北方早春大棚育苗环境控制系统的研究

0 前言

早在 20 世纪 50 年代初，英、法、美、澳大利亚、荷兰、日本等国家就在工厂化育苗已初具规模，如美国国内就有 100 多家专门育苗的专业农业公司，有一部分满足本国需要外，还可以出口一部分，并创造外汇。工厂化、专业化、精细化的农业生产给美欧等国家的农业发展带来了巨大的发展，像 SpeedlingTransplanting 和 Green Heart Farms 公司等每年的育苗产量都在 10 亿株。这些发达国家在发展的同时还制定了统一农艺生产的标准，保证了每一步骤都是标准化生产，保证了种子纯度、发芽率。育苗过程中采用了全程机械化操作，能精准的完成播种、灌溉、加温、施肥、通风、补光等农艺。

我国是在上世纪 80-90 年代前才开始发展大棚育苗工艺的，但是南北差距巨大，种植品种不同，地温不同，一年种植几季稻米也不同，导致很难有统一的标准，所以在一个地区基本都有符合本地区的育苗的标准，但是在育苗过程中基本都是要求几点，如温度、湿度、光照、 CO₂ 浓度、通风、肥力、紫光补光等农艺要求。

1 大棚棚内环境的影响主因

1.1 基于机理模型参数优化

温室大棚通过太阳光辐射近大棚薄膜的辐射能为大棚内的植被提供其适宜生产的环境，如温度和阳光、湿度等。室内环境受调控设备状态，作物生长情况和室外环境扰动变量的动态影响。温室的热交换和热耗散效率与采光角度、采光面积、等结构参数密切相关。基于能量和物质平衡理论建立的温室内环境机理模型可以描述系统的变化规律，适用了温室生产中环境设定值的优化设计。温室内环境的动态微分方程表示为[1] ：

式中 Xm 为 m 维室内环境变量（温度、湿度、 C0₂ 浓度等 ） ： Yn 为 Π_n 维温室控制设备状态变量（加温、除湿 . 通风等 ） ： Z₀ 为 O 维作物生理状态变量（光合速率、蒸发效率等）：Wp 为p 维空外环境扰动变量（ 温度、日照角度、风速等） ；Dq为q维温室结构参数（离地面高度、保温膜层数、是否砖瓦结构等） ；t为时间，f 为基于能量和物质平衡的非线性函数。这是基于环境模型建立温室环境模型，以优化环境参数的控制量，为改善温室控制策略提供理论支持。参数涉及的影响因子越多，会对作物生长掌握的更精准，也会更作物更强壮。

2、大棚育苗的系统设计

如图 1 所示，温室大棚中的设备主要有电机、电机 、通风系统卷帘、温度传感器、湿度传感器、 C0₂ 浓度传感器、光照传感器、喷水系统、加热系统，根据所培育作物不同还可以增加补光系统、喷药系统、施肥系统等。

1. 电机​2. 通风系统 3. 卷帘 4. 温度传感器 5. 湿度传感器 6. C0₂ 浓度传感器​7. 光照传感器8. 喷水系统9. 加热系统

图1 温室大棚环境控制系统

2.1 温、湿度控制及喷水系统

保温大棚温度控制[2] 主要由太阳能和加热系统来控制，北方早春普遍还在零下，如催发水稻发芽需要 15-25^∘C ，如在天晴日上午 9 时左右，就可以通过电机打开遮阳帘，此时通过阳光照射也可以让大棚内室温达到零上，再加上加热保温系统即可保证室内的温度；当温度超过设定温度时，控制系统会通过温度传感器，给加热系统一个电信号，关闭加热系统；当午后太阳快落下时，即可通过电机把遮阳帘盖在大棚薄膜上，起到保温作用。

种子发芽时一般需要 60-70% 的土壤湿度，当土壤湿度传感器显示的土壤湿度不够时，即可给水泵一个电信号，启动喷水系统给作物浇水，浇水时间可根据所种植的种类不同而进行设置。

2.2 C0₂ 浓度控制系统以及通风系统

C0₂ 浓度是作物光合作用中的一个重要因子，在相对密闭的大棚中，作物的光合能力易受限于 CO₂ 的浓度水平， CO₂ 浓度不足或者过量都会影响作物的生长发育，因此精确调控 C0₂ 浓度是提高作物抗病性、品质和产量的重要途径。C0₂ 的浓度现在主要通过气相色谱法、激光诱导荧光法、红外吸收法等检测空气中的 C0₂ 的浓度 [3]，当 C0₂ 的浓度过大时即可通过排风扇或者中央空调系统排出过多的 CO₂ ，给作物一个健康的生长环境。

通风是调节 C0₂ 浓度、调节空气中水分含量、温室内温度的重要措施之一，适当通风可以让育苗提前适应外界的环境，在移栽时不易出现猝倒病、立枯病等情况。曹宴飞等[5] 设计了一种基于无线通讯技术的多段式自动通风控制系统，利用 GPRS 将温度数据传输到云平台，再根据多段式通风控制要求实现自动化通风。

3 结论

温室大棚是一个独立的密闭空间，也是一个复杂的生态系统，上面我们只介绍几种常见的大棚建设时需要考虑的几大主因，一个独立完整的大棚可能还有水肥系统、补光系统、土壤 PH 值检测系统、土壤微量元素检测系统 [5]，可根据不同的作物需要自行增加或删减，我国的农业肩负着 14 亿人口的重担，所以加速发展农业是我国的必行之路，智慧农业技术涉及到工程、机电一体化、农机、云、数据传输、数据分析等方方面面，在温室大棚发展过程中，还要结合当地的实际情况，如土壤酸碱度、板结程度和水质软硬等情况而定。温室育苗是个系统工程，我们要在控制成本的基础上，尽可能把作物成长中的影响因子考虑全面，做出最科学、最完善的一个生态体系。

参考文献：

[1] 胡瑾，杨永霞，李远芳等. 温室环境控制方法研究现状分析与展望［J］.农业工程学报，2024，40（1）：112-128.

[2] 曹晏飞，石苗，孙国涛等 . 非对称保温塑料大棚内主动通风式酿热补气系统应用初探［J］. 农业工程学报，2022（6）：204-212.

[3] 贾良权，祁亨年，阚瑞峰等 . 种子呼吸 CO2 浓度检测系统［J］. 光学精密工程，2019（6）：1397-1404.

[4] 曹晏飞，季李一珂，王庭庭，等 . 基于 GPRS 技术的日光温室多段式自动通风控制系统设计［J］. 北方园艺，2020（12）：70-75.

[5] 李佳宝，梁澄河，刘海燕 . 一种基于单片机的土壤环境自动监测与控制系统设计［J］中国科技信息，2025（8）：62-65.

作者简介：黄明智，工程师，主要从事畜牧机械化研究 .E-mail ：yin805@126.com