设施园艺工程和环境组报告精编

么秋月

设施园艺工程和环境调控所涉及的学科广、科技含量高，是实现农业现代化的必经之路，并逐渐成为设施园艺产业发展的热点。加大对设施园艺工程和环境调控的研究可以进一步推动中国设施园艺产业的蓬勃发展。为此，本次学术年会邀请各科研院校的师生，与大家分享了当前设施园艺工程和环境调控相关的研究进展，本刊编辑部对部分论点进行整理，以飨读者。

基于云服务的温室智能传感器优化设计

北京农业智能装备技术研究中心副研究员 张馨

随着中国现代农业的发展，物联网技术在行业内的应用比例逐年提高。因此，提高温室内环境控制系统的技术水平、设备利用率，增强设备安装维护的便捷程度变得尤为重要。然而信息化资金投入少，专业技术人员匮乏，管理效率低下等问题严重制约了物联网技术在农业中的应用发展。现为大家介绍一些低成本、易操作、内容实用丰富、服务方式多样的传感器和服务终端。

空气温湿度传感器

该传感器针对温室的特殊环境对封装防护及防辐射罩等方面进行优化，具有较好的一致性、稳定性和自动恢复性，可以进行自动校准。并且该传感器置于空气防辐射罩中，在温室高温高湿环境下的使用寿命延长3年以上。

光量子傳感器

针对市面光量子（光合有效光量子通量密度）传感器少且依赖进口的情况，实验室在传感器结构、装备流程、校对方式、敏感元件补偿等方面进行了改进设计，同时优化了光路及高灵敏I/V转换电路，响应曲线接近理想曲线，提高了精准度与科学性，采用标准可调模拟太阳光光源构建全量程校对系统，成本是进口产品的1/3，经过校对精度达3%以上，功耗小于1 mA（2.5 mW）。

二氧化碳传感器

采用非色散红外传感方法，在调制光源照射下，利用中红外二氧化碳吸收区和无特征区的信号比值实现二氧化碳的稳定测量。所形成的传感器具有量程宽、稳定性高、灵敏性好、免维护的优势。传感器校对后精度小于±20 μmol/mol，一致性小于±30 μmol/mol，采样响应时间小于6 min，功耗最大5 mW，消除光路冷凝及灌溉喷洒影响，大幅度延长传感器使用寿命和校对周期。

土壤含水量传感器

该传感器改进了基于高频电容原理的土壤水分测量电路和标定方法，提高了测量的精度、稳定度，延长了传感器的使用寿命，并设计了具有温度补偿功能的低功耗高频信号发生电路、差分结构的频率和相位检测电路，提出了基于归一化处理的传感器标定和计算方法，实现了在线标定。

EC/pH传感器

pH值测量采用电位法、EC采用双极性脉冲测量、温度采用PT100，采用高集成度高精度模拟信号调理前端，实现传感器自动校准。该传感器测量量程可以自动转换，还优化了封装结构和智能感知结构，实现校对方式简化，校对周期延长；四电极EC测量减少极化现象，延长使用寿命。

叶片温度传感器

在迈来芯公司生产的高精度红外测温传感器MLX90614ESF-DCI的基础上研究人员对其封装结构、安装方式、防护透镜选择等方面进行优化，并构建低能耗采集系统。改进后该红外叶温传感器适合完全密闭温室高温高湿环境，并且通过传感器结构、滤镜、封装优化其测量精度不受环境二氧化碳浓度、湿度影响。当环境温度在0～40℃时，测量精度不受影响。叶片温度传感器整体设计精度高、可靠性高、能耗低，能够满足温室环境下植物叶片温度测量需求。

温室环境云采集终端

在以上传感器优化设计的基础上，实验室构建了温室环境云采集终端，并在终端能耗管理、防护结构、太阳能供电结构等方面开展了优化设计，采用多角度安装方式，提高温室内太阳能利用率，还将主动通风空气防辐射罩与符合IP67标准的防护壳相结合，使其能在高温高湿环境下进行工作。

