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，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;高欣娜;杜亞茹;楊英茹，北方園藝發(fā)表時間：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)通過數(shù)據(jù)采集設備可實時觀測農(nóng)作物環(huán)境條件、生長情況、栽培效果[1]，實現(xiàn)機械生產(chǎn)代替人力勞作、遠程控制代替親歷躬行、標準化生產(chǎn)代替人腦經(jīng)驗[2-3]。由于農(nóng)業(yè)設施栽培環(huán)境相對可控、經(jīng)濟效益較高[4-5]，同時傳感器、視頻監(jiān)控、控制器、傳輸通訊等設備市場化發(fā)展迅速[6]，成本不斷降低，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應用發(fā)展較快。但由于缺乏作物生長與環(huán)境信息的交互模型以及農(nóng)業(yè)種植管理決策的標準[7]，因此設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用多停留在種植環(huán)境觀測層面，對于不同作物不同生長階段的種植方案沒能實現(xiàn)精準化決策、智能化控制[8-9]。

　　該研究以石家莊市農(nóng)林科學研究院趙縣農(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)過程為研究基礎(chǔ)[10]，通過設施環(huán)境氣象站觀測了日光溫室環(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的農(nóng)事管理特點[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測模型，根據(jù)番茄生長的理想晝夜溫差值，可得到當晚目標調(diào)控溫度，通過控制溫室升、降溫設備，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的番茄秋冬茬全生育期的環(huán)境精準管控，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣應用提供參考依據(jù)。

　　1日光溫室建設標準

　　1.1日光溫室建設

　　日光溫室建設標準應符合《日光溫室建設標準》NY/T3024-2016[12]規(guī)定的要求。占地面積667m2，選擇土壤肥沃，平坦開闊地塊。

　　1.2日光溫室物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境觀測設備

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

　　1.3日光溫室環(huán)境調(diào)控設備

　　溫室通風降溫設備安裝應符合NY/T1451-2018[14]中對設備功率、安裝數(shù)量和位置的要求。具體來說，環(huán)流風機懸吊至溫室內(nèi)，距地面2.5m，規(guī)格選用18～20寸，功率150～300W，單個環(huán)流風機開啟空氣流量達7500m3·h-1以上，每座日光溫室安裝8～10個。負壓風機安裝至日光溫室東墻，功率1100～1500W，單個負壓風機開啟空氣流量達55000m3·h-1以上，每座溫室安裝2個。

　　補光燈吊至日光溫室，距地面2m，前后、左右間隔4m一盞，采用紅藍光LED補光燈，功率50～100W。增溫燈距地面2m，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，因此，日溫管理在20～33℃開展，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，此時晝長夜短，光照時長可達14～12h，12：00最高光照強度可達38940lx，番茄生長所需的光照通過自然光照可滿足，14：00左右日光溫室空氣溫度最高可達44.6℃，日溫管理以強制降溫為主，同時控制空氣濕度。

　　此時，棉被晝夜卷起，棚膜上下風口晝夜打開，10：00啟動環(huán)流風機，12：00開啟遮陰簾、負壓風機，16：00關(guān)閉環(huán)流風機、負壓風機，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)開花期間，此時晝長逐漸減少，夜長增加，光照時長10～11h，12：00最高光照強度達34109lx，光照和晝夜溫度適宜番茄生長。日出前空氣濕度為1d最高時段，可達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，日溫管理以通風降濕為主，維持自然溫度為輔。

　　此時，棉被晝夜卷起，12：00開啟棚膜上下風口，12：00開啟環(huán)流風機，14：00關(guān)閉風口、環(huán)流風機。

　　2.3保溫補光模式

　　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]，此時夜長逐漸增加，氣溫轉(zhuǎn)低，日光溫室日照時長取決于棉被收、放的時間，日溫管理以保溫為主，同時適當補光。

　　11月每天09：00—09：30打開棉被，12：00開啟上、下風口，14：00關(guān)閉上、下風口，16：00—16：30蓋上棉被，16：00—18：00開啟補光燈。

　　12月每天09：30—10：00打開棉被，12：00開啟上風口，13：00關(guān)閉上風口，16：00—16：30蓋上棉被，16：00—18：00開啟補光燈、增溫燈。

　　1月每天10：00—10：30打開棉被，16：00蓋上棉被，15：00—18：00開啟補光燈、增溫燈。

　　3溫差管控技術(shù)

　　溫差管理以夜均溫為基礎(chǔ)，番茄生長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，即當晝均溫在30.0～33.9℃時，9.0℃晝夜溫差可使番茄生育良好，晝均溫在25.0～29.9℃時，6℃晝夜溫差適宜番茄生長，晝均溫在24.9～20.0℃時，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，晝夜溫差與晝均溫滿足公式：Y1=0.902Td-21.687(R=0.807)，Y1為未進行溫差調(diào)控下的晝夜溫差值。根據(jù)上述公式，可根據(jù)當日晝均溫計算晝夜溫差預測值，比對最優(yōu)晝夜溫差，19：30進行日光溫室夜間溫差管理。據(jù)測算，總功率1200～2000W的環(huán)流風機1h可使667m2的日光溫室空氣溫度降低1～2℃，總功率3000～4000W負壓風機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，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)當日晝均溫計算晝夜溫差預測值，比對最優(yōu)晝夜溫差，在日溫管理結(jié)束后進行溫差管理。據(jù)測算，667m2日光溫室使用5000～6000W增溫燈開啟1h溫室可升溫3～6℃，具體增大溫差調(diào)控建議見表2。

　　4特殊天氣環(huán)境管控技術(shù)

　　4.1大風、雨、雪、冰雹天氣

　　大風、暴雨天氣應及時關(guān)閉風口，防止棚內(nèi)進水或濕度過大。夏季冰雹、冬季降雪時，應及時放落棉被，防止棚膜受損。

　　4.2陰天、霧霾天氣

　　遇連續(xù)陰天、霧霾天氣白天應及時開啟補光燈、增溫燈，保證日照時長6～8h。

　　5結(jié)論

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