無土栽培的環境保護設施與建造要求

無土栽培的環境保護設施與建造要求

無土栽培是保護地設施栽培中的一種高效技術。它之所以較土壤栽培高產、優質和高效，不僅是因為無土栽培設施本身有調控作物根際環境的功能，還需有與其配套的溫室大棚等環境保護設施，使作物的地上部生長條件同地下都一樣都處於最佳狀態。作為商業性生產的無土栽培都是在保護設施內進行綜合環境調控的條件下進行的。

無土栽培設施本身，不具有反季節和周年生產蔬菜、花卉等作物的功能，而只有在溫室大棚等保護設施配合的條件下，才能實現反季節栽培或周年供應，從而提高了設施的利用率。所以，無土栽培設施與溫室設施既有密切聯繫，又是兩種不同的設施。[吉山花瑤]

現代化農業即工廠化農業，可在固定的設施內創造適合作物生長的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照等條件。發達國家無土栽培的生產設施多為大型連棟玻璃溫室，其經營規模大、生產效益高。

一、環境保護設施的類型與及分類

我國目前常用於無土栽培的環境保護設施主要有日光溫室、塑料大棚、現代化溫室、防雨棚和遮陽網等。塑料大棚在全國各地大面積應用，尤其是南方地區規模較大，近年來正朝著連棟化、高大化、規模化方向發展；日光溫室主要在北緯330～460的北

方地區推廣應用，在-15～-20℃的高寒地區，基本不加溫實現了冬季喜溫性果菜的生產，在我國設施園藝發展史上譜寫了輝煌的篇章；進入20世紀90年代後從國外引進大型現代化溫室，通過學習、消化、吸收，研究開發出國產化現代溫室設施，推動了我國溫室園藝的科技進步和農業的現代化，為無土栽培技術的發展提供了巨大的空間；防雨棚和遮陽網等夏季保護設施在夏季高溫期，尤其是南方地區，為克服夏季高溫暴雨、颱風和病蟲害多發等災害性氣候與不利環境的脅迫起到了重要的作用，對緩解南方地區夏秋淡季園藝產品的供應，提供了一條簡易有效的新途徑，使無土栽培的季節從冬春季拓展到夏秋季。由於各地自然、氣候、經濟、技術、勞力等條件的不同，設施類型、結構材料、規模大小各異，應因地制宜，選型定位。

環境保護設施是指為調控溫、光、水、氣等環境因子，其栽培空間覆以透光性的覆蓋材料，人可入內操作的一種栽培設施。依覆蓋材料的不同通常分為玻璃溫室和塑料溫室兩大類，塑料溫室依覆蓋材料的不同，又分為硬質（PC板、FRA板、FRP板、複合板等）塑料溫室和軟質塑料（PVC、PE、EVA膜等）溫室；依形狀分為單棟與連棟兩類；依屋頂的形式，則分為雙屋面、單屋面、不等式雙屋面、拱圓屋面等。

(一)日光溫室

日光溫室是指三面圍牆，脊高在2m以上，跨度在6～8m，熱量來源（包括夜間）主要依靠太陽輻射能的園藝保護設施。大多以塑料薄膜為採光覆蓋材料，以太陽輻射為熱源，靠最大限度地採光、加厚的牆體和後坡以及防寒溝、紙被、草苫等一系列採光、保溫禦寒設備以達到增溫、保溫的效果，從而充分利用光熱資源，減弱不利氣象因子的影響。一般不進行加溫，或只進行少量的輔助性補溫。日光溫室主要有矮後牆長後坡日光溫室、高後牆短後坡日光溫室、琴弦式日光溫室、鋼竹混合結構日光溫室和全鋼架無支柱日光溫室（圖4－4）等形式。塑料薄膜覆蓋的節能型日光溫室是我

國北方地區蔬菜保護地設施的主要形式，投資少、效益高，適合我國當前農村的技術及經濟條件；它在採光性、保暖性、低能耗和實用性等方面都有明顯的優異之處，是北方農家樂於應用、面積年年持續增長的設施栽培方式。

（二）塑料大棚

通常把只以竹、木、水泥或鋼材等桿材作骨架，在表面覆蓋塑料薄膜的大型保護栽培設施稱為塑料薄膜大棚，簡稱塑料大棚。根據棚頂形狀分為拱圓形和屋脊形兩類，以拱圓形屋頂為多。根據骨架材料可分為：竹木結構、鋼架（管）結構、鋼竹混合結構、混凝土鋼架結構、充氣式等類型；根據連接方式又可分為單棟大棚、雙連棟大棚及多連棟大棚。塑料大棚設施簡單，一般沒有環境調控設備，依靠自然光照進行生產，在氣候溫暖的南方地區發展較快。

