生物质石墨烯电热膜在农业大棚中的应用

张娟娟，徐晓晓，何 勇

（1.济南圣泉集团股份有限公司，山东 济南 250000；2.山东省汶上县蜀山源家庭农场，山东 汶上 272000；3.江苏格兰特科技新材料股份有限公司，江苏 淮安 223001）

众所周知，温度是影响植物生理活动和生化反应的重要因素，植物的生长发育离不开光合作用，温度变化会直接影响植物的光合作用。而作为植物的生态因子而言，温度变化会对植物的生长发育和分布产生非常重要的作用。当植物在生长发育过程中遇到温度突然变化的情况，会打乱植物原本的生理节奏，对植物造成伤害，严重时会导致植物死亡。而温室大棚的出现就很好的解决了北方冬季气温低无法种植作物的问题。温室大棚种植模式主要是利用密闭的大棚营造一个适合作物生长的小气候环境，是我国设施农业最普及的生产方式，不仅大大提高土地产出率，而且解决了反季节生产的问题。但是目前现在却有一个很大的困扰，就是冬季夜间、连续阴雨、雪天气下棚内温度低，作物生长缓慢，如果遇到强烈寒潮天气，大棚内作物还有可能被冻死，从而出现大面积减产，甚至绝产。无法满足现代农业对土地要求提高利用率，提高产量，更加智能、高效、自动化的要求。之前大多温室大棚热源采用热风炉、采暖炉或电热线等，不仅能耗高、污染大，而且稳定性差、成本高，效果也不佳。目前在国家大力治理雾霾的大环境下，非清洁能源的取暖增温措施正逐渐被淘汰。石墨烯电加热作为一种全新采暖方式，不但应用于家居生活，在农畜牧业也具有广泛的应用，涵盖蔬菜大棚、花卉栽培、农林育苗、土壤保温、雏鸡孵化、特种水产养殖等产业。现在有了生物质石墨烯电加热系统的暖棚，大棚冬季取暖问题就迎刃而解了。我国是一个农业大国，温室大棚、花卉蔬菜、工厂化食用菌、规模化畜禽养殖、特种水产反季节养殖等，都迫切需要加快研发与示范推广清洁的石墨烯电加热采暖方式。

生物质石墨烯是石墨烯大家族中的一员。它是以特有的玉米芯多孔活性纤维素为原料，采用基因配位组装(GCA)法，在热催化条件下经过配位组装、高温碳化、逐步迁移、有序附着、薄层分离等高效而精密的加工工艺而得到。生物质石墨烯生产工艺没有强氧化剂氧化和化学还原过程，不仅避免了环境污染与环境治理，达到了绿色生态制造，而且产品中也不存在化学物质残留，极大地提高了产品使用的生物安全性。生物质石墨烯不仅具有一般石墨烯的特性如良好的热传导性，导电性等性能，它还具有自己特有的性能，例如低温远红外功能和超强的抗菌抑菌性能。生物质石墨烯电热膜是以生物质石墨烯材料作为主要发热材料的低温远红外辐射电热膜。生物质石墨烯暖棚是以生物质石墨烯电热膜为主要加热元件，辅以科学合理的安装而形成的远红外加热系统大棚。本文研究了以生物质石墨烯电热膜作为主要加热部件，给温室大棚加热的实施方法和效果。

1 材料与方法

1.1 温室概况

试验在山东省汶上县蜀山源家庭农场进行，蜀山源家庭农场是一家集科研、生产、销售、技术服务于一体的规模化专业型农业科技农场。温室概况如表1。

表1 温室概况

1.2 生物质石墨烯电热膜概况

生物质石墨烯电热膜是以生物质石墨烯材料作为主要发热材料的低温远红外辐射电热膜。其特点是：

快速升温：通电即热，1分钟内即可达到工作温度；面状发热，制热效果好，整个发热面内温差不大于7℃。节能：电热转换效率>99%；安全可靠，使用寿命长；电热转换率高、绝缘强度高、阻燃、防水、防潮、耐腐蚀、免维修，可与建筑物同寿。

