CN103918508B - 一种利用太阳能的农田微气候干预系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用太阳能的农田微气候干预系统，该系统中所涉及的设施包括蓄热保温系统和供热循环系统组成，通过对蓄水池上加装太阳能吸储材料和隔热保温材料以增加蓄水池的蓄热保温能力，白天利用铺设于作物行间的吸放热支管中流动的水，带走作物冠层过多的热量，以降低作物周边微环境的气温，同时加热蓄水池中的水进行蓄热；在夜间和需要田间供暖时将蓄水池中的热水泵入吸放热支管进行田间放热，以提高作物冠层及冠下的气温。从而减少白天高温对作物的热胁迫，同时减少夜间低温对作物生长的影响，从而达到改善农田微气候，提高作物产量和品质的目的。

Description

一种利用太阳能的农田微气候干预系统

技术领域：

本发明涉及一种利用太阳能的农田微气候干预系统，属于农田气象技术领域。

背景技术：

温度条件是影响作物生长最重要的因子之一。温度直接影响到植物生理代谢活动，进而影响到植物生长的各个方面，比如影响植物的光合、呼吸、养分吸收、生长、抗逆等。温度还影响到土壤肥力的方方面面，比如土壤微生物的活性、土壤酶活性、矿质营养的转化等。因此调控农田环境温度，对于提高作物产量、品质和逆境防御能力均有重要意义。气温也是限制积温偏低地区作物产量潜力的关键技术难题。然而生产中缺乏农田温度调控的技术手段，主要原因在于常规手段提高农田环境温度的技术需要建立设施大棚，或使用化石能源进行加热，建造和运行成本高、施工麻烦、难以大面积推广应用。

新疆属于典型内陆气候，虽然太阳辐射能和日照时数均较高，但是日夜温差较大，影响作物的生长和品质，比如白天中午的高温导致作物午间高温休眠，光合速率下降，而夜间低温导致棉纤维内糖分转化为纤维素的过程受阻，降低了棉纤维品质。因此，提高傍晚和夜间作物冠层温度、同时适当降低夏季午后冠层高温对于提高作物产量和品质具有重大意义。

发明内容：

本发明的目的在于，克服上述已有技术的不足，提供一种利用太阳能的农田微气候干预系统，该系统主要利用水的良好蓄热能力，通过太阳辐射能加热水来进行蓄热，通过对蓄水池上加装太阳能吸储材料和隔热保温材料以增加蓄水池的蓄热保温能力，白天利用铺设于作物行间的吸放热支管中流动的水，带走作物冠层过多的热量，以降低作物周边微环境的气温，同时加热蓄水池中的水进行蓄热；在夜间和需要供暖时将蓄水池中的热水泵入吸放热支管进行田间放热，以提高作物冠层及冠下的气温，从而达到促进作物生长，提高水肥利用效率，增加产量改善品质的目的。

本发明所述的一种利用太阳能的农田微气候干预系统，该系统中所涉及设施包括蓄热保温系统和供热循环系统，蓄热保温系统是由蓄热保温系统蓄水池水泥基面（1）、隔热保温材料（2）、隔热膜（3）、蓄水池内水体（4）、吸热薄膜（5）、塑料棚膜（6）组成，供热循环系统由循环泵（8），第一供水干管（9）、第一回水干管（10）和第一吸放热支管（11）组成，通过对蓄水池（7）上加装太阳能吸储材料和隔热保温材料以增加蓄水池的蓄热保温能力，具体操作按下列步骤进行：

a、在现有滴灌系统配套的蓄水池（7）水泥基面（1）上铺设一层隔热保温材料硬质泡沫塑料板（2）；

b、在隔热保温材料硬质泡沫塑料板（2）上粘附一层隔热膜PE塑料膜（3），该塑料膜（3）向水一侧为反光涂层；

c、在蓄水池（7）内水体（4）表面覆盖一层黑色吸热PE塑料膜（5）；

d、在蓄水池（7）上，距离水面50-150厘米处，覆盖透明PE塑料膜（6）；

e、在蓄水池（7）上通过水循环泵（8）和第一阀门（12）与农田的第一供水干管（9），第一回水干管（10）连接；在蓄水池（7）上通过第二阀门（16）与空地的第二供水干管（13），第二回水干管（14）连接；