目前，塑料大棚主要有竹木結構大棚、懸樑吊柱竹木拱架大棚、拉筋吊柱大棚、無柱鋼架大棚和裝配式鍍鋅薄壁鋼管大棚（圖4－5）等形式，其中裝配式鍍鋅薄壁鋼管大棚棚內空間較大、無立柱、作業方便，屬於國家定型產品，規格統一，組裝拆卸方便，蓋膜便利，生產上普遍採用。

圖4－4　日光溫室的主要形式（單位：m）

1．琴弦式日光溫室 2．鋼竹混合結構日光溫室

3．遼瀋Ⅰ型日光溫室 4．改進冀優Ⅱ型節能日光溫室

圖4－5　塑料大棚的主要形式（單位：m）

1．懸樑吊往竹木拱架大棚 2．拉筋吊往大棚

3．無柱鋼架大棚 4．裝配式鍍鋅薄壁鋼管大棚

（三）現代化溫室

現代化溫室是設施園藝中一種高級類型。設施內的環境實現了計算機自動控制，基本上不受自然氣候條件下災害性天氣和不良環境條件的影響，能周年全天候進行園藝作物生產的大型溫室。目前我國引進的現代化溫室主要有荷蘭研究開發而後流行全世界的多脊連棟小屋面的芬絡型（Venlo type）玻璃溫室（圖4－6）、法國瑞奇溫室公司研究開發的一種流行的塑料薄膜里歇爾（Richel）溫室、頂側屋面可將覆蓋薄膜由下而上捲起通風透氣的一種拱圓型連棟卷膜式全開放型塑料溫室（Full open tyPe）和由義大利Serre Italia公司開發的一種全開放型玻璃溫室（Future greenhouse）。國內自行設計製造的典型現代化自控溫室有：雙層充氣連棟塑料溫室、雙坡面玻璃溫室、華北型大型連棟塑料溫室、華南型大型連棟塑料溫室、金頂型連棟溫室、LGP－732型連棟溫室、XA和GK型系列溫室、FRP（輕質玻璃鋼）連棟溫室（圖4－7）等。

圖4－6　荷蘭芬絡型玻璃溫室（單位：mm）

圖4－7　連棟溫室幾種構型

1．拱圓形塑料連棟溫室　2．雙層充氣式塑料連棟溫室　3．FRP連棟溫室

（四）植物工廠

植物工廠是指在工廠般的全封閉建築設施內，利用人工光源，實現環境的自動化控制，進行植物高效率、省力化、穩定種植的生產方式。根據光源的不同，植物工廠分為三類：即人工光照型、自然光照型和人工光照與自然光照合用型。屬「可控農業」，它是園藝保護設施的最高層次，其管理完全實現了機械化和自動化。作物在大型設施內進行無土栽培和立體種植，環境要素的變化通過感測器傳輸到計算機，通過運算能夠精確控制各種環境調控設備的運行和生產的各個環節，所需要的溫、濕、光、水、肥、氣等均按植物生長的要求進行最優配置，不僅全部採用電腦監測控制，而且採用機器人、機械手進行全封閉的生產管理，實現從播種到收穫的流水線作業，完全擺脫了自然條件的束縛。做到合理利用空間及設施，達到經濟、高效生產，實現全天候、無季節、無公害生產。具有高度集成、高效生產、高商品性、高投入的特徵。

現介紹日本M式水耕研究所提供的一種中型雙連棟玻璃溫室(圖4－8)。它長60m、寬50m、高4m，每一個單位面積為3000m2。在環境控制方面，由室內外感測器進行監測，包括日照感測器（測定日照時間）、室外溫度感測器和室內溫度感測器，感測器，加上風速風向感測器和降雨感測器共同控制天窗、側窗、天幕的開閉及冷暖供應機組的運轉。濕度感測器則控制細霧器和除濕機的運轉。營養液的供應需藉助營養液箱組（4個）和水泵。電導率儀、酸度計、液溫感測器、水位測量器等控制營養液組分、液溫、PH值和均衡定時供液。二氧化碳感測器用於測定溫室內二氧化碳濃度，給二氧化碳發生裝置傳送信號，以保持溫室內二氧化碳濃度。上述數據均輸入一台電子計算機，按栽培的作物種類設定各項參數，實現全自動化控制。我國引進與此類似的溫室是南京市蔬菜研究所無土栽培溫室。

