CN104996199B - 一种高效二氧化碳施肥装置及施肥方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效二氧化碳施肥装置及施肥方法。所述二氧化碳施肥装置包括CO₂施肥自动控制系统；所述CO₂施肥自动控制系统包括控制器、以及分别与其连接的太阳辐射传感器、CO₂传感器、温湿度传感器、CO₂存储及输送单元、天窗控制开关、降温设备。采用本发明所述的施肥方法能够进一步提高植物的光合速率、提升光能以及增施CO₂的利用效率，减少CO₂逸散率，降低运行成本。

Description

一种高效二氧化碳施肥装置及施肥方法

技术领域

本发明涉及一种高效二氧化碳施肥装置及施肥方法，属于设施农业工程技术领域。

背景技术

近年来，随着设施工程技术和栽培育种技术的不断进步，设施农业植物产量也得到了极大的提高。但是，由于不适生长环境因子(如CO₂浓度、光照强度、温度等)及病虫害等的影响，设施农业植物实际的产量只发挥了其生产潜力的24％左右，其中不适生长环境已成为植物产量最重要的限制因素。与设施农业环境控制技术发达的荷兰和日本相比，中国设施农业植物的平均产量分别为其平均产量的1/6和1/3左右。其主要原因为，中国的农业设施主要以大棚和日光温室为主，室内环境调控能力较差。而CO₂是植物进行光合作用的原料之一，其浓度是影响植物生长的一个很重要的环境因子。如图9所示，光合速率与光强和CO₂浓度关系示意图。在设施农业生产中，植物进行光合作用会消耗大量的CO₂，若室内CO₂得不到及时补充，CO₂浓度会迅速下降。过低的CO₂浓度已成为设施植物光合的主要限制因素，制约了植物生长发育，降低了植物产量和品质。

目前已经对如何提高温室内CO₂浓度展开相关研究，如高浓度CO₂施肥法，可一定程度上提高光能利用效率，但CO₂利用率低。因为CO₂施肥利用效率与设施(比如温室)密闭性有关，对于密闭性较好的温室(换气次数为0.5h^-1以下)，CO₂逸散速率小，即使室内CO₂施肥到较高浓度(如1000μmol·mol^-1)，CO₂利用效率也可维持在较高水平(0.6左右)；但在通风状态下，温室换气次数一般在10h^-1以上，若室内CO₂浓度高于室外CO₂浓度水平，则增施的CO₂90％以上会逸散到室外，经济效益较低；而CN103314694A所述的零浓度差CO₂施肥法，采用的是ON/OFF控制方法，容易出现CO₂过充现象，造成CO₂浪费；并且由于在作物CO₂饱和点以下，光合作用随着CO₂浓度的升高几乎成直线增强，较低的CO₂浓度(室外水平或更低)限制了作物的光合速率，尤其是在较强的太阳辐射下(如图9)。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种高效二氧化碳施肥装置及施肥方法，其可进一步提高植物的光合速率、提升光能以及增施CO₂的利用效率，减少CO₂逸散率，降低运行成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二氧化碳施肥装置，包括CO₂施肥自动控制系统；其中，所述CO₂施肥自动控制系统包括控制器、以及分别与其连接的太阳辐射传感器、CO₂传感器、温湿度传感器、CO₂存储及输送单元、天窗控制开关、降温设备；

其中，所述控制器(即电脑及其控制软件)，用于处理各传感器提供的数据，并控制CO₂存储及输送单元、天窗控制开关、降温设备的开启与关闭，以及控制CO₂的施加速度；其控制单元采用比例积分微分PID模块；

其中，所述太阳辐射传感器，用于监测温室外太阳光辐射强度数据，并将数据传至控制器；

其中，所述CO₂传感器，用于监测温室内外CO₂浓度数据，并将数据传至控制器；

其中，所述温湿度传感器，用于监测温室内外温湿度数据，并将数据传至控制器；

其中，所述CO₂存储及输送单元包括：CO₂钢瓶、连接CO₂钢瓶的CO₂施肥管、及设置于CO₂施肥管上的CO₂流量计；所述CO₂钢瓶用于CO₂的存储，由控制器控制其开启、关闭及CO₂输送流量大小；所述CO₂流量计用于控制CO₂流量大小和检测CO₂流量数据，并将数据传至控制器；所述CO₂施肥管布设位置可依据温室植物具体情况而定，以满足植物光合作用，确保室内CO₂浓度均衡为宜。本发明中所述CO₂施肥管的布设高度以1.4-1.6米为宜，且均匀分布于温室两侧，以增加施肥均匀度。

