基于物聯網的北方秋冬茬番茄日光溫室環境管控技術

　　摘要：農業物聯網技術是實現農業生產智能化的重要手段，該研究基于農業物聯網技術和石家莊趙縣日光溫室番茄生產經驗，制定了基于溫度管理的北方日光溫室環境管控技術。白天環境管控模式分別為降溫控濕模式、控溫降濕模式、保溫補光模式，夜晚環境管控模式分別為增大晝夜溫差模式和減小晝夜溫差模式，并簡述了特殊天氣的環境管控方法，為日光溫室秋冬茬番茄生產實現智能化控制提供參考依據。

　　本文源自黃媛;李瑜玲;陳誠;高欣娜;杜亞茹;楊英茹，北方園藝發表時間：2021-06-15

　　關鍵詞：日光溫室;秋冬茬番茄;環境調控;晝夜溫差

　　農業物聯網技術通過數據采集設備可實時觀測農作物環境條件、生長情況、栽培效果[1]，實現機械生產代替人力勞作、遠程控制代替親歷躬行、標準化生產代替人腦經驗[2-3]。由于農業設施栽培環境相對可控、經濟效益較高[4-5]，同時傳感器、視頻監控、控制器、傳輸通訊等設備市場化發展迅速[6]，成本不斷降低，因此物聯網技術在設施農業領域應用發展較快。但由于缺乏作物生長與環境信息的交互模型以及農業種植管理決策的標準[7]，因此設施農業物聯網的應用多停留在種植環境觀測層面，對于不同作物不同生長階段的種植方案沒能實現精準化決策、智能化控制[8-9]。

　　該研究以石家莊市農林科學研究院趙縣農業科技園區(東經114°783′，北緯37°762′)5座日光溫室2019年秋冬茬番茄種植生產過程為研究基礎[10]，通過設施環境氣象站觀測了日光溫室環境信息，并根據不同季節氣象特征、作物不同生育階段及相應的農事管理特點[11]，將2019年8月下旬至2020年1月日光溫室白天均溫與晝夜溫差分段進行了線性回歸分析，建立了以日均溫為因變量，晝夜溫差為自變量的預測模型，根據番茄生長的理想晝夜溫差值，可得到當晚目標調控溫度，通過控制溫室升、降溫設備，實現基于物聯網的番茄秋冬茬全生育期的環境精準管控，為該地區農業物聯網技術推廣應用提供參考依據。

　　1日光溫室建設標準

　　1.1日光溫室建設

　　日光溫室建設標準應符合《日光溫室建設標準》NY/T3024-2016[12]規定的要求。占地面積667m2，選擇土壤肥沃，平坦開闊地塊。

　　1.2日光溫室物聯網環境觀測設備

　　日光溫室物聯網環境觀測設備應符合GB/T38757-2020[13]中關于環境觀測設備選用、安裝與維護的基本要求。其中，環境觀測傳感器每30min采集環境信息1次，數據包含空氣溫度(℃)、空氣濕度(%)、光照強度(lx)，8—9月日均溫的計算方法為當天06：00—19：30的空氣溫度數值的平均數，10月日均溫的計算方法為當日07：00—19：00的空氣溫度數值的平均數，11月至翌年1月日均溫以棉被開啟和放落時間作為計算取值范圍。

　　1.3日光溫室環境調控設備

　　溫室通風降溫設備安裝應符合NY/T1451-2018[14]中對設備功率、安裝數量和位置的要求。具體來說，環流風機懸吊至溫室內，距地面2.5m，規格選用18～20寸，功率150～300W，單個環流風機開啟空氣流量達7500m3·h-1以上，每座日光溫室安裝8～10個。負壓風機安裝至日光溫室東墻，功率1100～1500W，單個負壓風機開啟空氣流量達55000m3·h-1以上，每座溫室安裝2個。

　　補光燈吊至日光溫室，距地面2m，前后、左右間隔4m一盞，采用紅藍光LED補光燈，功率50～100W。增溫燈距地面2m，前后、左右間隔3m一盞，功率100～150W。

　　2日溫管控技術

　　番茄是喜溫作物，低于15℃或高于34℃可能發生生理性障礙而不能良好生長，因此，日溫管理在20～33℃開展，以日均溫為基礎[15-17]。

　　2.1降溫控濕模式

　　8月中旬至9月底為番茄定植至一穗花期間，此時晝長夜短，光照時長可達14～12h，12：00最高光照強度可達38940lx，番茄生長所需的光照通過自然光照可滿足，14：00左右日光溫室空氣溫度最高可達44.6℃，日溫管理以強制降溫為主，同時控制空氣濕度。