f、在农田内沿作物（17）种植行的作物行间地膜（19）上，正对滴灌带（18）上方的位置，布设第一吸放热支管（11），在空地上布设第二吸放热支管（15）；

g、在作物出苗期，白天当第一吸放热支管（11）中的水温上升到温度25-35℃，打开第一阀门（12）和循环泵（8），蓄水池（7）中的冷水缓慢泵入农田中的第一吸放热支管（11）中，水温上升，形成热水，再将热水回流进入蓄水池（7）中；

h、在夜晚或需要田间加温时，将蓄水池（7）中的热水通过循环泵（8）和第一阀门（12）泵入农田第一吸放热支管（11）中，提升作物冠层的环境温度，同时冷水流回蓄水池（7）中。

步骤g和步骤h中在作物封行时通过在农田外的空地布设的第二供水干管（13）、第二回水干管（14）、第二吸放热支管（15）和第二阀门（16），利用农田外的太阳辐射能增加蓄水池内的水温。

本发明所述的一种利用太阳能的农田微气候干预系统与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步在于：

1.利用水的高蓄热能力，吸收太阳能进行农田微气候干预，从而有效提高日落后农田冠层微环境的温度；

2.建造和运行维护成本较低，适用于大田生产的农田微气候干预系统。新疆截至2013年底，滴灌面积达到3500万亩，均已配套有蓄水池、泵房和配电柜，对现有蓄水池进行蓄热系统改造简单方便，仅需对原蓄水池加装苯板，塑料膜等材料进行蓄热保温改造，一次改造可以多年使用，分摊成本低；

3.供热循环系统采用的管路和阀门等均为当地大田生产中的滴灌系统通用件，价格低，采购容易，可以多年重复使用，因此和现有滴灌系统配合度好，铺设及维护容易；

4.同时利用田间布设的吸放热管道吸热和放热，即能降低白天午后的作物冠层及冠下的高温，同时又能提高夜间作物冠层及冠下的气温；蓄水池中的热水可直接用于灌溉，减少灌溉水的低温对作物生长的影响；

5.对倒春寒，早霜等灾害天气具有一定的抵御作用。

附图说明

图1为本发明的蓄热保温系统结构示意图；

图2为本发明的循环系统结构示意图；

图3为本发明加装了农田外增温系统后的循环系统结构示意图；

图4为本发明作物行间吸放热支管布置空间位置图；

图5为本发明农田微气象干预措施运行模式一对冠层气温的影响图，其中为对照处理（CK），即未采取微气象干预措施的处理；为采取农田微象干预措施的处理（ATK）；

图6为本发明农田微气象干预措施运行模式二对冠层气温的影响图,其中为对照处理（CK），即未采取微气象干预措施的处理，为采取农田微气象干预措施的处理（ATK）。

具体实施方式

实施例

2012年，在新疆石河子莫索湾试验站（N44°51′55.95″E86°11′6.24″）的试验田内进行了利用太阳能的农田微气候干预的试验，位于古尔班通古特沙漠南缘，属于典型干旱大陆性气候，昼夜温差较大，试验地面积5亩，种植作物为棉花，品种为新陆早26号，采用一膜六行超宽膜种植模式，株行距配置为窄行10厘米，宽行66厘米株距10厘米（图4），4月20日播种，5月1日出苗，5月20日试验设施布设完毕，具体操作按下列步骤进行：

选择现有试验田滴灌系统配套的宽15米，长30米，深2米蓄水池水泥基面1上铺设一层15厘米厚硬质泡沫塑料板2，学名绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板；