所述天窗控制开关用于控制天窗的开启与关闭；

所述降温设备(如空调、蒸发降温设备等)的设置可减少温室通风时间或者延长温室密闭时间，从而延长高光照下CO₂浓度增施到较高水平的时间。

本发明还可在所述施肥装置中增设循环风扇，利用其功能使增施的CO₂在室内均匀分布；但如使用空调等自带风扇的降温设备时，则可不需要循环风扇。

本发明还提供了含有上述施肥装置的密闭性较好的温室。利用本发明所述的温室可进一步提高植物的光合速率、提升光能以及增施CO₂的利用效率，减少CO₂逸散率，降低运行成本，适合大力推广。

本发明还提供一种CO₂施肥方法，利用上述施肥装置，在温室处于密闭状态下，采用光-CO₂耦合施肥法增施CO₂；在温室处于通风状态下，采用零浓度差CO₂施肥法增施CO₂。

本发明所述施肥方法中，利用温湿度传感器检测室内外温湿度数据，当所述温室内温度高于植物生长最高温度时，温室处于通风状态；当温室内温度低于植物生长最高温度时，温室处于密闭状态。

本发明所述施肥方法中，所述光-CO₂耦合施肥法具体为：控制器依据太阳辐射传感器监测的温室外太阳光辐射强度数据判断是否施加CO₂；当太阳光辐射强度高于植物光补偿点(已知)，控制器开启CO₂存储及输送单元中的CO₂钢瓶，通过CO₂施肥管向温室内施加CO₂，待CO₂传感器监测到CO₂浓度达到目标浓度时，停止施加；当太阳光辐射强度小于植物光补偿点，不施加CO₂。

其中，所述目标浓度随太阳光辐射强度增强而增大，其具体数值的设定以有效提高植物光合速率、光能利用效率，以及CO₂利用效率为宜；本发明中所述CO₂目标浓度计算公式如下：

CO₂目标浓度＝[(温室外太阳光辐射强度-植物光补偿点)×(植物CO₂饱和点-植物CO₂补偿点)/(植物光饱和点-植物光补偿点)]+植物CO₂补偿点。

其中，所述施加CO₂施加速度视温室面积大小和CO₂目标浓度而定，以保证在较短的时间内增施到目标浓度为宜。

当温湿度传感器监测到室内温度超过植物生长最适温度时，控制器开启降温设备进行室内降温，以延长温室密闭时间，使CO₂浓度随着光强增加而继续升高，在高光照下增施到较高水平。而当温湿度传感器监测到温室内温度低于植物生长最高温度时，天窗控制开关关闭天窗，此时温室处于密闭状态，同时开启降温设备将室内温度降至植物生长最适温度，从而减少温室的通风时间。

本发明所述施肥方法中，当温室密闭性较差或处于通风状态条件时，采用零浓度差CO₂施肥法。所述零浓度差CO₂施肥法通过比例积分微分(PID)方法控制，具体步骤为：通过CO₂传感器将温室内外CO₂浓度数据传至控制器，采用比例积分微分(PID)控制方法始终使室内CO₂浓度接近但不高于室外CO₂浓度。所述零浓度差CO₂施肥法避免了CO₂过冲现象，室内外CO₂浓度保持一致，避免了CO₂的逸散，提高了经济效益。

作为本发明优选的实施方式，所述二氧化碳的施肥方法步骤如下(以一天为例)：

1)早晨，温湿度传感器将温室内温度数据传至控制器，经控制器分析，室内温度低于植物生长最适温度，温室为密闭状态；

同时，太阳辐射传感器将温室外太阳光辐射强度数据传至控制器，经控制器分析，若太阳光辐射强度高于植物光补偿点，则控制器开启CO₂存储及输送单元中的CO₂钢瓶，并通过CO₂施肥管向温室内施加CO₂，待CO₂传感器监测到室内浓度达到目标浓度时，停止施加；

