基于物聯(lián)網(wǎng)的北方秋冬茬番茄日光溫室環(huán)境管控技術(shù)

　　摘要：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化的重要手段，該研究基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和石家莊趙縣日光溫室番茄生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制定了基于溫度管理的北方日光溫室環(huán)境管控技術(shù)。白天環(huán)境管控模式分別為降溫控濕模式、控溫降濕模式、保溫補(bǔ)光模式，夜晚環(huán)境管控模式分別為增大晝夜溫差模式和減小晝夜溫差模式，并簡(jiǎn)述了特殊天氣的環(huán)境管控方法，為日光溫室秋冬茬番茄生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能化控制提供參考依據(jù)。

　　本文源自黃媛;李瑜玲;陳誠(chéng);高欣娜;杜亞茹;楊英茹，北方園藝發(fā)表時(shí)間：2021-06-15

　　關(guān)鍵詞：日光溫室;秋冬茬番茄;環(huán)境調(diào)控;晝夜溫差

　　農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備可實(shí)時(shí)觀測(cè)農(nóng)作物環(huán)境條件、生長(zhǎng)情況、栽培效果[1]，實(shí)現(xiàn)機(jī)械生產(chǎn)代替人力勞作、遠(yuǎn)程控制代替親歷躬行、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)代替人腦經(jīng)驗(yàn)[2-3]。由于農(nóng)業(yè)設(shè)施栽培環(huán)境相對(duì)可控、經(jīng)濟(jì)效益較高[4-5]，同時(shí)傳感器、視頻監(jiān)控、控制器、傳輸通訊等設(shè)備市場(chǎng)化發(fā)展迅速[6]，成本不斷降低，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展較快。但由于缺乏作物生長(zhǎng)與環(huán)境信息的交互模型以及農(nóng)業(yè)種植管理決策的標(biāo)準(zhǔn)[7]，因此設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用多停留在種植環(huán)境觀測(cè)層面，對(duì)于不同作物不同生長(zhǎng)階段的種植方案沒(méi)能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化決策、智能化控制[8-9]。

　　該研究以石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院趙縣農(nóng)業(yè)科技園區(qū)(東經(jīng)114°783′，北緯37°762′)5座日光溫室2019年秋冬茬番茄種植生產(chǎn)過(guò)程為研究基礎(chǔ)[10]，通過(guò)設(shè)施環(huán)境氣象站觀測(cè)了日光溫室環(huán)境信息，并根據(jù)不同季節(jié)氣象特征、作物不同生育階段及相應(yīng)的農(nóng)事管理特點(diǎn)[11]，將2019年8月下旬至2020年1月日光溫室白天均溫與晝夜溫差分段進(jìn)行了線性回歸分析，建立了以日均溫為因變量，晝夜溫差為自變量的預(yù)測(cè)模型，根據(jù)番茄生長(zhǎng)的理想晝夜溫差值，可得到當(dāng)晚目標(biāo)調(diào)控溫度，通過(guò)控制溫室升、降溫設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的番茄秋冬茬全生育期的環(huán)境精準(zhǔn)管控，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

　　1日光溫室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

　　1.1日光溫室建設(shè)

　　日光溫室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合《日光溫室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》NY/T3024-2016[12]規(guī)定的要求。占地面積667m2，選擇土壤肥沃，平坦開(kāi)闊地塊。

　　1.2日光溫室物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境觀測(cè)設(shè)備

　　日光溫室物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境觀測(cè)設(shè)備應(yīng)符合GB/T38757-2020[13]中關(guān)于環(huán)境觀測(cè)設(shè)備選用、安裝與維護(hù)的基本要求。其中，環(huán)境觀測(cè)傳感器每30min采集環(huán)境信息1次，數(shù)據(jù)包含空氣溫度(℃)、空氣濕度(%)、光照強(qiáng)度(lx)，8—9月日均溫的計(jì)算方法為當(dāng)天06：00—19：30的空氣溫度數(shù)值的平均數(shù)，10月日均溫的計(jì)算方法為當(dāng)日07：00—19：00的空氣溫度數(shù)值的平均數(shù)，11月至翌年1月日均溫以棉被開(kāi)啟和放落時(shí)間作為計(jì)算取值范圍。