本实验所用到的生物质石墨烯电热膜产品由山东圣泉新材料有限公司提供。产品外观，如图1。

图1 生物质石墨烯电热膜外观

1.3 实施过程

实验时间：2021年11月至2022年2月。实验的大棚内分实验区和对照区。实验区：大棚棚口到大棚50米区，安装生物质石墨烯电热膜加热系统。对照区：棚50米到100米，未安装生物质石墨烯电热膜加热系统。试验区和对照区设置隔离带，隔离带主要组成为保温毛毡帘。温室大棚内的布局如图2所示。

图2 大棚内布局

1.4 生物质石墨烯电热膜加热系统的安装

安装：大棚内有多条栽培畦，生物质石墨烯电热膜安装在栽培相邻的栽培畦之间。间隔5米安装一条。所有生物质石墨烯电热膜并联，并连接集中温控装置。温控装置由温控探头、液晶显示屏、温控系统构成。种植户可以通过温控装置将大棚内温度恒定在某一温度。大棚石墨烯加热系统总功率12千瓦。初始投资约为4000元。生物质石墨烯电热膜加热系统的具体安装由江苏格兰特新材料科技有限公司实施。加热系统安装完毕后外观如图3所示。通电测试：接通电源，用红外热成像仪检查红外发热情况，红外热成像图如图4。

图3 石墨烯电热膜加热系统安装毕后外观

图4 石墨烯电热膜加热系统通电后红外成像

1.5 数据记录

1.5.1 实验区温度设定根据作物生长需求，将实验区温控器的温度设定为20℃。实验区温度高于20℃时，生物质石墨烯电热膜停止加热；低于20℃时，生物质石墨烯电热膜开始加热，直至到达20℃。如果阳光较好，大棚内温度较高时，将采取通风降温措施。整个过程由种植户持续观察记录。

1.5.2 大棚内实验区和对比区的温度采集 实验区和对比区各设置一个温度计，定时读取温度计上温度。

1.5.3 一个种植季的用电消耗情况 读取相连接的电表上的用电度数。

1.5.4 大棚内实验区和对比区的作物长势 由种植户持续观察记录。

2 结果与分析

2.1 温度变化情况

大棚内实验区、对照区、外界环境的温度变化情况见表2。

表2 大棚内实验区、对照区、外界环境的温度变化

通过表2可以看出，11月天气开始转冷，12月、次年1月是全年最冷的两个月，次年2月气温开始回升。对照区的温度变化和外界环境温度变化是一致的。温室大棚在白天有光照的时候，温度较高，夜间是一个降温过程，大棚有一定的保温作用，白天墙体和空间储蓄的热量在夜间释放，环境温度越低，释放速度越快，故在环境温度较低的时候，夜间温度下降很快，在次年1月份温度甚至可以降到零下。而有生物质石墨烯电热膜加热系统的实验区，可以一直保持在≥20℃的状态。

2.2 大棚内作物长势

实验区和对照区的圣女果苗为11月10日无差别栽种。11月份：果苗刚栽种后的第一个月，实验区的果苗明显比对照区长的要快一些，从高度上肉眼可以直接观察出来。实验区的果苗比对照区提前5天出现花穗。12月份：果苗进入花果期。两区果苗高差距渐渐不明显。花果差异明显：实验区的花果比对照区的花果更多一些，生长更快。1月份：花果生长期。在1月份出现的极端低温天气中，实验区的果苗并未受影响，保持着快速生长的势头。而对照区，生长相对缓慢。实验区的花果更多一些。至月底最先长出的第一穗果已经成熟变红。对照区的还没有见到红果。2月份：果实全面成熟期。实验区的果实比对照区提早成熟20天。具体对比见表3。

表3 实验区和对照区作物长势

2.3 耗电情况

11月至次年2月，实验区共用电2891度。

每月耗电量的趋势如图5。各月的具体环境气温不同，导致生物质石墨烯电热膜加热系统的启动运行时间也不同，具体分析见表4。

图5 11月至次年2月各月耗电量趋势

表4 11月至次年2月各月耗电量具体分析

2.4 增收情况

经种植户反映实验区与对照区相比增收约为15000元。差距主要来自于两方面：（1）实验区的果实早成熟约20天，当时上市量不多，价格比较有优势，比20天后的价格平均多4元/公斤。（2）推出的采摘活动。成熟较早而且果实成熟均匀，色泽好，相比其他往年有更多的顾客源。采摘情况如图6。