CO₂目标浓度＝[(温室外太阳光辐射强度-植物光补偿点)×(植物CO₂饱和点-植物CO₂补偿点)/(植物光饱和点-植物光补偿点)]+植物CO₂补偿点；

随着温室内温度逐步升高，当温湿度传感器监测到室内温度超过植物生长最适温度时，控制器开启降温设备进行室内降温，CO₂浓度随着光强增加而继续升高，此时温室仍为密闭状态；

2)当温湿度传感器监测到室内温度高于植物生长最高温度时，控制器关闭降温设备，并启动天窗控制开关打开天窗，此时温室处于通风状态，开始采用零浓度差CO₂施肥法进行施肥；

所述零浓度差CO₂施肥法为：通过CO₂传感器将温室内外CO₂浓度数据传至控制器，采用比例积分微分控制方法始终使室内CO₂浓度接近但不高于室外CO₂浓度；

3)下午，温湿度传感器监测到温室内温度低于植物生长最高温度时，关闭天窗，温室处于密闭状态，开启降温设备将室内温度降至植物生长最适温度；同时，太阳辐射传感器检测太阳光辐射强度，若高于植物光补偿点，则向温室内施加CO₂使其浓度达到目标浓度，反之，则停止施加；

4)傍晚，太阳辐射传感器检测到太阳辐射强度低于植物的光补偿点，停止CO₂施肥。

相比现有技术，本发明所述的二氧化碳施肥方法可根据光强大小增施CO₂至不同目标浓度，PID控制方法避免了CO₂过冲现象，最大限度提高CO₂利用率，节约CO₂用量，综合效益显著，同时进一步提高植物的光合速率、提升光能；而且，本发明所述的施肥方法可根据不同植物调整不同的CO₂施加量，相比以往单一施加模式的施肥方法，更有利于提高CO₂利用率。本发明所述的施肥方法可适用于任何种类的温室和植物工厂等植物栽培系统。

附图说明

图1为实施例3中太阳辐射强度随时间变化图。

图2为实施例3与对比例中温室内CO₂浓度变化图。

图3为实施例3中CO₂增施速率变化图。

图4为实施例3中密闭状态下和通风状态下番茄冠层净光合速率图。

图5为实施例3中密闭状态下和通风状态下番茄冠层蒸腾速率图。

图6为实施例3中密闭状态下和通风状态下CO₂利用效率。

图7为实施例3与对比例中室内温度随时间变化。

图8为实施例3与对比例中叶片至空气水蒸气饱和压差变化。

图9为净光合速率与CO₂浓度、光照强度的关系示意图。

图10为实施例3中密闭状态下，CO₂目标浓度确定示意图。

图11为实施例1所述施肥装置结构示意图

图12为采用实施例1所述施肥装置的温室构造示意图。

图中：1、控制器；2、CO₂钢瓶；3、CO₂流量计；4、CO₂施肥管；5、降温设备或循环风扇；6、CO₂传感器；7、温湿度传感器；8、太阳辐射传感器；9、天窗控制开关。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

其中，所述温室结构如下，但不限于所述结构：

实施例1 一种CO₂施肥装置

一种二氧化碳施肥装置，如图11所示，包括CO₂施肥自动控制系统；其中，所述CO₂施肥自动控制系统包括控制器、以及分别与其连接的太阳辐射传感器、CO₂传感器、温湿度传感器、CO₂存储及输送单元、天窗控制开关、降温设备；

其中，所述控制器(即电脑及其控制软件)，用于处理各传感器提供的数据，并控制CO₂存储及输送单元、天窗控制开关、降温设备的开启与关闭，以及控制CO₂的施加速度；其控制单元采用比例积分微分PID模块；

其中，所述太阳辐射传感器，用于监测温室外太阳光辐射强度数据，并将数据传至控制器；

其中，所述CO₂传感器，用于监测温室内外CO₂浓度数据，并将数据传至控制器；

其中，所述温湿度传感器，用于监测温室内外温湿度数据，并将数据传至控制器；

其中，所述CO₂存储及输送单元包括：CO₂钢瓶、连接CO₂钢瓶的CO₂施肥管、及设置于CO₂施肥管上的CO₂流量计；所述CO₂钢瓶用于CO₂的存储，由控制器控制其开启、关闭及CO₂输送流量大小；所述CO₂流量计用于控制CO₂流量大小和检测CO₂流量数据，并将数据传至控制器；所述CO₂施肥管均匀布设于温室两侧，高1.5米。