　　1.3日光溫室環(huán)境調(diào)控設(shè)備

　　溫室通風(fēng)降溫設(shè)備安裝應(yīng)符合NY/T1451-2018[14]中對(duì)設(shè)備功率、安裝數(shù)量和位置的要求。具體來(lái)說(shuō)，環(huán)流風(fēng)機(jī)懸吊至溫室內(nèi)，距地面2.5m，規(guī)格選用18～20寸，功率150～300W，單個(gè)環(huán)流風(fēng)機(jī)開(kāi)啟空氣流量達(dá)7500m3·h-1以上，每座日光溫室安裝8～10個(gè)。負(fù)壓風(fēng)機(jī)安裝至日光溫室東墻，功率1100～1500W，單個(gè)負(fù)壓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟空氣流量達(dá)55000m3·h-1以上，每座溫室安裝2個(gè)。

　　補(bǔ)光燈吊至日光溫室，距地面2m，前后、左右間隔4m一盞，采用紅藍(lán)光LED補(bǔ)光燈，功率50～100W。增溫?zé)艟嗟孛?m，前后、左右間隔3m一盞，功率100～150W。

　　2日溫管控技術(shù)

　　番茄是喜溫作物，低于15℃或高于34℃可能發(fā)生生理性障礙而不能良好生長(zhǎng)，因此，日溫管理在20～33℃開(kāi)展，以日均溫為基礎(chǔ)[15-17]。

　　2.1降溫控濕模式

　　8月中旬至9月底為番茄定植至一穗花期間，此時(shí)晝長(zhǎng)夜短，光照時(shí)長(zhǎng)可達(dá)14～12h，12：00最高光照強(qiáng)度可達(dá)38940lx，番茄生長(zhǎng)所需的光照通過(guò)自然光照可滿足，14：00左右日光溫室空氣溫度最高可達(dá)44.6℃，日溫管理以強(qiáng)制降溫為主，同時(shí)控制空氣濕度。

　　此時(shí)，棉被晝夜卷起，棚膜上下風(fēng)口晝夜打開(kāi)，10：00啟動(dòng)環(huán)流風(fēng)機(jī)，12：00開(kāi)啟遮陰簾、負(fù)壓風(fēng)機(jī)，16：00關(guān)閉環(huán)流風(fēng)機(jī)、負(fù)壓風(fēng)機(jī)，收起遮陰簾。

　　2.2控溫降濕模式

　　10月為番茄一穗果膨大，二穗以上陸續(xù)開(kāi)花期間，此時(shí)晝長(zhǎng)逐漸減少，夜長(zhǎng)增加，光照時(shí)長(zhǎng)10～11h，12：00最高光照強(qiáng)度達(dá)34109lx，光照和晝夜溫度適宜番茄生長(zhǎng)。日出前空氣濕度為1d最高時(shí)段，可達(dá)95.7%，較高的空氣濕度持續(xù)3～5d易引發(fā)晚疫病、灰霉病、葉霉病等番茄病害[18]，因此，日溫管理以通風(fēng)降濕為主，維持自然溫度為輔。

　　此時(shí)，棉被晝夜卷起，12：00開(kāi)啟棚膜上下風(fēng)口，12：00開(kāi)啟環(huán)流風(fēng)機(jī)，14：00關(guān)閉風(fēng)口、環(huán)流風(fēng)機(jī)。

　　2.3保溫補(bǔ)光模式

　　11月至翌年1月為番茄一穗果轉(zhuǎn)紅，二穗以上果陸續(xù)膨大期間[19-20]，此時(shí)夜長(zhǎng)逐漸增加，氣溫轉(zhuǎn)低，日光溫室日照時(shí)長(zhǎng)取決于棉被收、放的時(shí)間，日溫管理以保溫為主，同時(shí)適當(dāng)補(bǔ)光。

　　11月每天09：00—09：30打開(kāi)棉被，12：00開(kāi)啟上、下風(fēng)口，14：00關(guān)閉上、下風(fēng)口，16：00—16：30蓋上棉被，16：00—18：00開(kāi)啟補(bǔ)光燈。