圖4－8　M式水耕研究所無土栽培番茄雙棟全自動電腦控制溫室

1.日照感測器　2.溫度感測器　3.天窗及開啟裝置　4.噴霧加溫裝置5.側窗及開啟裝置 6.室外氣溫感測器　7.雨量感測器　8.風向風速感測器　9.C02感測器　10.增濕機組 11.電腦控制櫃　12.營養液泵　13.四種肥料液桶　14營養液槽　15.冷暖風控制　16.室溫感測器　17. C02發生裝置 18.營養液加溫裝置

(五)防雨棚和遮陽網裝置

夏季雨水多，且易受強光照射和高溫脅迫，病蟲多發，使蔬菜等作物的生長受抑制，生產沒有保證。利用大棚骨架，僅覆蓋頂幕（天幕）而揭除邊膜（圍裙幕），使夏季能防雨，而又四周通風，這是一種最簡易的防雨棚栽培。如果在頂幕上面再覆蓋上銀灰色或黑色的遮陽網則能減弱強光照射，使棚內基質溫度在夏日中午下降8～12℃，有效地減輕高溫的危害，而且能在夏季進行葉菜、根菜類的反季節栽培。作為其他保護設施的夏季輔助設施――遮陽網和防雨棚的存在，使大棚、日光溫室在夏季也能進行無土栽培。一些夏季難以栽培的番茄、黃瓜、甜瓜、萵苣、菠菜等的越夏防雨栽培成為現實。

二、主要環境保護設施的結構及性能

（一）日光溫室

1．日光溫室的結構　日光溫室屬單屋面溫室，俗稱「冬暖大棚」，是我國淮河以北地區面積最大的保護生產設施。日光溫室骨架由後牆、後坡、前屋面和兩山牆組成，各部位的長寬、大小、厚薄和用材決定了它的採光和保溫性能，總體要求為採光好、保溫好。成本低、易操作、高效益。表4－7為我國常見日光溫室的結構參數。

表4－7　我國日光溫室主要類型的結構參數（單位：m）

表4-8 不同類型日光溫室內光照強度的水平分布

日光溫室的基本結構一般採用坐北面南、東西延長的方位，有一個較大的受光面和進光角度，利用太陽能作為溫室主要能源。為提高保溫性，日光溫室的北側、東西山牆，可採用中空牆體結構，後屋頂也可由多層複合材料建成保溫結構。第一代日光溫室多由竹木、土牆建成．待價較低，內部有支柱（分前柱、中柱、後柱）．一般每3m一排，稱其為一間。第二代日光溫室多由鋼材、磚牆建成，內部無支柱，空間擴大，操作性變好，結構牢固，抗風、雪能力較第一代有所提高，使用年限延長，造價較高，但折舊費用較低。也有採用鋼竹混合結構、GRC骨架結構等多種形式。

2.日光溫室的性能　日光溫室的特點主要體現在保溫性上，從結構上看，進光不及塑料大棚多，尤其是散射光進入室內較少，室內光照分布不均勻，南側較強、北側顯低（表4－8）；同時，保溫草簾的覆蓋，會影響見光時間，在冬季可減少見光時間達2～3h/d以上。覆蓋草簾一般是在溫度減低到18℃方左右時（下午16時前後），直到次日清晨8：30前後揭開，最低溫度能夠維持在8～13℃，平均降溫幅度在0.4～0.6 ℃/h，遠遠低於塑料大棚的降溫幅度（1℃/h），使得日光溫室溫度日較差顯著低於大棚，最低溫度大幅度提高（5～8 ℃），作物生長期較塑料大棚可提早（春季）或延後（秋季）各35～45d。日光溫室內的濕度與塑料大棚相類似，由於容積小，氣溫和濕度受輻射量變化影響大，在上午快速升溫階段濕度迅速下降，甚至可降低到15％左右，下午快速降溫階段，相對濕度迅速提高，下午16時前後濕度就會超過80％，在降溫迅速的傍晚，室內常會產生霧氣，在植株上結露，誘發病害發生，這也是日光溫室和塑料大棚病害嚴重和難以實現無公害生產的重要原因之一。同時由於室內溫度分布不均勻，存在一定的局部濕度差，散熱較快的南側早晚濕度較大。