所述天窗控制开关用于控制天窗的开启与关闭；

所述空调用于减少温室通风时间或者延长温室密闭时间，延长高光照下CO₂浓度增施到较高水平的时间。

实施例2 利用实施例1所述施肥装置控制的温室

采用实施例1所述施肥装置的温室，结构如图12所示，温室南北走向，单栋，尺寸为长为21米，宽7.2米，高为3.7米。利用实施例1所述施肥装置的温室可进一步提高植物的光合速率、光能利用效率，以及CO₂的利用效率，减少CO₂逸散率，降低种植成本。

实施例3 一种二氧化碳施肥方法

以番茄生长季中某一天施肥过程为例，说明本发明所述二氧化碳施肥方法。

利用实施例1所述施肥装置培育番茄，经过一个生长季后，考察番茄光合作用的各项指标。

时间：2010年5月1号。

1)早晨，温湿度传感器8将温室内温度数据传至控制器1，经控制器分析，室内温度低于番茄生长最适温度25℃，温室为密闭状态；

同时，太阳辐射传感器6将温室外太阳光辐射强度数据传至控制器1，经控制器分析，太阳光辐射强度高于番茄光补偿点(已知)，控制器1开启CO₂存储及输送单元中的CO₂钢瓶2，并通过CO₂施肥管3向温室内施加CO₂至目标浓度，其CO₂浓度随着光强增加而升高；

CO₂目标浓度＝[(温室外太阳光辐射强度-植物光补偿点)×(植物CO₂饱和点-植物CO₂补偿点)/(植物光饱和点-植物光补偿点)]+植物CO₂补偿点。其中，斜率确定示意图如图10所示。

待CO₂传感器监测到CO₂浓度达到目标浓度时，停止施加；

随着温室内温度逐步升高，当温湿度传感器8监测到室内温度超过番茄生长最适温度25℃时，控制器1开启降温设备(空调)4进行降温，使CO₂浓度随着光强增加而继续升高，在高光照下增施到较高水平，此时温室仍为密闭状态；

2)当温湿度传感器8监测到室内温度高于番茄生长最高温度30℃时，控制器1关闭降温设备，启动天窗控制开关7打开天窗，此时温室处于通风状态，开始采用零浓度差CO₂施肥法进行施肥；

所述零浓度差CO₂施肥法为：通过CO₂传感器将温室内外CO₂浓度数据传至控制器，采用比例积分微分(PID)控制方法始终使室内CO₂浓度接近但不高于室外CO₂浓度；

3)下午，温湿度传感器8监测到温室内温度低于番茄生长最高温度30℃时，关闭天窗，温室处于密闭状态，开启空调降温至番茄生长最适温度25℃；同时，太阳辐射传感器6检测太阳光辐射强度，若高于番茄光补偿点，则向温室内施加CO₂使其浓度达到目标浓度，目标浓度会随着太阳光辐射强度的减弱而减小；反之，则停止施加；

4)傍晚，太阳辐射传感器6检测到太阳辐射强度低于番茄的光补偿点，停止CO₂施肥。

对比例

对照温室：与实施例3相同的方法培育番茄，区别在于未增施CO₂。

结果比较：

1)、2010年5月1号当天的太阳辐射强度随时间变化如图1。实施例3中天窗打开时间为7：45，关闭时间为15:10；而对比例中天窗打开时间为7:08，关闭时间为17:08。可见，采用本发明所述施肥方法可明显缩短通风时间，减少CO₂逸散。

2)、实施例3与对比例中温室内CO₂浓度变化如图2。从图中可知，在没有增施CO₂的情况下，对比例中出现CO₂亏缺现象。

3)、实施例3中CO₂增施速率变化如图3。上午，随着光强增强，CO₂增施速率从3.8gm^-2h^-1增加到8.1g m^-2h^-1；下午，随着光强减弱，CO₂增施速率从6.3g m^-2h^-1减小到2.5g m^-2h^-1。