温室娃娃Ⅲ（温室娃娃云终端）是一款面向设施农业环境信息定时采集的便携式监测仪器，可用于测量塑料大棚、日光温室、连栋温室内的空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤含水量、二氧化碳浓度等设施环境要素信息，监测数据可以通过GPRS/3G/4G网络上传至云端服务器，用户可通过现场液晶显示屏或语音播报了解实时环境数据，也可通过手机APP或者WEB服务查看实时监测数据，数据还能用U盘导出，方便快捷。

温室娃娃云服务平台可为安装了温室娃娃云终端的客户提供云端数据服务，通过该平台用户可实现温室内实时环境数据查看、数据分析、历史数据查询、设备管理、环境调控等功能，还能将所得实时数据结合模型库和农业专家库进行分析，了解当前易发病虫害信息，形成相应的防控策略，实现精准的病害预警，对病虫害进行及时、专业的指导。

两种空间高效利用草莓立体栽培系统

中国农业大学水利与土木工程学院教授 宋卫堂

日光温室后墙管道草莓立体栽培系统

目前，日光温室草莓种植所面临的主要问题是如何提高温室空间利用率、草莓产量和农户的收入。其中一种解决方法就是在日光温室的后墙增加管道式无土栽培。经测算，典型日光温室（跨度8 m、长60 m）地面栽培的总长度为50×2×7=700 m，而温室后墙栽培管道的总长度为49×4=196 m。因此，在日光温室的后墙上进行管道式无土栽培草莓，会使草莓的栽培长度增加28%，栽培草莓的数量增加1370 株，增加量十分可观。但是后墙的主要功能是白天接受太阳光照射，并将热量储存在墙体中，夜晚再把热量释放出来用于加热温室。在温室后墙上安装上栽培管道后，栽培装置会遮挡后墙，导致温室内受阳光直射的面积减少，这样是否会减少墙体白天的储热量，从而使温室内夜间的温度降低呢？通过试验发现，晴天情况下，装有后墙管道栽培装置的温室内部气温比没有安装后墙管道栽培装置温室内的气温还要略高一些，而阴天和雨雪天气时，二者气温相差不大。因此，日光温室后墙管道草莓立体栽培系统不会降低温室内气温。其主要技术优势在于提高了温室的空间利用率，增加了栽培面积，方便草莓栽培的日常管理和采收，提高草莓的果实品质。目前，在北京市昌平区小汤山地区，已有200多栋日光温室安装后墙管道立体栽培系统进行草莓生产。

“追日”式草莓多层立体栽培系统

“A”字形栽培架是比较常见、也比较常用的立体栽培型式，其优势在于可以充分利用温室内空间，提高单位土地面积上栽培植株的数量，进而提高单位面积的产量。但是，在同一栽培架的上位层对下位层、上午东侧对西侧和下午西侧对东侧、相邻两个栽培架之间上午东侧架对西侧架以及下午西侧架对东侧架，都会出现太阳光受到遮挡的问题。

为了提高“A”字形栽培架受光均匀性，研究人员对栽培架进行了简单的改装，让其能够随着太阳的转动而转动，也就是让草莓的栽培行始终平行于太阳光。该系统设计的参数，是根据北京地区冬季太阳高度角和方位角进行计算并确定，以保证栽培架的行向在绕其中心轴做“追日”运动时，始终与太阳光线平行。

经试验测定，追日式栽培架的光环境，优于固定式栽培架的光环境。追日式栽培架上各层的草莓产量，均显著高于固定式栽培架相应位置的草莓产量。并且“追日”式栽培架较固定式栽培架草莓产量提高约44%，效益增加显著。因此，“追日”式栽培系统不仅可以改善草莓的光照环境，还可以提高草莓的产量和效益，是一种值得在实际生产中推广应用的技术。

基于实时控制灌溉系统的基质培水分传感器埋设位置对温室番茄生长特性的影响

宁夏大学 曹少娜

著现代农业的发展，传感器技术的应用逐渐成为精确化、智能化灌溉的重要技术之一，该技术可以实现水分的实时、动态监测。但是传统水分监测具有一定滞后性，进口水分传感器价格又过于昂贵。为解决这一问题，宁夏大学园艺实验室做了相关试验来探究实时控制灌溉系统中基质培水分传感器埋设位置对温室番茄生长特性的影响，以期筛选出水分传感器的合理埋设位置。