在硬质泡沫塑料板2上粘附一层16S厚PE塑料膜3，该塑料膜3向水一侧为反光涂层；

在蓄水池7内水体4表面覆盖一层12S厚黑色PE塑料膜5；

蓄水水池7上，距离水面120cm处，整体覆盖14S厚透明PE塑料膜6；

在蓄水池7上通过水循环泵8和第一阀门12与农田的第一供水干管9，第一回水干管10连接；在蓄水池7上通过第二阀门16与空地的第二供水干管13，第二回水干管14连接，第一供水干管9、第二供水干管13，第一回水干管10和第二回水干管14均为直径75毫米的PE管，水循环泵8为双鱼牌潜水泵；

在农田内，沿作物棉花17种植行的作物行间地膜19上，正对滴灌带18上方的位置，布设第一吸放热支管11，为直径250毫米的黑色PE塑料管(即农用小白龙低压塑料管)；

在作物出苗期，白天当第一吸放热支管11中的水温因吸收太阳辐射能后开始升温，当水温上升到25-35℃时（根据天气情况，如多云天气，太阳辐射偏低，水温上升较慢，则调低温度阈值，如天气晴朗，太阳辐射强则调高温度阈值，时间约为12：00-15：00）即打开循环泵8和第一阀门12，将蓄水池中的冷水通过第一供水干管9缓慢泵入农田中的第一吸放热支管11中，冷水在第一吸放热支管11流动过程中吸收太阳辐射能而逐渐升温，升温后的热水通过第一吸放热支管11和第一回水干管10送入蓄水池7中，时间19：00关闭循环泵；

在凌晨4点打开循环泵8，将蓄水池7中的热水通过循环泵8泵入农田第一吸放热支管11，热水在田间释放热量后温度逐渐降低，同时作物冠层气温开始升高，降温后的冷水流回蓄水池7，时间7:00点钟停止循环泵；

作物冠层较大已经开始显著遮挡第一吸放热支管11时，每日中午14:00打开循环泵8和第一阀门12，将蓄水池中的冷水通过第一供水干管9缓慢泵入农田中的第一吸放热支管11中，冷水在第一吸放热支管11流动过程中吸收太阳辐射能和环境热能后而逐渐升温，升温后的热水通过第一吸放热支管11和第一回水干管10送入蓄水池7中；同时开启在农田外的空地布设的第二供水干管13、第二回水干管14、第二吸放热支管15和第二阀门16（图3），利用农田外的太阳辐射能增加蓄水池内的水温；白天每日14:00点即打开循环泵8和第二阀门16，将蓄水池中的冷水泵入农田外空地的第二吸放热支管15，冷水在第二吸放热支管15流动过程中吸收太阳辐射能而逐渐升温，升温后的热水通过第二吸放热支管15送入蓄水池7中，时间19:00时关闭循环泵；凌晨4：00调整第一阀门12和第二阀门16，打开循环泵8，将蓄水池7中的热水泵入第一供水干管9和第一吸放热支管11，热水在田间释放热量后温度逐渐降低，同时作物冠层气温明显升高，降温后的冷水通过第一回水干管10流回蓄水池7中；

在农田微气候调控试验田块和相邻未设置农田微气候调控的田块的作物冠层高度布设温度自动记录仪，以每小时测定一次的频度记录了冠层温度的变化情况，通过对比相邻两个田块中的气温数据，研究了本发明设计的农田微气候调控的效果。

试验结果如下：

农田微气候调控试验的整体安装调试于5月20日完成，此时棉花处于蕾期，作物叶面积指数较小，布设于作物行间的第一吸放热支管11受到冠层的遮挡较少，因此，系统运行于模式一（图2），仅通过作物行间的第一吸放热支管11进行吸放热，而布设于农田外空地的第二吸放热支管15系统未打开，图5为5月28日、29日和30日连续3天的作物冠层气温监测结果，结果表明，白天时每日中午14：00前后，第一吸放热支管11中的水温超过35度，打开循环泵8，时间15：00监测的气温数据即显著发生变化，与常规对照农田比，冠层气温平均下降3.3℃，而且在时间15：00-19：00点之间，气温下降的幅度呈减少趋势，夜间凌晨4:00点打开循环泵8，热水开始泵入作物行间的第一吸放热支管11，冠层气温监测结果显示，冠层气温明显开始上升，时间5:00点的监测结果显示，三日气温平均最高上升5.1℃，但是升温幅度随时间推移，呈下降趋势；