4)、如图4所示，在密闭状态下，实施例3中番茄冠层净光合速率比对比例高1.1-2.1倍；在通风状态下，实施例3中番茄冠层净光合速率比对比例高1.1-2.3倍。

5)、如图5所示，在密闭状态下，实施例3中番茄冠层蒸腾速率与对比例无明显差别；在通风状态下，实施例3中番茄冠层蒸腾速率比对比例高1.1-2.8倍。

6)、如图6所示，在密闭状态下，上午，实施例3中CO₂利用效率在0.45至0.63之间变化；下午，实施例3中CO₂利用效率在0.11至0.75之间变化。在通风状态下，实施例3中CO₂利用效率约为1。

7)、实施例3与对比例中室内温度随时间变化情况、叶片至空气水蒸气饱和压差情况分别如图7、图8所示，并无明显差异。

随着试验的进行，两温室内番茄的株高和叶片数逐渐增加，如表1所示，与对比例相比，实施例3中番茄的株高和叶片数略高，但两者无显著性差异。

表1实施例3与对比例中番茄株高和叶片数变化

注：平均值±标准误差。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种温室内二氧化碳施肥方法，其特征在于，在温室处于密闭状态下，采用光-CO₂耦合施肥法增施CO₂；在温室处于通风状态下，采用零浓度差CO₂施肥法增施CO₂；

所述光-CO₂耦合施肥法具体为：控制器依据太阳辐射传感器监测的温室外太阳光辐射强度数据判断是否施加CO₂；当太阳光辐射强度高于植物光补偿点，控制器开启CO₂存储及输送单元中的CO₂钢瓶，通过CO₂施肥管向温室内施加CO₂，待CO₂传感器监测到CO₂浓度达到目标浓度时，停止施加；当太阳光辐射强度小于植物光补偿点，不施加CO₂；

所述CO₂目标浓度计算公式如下：

CO₂目标浓度＝[(温室外太阳光辐射强度-植物光补偿点)×(植物CO₂饱和点-植物CO₂补偿点)/(植物光饱和点-植物光补偿点)]+植物CO₂补偿点；

温室通风状态和密闭状态的转换具体为：利用温湿度传感器检测室内外温湿度数据，当温湿度传感器监测到室内温度超过植物生长最高温度时，温室处于通风状态，控制器开启降温设备进行室内降温；当温室内温度低于植物生长最高温度时，天窗控制开关关闭天窗，此时温室处于密闭状态，同时开启降温设备将室内温度降至植物生长最适温度，从而减少温室的通风时间。

2.根据权利要求1所述的温室内二氧化碳施肥方法，其特征在于，当温室密闭性较差或处于通风状态条件时，采用零浓度差CO₂施肥法。

3.根据权利要求1所述的温室内二氧化碳施肥方法，其特征在于，步骤如下：

1)早晨，温湿度传感器将温室内温度数据传至控制器，经控制器分析，室内温度低于植物生长最适温度，温室为密闭状态；

同时，太阳辐射传感器将温室外太阳光辐射强度数据传至控制器，经控制器分析，若太阳光辐射强度高于植物光补偿点，则控制器开启CO₂存储及输送单元中的CO₂钢瓶，并通过CO₂施肥管向温室内施加CO₂，待CO₂传感器监测到室内浓度达到目标浓度时，停止施加；

随着温室内温度逐步升高，当温湿度传感器监测到室内温度超过植物生长最适温度时，控制器开启降温设备进行室内降温，CO₂浓度随着光强增加而继续升高，此时温室仍为密闭状态；

2)当温湿度传感器监测到室内温度高于植物生长最高温度时，控制器关闭降温设备，并启动天窗控制开关打开天窗，此时温室处于通风状态，开始采用零浓度差CO₂施肥法进行施肥；

所述零浓度差CO₂施肥法为：通过CO₂传感器将温室内外CO₂浓度数据传至控制器，采用比例积分微分控制方法始终使室内CO₂浓度接近但不高于室外CO₂浓度；

3)下午，温湿度传感器监测到温室内温度低于植物生长最高温度时，关闭天窗，温室处于密闭状态，开启降温设备将室内温度降至植物生长最适温度；同时，太阳辐射传感器检测太阳光辐射强度，若高于植物光补偿点，则向温室内施加CO₂使其浓度达到目标浓度，反之，则停止施加；

4)傍晚，太阳辐射传感器检测到太阳辐射强度低于植物的光补偿点，停止CO₂施肥。