無土栽培以基質培果菜類蔬菜較多，但低矮的日光溫室，作物的生長空間有限，會影響大株型作物的生長。

（二）塑料大棚

1.塑料大棚的結構 塑料大棚結構較簡單，骨架主要包括拱架、縱梁、立柱、山牆立柱、骨架連接卡具和門等，由於建造材料不同，骨架構件的結構也不同。拱架是塑料大棚承受風、雪荷載和承重的主要構件，按構造不同，拱架主要有單桿式和桁架式兩種形式；縱梁是保證拱架縱向穩定，使各拱架連接成為整體的構件，縱梁也有單桿式和格架式兩種形式；拱架材料斷面較小，不足以承受風、雪荷載，或拱架的跨度較大，擁體結構強度不夠時，則需要在棚內設置立柱，直接支撐拱架和縱梁，以提高塑料大棚整體的承載能力；山牆立柱即棚頭立柱，常見的為直立型，在多風強風地區則適於採用圓拱型和斜撐型；塑料大棚的骨架之間連接，如拱架與山牆立柱之間、拱架與拱架之間、縱梁與棚頭拱架之間的連接固定，除竹木結構塑料大棚採用線繩和鐵絲捆綁之外，裝配式鍍鋅鋼管結構塑料大棚和鋼筋-玻璃纖維增強水泥結構塑料大棚均由專門預製的卡具連接；塑料大棚的門，既是管理與運輸的出入口，又可兼作通風換氣口，單棟大棚的門一般設在棚頭中央，為了保溫，棚門可開在南端棚頭，氣溫升高後，為加強通風，可在北端再開一扇門，棚門的形式有合頁門、吊軌推拉門等。作為無土栽培的塑料大棚，應結構牢固，抗風雪能力強，有一定生長空間和較大的面積，同時易於通風換氣，進行環境調控，一般以鋼結構的無支柱或少支柱大棚為宜，跨度在8～12m，長度40～60m，脊高在2.4～3.0 m之間。目前以裝配式鍍鋅薄壁鋼管大棚為多。

塑料大棚在20世紀80年代就有定型產品，主要有中國農業工程設計院研製的GP系列、中國科學院石家莊農業現代化研究所研製的PGP等系列產品，主要產品規格如表4－9所示。

2塑料大棚的性能　塑料大棚以覆蓋塑料薄膜為特點，具有採光好，光照分布均勻，短波輻射易於進入，而長波輻射較難透過，密閉性好的特點。

（1）光照　大棚內的垂直光照強度由高到低逐漸遞減，以近地面處為最低。大棚內的水平光照強度，南北延長的大棚比較均勻，東西延長的大棚南側高於中部及北側。單株鋼材及硬塑結構的大棚受光較好，單棟竹木結構棚及連棟棚受光條件較差。另外，大棚的跨度越大，棚架越高，棚內光照越弱。

（2）溫度　在晴好天氣，白天溫度上升迅速，夜間又有一定的保溫作用。儘管如此，由於缺乏夜間加溫措施，存在著明顯的溫度日變化和季節變化，並且缺乏必要的環境調控設備，多數只是通過通風窗來調節溫度、濕度變化，室內環境要素變幅較大。晴日白天太陽出來1～2h就會進入快速升溫期，8～10h進入直線升溫期，每小時升溫5～8℃，11～13時升溫速度漸緩。並達到最高溫度，可高出露地20℃以上，隨後開始下降，15～17時後進入快速降溫階段，平均降溫幅度在每小時5～6℃，隨著內外溫差的縮小，夜間降溫幅度會迅速變小，大約為1℃/h，到凌時，室溫僅比露地高3～5℃。有時室內溫度還會低於外界溫度，稱之為「逆溫現象」，逆溫現象多發生在早春或晚秋、晴天微風的清晨。

（3）濕度　由於薄膜的密閉性較好，棚內濕度與露地相比明顯較大，日平均提高35～40％（表4－10）。在四季明顯的北方地區，由於冬季低溫期長，利用時間有限（僅比露地提早或延後1個月左右），塑料大棚發展相對較慢，而南方溫暖地區或氣候溫和地區使用較多。無土栽培時，基質培以生長期較長的果菜類蔬菜為主，水培多生產生長速度快、周期短的葉菜類蔬菜。

