一種利用太陽能的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用太陽能的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)，該系統(tǒng)中所涉及的設(shè)施包括蓄熱保溫系統(tǒng)和供熱循環(huán)系統(tǒng)組成，通過對蓄水池上加裝太陽能吸儲材料和隔熱保溫材料以增加蓄水池的蓄熱保溫能力，白天利用鋪設(shè)于作物行間的吸放熱支管中流動的水，帶走作物冠層過多的熱量，以降低作物周邊微環(huán)境的氣溫，同時加熱蓄水池中的水進行蓄熱；在夜間和需要田間供暖時將蓄水池中的熱水泵入吸放熱支管進行田間放熱，以提高作物冠層及冠下的氣溫。從而減少白天高溫對作物的熱脅迫，同時減少夜間低溫對作物生長的影響，從而達到改善農(nóng)田微氣候，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。
【專利說明】—種利用太陽能的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種利用太陽能的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)，屬于農(nóng)田氣象【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】:
[0002]溫度條件是影響作物生長最重要的因子之一。溫度直接影響到植物生理代謝活動，進而影響到植物生長的各個方面，比如影響植物的光合、呼吸、養(yǎng)分吸收、生長、抗逆等。溫度還影響到土壤肥力的方方面面，比如土壤微生物的活性、土壤酶活性、礦質(zhì)營養(yǎng)的轉(zhuǎn)化等。因此調(diào)控農(nóng)田環(huán)境溫度，對于提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)和逆境防御能力均有重要意義。氣溫也是限制積溫偏低地區(qū)作物產(chǎn)量潛力的關(guān)鍵技術(shù)難題。然而生產(chǎn)中缺乏農(nóng)田溫度調(diào)控的技術(shù)手段，主要原因在于常規(guī)手段提高農(nóng)田環(huán)境溫度的技術(shù)需要建立設(shè)施大棚，或使用化石能源進行加熱，建造和運行成本高、施工麻煩、難以大面積推廣應用。
[0003]新疆屬于典型內(nèi)陸氣候，雖然太陽輻射能和日照時數(shù)均較高，但是日夜溫差較大，影響作物的生長和品質(zhì)，比如白天中午的高溫導致作物午間高溫休眠，光合速率下降，而夜間低溫導致棉纖維內(nèi)糖分轉(zhuǎn)化為纖維素的過程受阻，降低了棉纖維品質(zhì)。因此，提高傍晚和夜間作物冠層溫度、同時適當降低夏季午后冠層高溫對于提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的在于，克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種利用太陽能的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要利用水的良好蓄熱能力，通過太陽輻射能加熱水來進行蓄熱，通過對蓄水池上加裝太陽能吸儲材料和隔熱保溫材料以增加蓄水池的蓄熱保溫能力，白天利用鋪設(shè)于作物行間的吸放熱支管中流動的水，帶走作物冠層過多的熱量，以降低作物周邊微環(huán)境的氣溫，同時加熱蓄水池中的水進行蓄熱；在夜間和需要供暖時將蓄水池中的熱水泵入吸放熱支管進行田間放熱，以提高作物冠層及冠下的氣溫，從而達到促進作物生長，提高水肥利用效率，增加產(chǎn)量改善品質(zhì)的目的。
