呼吸作用，营养液中的DO浓度在栽培过程中会逐渐降低，当DO浓度降得较低时会抑制根的呼吸，从而妨碍作物上部的生长发育。营养液中氧的供应是否充足和及时是影响植物生长发育的重要因素。营养液中DO浓度与温度和气压有关，温度越高，气压越小，DO浓度越低；反之，温度越低，气压越大，DO浓度越高。在一定大气压下，DO浓度随着营养液温的上升而下降。而根的呼吸速度随着营养液温度的上升而升高。这就是在夏季高温时无土栽培容易缺氧的主要原因。,（4）液温调节 营养液的液温直接影响植物根圈温度的变化。植物根圈温度影响植物的水分吸收、根茎发育、蒸腾作用，从而影响植物生长发育，其要求随植物种类不同而变化（表4-20）。,表4-20 无土栽培蔬菜的最适根圈温度和界限温度,（5）营养液的更换和消毒 在长期栽培过程中，植物对各营养成分的不同吸收使营养液中各营养成分的浓度失去相对平衡。同时，植物在代谢过程中分泌的一些代谢产物、脱落和死亡的根系残骸也积存在营养液中，易诱导微生物的繁殖，导致营养液污染和根系病害发生。解决这一问题的根本方法是更换新的营养液，其更换频度要根据情况综合判断。一般营养液总量少时更换频度高，高温期比低温期更换频度高。果菜类应在换茬、叶菜类应在阴雨天进行营养液的更换。在栽培过程中，对流动循环营养液要进行消毒，防止根系病害的发生和传播。,二、植物组织培养（一）植物组织培养的概述 植物组织培养是指在无菌条件下，将离体的植物器官（根尖、茎尖、叶、花、未成熟的果实、种子等）、组织（形成层、花药组织、胚乳、皮层等）、细胞（体细胞、生殖细胞等）、胚胎（成熟和未成熟的胚）、原生质体（脱壁后仍具有生活力的原生质体），培养在人工配制的培养基上，给予适宜的培养条件，诱发产生愈伤组织，或潜伏芽等，长成完整的植株，统称为植物组织培养。由于是在试管内培养，而且培养的是脱离植物母体的培养物，因此也称离体培养或试管培养，根据外植体来源和培养对象的不同，又分为植株培养、胚胎培养、器官培养、组织培养、原生质体培养等。,（二）植物组织培养的基础知识 组织培养需要用到无菌室或培养室、无菌操作台、离心分离器、高压蒸汽灭菌器、光学显微镜、培养基搅拌器、天平、冷藏柜等设施设备。培养器、滴定管、滴管、金属针、手术刀、玻璃容器等是常用的操作器具。常备药品有酒精、NaClO、无机盐类、蔗糖、维生素、氨基酸、天然营养物、琼脂、植物激素等。常用的植物激素有植物生长素（NAA、IAA）、细胞分裂素（BA）、赤霉素（GA）、脱落酸（ABA）等。,组织培养的培养基组成包括水、无机养分、有机养分、植物激素、天然营养物及固体支持材6大部分。培养基的配方一般根据植物种类、培养目的、外植体及培养阶段的不同而调整。培养基配置前通常预先配置可贮藏的高浓度原液，使用时按比例分取。植物激素在植物组织培养中是不可缺少的重要成分。由于被培养的组织不能分泌植物激素，因此需要在培养基里添加植物激素对植物组织的生长进行调节。根据初期培养、增殖培养、再分化培养等培养目的的不同，选取生长点、单细胞、原生质体等不同组织进行液体基质的振荡培养、旋转培养、或固体基质的静止培养,表4-21 常用MS培养基的各原液组成和配置方法,注：添加30 g/L糖后使用NaOH和HCl调节pH到；添加5g/L胶凝剂或10 g/L琼脂做支持材凝固成固体培养基。,表4-22 植物组织培养的方法,（三）光独立营养组织培养 光独立营养组织培养又称光独立培养或无糖培养，是在培养基中不添加糖和生长调节物质，通过改善培养器周围的光照环境、CO2浓度以及气流速度等环境条件来提高组织培养植物体的光合速度，促进植物生长的一种新型组织培养技术。光独立培养技术是日本千叶大学古在研究组在1986年开发成功的，经过上百种植物和十多年以上的实验。,图 4-63 光独立营养组织培养技术的甘薯脱毒苗生产的装置与设施,三、植物工厂（一）植物工厂的概述 植物工厂是指在利用现代科学技术实现的高度环境控制的封闭或半封闭生产设施空间内，进行植物周年生产的一种植物生产系统。植物工厂内的温、光、水、气、肥等物理环境和化学环境都能根据作物种类和生长阶段的不同进行自动监测和调控，使植物的生长过程完全不受外界自然环境的影响，始终处于最适的环境，因此大幅度地提高了植物产品的产量和品质。植物工厂在生产过程中基本上完全实现了作业机械化和自动化，生产效率大为提高。