智慧農業

農業溫室地上環境控制光、溫度、濕度和二氧化碳

環境控制是近年來溫室園藝領域中被重視的一項技術，可以說是相對于室外栽培而言，在溫室栽培中最能發揮其特點的一項技術。環境治理的目標要素多種多樣，各個要素之間又相互影響。在實際控制中，需要考慮到這種相互關系，時刻思考植物的最佳環境。這里我們將介紹光、溫度、濕度和CO 2對植物的影響以及如何實際控制它們。

環境控制和燈光管理

光和光合作用

植物進行光合作用需要光。光具有對光合作用有效的波長帶，稱為光合有效輻射（PAR），其定義為波長為400至700 nm的光。比該波段更小的波段(波長更長)包含紅外線，比該波段更大的波段(波長更短)包含紫外線。對光合作用有效的波長為400～700納米的光稱為可見光。可見光根據波長的不同，對光合作用也有不同的影響，促進峰值出現在 650 nm 左右。

如何測量和表達光影響光合作用的光強常常用能量的多少來表示（太陽輻射量，單位：W/m2等），但準確地說，需要用光合有效輻射來表示，而它以光合光子通量密度（PPFD，單位：μmol/m 2 s）表示。光子傳感器用于測量這一點，但在溫室園藝的環境測量和環境控制中，通常使用太陽輻射傳感器來測量太陽輻射。由于太陽輻射量是瞬時值，波動較大，因此常采用一定時間內太陽輻射量的累積量（單位：MJ/m2）作為指標。對于某一天的太陽輻射量，常用“日累計太陽輻射量為〇〇MJ/㎡”等表述。

光合作用和光飽和點

對光合作用有效的光照強度（光合光子通量密度）與光合速率的關系是：光照越強，光合速率越高，但表示增加程度的曲線斜率逐漸減小，直至達到飽和.馬蘇。光合作用速率不再增加時的光強稱為光飽和點。在溫室園藝中，光照有時被認為是光合作用的速率限制因素，有時也有人說光照越多越好。然而，光飽和點以上的光對于光合作用來說并不是必需的，即使強度低于光飽和點，光越強，光合作用速率的增加越小，效率越低。

光控

溫室園藝中使用的大部分光是自然光（陽光），其強度取決于季節和天氣。在許多情況下，由于陰天或惡劣天氣，可能無法獲得所需的光強度，并且有很多情況確實取決于天氣。盡管光線很難控制，但可以通過阻擋光線來控制，以防止過多的光線通過。這是通過打開、關閉和卷起稱為著色材料的窗簾材料來創建陰影來完成的。遮光率的遮光材料有多種類型，從遮光率100%創造黑暗的遮光材料，到遮光率15%~20%遮光極亮的遮光材料。遮光的目的一般是防止溫室內溫度因光照過強而升高，在炎熱季節尤其需要這種控制。雖然案例較少，但近年來也出現了利用人工照明進行補光栽培的情況。通過在溫室內安裝高壓鈉燈、LED等照明設備來提供照明。而且，照明設備發出的光的強度無法與太陽光相比。以前補光栽培是在白天進行，主要是在太陽光入射角較低的冬季進行，但最近在夜間補光栽培，延長了白天的長度，似乎不分季節進行。這是因為較弱的光可能更有效地提高光合作用速率。不是在白天提供比必要的更多的光，而是可以通過在沒有光的夜間提供微弱的光來有效地增加當天的光合作用量。

環境控制和溫度管理

溫室園藝的環境控制重點是溫度。這是因為，與露地栽培相比，通過將室溫控制在適合植物生長的溫度范圍，可以獲得更高的生產率。有最高溫度、最低溫度、平均溫度等各種溫度指標，用于管理溫度和控制植物生長。

溫度和植物生長

植物的生長分為兩個部分：發育和生長。發育是指芽、葉、花、果等器官的發育，生長是指葉、莖的伸長和果實的膨大。前者的發展受氣溫影響，一般采用累積氣溫或日平均氣溫等指標進行管理。較高的日平均氣溫會加速器官的發育，例如更快的葉子擴張和花芽發育。

