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植物工厂中气流控制对产量的影响
作者: 时间: 2024-04-16
气流是植物工厂重要环境要素之一，植物工厂气流控制与否及质量高低直接关系到设施内气温、湿度和CO2分布、植物蒸腾、叶温及对CO2地吸收等影响植物光合作用和呼吸作用的质量，尤其是叶片和冠层气流质量。植物对气流的需求：①气流主要对植物的光合作用产生影响。气流对叶外CO2的扩散有影响，随着风速的增大，叶面上边界层的厚度降低，CO2的扩散阻力减小;②促进蒸腾作用。气流单位表示方法为m/s。首先，植物工厂气流控制与否及质量直接关系到植物光合作用和呼吸作用的质量。流经叶片的气流速度显著影响叶片蒸腾和对CO2的吸收，气流速度小于0.5m/s时，叶片表面层气流边界对CO2和水蒸气的扩散阻力较大;当气流达到0.5m/s以上时，阻力显著降低。通常，适宜的气流速度为0.5~1m/s。其次，当设施内湿度较高、光强较高，气流速度可小些;但在低湿、高温情况下，气流速度过高，蒸腾过旺，叶片失水过多，气孔开度缩小，增加了CO2的扩散阻力，光合强度反而降低
太阳光型植物工厂四周围护结构是由可透过太阳光的玻璃或塑料薄膜围护而成。由于室内的太阳辐射不断随时间变化，导致室内的加温、降温、换气负荷也不断变化。此外，太阳光型植物工厂围护结构的传热系数高达3~6W/(m2·K)，其保温性能仅为人工光型植物工厂围护结构的几十分之一。因此太阳光型植物工厂的加温和降温负荷极易受室外气温、风速和降雪等因素的影响，随时间变化较大。此外，室内地面与空气之间也有很显著的热交换，这也是冬季夜间采暖负荷较高，而夏季制冷负荷较大的原因之一。
作物的蒸腾速度与空气饱和蒸汽压差(叶温所对应的饱和蒸汽压与周围大气水蒸气分压力之差)，以及叶片表面的水蒸气扩散系数成正比。在一般情况下，蒸腾速度越大，植物根部对水分和养分的吸收速度也越大，而叶温也会较周边的空气温度低1~2℃。如果叶片蒸腾速度过快，不仅会导致气孔导度减小，叶片向周围空气的水蒸气扩散系数降低，植物叶片萎，还会使得周边空气通过进入叶片内的CO2速度减少，进而导致植物的净光合速度下降。另外，叶片蒸腾速率也随叶片周边气流速度的增加而增加。基于上述分析，在日间，应尽可能调整太阳光植物工厂的饱和蒸汽压差和空气流动速率，促进和优化植物蒸腾速率和净光合速率就变得非常重要。对于种苗来说，一般定植后的种苗叶面积和叶面积指数较小，蒸腾速率不高，室内空气的饱和蒸汽压差较大，对种苗生长不利。在该情况下，应在维持适宜的室内气温的前提下，使用喷雾装置增加室内空气湿度，减小室内空气的饱和蒸汽压差。相反，若是室内的植物较为繁茂的话，叶面积指数较大，会阻碍室内空气流动，使得叶片周边气流速度减小从而导致蒸腾速率和净光合速率减小。
在密闭性较好的温室中，室内风速很低，即使在温室通风状态下，室内风速亦常低于0.5m/s(Tongbai等，2010)。低风速常造成室内温湿气等分布不均比如，在晴天的白天，风速较低常使植物群落内部C02浓度得不到及时补充从而影响植物的光合作用。因此，温室内适当增加风速(<1.0m/s)，不但可以减少室内温湿气等分布不均的现象，还可减少植物叶片的边界层阻力，增大气孔导度，从而增强植物的光合作用和蒸腾作用。在植物工厂中，基于通风和循环系统的强制对流是控制生长环境并保持空间环境一致性的方法。生菜在通风设计不当条件下植株内部的叶片或新叶易发生烧边(tipburn)，其原因由于存在高蒸腾需求下因停滞边界层(stagnantboundary layer)导致低蒸腾速率。