试验以‘圣尼斯红果7846番茄为试验材料，采用随机区组试验设计，将水分传感器距滴头水平和垂直距离划分为5、10、15 cm三个距离，并将水平和垂直距离分组组合后埋设。试验期间保持温室内相同的水分上下限[整个生育期的水分上限（体积含水率）为田间持水率的90%，水分下限（体积含水率）为田间持水率的60%～70%]，并根据水分传感器监测的基质含水率指导灌溉，分析不同基质培水分传感器埋设位置对番茄的生长指标、光合指标、品质、产量、干物质及灌溉指标的影响。

试验结果表明，水分传感器距滴头水平距离10 cm，距滴头垂直距离10 cm时，番茄的地上部分生长性状表现最优，根系发达，根冠比最大，番茄叶片水分散失较少，灌水量较小，净光合速率较高，蒸腾速率较小，干物质积累最多，番茄果实品质相对较好。因此，对于基质槽培番茄来说，在采用1个水分传感器条件下，应埋设距滴头水平距离10 cm，垂直距离10 cm的位置，该试验在一定程度上也说明了灌溉的水量、次数和产量并不是呈正相关，只有合理灌溉才可实现节水高产。

日光温室斜坡式南墙对室内温光条件和黄瓜生长发育的影响

河南科技学院 王胜楠

目前，下沉式日光温室存在南侧遮光的问题，严重影响温室内植株的正常生长。为进一步优化下沉式日光温室结构，本试验在原有结构基础上将温室前屋面向前延伸1.2 m，即把原每栋温室的钢管拱杆和每条垫杆加长，增加6～8道东西向琴弦钢拉丝，将原来垂直的南立墙改为40°的斜坡形式，成为斜坡式南墙日光温室，并将其与直立式南墙日光温室进行对比，研究斜坡式南墙对室内温光条件和黄瓜生长发育的影响。

试验结果表明：

（1）在冬季阴、晴天气条件下，斜坡式南墙日光温室的气温、地温比常规下沉式日光温室有所提高，特别是晴天更有利于温室内气温、地温的提高。晴天条件下，斜坡式南墙日光温室内的日平均气温和最高气温比常规下沉式日光温室分别提高了1.63、2.58℃；阴天条件下，斜坡式南墙日光温室内日平均气温和最高气温分别比常规下沉式日光温室提高了0.27?0.15℃；晴天条件下，斜坡式南墙日光温室内0、5、10 cm深处最高地温比常规下沉式日光温室分别高3.59、2.90和1.33℃，平均地温比常规下沉式日光温室分别高1.71、1.8和1.34℃。

（2）斜坡式南墙日光温室可以有效缩短南墙在地面的太阳阴影长度，增强温室南部区域的光照强度。晴天测量时段内，斜坡式南墙日光温室平均光照强度比常规下沉式日光温室增加126.12%。同时，斜坡式南墙日光温室黄瓜植株的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率均高于常规下沉式日光温室，其中净光合速率最大值比对照增高13.88%，气孔导度平均高达34.75%，胞间CO2浓度平均高6.63%，蒸腾速率最大值比对照增高14.02%。

由此说明，斜坡式南墙日光温室温光性能的提高促进了黄瓜前期的生长发育。斜坡式南墙温室黄瓜株高比对照温室黄瓜增加40.3%，茎增粗9.18%，叶片数增加33.51%，结果量提高40.00%。综上所述，斜坡式南墙日光温室能显著改善室内温光条件，更有利于越冬茬黄瓜的生长发育。

进入黑暗前LED远红光处理对番茄种苗生长发育的影响及相关生长模型的建立

西北农林科技大学 于捷

目前，随着新型半导体发光二极管（LED）光源在设施园艺上的应用越来越广泛，研究LED在设施蔬菜中的精准化利用，对于节约能源和实现设施蔬菜植株的生长发育精准化调控具有重要意义。因此，西北农林科技大学园艺学院实验室尝试用LED远红光处理来调节番茄的生长，更加安全、环保的同时还减少了生产中植物生长调节剂的使用，避免该药剂对人和环境存在潜在的危害。

光敏色素是植物感受光质调控植物生长的色素蛋白，在红光和远红光的作用下通过红光吸收型（Pr）和远红光吸收型（Pfr）之间的转化来调控植物的许多生理反应，影响植株的光形态建成。前人研究证实，暗前远红光可以使光敏色素迅速由Pfr 吸收型转化为Pr 吸收型，影响植物生长。

