植物工廠中氣流控制對(duì)產(chǎn)量的影響
作者: 時(shí)間: 2024-04-16
氣流是植物工廠重要環(huán)境要素之一，植物工廠氣流控制與否及質(zhì)量高低直接關(guān)系到設(shè)施內(nèi)氣溫、濕度和CO2分布、植物蒸騰、葉溫及對(duì)CO2地吸收等影響植物光合作用和呼吸作用的質(zhì)量，尤其是葉片和冠層氣流質(zhì)量。植物對(duì)氣流的需求：①氣流主要對(duì)植物的光合作用產(chǎn)生影響。氣流對(duì)葉外CO2的擴(kuò)散有影響，隨著風(fēng)速的增大，葉面上邊界層的厚度降低，CO2的擴(kuò)散阻力減小;②促進(jìn)蒸騰作用。氣流單位表示方法為m/s。首先，植物工廠氣流控制與否及質(zhì)量直接關(guān)系到植物光合作用和呼吸作用的質(zhì)量。流經(jīng)葉片的氣流速度顯著影響葉片蒸騰和對(duì)CO2的吸收，氣流速度小于0.5m/s時(shí)，葉片表面層氣流邊界對(duì)CO2和水蒸氣的擴(kuò)散阻力較大;當(dāng)氣流達(dá)到0.5m/s以上時(shí)，阻力顯著降低。通常，適宜的氣流速度為0.5~1m/s。其次，當(dāng)設(shè)施內(nèi)濕度較高、光強(qiáng)較高，氣流速度可小些;但在低濕、高溫情況下，氣流速度過高，蒸騰過旺，葉片失水過多，氣孔開度縮小，增加了CO2的擴(kuò)散阻力，光合強(qiáng)度反而降低
太陽(yáng)光型植物工廠四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)是由可透過太陽(yáng)光的玻璃或塑料薄膜圍護(hù)而成。由于室內(nèi)的太陽(yáng)輻射不斷隨時(shí)間變化，導(dǎo)致室內(nèi)的加溫、降溫、換氣負(fù)荷也不斷變化。此外，太陽(yáng)光型植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)高達(dá)3~6W/(m2·K)，其保溫性能僅為人工光型植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾十分之一。因此太陽(yáng)光型植物工廠的加溫和降溫負(fù)荷極易受室外氣溫、風(fēng)速和降雪等因素的影響，隨時(shí)間變化較大。此外，室內(nèi)地面與空氣之間也有很顯著的熱交換，這也是冬季夜間采暖負(fù)荷較高，而夏季制冷負(fù)荷較大的原因之一。
作物的蒸騰速度與空氣飽和蒸汽壓差(葉溫所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓與周圍大氣水蒸氣分壓力之差)，以及葉片表面的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)成正比。在一般情況下，蒸騰速度越大，植物根部對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收速度也越大，而葉溫也會(huì)較周邊的空氣溫度低1~2℃。如果葉片蒸騰速度過快，不僅會(huì)導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度減小，葉片向周圍空氣的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)降低，植物葉片萎，還會(huì)使得周邊空氣通過進(jìn)入葉片內(nèi)的CO2速度減少，進(jìn)而導(dǎo)致植物的凈光合速度下降。另外，葉片蒸騰速率也隨葉片周邊氣流速度的增加而增加。基于上述分析，在日間，應(yīng)盡可能調(diào)整太陽(yáng)光植物工廠的飽和蒸汽壓差和空氣流動(dòng)速率，促進(jìn)和優(yōu)化植物蒸騰速率和凈光合速率就變得非常重要。對(duì)于種苗來說，一般定植后的種苗葉面積和葉面積指數(shù)較小，蒸騰速率不高，室內(nèi)空氣的飽和蒸汽壓差較大，對(duì)種苗生長(zhǎng)不利。在該情況下，應(yīng)在維持適宜的室內(nèi)氣溫的前提下，使用噴霧裝置增加室內(nèi)空氣濕度，減小室內(nèi)空氣的飽和蒸汽壓差。相反，若是室內(nèi)的植物較為繁茂的話，葉面積指數(shù)較大，會(huì)阻礙室內(nèi)空氣流動(dòng)，使得葉片周邊氣流速度減小從而導(dǎo)致蒸騰速率和凈光合速率減小。
在密閉性較好的溫室中，室內(nèi)風(fēng)速很低，即使在溫室通風(fēng)狀態(tài)下，室內(nèi)風(fēng)速亦常低于0.5m/s(Tongbai等，2010)。低風(fēng)速常造成室內(nèi)溫濕氣等分布不均比如，在晴天的白天，風(fēng)速較低常使植物群落內(nèi)部C02濃度得不到及時(shí)補(bǔ)充從而影響植物的光合作用。因此，溫室內(nèi)適當(dāng)增加風(fēng)速(<1.0m/s)，不但可以減少室內(nèi)溫濕氣等分布不均的現(xiàn)象，還可減少植物葉片的邊界層阻力，增大氣孔導(dǎo)度，從而增強(qiáng)植物的光合作用和蒸騰作用。在植物工廠中，基于通風(fēng)和循環(huán)系統(tǒng)的強(qiáng)制對(duì)流是控制生長(zhǎng)環(huán)境并保持空間環(huán)境一致性的方法。生菜在通風(fēng)設(shè)計(jì)不當(dāng)條件下植株內(nèi)部的葉片或新葉易發(fā)生燒邊(tipburn)，其原因由于存在高蒸騰需求下因停滯邊界層(stagnantboundary layer)導(dǎo)致低蒸騰速率。三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型已研發(fā)出并被通過模擬單個(gè)栽培架生產(chǎn)系統(tǒng)而得以驗(yàn)證。優(yōu)良的氣流循環(huán)系統(tǒng)可有利于提供動(dòng)態(tài)且均一的邊界層，可防止生菜燒邊發(fā)生。具有三排噴嘴的氣管用以提供垂直氣流到冠層表面。Zhang等(2016)研究表明，2個(gè)帶氣孔的管可提供平均氣流0.42m/s，變異系數(shù)44%，被推薦為最有設(shè)計(jì)。利用CFD模型研發(fā)了一套植物工廠空氣循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)，極大地提高了不同高度、不同區(qū)域室內(nèi)環(huán)境因子的均一性，有效降低了生菜頂部灼傷的概率。