　　12月每天09：30—10：00打開(kāi)棉被，12：00開(kāi)啟上風(fēng)口，13：00關(guān)閉上風(fēng)口，16：00—16：30蓋上棉被，16：00—18：00開(kāi)啟補(bǔ)光燈、增溫?zé)簟?/p>

　　1月每天10：00—10：30打開(kāi)棉被，16：00蓋上棉被，15：00—18：00開(kāi)啟補(bǔ)光燈、增溫?zé)簟?/p>

　　3溫差管控技術(shù)

　　溫差管理以夜均溫為基礎(chǔ)，番茄生長(zhǎng)較適宜的夜間溫度為15～25℃。調(diào)控方案依據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)論，即當(dāng)晝均溫在30.0～33.9℃時(shí)，9.0℃晝夜溫差可使番茄生育良好，晝均溫在25.0～29.9℃時(shí)，6℃晝夜溫差適宜番茄生長(zhǎng)，晝均溫在24.9～20.0℃時(shí)，3℃晝夜溫差為宜[21-24]。

　　3.1增大溫差模式

　　8—9月日光溫室晝均溫在25.3～37.8℃時(shí)，晝夜溫差與晝均溫滿足公式：Y1=0.902Td-21.687(R=0.807)，Y1為未進(jìn)行溫差調(diào)控下的晝夜溫差值。根據(jù)上述公式，可根據(jù)當(dāng)日晝均溫計(jì)算晝夜溫差預(yù)測(cè)值，比對(duì)最優(yōu)晝夜溫差，19：30進(jìn)行日光溫室夜間溫差管理。據(jù)測(cè)算，總功率1200～2000W的環(huán)流風(fēng)機(jī)1h可使667m2的日光溫室空氣溫度降低1～2℃，總功率3000～4000W負(fù)壓風(fēng)機(jī)1h可使667m2的日光溫室降溫2～4℃，具體增大溫差調(diào)控建議見(jiàn)表1。

　　3.2減小溫差模式

　　11月至翌年1月日光溫室晝均溫在9.31～34.14℃時(shí)，其中晝夜溫差與晝均溫滿足公式為：Y2=0.559X-2.223(R=0.897)，Y2為11月至翌年1月未進(jìn)行溫差調(diào)控下的晝夜溫差值。根據(jù)上述公式，可根據(jù)當(dāng)日晝均溫計(jì)算晝夜溫差預(yù)測(cè)值，比對(duì)最優(yōu)晝夜溫差，在日溫管理結(jié)束后進(jìn)行溫差管理。據(jù)測(cè)算，667m2日光溫室使用5000～6000W增溫?zé)糸_(kāi)啟1h溫室可升溫3～6℃，具體增大溫差調(diào)控建議見(jiàn)表2。

　　4特殊天氣環(huán)境管控技術(shù)

　　4.1大風(fēng)、雨、雪、冰雹天氣

　　大風(fēng)、暴雨天氣應(yīng)及時(shí)關(guān)閉風(fēng)口，防止棚內(nèi)進(jìn)水或濕度過(guò)大。夏季冰雹、冬季降雪時(shí)，應(yīng)及時(shí)放落棉被，防止棚膜受損。

　　4.2陰天、霧霾天氣

　　遇連續(xù)陰天、霧霾天氣白天應(yīng)及時(shí)開(kāi)啟補(bǔ)光燈、增溫?zé)簦ＷC日照時(shí)長(zhǎng)6～8h。

　　5結(jié)論

　　農(nóng)業(yè)設(shè)施生產(chǎn)在一定程度上改變了光、熱條件對(duì)作物生長(zhǎng)的環(huán)境限制，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和園藝栽培技術(shù)的融合，可以建立更具應(yīng)用價(jià)值的作物生長(zhǎng)與環(huán)境控制模型，并不斷優(yōu)化最佳生產(chǎn)控制方案。該研究?jī)H以北方地區(qū)常見(jiàn)設(shè)施作物番茄為例，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。