[0005]本發(fā)明所述的一種利用太陽能的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)，該系統(tǒng)中所涉及設(shè)施包括蓄熱保溫系統(tǒng)和供熱循環(huán)系統(tǒng)，蓄熱保溫系統(tǒng)是由蓄熱保溫系統(tǒng)蓄水池水泥基面(I )、隔熱保溫材料(2)、隔熱膜(3)、蓄水池內(nèi)水體(4)、吸熱薄膜(5)、塑料棚膜(6)組成，供熱循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)泵(8)，第一供水干管(9)、第一回水干管(10)和第一吸放熱支管(11)組成，通過對蓄水池(7)上加裝太陽能吸儲材料和隔熱保溫材料以增加蓄水池的蓄熱保溫能力，具體操作按下列步驟進行:
[0006]a、在現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)配套的蓄水池(7)水泥基面(I)上鋪設(shè)一層隔熱保溫材料硬質(zhì)泡沫塑料板(2)；
[0007]b、在隔熱保溫材料硬質(zhì)泡沫塑料板(2)上粘附一層隔熱膜PE塑料膜(3)，該塑料膜(3)向水一側(cè)為反光涂層；
[0008]C、在蓄水池(7)內(nèi)水體(4)表面覆蓋一層黑色吸熱PE塑料膜(5)；[0009]d、在蓄水池(7)上，距離水面50-150厘米處，覆蓋透明PE塑料膜(6)；
[0010]e、在蓄水池(7)上通過水循環(huán)泵(8)和第一閥門(12)與農(nóng)田的第一供水干管(9)，第一回水干管(10)連接；在蓄水池(7)上通過第二閥門(16)與空地的第二供水干管(13)，第二回水干管(14)連接；
[0011 ] f、在農(nóng)田內(nèi)沿作物(17 )種植行的作物行間地膜(19 )上，正對滴灌帶(18 )上方的位置，布設(shè)第一吸放熱支管(11 )，在空地上布設(shè)第二吸放熱支管(15);
[0012]g、在作物出苗期，白天當?shù)谝晃艧嶂Ч?11)中的水溫上升到溫度25_35°C，打開第一閥門(12)和循環(huán)泵(8)，蓄水池(7)中的冷水緩慢泵入農(nóng)田中的第一吸放熱支管
(11)中，水溫上升，形成熱水，再將熱水回流進入蓄水池(7)中；
[0013]h、在夜晚或需要田間加溫時，將蓄水池(7)中的熱水通過循環(huán)泵(8)和第一閥門
(12)泵入農(nóng)田第一吸放熱支管(11)中，提升作物冠層的環(huán)境溫度，同時冷水流回蓄水池
(7)中。[0014]步驟g和步驟h中在作物封行時通過在農(nóng)田外的空地布設(shè)的第二供水干管(13)、第二回水干管(14)、第二吸放熱支管(15)和第二閥門(16)，利用農(nóng)田外的太陽輻射能增加蓄水池內(nèi)的水溫。
[0015]本發(fā)明所述的一種利用太陽能的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)與已有技術(shù)相比具有突出的實質(zhì)性特點和顯著進步在于:
[0016]1.利用水的高蓄熱能力，吸收太陽能進行農(nóng)田微氣候干預，從而有效提高日落后農(nóng)田冠層微環(huán)境的溫度；
[0017]2.建造和運行維護成本較低，適用于大田生產(chǎn)的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)。新疆截至2013年底，滴灌面積達到3500萬畝，均已配套有蓄水池、泵房和配電柜，對現(xiàn)有蓄水池進行蓄熱系統(tǒng)改造簡單方便，僅需對原蓄水池加裝苯板，塑料膜等材料進行蓄熱保溫改造，一次改造可以多年使用，分攤成本低；
[0018]3.供熱循環(huán)系統(tǒng)采用的管路和閥門等均為當?shù)卮筇锷a(chǎn)中的滴灌系統(tǒng)通用件，價格低，采購容易，可以多年重復使用，因此和現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)配合度好，鋪設(shè)及維護容易；
