太阳能加热换气式CO2增施系统的设计与试验

安红艳，张京开，刘 旺，盛 顺，苗秋生，孙贵芹，谢 杰，王荣雪

（北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079）

CO2是植物光合作用的主要原料，在设施栽培条件下，增施CO2是实现温室蔬菜高产优质的重要技术，因此，CO2增施技术已被国内外设施蔬菜发达国家所普及应用[1]。据统计，荷兰和挪威分别有65%和75%的日光温室正在使用CO2施肥技术，其他发达国家如美国、英国、日本等在设施农业生产中也大量运用了CO2施肥技术[2]。中国从20世纪70年代开始研究温室CO2增施技术，目前，温室内CO2增施技术主要有钢瓶法、燃烧法、吊袋施肥、施用固体CO2气肥、CO2发生器法、增施有机肥法等，部分技术在辽宁、北京、甘肃、宁夏等地进行了推广应用，已经取得了良好效果[3-5]。但由于成本较高或使用不方便等原因，中国大部分日光温室蔬菜生产中应用CO2增施技术的还较少，增加日光温室中CO2浓度仍主要靠温室通风口的空气流通。这就存在通风不足的现象，特别是严冬季节不通风或仅中午前后（一般为中午11：00-14：30）于屋脊部位扒小缝短时间进行自然通风，由于通风量小，中午前后很容易造成CO2亏缺。如果这段时间进行温室CO2增施，也容易造成浪费，调节不当还会起反作用，经济效益不高。因此，利用太阳能加热换气式CO2增施系统将加热的空气输送到温室内，通过增加温室通风量，在温室内CO2浓度亏损较严重的时段提高CO2浓度，以期探索一种中午前后提高温室CO2浓度的经济有效的方法，为温室蔬菜高效、优质、绿色生产奠定基础。

1 太阳能加热换气式CO2增施系统

1.1 试验系统和工作原理

太阳能加热换气式CO2增施系统（图1）由太阳能空气集热器、通风管道、风机等组成。太阳能空气集热器置于南北走向的大棚的西侧，面向正南，与地面呈约25°角放置；在塑料大棚地下40 cm深处，由砖砌成的主通风道位于大棚最南部，从西向东横穿大棚，末端由PVC管引出地面，主通风道上每隔10 m引出地面1个通风管（PVC），共计6个通风管，每个通风管露出地面距离约为44 cm。其中，中间通风管直径为5 cm，末端通风管直径为11 cm，通风管的间距为10 m，通风管A端口与风机相连；白天，当太阳能集热器内的空气温度升高至35 ℃时（图2中10），风机自动启动，将室外冷空气抽入太阳集热器，沿着顺时针方向预热后，从C口进入加热管上部进行加热，加热管表面涂一层黑漆，较热的空气由D口进入加热管内二次加热，最后，热空气经风机从A口进入温室主通风道。热空气从太阳集热器进入地下主通风道后，先将一部分热量传给地下土壤蓄积起来，散热后的空气从通风管道排入棚内，增大通风量，提高棚内CO2浓度，同时也可提高土壤耕作层的地温。夜间当棚内气温较低时，蓄积在土壤耕作层的热量一方面通过通风管排入棚内，另一方面，土壤中蓄积的热量从温度较高的地下土壤向上缓慢传递，以提高大棚内浅层土壤温度，满足作物根系对地温的需求。

1.2 日光温室大棚结构

试验用日光温室位于北京市昌平区昌鑫农业种植园区，温室脊高3.45 m，横跨8 m，高跨比为0.43，东西长50 m，温室后墙为黏土砖墙。冬季保温覆盖材料采用塑料薄膜和保温被。

图1 太阳能加热换气式CO2增施系统

2 试验方法

在北京市昌平区昌鑫农业种植园区选取2座朝向、大小、建筑结构等相同的温室大棚，为了减少热量损失，选择连栋温室，分别编号为1号、2号，1号棚为试验棚，安装太阳能加热换气式CO2增施系统，2号棚为对照棚，不安装该设备。2栋温室内的同一位置种植相同数量、相同种类的叶菜。

试验棚和对照棚内温度测点布置3个，位于温室南端，平面位置见图2。在各平面点垂直方向上设2个点，分别位于地表上方20 cm，地表下方10 cm，共布置6个测点。试验棚内CO2测点布置在（2）、（3）号位置，对照棚内CO2测点布置在（4）、（5）的位置，室外CO2测点布置在（6）的位置。