8月份，棉花进入花铃期已经封行，即冠层已经完全覆盖地面，此时布设于田间的第一吸放热支管11因为作物冠层的遮挡已经无法正常发挥吸收太阳辐射能的作用，因此农田微气候干预系统运行于模式二（图3），即在模式一的基础上，白天打开布设于农田外空地的第二吸放热支管15进行太阳辐射热量的吸收，以提高蓄水池中的水温，图6为8月8日、9日和10日连续3天的作物冠层气温监测结果，结果表明，与模式一结果类似，白天时每日中午14：00点左右吸放热支管15中的水温达到35℃，打开循环泵8，时间15:00点监测的气温数据即显著发生变化，与常规对照农田比，冠层气温平均下降3.4℃，降温效果在时间15：00-19：00点之间呈下降趋势，夜间凌晨4:00点打开循环泵8，热水开始泵入作物行间的第一吸放热支管11，此时的冠层气温监测结果显示，冠层气温明显开始上升，时间5:00点的监测结果显示，三日气温平均最高上升3.9℃。

以上结果表明本发明的农田微气候干预系统能够发挥作用，新疆昼夜温差极大的前提下，适当降低午间冠层高温和提高夜间的冠层气温，无疑对作物增产和品质改善能够发挥巨大作用。该系统气温调控的作用大小取决于吸放热支管的铺设规模与实施气候干预的农田面积的比例。在一定范围内该比例增大，气温调控的幅度会增加。

Claims (2)

1.一种利用太阳能的农田微气候干预系统，其特征在于该系统中所涉及的设施包括蓄热保温系统和供热循环系统，蓄热保温系统是由蓄水池水泥基面（1）、隔热保温材料（2）、隔热膜（3）、蓄水池内水体（4）、吸热薄膜（5）、透明PE塑料膜（6）组成，供热循环系统由循环泵（8），第一供水干管（9）、第一回水干管（10）和第一吸放热支管（11）组成，通过对蓄水池（7）上加装太阳能吸储材料和隔热保温材料以增加蓄水池的蓄热保温能力，具体操作按下列步骤进行：

a、在现有滴灌系统配套的蓄水池（7）水泥基面（1）上铺设一层隔热保温材料硬质泡沫塑料板（2）；

b、在隔热保温材料硬质泡沫塑料板（2）上粘附一层隔热膜PE塑料膜（3），该塑料膜（3）向水一侧为反光涂层；

c、在蓄水池（7）内水体（4）表面覆盖一层黑色吸热PE塑料膜（5）；

d、在蓄水池（7）上，距离水面50-150厘米处，覆盖透明PE塑料膜（6）；

e、在蓄水池（7）上通过水循环泵（8）和第一阀门（12）与农田的第一供水干管（9），第一回水干管（10）连接；在蓄水池（7）上通过第二阀门（16）与空地的第二供水干管（13），第二回水干管（14）连接；

 f、在农田内沿作物（17）种植行的作物行间地膜（19）上，正对滴灌带（18）上方的位置，布设第一吸放热支管（11），在空地上布设第二吸放热支管（15）；

g、在作物出苗期，白天第一吸放热支管（11）中的水温上升到温度25-35℃，打开第一阀门（12）和循环泵（8），蓄水池（7）中的冷水缓慢泵入农田中的第一吸放热支管（11）中，水温上升，形成热水，再将热水回流进入蓄水池（7）中；

h、在夜晚或需要田间加温时，将蓄水池（7）中的热水通过循环泵（8）和第一阀门（12）泵入农田第一吸放热支管（11）中，提升作物冠层的环境温度，同时冷水流回蓄水池（7）中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于步骤g和步骤h中在作物封行时通过在农田外的空地布设的第二供水干管（13）、第二回水干管（14）、第二吸放热支管（15）和第二阀门（16），利用农田外的太阳辐射能增加蓄水池内的水温。