[0019]4.同時利用田間布設(shè)的吸放熱管道吸熱和放熱，即能降低白天午后的作物冠層及冠下的高溫，同時又能提高夜間作物冠層及冠下的氣溫；蓄水池中的熱水可直接用于灌溉，減少灌溉水的低溫對作物生長的影響；
[0020]5.對倒春寒，早霜等災害天氣具有一定的抵御作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的蓄熱保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明加裝了農(nóng)田外增溫系統(tǒng)后的循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4為本發(fā)明作物行間吸放熱支管布置空間位置圖；
[0025]圖5為本發(fā)明農(nóng)田微氣象干預措施運行模式一對冠層氣溫的影響圖，其中?偽
對照處理(CK)，即未采取微氣象干預措施的處理；"O—.為采取農(nóng)田微象干預措施的處理(ATK)；
[0026]圖6為本發(fā)明農(nóng)田微氣象干預措施運行模式二對冠層氣溫的影響圖，其中+為對照處理(CK)，即未采取微氣象干預措施的處理，為采取農(nóng)田微氣象干預措施的處理(ATK)0
【具體實施方式】
[0027]實施例
[0028]2012年，在新疆石河子莫索灣試驗站(N44° 55.95" E86° Ili 6.24")的試驗田內(nèi)進行了利用太陽能的農(nóng)田微氣候干預的試驗，位于古爾班通古特沙漠南緣，屬于典型干旱大陸性氣候，晝夜溫差較大，試驗地面積5畝，種植作物為棉花，品種為新陸早26號，采用一膜六行超寬膜種植模式，株行距配置為窄行10厘米，寬行66厘米株距10厘米(圖4)，4月20日播種，5月I日出苗，5月20日試驗設(shè)施布設(shè)完畢，具體操作按下列步驟進行:
[0029]選擇現(xiàn)有試驗田滴灌系統(tǒng)配套的寬15米，長30米，深2米蓄水池水泥基面I上鋪設(shè)一層15厘米厚硬質(zhì)泡沫塑料板2，學名絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板；
[0030]在硬質(zhì)泡沫塑料板2上粘附一層16S厚PE塑料膜3，該塑料膜3向水一側(cè)為反光涂層; [0031]在蓄水池7內(nèi)水體4表面覆蓋一層12S厚黑色PE塑料膜5 ；
[0032]蓄水水池7上，距離水面120cm處，整體覆蓋14S厚透明PE塑料膜6 ；
[0033]在蓄水池7上通過水循環(huán)泵8和第一閥門12與農(nóng)田的第一供水干管9，第一回水干管10連接；在蓄水池7上通過第二閥門16與空地的第二供水干管13，第二回水干管14連接，第一供水干管9、第二供水干管13，第一回水干管10和第二回水干管14均為直徑75毫米的PE管，水循環(huán)泵8為雙魚牌潛水泵；
[0034]在農(nóng)田內(nèi)，沿作物棉花17種植行的作物行間地膜19上，正對滴灌帶18上方的位置，布設(shè)第一吸放熱支管11，為直徑250毫米的黑色PE塑料管(即農(nóng)用小白龍低壓塑料管)；
[0035]在作物出苗期，白天當?shù)谝晃艧嶂Ч?1中的水溫因吸收太陽輻射能后開始升溫，當水溫上升到25-35°C時(根據(jù)天氣情況，如多云天氣，太陽輻射偏低，水溫上升較慢，則調(diào)低溫度閾值，如天氣晴朗，太陽輻射強則調(diào)高溫度閾值，時間約為12:00-15:00)即打開循環(huán)泵8和第一閥門12，將蓄水池中的冷水通過第一供水干管9緩慢泵入農(nóng)田中的第一吸放熱支管11中，冷水在第一吸放熱支管11流動過程中吸收太陽輻射能而逐漸升溫，升溫后的熱水通過第一吸放熱支管11和第一回水干管10送入蓄水池7中，時間19:00關(guān)閉循環(huán)栗;
[0036]在凌晨4點打開循環(huán)泵8，將蓄水池7中的熱水通過循環(huán)泵8泵入農(nóng)田第一吸放熱支管11，熱水在田間釋放熱量后溫度逐漸降低，同時作物冠層氣溫開始升高，降溫后的冷水流回蓄水池7，時間7:00點鐘停止循環(huán)泵；