由于温室CO2亏缺最严重季节为低温寡照的12月-翌年2月，因此，选择2015年12月-2016年2月开展试验，对该装置进行了连续实时测试。而且，1月份晴天、阴天等天气类型较为丰富，因此选择1月份的数据进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 不同天气条件下太阳能加热换气式CO2增施系统每天工作时长分析

图2 温湿度、CO2测试布点

由图3可知，对2016年1月份太阳能加热换气式CO2增施系统每天工作时间进行统计分析发现，1月份该设备平均每天累计工作时间为217 min，其中以200～300 min的频率最多，为18次，其余时间段0～100 min、100～200 min、300～400 min的频率分别为2次、8次和3次。经查询北京1月份天气情况，1月份阴天或雾霾天为9 d，晴天多云为4 d，晴天为18 d，所以设备每天工作累计时间较长的频率高。

图3 太阳能加热换气式CO2增施系统每天工作累计时间频数

根据图4可知，该设备晴天、多云天气工作时间主要集中在9：30-15：30，9：30-13：30期间开始断断续续工作，1：30-15：30期间开始连续工作。其中，晴天（2016年1月11日）该设备启动时间为9：46，停止工作时间为15：30，实际工作时间为290 min；多云天（2016年1月13日）该设备启动时间为10：00，停止工作时间为15：30，实际工作时间为205 min；阴天（2016年1月16日）该设备一天都不工作。工作时间晴天＞多云天＞阴天，多云天开始工作时间较晴天晚。

3.2 不同天气条件下太阳能加热换气式CO2增施系统对温室内CO2浓度的影响

持续阴天和晴天，棚内CO2浓度日变化均表现为昼间下降夜间升高的变化趋势，在13：00-14：00降至最低值，在9：00-10：00达到最大值，呈不规则的“W”或“U”形，这与魏珉等[2-6]的研究结果一致。

由图5可知，连续阴天条件下，试验棚和对照棚内CO2浓度呈增加趋势，温室外CO2浓度为近似直线，有小幅波动。使用该设备的3 d时间里，试验棚CO2平均浓度为783.66 μmol/mol，对照棚CO2平均浓度为769.12 μmol/mol，温室外CO2平均浓度为524.83 μmol/mol，试验棚较对照棚平均CO2浓度增加1.9%。其中，试验棚内CO2浓度白天最低为545.2 μmol/mol，夜间最高浓度为953.16 μmol/mol，对照棚CO2浓度白天最低为534.6 μmol/mol，夜间最高为934.2 μmol/mol，试验棚白天、夜间温室内CO2浓度与对照棚接近。这表明在连续阴天，该设备不工作，对照棚与试验棚内浓度差异不大。而且由于冬季气温较低，光照不足，作物消耗温室内CO2较少，晚上作物呼吸作用也产生CO2，所以温室内CO2浓度较高，连续阴天会使温室内CO2发生积累，温室内CO2浓度最低含量都比温室外高，不会发生亏损。

图4 太阳能加热换气式CO2增施系统工作时间

图5 持续阴天下CO2浓度变化（2016年1月1-3日）

在持续晴天条件下，试验棚和对照棚内CO2浓度呈现出剧烈的变化，温室外CO2浓度在夜间有小幅波动，总体来说呈近似直线型。由图6可知，不论是夜间还是白天，试验组CO2浓度较对照棚的CO2浓度高，试验组CO2浓度平均为801.85 μmol/mol，白天最低为410.78 μmol/mol，夜间最高为1 085.7 μmol/mol；对照棚CO2浓度平均值为700.17 μmol/mol，白天最低为376.2 μmol/mol，夜间最高为931.5 μmol/mol，平均浓度增加14.5%。这是由于一般1月份温室开膜时间为12：00左右，而该设备在9：30就开始工作，使得试验棚内CO2浓度相对较高，中午前后维持在外界CO2浓度水平，16：30左右温室盖棉被后，试验棚内CO2又开始积累，所以试验棚内CO2浓度始终高于对照棚。在使用该设备的3 d，试验组每天亏损的时间分别为0、0.5、2 h，平均亏损0.83 h，对照棚每天亏损的时间为2、4、3.5 h，平均亏损3.17 h，平均减少亏损2.34 h。这说明使用该设备后，晴天可以减少温室内CO2亏损时间，减少约2.34 h左右。