表4－9　GP、PGP系列塑料大骨架規格表

表4－10　大棚內外的空氣濕度日變化

（三）現代化溫室

現代化溫室能夠對各種環境要素實現綜合控制，達到適宜作物生長發育的要求。塑料大棚和日光溫室可以說是「利用自然」的保護設施形式，現代化溫室則是「創造自然」的保護設施形式，除主體結構規模較大外，內部有各種環境調控設備，包括加溫系統。保溫系統、降溫系統、加濕或降濕系統、CO2施用系統、強制通風系統和自然通風系統、補光或遮陽系統、供肥供水系統、排水集雨系統、防護系統（防蟲網、除雪設備）、氣象站、動力系統、控制系統等。由於系統的構成不同、設備選型不同，造價有較大的差異，擴大溫室規模是降低單位面積設備成本的主要途徑，將單棟溫室連棟化是擴大溫室規模的有效途徑，大型化是溫室的趨向。

現代化溫室使用年限多在20～50年，多用熱鍍鋅鋼材或鋁型材作結構材料，混凝土做基礎材料，採用桁架結構。一般南北向東西延長，見光面積大，冬季進光量較多；而東西向南北延長，室內溫、光均勻。由於不同國家、不同地區氣候特徵不同，尤其是風、雪、雹等災害性天氣狀況不同，在溫室設計方面差異較大，不同國家和一些國內廠家生產的溫室結構如表4－11。

現代化溫室一般建築面積較大，環境調控能力較強，但室內通風、夏季降溫能力較低。研究表明，當溫室總跨度超過40m時，中部就會出現高溫「鬱閉」區，影響CO2的輸送和植物生長，為此，需要增加強制換氣設備或微噴系統、降溫系統（遮陽或噴霧）。另外，大型連棟溫室難以實施外保溫，夜間降溫迅速，冬季加溫耗能多，為了節能常採用內保溫系統。花卉及一些果菜栽培中為調節花期，需進行光照調節，因此，溫室應增加補光設備。為控制病害發生，地面需要薄膜覆蓋以降低空氣濕度，在無土栽培時常將地面硬化，這樣導致CO2缺乏來源，必須通過CO2發生器供給，以滿足光合成的需要。為防止蟲害侵入，在溫室通風口及出入口應該設置防蟲網（30目左右的尼龍網）。為保持長期穩定的環境，還需設置功率匹配的通風、調濕、加溫系統。環境綜合調控是一項複雜的系統工程，人工的手動控制和機械控制難以達到經濟生產的要求，計算機控制系統是現代化溫室採用的主要形式。

表4－11　國內外一些廠家生產的溫室結構規格

現代化溫室的設備較為完善，溫室環境要素能夠根據作物生長發育要求來控制，做到周年生產，使溫室作物生產保持穩產高產優質。但是溫室的建設費用較高，與無土栽培技術結合能夠更好地發揮溫室設施的生產效能，是無土栽培發展的主要場所。

三、無土栽培用日光溫室建造總體要求

1.在溫室建築的選擇地址時，除注意綜合條件外，應考慮到灌排水的方便，特別應注意到消毒藥液的流向和處理，避免引起公害。

2.在溫室建築時，除注意採光、保溫性能外，還應有良好的通風條件，最好附有降溫設施。

3.在決定溫室的高度、跨度及方向時，應根據營養液栽培的方式來確定。營養液育苗溫室可以採用東西延長，透光面朝南的溫室，為便於多層架式育苗，溫室高度可適當增加或採用半地下式（低於地平面60～80cm）。塑料大棚營養液栽培還是以南北延長為好，跨度大小應根據栽培床的設計要求及建築材料等因素綜合考慮。

4.設施的設計必須注意強化溫室效應，注意優化棚型結構，使之儘可能多吸收、蓄積、利用太陽輻射能。在北緯35°～40°地區，日光溫室應面向正南，採光角度不應小於25°。為減少光量反射損失率，前屋面最好建成矢高與跨度比值大於或等於0.4663的球面體，三面牆體最好用隔熱材料或厚泥土層以利保溫。塑料大棚應南北延長，矢高與跨度比值應在0.3左右，並應用保溫棚膜和加蓋保溫紙被、草苫、棉被等物。 此外，營養液栽培的設施一般都是固定的，所以溫室或大棚也應是固定的。因為營養液栽培中一般不會出現如有土栽培那樣的連作障礙，如土壤鹽分積累和土壤傳染性病害增加等，這對固定設施的利用是有利的。

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