由于植物工厂不受气候和自然环境的影响，并在狭小的面积内实现了作物的大量生产，基本上实现了植物的标准化、自动化、省力化和工业化的生产，所以植物工厂也被称为是21世纪的未来农业。现在，利用植物工厂实现了实用化生产的植物有生菜、菠菜、小葱等叶菜类；蔬菜与花卉的种苗；以及蘑菇、药草、花卉等高附加价值的作物。,农业生产的发展过程中经历了露地栽培设施栽培无土栽培植物工厂的栽培模式的发展，随着栽培方式的进步，栽培管理和技术要求的难度越来越大，生产效率也越来越高。但是，这并不意味后者会完全代替前者，四种栽培方式将始终处于共存状态。植物工厂的显著特点为：可缩短生育期，延长收获期，实现高产量、高产值；实现了机械化和自动化，改善了劳动环境，实现了标准化生产；不施用农药，提高了农产品的安全性；不受地理环境和气候条件的限制，实现了计划性栽培；电力或化石能源消耗量大，建设费用和运行费用高。植物工厂的初期设备投资高，运行费用大是妨碍植物工厂普及推广的重要原因。,（二）植物工厂的种类 根据照明光源的不同，植物工厂分为自然光利用型、人工光与自然光并用型、人工光利用型三大类型。根据生产作物种类、规模、栽培管理方式和现场条件等，植物工厂内可采取立体式、平面式或移动式等栽培方式，生产技术模式一般为无土栽培、基质栽培或组织培养。图4-64 自然光利用型花卉植物工厂1自然光利用型植物工厂 植物工厂内利用自然光，厂房为大型玻璃温室或连栋塑料温室，室内设置各种环境因子的监测和调控设备。这类植物工厂多少受到自然条件的影响，种植植物种类也有一定程度限制。自然光利用型植物工厂的最大难题是解决夏天的综合环境控制技术，开发阻隔紫外辐射和长波辐射的覆盖材料和局部降温技术。,图4-64 自然光利用型花卉植物工厂,2自然光和人工光并用型植物工厂 这类植物工厂在白天直接利用太阳光，当日射不足或日长不够时启动补光装置进行光照环境调控，室内设置有各种环境因子的监测和调控设备。有时将太阳能转变为电能蓄积起来在需要时进行利用。自然光和人工光并用型植物工厂内设置了补光装置，比自然光型植物工厂相比，不易受自然条件的影响。,图4-65 自然光和人工光并用型蔬菜植物工厂,3人工光利用型植物工厂 人工光利用型植物工厂采用不透光、隔热性能好的围护结构材料建成厂房，内部光照采用高压钠灯、金属卤化灯或荧光灯等人工光源，光照、温度、湿度、气流速度和CO2浓度等植物生长所需环境要素进行综合调控，完全不受自然条件影响。由于持续使用人工光源，光源的散发热量积累会造成内部温度过高，通常采用空调设备进行降温，光源及温度调控的能耗很高。由于设备要求严格，能耗很大，运行成本昂贵，目前还不能得到实际应用。如何降低能耗和生产成本、开发高效率的人工光源、培育早熟品种和探索最理想的植物生产模式，是今后人工光利用型植物工厂的研发方向。,（三）各种植物工厂的应用实例 国内有关植物工厂的研究和应用起步较晚，由于国内农产品的价格远远低于工业产品，普遍认为现阶段植物工厂的实用性很低。下面仅以日本的植物工厂为例，介绍几种人工光利用型植物工厂的应用。1三角板喷雾式高压钠灯农场 该系统为与外界环境完全隔绝的封闭型植物工厂，植物栽培架呈倒V字立体型三角板，里侧对植物根系进行间歇喷雾（图4-66）。,图 4-66 三角板喷雾式高压钠灯农场,2密闭式荧光灯种苗生产系统 该系统是采用隔热材料与外界环境完全隔绝，实现了温度、湿度、气流速度、CO2 浓度、及光照环境的自动综合调控的一个无人生产的研究型植物工厂（图4-67），可用来生产各种园艺作物种苗、小型花卉及药草植物等。,图4-67 密闭式荧光灯种苗生产系统,3LED光源蔬菜工厂（图 4-68 LED光源蔬菜工厂）这是以发光二极管LED为光源的封闭型蔬菜生产工厂，采用营养液膜技术无土栽培，生产生菜、芹菜等叶菜，生产能力为5900株/日和150万株/年（图4-68）。该LED工厂的建筑尺寸为131312 m，栽培床面积为800 m2（810 m10层），一层为120 m2作业室（1012 m），另外还有60 m2的育苗面积。,图 4-68 LED光源蔬菜工厂,习题：何谓无土栽培、营养液栽培？作为一种设施农业生产技术，其有何优势？设施园艺中为何要发展植物组织培养？作为一种植物繁殖技术，其有何优势？什么是植物工厂？有哪些种类的植物工厂？,