[0037]作物冠層較大已經(jīng)開始顯著遮擋第一吸放熱支管11時，每日中午14:00打開循環(huán)泵8和第一閥門12，將蓄水池中的冷水通過第一供水干管9緩慢泵入農(nóng)田中的第一吸放熱支管11中，冷水在第一吸放熱支管11流動過程中吸收太陽輻射能和環(huán)境熱能后而逐漸升溫，升溫后的熱水通過第一吸放熱支管11和第一回水干管10送入蓄水池7中；同時開啟在農(nóng)田外的空地布設(shè)的第二供水干管13、第二回水干管14、第二吸放熱支管15和第二閥門16(圖3)，利用農(nóng)田外的太陽輻射能增加蓄水池內(nèi)的水溫；白天每日14:00點即打開循環(huán)泵8和第二閥門16，將蓄水池中的冷水泵入農(nóng)田外空地的第二吸放熱支管15，冷水在第二吸放熱支管15流動過程中吸收太陽輻射能而逐漸升溫，升溫后的熱水通過第二吸放熱支管15送入蓄水池7中，時間19:00時關(guān)閉循環(huán)泵；凌晨4:00調(diào)整第一閥門12和第二閥門16，打開循環(huán)泵8，將蓄水池7中的熱水泵入第一供水干管9和第一吸放熱支管11，熱水在田間釋放熱量后溫度逐漸降低，同時作物冠層氣溫明顯升高，降溫后的冷水通過第一回水干管10流回蓄水池7中；
[0038]在農(nóng)田微氣候調(diào)控試驗田塊和相鄰未設(shè)置農(nóng)田微氣候調(diào)控的田塊的作物冠層高度布設(shè)溫度自動記錄儀，以每小時測定一次的頻度記錄了冠層溫度的變化情況，通過對比相鄰兩個田塊中的氣溫數(shù)據(jù)，研究了本發(fā)明設(shè)計的農(nóng)田微氣候調(diào)控的效果。
[0039]試驗結(jié)果如下:
[0040]農(nóng)田微氣候調(diào)控試驗的整體安裝調(diào)試于5月20日完成，此時棉花處于蕾期，作物葉面積指數(shù)較小，布設(shè)于作物行間的第一吸放熱支管11受到冠層的遮擋較少，因此，系統(tǒng)運行于模式一(圖2)，僅通過作物行間的第一吸放熱支管11進行吸放熱，而布設(shè)于農(nóng)田外空地的第二吸放熱支管15系統(tǒng)未打開，圖5為5月28日、29日和30日連續(xù)3天的作物冠層氣溫監(jiān)測結(jié)果，結(jié)果表明，白天時每日中午14:00前后，第一吸放熱支管11中的水溫超過35度，打開循環(huán)泵8，時間15:00監(jiān)測的氣溫數(shù)據(jù)即顯著發(fā)生變化，與常規(guī)對照農(nóng)田比，冠層氣溫平均下降3.3°C，而且在時間15:00-19:00點之間，氣溫下降的幅度呈減少趨勢，夜間凌晨4:00點打開循環(huán)泵8，熱水開始泵入作物行間的第一吸放熱支管11，冠層氣溫監(jiān)測結(jié)果顯示，冠層氣溫明顯開始上升，時間5:00點的監(jiān)測結(jié)果顯示，三日氣溫平均最高上升 5.1°C，但是升溫幅度隨時間推移，呈下降趨勢；
[0041]8月份，棉花進入花鈴期已經(jīng)封行，即冠層已經(jīng)完全覆蓋地面，此時布設(shè)于田間的第一吸放熱支管11因為作物冠層的遮擋已經(jīng)無法正常發(fā)揮吸收太陽輻射能的作用，因此農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)運行于模式二(圖3)，即在模式一的基礎(chǔ)上，白天打開布設(shè)于農(nóng)田外空地的第二吸放熱支管15進行太陽輻射熱量的吸收，以提高蓄水池中的水溫，圖6為8月8日、9日和10日連續(xù)3天的作物冠層氣溫監(jiān)測結(jié)果，結(jié)果表明，與模式一結(jié)果類似，白天時每日中午14:00點左右吸放熱支管15中的水溫達到35°C，打開循環(huán)泵8，時間15:00點監(jiān)測的氣溫數(shù)據(jù)即顯著發(fā)生變化，與常規(guī)對照農(nóng)田比，冠層氣溫平均下降3.4°C，降溫效果在時間15:00-19:00點之間呈下降趨勢，夜間凌晨4:00點打開循環(huán)泵8，熱水開始泵入作物行間的第一吸放熱支管11，此時的冠層氣溫監(jiān)測結(jié)果顯示，冠層氣溫明顯開始上升，時間5:00點的監(jiān)測結(jié)果顯示，三日氣溫平均最高上升3.9°C。