图6 果实成熟后采摘

3 讨论与结论

3.1 生物质石墨烯电热膜加热系统对大棚的加热效果

通过对比实验区和对照区的温度，可以看出生物质石墨烯电热膜加热系统可以有效的提升大棚温度。尤其是在冬季连续阴天、雨、雪、寒潮天气下，大棚内依然可以保持作物所需的最佳生长温度和环境，从而使作物快速生长。而对照区就是典型的“看天生长”，在极端天气下，棚内温度会持续下降，甚至连续出现零下温度的情况。

3.2 生物质石墨烯加热系统对植株生长和果实成熟的影响

通过实验区和对照区作物长势的对比，可以看出生物质石墨烯电热膜加热系统可以显著加快作物的生长，提早果实成熟时间，相比较对照区的，作物在温度较高时生作物长较好。而在寒潮天气下的低温天气中，几乎停止生长，甚至被冻坏造成减产式样的“看天生长”，实验区的作物始终保持快速健康生长。

生物质石墨烯电热膜电加热系统对植株的生长促进作用，体现在两点：

（1）温度的提高。环境温度是影响植物生长发育、地域分布以及作物产量和品质的最关键因素之一。植物需要在一定的温度度数以上才能开始生长。并且，只有足够的温度总量，植物才可以完成生长周期，一般情况下，将植物整个生长发育期或某一发育阶段内，高于一定温度度数以上的昼夜温度总和称为某植物或某发育阶段的积温。不同植物种在整个发育期内，要求有不同的积温总量。因此环境温度的提高，可以在一定程度上缩减植物的整个发育期，即使植物更早的成熟。本文中大棚内实验区和对照区白天温度相仿，但是在夜间，生物质石墨烯电热膜电加热系统有效的提高了实验区的温度，使其保持≥20℃，而对照区的夜间温度会快速下降，与实验区有一定的差距，寒潮时期，对照区的温度能到达零下。因此实验区中的作物到达需要的积温数据时间更短，也就是实验区的作物出现了更早的开花和成熟。

（2）增加了远红外线的照射。光周期是通过影响植物内源生长素的积累和植物幼苗的生长来调节植物发育，因此调节植物光周期可提高光合效率、促进光合产物的形成，最终促进植物生长。生物质石墨烯电热膜在通电后可以发射红外线，而试验证明，各种有机物和高分子物质以及含有水分的其他物质，对红外线都具有较好的吸收性能。红外线能够产生热效应，能够保证植物果实的成熟趋于一致，因而实验区的果实比对照区的成熟要更早一些，果实成熟更加均匀。

3.3 经济效益

生物质石墨烯电热膜加热系统具有升温速度快，热量以红外辐射的形式直达作物表面，热量利用效率高，不需要将环境温度升的太高，作物便可以接收利用，故整体耗能相比传统加热方式要低。而且为智能化控制，将温度设定好无需专人看守，省去人工成本。一个生长季节共耗电：2891度，按照当地电价0.5469元/度核算，共花费2891×0.5469=1581元。而最终增收15000元，远大于电费消耗。扣除掉生物质石墨烯电加热系统的初始成本4000元，共计带来15000-4000-1281=9719元的净增收。

综上所述，生物质石墨烯电热膜加热系统可以有效提高大棚内的温度，尤其是在冬季连续阴天、雨、雪、寒潮天气下，大棚内的依然可以保持作物所需的最佳生长温度，从而使作物快速生长。而且升温速度快，热量以红外辐射的形式直达植株表面，热量利用效率高，不需要将环境温度升的太高，作物便可以接收利用。故整体耗能相比传统加热方式要低。智能化控制，将温度设定好无需专人看守，省去人工成本。建议在北方区域进行推广。