图6 持续晴天下CO2浓度变化（2016年1月27-29日）

3.3 晴天太阳能加热换气式CO2增施系统对温室内温度的影响

由图7可知，地面以上0～20 cm气温，8：00-13：00试验棚由4 ℃升高到33.6 ℃，升高了29.6 ℃，对照棚在8：00-14：00由2.4 ℃升高到44.1 ℃，升高了41.7 ℃，高于试验棚。试验棚日平均温度为14.34 ℃，对照棚日平均温度为14.40 ℃，对照棚略高于试验棚。但在光照较弱或夜晚期间，试验棚气温较对照棚气温略高，平均高1.22 ℃。这可能是由于该设备使得温室内空气加速流通，中午前后不会使温室内气温上升太高，但夜晚蓄积在土壤中的热量使得温室内气温较对照棚高，夜间试验棚平均比对照棚高1.22 ℃。

由图8可以看出，温室内土壤温度升高比气温升高得慢，具有滞后性，且变化幅度较小。对照棚的南端日平均地温为12.94 ℃，9：30-16：00土壤温度从9.7 ℃升高到16.7 ℃，升高了7 ℃；试验棚内日平均地温为13.90 ℃，8：30-16：00土壤温度从10.60 ℃升高到18.50 ℃，升高7.9 ℃，16：00左右，试验棚地面以下0～10 cm土层温度升高幅度较大，较对照棚高0.9 ℃，平均温度较对照棚高0.96 ℃。这可能由于中午前后该设备对0～10 cm土壤温度升高有一定的作用，且土壤热容量较大，能使土壤温度稳定在一定范围。

图7 2016年1月11日太阳能加热换气式CO2增施系统对地面以上0～20 cm气温的影响

图8 2016年1月11日太阳能加热换气式CO2增施系统对地面以下0～10 cm土层温度的影响

4 讨论与结论

研究表明，设施农业生产中的作物基本上属于C3植物，C3植物的光合能力随CO2浓度升高而增加的幅度较大[7-8]。但是对作物而言，并非CO2浓度越高越好，在低CO2浓度时，植物的光合速率随CO2浓度的升高几乎呈直线增加，越接近CO2饱和点，光合速率增加越慢。过高的CO2浓度还会降低CO2利用效率，甚至对作物会造成损害。因此，适宜的CO2浓度应根据设施的密闭状况、植物的种类、品种、生育阶段和其他环境因子而定。实际生产中，在设施密闭性较好，室内光、温等环境条件较为适宜的条件下，增施CO2的浓度，叶菜类蔬菜以600～1 000 μmol/mol为宜，生长发育前期和阴天取最低值，生长发育后期和晴天取最高值。也有研究表明，增施CO2到室外浓度水平可以在很大程度上提高植物的净光合速率，此时，增施CO2的利用效率约为1[9]。Sanchez等[10]在气候温和的国家，利用通风换气的方式降低温室内的温度，同时补充棚室内CO2，对作物起到增产早熟的效果。

该试验中，在晴天较多的1月份，该设备每天平均累计工作时间为217 min，工作时长以200～300 min的次数较多。阴天该设备不工作，晴天实际工作时间为290 min，工作时间较长，多云天实际工作时间为205 min，工作时间晴天＞多云天＞阴天，多云天开始工作时间较晴天晚。在持续阴天情况下，试验棚内的CO2平均浓度为783.66 μmol/mol，对照棚CO2平均浓度为769.12 μmol/mol，试验棚较对照棚平均CO2浓度增加1.9%，试验棚与对照棚差异不明显，白天温室内CO2浓度不会发生亏损。在持续晴天情况下，使用该设备后，试验组CO2浓度平均为801.85 μmol/mol，对照棚CO2浓度平均值为700.17 μmol/mol，平均浓度增加14.5%，试验棚较对照棚平均减少亏损2.34 h，说明该设备对于改善冬季温室CO2亏损是可行的，具有明显的增加温室CO2浓度的效果，有可能满足作物对CO2浓度的需要。同时，晴天使用太阳能加热换气式CO2增施系统后，白天有可能使得温室南端地面以下0～10 cm土层土壤温度升高，夜间，蓄积在土壤中的热量向空气中散发，使得地面以上0～20 cm气温升高1.22 ℃，可以缓解冬季低温的影响。