太陽(yáng)光型植物工廠四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)是由可透過太陽(yáng)光的玻璃或塑料薄膜圍護(hù)而成。由于室內(nèi)的太陽(yáng)輻射不斷隨時(shí)間變化，導(dǎo)致室內(nèi)的加溫、降溫、換氣負(fù)荷也不斷變化。此外，太陽(yáng)光型植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)高達(dá)3~6W/(m2·K)，其保溫性能僅為人工光型植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾十分之一。因此太陽(yáng)光型植物工廠的加溫和降溫負(fù)荷極易受室外氣溫、風(fēng)速和降雪等因素的影響，隨時(shí)間變化較大。此外，室內(nèi)地面與空氣之間也有很顯著的熱交換，這也是冬季夜間采暖負(fù)荷較高，而夏季制冷負(fù)荷較大的原因之一。
作物的蒸騰速度與空氣飽和蒸汽壓差(葉溫所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓與周圍大氣水蒸氣分壓力之差)，以及葉片表面的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)成正比。在一般情況下，蒸騰速度越大，植物根部對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收速度也越大，而葉溫也會(huì)較周邊的空氣溫度低1~2℃。如果葉片蒸騰速度過快，不僅會(huì)導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度減小，葉片向周圍空氣的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)降低，植物葉片萎，還會(huì)使得周邊空氣通過進(jìn)入葉片內(nèi)的CO2速度減少，進(jìn)而導(dǎo)致植物的凈光合速度下降。另外，葉片蒸騰速率也隨葉片周邊氣流速度的增加而增加。基于上述分析，在日間，應(yīng)盡可能調(diào)整太陽(yáng)光植物工廠的飽和蒸汽壓差和空氣流動(dòng)速率，促進(jìn)和優(yōu)化植物蒸騰速率和凈光合速率就變得非常重要。對(duì)于種苗來說，一般定植后的種苗葉面積和葉面積指數(shù)較小，蒸騰速率不高，室內(nèi)空氣的飽和蒸汽壓差較大，對(duì)種苗生長(zhǎng)不利。在該情況下，應(yīng)在維持適宜的室內(nèi)氣溫的前提下，使用噴霧裝置增加室內(nèi)空氣濕度，減小室內(nèi)空氣的飽和蒸汽壓差。相反，若是室內(nèi)的植物較為繁茂的話，葉面積指數(shù)較大，會(huì)阻礙室內(nèi)空氣流動(dòng)，使得葉片周邊氣流速度減小從而導(dǎo)致蒸騰速率和凈光合速率減小。
在密閉性較好的溫室中，室內(nèi)風(fēng)速很低，即使在溫室通風(fēng)狀態(tài)下，室內(nèi)風(fēng)速亦常低于0.5m/s(Tongbai等，2010)。低風(fēng)速常造成室內(nèi)溫濕氣等分布不均比如，在晴天的白天，風(fēng)速較低常使植物群落內(nèi)部C02濃度得不到及時(shí)補(bǔ)充從而影響植物的光合作用。因此，溫室內(nèi)適當(dāng)增加風(fēng)速(<1.0m/s)，不但可以減少室內(nèi)溫濕氣等分布不均的現(xiàn)象，還可減少植物葉片的邊界層阻力，增大氣孔導(dǎo)度，從而增強(qiáng)植物的光合作用和蒸騰作用。在植物工廠中，基于通風(fēng)和循環(huán)系統(tǒng)的強(qiáng)制對(duì)流是控制生長(zhǎng)環(huán)境并保持空間環(huán)境一致性的方法。生菜在通風(fēng)設(shè)計(jì)不當(dāng)條件下植株內(nèi)部的葉片或新葉易發(fā)生燒邊(tipburn)，其原因由于存在高蒸騰需求下因停滯邊界層(stagnantboundary layer)導(dǎo)致低蒸騰速率。三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型已研發(fā)出并被通過模擬單個(gè)栽培架生產(chǎn)系統(tǒng)而得以驗(yàn)證。優(yōu)良的氣流循環(huán)系統(tǒng)可有利于提供動(dòng)態(tài)且均一的邊界層，可防止生菜燒邊發(fā)生。具有三排噴嘴的氣管用以提供垂直氣流到冠層表面。Zhang等(2016)研究表明，2個(gè)帶氣孔的管可提供平均氣流0.42m/s，變異系數(shù)44%，被推薦為最有設(shè)計(jì)。利用CFD模型研發(fā)了一套植物工廠空氣循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)，極大地提高了不同高度、不同區(qū)域室內(nèi)環(huán)境因子的均一性，有效降低了生菜頂部灼傷的概率。