如何測量溫度

溫室內部的溫度測量極其重要，因為它對如上所述的植物生長有影響，并且用于獲取可用于控制加熱器和通風系統等各種設備的數據。它是一個要素。最近，已經開發了測量單元，其中每個傳感器都容納在單個盒子中，以便可以同時測量溫度、濕度和CO 2濃度。除了遮光功能外，該裝置還配備了風扇以防止溫度升高。單獨測量溫度時也需要這種類型的遮光和通風機制。當使用上述測量單元測量溫度時，通常將其安裝在栽培區域的中心，或者植物群落內的生長點附近。溫度測量的目標是菌落附近的溫度，但我們實際要測量的是植物的溫度，例如葉片溫度。然而，測量葉片溫度需要詳細的技術，例如連接帶有薄尖端的傳感器或片狀傳感器，因此使用菌落附近的溫度。此外，在擁有大地塊的設施中，通常會劃分地塊并在每個部分安裝測量單元以進行單獨的測量和控制。溫度傳感器有多種類型，包括通用熱敏電阻和高精度鉑電阻，但通常與測量設備和控制設備成套購買。

溫度指示器

典型的與溫度相關的指標包括上述累積氣溫和日平均氣溫。這兩個指標可以說是同義詞，但比如可以在監測日平均溫度的同時調整植物發育（開花、葉片發育等）的速率，平均溫度就是控制指標。現代測量儀器和控制設備使用內置計算功能來顯示這些指標，有時也將它們用于控制。在某些情況下，日平均氣溫還進一步分為白天平均氣溫和夜間平均氣溫。例如，如果日平均溫度保持恒定，但由于某種原因白天平均溫度升高，一種選擇是將夜間平均溫度降低該量。其他指標包括最高和最低溫度。這些被用作植物的最佳溫度范圍或臨界溫度范圍。

如何控制溫度

溫度控制的主要方法是通風和加熱。白天，當陽光照射進屋內，室溫升高時，通過通風來調節室溫。通風方式包括開閉天窗、側窗的自然通風，以及運轉換氣扇的強制通風。天窗通風可以通過微調窗戶的開啟程度和開/關操作的靈敏度來微調室溫。另外，根據風向關閉迎風側窗戶，打開和關閉背風側窗戶，可以防止室溫大幅變化。特別是在高溫時期采用強制通風，使用大型換氣扇進行排氣。它還用作冷卻設備的一部分，例如墊和風扇。與自然通風相比，強制通風需要更多的電力和成本來運行風扇。加熱方式有熱風加熱和熱水加熱。熱風供暖用于中小型溫室，以重油、液化石油氣等為熱源，通過吹送燃燒余熱來進行。近年來，越來越多地使用熱泵代替燃燒式加熱器。熱空氣加熱器有一個大型內置風扇，可通過風道將熱空氣輸送到整個房屋。風道的布置以及風道中通風孔的位置和數量影響雞舍內的溫度分布，這些也必須進行調整。公頃規模的大型溫室通常采用熱水加熱，并使用燃燒重油或液化石油氣的鍋爐。鍋爐產生70℃左右的熱水，水泵通過遍布整個房屋的熱水管進行循環。需要大量的設備，包括燃燒設備、換熱設備、熱水管道設備等，需要大量的投資。與熱風加熱相比，室溫的調節變化更溫和。這可以通過巧妙地調節循環的熱水量來實現。

環境控制和濕度管理

在溫室園藝的環境控制中，濕度與溫度一樣重要。在半封閉空間的溫室中生長時，濕度常常增加，容易形成凝結，這是疾病暴發的主要原因。因此，必須將濕度控制在適當的水平，以預防病害并減少農藥的使用量。此外，如果在室外濕度較低時進行通風，溫室內的濕度也會較低，這可能會給植物帶來壓力。還需要適當的濕度管理，以促進植物的蒸騰作用，促進水分的供應和肥料的吸收。

