一種高效二氧化碳施肥裝置及施肥方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高效二氧化碳施肥裝置及施肥方法，屬于設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著設(shè)施工程技術(shù)和栽培育種技術(shù)的不斷進步，設(shè)施農(nóng)業(yè)植物產(chǎn)量也得 到了極大的提高。但是，由于不適生長環(huán)境因子（如CO2濃度、光照強度、溫度等）及病蟲 害等的影響，設(shè)施農(nóng)業(yè)植物實際的產(chǎn)量只發(fā)揮了其生產(chǎn)潛力的24%左右，其中不適生長環(huán) 境已成為植物產(chǎn)量最重要的限制因素。與設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制技術(shù)發(fā)達的荷蘭和日本相比， 中國設(shè)施農(nóng)業(yè)植物的平均產(chǎn)量分別為其平均產(chǎn)量的1/6和1/3左右。其主要原因為，中國 的農(nóng)業(yè)設(shè)施主要以大棚和日光溫室為主，室內(nèi)環(huán)境調(diào)控能力較差。而〇) 2是植物進行光合 作用的原料之一，其濃度是影響植物生長的一個很重要的環(huán)境因子。如圖9所示，光合速率 與光強和〇) 2濃度關(guān)系示意圖。在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，植物進行光合作用會消耗大量的CO 2， 若室內(nèi)CO2得不到及時補充，CO 2濃度會迅速下降。過低的CO 2濃度已成為設(shè)施植物光合的 主要限制因素，制約了植物生長發(fā)育，降低了植物產(chǎn)量和品質(zhì)。
[0003] 目前已經(jīng)對如何提高溫室內(nèi)CO2濃度展開相關(guān)研究，如高濃度CO2施肥法，可一定 程度上提高光能利用效率，但〇) 2利用率低。因為CO2施肥利用效率與設(shè)施（比如溫室）密 閉性有關(guān)，對于密閉性較好的溫室（換氣次數(shù)為〇. 5h 1以下），CO2逸散速率小，即使室內(nèi)CO2 施肥到較高濃度（如1000 μ mol · mol ^，0)2利用效率也可維持在較高水平（0· 6左右）； 但在通風(fēng)狀態(tài)下，溫室換氣次數(shù)一般在IOh 1以上，若室內(nèi)CO2濃度高于室外CO2濃度水平， 則增施的C0 290%以上會逸散到室外，經(jīng)濟效益較低；而CN103314694A所述的零濃度差CO2 施肥法，采用的是0N/0FF控制方法，容易出現(xiàn)0)2過充現(xiàn)象，造成CO2浪費；并且由于在作物 CO2飽和點以下，光合作用隨著CO2濃度的升高幾乎成直線增強，較低的CO2濃度（室外水平 或更低）限制了作物的光合速率，尤其是在較強的太陽輻射下（如圖9)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種高效二氧化碳施肥裝置及施肥方法，其可進 一步提高植物的光合速率、提升光能以及增施CO2的利用效率，減少CO2逸散率，降低運行成 本。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種二氧化碳施肥裝置，包括CO2施肥自動控制系統(tǒng)；其中，所述CO2施肥自動控制 系統(tǒng)包括控制器、以及分別與其連接的太陽輻射傳感器、CO2傳感器、溫濕度傳感器、CO 2存 儲及輸送單元、天窗控制開關(guān)、降溫設(shè)備；
[0007] 其中，所述控制器（即電腦及其控制軟件），用于處理各傳感器提供的數(shù)據(jù)，并控 制〇)2存儲及輸送單元、天窗控制開關(guān)、降溫設(shè)備的開啟與關(guān)閉，以及控制CO2的施加速度； 其控制單元采用比例積分微分PID模塊；
[0008] 其中，所述太陽輻射傳感器，用于監(jiān)測溫室外太陽光輻射強度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳至 控制器；
[0009] 其中，所述CO2傳感器，用于監(jiān)測溫室內(nèi)外CO 2濃度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳至控制器；
[0010] 其中，所述溫濕度傳感器，用于監(jiān)測溫室內(nèi)外溫濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳至控制器；
[0011] 其中，所述CO2存儲及輸送單元包括：CO 2鋼瓶、連接CO 2鋼瓶的CO 2施肥管、及設(shè)置 于CO2施肥管上的CO 2流量計；所述CO 2鋼瓶用于CO 2的存儲，由控制器控制其開啟、關(guān)閉及 〇)2輸送流量大小；所述CO 2流量計用于控制CO 2流量大小和檢測CO 2流量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳 至控制器；所述CO2施肥管布設(shè)位置可依據(jù)溫室植物具體情況而定，以滿足植物光合作用， 確保室內(nèi)CO 2濃度均衡為宜。本發(fā)明中所述CO2施肥管的布設(shè)高度以1. 4-1. 6米為宜，且均 勻分布于溫室兩側(cè)，以增加施肥均勻度。