本试验研究了进入黑暗前LED远红光处理对番茄植株形态、激素含量、光合速率和矿质元素含量的影响。结果表明：①进入黑暗前对番茄植株进行远红光处理，番茄植株的株高和茎的鲜质量随着远红光光照强度的增加而增加，当远红光的光照强度增加到10 μmol/（m2·s）时番茄植株的株高和茎的鲜重也达到最大值。②暗前进行时长为10 min，光照强度为10 μmol/（m2·s）的远红光处理后，番茄植株茎叶中的生长素IAA和赤霉素GA3的含量显著上升；叶片的叶绿素含量和净光合速率显著下降；根中氮（N）、磷（P）、钾（K）含量显著升高，茎中氮（N）含量显著降低，叶中磷（P）含量显著降低，钾（K）含量显著升高。

基于沙培温室番茄生长特性确定水分传感器最佳埋设位置研究

宁夏大学 郑佳琦

随着资源的不断消耗，人口、水资源、土地、粮食已成为全球性问题。目前，中国沙漠、沙地主要分布于北纬35°～50°、东经75°～125°之间，其面积约占全国土地面积的10.91%，比我国耕地面积还要多出10%。因此，合理科学的运用现代技术，将沙漠视为一种可利用的天然资源，并利用TDR等方法监测土壤含水量指导农业精准灌溉，对于农业节水和节水推广工作和开发沙漠运营机制管理，建立商业化的农业沙产业链条具有深远的意義。

该试验通过在光伏日光温室，以沙培为基质，试验地为客沙栽培，沙子（银川腹部沙地黄沙）厚度40 cm，容重1.578 g/cm3，田间最大持水量15.47%（质量含水量），总孔隙度73.39%。采用滴灌方式栽培日本品种‘粉太郎，利用精准灌溉技术的TDR土壤水分传感器研究番茄苗期、开花坐果期和结果期的水分传感器最佳埋设位置，为北方沙地的农业节水自动化灌溉技术的应用提供理论支撑。

试验结果表明，将土壤水分传感器埋设在沙地距滴头垂直深度、水平距离均为10 cm处的沙培番茄生长、品质较好，净光合速率、胞间CO2摩尔分数和叶绿素含量均高于其他处理，所以将土壤水分传感器埋设在沙地距滴头垂直深度、水平距离均为10 cm处更利于番茄生产。

日本设施番茄少量基质营养液精量控制栽培技术

天津农学院副教授 王丽娟

天津农学院与静冈大学合作概况

日本静冈大学为公立综合性大学，农学部共生研究学科研究室主要进行番茄及草莓作物的研究，并和静大建立了合作研究的基础。在深入合作的基础上，2014年静冈大学农学部与天津农学院签定了合作研究协议。农学部部长糠谷明教授被聘为天津农学院客座教授，切岩祥和副教授被聘为天津市千人计划人才。目前，团队利用日本静冈大学先进的研究技术、成果和理念，进一步开展国际合作研究，服务天津市设施农业的发展。

静冈县概况

静冈县设施农业栽培技术在日本属于领先水平，设施类型以自动化玻璃温室及钢架塑料全光温室为主，栽培方式主要以无土栽培、自动化环境控制为主，栽培理念是安全、优质、高产。静冈县设施栽培的作物主要有番茄、草莓、甜瓜、沙拉菜、三叶芹等，在日本有广泛的高端市场。

高糖度番茄精量控制栽培技术

静大糠谷明教授研究的少量基质栽培的番茄，可以进行自动营养液供给，并开发了独特的高糖度番茄栽培技术。基质容量少，可以减少基质的使用量，并使栽培容器轻型化（含基质），栽培装置减少承重力，削减成本，基质还可以重复利用，适合于高架栽培。

糠谷明教授研究的少量基质栽培与传统栽培相比，植物根际的养分、水分、空气等环境条件比较容易控制。另外，由于每株的根际都是独立钵，能很好的控制病害的蔓延。高糖度番茄甜酸平衡绝妙的口味，在日本已经被视为新食材，并受到消费者的青睐。