關于相對濕度和飽和度差異

濕度表示空氣中所含水蒸氣的量，一般用相對濕度（%）表示。相對濕度是該溫度下實際水蒸氣量與飽和水蒸氣量的比率。飽和水蒸氣含量是在給定溫度下空氣中可含有的最大水蒸氣量，并隨著溫度升高而成比例增加。因此，如果空氣中的實際水蒸氣量不變，升高溫度就會降低相對濕度。最近，除了相對濕度之外，有時還使用飽和度差（g/m3）。飽和度差表示與給定溫度下的飽和水蒸氣量相比，能夠進入空氣的水蒸氣量，是每1m3空氣中的水蒸氣量（g）。植物葉子的蒸發（蒸騰）大約與飽和度差成正比，因此在理解蒸騰和濕度之間的關系時，飽和度差很重要。

濕度和植物生長

隨著濕度的增加，飽和度差減小，植物蒸騰作用受到抑制，生長點附近的含水量增加。水分是植物細胞膨脹和伸長所必需的，增加濕度會促進細胞伸長，這對莖伸長和葉面積擴大有積極作用。通過調節濕度，可以影響這些植物的生長。具體的調節方法包括通過控制通風來確保濕度以及利用霧氣主動加濕等。還可以利用植物本身的蒸騰作用來維持溫室內的濕度。

濕度和植物蒸騰作用

濕度低時（飽和度差大時）促進植物的蒸騰作用，蒸騰作用也促進植物根部對水分的吸收。因此，為了植物獲得水分并從土壤中吸收肥料，調節濕度（飽和度差）和促進蒸騰作用很重要。此外，如果濕度下降太多，植物會關閉氣孔以抑制蒸騰作用。如果這種情況持續下去，就會給植物帶來壓力，如果通過抑制蒸騰作用繼續抑制水分吸收，植物可能會枯萎。在這種情況下，濕度調節主要是通過通風來完成的。通過通風引入濕度低于室內的室外空氣來降低濕度。但在下雨或起霧的情況下，即使引入室外空氣也很難降低室內濕度，因此采用同時通風和加熱等方法。

濕度與疾病控制

濕度會影響病原菌的生長（例如孢子形成），疾病暴發的風險會增加，尤其是當濕度接近凝結時。高濕度條件還會導致水果上出現凝結，從而導致病原體的生長。另一方面，有些疾病即使在低濕度下也會發生，因此需要小心。除了上述通風方法外，還有其他調節濕度的方法來預防疾病暴發，例如通過加熱降低相對濕度、通風與加熱同時結合等。此外，當外部溫度較低時，例如在最冷的月份，覆蓋材料的內表面上會形成冷凝，并且通過將冷凝水排出到外部，可以降低濕度。在這種情況下，可以使用一些方法來促進內部凝結，例如在窗簾的襯里使用透濕材料，或者稍微打開窗簾（讓窗簾透過）。

濕度測量

干濕表在古代被用來測量濕度，今天仍然用于溫室內的測量。使用沾有水箱和紗布的溫度計測量濕球溫度，并通過將其與干球溫度進行比較來計算相對濕度。盡管由于水分供應而難以連續使用，但它是一種可靠的測量濕度的方法。此外，與溫度傳感器一樣，需要用單元進行通風和遮光等。最近，陶瓷和其他電子傳感器被用來代替干濕計，但這些也需要通風和遮光。

濕度控制

我們已經討論過通過通風、加熱及其結合使用來控制濕度。此外，我們還將介紹主動除濕和加濕設備的使用方法。熱泵和除濕機都是除濕設備。它們具有在房屋內外進行熱交換的機制，并具有通過冷凝除濕的功能。熱泵可以通過切換運行來進行制熱和制冷，但除濕是通過在制冷運行時將冷凝水排放到室外來進行的。除濕機是一種專用于除濕的設備，它通過冷卻除濕的同時重新加熱并向室內吹入溫暖的低濕度空氣。有一個霧發生器作為加濕裝置。霧噴嘴和動力噴霧器通過管道連接，將霧氣直接噴射到房間內。它在早春等干旱時期或種植后群落仍較小時使用。類似的裝置還有霧冷卻裝置，通過從細小的噴嘴產生細霧來進行蒸發冷卻，根據使用方式，還可以用于加濕。另一種方法是通過給人行道和土壤澆水來增加濕度。