[0042]以上結(jié)果表明本發(fā)明的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)能夠發(fā)揮作用，新疆晝夜溫差極大的前提下，適當降低午間冠層高溫和提高夜間的冠層氣溫，無疑對作物增產(chǎn)和品質(zhì)改善能夠發(fā)揮巨大作用。該系統(tǒng)氣溫調(diào)控的作用大小取決于吸放熱支管的鋪設(shè)規(guī)模與實施氣候干預的農(nóng)田面積的比例。在一定范圍內(nèi)該比例增大，氣溫調(diào)控的幅度會增加。
【權(quán)利要求】
1.一種利用太陽能的農(nóng)田微氣候干預系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)中所涉及的設(shè)施包括蓄熱保溫系統(tǒng)和供熱循環(huán)系統(tǒng)，蓄熱保溫系統(tǒng)是由蓄水池水泥基面(1)、隔熱保溫材料(2)、隔熱膜(3)、蓄水池內(nèi)水體(4)、吸熱薄膜(5)、塑料棚膜(6)組成，供熱循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)泵(8)，第一供水干管(9)、第一回水干管(10)和第一吸放熱支管(11)組成，通過對蓄水池(7)上加裝太陽能吸儲材料和隔熱保溫材料以增加蓄水池的蓄熱保溫能力，具體操作按下列步驟進行: a、在現(xiàn)有滴灌系統(tǒng)配套的蓄水池(7)水泥基面(1)上鋪設(shè)一層隔熱保溫材料硬質(zhì)泡沫塑料板(2)； b、在隔熱保溫材料硬質(zhì)泡沫塑料板(2)上粘附一層隔熱膜PE塑料膜(3)，該塑料膜(3)向水一側(cè)為反光涂層； C、在蓄水池(7)內(nèi)水體(4)表面覆蓋一層黑色吸熱PE塑料膜(5)； d、在蓄水池(7)上，距離水面50-150厘米處，覆蓋透明PE塑料膜(6)； e、在蓄水池(7)上通過水循環(huán)泵(8)和第一閥門(12)與農(nóng)田的第一供水干管(9)，第一回水干管(10)連接；在蓄水池(7)上通過第二閥門(16)與空地的第二供水干管(13)，第二回水干管(14)連接； f、在農(nóng)田內(nèi)沿作物(17)種植行的作物行間地膜(19)上，正對滴灌帶(18)上方的位置，布設(shè)第一吸放熱支管(11 )，在空地上布設(shè)第二吸放熱支管(15); g、在作物出苗期，白天第一吸放熱支管(11)中的水溫上升到溫度25-35°C，打開第一閥門(12)和循環(huán)泵(8)，蓄水池(7)中的冷水緩慢泵入農(nóng)田中的第一吸放熱支管(11)中，水溫上升，形成熱水，再將熱水回流進入蓄水池(7)中； h、在夜晚或需要田間加溫時，將蓄水池(7)中的熱水通過循環(huán)泵(8)和第一閥門(12)泵入農(nóng)田第一吸放熱支管(11)中，提升作物冠層的環(huán)境溫度，同時冷水流回蓄水池(7)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于步驟g和步驟h中在作物封行時通過在農(nóng)田外的空地布設(shè)的第二供水干管(13)、第二回水干管(14)、第二吸放熱支管(15)和第二閥門(16)，利用農(nóng)田外的太陽輻射能增加蓄水池內(nèi)的水溫。
【文檔編號】A01G9/24GK103918508SQ201410156497
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】王平, 田長彥 申請人:中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所