[0012] 所述天窗控制開關(guān)用于控制天窗的開啟與關(guān)閉；
[0013] 所述降溫設(shè)備（如空調(diào)、蒸發(fā)降溫設(shè)備等）的設(shè)置可減少溫室通風(fēng)時間或者延長 溫室密閉時間，從而延長高光照下〇) 2濃度增施到較高水平的時間。
[0014] 本發(fā)明還可在所述施肥裝置中增設(shè)循環(huán)風(fēng)扇，利用其功能使增施的0)2在室內(nèi)均 勻分布；但如使用空調(diào)等自帶風(fēng)扇的降溫設(shè)備時，則可不需要循環(huán)風(fēng)扇。
[0015] 本發(fā)明還提供了含有上述施肥裝置的密閉性較好的溫室。利用本發(fā)明所述的溫室 可進一步提高植物的光合速率、提升光能以及增施CO 2的利用效率，減少CO2逸散率，降低運 行成本，適合大力推廣。
[0016] 本發(fā)明還提供一種0)2施肥方法，利用上述施肥裝置，在溫室處于密閉狀態(tài)下，采 用光_〇) 2耦合施肥法增施CO 2;在溫室處于通風(fēng)狀態(tài)下，采用零濃度差CO 2施肥法增施CO 2。
[0017] 本發(fā)明所述施肥方法中，利用溫濕度傳感器檢測室內(nèi)外溫濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)所述溫室 內(nèi)溫度高于植物生長最高溫度時，溫室處于通風(fēng)狀態(tài)；當(dāng)溫室內(nèi)溫度低于植物生長最高溫 度時，溫室處于密閉狀態(tài)。
[0018] 本發(fā)明所述施肥方法中，所述光-〇)2耦合施肥法具體為：控制器依據(jù)太陽輻射傳 感器監(jiān)測的溫室外太陽光輻射強度數(shù)據(jù)判斷是否施加 CO2;當(dāng)太陽光輻射強度高于植物光 補償點（已知），控制器開啟CO2存儲及輸送單元中的CO 2鋼瓶，通過CO 2施肥管向溫室內(nèi)施 加 CO2，待CO2傳感器監(jiān)測到CO2濃度達到目標濃度時，停止施加；當(dāng)太陽光輻射強度小于植 物光補償點，不施加 CO2。
[0019] 其中，所述目標濃度隨太陽光輻射強度增強而增大，其具體數(shù)值的設(shè)定以有效提 高植物光合速率、光能利用效率，以及〇) 2利用效率為宜；本發(fā)明中所述0)2目標濃度計算公 式如下：
[0020] 〇)2目標濃度=[(溫室外太陽光輻射強度-植物光補償點）X (植物CO 2飽和 點-植物CO2補償點）八植物光飽和點-植物光補償點）]+植物〇) 2補償點。
[0021] 其中，所述施加 CO2施加速度視溫室面積大小和CO2目標濃度而定，以保證在較短 的時間內(nèi)增施到目標濃度為宜。
[0022] 當(dāng)溫濕度傳感器監(jiān)測到室內(nèi)溫度超過植物生長最適溫度時，控制器開啟降溫設(shè)備 進行室內(nèi)降溫，以延長溫室密閉時間，使〇) 2濃度隨著光強增加而繼續(xù)升高，在高光照下增 施到較高水平。而當(dāng)溫濕度傳感器監(jiān)測到溫室內(nèi)溫度低于植物生長最高溫度時，天窗控制 開關(guān)關(guān)閉天窗，此時溫室處于密閉狀態(tài)，同時開啟降溫設(shè)備將室內(nèi)溫度降至植物生長最適 溫度，從而減少溫室的通風(fēng)時間。
[0023] 本發(fā)明所述施肥方法中，當(dāng)溫室密閉性較差或處于通風(fēng)狀態(tài)條件時，采用零濃度 差CO2施肥法。所述零濃度差CO2施肥法通過比例積分微分（PID)方法控制，具體步驟為： 通過CO2傳感器將溫室內(nèi)外CO2濃度數(shù)據(jù)傳至控制器，采用比例積分微分（PID)控制方法始 終使室內(nèi)〇) 2濃度接近但不高于室外CO2濃度。所述零濃度差CO2施肥法避免了 CO2過沖現(xiàn) 象，室內(nèi)外CO2濃度保持一致，避免了 CO 2的逸散，提高了經(jīng)濟效益。
[0024] 作為本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，所述二氧化碳的施肥方法步驟如下（以一天為例）：
[0025] 1)早晨，溫濕度傳感器將溫室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)傳至控制器，經(jīng)控制器分析，室內(nèi)溫度低 于植物生長最適溫度，溫室為密閉狀態(tài)；
[0026] 同時，太陽輻射傳感器將溫室外太陽光輻射強度數(shù)據(jù)傳至控制器，經(jīng)控制器分析， 若太陽光輻射強度高于植物光補償點，則控制器開啟CO 2存儲及輸送單元中的CO 2鋼瓶，并 通過CO2施肥管向溫室內(nèi)施加 CO 2，待CO2傳感器監(jiān)測到室內(nèi)濃度達到目標濃度時，停止施 加；