　　此時，棉被晝夜卷起，棚膜上下風口晝夜打開，10：00啟動環流風機，12：00開啟遮陰簾、負壓風機，16：00關閉環流風機、負壓風機，收起遮陰簾。

　　2.2控溫降濕模式

　　10月為番茄一穗果膨大，二穗以上陸續開花期間，此時晝長逐漸減少，夜長增加，光照時長10～11h，12：00最高光照強度達34109lx，光照和晝夜溫度適宜番茄生長。日出前空氣濕度為1d最高時段，可達95.7%，較高的空氣濕度持續3～5d易引發晚疫病、灰霉病、葉霉病等番茄病害[18]，因此，日溫管理以通風降濕為主，維持自然溫度為輔。

　　此時，棉被晝夜卷起，12：00開啟棚膜上下風口，12：00開啟環流風機，14：00關閉風口、環流風機。

　　2.3保溫補光模式

　　11月至翌年1月為番茄一穗果轉紅，二穗以上果陸續膨大期間[19-20]，此時夜長逐漸增加，氣溫轉低，日光溫室日照時長取決于棉被收、放的時間，日溫管理以保溫為主，同時適當補光。

　　11月每天09：00—09：30打開棉被，12：00開啟上、下風口，14：00關閉上、下風口，16：00—16：30蓋上棉被，16：00—18：00開啟補光燈。

　　12月每天09：30—10：00打開棉被，12：00開啟上風口，13：00關閉上風口，16：00—16：30蓋上棉被，16：00—18：00開啟補光燈、增溫燈。

　　1月每天10：00—10：30打開棉被，16：00蓋上棉被，15：00—18：00開啟補光燈、增溫燈。

　　3溫差管控技術

　　溫差管理以夜均溫為基礎，番茄生長較適宜的夜間溫度為15～25℃。調控方案依據現有研究結論，即當晝均溫在30.0～33.9℃時，9.0℃晝夜溫差可使番茄生育良好，晝均溫在25.0～29.9℃時，6℃晝夜溫差適宜番茄生長，晝均溫在24.9～20.0℃時，3℃晝夜溫差為宜[21-24]。

　　3.1增大溫差模式

　　8—9月日光溫室晝均溫在25.3～37.8℃時，晝夜溫差與晝均溫滿足公式：Y1=0.902Td-21.687(R=0.807)，Y1為未進行溫差調控下的晝夜溫差值。根據上述公式，可根據當日晝均溫計算晝夜溫差預測值，比對最優晝夜溫差，19：30進行日光溫室夜間溫差管理。據測算，總功率1200～2000W的環流風機1h可使667m2的日光溫室空氣溫度降低1～2℃，總功率3000～4000W負壓風機1h可使667m2的日光溫室降溫2～4℃，具體增大溫差調控建議見表1。

　　3.2減小溫差模式

　　11月至翌年1月日光溫室晝均溫在9.31～34.14℃時，其中晝夜溫差與晝均溫滿足公式為：Y2=0.559X-2.223(R=0.897)，Y2為11月至翌年1月未進行溫差調控下的晝夜溫差值。根據上述公式，可根據當日晝均溫計算晝夜溫差預測值，比對最優晝夜溫差，在日溫管理結束后進行溫差管理。據測算，667m2日光溫室使用5000～6000W增溫燈開啟1h溫室可升溫3～6℃，具體增大溫差調控建議見表2。

　　4特殊天氣環境管控技術

　　4.1大風、雨、雪、冰雹天氣

　　大風、暴雨天氣應及時關閉風口，防止棚內進水或濕度過大。夏季冰雹、冬季降雪時，應及時放落棉被，防止棚膜受損。

　　4.2陰天、霧霾天氣

　　遇連續陰天、霧霾天氣白天應及時開啟補光燈、增溫燈，保證日照時長6～8h。

　　5結論

　　農業設施生產在一定程度上改變了光、熱條件對作物生長的環境限制，通過物聯網和園藝栽培技術的融合，可以建立更具應用價值的作物生長與環境控制模型，并不斷優化最佳生產控制方案。該研究僅以北方地區常見設施作物番茄為例，為該地區農業物聯網技術推廣應用提供參考依據。