環境控制和二氧化碳管理

除了光之外，植物還需要CO 2進行光合作用。大氣中含有約0.04%（400 ppm）的CO 2 ，但如果溫室關閉，植物進行光合作用，CO 2濃度將低于400 ppm，最終它們會挨餓。因此，需要積極供給CO 2來促進光合作用。近年來，一種被稱為CO 2應用的技術在環境控制中得到廣泛應用，并且作為直接效果高的技術而受到人們的關注。

CO 2供應和濃度測量

有多種方式將CO 2供應到溫室中，包括使用煤油或LPG燃燒氣體，以及使用來自液化CO 2的汽化氣體。近年來，燃燒器和汽化器產生的氣體通過通風管道輸送到工廠群落附近，并通過定時器和CO 2 濃度傳感器控制設備的運行。近年來，使用廉價的半導體元件的CO 2濃度傳感器已成為主流。還經常使用的是NDIR方法，該方法根據根據CO 2濃度吸收的紅外線和其他光的量來計算CO 2濃度。NDIR方法具有校正測量值隨時間變化的偏差的內置功能，并且還可以通過使用標準校準氣體進行定期校準來保持測量精度。

CO 2濃度飽和點及控制目標濃度

另外，與上述光飽和點類似， CO 2濃度也存在飽和點。根據植物的種類，當CO 2濃度增加到1000～2000ppm時，光合作用速率成比例地增加，但增加的速度逐漸受到抑制，一旦濃度達到一定水平，就不再觀察到進一步的增加。該濃度就是飽和點。此外，即使在飽和范圍內，過量供應也會降低成本效益，還可能影響溫室氣體排放，因此需要適當的濃度控制。實際上，有時會以與大氣濃度相近的 400 ppm 左右的目標濃度進行控制，也可能會以更高的濃度（約 500 至 600 ppm）進行控制。是更高的濃度（約600至800 ppm）。

CO 2濃度差應用（大氣濃度）

一種旨在將CO 2 濃度降低至與大氣水平相似的約400ppm的控制技術是被稱為CO 2濃差應用的控制技術。是指溫室處于通風狀態，與外界空氣發生氣體交換時，向溫室內供給CO 2 ，使其維持在表觀大氣濃度的控制。在此情況下，外界空氣中的CO 2通過溫室的通風窗（天窗、谷通風窗、側窗等）流入溫室，以及溫室內部的CO 2 流出至外界空氣相等，室內外的2CO 2濃度的表觀差異為零。其想法是在通風條件下供應CO 2 ，這樣即使CO 2從溫室內部流出，也不會被浪費。基于這個想法，即使在冬季氣溫升高、需要通風的情況下，我們也供應CO 2 ，將溫室內的CO 2濃度保持在400 ppm左右，與大氣水平相同，經濟地促進光合作用。

CO 2濃度控制（約500至600 ppm）

濃差施用，濃度將控制在400ppm左右，無法進一步提高濃度或促進光合作用。此外，為了經濟地促進光合作用，優選在關閉通氣窗的情況下供給CO 2 。如果在通風窗大開的情況下供應CO 2 ，大量CO 2會泄漏到外界空氣中，導致CO 2濃度難以上升，進而造成供應損失和溫室氣體排放等問題。外面的空氣.. 為了解決這些問題，人們正在利用技術根據通風窗的開度等因素來控制CO 2濃度。控制方法是，當換氣窗開度較小(換氣窗微開)時，將CO 2濃度目標值設定得較高，隨著開度變大，將目標值設定得較低。這種控制功能越來越多地在最近的集成環境控制設備（測量房屋中的各種環境要素并以集成方式控制設備的設備）中實現。

我們討論了光、溫度、濕度和CO 2與植物生長的關系以及測量和控制方法。所有這些因素都會影響溫室地上部分的環境，但即使你只在地上部分創造了良好的環境，如果地下環境（土壤和水分）不適合，你也不會成功。能夠優化植物生長。此外，地下環境可能會通過溫度、濕度等受到地上環境的影響。由此可見，全面了解和管理溫室內部環境非常重要。