三维计算流体动力学(CFD)模型已研发出并被通过模拟单个栽培架生产系统而得以验证。优良的气流循环系统可有利于提供动态且均一的边界层，可防止生菜烧边发生。具有三排喷嘴的气管用以提供垂直气流到冠层表面。Zhang等(2016)研究表明，2个带气孔的管可提供平均气流0.42m/s，变异系数44%，被推荐为最有设计。利用CFD模型研发了一套植物工厂空气循环流动系统，极大地提高了不同高度、不同区域室内环境因子的均一性，有效降低了生菜顶部灼伤的概率。
太阳光型植物工厂四周围护结构是由可透过太阳光的玻璃或塑料薄膜围护而成。由于室内的太阳辐射不断随时间变化，导致室内的加温、降温、换气负荷也不断变化。此外，太阳光型植物工厂围护结构的传热系数高达3~6W/(m2·K)，其保温性能仅为人工光型植物工厂围护结构的几十分之一。因此太阳光型植物工厂的加温和降温负荷极易受室外气温、风速和降雪等因素的影响，随时间变化较大。此外，室内地面与空气之间也有很显著的热交换，这也是冬季夜间采暖负荷较高，而夏季制冷负荷较大的原因之一。
作物的蒸腾速度与空气饱和蒸汽压差(叶温所对应的饱和蒸汽压与周围大气水蒸气分压力之差)，以及叶片表面的水蒸气扩散系数成正比。在一般情况下，蒸腾速度越大，植物根部对水分和养分的吸收速度也越大，而叶温也会较周边的空气温度低1~2℃。如果叶片蒸腾速度过快，不仅会导致气孔导度减小，叶片向周围空气的水蒸气扩散系数降低，植物叶片萎，还会使得周边空气通过进入叶片内的CO2速度减少，进而导致植物的净光合速度下降。另外，叶片蒸腾速率也随叶片周边气流速度的增加而增加。基于上述分析，在日间，应尽可能调整太阳光植物工厂的饱和蒸汽压差和空气流动速率，促进和优化植物蒸腾速率和净光合速率就变得非常重要。对于种苗来说，一般定植后的种苗叶面积和叶面积指数较小，蒸腾速率不高，室内空气的饱和蒸汽压差较大，对种苗生长不利。在该情况下，应在维持适宜的室内气温的前提下，使用喷雾装置增加室内空气湿度，减小室内空气的饱和蒸汽压差。相反，若是室内的植物较为繁茂的话，叶面积指数较大，会阻碍室内空气流动，使得叶片周边气流速度减小从而导致蒸腾速率和净光合速率减小。
在密闭性较好的温室中，室内风速很低，即使在温室通风状态下，室内风速亦常低于0.5m/s(Tongbai等，2010)。低风速常造成室内温湿气等分布不均比如，在晴天的白天，风速较低常使植物群落内部C02浓度得不到及时补充从而影响植物的光合作用。因此，温室内适当增加风速(<1.0m/s)，不但可以减少室内温湿气等分布不均的现象，还可减少植物叶片的边界层阻力，增大气孔导度，从而增强植物的光合作用和蒸腾作用。在植物工厂中，基于通风和循环系统的强制对流是控制生长环境并保持空间环境一致性的方法。生菜在通风设计不当条件下植株内部的叶片或新叶易发生烧边(tipburn)，其原因由于存在高蒸腾需求下因停滞边界层(stagnantboundary layer)导致低蒸腾速率。三维计算流体动力学(CFD)模型已研发出并被通过模拟单个栽培架生产系统而得以验证。优良的气流循环系统可有利于提供动态且均一的边界层，可防止生菜烧边发生。具有三排喷嘴的气管用以提供垂直气流到冠层表面。Zhang等(2016)研究表明，2个带气孔的管可提供平均气流0.42m/s，变异系数44%，被推荐为最有设计。利用CFD模型研发了一套植物工厂空气循环流动系统，极大地提高了不同高度、不同区域室内环境因子的均一性，有效降低了生菜顶部灼伤的概率。